Công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA

Các bạn nên xem trước bài này http://tongquanvienthong.blogspot.com/2012/02/hspa.html

Tốc độ dữ liệu tối đa hiện tại ở mạng WCDMA đạt được trong điều kiện lý tưởng bị giới hạn ở mức 2Mbit/s. Nhu cầu to lớn về dữ liệu tốc độ cao của người sử dụng đã thúc đẩy tìm ra một con đường mới để đạt được tốc độ vượt qua ngưỡng 2 Mbit/s. Công nghệ truy nhập gói đường xuống HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) là bước đi đầu tiên trong quá trình phát triển mạng WCDMA (UMTS), kế tiếp sẽ là nâng cao tốc độ dữ liệu trên đường lên (uplink).

Nguyễn Thanh Tùng
Tốc độ dữ liệu tối đa hiện tại ở mạng WCDMA đạt được trong điều kiện lý tưởng bị giới hạn ở mức 2Mbit/s. Nhu cầu to lớn về dữ liệu tốc độ cao của người sử dụng đã thúc đẩy tìm ra một con đường mới để đạt được tốc độ vượt qua ngưỡng 2 Mbit/s. Công nghệ truy nhập gói đường xuống HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) là bước đi đầu tiên trong quá trình phát triển mạng WCDMA (UMTS), kế tiếp sẽ là nâng cao tốc độ dữ liệu trên đường lên (uplink). Công nghệ HSDPA sẽ có khả năng cung cấp tốc độ lên đến 10Mbit/s trong khi vẫn tương thích với các thiết bị người sử dụng đang tồn tại.. Bài báo này trình bày một số khía cạnh kỹ thuật trong HSDPA.
GIỚI THIỆU
HSDPA là một chuẩn công nghệ trong Phiên bản 5 của Đề án các đối tác thế hệ 3 WCDMA băng rộng WCDMA 3GP. HSDPA sẽ tăng tốc độ dữ liệu truyền tối đa và nâng cao chất lượng dịch vụ QoS, và nói chung là cải tiến hiệu quả phổ tần đường xuống không đối xứng và đáp ứng nhu cầu bùng nổ các dịch vụ dữ liệu gói. Khi HSDPA được thực hiện, nó có thể cùng tồn tại trên cùng hệ thống truyền dẫn như Phiên bản 99 WCDMA hiện tại. Điều này cho phép đưa HSDPA vào mạng WCDMA hiện tại một cách dễ dàng và hiệu quả về chi phí. HSDPA được thiết kế cho những ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản : tải tệp, phân phối email; dịch vụ tương tác : trình duyệt web, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu; dịch vụ Streaming : dịch vụ audio/video…

Hình 1: Hiệu quả phổ HSDPA

Hình 2: Độ trễ tín hiệu trên đường truyền đối với các công nghệ khác nhau

Các khía cạnh kỹ thuật nằm sau khái niệm HSDPA bao gồm :
- Truyền dẫn kênh chia sẻ
- Mã hoá và điều chế thích nghi AMC (Adaptive Modulation and Coding).
- Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat Request)
- Trình tự nhanh và hợp lý tại Node B.
- Lựa chọn vị trí ô tế bào nhanh FCSS (Fast Cell Site Selection).
- Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI (Short Transmission Time Interval).
CÁC KHÍA CẠNH KỸ THUẬT HSDPA
Truyền dẫn kênh chia sẻ
Tài nguyên chung của người sử dụng trong ô tế bào bao gồm các bộ mã kênh và công suất phát. Khái niệm HSDPA được giới thiệu bao gồm một số kênh vật lý thêm vào: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel) và Kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH (HS-Physical Control Channel).
HS-PDSCH
Trong kênh này thời gian và mã hoá được chia sẽ giữa những người sử dụng gắn liền với Node-B. Đây là cơ cấu truyền tải cho các kênh logic được thêm vào: Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH (HS-Downlink Shared Channel) và Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (HS-Shared Control Channel.
Những tài nguyên mã hoá HS-DSCH gồm có một hoặc nhiều bộ mã định hướng với hệ số phân bố cố định SF 16. Phần lớn 15 bộ mã này có thể phân bổ cho những yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu và điều khiển. Các tài nguyên mã hoá sẵn sàng được chia sẻ chủ yếu trong miền thời gian nhưng nó có thể chia sẻ tài nguyên mã hoá bằng cách dùng mã hoá đa thành phần. Khi cả thời gian và bộ mã được chia sẽ, từ hai đến bốn người sử dụng có thể chia sẽ tài nguyên mã hoá trong cùng một TTI.

Hình 3: Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH

HS-DPCCH:
Đây là kênh đường lên, được sử dụng mang tín hiệu báo nhận (ACK) đến Node-B trên mỗi khối (block). Nó cũng được dùng để chỉ thị Chất lượng kênh CQI (Channel Quality), là yếu tố được sử dụng trong AMC.

Hình 4 : Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH

Mã hoá và điều chế thích nghi AMC
Hiện tại việc điều khiển công suất nhanh trong mạng WCDMA được sử dụng để thích ứng với các kết nối vô tuyến. Điều khiển công suất được thực hiện trong mỗi khe (slot) ở mạng WCDMA. Về cơ bản sự thích ứng với kết nối vô tuyến được yêu cầu bởi vì, trong hệ thống truyền thông tế bào, tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR của tín hiệu thu tại thiết bị người sử dụng UE (User Equipment) thay đổi theo thời gian từ 30-40 dB vì do và các vùng địa lý. Để có thể loại bỏ ảnh hưởng của fading và cải thiện khả năng hệ thống và tốc độ dữ liệu tối đa, tín hiệu truyền dẫn đến UE riêng biệt được thay đổi phù hợp với sự biến đổi tín hiệu xuyên suốt qua quá trình xử lý, gọi là thích ứng kết nối.
Trong HSDPA công suất phát được giữ không đổi trên TTI và sử dụng cơ chế mã hoá và điều chế thích ứng AMC như một phương pháp điều khiển để cải thiện hiệu quả phổ. HSDPA sử dụng cơ cấu điều chế bậc cao như điều chế biên độ trực giao 16QAM bên cạnh QPSK. Sự điều chế này được thích ứng theo các điều kiện kênh vô tuyến. QPSK có thể hỗ trợ 2 bit/symbol trong khi đó 16QAM có thể hỗ trợ 4 bit/symbol, do đó tốc độ tối đa sẽ gấp đôi khi so sánh với QPSK, sử dụng băng thông sẽ hiệu quả hơn. Tỷ lệ mã khác nhau được dùng là 1/4,1/2, 5/8, 3/4. Node-B (Trạm gốc) nhận báo cáo chỉ thị chất lượng CQI (Channel Quality Indicator ) và kết quả các phép đo công suất trên kênh kết hợp. Dựa trên những thông tin này nó quyết định tốc độ truyền dữ liệu sẽ là bao nhiêu (Bảng 1). Trong HSDPA, những người sử dụng ở gần Node-B thông thường được gán mức điều chế cao hơn với tỷ lệ mã cao hơn (như là 16QAM và tỷ lệ mã #) , và cả hai đều giảm khi khoảng cách giữa UE và Node-B tăng lên.

Bảng 1 Thông lượng ứng với các phương thức điều chế khác nhau

Điều chế	Tỉ lệ mã	Thông lượng với 5 mã	Thông lượng với 10 mã	Thông lượng với 15 mã
QPSK	1/4	600 kbit/s	1,2 Mbit/s	1,8 Mbit/s
	2/4	1,2 Mbit/s	2,4 Mbit/s	3,6 Mbit/s
	3/4	1,8 Mbit/s	3,6 Mbit/s	5,4 Mbit/s
16 QAM	2/4	2,4 Mbit/s	4.8 Mbit/s	7,2 Mbit/s
	3/4	3,6 Mbit/s	7,2 Mbit/s	10,7 Mbit/s

Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ
Giao thức H-ARQ dùng cho HSDPA là dừng và chờ SAW (Stop And Wait). Trong SAW bên phát gửi đi một khối TTI (3 slot) và đợi cho đến khi UE nhận được xác nhận ACK hoặc không nhận được N-ACK. Để có thể tận dụng thời gian khi phải chờ thông báo xác nhận ACK, quá trình xử lý song song N SAW-ARQ có thể được thiết lập cho UE, như thế các quá trình khác nhau phát đi trong các TTI độc lập. Giá trị N được báo hiệu rõ ràng dùng 3 bit, vì thế tối đa N là 8.
UE yêu cầu bên phát phát lại dữ liệu nhận được bị lỗi sớm nhất. Khi UE nhận được dữ liệu lần thứ hai, nó kết hợp với thông tin phát đi đầu tiên với thông tin phát lần thứ hai trước khi cố gắng giải mã các thông báo.
Trình tự nhanh và hợp lý tại Node B
Trong mạng WCDMA tiêu chuẩn trình tự các gói được thực hiện tại Kết nối mạng vo tuyến RNC (Radio Network Connection), nhưng trong HSDPA trình tự gói (medium access layer-hs) được di chuyển đến Node-B. Điều đó làm cho các quyết định về trình tự gói hầu như xảy ra ngay lập tức. Vì độ dài TTI ngắn hơn 2 ms, do đó trình tự này được thực hiện rất nhanh với mỗi TTI.
Để có một trình tự hợp lý có thể sử dụng phương pháp lược đồ quay vòng (Round-Robin), nơi mỗi người sử dụng được phục vụ theo kiểu liên tục, để tất cả người sử dụng nhận được thời gian sử dụng như nhau. Tuy nhiên, với yêu cầu tốc độ sắp xếp trình tự gói cùng với khả năng của AMC, nơi kênh truyền dẫn được bố trí theo các điều kiện kênh ngay lập tức, một trình tự gói phổ biến khác là trình tự gói hợp lý cân đối. ở đây, thứ tự của dịch vụ được xác định bởi mức độ đáp ứng ngay lập tức cao nhất chất lượng kênh liên quan. Từ đó sự lựa chọn được dựa trên các điều kiện liên quan, mỗi người sử dụng nhận được xấp xỉ số lượng thời gian phân phối giống nhau phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền dẫn.

Hình 5: Trình tự nhanh và hợp lý

Lựa chọn vị trí tế bào nhanh FCSS
Trung bình 20-30% của trạm di động MS thực hiện chuyển giao mềm hoặc khá mềm. Chuyển giao mềm là chuyển giao giữa hai Node-B, chuyển giao mềm dẻo hơn là giữa các sector của Node-B. FCSS cho phép một UE chọn Node-B với đặc tính truyền dẫn hiện tại tốt nhất. Lợi thế của hệ thống này là tốc độ dữ liệu cao hơn có thể đạt được trong phần lớn thời gian.
Khoảng thời gian truyền dẫn ngắn TTI
Trong HSDPA, HS-DSCH được thêm vào sử dụng TTI ít hơn 2ms so với TTI kênh truyền dẫn Phiên bản ’99. Dođó làm giảm thời gian đi vòng, tăng tốc độ xử lý và khả năng hiệu chỉnh bám theo thời gian tốt hơn với những kênh vô tuyến thay đổi. Trên thực tế độ dài của khung thay đổi và được chọn dựa trên lưu lượng được hổ trợ và số người sử dụng được hổ trợ. Giá trị tiêu biểu là 2 ms.
Yêu cầu lặp lại tự động hỗn hợp nhanh H-ARQ
AMC sử dụng kỹ thuật điều chế thích hợp và cơ cấu mã hoá theo các điều kiện của kênh truyền dẫn. Thậm chí sau AMC, có thể bắt được các lỗi trong các gói thu vì trong thực tế các kênh có thể thay đổi trong suốt quá trình các gói di chuyển trong không gian. Tỷ lệ lỗi khối BLER (Block Error Rate) sau lần truyền dẫn đầu tiên là 10%-20%. Một cơ cấu yêu cầu lặp lại tự động có thể được sử dụng để khôi phục lại các lỗi trong đường truyền thích ứng. Khi gói phát đi bị thu lỗi thì bên nhận yêu cầu bên phát phát lại các gói bị lỗi. Kỹ thuật cơ bản là sử dụng tín hiệu phát đi trước đó cùng với tín hiệu được phát lại sau này để giải mã các block. Có hai cơ cấu chính trong H-ARQ, đó là Kết hợp theo đuổi CC (Chase Combining) và Gia tăng độ dư IR (Incremental Redundancy).
- Kết hợp theo đuổi
Cơ cấu này bao gồm việc phát lại các gói dữ liệu mà bên thu đã nhận được bị lỗi. Một khi các gói phát lại nhân được, bên thu kết hợp các giá trị mềm của tín hiệu gốc và tín hiệu phát lại có SNR ưu tiên để giải mã gói dữ liệu.
Ưu điểm: Việc truyền và truyền lại được giải mã riêng lẻ (tự giải mã), tăng tính đa dạng thời gian, có thể tăng tính đa dạng đường truyền.
Nhược điểm: Việc phát lại toàn bộ các gói sẽ lãng phí về băng thông.
- Tăng độ dư
Tăng độ dư được sử dụng để nhận được tính năng tối đa trong băng thông sẵn sàng. Lúc này block được phát lại chỉ bao gồm dữ liệu sửa chữa của tín hiệu gốc được truyền đi chứ không phải thông tin thực sự. Lượng thông tin dư thêm vào được gửi đi ngày càng tăng lên khi quá trình phát lại lặp đi lặp lại mà bên thu vẫn nhận bị lỗi.

Hình 6: Quá trình truyền lại block dữ liệu IR

Ưu điểm: Giảm bớt băng thông/ lưu lượng hữu dụng của một người sử dụng và dùng nó cho những người khác.
Nhược điểm: Các bit hệ thống chỉ được gửi đi khi truyền lần đầu và không thể truyền lại, điều đó làm cho quá trình truyền lại không thể tự giải mã. Vì thế, nếu quá trình truyền lần đầu bị mất thì fading rất lớn sẽ tác động và không có cơ hội khôi phục lại dữ liệu trong hoàn cảnh này.
- Tăng độ dư từng phần
Tăng độ dư từng phần là sự kết hợp của CC và IR. Sự không thuận lợi của IR bị loại bỏ bằng cách thêm vào các bit hệ thống cùng với các bit dư gia tăng trong quá trình truyền lại. Điều đó làm cho cả tín hiệu ban đầu và tín hiệu phát lại đều tự giải mã được .

Nguồn http://www.tapchibcvt.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=16423

Posted in: 3.5G, Thông tin di động