ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO (HSDPA)

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ CAO (HSDPA)

1 Mở đầu

   Ngày nay thông tin di động đã trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất. Xuất phát từ thế hệ thứ nhất 1G tiếp đến là 2G rồi tiến lên 3G theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng. Mặc dù hệ thống 3G đã có những cải tiến mạnh với các hệ thống di động trước đây, tuy nhiên nó vẫn còn có những nhược điểm, vì vậy hệ thống truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA đã ra đời nhằm mang lại những tính năng mới mà các hệ thống trước chưa từng có.

2 Công nghệ HSDPA

2.1 Giới thiệu

      HSDPA là công nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao, là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ trên cơ sở của hệ thống WCDMA. Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong WCDMA được gọi là HS-DSCH. Đây là kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao, kênh truyền tải này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện download với tốc độ vượt trội. HSDPA sử dụng các kỹ thuật như điều chế và mã hóa thích ứng, lập biểu gói, yêu cầu tự động lặp lại đã làm tăng hiệu năng của hệ thống HSDPA so với các hệ thống trước đó. Việc sử dụng mã Turbo đã làm tăng đáng kể hiệu quả của HSDPA trong việc sửa lỗi sai.

2.2 Các kỹ thuật chính dùng trong HSDPA

2.2.1 Điều chế và mã hóa thích ứng

         Trong HSDPA, điều khiển tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh động tỷ lệ mã hóa kênh, chọn lựa động giữa điều chế QPSK và 16QAM, mã hóa thích ứng dựa vào điều kiện kênh truyền.

2.2.2 Lập biểu phụ thuộc kênh

          Bộ lập biểu trong MAC-hs điều khiển việc sẽ sử dụng phần mã chia sẻ nào và tài nguyên công suất nào cho người sử dụng nào trong một TTI cho trước. Đây là phần tử quan trọng và cũng là một phần tử quyết định ở một mức độ rất lớn tổng hiệu năng của hệ thống HSDPA, đặc biệt là trong một mạng có tải lớn.Có 3 kiểu lập biểu :

• Lập biểu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại (max-C/I): tại mỗi thời điểm hầu như luôn có một đường truyền vô tuyến với chất lượng gần như tốt nhất. Vì thế đường truyền được sử dụng cho truyền dẫn sẽ có chất lượng cao nhất và với điều khiển tốc độ, tốc độ số liệu cao nhất có thể được sử dụng. Điều này dẫn đến dung lượng hệ thống cao. Tuy nhiên nguyên lý lập biểu này không công bằng trong điều kiện các thay đổi xảy ra trong một thời gian dài.
• Lập biểu quay vòng: chiến lược lập biểu này cho phép các người sử dụng chia sẻ tài nguyên mã không xét đến các điều kiện kênh tức thời. Lập biểu quay vòng có thể được coi là lập biểu công bằng trong đó khối lượng tài nguyên như nhau được phân cho mọi đường truyền thông tin. Tuy nhiên lập biểu quay vòng không công bằng về mặt đảm bảo chất lượng kênh giống nhau cho tất cả các đường truyền tin.
• Lập biểu công bằng tỉ lệ: kiểu lập biểu này tận dụng được các thay đổi nhanh của kênh để cải thiện thông lượng trong khi vẫn đảm bảo thông lượng trung bình như nhau cho tất cả các người sử dụng.

2.2.3 Yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) với kết hợp mềm

         Trong quá trình truyền gói thì trước hết gói cầntruyền được nạp vào bộ đệm của nút B. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút B thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia, vì vậy các khối truyền tải bị mắc lỗi có thể được phát lại nhanh.

2.3  Mã Turbo

       Bộ mã Turbo sử dụng tính chất hệ thống đệ quy đã khắc phục được những nhược điểm của bộ mã hóa chập thông thường. Quá trình giải mã được thực hiện dựa trên thuật toán giải mã ngõ ra mềm SOVA, thuộc họ thuật toán Viterbi. Nó dựa trên thuật toán Viterbi sửa đổi và kết hợp giá trị tin cậy để cải thiện chất lượng giải mã. Việc giải mã được thực hiện bằng bộ giải mã lặp giúp cho thông tin  được trao đổi, khai thác nhiều lần qua các vòng lặp sẽ làm tăng đáng kể chất lượng giải mã. Hệ thống HSDPA sử dụng mã Turbo với những tính năng vượt trội so với các bộ mã trước đó đã mang lại hiệu quả cao việc giải mã sữa lỗi.

3 Mô phỏng một số khối trong mô hình HSDPA

3.1 Giới thiệu mô hình HSDPA

Phần vô tuyến từ Node B đến UE được thể hiện như sơ đồ sau:

Vì thời gian có hạn và hiểu biết còn hạn chế nên đồ án không đi vào mô phỏng toàn bộ hệ thống HSDPA được mà chỉ tập trung vào việc làm sáng tỏ xử lý lập biểu ảnh hưởng ra  sao đến tổng hiệu năng của hệ thống và chất lượng dịch vụ cung cấp cho người dùng, tập trung nghiên cứu mã Turbo để thấy được ưu điểm của nó trong việc sửa lỗi đối với truyền dữ liệu trong HSDPA.

3.2 Mô phỏng module lập biểu trong kênh truyền HS-DSCH  

 Mô phỏng được thiết lập cho 4 UE trong môi trường thành thị với đường truyền đều cách node B 500m nhưng di chuyển với tốc độ khác nhau:

• UE1 : người đi bộ  với tốc độ 3km/h.
• UE2 : người di chuyển bằng xe đạp với tốc độ 10km/h.
• UE3 : người di chuyển bằng xe máy với tốc độ 50km/h.
• UE4 : người di chuyển bằng phương tiện tốc độ cao 120km/h.

    Xét đến các kiểu lập biểu khác nhau , qua quá trình mô phỏng đánh giá thông lượng của các UE, ta thấy rằng lập biểu công bằng tỉ lệ cho kết quả tối ưu nhất.

 Thông lượng trung bình lần lượt của 4 UE :

-         UE1 : 6,700Mbps

-         UE2 : 4,298 Mbps

-         UE3 : 3,552Mbps

-         UE4 : 2,984Mbps

Kết luận :

       Lập biểu công bằng tỉ lệ đảm bảo được tính công bằng giữa các user cũng như tổng hiệu năng của hệ thống. Trong khi đó lập biểu dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại cho thông lượng trung bình nhận được của các UE chênh lệch quá lớn, không đảm bảo yêu cầu công bằng chất lượng dịch vụ cung cấp. Lập biểu quay vòng cho thông lượng trung bình nhận được của các UE chênh lệch ít hơn, đảm bảo được tính công bằng của các user nhưng mặt trái lại làm giảm tổng hiệu năng của hệ thống.

3.3Mô phỏng mã Turbo

 Việc mô phỏng mã Turbo được thực hiện với các thông số đầu vào khác nhau tương ứng với các điều kiện khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của việc dùng mã Turbo trong mô phỏng gồm có việc chọn số lần lặp, chọn kích thướt khung, chọn việc có dung kỹ thuật xóa hay không, chọn số khung lỗi  để kết thúc, chọn mức độ nhiễu tác động vào hệ thống. Sau khi chạy mô phỏng với các thông số đầu vào khác nhau ta được kết quả như hình vẽ:

Kết luận :

Số lần lặp mỗi khung càng lớn thì tỷ lệ lỗi bit và tỷ lệ lỗi khung đều giảm. Điều này là do sau khi thông tin được chia sẽ giữa các bộ giải mã sẽ có nhiều thông tin về ngõ vào hơn vì vậy có thể đưa ra những quyết định chính xác hơn. Tuy nhiên khi số lần lặp càng lớn thì mức độ giảm lại nhỏ lại, tức là mã Turbo đạt đến ngưỡng sau vài lần lặp. Nếu số lần lặp vượt qua ngưỡng thì các lần lặp sau không đem đến thông tin khác hơn đến các bộ giải mã.

4 Kết luận và hướng phát triển đề tài

       Đồ án đã trình bày được những nét cơ bản về công nghệ HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA với việc sử dụng các kỹ thuật AMC, HARQ, lập biểu gói phụ thuộc kênh. Từ đó ta thấy được ưu điểm vượt trội về tốc độ và thông lượng trong HSDPA. Đề tài cũng tìm hiểu về mã Turbo, mô phỏng để thấy rõ hiệu năng của mã Turbo trong việc giảm khả năng mắc lỗi trong quá trình giải mã. Hướng phát triển đề tài: tiếp tục đi sâu vào nghiên cứu công nghệ HSDPA với kỹ thuật mới như MIMO, điều chế bậc cao 64QAM tạo ra tốc độ số liệu cao hơn, với những bước tiến dài về công nghệ lên HSPA+, 4G …

............

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GVHD :1

LỜI CAM ĐOAN.. 2

MỤC LỤC.. 3

THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT.. 6

MỞ ĐẦU.. 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G.. 11

1.1 Giới thiệu chương. 11

1.2 Các tiêu chuẩn xây dựng mạng 3G.. 11

1.3 Kiến trúc 3G UMTS. 11

1.3.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3. 12

1.3.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4. 13

1.3.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5. 14

1.4 Kết luận chương. 15

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ   CAO HSDPA   16

2.1 Giới thiệu chương. 16

2.2 Giới thiệu về công nghệ HSDPA.. 16

2.3 Nguyên lý và cấu trúc của HSDPA.. 18

2.3.1 Nguyên lý cơ bản. 18

2.3.2 Cấu trúc kênh trong HSDPA.. 19

2.4 Các kỹ thuật chính được dùng trong HSDPA.. 22

2.4.1 Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC). 22

2.4.2 Lập biểu phụ thuộc kênh. 23

2.4.2.1 Tổng quan về lập biểu. 23

2.4.2.2 Các kiểu lập biểu khác nhau. 24

2.4.3 Yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) với kết hợp mềm.. 27

2.4.3.1 Tổng quan về HARQ.. 27

2.4.3.2 Phân loại HARQ với kết hợp mềm.. 28

2.5 Chỉ số chất lượng đường truyền CQI29

2.6 Mã turbo. 31

2.6.1 Tổng quan về mã hóa Turbo. 31

2.6.2 Thuật toán giải mã SOVA.. 39

2.6.2.1 Nguyên lý của bộ giải mã Viterbi ngõ ra mềm.. 40

2.6.2.2 Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát40

2.6.2.3 Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA.. 45

2.6.2.4 Bộ giải mã SOVA lặp. 46

2.7 Kết luận chương. 47

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MỘT SỐ KHỐI TRONG MÔ HÌNH HSDPA.. 49

3.1 Giới thiệu chương. 49

3.2 Mô hình HSDPA.. 49

3.3 Mô phỏng lập biểu trong kênh truyền HS-DSCH.. 53

3.3.1 Giới thiệu các công cụ mô phỏng. 53

3.3.1.1 Network Simulator - 2 (NS-2). 53

3.3.1.2 Module Eurane. 55

3.3.1.3 Network Analyzer for Network Simulator ( Nans). 55

3.3.2 Các tham số phục vụ quá trình mô phỏng. 56

3.3.3 Quá trình mô phỏng. 58

3.3.3.2Thực hiện mô phỏng. 60

3.3.3.3 Vẽ đồ thị63

3.3.3.4 Nhận xét66

3.4  Mô phỏng mã Turbo. 67

3.4.1 Gới thiệu. 67

3.4.2 Chương trình mô phỏng. 67

3.4.2.1 Lưu đồ thuật toán tính tỉ lệ lỗi bit và tỉ lệ lỗi khung. 67

3.4.2.2 Kết quả mô phỏng với các lần thực hiện khác nhau. 69

3.4.2.2.1 Thông số đầu vào. 69

3.4.2.2.2 Kết quả mô phỏng. 69

3.4.3 Nhận xét76

3.4.4 Kết luận chương. 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI78

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 79

THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

1G                        : First Generation

2G                        : Second Generatipn.

3G                        : Third Generation

3GPP                   : 3^rd Generation Partnership Project

16QAM   : 16 Quadrature Amplitude Modulation

64QAM   : 64 Quadrature Amplitude Modulation

ACK                    : Acknowledge

AMC                    : Adaptive Modulation and Coding

ARQ                    : Automatic Repeat request

AuC                     : Authentication Center

BER                     : Bit Error Rate

BPSK                   : Binary Phase Shift Keying

BSC                 : Base Station Controller

CDMA            : Code Division Multiple Access

CN                   : Core Network

CQI                 : Channel Quality Indication

CS                   : Channel Switching

DPCH             : Dedicated Physical Channel

DPCCH           : Dedicated Physical Control Channel

DPDCH   : Dedicated Physical Data Channel

EDGE             : Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EIR                  : Equipment Identity Register

EURANE      : Enhanced UMTS Radio Access Network Extension

FDD                : Frequency Division Multiple Access

FER                 : Frame Error Rate

GGSN             : Gateway GPRS Support Node 

GMSC             : Gate Mobile Switch Center

GPRS              : General Packet Radio Service

GSM               : Global System for Mobile Communications

H-ARQ           : Hybrid Automatic Repeat request

HCCC             : Hybrid Concatenated Convolutional Code

HE                   : Home Environment

HLR                : Home Location Register

HS-DPCCH    : High-Speed Dedicated Physical Control CHannel

HS-DSCH       : High-Speed Downlink Shared Channel

HS-PDSCH    : High-Speed Physical Downlink Shared Channel

HS-SCCH       : High-speed Shared Control Channel

HSDPA           : High-speed Downlink Packet Access

IP                     : Internet Protocol

ITU                  : Internation Telecommunication Union

MAC               : Medium Access Control

MAC-hs         : High-speed MAC

MEGACO      : Media Gateway Control

MGW              : Media Gateway

ML                  : Maximum likelihood

MS                  : Mobile Station

MSC                : Mobile Switch Center

PCCC              : Serial Concatenated Convolutional Code

PCM                : Pusle Code Modulation

PLMN             : Public Land Mobile Network

PSTN              : Public Switching Telephone Network

PN                   : Pseudo Noise

PS                    : Packet Switching

QAM               : Quadrature Amplitude Modulation

QoS                 : Quality of Service

QPSK              : Quadrature Phase Shift Keying

RLC                : Radio Link Control

RNC                : Radio Network Control

RNS                : Radio Network System

RSC                 : Recursive Systematic Convolutional Code

RTP                 : Real Time Transport Protocol

SAW               : Stop And Wait

SCCC              : Serial Concatenated Convolutional Code

SGSN              : Serving GPRS Support Node

SN                   : Serving Network

SOVA             : Soft Output Viterbi Algorithm

TD                   : Time Division Duplexing

TTI                  : Transmission Time Interval

UTRAN          : Universal Terrestrial Radio Access Network

UMTS             : Universal Mobile Telecommunication System

USIM              : UMTS Subscriber Identity Module

WCDMA: Wideband Code Division Multiple Aceess

 VA                       : Viterbi Algorithm

VLR                     : Visitor Location Register

MỞ ĐẦU

Ngày nay thông tin di động đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh nhất và phục vụ con người hữu hiệu nhất. Với nhu cầu sử dụng di động ngày càng cao cả về chất lượng và dịch vụ, thông tin di động không ngừng cải tiến, phát triển nhằm mục đích triển khai các hệ thống thông tin di động tiên tiến hơn trong tương lai. Thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Xuất phát từ thế hệ thứ nhất (1G), tiếp đến là 2G với GSM và CDMA điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng cho thấy rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba là một tất yếu, theo hướng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng. Mặc dù hệ thống 3G đã có những cải tiến mạnh với các hệ thống di động trước đây, tuy nhiên nó vẫn còn có những nhược điểm, chính vì vậy hệ thống truy cập gói tốc độ cao đường xuống HSDPA đã ra đời nhằm mang lại những tính năng mới mà các hệ thống trước chưa từng có.

          Trong nội dung đồ án này, em đi vào nghiên cứu cấu trúc và những khía cạnh kỹ thuật của công nghệ HSDPA ứng dụng vào mạng di động thế hệ thứ 3G, tập trung mô phỏng để làm sáng tỏ xử lý lập biểu ảnh hưởng ra sao đến tổng hiệu năng của hệ thống và chất lượng dịch vụ cung cấp cho người dùng, tập trung nghiêu cứu mã Turbo để thấy được ưu điểm của nó trong việc sửa lỗi đối với truyền dữ liệu HSDPA.

Đồ án được thực hiện bởi nhóm sinh viên gồm:

• Phạm Văn Đông 06DT3
• Nguyễn Văn Linh 06DT3

Bố cục đồ án gồm 3 chương với nội dung:

• Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ 3G.

Giới thiệu tổng quát kiến trúc mạng W-CDMA.

• Chương 2: Công nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA.  

Trình bày những thay đổi về cấu trúc, kỹ thuật của hệ thống HSDPA so với W-CDMA nhằm nâng cao tốc độ đường truyền xuống trên kênh HS-DSCH. Trình bày mã Turbo để thấy được tính năng của mã Turbo trong việc giải mã sửa lỗi.

• Chương 3: Mô phỏng một số khối trong mô hình HSDPA.

Mô phỏng kỹ thuật lập biểu gói trong kênh truyền HS-DSCH sử dụng NETWORK SIMULATION 2. Mô phỏng mã Turbo sử dụng Matlab.

Để thực hiện được đồ án, nhóm đã phân chia nội dung công việc như sau:

• Phạm Văn Đông: Tìm hiểu tổng quan về 3G, HSDPA, tìm hiểu và mô phỏng mã Turbo.
• Nguyễn Văn Linh: Tìm hiểu nguyên lí và cấu trúc của HSDPA, tìm hiểu các kỹ thuật chính của HSDPA. Mô phỏng kỹ thuật lập biểu gói trong kênh truyền HS-DSCH.

 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày về:

• Các tiêu chuẩn xây dựng mạng 3G
• Kiến trúc hệ thống UMTS

1.2 Các tiêu chuẩn xây dựng mạng 3G

Mạng 3G bao gồm 3 chuẩn chính là :

• W-CDMA
• CDMA2000
• TDSCDMA

Trong đó, chuẩn W-CDMA có hai chuẩn con thành phần :

ü  UMTS

ü  FOMA

      W-CDMA: là chuẩn liên lạc di động 3G song hành với cùng chuẩn GSM. W-CDMA là công nghệ nền tảng cho các công nghệ khác như là UMTS và FOMA.

      W-CDMA là một tiêu chuẩn về giao diện không gian đầu tiên, sớm nhất và hoàn thiện nhất được các nhà khai thác và sản suất thiết bị viễn thông sử dụng rộng rãi ở cả châu Á, châu Âu, và châu Mỹ. UMTS cũng là dòng công nghệ chiếm thị phần lớn nhất trên thị trường thông tin di động ngày nay.

      Với sự phát triển của công  nghệ thì hiện nay mạng UMTS đã được phát triển lên HSDPA - còn được gọi với tên 3.5G với tốc độ download đường xuống lên đến  10Mbps.

1.3 Kiến trúc 3G UMTS

3G UMTS được xây dựng theo ba phát hành chính được gọi là R3, R4 và R5. Trong đó mạng lõi R3 và R4 bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ thời gian thực như thoại và hình ảnh. Lúc này đảm nhiệm các dịch vụ thoại là miền CS còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 với miền CS chuyển sang chuyển mạch mềm do đó toàn bộ mạng truyền tải giữa các Node chuyển mạch đều trên IP.

1.3.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

Hình 1.1: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

UMTS R3 hỗ trợ cả kết nối chuyển mạch kênh lẫn chuyển mạch gói với 384kbps trong miền CS và 2Mbps trong miền PS. Một mạng UMTS bao gồm ba phần: thiết bị di động (UE), mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN), mạng lõi (CN).

Trong đó UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM).

UTRAN là liên kết giữa người sử dụng và CN. Nó gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS  trên vô tuyến và điều khiển chúng. UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho mềm chuyển mạch kênh. Giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai Node, RNC và Node B. UTRAN gồm  các hệ thống mạng vô tuyến (RNS) và mỗi RNS bao gồm bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và các BTS.

Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS), chuyển mạch gói (PS) và môi trường nhà (HE). Các Node B trong CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP.

Miền CS đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM, nó bao gồm phần tử MSC/VLR và GMSC.

Miền PS đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác. Khác với CS mạng đường trục trong miền PS sử dụng IP, miền PS bao gồm phần tử SGSN và GGSN.

HE lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp. HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: trung tâm nhận thực (AuC), bộ ghi định vị thường trú (HLR) và bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR).

1.3.2 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Hình 1.2: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

Khác nhau cơ bản giữa R3 và R4 là ở mạng lõi là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc trước, kiến trúc chuyển mạch phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào.

Về cơ bản, MSC được chia thành MSC Server và cổng các phương tiện (MGW). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch, ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC Server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server.

Báo hiệu điều khiển các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MSC Server. Đường truyền cho các cuộc gọi chuyển mạch kênh được thực hiện giữa RNC và MGW. Thông thường MGW nhận các cuộc gọi từ RNC và định tuyến các cuộc gọi này đến nơi nhận trên các đường trục. Trong nhiều trường hợp đường trục gói sử dụng giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên giao thức IP. Lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và từ SGSN đến GGSN trên mạng đường trục IP. Cả số liệu và tiếng đều có thể sử dụng truyền tải IP bên trong mạng lõi. Đây là mạng truyền tải hoàn toàn IP.

Tại nơi mà cuộc gọi cần chuyển đến một trạm khác như PSTN chẳng hạn, sẽ có một cổng phương tiện khác được điều khiển bởi MSC Server cổng (GMSC Server). MGW này sẽ chuyểnthoại được đóng gói thành PCM tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Như vậy chuyển đổi mã chỉ cần thực hiện tại điểm này.

Giao thức điều khiển giữa MSC Server hoặc GMSC Server với MGW là giao thức ITU H.248 có tên là điều khiển cổng các phương tiện (MEGACO). Giao thức điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và GMSC Server có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kì.

1.3.3 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5

Hình 1.3: Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5

Kiến trúc này được xây dựng trên các công nghệ gói và điện thoại IP cho đồng thời các dịch vụ thời gian thực và không thời gian thực. Kiến trúc này cho phép hỗ trợ chuyển mạch toàn cầu và tương tác với các mạng ngoài như: mạng thông tin di động thế hệ 2 hiện có, mạng số liệu công cộng và mạng VoIP đa phương tiện.

Trong kiến trúc UMTS R5 thì cả tiếng và số liệu được xử lý như nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người dùng đến nơi nhận cuối cùng, do đó có thể coi kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu.

1.4 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày một cách tổng quát các tiêu chuẩn cũng như kiến trúc tổng quan các thế hệ mạng 3G. Mạng HSDPA được phát triển lên từ mạng W-CDMA, do đó đây cũng là những đặc điểm cơ bản của mạng HSDPA. Bên cạnh đó những tính năng ưu việt hơn của mạng HSDPA sẽ được giới thiệu ở chương sau.

 

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUY CẬP GÓI ĐƯỜNG XUỐNG TỐC ĐỘ   CAO HSDPA

2.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày các vấn đề sau:

• Giới thiệu về công nghệ HSDPA, qua đó thấy được những cải tiến đáng kể của HSDPA so với các công nghệ trước đó.
• Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của HSDPA.
• Các kỹ thuật chính được sử dụng một cách hiệu quả trong HSDPA.
• Tìm hiểu mã Turbo được sử dụng trong HSDPA.

2.2 Giới thiệu về công nghệ HSDPA

       So với các công nghệ trước đây, HSDPA có những ưu điểm vượt trội, đặc biệt thể hiện rõ qua tốc độ và thời gian truyền dữ liệu.

Hình 2.1: So sánh tốc độ của các công nghệ di động

Mặc dù hiện nay công nghệ 3G W-CDMA cho phép tốc độ gói lên đến 2Mbps. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hệ thống W-CDMA có  một số hạn chế như:

ü  Chỉ có thể cung cấp tốc độ truyền tải tối đa 2 Mbps, mà không thể đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng đối với tốc độ cao, các dịch vụ đa phương tiện di động.

ü  Không tận dụng các ưu thế của dữ liệu gói.

ü  Không thể xử lý tốc độ dữ liệu cao lên đến 10Mbps

HSDPA là công nghệ truy cập gói đường xuống tốc độ cao, là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G W-CDMA, được tối ưu hóa cho các ứng dụng dữ liệu chuyển mạch gói. Công nghệ HSDPA hiện nay cho phép tốc độ download đạt đến 1.8 Mbps, 3.6Mbps, 7.2 Mbps và 14.4 Mbps và trong tương lai gần, tốc độ hiện nay có thể được nâng lên gấp nhiều lần, đưa đến một hiệu quả sử dụng tốt hơn. Các thuê bao dịch vụ HSDPA có thể nhận email với tập tin đính kèm mang dung lượng  lớn, lướt web, tải về các tập tin đa phương tiện hoặc văn bản nhanh hơn.

HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA, là mở rộng giao diện vô tuyến của W-CDMA, tăng cường hiệu năng và dung lượng của W-CDMA, sử dụng các phương pháp chuyển đổi và mã hóa dữ liệu khác. Nó tạo ra một kênh truyền dữ liệu bên trong W-CDMA được gọi là HS-DSCH, kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao. Kênh truyền tải này hoạt động hoàn toàn khác biệt so với các kênh thông thường và cho phép thực hiện download với tốc độ vượt trội. Và đây là một kênh chuyên dụng cho việc download. Với kênh truyền tải mới này, hai tính năng quan trọng nhất của WCDMA như điều khiển công suất vòng kín và hệ số trải phổ biến thiên không còn được sử dụng. Thay vào đó HSDPA sử dụng điều chế và mã hóa thích ứng AMC, HARQ nhanh và lập biểu gói (Fast Packet Scheduling) nhanh. 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 theo sự thay đổi của chất lượng kênh vô tuyến.

So với công nghệ W-CDMA thì HSDPA có những cải tiến đáng kể, góp phần quan trọng làm tăng tốc độ dữ liệu truyền như sau :

ü  HSDPA sử dụng các kỹ thuật chính như : AMC, HARQ, khoảng thời gian truyền ngắn ( TTI=2ms), lập biểu gói.

ü  W-CDMA chủ yếu sử dụng điều khiển công suất, chuyển giao mềm, hệ số trải phổ SF biến thiên.

2.3 Nguyên lý và cấu trúc của HSDPA

2.3.1 Nguyên lý cơ bản

Công nghệ HSDPA là công nghệ mạng không dây mới  được 3GPP chuẩn hóa trong R5 để hỗ trợ nhu cầu dịch vụ dữ liệu đường xuống tốc độ cao. Nó dựa trên cấu trúc cơ bản của mạng W-CDMA, thêm một số giải pháp kỹ thuật như khoảng thời gian truyền dẫn ngắn (TTI=2ms), AMC, HARQ, truyền dẫn đa mã  trên lớp vật lý L1 và  thực thể MAC-hs mới, công nghệ HSDPA có thể nâng tốc độ của dịch vụ dữ liệu đường xuống tới hơn 10Mbps. HSDPA là một công nghệ quan trọng có thể làm tăng dung lượng downlink  và tốc độ dịch vụ dữ liệu.

Hình 2.2: Nguyên lý cơ bản của HSDPA.

Trong quá trình kết nối người sử dụng UE sẽ định kỳ gửi một chỉ thị chất lượng kênh CQI tới node B cho biết tốc độ dữ liệu nào (bao gồm kỹ thuật điều chế và mã hóa, số lượng các mã sử dụng ) mà thiết bị này có thể hỗ trợ ứng các điều kiện vô tuyến hiện thời. Sau khi nhận dữ liệu từ UE, tùy theo dữ liệu QoS  và tình trạng vô tuyến, node B sẽ lựa chọn phương pháp điều chế (QPSK hoặc 16QAM) và tỉ lệ mã hóa thích hợp. Sau khi nhận được gói dữ liệu từ node B, UE gửi một báo nhận (Ack/Nack) ứng với mỗi gói giúp node B biết được gói đã được gửi thành công hay không ,nếu không thành công thì tiến hành truyền lại theo kỹ thuật HARQ có kết hợp mềm. Cùng với chức năng thống kê chất lượng kênh tương ứng cho từng UE, thiết bị sắp xếp gói tin sẽ thực hiện sắp xếp các gói tin của các UE một cách thích hợp.

Trong 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 tiên tiến sẽ giúp điều chỉnh được tốc độ dữ liệu người dùng sao cho thích hợp với các điều kiện kênh vô tuyến tức thời. 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 biểu hiệu quả hơn và nhanh hơn, cũng như có thể kiểm soát chất lượng QoS chặt chẽ hơn. 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 tới hơn 10Mbps.

2.3.2 Cấu trúc kênh trong HSDPA

Các kênh cần thiết trong HSDPA thể hiện như sau:                               

Hình 2.3: Cấu trúc kênh của HSDPA

Trong đó:

ü  HS-DSCH (Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang số liệu gói tốc độ cao.

ü  HS-SCCH (Kênh điều khiển chia sẻ đường xuống tốc độ cao): Mang thông tin về số mã trải phổ và phương pháp điều chế được sử dụng cho đầu cuối để đầu cuối có thể giải trải phổ và giải điều chế đúng.

ü  HS-DPCCH (Kênh điều khiển vật lý dành riêng đường lên tốc độ cao): Mang thông tin hồi tiếp để Node B có thể thích ứng đường truyền và phát lại.

ü  DPDCH/DPCCH là 2 đường lên mang số liệu người sử dụng và báo hiệu điều khiển cho nó.

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 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. 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 thế có các yêu cầu về tài nguyên thay đổi nhanh. Tài nguyên mã cho HS-DSCH bao gồm tập mã định kênh có hệ số trải phổ 16,mỗi mã định kênh này còn được gọi là kênh chia sẻ vật lý đường xuống tốc độ cao (HS-PDSCH),trong đó số mã được 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 hay các dịch vụ chuyển mạch kênh.

 

Hình 2.4: Cấu trúc thời gian mã của HS-DSCH

Tài nguyên mã HS-DSCH ấn định cho từng người sử dụng trên cơ sở khoảng thời gian truyền dẫn TTI = 2ms. HSDPA 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.

Cần phải có báo hiệu điều khiển đường xuống cho hoạt động của HS-DSCH trong từng TTI. Số nhận dạng của UE (hoặc các UE) hiện thời đang được lập biểu phải được thông báo cùng với tài nguyên vật lý (các mã định kênh) được sử dụng để phát đến UE này. UE cũng cần được thông báo về khuôn dạng truyền tải được sử dụng cho truyền dẫn cùng với thông tin liên quan đến HARQ. Tài nguyên và thông tin về khuôn dạng truyền tải bao gồm bộ phận cây mã được sử dụng cho truyền dẫn, sơ đồ điều chế được sử dụng và kích thước khối truyền tải. Báo hiệu điều khiển đường xuống được mang trên kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao (HS-SCCH). Kênh này được phát đồng thời với HS-DSCH bằng cách sử dụng một mã định kênh riêng. HS-SCCH là kênh chia sẻ để thông báo về việc HS-DSCH được lập cấu hình cho UE nào. Tất cả các UE đều thu kênh này để tìm xem nó có được lập biểu hay không.

Truyền dẫn HSDPA cũng đòi hỏi báo hiệu điều khiển đường lên cho HARQ để thông báo cho Node B về việc thu truyền dẫn đường xuống có thành công hay không. Trong mỗi TTI mà UE được lập biểu, các báo hiệu ACK và NAK được gửi trên đường lên để thông báo kết quả của giải mã HS-DSCH. Thông tin này được mang trên kênh điều khiển vật lý riêng tốc độ cao (HS-DPCCH). Mỗi UE được thiết lập một kênh HS-DPCCH cùng với cấu hình HS-DSCH. Ngoài ra Node B cũng cần biết thông tin về các điều kiện kênh đường lên tức thời tại UE để thực hiện lập biểu phụ thuộc kênh và điều khiển tốc độ. Vì thế mỗi UE phải đo các điều kiện tức thời đường xuống và phát chỉ thị chất lượng kênh (CQI) trên kênh HS-DPCCH.

Ngoài các kênh HS-DSCH và HS-SCCH, đầu cuối HSDPA cần nhận được các lệnh điều khiển công suất để hỗ trợ điều khiển công suất vòng kín đường lên giống như đối với đầu cuối WCDMA. Điều này đạt được thông qua kênh vật lý riêng đường xuống DPCH đối với từng UE. Ngoài lệnh điều khiển công suất, kênh này còn được sử dụng cho số liệu của người sử dụng không được truyền trên kênh HS-DSCH, chẳng hạn cho các dịch vụ chuyển mạch kênh.

2.4 Các kỹ thuật chính được dùng trong HSDPA

2.4.1 Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC)

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 WCDMA, 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 (E_b/N₀) cao hơn. Vì thế 16 QAM chủ yếu chỉ hữu ích trong các điều kiện kênh thuận lơi. Trong HSDPA, mã hóa thích ứng dựa vào điều kiện kênh truyền. Tỉ lệ mã hóa được thay đổi từ 1/4 – 3/4 một cách mềm dẻo ứng với các điều kiền kênh truyền khác nhau.

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 2.5: Mã hóa Turbo và đục lỗ

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. Node B lựa chọn tốc độ số liệu độc lập cho từng TTI 2ms và cơ chế điều khiển tốc độ có thể bám các thay đổi kênh nhanh.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).

2.4.2 Lập biểu phụ thuộc kênh

2.4.2.1 Tổng quan về lập biểu

  Một trong số các kỹ thuật chính của HSDPA là lập biểu phụ thuộc kênh. Bộ lập biểu trong MAC-hs điều khiển việc sẽ sử dụng phần mã chia sẻ nào và tài nguyên công suất nào cho người sử dụng nào trong một TTI cho trước. Đây là phần tử quan trọng và cũng là một phần tử quyết định ở một mức độ rất lớn tổng hiệu năng của hệ thống HSDPA, đặc biệt là trong một mạng có tải lớn. Khi tải thấp, chỉ có một hoặc một ít người sử dụng được lập biểu và sự khác biệt giữa các chiến lược lập biểu khác nhau là không rõ ràng.

 Node B đánh giá chất lượng kênh của từng máy di động HSDPA dựa trên hồi tiếp lớp vật lý nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được thực hiện nhanh tùy thuộc vào giải thuật lập biểu và mức độ ưu tiên người sử dụng.

Hình 2.6: Nguyên lý lập biểu HSDPA của Node B

Mục đích tổng thể của hầu hết các bộ lập biểu là lợi dụng các thay đổi kênh giữa các người sử dụng và lập biểu truyền dẫn ưu tiên cho người sử dụng có các điều kiện kênh tốt nhất. Tồn tại một số chiến lược lập biểu nhưng để lập biểu hoạt động hiệu quả thì yêu cầu tối thiểu cần có:

ü  Thông tin về các điều kiện kênh tức thời tại UE.

ü  Thông tin về trạng thái bộ đệm và mức ưu tiên của các luồng số liệu

Thông tin về trạng thái tức thời của kênh tại UE thường nhận được thông qua 5 bit chỉ thị chất lượng kênh (CQI) mà từng UE định kì phản hồi lại cho Node B.

2.4.2.2 Các kiểu lập biểu khác nhau

   Lập biểu người sử dụng theo các điều kiện đường truyền vô tuyến tức thời tốt nhất thường được gọi là lập biểu theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại (max-C/I) hay tốc độ cực đại. Vì trong một ô, các điều kiện của các đường truyền vô tuyến khác nhau thường thay đổi độc lập, tại mỗi thời điểm hầu như luôn có một đường truyền vô tuyến với chất lượng gần như tốt nhất. Vì thế đường truyền được sử dụng cho truyền dẫn sẽ có chất lượng cao nhất và với điều khiển tốc độ, tốc độ số liệu cao nhất có thể được sử dụng. Điều này dẫn đến dung lượng hệ thống cao. Phương pháp để nhận được độ lợi trong đó truyền dẫn được thực hiện đối với các người sử dụng có điều kiện đường truyền vô tuyến thuận lợi thường được gọi là phân tập người sử dụng. Trong đó thay đổi kênh càng lớn và số người sử dụng càng lớn thì độ lợi càng lớn. Về mặt toán học, bộ lập biểu max-C/I có thể được biểu diễn như quá trình lập biểu người sử dụng k như sau:

            k=max Ri , trong đó Ri là tốc độ dữ liệu tức thời của người dùng thứ i.

                                         Hình 2.7: Lập biểu phụ thuộc kênh cho HSDPA

 Từ quan điểm dung lượng hệ thống, lập biểu max-C/I là có lợi.Tuy nhiên nguyên lý lập biểu này không công bằng trong điều kiện các thay đổi xảy ra trong một thời gian dài.Trong trường hợp này các điều kiện kênh mà một đầu cuối di động phải trải nghiệm có thể xấu hơn các điều kiện kênh mà các đầu cuối di động khác. Mặc dù cho phép nhận được dung lượng hệ thống cao nhưng tình trạng này không thể chấp nhận được từ quan điểm chất lượng dịch vụ.

Một giải pháp khác cho chiến lược lập biểu max-C/I được gọi là lập biểu quay vòng. Chiến lược lập biểu này cho phép các người sử dụng chia sẻ tài nguyên mã không xét đến các điều kiện kênh tức thời. Lập biểu quay vòng có thể được coi là lập biểu công bằng trong đó khối lượng tài nguyên như nhau được phân cho mọi đường truyền thông tin. Tuy nhiên lập biểu quay vòng không công bằng về mặt đảm bảo chất lượng kênh giống nhau cho tất cả các đường truyền tin. Trong trường hợp này cần dành nhiều tài nguyên vô tuyến hơn cho các đường truyền tin có điều kiện kênh tức thời không thuận lợi và điều này dẫn đến tổng hiệu năng hệ thống thấp hơn nhưng chất lượng dịch vụ giữa các đường truyền tin khác nhau cân bằng hơn so với lập biểu max-C/I.

Chiến lược lập biểu phải có khả năng tận dụng được các thay đổi nhanh của kênh để cải thiện thông lượng trong khi vẫn đảm bảo thông lượng trung như nhau cho tất cả các người sử dụng hay ít nhất là đảm bảo được thông lượng tối thiểu cho tất cả các người sử dụng. Vì thế một bộ lập biểu thực tế nên làm việc tại một vị trí nào đó giữa bộ lập biểu max-C/I và bộ lập biểu quay vòng để tận dụng nhiều nhất các thay đổi nhanh trong các điều kiện kênh mà vẫn thỏa mãn ở một mức độ nào đó sự công bằng giữa các người sử dụng. Bộ lập biểu như vậy gọi là lập biểu công bằng, các tài nguyên chia sẻ được ấn định cho người sử dụng có điều kiện kênh vô tuyến tốt nhất một cách tương đối, nghĩa là tại mỗi thời điểm, người sử dụng k được chọn cho truyền dẫn theo điều kiện sau:

                      , trong đó Ri là tốc độ số liệu tức thời người sử dụng i và  là tốc độ số liệu trung bình đối với người sử dụng i. Tốc độ trung bình được tính trên một chu kì lấy trung bình cho trước T_PF. Để đảm bảo việc sử dụng hiệu quả các thay đổi kênh ngắn hạn và đồng thời giới hạn các khác biệt dài hạn đến một mức chấp nhận, hằng số thời gian T_PF phải được đặt lớn hơn hằng số thời gian đối với các thay đổi ngắn hạn. Thông thường T_PF có thể được đặt vài giây.

Các kiểu lập biểu khác nhau được thể hiện như sau:

Hình 2.8: Các kiểu lập biểu

 (a): lập biểu theo Max C/I.

 (b): Lập biểu quay vòng.

                   (c): Lập biểu công bằng tỉ lệ.

2.4.3 Yêu cầu lặp tự động lai ghép (HARQ) với kết hợp mềm

2.4.3.1 Tổng quan về HARQ

   Chức năng HARQ được đặt cả trong MAC-hs và lớp vật lý. Vì MAC-hs được đặt trong Node B, nên các khối truyền tải bị lỗi có thể được phát lại nhanh.

 Nguyên lý chung của HARQ trong HSDPA:Trước hết gói cần phát được nạp vào bộ đệm của Node B. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, Node 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 xảy ra sự cố hoạt động lớp vật lý. Phát lại theo RNC sử dụng chế độ báo nhận RLC, phát lại RNC không thường xuyên xảy ra.

           

Hình 2.9: Nguyên lý xử lý phát lại của Node B

Trong HSDPA, HARQ với kết hợp mềm được sử dung một cách hiệu quả nhất. Hoạt động của HARQ khi không kết hợp mềm sẽ thực hiện xóa các gói bị lỗi và yêu cầu phát lại chúng. Nhưng dù không thể giải mã các gói này, tín hiệu thu được này vẫn chứa thông tin và thông tin này sẽ mất nếu xóa các gói thu mắc lỗi. Nhược điểm này được khắc phục bằng cách sử dụng HARQ kết hợp mềm. Trong sơ đồ HARQ kết hợp mềm, gói mắc lỗi được lưu lại trong bộ nhớ đệm và sau đó được kết hợp với gói được phát lại để nhận được một gói duy nhất tin cậy hơn các gói thành phần.

2.4.3.2 Phân loại HARQ với kết hợp mềm

  Theo quy định, phát lại trong mọi sơ đồ HARQ phải thể hiện cùng tập bit thông tin như truyền dẫn gốc. Tuy nhiên, tập các bit được mã hóa và được phát trong mỗi lần phát lại có thể được lựa chọn theo cách khác nhau chừng nào chúng vẫn còn thể hiện cùng tập bit thông tin. Vì thể HARQ với kết hợp mềm được chia thành 2 loại : Chase Combining  (CC) và Incremental Redundancy (IP), phụ thuộc vào việc có đòi hỏi phát lại tương tự như lần phát lại ban đầu hay không hay chỉ phát phần dư tăng.

Chase Combining (CC): được thực hiện với việc phát lại cùng tập các bit được mã hóa giống như lần truyền đầu tiên. Sau mỗi lần phát lại, máy thu sử dụng kết hợp tỉ lệ cực đại để kết hợp từng bit thu được với các bit của các lần truyền dẫn trước và tín hiệu sau kết hợp được đưa đến bộ giải mã. Vì phát lại là bản sao của lần phát đầu tiên nên có thể coi phát lại với kết hợp săn bắt là một dạng mã hóa lặp. Vì thế không có độ dư mới được phát. Kết hợp săn bắt không cho thêm độ lợi mã hóa mà chỉ tăng tỉ số E_b/N₀ tích lũy cho mỗi lần phát lại.

Incremental Redundancy  (IP) : mỗi lần phát lại không giống như lần phát đầu tiên. Thay vào đó, nhiều tập các bit được mã hóa được thành lập trong đó mỗi tập thể hiện cùng một tập các bit thông tin. Mỗi khi cần phát lại, phát lại sẽ sử dụng một tập các bit được mã hóa khác với lần phát trước đó. Máy thu kết hợp phát lại này với các lần phát trước của cùng một gói. Vì phát lại này có thể chứa các bit chẵn lẻ bổ sung không có trong các lần phát lại trước nên tỉ lệ mã tổng hợp sẽ được giảm sau mỗi lần phát lại. Ngoài ra mỗi phát lại không nhất thiết phải chứa cùng số bit được mã hóa như phát gốc và tổng quát sơ đồ điều chế có thể khác nhau cho các lần phát lại khác nhau. Vì thế có thể coi kết hợp độ dư tăng như là tổng quát hóa của kết hợp săn bắt hay ngược lại kết hợp săn bắt như là trường hợp đặc biệt của kết hợp độ dư tăng.

2.5 Chỉ số chất lượng đường truyền CQI

Một số kỹ thuậtchính của HSDPA, mà trước hết là lập biểu và điều khiển tốc độ, đều dựa trên việc thích ứng nhanh các thông số truyền dẫn với các điều kiện kênh tức thời của đường truyền đến UE. Node B có thể tự do tạo ra ước tính kênh dựa trên mọi thông tin khả dụng, nhưng báo hiệu điều khiển đường lên từ các UE ở dạng chỉ thị chất lượng đường truyền (CQI) thường được sử dụng.

CQI không chỉ thị một cách cụ thể chất lượng kênh, mà chỉ chỉ thị tốc độ số liệu nào UE cần hỗ trợ trong các điều kiện kênh hiện hữu. Nói một cách cụ thể hơn, CQI là khuyến nghị về kích thước khối truyền tải (tương đương với khuyến nghị về tốc độ số liệu).

Lý do không báo cáo kết quả đo chất lượng kênh cụ thể vì các UE khác nhau có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác nhau trong các môi trường giống nhau tùy theo xử lý cụ thể của máy thu. Với việc báo cáo tốc độ số liệu chứ không phải kết quả đo chất lượng kênh cụ thể, UE có máy thu tốt hơn có thể cung cấp dịch vụ tốt hơn và điều này rất có lợi khi sử dụng máy thu tiên tiến cho người sử dụng đầu cuối. Đối với kênh được điều khiển công suất, độ lợi nhận được từ một máy thu tiên tiến thì Node B có thể sử dụng công suất thấp hơn, và điều này có lợi cho mạng chứ không phải cho người sử dụng đầu cuối. Cách nhìn này hoàn toàn trái ngược với HS-DSCH sử dụng điều khiển tốc độ, trong đó một UE có máy thu tiên tiến có thể thu được HS-DSCH với tốc độ số liệu cao hơn so với máy thu bình thường.

Cơ sở để tạo ra CQI là đo đạc trên kênh hoa tiêu chung. CQI biểu thị các điều kiện thức thời của kênh trong khoảng thời gian ba khe với kết thúc một khe trước khi phát CQI. Việc qui định CQI báo cáo trong khoảng thời gian nào để Node B bám kịp các thay đổi trong chất lượng kênh giữa các báo cáo CQI được thực hiện bằng cách sử dụng các lệnh điều khiển công suất. Định thời các báo cáo CQI và thời giancó thể sử dụng báo cáo này cho mục đích lập biểu được minh họa trên hình 2.10:

   

Hình 2.10: Định thời các báo cáo CQI cho mục đích lập biểu

CQI được truyền từ UE tới Node B theo sơ đồ sau:

Hình 2.11: Sơ đồ truyền CQI từ UE đến Node B

    CQI được tính toán tại khối Quality Estimation của UE với cấu trúc khối Quality Estimationnhư sau

Hình 2.12: cấu trúc khối Quality Estimation

2.6 Mã turbo

2.6.1 Tổng quan về mã hóa Turbo

 Mã Turbo là sự kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra một mã tốt hơn và cũng lớn hơn. Mã Turbo được dùng trong hệ thống thực chất là sự kết nối song song các bộ mã tích chập đặc biệt cùng với các bộ chèn. Cấu hình này gọi là: “Kết nối song song các mã tích chập”(PCCC). Ngoài ra cũng có “Kết nối nối tiếp các mã tích chập” (SCCC) và dạng “Kết nối hổn hợp các bộ mã tích chập”(HCCC).

Bộ mã tích chập đặc biệt được dùng trong cấu hình PCCC chính là bộ mã tích chập hệ thống đệ quy(RSC).

• Mã tích chập hệ thống và không hệ thống:

Mã tích chập có tính hệ thống là mã tích chập mà có một phần từ mã ở ngõ ra chính là dãy tin đầu vào, tức là đầu vào của dãy tin được đưa trực tiếp đến một trong những ngõ ra của bộ mã. Sơ đồ của bộ mã tích chập hệ thống như hình 2.13:

Hình 2.13:  Bộ mã hóa tích chập hệ thống

đối với mã chập hệ thống do dãy tin ngõ vào được đưa trực tiếp đến đầu ra nên ta có thể dễ dàng xác định từ mã ở ngõ ra hơn so với mã chập không hệ thống.

• Mã tích chập đệ quy và không đệ quy:

Mã tích chập đệ quy có từ mã ở ngõ ra được đưa hồi tiếp trở lại dãy tin đầu vào.

Hình2.14: Bộ mã tích chập đệ quy

Mã tích chập không đệ quy có từ mã ở ngõ ra của bộ mã không được đưa hồi tiếp trở lại đầu vào.

• Bộ mã tích chập hệ thống đệ quy:

     Để mô tả bộ mã hóa mã chập người ta đưa ra các thông số của bộ mã hóa như sau : (n, k, K) trong đó:

            k : số đầu vào

            n :số đầu ra

            K: chiều dài ràng buộc (constraint lengths)

 Trong đó  k < n để ta có thể thêm độ dư vào luồng dữ liệu để thực hiện phát hiện sai và sửa sai.

Một bộ mã tích chập thông thường được biểu diễn qua các chuỗi g₁= [1 1 1] và
g₂ = [1 0 1] và có thể được viết là G = [ g₁,g₂].

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho ra các từ mã có trọng số tăng so với bộ mã hoá không đệ quy dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn

g1

.

Hình 2.15: Bộ mã hoá RSC với r=1/2 k=3

3.4.4 Kết luận chương

• Chương 3 đã trình bày mô phỏng để thấy được thông lượng của UE ứng với các xử lý lập biểu khác nhau, qua đó ta thấy hiệu quả của HSDPA trong việc thích ứng với các điều kiện đường truyền khác nhau để cung cấp tốc độ dữ liệu phù hợp cho UE. Chương cũng  mô phỏng mã Turbo để tính lỗi bit và lỗi khung. Qua đó ta nhận thấy được hiệu quả của mã Turbo trong việc sửa lỗi và giảm lỗi sai.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đồ án này trình bày tổng quan về các hệ thống thông tin di động. Từ đó giới thiệu công nghệ HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA sử dụng các kỹ thuật  điều chế và mã hóa thích ứng,  HARQ, lập lịch gói phụ thuộc kênh. Từ đó ta nhận thấy được hiệu quả của HSDPA trong việc thích ứng với các điều kiện đường truyền để cung cấp cho UE tốc độ phù hợp, cũng như thấy được  ưu điểm vượt trội về tốc độ và thông lượng trong HSDPA. Đề tài cũng tìm hiểu về mã Turbo,  mô phỏng để thấy rõ hiệu năng của mã Turbo trong việc giảm khả năng mắc lỗi trong quá trình giải mã.

Tuy nhiên đồ án chỉ mới đi vào mô phỏng một số module của hệ thống HSDPA chứ chưa mô phỏng được toàn bộ hệ thống HSDPA, vì vậy ta chưa thấy hết được những hiệu quả cũng như những cải tiến của HSDPA so với các hệ thống trước đó.

Hướng phát triển đề tài: tiếp tục đi sâu vào nghiên cứu hệ thống HSDPA, mô phỏng toàn bộ hệ thống HSDPA để có thể thấy rõ được hiệu năng của hệ thống. Tìm hiểu các kỹ thuật mới như MIMO, điều chế bậc cao 64QAM…để thấy rõ được những bước tiến dài trong quá trình phát triển từ HSDPA sang các thế hệ kế tiếp.  

 

     TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. KS Bùi Văn Phú, KS Phạm Vĩnh Hòa, KS Nguyễn Huy Quân, KS Phạm Bảo Sơn, “Hệ thống truy nhập vô tuyến 3.5G với công nghệ HSDPA”, hội nghị nghiên cứu khoa học lần thứ VI, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông.

[2]. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ thứ ba”, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông, Nhà xuất bản Bưu Điện, 2004.

           [3]. TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình “Thông tin di động”, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông, 7/2007.

           [4]. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold and Per Beming “3G Evolution – HSPA and LTE for Mobile Broadband”, Elsevier Ltd, 2007.

           [5]  EURANE Enhanced UMTS Radio Acess Network Extensions for NS-2 User Guide ( Release 1.6 ).

           [6]  Fu-hua Huang, “Evaluation of Soft Output Decoding for Turbo Codes”, 1997.

           [7] Frank Brouwer, Irene de Bruin ,JoãoCarlosSilva, Nuno Souto FranciscoCercas, Américo Correia  “Usage of Link-Level Performance Indicators for HSDPA Network-Level Simulations in E-UMTS ” ISSTA 2004,Sydney-Australia , 30/8-2/9/2004.

[8]  Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation Mobile Communications Third Edition”, John Wiley & Sons, Ltd 2004.

            [9] Harri Holma and Antti Toskala, “HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speech Radio Access for Mobile Communications”, John Wiley & Sons, Ltd 2006.

[10] Harri Holma and Antti Toskala, “WCDMA FOR UMTS - HSPA EVOLUTION AND LTE, Fourth Edition”, John Wiley & Sons, Ltd 2007.

           [11]  Seacorn Deliverable D3.2v2 End to End Network Model for Enhanced UMTS.  

               Một số trang web tham khảo:

          [12]  http://eurane.ti-wmc.nl/eurane/

          [13]  http://sourceforge.net/projects/nsnam/files/

          [14]  www.3GPP.org