Bài giảng Mạng 3G WCDMA UMTS

Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007. Các thông số tốc độ đỉnh của R6 HSPA được cho trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Các thông số tốc độ đỉnh R6 HSPA HSDPA (R6) HSUPA (R6) Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 5,7 Tốc độ số liệu đỉnh của HSDPA lúc đầu là 1,8Mbps và tăng đến 3,6 Mbps và 7,2Mbps vào năm 2006 và 2007, tiềm năng có thể đạt đến trên 14,4Mbps năm 2008. Trong giai đoạn đầu tốc độ đỉnh HSUPA là 1-2Mbps trong giai đoạn hai tốc độ này có thể đạt đến 4-5,7 Mbps vào năm 2008. HSPA được triển khai trên WCDMA hoặc trên cùng một sóng mang hoặc sử dụng một sóng mang khác để đạt được dung lượng cao (xem hình 4.1). Hình 4.1. Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) hoặc chung sóng mang với WCDMA (f1). HSPA 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. Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên R6 và R7 cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác. Khác với WCDMA trong đó tốc độ số liệu trên các giao diện như nhau (384 kbps cho tốc độ cực đại chẳng hạn), tốc độ số liệu HSPA trên các giao diện khác nhau. Hình 4.2 minh họa điều này cho HSDPA. Tốc độ đỉnh (14,4Mbps trên 2 ms) tại đầu cuối chỉ xẩy ra trong thời điểm điều kiện kênh truyền tốt vì thế tốc độ trung bình có thể không quá 3Mbps. Để đảm bảo truyền lưu lượng mang tính cụm này, nút cần có bộ đệm để lưu lại lưu lượng và bộ lập biểu để truyền lưu lượng này trên hạ tầng mạng. Hình 4.2. Tốc độ số liệu khác nhau trên các giao diện (trường hợp HSDPA) 4.3. KIẾN TRÚC NGĂN XẾP GIAO THỨC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN HSPA CHO SỐ LIỆU NGƯỜI SỬ DỤNG Hình 4.3 cho thấy kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng. Mặt phẳng báo hiệu không được thể hiện trên hình 4.3 (trong mặt phẳng này báo hiệu được nối đến RLC sau đó được đưa lên DCH hay HSDPA hoặc HSUPA). Số liệu từ các dịch vụ khác nhau được nén tiêu đề IP tại PDCP (Packet Data Convergence Protocol). MAC-hs (High Speed: tốc độ cao) thực hiện chức năng lập biểu nhanh dựa trên nút B. Đối với HSDPA chức năng MAC mới (MAC-hs) được đặt trong nút B để xử lý phát lại nhanh dựa trên HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request: yêu cầu phát lại tự động lai ghép), lập biểu và ưu tiên. Đối với HSUPA chức năng MAC mới (MAC-e) được đặt trong nút B để xử lý phát lại nhanh dựa trên HARQ, lập biểu và ưu tiên. Tại UE chức năng MAC-e mới được sử dụng để xử lý lập biểu và HARQ dưới sự điều khiển của MAC-e trong nút B. Chức năng MAC mới (MAC-es) được đặt trong RNC để sắp xếp lại thứ tự gói trước khi chuyển lên các lớp trên. Sự sắp xếp lại này là cần thiết, vì của chuyển giao mềm có thể dẫn đến các gói từ các nút B khác nhau đến RNC không theo thứ tự. MAC-hs: High Speed MAC: MAC tốc độ cao MAC-e: E-DCH MAC: MAC kênh E-DCH, MAC-es: thực thể MAC kênh E-DCH để sắp đặt lại thứ tự Hình 4.3. Kiến trúc giao diện vô tuyến HSDPA và HSUPA cho số liệu người sử dụng Hình 4.4 cho thấy các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA. Hình 4.4. Các chức năng mới trong các phần tử của WCDMA khi đưa vào HSPA. 4.4. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG XUỐNG (HSDPA) HSDPA được thiết kế để tăng thông lượng số liệu gói đường xuống bằng cách kết hợp các công nghệ lớp vật lý: truyền dẫn kết hợp phát lại nhanh và thích ứng nhanh được truyền theo sự điều khiển của nút B. 4.4.1 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) 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 Dowlink 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 4.5. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm một tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16 (xem phần trên của hình 4.5), 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 4.5. Cấu trúc thời gian-mã của HS-DSCH Phần dưới của hình 4.5 mô tả ấn định tài nguyên mã HS-DSCH cho từng người sử dụng trên cở 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. 4.4.2. Lập biểu phụ thuộc kênh Lập biểu (Scheduler) điều khiển việc dành kênh chia sẻ cho người sử dụng nào tại một thời điểm cho trước. Bộ lập biểu này là một phần tử then chốt và quyết định rất lớn đến tổng hiệu năng của hệ thống, đặc biệt khi mạng có tải cao. Trong mỗi TTI, Bộ lập biểu quyết định HS-DSCH sẽ được phát đến người (hoặc các người) sử dụng nào kết hợp chặt chẽ với cơ chế điều khiển tốc độ (tại tốc độ số liệu nào). Dung lượng hệ thống có thể được tăng đáng kể khi có xét đến các điều kiện kênh trong quyết định lập biểu: lập biểu phụ thuộc kênh. Vì trong một ô, các điều kiện của các đường truyền vô tuyến đối với các UE khác nhau thay đổi độc lập, nên tại từng thời điểm luôn luôn tồn tại một đường truyền vô tuyến có chất lượng kênh gần với đỉnh của nó (hình 4.6). Vì thế có thể truyền tốc độ số liệu cao đối với đường truyền vô tuyến này. Giải pháp này cho phép hệ thống đạt được dung lượng cao. Độ lợi nhận được khi truyền dẫn dành cho các người sử dụng có các điều kiện đường truyền vô tuyến thuận lợi thường được gọi là phân tập đa người sử dụng và độ lợi này càng lớn khi thay đổi kênh càng lớn và số người sử dụng trong một ô càng lớn. Vì thế trái với quan điểm truyền thống rằng phađinh nhanh là hiệu ứng không mong muốn và rằng cần chống lại nó, bằng cách lập biểu phụ thuộc kênh phađinh có lợi và cần khai thác nó. Chiến lược của bộ lập biểu thực tế là khai thác các thay đổi ngắn hạn (do phađinh đa đường) và các thay đổi nhiễu nhanh nhưng vẫn duy trì được tính công bằng dài hạn giữa các người sử dụng. Về nguyên tắc, sự mất công bằng dài hạn càng lớn thì dung lượng càng cao. Vì thế cần cân đối giữa tính công bằng và dung lượng. Hình 4.6. Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA Ngoài các điều kiện kênh, bộ lập biểu cũng cần xét đến các điều kiện lưu lượng. Chẳng hạn, sẽ vô nghĩa nếu lập biểu cho một người sử dụng không có số liệu đợi truyền dẫn cho dù điều kiện kênh của người sử dụng này tốt. Ngoài ra một số dịch vụ cần được cho mức ưu tiên cao hơn. Chẳng hạn các dịch vụ luồng đòi hỏi được đảm bảo tốc độ số liệu tương đối không đổi dài hạn, trong khi các dịch vụ nền như tải xuống không có yêu cầu gắt gao về tốc độ số liệu không đổi dài hạn. Nguyên lý lập biểu của HSDPA được cho trên hình 4.7. Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng người sử dụng HSDPA tích cực dựa trên thông tin phản hồi nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được tiến hành theo giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng. Hình 4.7. Nguyên lý lập biểu HSDPA của nút B 4.4.3. Điều khiển tốc độ và điều chế bậc cao Điều khiển tốc độ đã được coi là phương tiện thích ứng đường truyền cho các dịch vụ truyền số liệu hiệu quả hơn so với điều khiển công suất thường được sử dụng trong CDMA, đặc biệt là khi nó được sử dụng cùng với lập biểu phụ thuộc kênh. Đối với HSDPA, điều khiển tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh động tỷ lệ mã hóa kênh và chọn lựa động giữa điều chế QPSK và 16QAM. Điều chế bậc cao như 16QAM cho phép đạt được mức độ sử dụng băng thông cao hơn QPSK nhưng đòi hỏi tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Eb/N0) cao hơn. Vì thế 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lơi. Nút B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh. 4.4.3.1. Mã hóa kênh HS-DSCH Do mã hóa turbo có hiệu năng vượt trội mã hóa xơắn nên HS-DSCH chỉ sử dụng mã hóa turbo. Nguyên lý tổng quát của bộ mã hóa turbo như sau (hình 4.8a). Luồng số đưa vào bộ mã hóa turbo được chia thành ba nhánh, nhánh thứ nhất không được mã hóa và các bit ra của nhánh này được gọi là các bit hệ thống, nhánh thứ hai và thứ ba được mã hóa và các bit ra của chúng được gọi là các bit chẵn lẻ 1 và 2. Như vậy cứ một bit vào thì có ba bit ra, nên bộ mã hóa turbo này có tỷ lệ mã là r=1/3. Tỷ lệ này có thể giảm nếu ta bỏ bớt một số bit chẵn lẻ và quá trình này được gọi là đục lỗ (hình 4.8b). Hình 4.8. Mã hóa turbo và đục lỗ 4.4.3.2. Điều chế HS-DSCH HS-DSCH có thể sử dụng điều chế QPSK và 16-QAM. Chùm tín hiệu QPSK và 16QAM được cho trên hình 4.9. Điều chế QPSK chỉ cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được hai bit, trong khi đó điều chế 16QAM cho phép mỗi ký hiệu điều chế truyền được bốn bit vì thế 16QAM cho phép truyền tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên từ hình 4.9 ta thấy khoảng cách giữa hai điểm tín hiệu trong chùm tín hiệu 16QAM lại ngắn hơn khoảng cách này trong chùm tín hiệu QPSK và vì thế khả năng chịu nhiễu và tạp âm của 16QAM kém hơn QPSK. Hình 4.9. Chùm tín hiệu đièu chế QPSK, 16-QAM và khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu 4.4.3.3. Truyền dẫn thích ứng trên cơ sở điều chế và mã hóa kênh thích ứng Truyền dẫn thích ứng là quá trình truyền dẫn trong đó tốc độ số liệu được thay đổi tùy thuộc vào chất lượng đường truyền: tốc độ đường truyền được tăng khi chất lượng đường truyền tốt hơn, ngược lại tốc độ đường truyền bị giảm. Để thay đổi tốc độ truyền phù hợp với chất lượng kênh, hệ thống thực hiện thay đổi sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã nên phương pháp này được gọi là điều chế và mã hóa thích ứng (AMC: Adaptive Modulation and Coding). Chẳng hạn khi chất lượng đường truyền tốt hơn, hệ thống có thể tăng tốc độ truyền dẫn số liệu bằng cách chọn sơ đồ điều chế 16QAM và tăng tỷ lệ mã bằng 3/4 bằng cách đục lỗ, trái lại khi chất lượng truyền dẫn tồi hơn hệ thống có thể giảm tốc độ truyền dẫn bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế QPSK và không đục lỗ để giảm tỷ lệ bằng 1/3. 4.4.4. HARQ với kết hợp mềm HARQ với kết hợp mềm cho phép đầu cuối yêu cầu phát lại các khối thu mắc lỗi, đồng thời điều chỉnh mịn tỷ lệ mã hiệu dụng và bù trừ các lỗi gây ra do cơ chế thích ứng đường truyền. Đầu cuối giải mã từng khối truyền tải mã nó nhận được rồi báo cáo về nút B về việc giải mã thành công hay thất bại cứ 5ms một lần sau khi thu được khối này. Cách làm này cho phép phát lại nhanh chóng các khối số liệu thu không thành công và giảm đáng kể trễ liên quan đế phát lại so với phát hành R3. Nguyên lý xử lý phát lại HSDPA được minh họa trên hình 4.10. Đầu tiên gói được nhận vào bộ nhớ đệm của nút B. Ngay cả khi gói đã được gửi đi nút B vẫn giữ gói này. Nếu UE giải mã thất bại nó lưu gói nhận được vào bộ nhớ đệm và gửi lệnh không công nhận (NAK) đến nút B. Nút B phát lại cả gói hoặc chỉ phần sửa lỗi của gói tùy thuộc vào gải thuâth kết hợp gói tại UE. UE kết hợp gói phát trước với gói được phát lại và giải mã. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút B thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ công nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra. Hình 4.10. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B Không như HARQ truyền thống, trong kết hợp mềm, đầu cuối không loại bỏ thông tin mềm trong trường hợp nó không thể giải mã được khối truyền tải mà kết hợp thông tin mềm từ các lần phát trước đó với phát lại hiện thời để tăng xác suất giải mã thành công. Tăng phần dư (IR) được sử dụng làm cơ sở cho kết hợp mềm trong HSDPA, nghĩa là các lần phát lại có thể chứa các bit chẵn lẻ không có trong các lần phát trước. IR có thể cung cấp độ lợi đáng kể khi tỷ lệ mã đối với lần phát đầu cao vì các bit chẵn lẻ bổ sung làm giảm tổng tỷ lệ mã. Vì thế IR chủ yếu hữu ích trong tình trạng giới hạn băng thông khi đầu cuối ở gần trạm gốc và số lượng các mã định kênh chứ không phải công suất hạn chế tốc độ số liệu khả dụng. Nút B điều khiển tập các bit được mã hóa sẽ sử dụng để phát lại có xét đến dung lượng nhớ khả dụng của UE. Các hình 4.11 cho thấy thí dụ về sử dụng HARQ sử dụng mã turbo cơ sở tỷ lệ mã r=1/3 cho kết hợp phần dư tăng. Trong lần phát đầu gói bao gồm tất cả các bit thông tin cùng với một số bit chẵn lẻ được phát. Đến lần phát lại chỉ các bit chẵn lẻ khác với các bit chẵn lẻ được phát trong gói trước là được phát. Kết hợp gói phát trước và gói phát sau cho ra một gói có nhiều bit dư để sửa lỗi hơn và vì thế đây là sơ đồ kết hợp phần dư tăng. Hình 4.11. HARQ kết hợp phần dư tăng sử dụng mã turbo 4.4.4. Kiến trúc Từ các phần trên ta thấy rằng các kỹ thuật HSDPA dựa trên thích ứng nhanh đối với các thay đổi nhanh trong các điều kiện kênh. Vì thế các kỹ thuật này phải được đặt 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 kiến 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, MA-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 4.12). Hình 4.12. Kiến 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 ràng. 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 4.13. Hình 4.13. 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 14,4Mbps). 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 4.4.5. HSDPA MIMO MIMO là một trong tính năng mới được đưa vào R7 để tăng các tốc độ số liệu đỉnh thông qua truyền dẫn luồng. Nói một cách chặt chẽ, MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một cách thể hiện tổng quát sự sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và phía thu. Nhiều anten có thể được sử dụng để tăng độ lợi phân tập và vì thế tăng tỷ số sóng mang trên nhiễu tại máy thu. Tuy nhiên thuật ngữ này thường được sử dụng để biểu thị truyền dẫn nhiều lớp hay nhiều luồng như là một phương tiện để tăng tốc độ số liệu đến mức cực đại có thể trong một kênh cho trước. Vì thế MIMO hay ghép kênh không gian có thể nhìn nhận như là một công cụ để cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối giống như một ‘bộ khuếch đại tốc độ số liệu’. Về bản chất, cải thiện thông lượng của người sử dụng đầu cuối ở một mức độ nhất định sẽ dẫn đến tăng thông lượng hệ thống. Các sơ đồ MIMO được thiết kế để khai thác một số thuộc tính của môi trường truyền sóng vô tuyến nhằm đạt được các tốc độ số liệu cao bằng cách phát đi nhiều luồng số liệu song song. Tuy nhiên để đạt được các tốc độ số liệu cao như vậy, cần đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao tương ứng tại máy thu. Vì thế ghép kênh không gian chủ yếu được áp dụng cho các ô nhỏ hơn hay vùng gần với nút B, nơi mà thông thường tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao. Trong trường hợp không thể đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu đủ cao, nhiều anten thu mà UE có năng lực MIMO được trang bị có thể được sử dụng cho phân tập thu cho một luồng phát đơn. Vì thế một UE có năng lực MIMO sẽ đảm bảo tốc độ số liệu cao hơn tại biên ô trong các ô lớn so với một UE tương ứng chỉ có một anten. HSDPA MIMO hỗ trợ truyền dẫn hai luồng. Mỗi luồng được xử lý lớp vật lý như nhau (mã hóa, trải phổ và điều chế giống như trường hợp HSDPA một lớp). Sau mã hóa, trải phổ và điều chế, tiền mã hóa tuyến tính dựa trên các trọng số phản hồi từ UE được sử dụng trước khi luồng số được sắp xếp lên hai anten (hình 4.14). Hình 4.14. Sơ đồ MIMO 2x2 Sơ đồ trên cũng có thể hoạt động trong chế độ truyền dẫn một luồng. Trong trường hợp này chỉ có một luồng số liệu là được mã hóa và được truyền đồng thời trên cả hai anten giống như trường hợp phân tập phát vòng kín của WCDMA. Sơ đồ MIMO với hai chế độ này được gọi là D-TxAA (Dual Transmit Adaptive Array: dàn thích ứng phát kép). Trong môi trường di động thực tế chế độ hai luồng được sử dụng khi UE gần trạm gốc (đường truyền có chất lượng tốt) và một luồng được sử dụng khi UE xa trạm gốc (đường truyền có chất lượng xấu). Việc đưa vào MIMO sẽ ảnh hưởng chủ yếu lên quá trình xử lý lớp vật lý; ảnh hưởng lên lớp giao thức là nhỏ và các lớp trên chủ yếu nhìn MIMO như là một tốc độ số liệu cao hơn. 4.4.6. Tăng tốc độ đỉnh bằng việc sử dụng MIMO và điều chế bậc cao 16QAM/64QAM Bảng 4.2 cho thấy quá trình tăng tốc độ đỉnh HSDPA bằng việc sử dụng MIMO kết hợp với điều chế bậc cao 16QAM/64QAM đối với các loại đầu cuối UE khác nhau. Bảng 4.2. Các loại đầu cuối HSDPA khác nhau Thể loại Số mã Điều chê MIMO Tỷ lệ mã hóa Tốc độ bit đỉnh (Mbps) Phát hành của 3GPP 12 5 QPSK - 3/4 1,8 R5 5/6 5 16QAM - 3/4 3,6 R5 7/8 10 16QAM - 3/4 7,2 R5 9 15 16QAM - 3/4 10,1 R5 10 15 16QAM - Gần 1/1 14,0 R5 13 15 64QAM - 5/6 17,4 R7 14 15 64QAM - Gần 1/1 21,1 R7 15 15 16QAM 2x2 5/6 23,4 R7 16 15 16QAM 2x2 Gần 1/1 28 R7 4.5. TRUY NHẬP GÓI TỐC ĐỘ CAO ĐƯỜNG LÊN (HSUPA) Cốt lõi của HSUPA cũng sử dụng hai công nghệ cơ sở như HSDPA: lập biểu nhanh và HARQ nhanh với kết hợp mềm. Cũng giống như HSDPA, HSUPA sử dụng khoảng thời gian ngắn 2ms cho TTI đường lên. Các tăng cường này được thực hiện trong WCDMA thông qua một kênh truyền tải mới, E-DCH (Enhanced Dedicated Channel: kênh riêng tăng cường). Mặc dù sử dụng các công nghệ giống HSDPA, HSUPA cũng có một số khác biệt căn bản so với HSDPA và các khác biệt này ảnh hưởng lên việc thực hiện chi tiết các tính năng: Trên đường xuống, các tài nguyên chia sẻ là công suất và mã đều được đặt trong một nút trung tâm (nút B). Trên đường lên, tài nguyên chia sẻ là đại lượng nhiễu đường lên cho phép, đại lượng này phụ thuộc vào công suất của nhiều nút nằm phân tán (các nút UE) Trên đường xuống bộ lập biểu và các bộ đệm phát được đặt trong cùng một nút, còn trên đường lên bộ lập biểu được đặt trong nút B trong khi đó các bộ đệm số liệu được phân tán trong các UE. Vì thế các UE phải thông báo thông tin về tình trạng bộ đệm cho bộ lập biểu Đường lên WCDMA và HSUPA không trực giao và vì thế xẩy ra nhiễu giữa các truyền dẫn trong cùng một ô. Trái lại trên đường xuống các kênh được phát trực giao. Vì thế điều khiển công suất quan trọng đối với đường lên để xử lý vấn đề gần xa. E-DCH được phát với khoảng dịch công suất tương đối so với kênh điều khiển đường lên được điều khiển công suất và bằng cách điều chỉnh dịch công suất cho phép cực đại, bộ lập biểu có thể điều khiển tốc độ số liệu E-DCH. Trái lại đối với HSDPA, công suất phát không đổi (ở mức độ nhất định) cùng với sử dụng thích ứng tốc độ số liệu. Chuyển giao được E-DCH hỗ trợ. Việc thu số liệu từ đầu cuối tại nhiều ô là có lợi vì nó đảm bảo tính phân tập, trong khi đó phát số liệu từ nhiều ô trong HSDPA là phức tạp và chưa chắc có lợi lắm. Chuyển giao mềm còn có nghĩa là điều khiển công suất bởi nhiều ô để giảm nhiễu gây ra trong các ô lân cận và duy trì tương tích ngược với UE không sử dụng E-DCH Trên đường xuống, điều chế bậc cao hơn (có xét đến hiệu quả công suất đối với hiệu quả băng thông) được sử dụng để cung cấp các tốc độ số liệu cao trong một số trường hợp, chẳng hạn khi bộ lập biểu ấn định số lượng mã định kênh ít cho truyền dẫn nhưng đại lượng công suất truyền dẫn khả dụng lại khá cao. Đối với đường lên tình hình lại khác; không cần thiết phải chia sẻ các mã định kênh đối với các người sử dụng khác và vì thể thông thường tỷ lệ mã hóa kênh thấp hơn đối với đường lên. Như vậy khác với đường lên điều chế bậc cao ít hữu ích hơn trên đường lên trong các ô vĩ mô và vì thế không được xem xét trong phát hành đầu của HSUPA. 4.5.1. Lập biểu Đối với HSUPA, bộ lập biểu là phần tử then chốt để điều khiển khi nào và tại tốc độ số liệu nào một UE được phép phát. Đầu cuối sử dụng tốc độ càng cao, thì công suất thu từ đầu cuối tại nút B cũng phải càng cao để đảm bảo tỷ số Eb/N0 (Eb=Pr/Rb, Pr là công suất thu tại nút B còn Rb là tốc độ bit được phát đi từ UE) cần thiết cho giải điều chế. Bằng cách tăng công suất phát, UE có thể phát tốc độ số liệu cao hơn. Tuy nhiên do đường lên không trực giao, nên công suất thu từ một UE sẽ gây nhiễu đối với các đầu cuối khác. Vì thế tài nguyên chia sẻ đối với HSUPA là đại lượng công suất nhiễu cho phép trong ô. Nếu nhiễu quá cao, một số truyền dẫn trong ô, các kênh điều khiển và các truyền dẫn đường lên không được lập biểu có thể bị thu sai. Trái lại mức nhiễu quá thấp cho thấy rằng các UE đã bị điều chỉnh thái quá và không khai thác hết toàn bộ dung lượng hệ thống. Vì thế HSUPA sử dụng bộ lập biểu để cho phép các người sử dụng có số liệu cần phát được phép sử dụng tốc độ số liệu cao đến mức có thể nhưng vẫn đảm bảo không vượt quá mức nhiễu cực đại cho phép trong ô. Nguyên lý lập biểu HSUPA được cho trên hình 4.15. Hình 4.15. Nguyên lý lập biểu HSUPA của nút B Khác với HSDPA, bộ lập biểu và các bộ đệm phát đều được đặt tại nút B, số liệu cần phát được đặt tại các UE đối với đường lên. Tại cùng một thời điểm bộ lập biểu đặt tại nút B điều phối các tích cực phát của các UE trong ô. Vì thế cần có một cơ chế để thông báo các quyết định lập biểu cho các UE và cung cấp thông tin về bộ đệm từ các UE đến bộ lập biểu. Chương trình khung HSUPA sử dụng các cho phép lập biểu phát đi từ bộ lập biểu của nút B để điều khiển tích cực phát của UE và các yêu cầu lập biểu phát đi từ UE để yêu cầu tài nguyên. Các cho phép lập biểu điều khiển tỷ số công suất giữa E-DCH và hoa tiêu được phép mà đầu cuối có thể sử dụng; cho phép lớn hơn có nghĩa là đầu cuối có thể sử dụng tốc độ số liệu cao hơn nhưng cũng gây nhiễu nhiều hơn trong ô. Dựa trên các kết quả đo đạc