Điều Chế Và Mã Hoá Thích Ứng-Kỹ Thuật Truyền Dẫn Đa Mã

gần với giao diện vô tuyến tại phía mạng, nghĩa là tại nút B. Ngoài ra một mục tiêu quan trọng của HSDPA là duy trì tối đa sự phân chia chức năng giữa các lớp và các nút của R3. Cần giảm thiểu sự thay đổi cấu trúc, vì điều này sẽ đơn giản hóa việc đưa HSDPA vào các mạng đã triển khai cũng như đảm bảo hoạt động trong các môi trường mà ở đó không phải tất cả các ô đều được nâng cấp bằng chức năng HSDPA. Vì thế HSDPA đưa vào nút B một lớp con MAC mới, MAC-hs, chịu trách nhiệm cho lập biểu, điều khiển tốc độ và khai thác giao thức HARQ. Do vậy ngoại trừ các tăng cường cho RNC như điều khiển cho phép HSDPA đối với các người sử dụng, HSDPA chủ yếu tác động lên nút B (hình 2.5).

Hình 2.5. Cấu trúc HSDPA

Mỗi UE sử dụng HSDPA sẽ thu truyền dẫn HS-DSCH từ một ô (ô phục vụ). Ô phục vụ chịu trách nhiệm lập biểu, điều khiển tốc độ, HARQ và các chức năng MAC- hs khác cho HSDPA. Chuyển giao mềm đường lên được hỗ trợ trong đó truyền dẫn số liệu đường lên sẽ thu được từ nhiều ô và UE sẽ nhận được các lệnh điều khiển công suất từ nhiều ô.

Di động từ một ô hỗ trợ HSDPA đến một ô không hỗ trợ HSDPA được xử lý dễ dàng. Có thể đảm bảo dịch vụ không bị gián đoạn cho người sử dụng (mặc dù tại tốc độ số liệu thấp hơn) bằng chuyển mạch kênh trong RNC trong đó người sử dụng được chuyển mạch đến kênh dành riêng (DCH) trong ô không có HSDPA. Tương tự, một người sử dụng được trang bị đầu cuối có HSDPA có thể chuyển mạch từ kênh riêng sang HSDPA khi người này chuyển vào ô có hỗ trợ HSDPA.

Cấu trúc kênh tổng thể của HSDPA kết hợp WCDMA được cho trên hình 2.6.

Hình 2.6. 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 lên nhiều kênh vật lý HS-PDSCH để truyền tải lưu lượng gói chia sẻ cho nhiều người sử dụng, trong đó mỗi HS-PDSCH có hệ số trải phổ không đổi và bằng 16. Cấu hình cực đại của HS-DSCH là 15SF16 (tương ứng với tốc độ đỉnh khi điều chế 16QAM và tỷ lệ mã 1/1 là 14,4 Mbps). Các người sử dụng chia sẻ HS-DSCH theo số kênh vật lý HS-PDSCH (số mã với SF=16) và khoảng thời gian truyền dẫn TTI=2ms.

+ HS-SCCH (High Speed-Shared Control Channel) sử dụng hệ số trải phổ 128 và có cấu trúc thời gian dựa trên một khung con có độ dài 2ms bằng độ dài của HS-DSCH. Các thông tin sau đây được mang trên HS-SCCH:

- Số mã định kênh

- Sơ đồ điều chế

- Kích thước khối truyền tải

- Gói được phát là gói mới hay phát lại (HARQ) hoặc HARQ theo RNC RLC

- Phiên bản dư

- Phiên bản chùm tín hiệu

Khi HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo thời gian, chỉ cần lập cấu hình một HS-SCCH, nhưng kho HSDPA hoạt động trong chế độ ghép theo mã thì cần có nhiều HS-SCCH hơn. Một UE có thể xem xét được nhiều nhất là 4 HS-SCCH tùy vào cấu hình được lập bởi hệ thống.

+ 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 lượng 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 như ở R3.

+ F-DPCH (Fractional- Dedicated Physical Channel) đường xuống có hệ số trải phổ 256 chứa thông tin điều khiển công suất cho 10 người sử dụng để tiết kiệm tài nguyên mã trong truyền dẫn gói.

2.5 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HSDPA

Hình 2.7. 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

• Chuyển giao trong HSDPA

Trong giải pháp HSDPA, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ được chuyển từ bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC tới Node-B nhằm giúp người sử dụng dễ dàng truy nhập vào các chức năng thống kê giao diện vô tuyến. Kỹ thuật sắp xếp gói tin tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người sử dụng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời.

Trong quá trình kết nối, UE sẽ định kỳ gửi một CQI (Channel Quality Indicator) - chỉ thị chất lượng kênh tới Node-B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hoá, số lượng các mã đã sử dụng) mà thiết bị này có thể hỗ trợ khi ở dưới các điều kiện vô tuyến hiện thời. Đồng thời, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node-B biết được thời điểm lặp lại quá trình truyền dữ liệu. Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE trong một cell, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói của các UE một cách công bằng.

Vấn đề chúng ta cần quan tâm là chất lượng kênh đường truyền của mỗi người sử dụng độc lập và cách xác định nó. Ví dụ như: tỷ lệ công suất ký hiệu trên tạp âm (tỷ số Es/No), chất lượng bộ tách UE. Nút 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 theo chu kỳ một giá trị CQI 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 (Ask / Nask) ở dạng gói dựa trên L1 cho mỗi kênh 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 được đặt tại nút B, do đó cho phép truy nhập nhanh hơn tới các giá trị đo lường tuyến kết nối, lập lịch gói hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn. So sánh với kỹ thuật WCDMA, kênh HS-DSCH không thực hiện với điều kiện công suất phát nhanh và hệ số trải phổ thay đổi. Bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hoá Turbo tốc độ thay đổi, điều chế 16 QAM, cũng như hoạt động đa mã mở rộng, kênh HS-DSCH hỗ trợ tốc độ dữ liệu đỉnh từ 120 Kbps tới hơn 10Mbps. Quá trình điều chế và mã hoá thích ứng cơ bản có một dải động khoảng 20dB, và được mở rộng hơn nữa số đa mã khả dụng.

2.5.1 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) được 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 cho trên hình 2.8. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 (xem phần trên của hình 2.8), trong đó số mã có thể sử dụng để lập cấu hình cho HS-DSCH nằm trong khoảng từ 1 đến 15. Các mã không dành cho HS-DSCH được sử dụng cho mục đích khác, chẳng hạn cho báo hiệu điều khiển, các dịch vụ MBMS hay các dịch vụ chuyển mạch kênh.

Hình 2.8. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH

Phần dưới của hình 2.8 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng trên cơ sở TTI=2ms (TTI: Transmit Time Interval: Khoảng thời gian truyền dẫn). HSPDA sử dụng TTI ngắn để giảm trễ và cải thiện quá trình bám theo các thay đổi của kênh cho mục đích điều khiển tốc độ và lập biểu phụ thuộc kênh (sẽ xét trong phần dưới).

Ngoài việc được ấn định một bộ phận của tổng tài nguyên mã khả dụng, một phần tổng công suất khả dụng của ô phải được ấn định cho truyền dẫn HS-DSCH. Lưu ý rằng HS-DSCH không được điều khiển công suất mà được điều khiển tốc độ. Trong trường hợp sử dụng chung tần số với WCDMA, sau khi phục vụ các kênh WCDMA, phần công suất còn lại có thể được sử dụng cho HS-DSCH, điều này cho phép khai thác hiệu quả tổng tài nguyên công suất khả dụng.

2.5.2 Điều chế và mã hoá thích ứng-Kỹ thuật truyền dẫn đa mã

HSDPA sử dụng các kỹ thuật thích ứng khác nhau 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. Trong thông tin di động, tỉ lệ tín trên tạp (SINR) của tín hiệu nhận được tại một thiết bị người sử dụng luôn biến đổi trong khoảng từ 30 – 40dB do fading nhanh và các đặc điểm về địa hình trong một cell. HSDPA thích ứng quá trình điều chế, tỉ lệ mã hóa 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 hóa thích ứng (AMC).

Bên cạnh QPSK, HSDPA kết hợp chặt chẽ với phương thức điều chế 16QAM để tăng tốc độ dữ liệu đỉnh của 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 tùy 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 thức điều chế QPSK truyền thống chỉ yêu cẩu tách pha tín hiệu. Một bộ mã hóa Turbo dựa trên bộ mã hóa Turbo R99 với tỉ lệ mã hóa 1/3 , mặc dù các tỉ lệ mã hóa 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 dãy tỉ lệ mã có tới 64 giá trị khác nhau. Sự kết hợp của một kiểu điều chế và một tì lệ mã được gọi là Lược đồ Mã hóa và Điều chế (MCS – Modulation and Coding Scheme). Bảng 2.1 chỉ ra một số tập MCS thường được sử dụng cho HSDPA và tốc độ dữ liệu đỉnh tương ứng với mỗi MCS.

Ngoài kỹ thuật AMC, phát đa mã cũng có thể xem như một công cụ thích ứng liên kết. Nếu user có các điều kiện kênh vô tuyến phù tốt, Node-B có thể lợi dụng điều kiện này bằng cách phát nhiều mã song song với nhau, nhằm đạt được thông lượng dữ liệu đỉnh khá lớn. Ví dụ với MCS 5 và một bộ 15 đa mã, có thể đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh tối đa lên tới 14Mbps với tỉ lệ mã hóa gần 1.

Với kỹ thuật phát đa mã, toàn bộ dải động của AMC có thể được tăng lên một lượng 10.log10(15) xấp xỉ 12dBs. Toàn bộ dải động thích ứng liên kết do AMC kết hợp với phát đa mã xấp xỉ 30db. Chú ý rằng, dải động của kỹ thuật hệ số trải phổ biến thiên trong WCDMA xấp xỉ 20dB, có nghĩa là bé hơn khoảng 10dB so với dải động thích ứng liên kết trong HSDPA.

Bảng 2.2: Tốc độ bit tối đa khả dụng

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
16 QAM	3/4	3,6 Mbit/s	7,2 Mbit/s	10,7 Mbit/s

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 56 trang tài liệu này.

2.5.3 Kỹ thuật H-ARQ với kết hợp mềm

Khi vận hành HSDPA ở lân cận hiệu suất phổ cao nhất, tỉ lệ lỗi khối BLER sau lần truyền dẫn đầu tiên được khuyến nghị trong khoảng từ 10 - 20%. Cơ chế yêu cầu lặp tự động lai H-ARQ được ứng dụng trong giải pháp HSDPA nhằm giảm trễ và tăng hiệu suất của quá trình tái truyền dẫn dữ liệu. Hybrid automatic repeat request (Hybrid ARQ hay HARQ) là sự kết hợp của mã hóa sửa lỗi trước (FEC) và điều khiển lỗi ARQ cho các lỗi phát hiện được nhưng không sửa được. Trong ARQ chuẩn, các bit dư thừa được thêm vào dữ liệu truyền sử dụng một mã kiểm tra lỗi nào đó như CRC. Trong Hybrid ARQ, một mã được sử dụng có thể làm cả công việc sửa lỗi trước thêm vào việc phát hiện lỗi (ED) (như là mã Reed-Solomon, mã xoắn hay mã turbo), để sửa một tập con trong tất cả các lỗi mà nếu dùng ARQ thì không thể sửa trong lần đầu tiên phát. Kết quả là Hybrid ARQ hiệu quả tốt hơn ARQ trong các điều kiện tín hiệu không tốt, nhưng trong dạng đơn giản nhất này đi kèm với hiệu quả thông lượng thấp hơn đáng kể trong điều kiện tín hiệu tốt. Thường có một điểm chất lượng tín hiệu mà dưới đó thì Hybrid ARQ tốt hơn và chất lượng trên nó thì ARQ tốt hơn.

+ Hybrid ARQ đơn giản

Phiên bản đơn giản nhất của HARQ, kiểu I HARQ, thêm cả thông tin ED và FEC cho mỗi bản tin trước khi truyền. Khi khối dữ liệu được mã hóa đã được nhận, máy thu đầu tiên sẽ giải mã mã sửa lỗi. Nếu chất lượng kênh đủ tốt, tất cả các lỗi truyền dẫn có thể sửa chữa được, và máy thu có thể có được khối dữ liệu chính xác. Nếu chất lượng kênh xấu, và không phải tất cả các lỗi truyền dẫn đều có thể sửa được, máy thu sẽ nhận ra tình huống này bằng việc sử dụng mã phát hiện lỗi, sau đó khối dữ liệu nhận sẽ bị

loại bỏ và một quá trình truyền lại sẽ được yêu cầu bởi máy thu, như là ARQ thông thường.

Trong một dạng phức tạp hơn, kiểu II HARQ, bộ khởi tạo bản tin sẽ xen kẽ giữa các bit thông tin suốt chiều dài bản tin với các bit chẵn lẻ phát hiện lỗi. Khi truyền lần đầu tiên nhận không bị lỗi, các bít chẵn lẻ FEC không bao giờ được gửi. Hơn nữa, hai quá trình truyền liên tục có thể được kết hợp để phát hiện lỗi nếu có lỗi.

Để hiểu sự khác nhau giữa kiểu I và kiểu II, xem xét kích thước của ED và FEC được thêm thông tin: phát hiện lỗi chỉ thêm một vài byte tho một bản tin, cái mà chỉ gia tăng độ dài. FEC, mặt khác, thường có thể gấp đôi hoặc gấp ba lần độ dài của bản tin với các tỉ lệ sửa lỗi.

Trong trường hợp thông lượng, ARQ chuẩn thường dùng thêm vài phần trăm dung lượng kênh để bảo đảm tin cậy chống lại các lỗi, trong khi FEC thường chiếm một nửa hoặc nhiều hơn dung lượng của cả kênh để cải thiện kênh.

Ở ARQ chuẩn một quá trình phát phải không có lỗi trong bất kỳ chỗ nào. Ở kiểu II, lần đầu tiên truyền chỉ chứa dữ liệu và mã phát hiện lỗi (không khác gì ARQ). Nếu nhận không lỗi, mọi việc đã xong. Nếu dữ liệu nhận lỗi, lần truyền thứ 2 sẽ bao gồm FEC và ED. Nếu nhận không lỗi, ok. Nếu nhận lỗi, việc sửa lỗi có thể được thử bằng cách ghép thông tin nhận được trong cả 2 lần truyền.

Chỉ kiểu I chịu mất trong điều kiện tín hiệu mạnh. Kiểu II thì không vì các bit FEC chỉ được truyền trong lần phát lại sau nếu cần thiết. Trong điều kiện tín hiệu mạnh, kiểu II hoạt động tốt như ARQ thường. Trong trường hợp tín hiệu yếu, kiểu II tốt như FEC chuẩn.

+ Hybrid ARQ với kết hợp mềm

Trong thực tế, các khối dữ liệu đã mã hóa nhận được không chính xác thường được lưu lại ở máy thu hơn là gạt đi, và khi khối dữ liệu được truyền lại, và chúng được kết hợp với nhau. Điều này được gọi là Hybrid ARQ với kết hợp mềm. Mặc dù có thể hai lần truyền không thể giải mã mà không lỗi, như tổ hợp của các lần truyền nhận được sai có thể cho chúng ta đủ thông tin để giải mã chính xác. Có hai phương pháp kết hợp mềm chính trong HARQ:

Kết hợp theo đuổi (Chase combining - CC): mọi quá trình truyền lại đều có cùng thông tin (dữ liệu và các bit kiểm tra). Máy thu sử dụng kết hợp tỉ lệ tối đa để kết hợp các bit nhận được với các từ các lần truyền trước. Bởi vì tất cả các quá trình truyền thì