Nghiên cứu phát triển phần mềm trên modem 4g lte chức năng lte rlc và pdcp

Luận văn sẽ tập chung vào các chức năng của LTE RLC, PDCP từ bộ chuẩn LTE Release 9 của 3GPP và thiết kế phần mềm thực hiện các chức năng LTE RLC, PDCP, và được chia thành 3 nội dung chí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

Danh mục chữ viết tắt 2

Danh mục hình vẽ 4

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE 7

1 Giới thiệu chung 7

2 Yêu cầu đối với 4G LTE 8

3 Kiến trúc mạng LTE/SAE 9

3.1 Thiết bị đầu cuối User Equipment (UE) 9

3.2 Evolved Node B (eNB) 11

3.3 Mobility Management Entity (MME) 11

3.4 Home Subscriber Server (HSS) 11

3.5 Service Architecture Evolution Gateway (SAE-GW) 12

3.6 Policy and charging rules Function (PCRF) 12

4 Một số chỉ tiêu kỹ thuật modem 4G 13

Chương 2 - PHÁT TRIỂN CHỨC NĂNG LTE RLC, PDCP & THỬ NGHIỆM 14

1 Các chức năng của LTE lớp 2 14

1.1 Yêu cầu chung 15

1.1.1 Yêu cầu về mặt cắt giữa các lớp giao thức 15

1.1.2 Yêu cầu ghép khung và tổ chức đóng gói các PDU 16

1.2 Yêu cầu về mặt chức năng của lớp MAC trên UE 18

1.3 Yêu cầu về các chức năng của phân lớp RLC 19

1.3.1 Chức năng phân đoạn 19

1.3.2 Chức năng ghép nối 20

1.3.3 Chức năng đảm bảo thứ tự gói 20

1.3.4 Chức năng ARQ 20

1.4 Yêu cầu về các chức năng của phân lớp PDCP 21

1.5 Các yêu cầu phi chức năng khác của bộ giao thức LTE lớp 2 23

2 Quá trình phát triển phần mềm 25

3 Khung ứng dụng libmain và thư viện timer 30

3.1 Khung ứng dụng libmain 31

3.2 Thư viện Timer 34

4 Kiến trúc ngăn xếp giao thức vô tuyến LTE trên UE 37

5 Thiết kế module thực hiện chức năng LTE RLC 39

5.1 Kiến trúc module lớp RLC và PDCP 40

5.2 Cấu hình điều khiển RLC và PDCP 41

5.3 Mặt cắt giao tiếp RLC 42

5.4 AM RLC 44

5.5 UM RLC 50

5.6 TM RLC 51

6 Module lớp PDCP 52

7 Đánh giá thử nghiệm 54

7.1 Yêu cầu của quá trình thử nghiệm 54

7.2 Thử nghiệm trên thiết bị đo 54

7.2.1 Mô hình thực hiện test MAC, RLC và các bài test 58

7.2.2 Mô hình thực hiện test PDCP và các bài test 61

Chương 3 - KẾT LUẬN 65

1 Kết luận 65

2 Đề xuất hướng phát triển 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 67

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài “Nghiên cứu phát triển phần mềm trên modem 4G LTE: Chức năng LTE RLC và PDCP” là sở cứ trong việc sản xuất thiết bị đầu cuối trong nước cũng như nâng cao hiểu biết về công nghệ mạng LTE đối với em và toàn bộ thành viên trong nhóm nghiên cứu Hoàn thành được đề tài nghiên cứu bên cạnh nỗ lực cá nhân, là sự quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi vô cùng lớn của của TS Nguyễn Đức Minh, các thầy cô trong viện Điện tử viễn thông, các thầy cô trong viện Đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô

Em xin cam đoan nội dung của luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra, cùng sự hướng dẫn, góp ý sửa chữa của giáo viên hướng dẫn, các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực Các số liệu tham khảo khác đều

có chỉ dẫn về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần tài liệu tham khảo cuối luận văn

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Bùi Đức Huyên

Danh mục chữ viết tắt

3G Third Generation Cellular

3GPP Third Generation Partnership Project

4G Fourth Generation

BER Bit Error Rate

BLER Block Error Rate

BS Base Station

CDMA Code Division Multiple Access

CRS Common Reference Signal

DIR Dominant to Remaining Interference Power Ratio

eNB eNodeB (Base Station)

E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network FER Frame Error Rate

FDD Frequency Division Duplex

FDE Frequency Domain Equalization

FDMA Frequency Division Multiple Access

HARQ Hybrid ARQ

HBS Home Base Station

IC Interference Cancellation

ID Identification

LTE 3GPP Long Term Evolution

LTE-A 3GPP Long Term Evolution-Advanced

LTE/SAE Long Term Evolution/Service Architecture Evolution MAC Multiple Access Channel

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MMSE Minimum Mean Square Error

OFDM Orthogonal Frequency Divisions Multiple

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

P-RNTI Paging RNTI

PCFICH Physical Format Indicator Channel

PCH Paging Channel

PCPCH Physical Common Packet Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PER Packet Error Rate

PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

PHR Power Headroom Report

PICH Paging Indication Channel

QoS Quality of Service

RNTI Radio Network Temporary Identifier

SC – FDMA Single carrier Frequency Division Multiple Access

SCME Space Channel Model Extension

SIR Signal to Interference Ratio

SNR Signal to Noise Ratio

SR Scheduling Request

SRS Sounding Reference Symbols

SU-MIMO Single-User MIMO

TB Transport Block

TD Time Division Multiplexing

TDMA Time Division Multiple Access

TTI Transmission Time Interval

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

WLAN Wireless Local Area Network

Danh mục hình vẽ

HÌNH 1 KIẾN TRÚC MẠNG LTE/SAE [1] 9

HÌNH 2 KIẾN TRÚC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI LTE [6] 10

HÌNH 3 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM XỬ LÝ TÍN HIỆU BĂNG GỐC LTE TRÊN UE[8] 14

HÌNH 4 TỔ CHỨC ĐÓNG GÓI CÁC PDU TRONG LTE LỚP 2[9] 17

HÌNH 5 PHÂN ĐOẠN RLC[9] 19

HÌNH 6 QUÁ TRÌNH GHÉP NỐI TRONG RLC UPLINK 20

HÌNH 7 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CHỨC NĂNG LỚP PDCP[1] 22

HÌNH 8 NGĂN XẾP GIAO THỨC LTE LỚP 2[9] 23

HÌNH 9 ĐỘ TRỄ YÊU CẦU TRÊN MẶT PHẲNG ĐIỀU KHIỂN TRONG MẠNG LTE KHI CHUYỂN TỪ TRẠNG THÁI KHÔNG HOẠT ĐỘNG SANG HOẠT ĐỘNG THEO - 3GPP TS.25.912 24

HÌNH 10 ĐỘ TRỄ YÊU CẦU TRÊN MẶT PHẲNG ĐIỀU KHIỂN TRONG MẠNG LTE KHI CHUYỂN TỪ TRẠNG THÁI NGHỈ SANG HOẠT ĐỘNG THEO - 3GPP TS.25.912 24

HÌNH 11 VÒNG ĐỢI PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI LTE [10] 26

HÌNH 12 TƯƠNG TÁC GIỮA TRÌNH DIỀU KHIỂN VÀ KHÔNG GIAN NGƯỜI DÙNG CÙNG THIẾT BỊ PHẦN CỨNG 29

HÌNH 13 MODULE XỬ LÝ TIMER TRONG LIBMAIN 35

HÌNH 14 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM XỬ LÝ GIAO THỨC VÔ TUYẾN TRÊN LTE UE – MẶT PHẲNG DỮ LIỆU NGƯỜI DÙNG 37

HÌNH 15 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM XỬ LÝ GIAO THỨC VÔ TUYẾN TRÊN LTE UE – MẶT PHẲNG ĐIỀU KHIỂN 39

HÌNH 16 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC CỦA PDCP, RLC VÀ MỐI QUAN HỆ VỚI MAC VÀ CÁC MODULE KHÁC TRÊN UE 40

HÌNH 17 THAM SỐ CẤU HÌNH KÊNH MANG VÔ TUYẾN TRONG RLC VÀ PDCP 41

HÌNH 18 SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ CỦA TRUYỀN DỮ LIỆU PDU TRONG DOWNLINK 45

HÌNH 19 SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ CỦA TRUYỀN LẠI DỮ LIỆU PDU TRONG DOWNLINK 46

HÌNH 20 SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ CỦA TRUYỀN DỮ LIỆU PDU TRONG UPLINK 47

HÌNH 21 SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ CỦA TRUYỀN LẠI DỮ LIỆU PDU TRONG UPLINK 48

HÌNH 22 THIẾT BỊ TEST CMW 500 WIDEBAND RADIO COMMUNICATION TESTER 55HÌNH 23 SƠ ĐỒ KHỐI MÔ HÌNH THỰC HIỆN TEST THIẾT BỊ MODEM 4G LTE 55HÌNH 24 SƠ ĐỒ KHỐI MÔ HÌNH THỰC HIỆN TEST THIẾT BỊ MODEM 4G LTE 56HÌNH 25 SƠ ĐỒ THỰC HIỆN KIỂM TRA VÀ ĐO THỬ MODEM 4G LTE 56HÌNH 26 CẤU TRÚC MÔI TRƯỜNG TEST SỬ DỤNG [THAM KHẢO BÁO CÁO ĐỀ TÀI KC.01.10/11-1] 57HÌNH 27 SƠ ĐỒ THỰC HIỆN KIỂM TRA MAC VÀ RLC TRÊN UE 58HÌNH 28 SƠ ĐỒ THỰC HIỆN KIỂM TRA PDCP TRÊN UE 63

MỞ ĐẦU

Trước xu hướng phát triển cơ sở hạ tầng viễn thông hiện đại, an toàn, dung lượng lớn và có tốc độ cao, vùng phủ dịch vụ đa dạng rộng khắp cả nước, cùng với nhu cầu sử dụng các dịch vụ đòi hỏi băng rộng xuất hiện ngày càng nhiều; các chủng loại, thiết bị (cả thiết bị mạng và đầu cuối) ngày càng đa dạng và giá giảm Nắm bắt được xu hướng này, các nhà khai thác dịch vụ viễn thông trên thế giới đã triển khai và thử nghiệm mạng 4G LTE, LTE trong đó sử dụng Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) sẽ là phiên bản đầu tiên được triển khai trong năm nay tại Việt Nam Đối với mạng di động nói chung, việc sản xuất và chế tạo thiết bị đầu cuối thường do các hãng nước ngoài dẫn đến các nhà khai thác dịch vụ viễn thông trong nước mất khá nhiều doanh thu Để có sở cứ trong việc sản xuất thiết bị đầu cuối trong nước, đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đầu cuối Modem đa năng công nghệ 4G” Mã số: KC.01.10/11-15 do Công ty Cổ phần Đầu tư Phát triển Công nghệ và Truyền thông NEO, Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam đã được thực hiện với mục đích chế tạo modem 4G LTE và thử nghiệm tại Việt Nam Phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ thực hiện “Nghiên cứu phát triển phần mềm trên modem 4G LTE: Chức năng LTE RLC và PDCP” – là một phần của bộ giao thức vô tuyến LTE lớp 2 trong phạm vi của đề tài KC.01.10/11-15 Luận văn sẽ tập chung vào các chức năng của LTE RLC, PDCP từ

bộ chuẩn LTE Release 9 của 3GPP và thiết kế phần mềm thực hiện các chức năng LTE RLC, PDCP, và được chia thành 3 nội dung chính như sau:

- Nội dung 1: Giới thiệu chung về mạng di động 4G LTE Advanced, kiến trúc, các thành phần của mạng và vai trò của thiết bị đầu cuối, từ đó đưa ra các các đặc tính kỹ thuật cần thiết đối với thiết bị modem 4G LTE

- Nội dung 2: Đưa ra các tiêu chí kỹ thuật đối với phần mềm thực hiện chức năng LTE RLC và PDCP, từ đó đề xuất phát triển module phần mềm chức năng LTE RLC và PDCP và đưa ra phương án thử nghiệm và đo kiểm đánh giá

- Nội dung 3: Kết luận, trong đó có đề xuất hướng phát triển tiếp theo và các tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE

Chương này của luận văn sẽ giới thiệu chung về công nghệ, liệt kê các yêu cầu đối với mạng di động 4G LTE, từ đó đưa ra kiến trúc chức năng về mạng LTE

và các tiêu chí và chỉ tiêu kỹ thuật của modem 4G

1 Giới thiệu chung

UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ

di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn,

sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối, với các mục tiêu cụ thể như:

 Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên:

50 Mbps

 Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel 6: Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

 Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần)

 Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, có suy giảm trong phạm vi đến 30km, từ 30 – 100 km thì không hạn chế

 Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống

Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Công nghệ 4G còn được biết đến với năm (5) ưu điểm như: di động đa phương tiện, mọi lúc mọi nơi, giải pháp di động toàn cầu, mạng tích hợp không dây, dịch vụ tùy biến 4G là một hệ thống tích hợp trên nền IP, có khả năng cung cấp truy cập 100Mbps khi di chuyển với tốc độ cao và 1Gbps khi di chuyển tốc độ thấp

mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ và độ bảo mật cao, đồng thời cho phép sử dụng

đa dịch vụ với khả năng tương tác liền mạch và chi phí thấp

2 Yêu cầu đối với 4G LTE

Mạng di động 4G LTE có một số mục tiêu và yêu cầu quan trọng như sau:

- Độ trễ thấp: Cho cả phía người sử dụng và phía điều khiển với độ trễ cho phép không quá 5 ms

- Khả năng mở rộng băng tần: khả năng đáp ứng nhiều băng thông khác nhau

từ 1,25 tới 20 MHz

- Tốc độ đỉnh: 100 Mbps với đường xuống và 50 Mbps đường lên

- Dung lượng tăng 2 tới 3 lần so với HSUPA và 2 đến 4 lần so với HSDPA

- Chỉ hỗ trợ và tối ưu cho chuyển mạch gói

- Cải thiện hiệu quả tại mặt biên của ô tế bào

- Khả năng tương thích với các hệ thống 2G, 3G cũng như các hệ thống không thuộc tiêu chuẩn 3GPP hiện có

- Tối ưu với khả năng di động tốc độ thấp nhưng có thể hỗ trợ với tốc độ di động cao

- Giảm thiểu độ phức tạp cả hệ thống lẫn thiết bị đầu cuối

- Dễ dàng nâng cấp từ các mạng hiện có

- Đơn giản cũng như giảm thiểu số lượng các giao diện

3 Kiến trúc mạng LTE/SAE

Kiến trúc LTE được thiết kế đơn giản và phẳng hơn so với 3G, được thiết kế đặc trưng nhằm đáp ứng ba yêu cầu đặc biệt: chỉ hỗ trợ cho miền chuyển mạch gói,

độ trễ thấp và giảm chi phí, trong đó:

- Phân hệ mạng truy nhập vô tuyến có hai kiểu nút mạng là eNodeB và MME

- Phân hệ mạng lõi chỉ có 04 loại nút mạng S-GW, P-GW, HSS và PCRF

- Phân hệ ứng dụng gồm các ứng dụng trong mạng IMS và các máy chủ ứng dụng khác (APPS)

Cấu trúc chung của mạng được thể hiện như Hình 1 bên dưới

Hình 1 Kiến trúc mạng LTE/SAE [1]

Chi tiết về chức năng của các nút mạng trong kiến trúc LTE/SAE như sau:

3.1 Thiết bị đầu cuối User Equipment (UE)

UE là thiết bị đầu cuối có các chức năng chính:

o Chứa các thuê bao Universal Identity Module (USIM) nắm giữ thông tin xác thực

o Hỗ trợ dịch vụ và ứng dụng

o Giám sát tín hiệu radio và truyền đạt chỉ số chất lượng kênh (CQI) tới eNB

o Hỗ trợ truyền tải LTE uplink và downlink qua giao diện truyền sóng

Kiến trúc của một thiết bị đầu cuối LTE phụ thuộc vào từng loại thiết bị khác nhau sẽ khác nhau Hình dưới đây mô tả một kiến trúc của một điện thoại thông minh (smartphone) theo chuẩn của MIPI alliance, trong đó có các thành phần:

- Bộ xử lý băng gốc (Baseband IC): thực hiện xử lý cho các phần mềm ứng dụng

và xử lý tín hiệu băng gốc)

- Bộ phận hiển thị (Display units) được điều khiển bởi Display Driver IC và giao tiếp với IC xử lý băng gốc (Baseband IC) qua chuẩn giao diện hiển thị nối tiếp DSI

- Bộ phận Camera (Camera units) được điều khiển bởi Camera Driver IC và giao tiếp với IC xử lý băng gốc qua chuẩn giao diện camera nối tiếp CSI

- Bộ phận âm thanh: gồm Loa (Loudspeaker), phích cắm tai nghe (Ear Piece), bộ thu sóng FM (FM Radio), Microphone Được điều khiển bởi IC xử lý âm thanh,

IC này giao tiếp với bộ xử lý băng gốc (Baseband IC) qua chuẩn giao tiếp là bus SLIM

- RF IC là bộ phận xử lý tín hiệu vô tuyến và chuyển thành tín hiệu số để giao tiếp với bộ vi xử lý băng gốc qua chuẩn DigRF

Hình 2 Kiến trúc thiết bị đầu cuối LTE [6]

3.2 Evolved Node B (eNB)

eNodeB (eNB) cung cấp giao tiếp với các UE eNB đảm nhiện các lớp vật lý (PHY), kiểm soát truy nhập môi trường truyền (MAC), kiểm soát đường truyền vô tuyến (RLC) và giao thức điều khiển dữ liệu gói (PDCP) eNB cũng cung cấp chức năng kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC) thuộc mặt phẳng điều khiển (control – plane) Ngoài ra nó thực hiện nhiều chức năng bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến, kiểm soát lập lịch, định thời, thực thi thỏa thuận QoS thuộc hướng lên UL, quảng bá thông tin trạm, mã hóa và giải mả các dữ liệu thuộc lớp người dùng (user plan) và lớp điều khiển, nén/giải nén các mào đầu của dữ liệu người dùng

3.3 Mobility Management Entity (MME)

MME chịu trách nhiệm về những tính năng trong mặt phẳng kiểm soát, liên quan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn Nó hỗ trợ các phương thức bảo mật liên quan tới việc xác minh người sử dụng; xử lý các phiên truyền dẫn giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy cập; quản lý các thiết bị rảnh rỗi (thực hiện các chức năng dò tìm - paging) MME cũng tham gia vào quá trình kích hoạt và đảm nhiệm việc chọn lựa SGW cho UE tại thời điểm UE đăng nhập vào mạng và thời điểm chuyển giao nội mạng lõi LTE MME cung cấp chức năng của mặt phẳng điều khiển giữa LTE và mạng 2G/3G với mặt cắt tham chiếu S3 giữa MME và SGSN MME còn giao tiếp với HSS qua mặt cắt tham chiếu S6a nhằm phục vụ cho các UE Roaming

3.4 Home Subscriber Server (HSS)

HSS là sự kết hợp của HLR (Home Location Register) và AUC (Authentication Center), 2 khối chức năng đã xuất hiện trong các mạng 2G/GSM và 3G/UMTS

Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật khi cần thiết cơ sở dữ liệu chứa tất cả các thông tin đăng ký của người sử dụng, bao gồm: thông tin nhận

dạng người sử dụng và địa chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng (trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch vụ,…)

Phần AUC của HSS có nhiệm vụ tạo ta những thông tin bảo mật từ chuỗi nhận dạng người sử dụng Thông tin bảo mật này cung cấp cho HLR và xa hơn là thông tin đến các thực thể khác của mạng Thông tin bảo mật này được sử dụng chủ yếu cho: việc xác minh qua lại các thiết bị mạng, mã hóa đường truyền dẫn vô tuyến, đảm bảo dữ liệu và tín hiệu báo hiệu được truyền giữa mạng và thiết bị người

sử dụng không bị nghe trộm hay xâm nhập

3.5 Service Architecture Evolution Gateway (SAE-GW)

Phần tử SAE GW là sự kết hợp của cổng dịch vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói (P-GW)

Cổng dịch vụ S-GW là một điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói hướng đến mạng truy cập E-UTRAN Khi các thiết bị người sử dụng di chuyển giữa các eNodeB trong mạng truy cập E-UTRAN, thì S-GW đóng vai trò như những điểm trung chuyển (chuyển giao) Nó cũng là điểm trung chuyển giữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như 2G/GSM, 3G/UMTS

Cũng giống như S-GW, P-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưng hướng tới các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks) P-GW hỗ trợ các tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tính cước

3.6 Policy and charging rules Function (PCRF)

Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính cước PCRF là sự kết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (The Charging Rules Function) PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chính sách dịch vụ Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng

cho từng dòng dữ liệu đang phục vụ CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trên thông tin cung cấp từ P-CSCF

4 Một số chỉ tiêu kỹ thuật modem 4G

Một số chỉ tiêu kỹ thuật của modem 4G như sau:

 Tuân thủ tiêu chuẩn 3GPP specification series 36 – release 9

 Đáp ứng băng tần FDD 7 (dải tần đường lên 2500 MHz – 2570MHz; đường xuống 2620 MHz – 2690 MHz)

 Kết nối với máy tính thông qua chuẩn USB 2.0

 Tương thích với các thiết bị có khe cắm miniPCI 2.0, USB 2.0

 Tốc độ DL: 100Mbps; UP:50Mbps ở dải tần 20MHz

 Phạm vi hoạt động 5-10Km đến eNB

 Hỗ trợ khả năng di động

Chương 2 - PHÁT TRIỂN CHỨC NĂNG LTE RLC, PDCP & THỬ NGHIỆM

Quá trình thiết kế và phát triển phần mềm modem 4G LTE được thực hiện dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật và chức năng của LTE lớp 2, trong đó tập trung vào thiết kế và phát triển chức năng LTE RLC và PDCP

1 Các chức năng của LTE lớp 2

Phần mềm xử lý tín hiệu băng gốc của thiết bị đầu cuối mạng 4G LTE được chia thành 03 lớp:

Hình 3 Kiến trúc phần mềm xử lý tín hiệu băng gốc LTE trên UE[8]

L1 hay còn gọi là LTE lớp vật lý - PHY, nó bao gồm các chức năng:

15

- PHY Procedures: thực hiện các thủ tục của lớp vật lý được quy định tại 3GPP specification series 36 – release 9

- Bits processing: Xử lý dòng bit trên các kênh vật lý

L2 là LTE lớp 2, nó bao gồm các phân lớp:

- MAC: xử lý truy nhập môi trường truyền dẫn vô tuyến

- RLC: xử lý liên kết các kênh logic

- PDCP: xử lý nén mào đầu và mã mật/giải mật dữ liệu lớp trên

L3 hay còn gọi là LTE lớp 3, nó bao gồm các phân lớp sau:

- RRC: thực hiện các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến

- NAS: Quản lý các kết nối của UE với mạng LTE

Luận văn chỉ tập trung vào LTE lớp 2 phân lớp RLC và PDCP, vì vậy phần dưới đây của luận văn sẽ trình bày các yêu cầu chung và các yêu cầu chi tiết về mặt chức năng của phần mềm xử lý băng gốc LTE lớp 2 phân lớp RLC và PDCP, yêu cầu về mặt chức năng của lớp MAC trên UE được tổng hợp ngắn gọn

1.1 Yêu cầu chung

Phần này trình bày các yêu cầu chung về LTE lớp 2 bao gồm yêu cầu về mặt cắt giữa các phân lớp giao thức trong LTE lớp 2 và yêu cầu về ghép khung và đóng gói các PDU

1.1.1 Yêu cầu về mặt cắt giữa các lớp giao thức

Lớp MAC:

Lớp MAC thực hiện cung cấp các dịch vụ sau cho các lớp trên:

- Data transfer: truyền dữ liệu

- Radio resource allocation: cấp phát tài nguyên vô tuyến

Lớp MAC phải sử dụng các dịch vụ sau từ lớp vật lý được cung cấp bởi lớp vật lý:

- Data transfer services: Dịch vụ truyền dữ liệu – sử dụng truyền các MAC-SDU

- Signalling of HARQ feedback: Tiếp nhận thông tin phản hồi về HARQ (ACK/NACK cho các PDU) từ lớp vật lý

- Signalling of Scheduling Request: Lập lịch xin cấp phát tài nguyên vô tuyến

- Measurements (Channel Quality Indication (CQI)): đo đạc các tham số từ lớp vật lý, đo đạc chất lượng dịch vụ

Lớp RLC:

Cung cấp các dịch vụ nguyên thủy RLC cho lớp PDCP:

- TransmitPdcpPdu: PDCP sử dụng để gửi một PDCP PDU đến RLC

- ReceivePdcpPdu: RLC sử dụng để gửi một PDCP PDU đến RDCP phía trên Giao tiếp dịch vụ lớp MAC:

- MacSapProvider: cung cấp bởi lớp MAC và sử dụng bởi lớp RLC để gửi RLC PDU xuông lớp MAC

- MacSapUser: cung cấp bởi lớp RLC và sử dụng bởi lớp MAC để lớp MAC đẩy các RLC PDU lên các kênh logic

Lớp PDCP:

- PdcpSapProvider được cung cấp bởi PDCP và sử dụng bởi các lớp cao hơn

- PdcpSapUser được cung cấp bởi PDCP và được sử dụng bởi lớp RLC

Ngoài các yêu cầu về mặt cắt tiêu chuẩn như trên, các module xử lý giao thức cũng cần phải cung cấp tối thiểu 02 chức năng cho phép cấu hình và khởi động lại (reset) cho các lớp trên và phân hệ quản lý, điều khiển sử dụng

1.1.2 Yêu cầu ghép khung và tổ chức đóng gói các PDU

Gói dữ liệu khi được đưa từ lớp trên (lớp 3) xuống lớp 2 sẽ phải trải qua quá trình

xử lý tuần tự theo giao thức của các lớp PDCP, RLC, MAC và ngược lại khi gói dữ liệu nhận được tại lớp MAC từ lớp vật lý, nó cũng phải được xử lý theo thứ tự ngược lại để đưa gói dữ liệu lên các lớp trên Hình 4 dưới đây trình bày yêu cầu về quá trình đóng gói

và xử lý gói tin tại các phân lớp trong LTE lớp 2 Phần dưới cùng là khung vô tuyến Khung đầy đủ là 10ms nhưng chúng ta thường xét khung con 1 ms, là thành phần mang khối truyền vận (Transport Block - TB) Trong mỗi khối truyền vận sẽ được đóng gói bao gồm phần mào đầu của MAC và phần có thể được bổ sung thêm (padding), cùng với các mối tương quan về sự hình thành nên MAC-SDU Một MAC PDU có thể được tạo thành

Hình 4 Tổ chức đóng gói các PDU trong LTE lớp 2[9]

Ngoài việc đóng gói các PDU lớp trên để, bản thân lớp MAC cũng cần phải thực hiện các hoạt động điều khiển của bản thân lớp MAC thông qua các thẻ điều khiển MAC (MAC Control Elements) Các thẻ điều khiển này được ghép vào phần màu đầu của MAC PDU theo một quy chuẩn được định nghĩa tại mục 6.1.2 trong [5], trong đó đã chỉ rõ sơ đồ ánh xạ và phương thức thực hiện ghép các MAC Control Element vào MAC PDU một cách tường minh Luận văn sử dụng toàn bộ cơ chế được mô tả chi tiết trong [5] để thực hiện chức năng này

1.2 Yêu cầu về mặt chức năng của lớp MAC trên UE

Về mặt chức năng, lớp MAC về cơ bản được chia ra thành các nhóm sau:

- Tương tác với lớp vật lý: sử dụng dịch vụ do lớp vật lý cung cấp để điều khiển lớp

vật lý nhằm thực hiện các hoạt động truyền/nhận dữ liệu và đo đạc các thông số của kênh, xử lý các thông tin báo hiệu từ lớp vật lý đưa lên

- Nhóm các chức năng liên quan đến điều khiển lập lịch lớp MAC: bao gồm các

Nhóm chức năng liên quan đến lập lịch (chủ yếu được thực hiện trên eNodeB), trên

UE chỉ có 02 thủ tục cần thực hiện trong nhóm chức năng này là:

o Thủ tục Buffer Status Report (BSR): UE báo cáo về trạng thái bộ đệm lên eNodeB để eNodeB lập lịch cấp tài nguyên kênh uplink

o Thủ tục Semi-Persistent Scheduling (SPS): được sử dụng bởi UE để thực hiện việc cấp phát tài nguyên một cách linh động trên kênh uplink cho

UE khi UE có nhu cầu sử dụng tài nguyên dài hơn chu kỳ một tiểu khung nhằm tránh việc eNodeB phải liên tục gửi thông tin lập lịch kênh downlink và cấp quyền phát trên kênh uplink cho các UE trong mỗi tiểu khung (có độ dài 1ms)

- Chức năng truy nhập ngẫu nhiên (RACH): được thực hiện trong các hoàn cảnh

UE gia nhập cell (bao gồm cả các tình huống UE chưa có liên kết với cell và trường hợp chyển giao – Handover)

- Chức năng DRX (Discontinuous Reception): sử dụng cho mục đích tiết kiệm pin

của UE

- Chức năng đồng bộ định thời kênh uplink: được sử dụng bởi UE để đảm bảo duy

trì việc truyền phát trên kênh uplink từ UE đến eNodeB không bị chồng lấn lên thời gian phát đã được cấp phát cho các UE khác trong cell

- Nhóm các chức năng liên quan đến việc truyền phát dữ liệu trên các kênh downlink, uplink: bao gồm một tập hợp các chức năng như tách ghép kênh logic

theo mức độ ưu tiên, thủ tục lập lịch phát trong UE, thủ tục Power Headroom Reporting (PHR) sử dụng trong điều khiển công suất phát, Tiếp nhận phân công hướng downlink (DL Assignment reception) ,

19

1.3 Yêu cầu về các chức năng của phân lớp RLC

Lớp RLC được minh họa bởi khối RLC trong hình 3 Nó thực hiện quá trình phân đoạn và tổ hợp và hoạt động theo 3 chế độ: Chế độ trong suốt - transparent mode (TM), Chế độ có hồi đáp - acknowledged mode (AM) và Chế độ không có hồi đáp - unacknowledged mode (UM) Các chế độ này được sử dụng bởi các kênh mang vô tuyến khác nhau với các mục đích khác nhau Phần dưới đây sẽ trình bày chi tiết các chức năng của RLC

1.3.1 Chức năng phân đoạn

Quá trình phân đoạn của RLC liên quan đến quá trình xử lý mở gói RLC PDU trên một kênh logic và tách ra các RLC SDU trong hướng downlink Kích thước RLC PDU dựa trên kích thước khối truyền vận Kích thước RLC PDU không cố định vì nó phụ thuộc vào các điều kiện của kênh được eNodeB gán giá trị cho mỗi UE trên kênh downlink Kích thước khối truyền vận có thể rất khác nhau dựa trên các yêu cầu dải tần, khoảng cách, mức công suất hoặc giản đồ điều chế

Nếu một RLC SDU lớn, hoặc tốc độ dữ liệu vô tuyến thấp (do khối truyền vận nhỏ), RLC SDU có thể được chia nhỏ thành một loạt các RLC PDUs Nếu RLC SDU nhỏ, hoặc tốc độ dữ liệu vô tuyến cao, vài RLC SDU có thể được đóng gói thành một PDU duy nhất Trong rất nhiều trường hợp, cả quá trình phân chia và đóng gói có thể minh họa trong Hình 5, trong đó một RLC PDU được phân đoạn ra nhiều RLC SDU

để đưa lên lớp trên xử lý

Hình 5 Phân đoạn RLC[9]

1.3.2 Chức năng ghép nối

Ghép nối là quá trình đóng gói RLC SDU vào một PDU có kích thước phù hợp với kích thước của các khối truyền vận diễn ra trong hướng uplink Cũng giống như hoạt động phân đoạn trong hướng downlink, nếu một RLC SDU lớn, hoặc tốc độ dữ liệu vô tuyến thấp (do khối truyền vận nhỏ), RLC SDU có thể được ghép lại từ nhiều RLC PDU (vốn đã được chia nhỏ thành một loạt các RLC PDUs được truyền trước đó) Ngược lại RLC SDU nhỏ có thể được tác ta từ RLC PDU lớn Trong rất nhiều trường hợp, cả quá trình ghép nối

và phân chia có thể minh họa trong Hình 6

Hình 6 Quá trình ghép nối trong RLC uplink 1.3.3 Chức năng đảm bảo thứ tự gói

RLC đảm bảo việc phát SDU theo thứ tự Các gói không được sắp xếp theo thứ

tự có thể được phát đi trong quá trình chuyển giao (handover) Các số thứ tự PDU được mang trong RLC header là độc lập với số thứ tự SDU (ví dụ số thứ tự PDCP) Mỗi RLC SDU được xây dựng từ một hoặc nhiều RLC PDU cho kênh downlink Thứ

tự các gói là chính xác trong RLC vì sử dụng số thứ tự liên tục trong RLC header Mỗi kênh logic khác nhau sẽ có biến điều khiển số thứ tự khác nhau

1.3.4 Chức năng ARQ

Mô hình AM RLC có cung cấp chức năng HARQ nhằm thực hiện truyền lại các PDU đã bị mất và loại bỏ các SDU bị lỗi khi lắp ghép từ các PDU, nó được mô tả chi tiết trong phần 5.1.3 của [2] Nó sử dụng các bộ đệm để thực thi chức năng như sau:

21

 Transmission Buffer: là hàng đợi RLC SDU Khi AM RLC nhận được một SDU

trong dịch vụ nguyên thủy TransmitPdcpPdu từ các module PDCP bên trên, hàng module RLC sẽ xếp hàng SDU vào hàng đợi trong bộ đệm phát (Transmission Buffer) RLC sẽ đặt một giới hạn trên cho kích thước bộ đệm RLC và loại bỏ SDU (không ghi vào bộ đệm phát) nếu bộ đệm bị đầy Lưu ý RLC khi loại bỏ SDU mà không cần phải thông báo gì cho PDCP

 Transmitted PDU Buffer: là một hàng đợi của các RLC PDU đã phát nhưng chưa

nhận được ACK/NACK Khi AM RLC gửi một PDU tới MAC, nó cũng lưu lại 1 bản ghi của PDU vào Transmitted PDUs Buffer và khởi động một timer để chờ phản hồi

 Retransmission Buffer: là một hàng đợi của các RLC PDU được xem xét để phát

lại (đã có NACK) AM RLC di chuyển các PDU đến bộ đệm truyền lại (Retransmission Buffer), khi nó truyền lại một PDU từ bộ đệm truyền (Transmitted Buffer)

1.4 Yêu cầu về các chức năng của phân lớp PDCP

Lớp Packet Data Convergence Protocol (PDCP) được minh họa bởi khối PDCP trong hình 3 Các chức năng chi tiết của PDCP được mô tả trong hình 7 bên dưới Trong đó bao gồm các chức năng:

- Nén mào đầu ROHC sử dụng cho mặt phẳng dữ liệu người dùng

- Các chức năng bảo mật:

o Mã hóa và giải mã (Ciphering và Deciphering) cho cả dữ liệu người dùng

và thông tin điều khiển

o Bảo vệ tính toàn vẹn và xác minh cho dữ liệu mặt phẳng điều khiển

Hình 7 Sơ đồ cấu trúc chức năng lớp PDCP[1]

- Các chức năng hỗ trợ chuyển giao (handover):

o Đảm báo số thứ tự trong phân phát gói tin và sắp xếp lại thứ thự các PDU khi thực hiện chuyển giao (Reodering buffer)

o Sử dụng cơ chế AM RLC để đảm bảo khả năng mất gói tối thiểu khi chuyển giao

- Từ chối các gói dữ liệu lớp trên khi bị timeout

Toàn bộ yêu cầu về các chức năng của LTE lớp 2 trên thiết bị đầu cuối LTE được tổng kết và mô tả trong hình 8 dưới đây

23

Hình 8 Ngăn xếp giao thức LTE lớp 2[9]

Hình 8 biểu diễn một cách nhìn tổng quát về chồng giao thức LTE lớp 2, nó cho thấy có rất nhiều thể hiện của RLC và PDCP tương ứng với các kênh mang lớp 2 khác nhau Các kênh mang được đặc tả bởi các tham số mô tả loại thông tin và QoS được vận chuyển qua giao diện vô tuyến Một trong các nhóm kênh mang này có thể dành cho thoại qua IP, dành cho luồng video streaming, truyền phát file với nỗ lực tối

đa, hoặc xử lý ngầm hoặc ở mặt phẳng điều khiển khác Lập lịch là công tác quan trọng mang tính toàn cục vì nó kiểm soát sự ưu tiên có liên quan giữa các kênh mang

vô tuyến và các kênh logic

Ngoài các yêu cầu về mặt chức năng nói trên, khi phát triển phần mềm xử lý băng gốc LTE, người phát triển cũng cần quan tâm đến các yêu cầu đặc thù khác Các yêu cầu này sẽ được trình bày trong phần 1.5 bên dưới

1.5 Các yêu cầu phi chức năng khác của bộ giao thức LTE lớp 2

Theo 3GPP TS 25.912 – release 9, tổng quỹ thời gian trễ trên mặt phẳng điều khiển được trích dẫn và mô tả trong hình 9 và hình 10 bên dưới

Hình 9 Độ trễ yêu cầu trên mặt phẳng điều khiển trong mạng LTE khi chuyển từ trạng thái Không hoạt động sang hoạt động theo - 3GPP TS.25.912

Hình 10 Độ trễ yêu cầu trên mặt phẳng điều khiển trong mạng LTE khi chuyển từ

trạng thái nghỉ sang hoạt động theo - 3GPP TS.25.912

Từ đây ta thấy được các yêu cầu về thời gian xử lý của các thủ tục trong LTE lớp 2

- Trên mặt phẳng dữ liệu người dùng:

o Thời gian để UE đợi và gửi đi yêu cầu lập lịch đến eNodeB là 1ms

o Thời gian xử lý và phát dữ liệu lên kênh uplink trong UE tối đa là 5ms

25

- Trên mặt phẳng điều khiển:

o Thời gian trễ để bắt đầu thực hiện thủ tục truy nhập ngẫu nhiên (RACH) trong

UE là 4ms

o Thời gian thực hiện RACH cũng là 4ms kể từ khi được cấp quyền gửi dữ liệu trên hướng uplink

o Thời gian xử lý và phải phản hồi lại HARQ là 1ms

o Thời gian phải phục vụ các yêu cầu kết nối từ lớp RRC xuống LTE lớp 2 là 4ms

Nếu Xét ở mức độ tín hiệu vô tuyến LTE, độ phân giải của các ứng dụng lập lịch, truyền phát gói tin phải đảm bảo ở đơn vị nhỏ nhất là một RB (Resource Block) tương đương với 0.5ms Mặt khác khoảng thời gian truyền giữa các gói tin cũng phải đảm bảo thời gian TTI=1ms do đó các bộ định thời (timer) sự dụng trong phần mềm LTE lớp 2 phải

có độ phân giải tối thiểu 50 micro giây để tránh việc định thời trong lớp 2 sai khác quá 10% đồng thời phải thường xuyên hoạt động với một lượng lớn các timer 1ms

Trên cơ sở phân tích hoạt động của mạng 4G LTE, tổng hợp tất cả các yêu cầu chung, yêu cầu về mặt chức năng và yêu cầu phi chức năng của phần mềm xử lý băng gốc LTE lớp 2 Phần tiếp của luận văn sẽ đi vào thiết kế mô hình kiến trúc đảm bảo được các yêu cầu đã đưa ra và tập trung trọng điểm vào việc thiết kế module chức năng LTE RLC

và PDCP

2 Quá trình phát triển phần mềm

Để xây dựng thiết bị đầu cuối 4G LTE có 02 công nghệ hay được sử dụng là ASIC

và SDR, mỗi công nghệ đều có điểm đặc trưng riêng:

 ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): là kỹ thuật sử dụng các IC chuyên dụng phần cứng và tích hợp chúng lại với nhau ASIC sử dụng nhiều phần cứng, giá

có thể sẽ cao hơn so với SDR, tuy nhiên xét về độ ổn định, mặt hiệu năng và công suất tiêu thụ thì ASIC luôn vượt trội

 SDR (Software Defined Radio): là kỹ thuật sử dụng phần mềm thực hiện chức năng của lớp vật lý PHY, về mặt bản chất là sử dụng các bộ ADC/DAC để chuyển từ tín hiệu analog thu được thành tín hiệu số và sử dụng phần mềm để xử lý các chức

năng của lớp vật lý như điều chế, mã hóa, giải mã, ghép kênh, đồng bộ, HARQ Chính vì lý do tiêu thụ năng lượng nhiều hơn ASIC nên SDR thường chỉ sử dụng cho các trạm phát sóng (eNodeB)

Dự án KC.01.10/11-15 lựa chọn sử dụng công nghệ ASIC vì lý do tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu thời gian phát triển đồng thời áp dụng chu trình nghiên cứu phát triển

và đưa sản phẩm thiết bị đầu cuối 4G LTE ra thị trường theo các bước như sau:

1 Thiết kế mô phỏng (thiết kế và mô phỏng phần vô tuyến),

2 Phát triển/lựa chọn chipset gồm có: module vô tuyến ( bao gồm sản phẩm mẫu và các module chipset), module xử lý băng gốc lớp 1, phát triển các giao thức lớp 2

và lớp 3

3 Thiết kế và tích hợp phần vô tuyến và phần xử lý băng gốc ( thường sử dụng chuẩn giao tiếp DigRF v4

4 Kiểm tra thiết kế và test thử nghiệm phần vô tuyến

5 Chuẩn bị rà soát để thực hiện bước kiểm tra mức độ phù hợp với các chuẩn và môi trường hoạt động

6 Kiểm tra mức độ phù hợp với các chuẩn và môi trường hoạt động

7 Kiểm tra hoạt động của thiết bị tại các khai thác nhà mạng

8 Sản xuất hàng loại

9 Phân phối sản phẩm ra thị trường

Tất cả các bước trên được mô tả trong sơ đồ dưới đây:

Hình 11 Vòng đợi phát triển thiết bị đầu cuối LTE [10]

27

Trong phạm vi của đề tài, Nhà sản xuất chip đã cung cấp mã nguồn hệ điều hành linux cùng với BSP đã được điều chỉnh phù hợp với SoC (Chip xử lý tín hiệu băng gốc) Công việc thiết kế phần cứng và bo mạch đã được các nhóm khác thực hiện, nhóm thực hiện luận văn chỉ cần thực hiện các bước sau để phát triển phần mềm LTE lớp 2 và cài đặt

nó lên NAND Flash của bo mạch modem 4G LTE:

Thiết lập môi trường biên dịch nhân linux và ứng dụng: Thực hiện cài đặt

Toolchain, thường sử dụng máy tính chạy hệ điều hành linux, tải về các bộ công cụ linux-gcc trên mạng hoặc có thể sử dụng bộ công cụ đi kèm của các hãng sản xuất chip (trong phạm vi của đề tài Đề tài phải mua bản quyền)

arm-Tải nhân Linux, tùy biến và biên dịch nhân: có thể tải về từ www.kernel.org, giải

nén cấu trúc thư mục chứa nhân linux gồm khá nhiều thư mục, tuy nhiên được tổ chức rất trật tự và khoa học Công việc vài đặt mã nguồn BSP vào nhân linux mới tải về rất đơn giản chỉ là giải nén và copy mã nguồn BSP vào các thư mục tương ứng của mã nguồn nhân linux Trong các gói BSP được cung cấp từ nhà sản xuất chip, có 02 file rất quan trọng cho phép người dùng tùy biến theo mục đích sử dụng:

- Tập tin device tree: Để cho nhân linux có thể hiểu được cấu hình phần cứng bên dưới, chúng ta cần cung cấp cho nhân tập tin device-tree được tạo ra ở bước viết BSP hoặc được nhà sản xuất chip cung cấp sẵn Tập tin dts này là một tập tin văn bản, được tổ chức theo dạng “cây” Nó chứa các module phần cứng, địa chỉ được map vào trong bộ nhớ, cùng một số tham số khác Các thông tin này sẽ được nhân sử dụng lúc boot và lúc nạp các trình điều khiển Chúng ta sẽ điều chỉnh và chép tập tin dts này vào thư mục arch/arm/boot/dts

- Tập tin rootfs.cpio: Tập tin *.cpio là tập tin sẽ được nhân linux sử dụng để tạo ra hệ thống file khi nhân vừa khởi động Hệ thống file này còn thường được gọi với tên “init RAM disk” (trong các nhân linux cũ) hoặc “init RAM file system” (đối với các nhân mới) Đối với các trường hợp đặc biệt (hệ thống không có bộ nhớ flash) thì có thể sử dụng luôn hệ thống file này làm hệ thống file chính, sau khi nhân linux khởi động xong

- Một tập tin quan trọng cần phải có trong RAM-fs này là tập tin init Tập tin này sẽ được nhân linux khởi chạy sau khi quá trình nạp của nhân kết thúc Chương trình init

sau đó sẽ có nhiệm vụ khởi tạo các tiến trình cần thiết cho hệ thống Với mục đích sử dụng cho modem 4G LTE tập tin init sẽ chứa các ứng dụng điều khiển các driver LTE stack, các ứng dụng trace, ghi log,

Nhân linux xử dụng cơ chế Kconfig để thực hiện việc cấu hình Kconfig là cơ chế cấu hình tiêu chuẩn hiện nay, nó được sử dụng trong hầu hết các dự án quan trọng hàng đầu của mã nguồn mở như nhân linux, busybox, thư viện μC… Kconfig có cấu trúc khá đơn giản, cho phép sinh ra các menu một cách tự động, trong cả chế độ đồ họa và văn bản, giúp cho việc cấu hình trở nên trực quan và dễ dàng Việc tìm hiểu về Kconfig vượt ngoài nội dung của luận văn này, chúng ta có thể tìm hiểu thêm tại địa chỉ http://kernel.org/doc/Documentation/kbuild/kconfig-language.txt

Sau khi hoàn tất việc cấu hình nhân linux và các trình điều khiển đi kèm (LTE lớp

2, lớp 3) ta sẽ chuyển sang thư mục chứa mã nguồn của nhân, và chạy các lệnh biên dịch

ví dụ như sau:

 export ARCH=arm

 export CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi-

 make zImage dtbs modules

Kết quả của bước biên dịch nhân linux sẽ cho ra: zImage, dtbs, modules Để cài đặt nhân linux lên bo mạch thông thường là cài đặt vào NAND flash

Viết các trình điều khiển thực hiện chức năng LTE Lớp2 và Lớp3: Trên môi

trường linux, hạt nhân linux và các module (trình điều khiển thiết bị) cung cấp hàng loạt các hàm cho phép ứng dụng lớp người dùng (user space) tương tác với phần cứng Một trình điểu khiển tên linux nếu nhìn từ phía không gian người dùng nó thực chất là một file,

và người dùng truy xuất đến thiết bị phần cứng thông qua hành động đọc và ghi Hình 12 dưới đây mô tả giao tiếp của phần kernel với không gian người dùng và thiết bị phần cứng

Events User functions Kernel functions Ghi chú

Remove

module

Trên hệ điều hành Linux Một driver không thể tự nó thực thi mà hoạt động tương

tự như một thư viện được nạp và đăng ký các hàm bởi một ứng dụng đang chạy Driver được viết bằng C, nhưng không có hàm main() Hơn nữa, bởi vì driver được nạp và liên kết với hệ điều hành, nên nó cần được biên dịch giống cách biên dịch nhân hệ điều hành,

và các header files được sử dụng trong mã nguồn driver chỉ là những cái mà nhân hệ điều hành cung cấp, không bao giờ có các hàm của thư viện lập trình C (mà thường để trong thư mục /usr/include)

Quá trình xây dựng trình điều khiển LTE cho hạt nhân linux được thực hiện trên cơ

sở tổ chức lại các module phần mềm LTE lớp 2, lớp 3 và đóng gói chúng thành một trình điều khiển sau đó đưa vào trong quá trình biên dịch nhân linux như đã đề cập đến trong các bước bên trên

Phát triển phần mềm thực hiện các nhiệm vụ xử lý giao thức trong lĩnh vực viễn thông đòi hỏi phải có một bộ khung hỗ trợ cơ chế lập trình hướng sự kiện và buộc phải có

bộ định thời có độ phân giải cao và hoạt động chính xác, phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày thiết kế khung ứng dụng libmain và thư viện timer làm nền tảng cho phát triển phần mềm xử lý băng gốc LTE

3 Khung ứng dụng libmain và thư viện timer

Xuất phát từ các yêu cầu về mặt chức năng nhóm thực hiện luận văn nhận thấy rằng các mềm thực hiện xử lý giao thức trong lĩnh vực viễn thông thường hoạt động theo cơ chế

xử lý các sự kiện theo mô hình không đồng bộ và sử dụng một máy trạng thái (State Machine) theo một vòng lặp vô tận như sau:

1 Khởi động module và nạp các tham số đầu vào

2 Thực thi một thủ tục chức năng theo quy định của giao thức

3 Đợi sự kiện đến trong một khoảng thời gian xác định (do giao thức quy định)

a Nếu có sự kiện đến thì xử lý sự kiện theo trạng thái trước đó và ý nghĩa của sự kiện hiện tại, đồng thời thiết lập trạng thái mới và quay lại bước 2

b Nếu không có sự kiện đến trong khoảng thời gian mong muốn (timeout) thì phải thực hiện lại thủ tục hoặc hủy bỏ thủ tục và thực hiện tiếp các hành động khác theo quy định của giao thức, sau đó lại quay lại bước 2

31

Chu trình trên được chạy lặp vô tận cho đến khi nhận được lệnh kết thúc

Trong mô hình lập trình hướng sự kiện không đồng bộ, chương trình chỉ được kích hoạt mỗi khi có sự kiện nào đó xảy ra Nếu không có sự kiện, chương trình sẽ chuyển sang trạng thái "ngủ" (sleeping - không chiếm CPU để tiết kiệm pin của thiết bị đầu cuối) Với mỗi sự kiện, chương trình cần phải định nghĩa một hành động tương ứng Việc xác định hành động cho các sự kiện bằng câu lệnh switch, theo kinh nghiệm, thường tỏ ra kém linh hoạt khi phát triển các chương trình phức tạp Trong khi đó, với việc sử dụng con trỏ hàm (ngôn ngữ C) và tổ chức tốt bảng ánh xạ sự kiện sẽ tạo nên một mã nguồn sáng sủa và dễ hiểu khi định nghĩa hành động cho các sự kiện, đồng thời hỗ trợ cho việc module hóa chương trình phần sau đây cảu luận văn sẽ trình bày cách thức tổ chức thực hiện và các hàm APIdo libmain cung cấp

Ghi chú: Theo lệ thường, hàm xử lý signal sẽ được thực hiện trong một ngữ cảnh

ưu tiên so với chương trình chính, điều này thường gây phiền phức về mặt đồng bộ Để tránh vấn đề này, phiên bản LIBMAIN trên Linux tổ chức một hàng đợi cho phép xử lý tuần tự các signal trong chương trình chính

Định dạng của chương trình chính viết trên Libmain:

Chương trình chính được implement trong hàm sau:

int AppMain (MODULE *pModList, int (* fnStartup)(void));

Thuật toán của khung chương trình chính như sau:

- Khởi tạo nội bộ

- Khởi tạo (setup) các module của chương trình theo danh sách trong mảng pModList (xem mục khia báo các module), nếu có lỗi thì thông báo và kết thúc