TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3G
Mở đầu
Thế hệ điện thoại di động đầu tiên (1G) ra đời vào những năm 70/80 với công nghệ analog, sử dụng kỹ thuật điều chế radio tương tự như radio FM, và không đảm bảo bảo mật cho các cuộc thoại 1G thường được gọi là "Analog Mobile Phone System (AMPS)" Đến đầu những năm 90, thế hệ điện thoại kỹ thuật số (2G) xuất hiện với chuẩn D-AMPS sử dụng TDMA (Time Division Multiple Access), tiếp theo là công nghệ CDMA Châu Âu đã chuẩn hóa GSM dựa trên TDMA, với tên gọi ban đầu là "Groupe Speciale Mobile", được thành lập bởi CEPT vào năm 1982 nhằm chuẩn hóa kỹ thuật truyền thông di động ở băng tần 900MHz Đến năm 1991, GSM được đổi tên thành Global System for Mobile Communication.
Năm 2001, GPRS ra đời nhằm tăng cường khả năng truyền tải thông tin không phải thoại trên mạng di động, thường được xem là công nghệ 2.5G Tốc độ truyền dữ liệu của GSM chỉ đạt 9.6Kbps, trong khi GPRS đã nâng tốc độ lên gấp ba lần, đạt từ 20-30Kbps Công nghệ GPRS mở ra cơ hội phát triển các dịch vụ WAP và internet với tốc độ thấp, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Năm 2003, công nghệ EDGE ra đời, cung cấp tốc độ lý thuyết lên đến 250 Kbps, được biết đến như là 2.75G, đánh dấu bước tiến quan trọng trên con đường phát triển đến 3G.
Cụm từ điện thoại di động 3G đã trở nên quen thuộc với người dùng hiện nay 3G, viết tắt của công nghệ thế hệ thứ ba, cho phép truyền tải dữ liệu không chỉ cho cuộc gọi mà còn cho nhiều dịch vụ khác như tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, nhạc và internet Công nghệ 3G không chỉ cung cấp các dịch vụ cao cấp mà còn tăng dung lượng mạng điện thoại thông qua việc sử dụng hiệu quả phổ tần số.
Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video và khả năng truy cập internet được xem là những dịch vụ cao cấp mà nhà cung cấp muốn mang đến cho khách hàng Tuy nhiên, tần số vô tuyến là tài nguyên đắt đỏ, với giá tần số cho công nghệ 3G cao tại nhiều quốc gia, nơi các cuộc 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 mạng 3G bắt đầu mang lại doanh thu, dẫn đến việc cần một khối lượng đầu tư khổng lồ để xây dựng mạng 3G Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã gặp khó khăn tài chính, làm chậm trễ triển khai mạng 3G ở nhiều quốc gia, ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do ưu tiên phát triển hạ tầng IT quốc gia.
Nhật Bản là quốc gia đầu tiên triển khai 3G một cách rộng rãi vào năm 2005, khi khoảng 40% thuê bao di động tại đây đã chuyển sang sử dụng công nghệ 3G, đánh dấu sự suy giảm dần của mạng 2G.
Mạng 3G, một công nghệ di động đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, hiện đang được phân chia thành nhiều chuẩn khác nhau tùy thuộc vào khả năng nghiên cứu của các nhà cung cấp dịch vụ Trong tương lai gần, chỉ trong một đến ba năm tới, mạng di động dự kiến sẽ chuyển mình thành mạng truyền dữ liệu tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng Để đạt được điều này, các nền tảng công nghệ mới như 3G, 3,5G và 4G sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển mạng di động.
Bảng 1.1 Bảng so sánh các công nghệ di động và tốc độ truyền dữ liệu
Công nghệ Tốc độ Tính năng
1G AMPS Không có Analog (chỉ có chức năng thoại) 2G
- Tải các ứng dụng và nhạc chuông 3G
- Video theo yêu cầu (VOD)
Các tiêu chuẩn xây dựng mạng 3G
3G bao gồm 3 chuẩn chính là :
Trong đó, chuẩn W-CDMA có hai chuẩn con thành phần là :
W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access): là chuẩn liên lạc di động 3G song hành với cùng với chuẩn GSM W-CDMA là công nghệ nền tảng cho các công nghệ 3G khác như UMTS và FOMA
W-CDMA được tập đoàn ETSI NTT DoCoMo (Nhật Bản) phát triển riêng cho mạng 3G FOMA Sau đó, NTT Docomo đã trình đặc tả này lên Hiệp hội truyền thông quốc tế (ITU) và xin công nhận dưới danh nghĩa một thành viên của chuẩn 3G quốc tế có tên IMT-2000 ITU đã chấp nhận W- CDMA là thành viên của IMT-2000 và sau đó chọn W-CDMA là giao diện nền tảng cho UMTS
UMTS (Hệ thống Điện thoại Di động Toàn cầu) dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp tổng quát cho các quốc gia sử dụng công nghệ di động GSM và được quản lý bởi tổ chức 3GPP Tổ chức này cũng phụ trách các chuẩn mạng di động như GSM, GPRS và EDGE Sự phát triển liên tục của các tiêu chuẩn kỹ thuật được thể hiện qua bốn mô thức tiêu chuẩn UMTS: R99, R4, R5 và R6, tạo thành một bộ tiêu chuẩn đồ sộ với các hệ tiêu chuẩn tương đối độc lập WCDMA là tiêu chuẩn giao diện không gian đầu tiên và hoàn thiện nhất trong các hệ tiêu chuẩn này, được sử dụng rộng rãi bởi các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thông trên ba châu lục: Âu, Á, Mỹ Hiện tại, UMTS chiếm thị phần lớn nhất trong thị trường thông tin di động, đạt tới 85,4% theo báo cáo GSA tháng 8 năm 2007.
Mạng UMTS hiện nay có thể nâng cấp lên High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), hay còn gọi là 3,5G, cho phép tăng tốc độ tải xuống lên đến 10 Mbps.
1.3 Các tham số chính của WCDMA
WCDMA là hệ thống truyền thông sử dụng công nghệ trải phổ trực tiếp, trong đó luồng thông tin được phân bổ trên băng thông rộng thông qua việc nhân dữ liệu với chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên (PN) Để hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu cao, hệ số trải phổ (SF) có thể thay đổi và kết nối với nhiều mã trải phổ khác nhau trong WCDMA.
Tốc độ chip trong WCDMA đạt 3.84 Mbps với băng tần truyền dẫn 5 MHz, trong khi CDMA2000 có thể sử dụng băng tần 3x1.25 MHz hoặc 3.75 MHz Băng thông lớn của WCDMA không chỉ hỗ trợ tốc độ truyền dẫn cao mà còn mang lại lợi ích như tăng hệ số phân tập đa đường.
WCDMA hỗ trợ truyền dẫn tốc độ linh hoạt, cho phép sử dụng băng thông theo nhu cầu Trong mỗi khung truyền dẫn, tốc độ dữ liệu là cố định, nhưng có thể khác nhau giữa các khung truyền dẫn khác nhau.
WCDMA hoạt động với hai chế độ chính là FDD và TDD Trong chế độ FDD, các cặp tần số sóng mang rộng 5 MHz được sử dụng cho kênh truyền dẫn lên và xuống tương ứng Ngược lại, chế độ TDD chỉ sử dụng một sóng mang 5 MHz cho cả đường lên và xuống, phân chia theo thời gian TDD thường được áp dụng trong các băng tần không chia cặp được.
Các BTS trong WCDMA (Node B) hoạt động ở chế độ không đồng bộ
Việc không yêu cầu nguồn đồng hồ đồng bộ cho tất cả các BTS trong mạng, chẳng hạn như sử dụng GPS, giúp WCDMA hoạt động hiệu quả hơn Chế độ làm việc không đồng bộ này tạo điều kiện thuận lợi cho việc triển khai WCDMA trong các cấu hình indoor và micro cell.
WCDMA áp dụng tách sóng nhất quán cho cả hai hướng lên và xuống, sử dụng 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 WCDMA cho phép nhà vận hành lựa chọn công nghệ máy thu tiên tiến như MUD và 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 công nghệ Điều này đảm bảo quá trình triển khai mạng 3G-WCDMA diễn ra một cách mượt mà và hiệu quả.
Bảng 1.2 Các thông số chính của WCDMA
Băng tần kênh 1,25Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 20Mhz
Cấu trúc kênh hướng xuống Trải phổ trực tiếp
Lặp 0,22 Độ dài khung 10 ms/ 20 ms Điều chế trải phổ QPSK cân bằng (hướng xuống)
QPSK kép (hướng lên) Mạch truyền phức hợp Điều chế dữ liệu QPSK (hướng xuống)
Phát hiện kết nối Kênh pilot ghép thời gian (hướng lên và hướng xuống) Không có kênh pilot chung hướng xuống
Ghép kênh hướng lên Kênh điều khiển, kênh pilot ghép thời gian
Ghép kênh I&Q cho kênh dữ liệu và kênh điều khiển Đa tốc độ Trải phổ biến đổi và đa mã
Hệ số trải phổ 4 – 256 Điều khiển công suất Vòng hở và vòng khép kín (tốc độ
1,6KHz) Trải phổ (hướng lên) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã
Gold 218 Trải phổ (hướng xuống) Mã trực giao dài để phân biệt kênh, mã
Chuyển giao Chuyển giao mềm (Soft handoff)
Chuyển giao khác tần số
1.4 Các kênh cơ bản của W-CDMA
Hình 1.2 Cấu trúc kênh của WCDMA
Từ hình 1.2 cho ta cái nhìn tổng quan về các kênh được sử dụng trong WCDMA gồm 3 kênh cơ bản:
Kênh logic: miêu tả loại thông tin sẽ được truyền đi Mặc dù gọi là
Kênh logic không giống như kênh vật lý hay kênh vận tải, mà là những công việc mà mạng và thiết bị cần thực hiện tại các thời điểm khác nhau Các kênh logic này có thể được xem như dịch vụ mà lớp MAC cung cấp cho lớp RLC phía trên.
Kênh vận tải quy định cách thức và đặc trưng thông tin được truyền đi, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ cho lớp vật lý và lớp MAC.
Kênh vật lý: chính là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi
Việc phân loại các kênh thông tin tương tự như việc phân lớp trong mạng, giúp quản lý và điều khiển dễ dàng hơn Mỗi loại thông tin sẽ được gán với những đặc trưng riêng, cho phép mạng tự động truy cập vào các kênh tương ứng để gửi thông tin một cách hiệu quả nhất.
Hình 1.3 Cấu trúc kênh logic Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: Kênh điều khiển và kênh lưu lượng
Các kênh cơ bản của W-CDMA
Hình 1.2 Cấu trúc kênh của WCDMA
Từ hình 1.2 cho ta cái nhìn tổng quan về các kênh được sử dụng trong WCDMA gồm 3 kênh cơ bản:
Kênh logic: miêu tả loại thông tin sẽ được truyền đi Mặc dù gọi là
Kênh logic không giống như kênh vật lý hay kênh vận tải, mà là những công việc mà mạng và thiết bị thực hiện tại các thời điểm khác nhau Các kênh logic này có thể được hiểu như là dịch vụ mà lớp MAC cung cấp cho lớp RLC ở trên nó.
Kênh vận tải là phương thức truyền tải thông tin, được quy định bởi các tiêu chuẩn nhất định và có những đặc trưng riêng biệt Dịch vụ này là một phần quan trọng mà lớp vật lý cung cấp cho lớp MAC ở trên nó.
Kênh vật lý: chính là kênh hiện hữu truyền tải thông tin đi
Việc phân loại các kênh thông tin tương tự như việc phân lớp trong mạng, giúp quản lý và điều khiển hiệu quả hơn Mỗi loại thông tin sẽ có những đặc trưng riêng, cho phép mạng tự động truy cập vào các kênh tương ứng để truyền tải thông tin một cách tối ưu.
Hình 1.3 Cấu trúc kênh logic Kênh logic định nghĩa loại số liệu được truyền đi, bao gồm 2 loại kênh: Kênh điều khiển và kênh lưu lượng
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) hoạt động ở tuyến xuống, cung cấp thông tin về nhận diện tế bào, mạng lưới và tình trạng hiện tại của tế bào Thông qua BCCH, người dùng có thể nắm bắt cấu trúc điều khiển cùng với các lưu lượng đang còn rỗi, đang sử dụng hoặc bị nghẽn.
Kênh nhắn tin PCH cung cấp thông tin từ BS đến MS và phát IMSI của thuê bao, yêu cầu phát lại trên RACH - kênh điều khiển ngẫu nhiên Bên cạnh đó, PCH cũng có khả năng cung cấp các bản tin quảng bá dưới dạng ASCII.
- Kênh truy cập hướng xuống DACH chuyển bản tin từ BS đến MS trong
- Kênh điều khiển dành riêng DCCH gồm kênh điều khiển dành riêng đứng một mình SDCCH và kênh điều khiển liên kết ACCH
Dùng để truyền các thông tin của điện thoại hoặc số liệu bao gồm 2 kênh:
Kênh lưu lượng dùng riêng (DTCH) là một phương thức chuyển dữ liệu theo mô hình kết nối điểm - điểm, cho phép truyền thông tin đến và từ một thuê bao cụ thể DTCH được sử dụng chủ yếu để truyền tải thông tin người dùng hiệu quả.
Kênh lưu lượng dùng chung (CTCH) là một phương thức truyền dữ liệu theo mô hình kết nối điểm - điểm trên kênh đường xuống, cho phép truyền thông tin cá nhân đến tất cả các thuê bao trong cùng một nhóm.
Kênh truyền tải là phương tiện cung cấp các thông số và đặc tính cần thiết để truyền tải dữ liệu qua mạng Những kênh này được hình thành từ việc sắp xếp các kênh logic, và chúng được chia thành hai loại chính.
- Kênh truyền tải riêng DCH: mang thông tin điều khiển cho riêng một
MS với mang DCH-UL, DCH-DL
- Kênh truyền tải chung CCH : dùng chung cho tất cả các MS
Mỗi kênh truyền tải đều mang một mã chỉ thị định dạng truyền tải TFI, giúp phối hợp giữa lớp MAC và lớp vật lý Lớp vật lý ghép nhiều kênh truyền tải để tạo thành kênh truyền tải mã hóa hỗn hợp CCTRCH, kèm theo đó là tổ hợp mã TFCI được truyền trong kênh điều khiển vật lý để thông báo cho đầu thu về kênh đang được nhận Sau đó, TFCI sẽ được giải mã để tạo ra các TFI tương ứng gửi lên lớp trên.
Với kênh truyền tải riêng chỉ có một kênh duy nhất là kênh DCH Kênh này có thể hoạt động ở tuyến lên hoặc tuyến xuống
Kênh truyền tải chung bao gồm 6 kênh: BCH, FACH, PCH, RACH, CPCH và DSCH
Kênh BCH - kênh quảng bá, là kênh truyền tải đường xuống, sử dụng để quảng bá những thông tin trong hệ thống hay trong 1 tế bào
Kênh FACH là kênh truy cập gọi đi và cũng là kênh truyền tải đường xuống, có khả năng hoạt động trong toàn bộ hoặc một phần tế bào Việc gửi kênh này được thực hiện sau khi bác sĩ nhận được bản tin truy nhập ngẫu nhiên.
Kênh PCH – Kênh tìm gọi, cung cấp dữ liệu cần thiết cho các thủ tục gửi tin nhắn, giúp hệ thống kết nối liên lạc với thuê bao một cách hiệu quả.
Kênh RACH – Kênh truy cập ngẫu nhiên, là kênh mang thông tin điều khiển từ thuê bao, như yêu cầu thiết lập một kết nối
Kênh CPCH là một kênh dữ liệu gói chung, mở rộng từ kênh RACH, được sử dụng để truyền dữ liệu của người dùng theo dạng gói trong hướng lên Đồng thời, dữ liệu gói trong hướng xuống được truyền qua kênh FACH.
Kênh DSCH – Kênh chia sẻ đường xuống, là kênh mang các thông tin dữ liệu hoặc thông tin điều khiển của người dùng
Hình 1.4 Ánh xạ giữa kênh logic và kênh giao vận
Các kênh truyền tải được kết hợp với các kênh vật lý và được quản lý tại lớp vật lý Tại đây, các kỹ thuật biến đổi được áp dụng để đảm bảo tính tương thích với đặc tính truyền dẫn vô tuyến, đồng thời nâng cao chất lượng tín hiệu.
- Một kênh truy cập chung RACH
Trong hầu hết các trường hợp, mỗi cuộc gọi chỉ được cấp một kênh DPDCH cho các dịch vụ chia sẻ thời gian Tuy nhiên, cũng có khả năng cấp nhiều kênh để đạt được hệ số trải phổ lớn khi truyền dữ liệu với tốc độ cao.
Hình 1.5 Tốc độ truyền WCDMA đường lên
+ Truyền pilot cho thu tương can
+ Truyền bit điều khiển công suất
+ Truyền tin tức về tốc độ
- Kênh vật lý điều khiên chung (sơ cấp và thứ cấp) CCPCH mang: BCCH, PCH, PACH
- Kênh SCH cung cấp định thời và MS đo lường SCH phục vụ chuyển giao
Kênh dành riêng DPDCH và DPCCH được ghép kênh theo thời gian, với kí hiệu pilot ghép trên BCCH nhằm phục vụ cho việc thu tương quan Các kí hiệu pilot này, được thiết kế riêng cho mỗi kết nối, giúp đánh giá hoạt động thích ứng của anten và hỗ trợ điều khiển công suất nhanh ở hướng xuống CCPCH sơ cấp, mang BCCH và kênh pilot chung, cũng được ghép kênh theo thời gian, với mã giống nhau trong tất cả các cell.
Hình 1.6 Cấu trúc của kênh dành riêng
Các bước cải tiến của công nghệ WCDMA
Dịch vụ di động 3G mang đến cho người tiêu dùng và các chuyên gia trải nghiệm thoại chất lượng cao, cùng với nhiều dịch vụ dữ liệu phong phú và hấp dẫn.
• Kết nối Internet di động
• Các dịch vụ đa phương tiện, như ảnh kỹ thuật số và phim được thu và chia sẻ qua các thiết bị cầm tay di động
• Download các ứng dụng di động
• Các dịch vụ khẩn cấp và định vị nâng cao
• Các dịch vụ nhắn tin bấm-để-nói và bấm-để-xem video có thời gian chờ thấp
Hệ thống thông tin di động 3G, sử dụng công nghệ truy cập vô tuyến WCDMA và CDMA2000, đang được triển khai rộng rãi trên toàn cầu Tính đến tháng 12 năm 2005, đã có hơn 160 hệ thống 3G được đưa vào hoạt động.
Phiên bản đầu tiên R99 của WCDMA đã cải thiện đáng kể về dung lượng và tốc độ truyền dẫn dữ liệu, đạt tối đa 2 Mbps Tuy nhiên, khi triển khai các dịch vụ số liệu trên mạng thương mại, nhu cầu về dung lượng và tốc độ vẫn cần được giải quyết Để đáp ứng điều này, kênh truyền tải mới HS-DSCH đã ra đời trong R5 vào đầu năm 2002, thường được gọi là HSDPA, nhằm hỗ trợ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độ cao như streaming và dịch vụ tương tác HSDPA cung cấp dung lượng cao hơn 50% so với kênh DCH/DSCH trong R99 và có tốc độ truyền dẫn tối đa lên đến 14 Mbps Mặc dù R5 chỉ hỗ trợ truyền dẫn bất đối xứng, R6, hoàn thành vào đầu năm 2005, đã khắc phục nhược điểm này với cải tiến kênh đường lên, nâng tốc độ lên đến 5.76 Mbps và tăng gấp đôi dung lượng kênh truyền tải Hai bước cải tiến trong R5 và R6 tập trung vào việc nâng cao hiệu suất mạng WCDMA.
- Nâng cao tốc độ truyền dẫn trên cả hai hướng
- Tăng dung lượng của mạng trên một đơn vị tài nguyên vô tuyến
- Giảm trễ truyền dẫn cho cả hai hướng
Mục tiêu thứ 3 được thực hiện bằng cách đưa một số chức năng lớp MAC gần hơn với giao diện vô tuyến, chẳng hạn như chuyển chức năng truyền dẫn từ RNC đến Node B Giảm thời gian của khung truyền dẫn cũng là giải pháp quan trọng để giảm độ trễ Cụ thể, khung thời gian truyền dẫn TTI của kênh DCH trong R99 dao động từ 10-80 ms, trong khi ở HS-DSCH của R5, thời gian này được rút ngắn còn 2 ms Đối với kênh đường lên cải tiến trong R6, ngoài việc hỗ trợ khung truyền dẫn 10 ms như phiên bản trước, khung truyền dẫn 2 ms cũng được áp dụng nhằm đạt được mục tiêu này.
Mục tiêu 1 và 2 được thực hiện thông qua kỹ thuật thích ứng kênh, bao gồm việc thay đổi tỷ lệ mã của mã sửa lỗi, chọn chùm tín hiệu điều chế phù hợp với điều kiện kênh và điều khiển thu phát theo sự thay đổi của kênh truyền dẫn Kỹ thuật này không chỉ mang lại lợi ích cho các nhà vận hành mạng mà còn cho khách hàng sử dụng máy di động có tính năng xử lý tín hiệu tốt, từ đó thúc đẩy tốc độ tiêu thụ sản phẩm công nghệ cao Ngoài ra, tự động yêu cầu truyền dẫn lại cũng là một trong ba kỹ thuật quan trọng tại lớp vật lý, giúp đạt được cả ba mục tiêu thông qua việc tận dụng kết thúc truyền dẫn sớm tại node B gần giao diện vô tuyến.
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HSDPA
Tổng quan về HSDPA
Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) là một tính năng mới trong phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống WCDMA/UTRA-FDD, được xem là công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di động 3.5G HSDPA kết hợp nhiều tính năng mới nhằm cải thiện dung lượng mạng và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh lên trên 10Mbps cho lưu lượng gói đường xuống Những cải tiến kỹ thuật này cho phép các nhà khai thác cung cấp dịch vụ tốc độ bit cao, nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) và tối ưu hóa chi phí Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của WCDMA/HSDPA vượt trội so với các phiên bản trước, với các tính năng tiên tiến như điều chế và mã hóa thích ứng (AMC).
Kỹ thuật phát đa mã (multi-codes)
Thích ứng liên kết nhanh
Chương này tập trung phân tích các khả năng tiên tiến cũng như các giải pháp kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA.
Các đặc điểm của HSDPA
Cuộc cách mạng thông tin di động đã đặt ra yêu cầu nâng cấp về dung lượng hệ thống và tốc độ truyền dữ liệu Để đáp ứng nhu cầu này, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa công nghệ HSDPA trong phiên bản R5, giúp cải thiện tốc độ truyền dữ liệu đường xuống, được coi là bước tiến mang tính cách mạng cho mạng truy cập vô tuyến WCDMA.
HSDPA là một công nghệ truyền tải mới dựa trên kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao (HS-DSCH), cho phép phân bổ tài nguyên và công suất lớn cho người sử dụng trong một khoảng thời gian truyền (TTI) nhất định thông qua phương pháp ghép mã và/hoặc theo thời gian Công nghệ này sử dụng điều chế và mã hóa thích nghi (Adaptive Modulation and Coding), cùng với HARQ nhanh (Hybrid Automatic Repeat Requests) và lập lịch gói nhanh (fast packet Scheduling) Sự kết hợp chặt chẽ của các tính năng này giúp điều chỉnh các tham số truyền dẫn theo từng TTI, nhằm tối ưu hóa chất lượng kênh vô tuyến.
Các lớp dịch vụ được khuyến nghị cho HSDPA bao gồm streaming, tương tác và các dịch vụ cơ bản khác Môi trường thành phố sẽ được ưu tiên khi xem xét đầu tư nâng cấp lên HSDPA HS-DSCH có khả năng cải thiện đáng kể dung lượng cho các dịch vụ gói trong cả macrocell và microcell.
Công nghệ 3G WCDMA (theo R99/R4 của 3GPP) cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mbps, nhưng gặp nhiều hạn chế như không tận dụng ưu thế của dữ liệu gói trên đường trục hữu tuyến và không đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu với tốc độ cao hơn 10Mbps Do đó, R5 được phát triển để khắc phục những vấn đề này, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong mạng vô tuyến 3G từ khi WCDMA được chấp nhận vào năm 1997 Các công nghệ tương đương như CDMA 2000-DO (data only) và cdma2000-DV (data and voice) cũng được phát triển WCDMA/HSDPA sử dụng điều chế và mã hóa thích ứng, cho phép tốc độ đỉnh lên đến 10,8Mbps với 64QAM và 7,2Mbps với 16QAM Hệ thống áp dụng mã Turbo, khả năng sửa lỗi gần với giới hạn lý thuyết, và ARQ ghép thích nghi, tự động điều chỉnh theo điều kiện kênh, nhằm cải thiện dung lượng hệ thống HSDPA hỗ trợ tốc độ 10Mbps trong một hệ thống tích hợp dữ liệu và thoại, với thông lượng dữ liệu khoảng 1Mbps mỗi sector.
HSDPA được thiết kế để cung cấp truy cập gói đường xuống với tốc độ cao thông qua kênh chia sẻ HS-DSCH, đồng thời hỗ trợ thoại trên kênh DCH Chất lượng kênh đường xuống cho mỗi người dùng được xác định độc lập, với các yếu tố như tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm (Es/No) và chất lượng bộ tách UE Node-B có khả năng ước lượng tốc độ dữ liệu cho mỗi UE thông qua việc giám sát các lệnh điều khiển công suất phát (TPC) và yêu cầu UE phát giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI) trên kênh HS-DPCCH Sau khi xác định chất lượng kênh, hệ thống sẽ chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa các người dùng Lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) tại Node B cho phép truy cập nhanh hơn và lập lịch gói hiệu quả hơn, trong khi kênh HS-DSCH sử dụng điều chế 16QAM và kỹ thuật mã hóa Turbo để hỗ trợ tốc độ dữ liệu từ 120Kbps đến hơn 10Mbps Quá trình điều chế và mã hóa có dải động khoảng 20dB, được mở rộng nhờ số đa mã khả dụng.
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) là công nghệ đột phá dựa trên hệ thống 3G WCDMA, tối ưu hóa cho ứng dụng dữ liệu chuyển mạch gói Hiện tại, HSDPA cho phép tốc độ download đạt 1.8 Mbps, 3.6 Mbps, 7.2 Mbps và 14.4 Mbps, với khả năng nâng cao tốc độ trong tương lai, mang lại hiệu quả sử dụng tốt hơn Người dùng HSDPA có thể nhận email với file đính kèm lớn, lướt web và tải về các file đa phương tiện nhanh chóng Mặc dù có thể truyền tải nhiều loại dữ liệu, HSDPA chủ yếu tập trung vào dữ liệu dạng số.
HSDPA, phát triển từ công nghệ W-CDMA, sử dụng các phương pháp chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác nhau, tạo ra kênh HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao Kênh này hoạt động khác biệt so với các kênh thông thường, chuyên dụng cho việc download, giúp truyền dữ liệu trực tiếp từ nguồn đến điện thoại Tuy nhiên, HSDPA không hỗ trợ việc truyền dữ liệu ngược từ điện thoại đến nguồn Công nghệ này có thể được chia sẻ giữa tất cả người dùng sử dụng sóng radio, mang lại hiệu quả download nhanh nhất.
HSDPA sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng, HARQ nhanh và lập lịch gói hiệu quả, cho phép điều chỉnh các tham số truyền dẫn theo từng khoảng thời gian TTI Những tính năng này phối hợp chặt chẽ, giúp liên tục cải thiện chất lượng kênh vô tuyến.
Những cải tiến quan trọng của HSDPA so với WCDMA
Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh giữ ổn định chất lượng tín hiệu (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát để chống lại sự suy hao tín hiệu Tuy nhiên, điều này dẫn đến giá trị đỉnh trong công suất phát và tăng nền nhiễu đa truy cập, làm giảm dung lượng mạng Hơn nữa, điều khiển công suất yêu cầu một mức dự trữ nhất định trong tổng công suất phát của Node B để thích ứng với biến đổi Loại bỏ điều khiển công suất giúp tránh các hiệu ứng tăng công suất và không cần dự trữ công suất phát của tế bào.
HSDPA không sử dụng điều khiển công suất, do đó cần áp dụng các kỹ thuật thích ứng liên kết khác để điều chỉnh các tham số tín hiệu phát, nhằm duy trì khả năng theo dõi liên tục các biến đổi của kênh truyền vô tuyến.
Một trong những yêu cầu thích ứng liên kết quan trọng trong bài khóa luận này là “điều chế và mã hoá thích ứng - AMC” Kỹ thuật AMC cho phép điều chế và tỷ lệ mã hóa được điều chỉnh liên tục theo chất lượng kênh, thay vì chỉ điều chỉnh công suất Trong quá trình thích ứng liên kết, việc sử dụng nhiều mã Walsh cũng được áp dụng Sự kết hợp của hai kỹ thuật này đã hoàn toàn thay thế phương pháp hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA, nhờ khả năng thích ứng nhanh chóng với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao.
HSDPA đã cải tiến việc điều khiển công suất bằng cách giảm độ rộng TTI từ 10 ms ở WCDMA xuống còn 2 ms, nhằm tối thiểu hóa sự thay đổi chất lượng kênh vô tuyến Kỹ thuật HARQ nhanh cho phép phát lại nhanh chóng các block dữ liệu bị mất hoặc lỗi, đồng thời kết hợp thông tin mềm từ các lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó Lớp điều khiển trung gian MAC giám sát kênh nhanh, hỗ trợ cho Bộ lập lịch gói nhanh và cải thiện thông lượng của tế bào thông qua đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH Việc chuyển chức năng lập lịch đến Node B là một thay đổi quan trọng trong kiến trúc so với phiên bản R99 của WCDMA.
Nguyên lý hoạt động của HSDPA
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA
HSDPA gồm các giải pháp:
- Thực hiện đan xen thời gian truyền dẫn ngắn TTI=2ms
- Mã hoá và điều chế thích ứng AMC
- Truyền dẫn đa mã, lớp vật lý tốc độ cao L1
- Yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ
Trong giải pháp HSDPA, việc chuyển thiết bị sắp xếp gói tin từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B giúp người dùng dễ dàng truy cập 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 của người sử dụng phù hợp với điều kiện kênh vô tuyến tức thời.
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) gửi định kỳ chỉ thị chất lượng kênh CQI đến Node-B, cho biết tốc độ dữ liệu tối ưu mà nó có thể hỗ trợ trong điều kiện vô tuyến hiện tại Đồng thời, UE cũng gửi báo nhận (Ack/Nack) cho mỗi gói dữ liệu, giúp Node-B xác định thời điểm lặp lại truyền tải Với chức năng thống kê chất lượng kênh cho từng UE trong một cell, thiết bị sắp xếp gói tin đảm bảo việc phân phối các gói của các UE một cách công bằng.
Chất lượng kênh đường truyền của từng người sử dụng độc lập là yếu tố quan trọng cần quan tâm, bao gồm tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp nhiễu (Es/No) và chất lượng bộ tách UE Nút B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu hỗ trợ cho mỗi UE thông qua việc giám sát lệnh điều khiển công suất phát theo chu kỳ, dựa trên chỉ số chất lượng kênh (CQI) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH Kênh này cũng mang thông tin báo hiệu chấp nhận hoặc không chấp nhận (Ask/Nask) dưới dạng gói dựa trên L1 cho mỗi kênh liên kết Sau khi ước tính được chất lượng kênh, hệ thống sẽ 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 vào các giá trị đo lường tuyến kết nối, đồng thời lập lịch gói hiệu quả hơn và kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn So với kỹ thuật DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ cố định Việc áp dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cùng với hoạt động đa mã mở rộng, nâng cao hiệu suất truyền tải.
DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao, từ 120 Kbps đến hơn 10 Mbps, với khả năng điều chế và mã hóa thích ứng có dải động khoảng 20 dB, giúp mở rộng số lượng mã khả dụng.
Bảng 2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh của HSDPA trong một số trường hợp
TFRC Tốc độ dữ liệu
QPSK, tỷ lệ mã hoá 1/2
QPSK, tỷ lệ mã hoá 3/4
16 QAM, tỷ lệ mã hoá 1/2
QAM, tỷ lệ mã hoỏ ẵ
QPSK, tỷ lệ mã hoá 3/4
Từ bảng 3, chúng ta có thể hình dung rõ ràng về mối liên hệ giữa khuôn dạng truyền tải và kết nối tài nguyên (TFRC) cùng với tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng.
Cấu trúc HSDPA
2.5.1 Mô hình giao thức HSDPA
Hình 2.4 Kiến trúc giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH
Trong cấu trúc HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B, giúp người dùng 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 của người sử dụng phù hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.
Trong kiến trúc R99, tất cả các kênh truyền tải đều kết thúc tại RNC, trong khi kênh HS-DSCH lại kết thúc tại Node B Điều này nhằm mục đích điều khiển kênh HS-DSCH, với lớp MAC-hs (lớp điều khiển truy cập trung gian tốc độ cao) chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên của kênh này, được đặt ngay tại Node B.
B Do đó, cho phép nhận các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể tiếp tục theo dõi giám sát chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho 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
Lớp MAC – hs đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý chức năng HARQ cho từng người dùng, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa các MAC-d dựa trên ưu tiên của chúng, chẳng hạn như lập lịch gói Nó cũng quyết định khuôn dạng truyền tải phù hợp cho mỗi TTI, ví dụ như thích ứng liên kết Các lớp giao diện vô tuyến trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99, vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải thiện khả năng truyền tải của các kênh logic.
Lớp MAC-hs lưu trữ dữ liệu của người dùng thông qua giao diện vô tuyến, tạo ra thách thức trong việc tối ưu hóa dung lượng bộ nhớ đệm của Node B.
Trong quá trình kết nối, thiết bị người sử dụng (UE) định kỳ gửi chỉ thị chất lượng kênh CQI tới Node-B để thông báo tốc độ dữ liệu mà nó 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 xác định thời điểm cần lặp lại quá trình truyền Bên cạnh đó, thiết bị sắp xếp gói tin thực hiện việc sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng, cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh cho từng UE trong một cell.
2.5.2 Cấu trúc kênh trong HSDPA
Trong hệ thống WCDMA, kênh HS-DSCH đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải lưu lượng gói lớn ở đường xuống, cho phép chia sẻ tài nguyên mã giữa nhiều người sử dụng theo phương thức ghép thời gian Việc này không chỉ cải thiện dung lượng mà còn giảm thiểu tình trạng thiếu hụt mã định kênh khi mỗi người dùng được cấp một kênh DCH HSDPA được phát triển dựa trên kênh truyền tải mới HS-DSCH, thuộc nhóm kênh vật lý HS-DSCHs, cho phép chia sẻ tài nguyên giữa tất cả người dùng Hệ số trải phổ của kênh HS-DSCH được cố định là 16, với khả năng sử dụng tối đa 15 mã trong MAC-hs Bộ lập lịch có thể áp dụng ghép mã để truyền các HS-DSCHs riêng biệt tới các người dùng khác nhau trong cùng một TTI Bên cạnh đó, HSDPA còn bao gồm kênh HS-SCCH để thông báo cho người dùng về dịch vụ và các thông tin cần thiết cho quá trình giải mã.
Mặt nạ ID cảu UE: để xác định user được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo
Khuôn dạng truyền tải bao gồm thông tin về các mã định kênh và các phương thức, kỹ thuật điều chế được áp dụng Tỉ lệ mã hoá thực được xác định dựa trên kích cỡ của block truyền tải cùng với các tham số khác liên quan đến khuôn dạng truyền tải.
Thông tin về HARQ bao gồm chu kỳ phát tiếp theo, có thể là một block mới hoặc block được phát lại do lỗi trước đó, cùng với thông tin về các bản thừa Thông tin điều khiển này chỉ áp dụng cho UE trong chu kỳ TTI tiếp theo, tạo thành một kênh báo hiệu chia sẻ cho tất cả người dùng RNC có thể chỉ định công suất khuyến nghị cho HS-SCCH, liên quan đến độ lệch của các bit hoa tiêu trên kênh DPCH kết hợp Công suất phát của HS-SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian, tùy thuộc vào chiến lược điều khiển công suất, mặc dù 3GPP không thiết lập mô hình điều khiển công suất cụ thể cho HS-SCCH.
Kênh HS-DPCCH trên đường lên chứa thông tin điều khiển quan trọng như xác nhận ARQ và chỉ thị chất lượng kênh CQI Các bản tin CQI sẽ được giải thích chi tiết ở phần sau Để hỗ trợ điều khiển công suất của HS-DPCCH, mỗi người sử dụng sẽ được cấp một kênh DPCH liên kết.
Hình 2.7 Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA
Tài nguyên chung trong ô tế bào bao gồm các bộ mã kênh và công suất phát Khái niệm HSDPA được giới thiệu với việc bổ sung một số kênh vật lý mới.
- Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel)
- Kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH (HS-Physical Control Channel)
Kênh HS-SCCH là kênh vật lý cung cấp thông tin điều khiển cần thiết cho UE thực hiện giải trải phổ, giải điều chế và giải mã kênh HS-DSCH Mỗi 2ms, một kênh HS-SCCH báo hiệu cho một UE riêng biệt HSDPA hỗ trợ kênh HS-DSCH cho nhiều người dùng đồng thời thông qua phương pháp ghép kênh phân chia theo mã (CDM), vì vậy cần có một vài kênh HS-SCCH trong một ô Thông thường, trong một ô được cấu hình với 4 kênh HS-SCCH hoạt động đồng thời, và UE cũng hỗ trợ giám sát đồng thời 4 kênh này.
Kênh HS-SCCH có cấu trúc khung với hệ số SF = 128, mỗi khung con dài 2ms Mỗi khung con được chia thành 3 khe, mỗi khe có độ dài 40 bit, với tốc độ kênh đạt 60Kbps.
Gói HS-SCCH chứa các trường thông tin với nội dung điều khiển khác nhau, được sắp xếp theo thứ tự sử dụng tại đầu thu Các thông tin cần thiết cho việc giải trải phổ và giải điều chế được ưu tiên đặt ở đầu gói tin để đảm bảo UE nhận trước khi nhận gói HS-PDSCH Ngược lại, thông tin về kích thước gói và thông tin HARQ, chỉ cần thiết cho quá trình giải mã và kết hợp sau khi UE đã nhận xong khối dữ liệu HS-DSCH trong 2ms, được xếp ở phần sau của gói tin HS-SCCH Cấu trúc gói tin HS-SCCH được chia thành hai phần: phần một gồm 8 bit và phần hai gồm 13 bit.
Phần một bao gồm các bit báo hiệu về mã định kênh HS-PDSCH và phương pháp điều chế được sử dụng cho kênh HS-DSCH
Phương pháp điều chế kênh HS-DSCH sử dụng QPSK hoặc 16QAM (1 bit): Xms,1 Phần hai của bài viết cung cấp thông tin về kích thước khối truyền tải tại UE, phiên bản phần dư, cờ chỉ thị dữ liệu mới, và mã nhận dạng UE Đồng thời, điều khiển công suất kênh HS-SCCH cũng được đề cập để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
Các kỹ thuật sử dụng trong HSDPA
2.6.1 Kỹ thuật lập biểu phụ thuộc kênh
Nguyên lý hoạt động cơ bản của HSDPA là lập biểu phụ thuộc kênh nhanh tại Nút B, dựa vào thông tin phản hồi về chất lượng kênh truyền từ UE Sự khác biệt chính giữa WCDMA R99 và phát hành R5 là bộ lập biểu kênh HS-DSCH được đặt tại Nút B Bộ lập biểu này sử dụng các tham số đầu vào khác nhau, bao gồm tài nguyên được cấp phát, thông tin phản hồi từ UE và các đặc tính liên quan đến chất lượng dịch vụ QoS, để phục vụ cho các người dùng trong ô.
Tổng công suất kênh HS-PDSCH và HS-HS-SCCH được cấp phát cho ô, phản ánh công suất tối đa dành cho cả hai kênh này trong ô Công suất này được cung cấp bởi RNC nhằm phục vụ HSDPA Ngoài ra, Nút B có thể sử dụng công suất chưa sử dụng tại trạm gốc cho HSDPA Cần lưu ý rằng kênh HS-SCCH phải có công suất đủ lớn để đảm bảo tín hiệu báo hiệu thành công đến các UE trong mọi điều kiện kênh truyền.
Số mã định kênh HS-PDSCH: xác định số mã định kênh mà RNC cấp phát để dùng cho các kênh HS-PDSCH
Trong HSDPA, số kênh HS-SCCH tối đa được sử dụng thường là bốn mã định kênh Thông tin về số lượng kênh HS-SCCH và tập mã định kênh sử dụng cho kênh này được quản lý bởi RNC.
Thông tin chất lượng kênh từ UE là tham số chính để lập biểu, giúp theo dõi sự thay đổi của kênh truyền Việc đo chất lượng kênh tại UE cho phép xác định những người dùng có điều kiện kênh thuận lợi nhất Các hoạt động thích ứng kênh truyền như báo cáo CQI, đo công suất kênh DPCH và bản tin báo nhận HARQ đều hỗ trợ cho quá trình lập biểu tại Nút B.
Khi lập biểu cho Nút B, lượng dữ liệu của người dùng tại bộ đệm được xem xét, ưu tiên cho những người dùng có nhiều dữ liệu hơn Thuộc tính HARQ cũng được chú trọng, với các khối dữ liệu phát lại cần được phát trước các khối dữ liệu mới Ngoài ra, khả năng hỗ trợ của thiết bị đầu cuối người dùng (UE) cũng là yếu tố quan trọng, đảm bảo tài nguyên cấp phát không vượt quá khả năng của UE Các đặc tính hỗ trợ của UE, bao gồm số mã định kênh tối đa mà UE có thể xử lý, phương pháp điều chế và kích thước bộ đệm, cũng được xem xét kỹ lưỡng.
2.6.2 Điều chế và Mã hoá thích ứng AMC Kỹ thuật truyền dẫn đa mã
Trong thông tin di động, tỉ lệ tín hiệu trên tạp (SINR) biến đổi từ 30 – 40dB do fading nhanh và địa hình trong một cell Để cải thiện dung lượng hệ thống, tốc độ dữ liệu đỉnh và vùng phủ sóng, tín hiệu truyền tới người dùng được xác định để tính toán chất lượng tín hiệu qua xử lý liên kết thích ứng WCDMA sử dụng chức năng điều khiển công suất nhanh cho các liên kết thích ứng, trong khi HSDPA duy trì công suất phát không đổi qua TTI, đồng thời áp dụng điều chế thích ứng và mã hóa (AMC) để cải thiện hiệu suất phổ.
Tỷ số tạp âm và nhiễu được xác định bởi công thức [1]
PHS-DSCH và Pown là các thông số quan trọng liên quan đến công suất truyền và công suất mang node B HS-DSCH, với hằng số α = 0.5, Pown = 12W và G = -3dB Để tối ưu hóa tỷ số tạp âm trên nhiễu Eb/No tại đầu cuối UE, HSDPA áp dụng quá trình điều chế, tỷ lệ mã hóa và số mã hóa định kênh linh hoạt theo điều kiện vô tuyến hiện tại Phương pháp kết hợp điều chế và mã hóa thích ứng (AMC) cho phép HSDPA nhanh chóng lựa chọn giữa điều chế QPSK và 16QAM, đồng thời thay đổi tốc độ mã hóa Turbo nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp với chất lượng kênh truyền.
HSDPA kết hợp với phương thức điều chế 16QAM để nâng cao tốc độ dữ liệu đỉnh cho người dùng trong điều kiện vô tuyến thích hợp, bên cạnh việc sử dụng QPSK Hỗ trợ QPSK là bắt buộc cho thông tin di động, trong khi 16QAM là tùy chọn cho mạng và thiết bị người dùng UE.
Việc sử dụng đồng thời hai phương thức điều chế, đặc biệt là 16 QAM, đặt ra thách thức cho độ phức tạp của bộ thu cuối, khi cần xác định biên độ của các ký hiệu nhận được, trong khi phương pháp QPSK truyền thống chỉ yêu cầu tách pha tín hiệu Bộ mã hoá Turbo dựa trên mã hoá Turbo R99 với tỷ lệ mã hoá 1/3 có thể tạo ra các tỷ lệ mã hiệu dụng khác trong khoảng từ 1/6 đến 1/1 thông qua các kỹ thuật ghép, trích, lặp mã, dẫn đến việc tạo ra dải tỷ lệ mã với 64 giá trị khác nhau Sự kết hợp giữa kiểu điều chế và tỷ lệ mã được gọi là
“Lược đồ mã hoá và điều chế”
Sự kết hợp giữa phương thức điều chế và tốc độ đầu ra của bộ mã hoá Turbo tạo ra định dạng truyền tải kết hợp TFRC (Transport Format and Resource Combination) mà Nút B có thể lựa chọn cho khối dữ liệu phát Có 5 định dạng TFRC được sử dụng với 5 mức tốc độ khác nhau cho khối dữ liệu.
Bảng 2.3 Định dạng kết hợp truyền tải TFRC Loại điều chế Tốc độ mã Tốc độ tối đa (Mbps)
Nút B thực hiện việc lựa chọn phương pháp điều chế và mã hóa linh động dựa trên các báo cáo chất lượng kênh truyền từ UE Các báo cáo này được gửi dưới dạng chỉ thị chất lượng kênh CQI Khi chất lượng kênh truyền tốt, UE sẽ yêu cầu phát dữ liệu với tốc độ cao, ngược lại, khi chất lượng kênh truyền kém, sẽ có những điều chỉnh cần thiết.
UE sẽ yêu cầu phát dữ liệu với tốc độ thấp hơn Các bản tin CQI này sẽ được
UE gửi định kỳ trên kênh báo hiệu đường lên HS-DPCCH, với chu kỳ gửi các bản tin CQI về Nút B thường là 10ms Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi chất lượng kênh truyền ổn định, chu kỳ này có thể được cấu hình kéo dài hơn, như 20, 40 hoặc 80ms, nhằm giảm nhiễu đường lên trong hệ thống.
Phát đa mã là một công cụ thích ứng liên kết quan trọng, bên cạnh kỹ thuật Điều chế và mã hoá thích ứng AMC Khi người dùng có đủ điều kiện kênh vô tuyến tối ưu, node B có thể tận dụng điều này để phát nhiều mã song song, từ đó đạt được thông lượng dữ liệu tối đa.
Với kỹ thuật phát đa mã, toàn bộ dải động AMC có thể được tăng lên một lượng:
Dải động thích ứng liên kết của AMC kết hợp phát đa mã với độ nhạy khoảng 30 dB Node-B xác định tốc độ truyền dẫn dữ liệu dựa vào chỉ thị chất lượng kênh CQI và thống kê công suất trên các kênh riêng Tốc độ dữ liệu được điều chỉnh thông qua việc thay đổi sơ đồ điều chế, tốc độ mã hóa và số lượng mã hóa kênh HS-PDSCH Việc sử dụng điều chế thích ứng và mã hóa AMC giúp người dùng gần hơn tới Node-B, cho phép yêu cầu điều chế với tỷ lệ mã hóa cao hơn như 16-QAM với tỷ lệ mã hóa 3/4.
Bảng 2.4 Lược đồ mã hoá điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã
Hình 2.18 Biểu diễn mã hoá điều chế của HSDPA và tốc độ bit tối đa khả dụng với mỗi mã theo dB
Khi vận hành HSDPA với hiệu suất phổ cao nhất, tỉ lệ lỗi khối BLER sau lần truyền dẫn đầu tiên nên nằm trong khoảng 10-20% Để giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất tái truyền dữ liệu, HSDPA áp dụng cơ chế yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ H-ARQ thực chất là một giao thức dạng dừng lại và chờ (SAW - Stop And Wait).
Quản lý di động trong HSDPA
HSDPA không sử dụng chuyển giao mềm như trong R99 của WCDMA, do đó, việc phát kênh HS-DSCH và HS-SCCH chỉ diễn ra từ một ô duy nhất, gọi là ô phục vụ HS-DSCH Bộ điều khiển RNC xác định ô phục vụ này cho từng người dùng HSDPA, và ô này nằm trong tập tích cực của UE Khi UE di chuyển, ô phục vụ HS-DSCH có thể thay đổi mà không cần cập nhật lại tập tích cực cho các kênh DCH của R99, dựa trên báo cáo đo kiểm từ UE Trong R5 của 3GPP, một thông số đo kiểm mới được đưa ra để xác định ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất cho mỗi UE Khi đã xác định được ô phục vụ tốt nhất, RNC sẽ thực hiện chuyển giao cho các UE, có thể giữa hai Nút B hoặc giữa các đoạn ô trong cùng một Nút B, đồng thời hỗ trợ chuyển giao giữa kênh DCH và HS-DSCH khi UE di chuyển giữa các ô.
2.7.1 Đo kiểm xác định ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất
RNC xác định các ô trong tập tích cực của UE để phục vụ chuyển giao mềm kênh DCH Quyết định chuyển giao của SRNC dựa trên báo cáo đo kiểm kênh CPICH từ UE, trong khi thiết bị đầu cuối UE liên tục đo tỷ số Ec/No của các ô Khi ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất thay đổi, báo cáo sự kiện “1D” được gửi để yêu cầu chuyển giao Để tránh việc thay đổi quá nhanh ô phục vụ HS-DSCH, một khoảng thời gian trễ H được áp dụng từ lúc ô phục vụ tốt nhất thay đổi cho đến khi khởi động quá trình chuyển giao.
2.7.2 Chuyển giao HS-DSCH giữa các Nút B
Khi UE chuyển từ một ô phục vụ HS-DSCH sang ô khác, cần thực hiện quá trình chuyển giao để duy trì kết nối với mạng HSDPA Quyết định về việc chuyển giao được RNC đưa ra dựa trên các kết quả đo kiểm nhận được.
UE mà cụ thể là SRNC thực hiện chuyển giao khi UE báo cáo sự kiện “1D” xảy ra
Hình 2.22 Chuyển giao giữa các nút B
Quá trình chuyển giao và thời gian trễ được mô tả trong hình 2.23 Đầu tiên, UE gửi báo cáo sự kiện “1D” đến RNC khi ô phục vụ HS-DSCH tốt nhất thay đổi Thời gian gửi báo cáo là t1 và thời gian RNC nhận báo cáo là t2 Sau đó, RNC thiết lập lại kết nối và tài nguyên cho Nút B mới để quản lý kết nối HS-DSCH đến UE Khi tài nguyên đã sẵn sàng tại Nút B mới vào thời điểm t3, RNC gửi yêu cầu thiết lập lại kết nối đến UE, trong khi UE vẫn nhận dữ liệu từ Nút B cũ Sau khi UE giải mã thành công yêu cầu, nó sẽ gửi bản tin ACK RLC về RNC Sau khoảng thời gian B từ khi RNC nhận được ACK cho đến t4, UE sẽ chuyển sang nhận dữ liệu từ Nút B mới, đồng thời tiếp tục đo lường chất lượng kênh để gửi báo cáo CQI về Nút B mới phục vụ cho việc lập biểu và thích ứng kênh truyền Dữ liệu lúc này được lưu trong bộ đệm của Nút.
Nút B cũ đã bị xóa để phát dữ liệu cho UE, và quá trình truyền dữ liệu trên kênh HS-HS-DSCH từ Nút B mới được thực hiện Trong quá trình chuyển giao, RNC có thể gửi dữ liệu đến UE từ cả hai Nút B.
B Khi RNC nhận được bản tin báo quá trình thiết lập lại kênh vô tuyến đã thành công, nó giải phóng tài nguyên dành cho UE tại Nút B cũ
Thời gian gián đoạn trong quá trình chuyển giao giữa các Nút B là rất ngắn, nhờ vào việc di chuyển của UE đồng bộ với chuyển đổi kết nối vô tuyến Điều này đảm bảo rằng các dịch vụ, bao gồm cả thoại IP (VoIP) yêu cầu độ trễ thấp, không bị ảnh hưởng Quá trình chuyển giao diễn ra trong khoảng thời gian A, từ lúc UE gửi báo cáo đo lường tại t1 cho đến khi nhận dữ liệu trên kênh HS-DSCH từ Nút B thứ hai tại t4, với thời gian chuyển giao giữa hai Nút B dao động từ 200 đến 250ms.
Trước khi ô phục vụ HS-DSCH được thay đổi, một số đơn vị dữ liệu PDU vẫn còn lưu trong bộ đệm MAC-hs của Nút B cũ, bao gồm dữ liệu chưa phát, dữ liệu chờ ACK và dữ liệu chờ phát lại của HARQ Những PDU này sẽ được xóa và có thể phát lại qua giao thức RLC nếu RLC hoạt động ở chế độ bảo đảm Khi RLC nhận thấy dữ liệu chưa nhận báo phát tại Nút B cũ, nó sẽ phát lại bằng cách gửi dữ liệu tương tự đến Nút B mới Để giảm thời gian trễ trong quá trình phát lại, giao thức RLC tại UE được cấu hình để gửi báo cáo tình trạng RLC về RNC ngay sau khi thay đổi ô phục vụ Điều này cho phép RNC gửi ngay các PDU bị xóa từ Nút B cũ đến Nút B mới Đối với các dịch vụ sử dụng UDP và chế độ không đảm bảo, lượng dữ liệu lưu trong bộ đệm Nút B rất ít, dẫn đến việc xóa PDU khi thay đổi ô phục vụ là không đáng kể Như vậy, đối với các dịch vụ ở chế độ đảm bảo, chuyển giao dữ liệu được điều khiển bởi RLC, trong khi các dịch vụ không đảm bảo hoặc trong suốt có lượng dữ liệu mất mát không đáng kể, đảm bảo chất lượng dịch vụ tại đầu cuối UE.
2.7.3 Chuyển giao HS-DSCH giữa các đoạn ô trong một Nút B
Chuyển giao giữa các đoạn ô trong cùng một Nút B được hỗ trợ cho kênh HS-DSCH, cho phép duy trì dữ liệu trong bộ đệm mà không bị xoá Quá trình này không chỉ bao gồm việc chuyển tiếp dữ liệu mà còn nhận các bản tin điều khiển qua kênh HS-DPCCH Nhờ vào việc thực hiện chuyển giao giữa hai đoạn ô của cùng một Nút B, dữ liệu vẫn được bảo toàn để phục vụ cho các hoạt động tiếp theo.
Trong quá trình chuyển giao của UE, thông tin từ quá trình phát lại tự động lai - HARQ được lưu giữ tại Nút B, do đó không cần cơ chế phát lại từ giao thức RLC Đồng thời, khi UE chuyển giao kênh HS-DSCH giữa hai đoạn của ô, kênh DPCH đường lên cũng được chuyển giao mềm hơn so với hoạt động của R99 Điều này cho thấy kênh điều khiển đường lên HS-DPCCH có khả năng hỗ trợ chuyển giao mềm hơn.
2.7.4 Chuyển giao từ HS-DSCH sang DCH
Chuyển giao từ HS-DSCH sang DCH xảy ra khi UE di chuyển từ ô có HSDPA sang ô không có HSDPA Khi SRNC quyết định chuyển giao, các bản tin yêu cầu thiết lập lại kết nối vô tuyến được gửi đến các Nút B liên quan, cùng với yêu cầu cấu hình lại kênh vật lý gửi đến UE Tương tự như chuyển giao giữa các kênh HS-DSCH, một số đơn vị dữ liệu PDU cần được phát lại từ giao thức RLC sẽ được lưu trong bộ đệm Nút B Phiên bản R5 của WCDMA cũng hỗ trợ chuyển giao từ DCH sang HS-DSCH khi UE di chuyển từ ô phục vụ DCH sang ô phục vụ HSDPA.
