Tài liệu công nghệ di động - Chương 3: Tổng quan về hsdpa

2.9.7 Đồng bộ hóa mạng Các mạng cdmaOne và CDMA2000 đều được đồng bộ hóa, nghĩa là tất cả trạm gốc đều có một định thời (Timing) chung. Cách dễ nhất để đồng bộ hóa các trạm gốc là dùng một hệ thống định thời dựa trên vệ tinh như GPS (vệ tinh định vị toàn cầu). WCDMA cho phép các trạm gốc của nó hoạt động không đồng bộ, độc lập với yêu cầu định thời GPS, mặc dù những hệ thống này cũng có lựa chọn bao gồm định thời đồng bộ. 2.9.8 Bộ mã hoá tiếng nói Thiết bị CDMA tiếp tục duy trì tính tương thích ngược với những thiết bị cdmaOne hiện có bằng cách dùng một bộ mã hoá có tốc độ thay đổi (1/8, ¼, ½ , 1) nâng cao dữ liệu để biến đổi tiếng nói thành những tín hiệu truyền thông. Để duy trì tính tương thích ngược với các bộ mãhoá tiếng nói GSM, thiết bị WCDMA dùng một bộ mã hoá tiếng nói dạng tắt/ mở (on/off) . 2.9.9 Mạng lõi Giống như các hệ thống có trước như AMPS, TDMA, và cdmaOne, CDMA2000 tiếp tục giao tiếp với mạng lõi ANSI-41, cộng thêm khả năng giao diện với mạng lõi GSM_MAP và IP. WCDMA chỉ giao diện với các mạng lõi GSM-MAP vì nó được thiết kế để làm tiến hóa các mạng GSM mặc dù một bộ tiêu chuẩn đã được phát triển để cho phép WCDMA dùng mạng lõi ANSI-41 và CDMA2000 dùng mạng lõi GSM-MAP đã không được triển khai thuơng mại. Mạng lõi CDMA2000 gồm 2 phần, một phần giao diện với các mạng bên ngoài như PSTN và một phần giao diện với mạng IP. Phần giao diện với PSTN hỗ trợ những thông điệp và giao thức được định nghĩa trong tiêu chuẩn IS- 41. Phần giao diện với mạng IP hỗ trợ tiêu chuẩn mạng IP vô tuyến IS-835, và còn được gọi là mạng lõi gói (PCN). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ HSDPA Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao(HSDPA) là một tính năng mới được đề cập trong các phiên bản R5 của 3GPP cho hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA/UTRA- FDD và được xem như là một trong những công nghệ tiên tiến cho hệ thống thông tin di ddoongj3.5G, HSDPA bao gồm một tập các tính năng mới kết hợp chặt chẽ với nhau để cải thiện dung lượng mạng, và tăng tốc độ dữ liệu đỉnh trên 10Mbps đối với lưu lượng gói đường xuống. Những cải tiến về mặt kỹ thuật cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra nhiều dịch vụ tốc độ bit cao, cải thiện QoS của các dịch vụ hiện có, và đạt chi phí thấp nhất. Khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu và tính di động của WCDMA/HSDPA là chưa từng có trong các phiên bản trước đây của 3GPP, với các tính năng tiên tiến bao gồm:1,điều chế và mã hóa thích ứng(AMC);2,kỹ thuật phát đa mã(multi-codes);3, thích ứng liên kết;4,HARQ nhanh. Chương này tập trung phân tích các khả năng tiên tiến cũng như các giải pháp kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA. 3.1 Các đặc điểm của HSDPA Cuộc cách mạng của thị trường thông tin di động đưa ra các yêu cầu nâng cấp cải tiến về cả dung lượng hệ thống lẫn tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Để tăng khả năng hỗ trợ cho các dịch vụ dữ liệu chuyển mạch gói, 3GPP đã phát triển và chuẩn hóa trong phiên bản R5 một công nghệ mới, HSDPA, cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu đường xuống và được xem như là sự phát triển mang tính cách mạng của mạng truy nhập vô tuyến WCDMA. Khái niệm HSDPA dựa trên một kênh truyền tải mới, kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao(HS-DSCH), trong đó một số lượng lớn tài nguyên và công suất được gán cho một người sử dụng tại một TTI( khoảng thời gian truyền) nào đó theo phương pháp ghép theo mã và/hoặc theo thời gian. Ngoài ra, HSDPA sử dụng điều chế và mã hóa hích nghi(Adaptive Modulation and Coding), HARQ nhanh(Hybrid Automatic Repeat Requests), và lập lịch gói nhanh(fast packet Scheduling). Những tính năng này được phối hợp chặt chẽ và cho phép thích ứng các tham số truyền dẫn theo mỗi khoảng thời gian TTI nhằm liên tục hiệu chỉnh sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Các lớp dịch vụ được khuyến nghị cho HSDPA bao gồm: 1) streaming; 2) tương tác; 3) và các dịch vụ cơ bản khác. Môi trường chúng ta tin tưởng sẽ được ưu tiên trong khi xem xét đầu tư nâng cấp lên HSDPA sẽ là môi trường thành phố. HS-DSCH có thể cho phép cải thiện đáng kể dung lượng cho các dịch vụ gói khi hoạt động trong cả macrocell lẫn microcell. Công nghệ 3G WCDMA hiện nay( theo R99/R4 của 3GPP) cho phép tốc độ dữ liệu gói lên đến 2Mbps. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống WCDMA có một số hạn chế như sau:1) không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói vốn rất phổ biến đối với đường trục hữu tuyến;2) thiết kế dịch vụ 2Mbps hiện nay là không hiệu quả và cũng chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ số liệu; 3) không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps. Do đó, R5 tiếp tục được phát triển để khắc phục những hạn chế này. R5 là một sự phát triển quan trọng của mạng vô tuyến 3G kể từ khi WCDMA được chấp nhận là công nghệ mạng vô tuyến 3G từ năm 1997. trong khi đó, các công nghệ tương đương với WCDMA/HSDPA được gọi là cdma2000-DO(data only) trong pha đầu tiên, và cdma2000-DV(data and voice) trong pha thứ hai. Chúng ta có thể tổng kết các tính năng kỹ thuật của công nghệ WCDMA/HSDPA như sau 1)tương đương với cdma200 1xEV(HDR); 2) điều chế và mã hóa thích ứng;3) sóng mang tốc độ dữ liệu cao (HDRC) trong băng tần 5MHz; 4)64QAM cho phép tốc độ đỉnh xấp xỉ 10,8Mbps; 5) 16QAM hỗ trợ tốc độ đỉnh xấp xỉ 7,2Mbps; 6) mã Turbo; 7) khả năng sửa lỗi gần với giới hạn lý thuyết; 8) ARQ ghép thích nghi; 9) tự động thích ứng liên tục theo điều kiện kênh bằng cách chèn thêm thông tin khi cần; 10) sử dụng AMC khi được kết hợp với HARQ nhằm cải thiện dung lượng của hệ thống; 11) các kỹ thuật được sử dụng cho phép HSDPA hỗ trợ tốc độ 10Mbps; 12) trong một hệ thống dữ liệu và thoại được tích hợp với người sử dụng thoại(12.2 kbps) tải khoảng 30Erl/sector và thông lượng sector của dữ liệu vẫn khoảng 1Mbps. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hình 9: Mô tả đơn giản hoạt động cơ bản của HSDPA Mục đích của HSDPA là hỗ trợ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao bằng cách sử dụng một kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao(HS-DSCH) và hỗ trợ thoại được tích hợp trên kênh DCH và dữ liệu tốc độ cao trên kênh HS-DSCH trên cùng một sóng mang( tương tự như DSCH trong R99). Nguyên lý hoạt động của HSDPA được mô tả trong hình 9. Vấn đề chủ chốt là xác định chất lượng kênh đường xuống cho mỗi người sử dụng độc lập; ví dụ tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm(Es/No), và chất lượng bộ tách UE. Node-B có thể ước lượng tốc độ dữ liệu được hỗ trợ cho mỗi UE bằng cách giám sát các lệnh điều khiển công suất phát(TPC) được gửi theo kênh dành riêng (DCH) liên kết với UE đó. Ngoài ra, UE có thể được yêu cầu phát theo chu kỳ một giá trị chỉ thị chất lượng kênh (CQI-Channel Quality Indicator) đặc thù của HSDPA trên kênh điều khiển vật lý dành riêng tốc độ cao (HS-DPCCH) đường lên, kênh này cũng mang cả thông tin báo hiệu chấp nhận/không chấp nhận(Ack/Nack) ở dạng gói dữ liệu dựa trên L1 cho mỗi liên kết. Khi đã ước tính được chất lượng kênh, hệ thống chia sẻ tài nguyên mã và công suất HS-DSCH giữa những người sử dụng khác nhau. Lớp điều khiển truy nhập môi trường(MAC-medium Access Control) được đặt tại Node B,do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu Lập lịch nhanh được thực hiện bởi Node B dựa trên các thông tin về chất lượng kênh, yêu cầu QoS, tài nguyên… Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - quả hơn và nhanh hơn, cũng như điều khiển chất lượng QoS chặt chẽ hơn. So sánh với phương pháp DMA truyền thống, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều khiển công suất nhanh và hệ số trải phổ là cố định. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120Kbps tới hơn 10Mbps. Quá trình điều chế và mã hóa thích nghi cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và được mở rộng hơn nữa bởi số đa mã khả dụng. Bảng 5 dưới đây chỉ ra kết nối giữa một khuôn dạng truyền tải và kết nối tài nguyên (TFRC) có thể và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng. TFRC Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu QPSK, tỷ lệ mã, hóa 1/4 120Kbps 600Kbps 1.8Mbps QPSK, tỷ lệ mã, hóa1/2 240Kbps 1.2Mpbs 3.6Mbps QPSK, tỷ lệ mã, hóa 3/4 360Kbps 1.8Mbps 5.3Mbps 16QAM Tỷ lệ mã hóa 1/2 480Kbps 2.4Mbps 7.2Mbps 16QAM Tỷ lệ mã hóa 3/4 720Kbps 3.6Mbps 10.7Mbps Bảng 5. Ví dụ tốc độ dữ liệu đỉnh của HSPDA. Sau đây chúng ta sẽ lần lượt đi sâu phân tích chi tiết các giải pháp kỹ thuật được sử dụng trong HS-DPA cũng như các lợi ích mang tính cách mạng do chúng đem lại như đã được mô tả tóm tắt ở trên. 3.2 Những cải tiến quan trọng trong HSDPA so với WCDMA Hình dưới đây mô tả các tính năng cơ bản của HS-DSCH được bổ xung hoặc bị loại đi so với công nghệ WCDMA. Với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọng nhất Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - của công nghệ WCDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng. Hinh 10 Các đặc tính cơ bản khi so sánh HSDPA với WCDMA Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh nhằm giữ ổn định chất lượng tín hiệu nhận được (Eb/No) bằng cách tăng công suất phát chống lại sự suy hao của tín hiệu thu được. Điều này sẽ tạo ra các giá trị đỉnh trong công suất phát và tăng nền nhiễu đa truy cập, do đó sẽ làm giảm dung lượng của toàn mạng. Hơn nữa, sự hoạt động của điều khiển cổng suất yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo một mức dự trữ nhất định trong tổng công suất phát của NodeB để thích ứng với các biến đổi của nó. Loại bỏ được điều khiển công suất sẽ tránh được các hiệu ứng tăng công suất kể trên cũng như không cần tới dự trữ công suất phát của cell. Tuy nhiên do không sử dụng điều khiển công suất, HSDPA yêu cầu các kỹ thuật thích ứng liên kết khác để thích ứng với các tham số tín hiệu phát nhằm liên tục bám theo các biến thiên của kênh truyền vô tuyến. Một trong những kỹ thuật thích ứng liên kết sẽ được đề cập trong chương này được gọi là điều chế và mã hóa thích nghi(AMC). Với kỹ thuật AMC, điều chế và tỉ lệ mã hóa được thích ứng một cách liên tục với chất lượng kênh thay cho việc hiệu chỉnh công suất. Truyền dẫn sử dụng nhiều mã Walsh cũng được sử dụng trong quá trình Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - thích ứng liên kết. Sự kết hợp của hai kỹ thuật thích ứng liên kết trên đã thay thế hoàn toàn kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên(variable spreading factors) trong WCDMA do khả năng thích ứng chậm đối với sự biến thiên của truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Do HSDPA không còn sử dụng điều khiển công suất vòng kín, phải tối thiểu hóa sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến trong mỗi khoảng thời gian TTI, vấn đề này được thực hiện nhờ việc giảm độ rộng của TTI từ 10ms ở WCDMA xuống còn 2ms ở HSDPA. Với sự bổ xung kỹ thuật HARQ nhanh, nó cho phép phát lại một cách nhanh nhất các block dữ liệu đã bị mất hoặc bị lỗi và khả năng kết hợp với thông tin mềm ở lần phát đầu tiên với các lần phát lại sau đó. Để thu thập được thông tin chất lượng kênh hiện thời cho phép các kỹ thuật thích ứng liên kết và lập lịch gói theo dõi giám sát một cách liên tục các điều kiện vô tuyến hiện tại của thuê bao di động, chức năng MAC chị trách nhiệm giám sát kênh HS- DSCH được chuyển từ RNC đến NodeB. Thông tin về chất lượng kênh nhanh cho phép bộ lập lịch gói phục vụ user chỉ khi điều kiện của user này là thích hợp. Quá trình lập lịch gói nhanh và đặc tính chia sẻ theo thời gian của kênh HS-DSCH về bản chất có thể xem như phân tập lựa chọn đa người dùng(multiuser selection diversity) với những lợi ích rất to lớn đối với việc cải thiện thông lượng cell. Việc dịch chuyển chức năng lập lịch đến NodeB là thay đổi chính về kiến trúc nếu so sánh với phiên bản R99. 3.3 Cấu trúc HSDPA Không giống như tất cả các kênh truyền tải theo kiến trúc R99, chúng đều chấm dứt tại RNC, kênh HS-DSCH chấm dứt ngay tại Node B.Với mục đích điều khiển kênh HS- DSCH, lớp MAC sẽ điều khiển các tài nguyên của kênh này (do đó được gọi là MAC-hs) nằm ngay tại Node B (xem hình 11), do đó cho phép nhận được các bản tin về chất lượng kênh hiện thời để có thể liên tục theo dõi giám sát chất lượng tín hiệu cho các thuê bao tốc độ thấp.Vị trí này của MAC-hs tại Node B cũng cho phép kích hoạt giao thức HARQ từ lớp vật lý, nó giúp cho các quá trình phát lại diễn ra nhanh hơn. Đặc biệt hơn, lớp MAC-hs chịu trách nhiệm quản lý chức năng HARQ cho mỗi user, phân phối tài nguyên HS-DSCH giữa tất cả các MAC-d theo sự ưu tiên của chúng (ví dụ, lập lịch gói), và lựa chọn khuôn dạng truyền tải thích hợp cho mỗi TTI (ví dụ thích Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - ứng liên kết).Các lớp giao diện vô tuyến nằm trên MAC không thay đổi so với kiến trúc R99 bởi vì HSDPA chỉ tập trung vào việc cải tiến truyền tải của các kênh logic. MAC-hs cũng lưu giữ dữ liệu của user được phát qua giao diện vô tuyến, điều đó đã tạo ra một số thách thức đối với việc tối thiểu hoá dung lượng bộ nhớ đệm của Node B. Việc chuyển hàng đợi dữ liệu đến Node B làm nảy sinh yêu cầu phải có một cơ chế điều khiển luồng (được gọi là HS-DSCH Frame Protocol) nhằm giữ cho các bộ nhớ đệm tại Node B luôn luôn đầy. Hình 11: Kiến trúc giao thức giao diện vô tuyến của kênh truyền tải HS-DSCH. Ngoài ra, HS-DSCH không hỗ trợ chuyển giao mềm do sự phức tạp trong việc đồng bộ hoá quá trình phát từ các cell khác nhau.HS-DSCH có thể hỗ trợ tùy chọn phủ toàn bộ hoặc phủ một phần cell. 3.4 Cấu trúc kênh HSDPA Trong hệ thống truy nhập vô tuyến WCDMA, kênh DSCH có tính chất đặc thù và rất hữu dụng cho việc truyền lưu lượng gói lớn ở đường xuống.DSCH cung cấp các tài nguyên mã mà chúng có thể được chia sẻ bởi nhiều người sử dụng khác nhau theo phương thức ghép theo thời gian.Việc chia sẻ các tài nguyên cho phép cải thiện dung lượng và tránh được sự thiếu hụt về mã định kênh khi xảy ra trường hợp mỗi user được Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - cấp phát một kênh DCH.Như đã đề cập ở trên, khái niệm HSDPA dựa trên một loại kênh truyền tải mới, kênh HS-DSCH, nó có thể được xem như một sự phát triển của kênh DSCH.HS-DSCH được xếp vào nhóm các kênh vật lý được ký hiệu là HS-DSCHs và được chia sẻ giữa tất cả các user theo phương thức ghép theo thời gian.Hệ số trải phổ của kênh HS-DCSHs được cố định là 16, và MAC-hs có thể sử dụng một số mã (còn gọi là đa mã), tối đa lên đến 15 mã.Hơn nữa, bộ lập lịch có thể sử dụng ghép theo mã bằng cách truyền các HS-DSCHs tách biệt tới các user khác nhau trong cùng TTI.Cấu trúc kênh đường lên và đường xuống của HSDPA được mô tả trong hình 12.Khái niệm HSDPA còn bao gồm kênh HS-SCCH để báo hiệu cho các user khi chúng được phục vụ cũng như các thông tin cần thiết cho quá trình giải mã.HS-SCCH mang những thông tin sau:  Mặt nạ ID cảu UE: để xác định user được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo.  Thông tin liên quan đến khuôn dạng truyền tải: mô tả các mã định kênh, và phương thức/kỹ thuật điều chế được sử dụng.Tỉ lệ mã hoá thực được trích ra từ kích cỡ của block truyền tải và các tham số khuôn dạng truyền tải khác.  Thông tin liên quan đến HARQ: ví dụ như chu kỳ phát tiếp theo sẽ là một block mới hay là một block được phát lại (do có lỗi trước đó) và thông tin về các bản thừa. Thông tin điều khiển này chỉ được sử dụng cho UE sẽ được phục vụ trong chu kỳ TTI tiếp theo, như vậy kênh báo hiệu này là một kênh chia sẻ theo thời gian cho tất cả các user. RNC cũng có thể chỉ rõ công suất được khuyến nghị cho HS-SCCH (độ lệch liên quan tới các bit hoa tiêu của kênh DPCH kết hợp).Công suất phát của HS-SCCH có thể là hằng số hoặc thay đổi theo thời gian tuỳ theo một chiến lược điều khiển công suất nào đó mặc dầu các tiêu chuẩn của 3GPP không thiết lập bất kỳ mô hình điều khiển công suất nào cho HS-SCCH. Một kênh HS-DPCCH đường lên mang các thông tin điều khiển cần thiết ở đường lên, được gọi là, sự xác nhận ARQ (ARQ acknowledgements), và các thông báo chỉ thị chất lượng kênh CQI (Channel Quality Indicatior).Các bản tin CQI sẽ được mô tả ở phần sau.Để hỗ trợ hoạt động điều khiển công suất của HS-DPCCH, mỗi người sử dụng sẽ được cấp phát một kênh DPCH liên kết. Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Hình 12: Cấu trúc lớp vật lý đường xuống và đường lên của HSDPA. 3.5. AMC và kỹ thuật phát đa mã. Như đã đề cập trong mục 2, HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng khác để thay thế các kỹ thuật điều khiển công suất và hệ số trải phổ biến thiên vốn được sử dụng trong hệ thống WCDMA.Để đối phó với dải rộng của tại đầu cuối UE, HSDPA thích ứng quá trình điều chế, tỉ lệ mã hoá và số mã định kênh với các điều kiện vô tuyến hiện thời.Sự kết hợp của hai kỹ thuật đầu tiên được gọi là Điều chế và Mã hoá Thích ứng (AMC). Bênh cạnh QPSK, HSDPA kết hợp chặt chẽ với phương thức điều chế 16QAM để tăng tốc đô dữ liệu đỉnh cảu các user được phục vụ dưới điều kiện vô tuyến thích hợp.Việc hỗ trợ cho QPSK có tính chất bắt buộc đối với thông tin di động, còn đối với 16QAM là một tuỳ chọn cho mạng và UE.Sử dụng đồng thời cả hai phương thức điều chế này, đặc biệt là phương thức điều chế cấp cao 16QAM, đưa ra một số thách thức nhất định đối với độ phức tạp của bộ thu đầu cuối, nó cần phải xác định được biên độ tương ứng của các ký hiệu nhận được, trong khi đối với phương pháp điều chế QPSK truyền thống chỉ yêu cầu tách pha tín hiệu.Một bộ mã hoá turbo dựa trên bộ mã hoá turbo R99 với tỉ lệ mã hoá 1/3, mặc dù các tỉ lệ mã hoá hiệu dụng khác trong phạm vi (xấp xỉ từ 1/6 đến 1/1) cũng có thể có được bằng các kỹ thuật ghép, chích và lặp mã.Kết quả là tạo ra một dải tỉ lệ mã có tới 64 giá trị khác nhau.Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tỉ lệ mã được gọi là Lược đồ Mã hoá và Điều chế (MCS-Modulation and Coding Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -