M c đích cu i cùng là tăng thông lư ng h th ng bằng cách sử d ng những giao di n truyền dẫn nâng cao dựa trên công ngh đa truy cập mới cùng nhiều nâng cấp quan trọng khác trong mạng lõi.
Trang 1TRƯỜNG Đ I H C QUỐC GIA HĨ NỘI
Đ I H C CỌNG NGHỆ
KHOA ĐIỆN T VIỄN THỌNG
BÁO CÁO Đ TĨI NGHIÊN CỨU
K thu t l p l ch liên sóng mang (Cross-Carrier Scheduling)
trong m ng LTE s dụng k t h p sóng mang (Carrier Aggregation)
Môn học: Các vấn đề hi n đại c a Công ngh Vi n thông
Học viên: Đinh Vi t Anh Ngày sinh: 27 / 09 / 1991
Mã Học viên: 15025080 Khóa: K22KTVT Giảng viên: TS Nguy n Nam Hoàng
TS Đinh Triều Dương
Hà N i, Tháng 9/2015
Trang 2Trang 2
Mục lục
TịM T T 3
1 M NG TH HỆ THỨ TƯ 4G LTE 4
1.1.KHÁI NI M 4GLTE 4
1.2.MÔ HÌNH H TH NG 5
1.2.1 C ấu trúc và các thành phần trong m ng LTE 5
1.2.2 Ảiao thức trong giao diện vô tuyến 7
1.2.3 Các kênh truyền trong hệ thống LTE 10
1.3.PHÂN B TÀI NGUYÊN H TH NG 11
2 K THU T K T H P SÓNG MANG 17
2.1.KHÁI NI M K T H P SÓNG MANG (CA) 17
2.2.TÁC Đ NG C A CALÊN H TH NG LTE 19
3 K THU T L P L CH LIÊN SÓNG MANG 22
TỔNG K T 25
TĨI LIỆU THAM KH O 26
Trang 3Trang 3
Tóm t ắt
Trong m t thập kỉ qua, những ứng d ng đa phương ti n hoạt đ ng trên thi t bị đầu cu i (đi n thoại thông minh, máy tính bảng, laptop, v.v.) đang phát triển rất mạnh m song hành với sự phát triển c a h th ng truyền thông băng r ng Những ứng d ng này yêu cầu
t c đ dữ li u nhanh hơn cùng tính tương tác th i gian thực cao hơn Vì l đó, mạng th
h thứ tư 4G LTE đư c phát triển dựa trên nền tảng c a công ngh mạng th h thứ ba 3G
UMTS nhằm cho phép thuê bao truy cập Internet từ thi t bị đầu cu i với t c đ cao và đ
tr thấp Từ đó đáp ứng đư c nhu cầu ngày càng gia tăng và khắt khe c a ngư i dùng
Th nhưng, nhu cầu c a con ngư i là vô hạn Những n i dung s chất lư ng cao như HD video streaming, thậm chí 4K video streaming đang nổi lên mạnh m trong vài năm gần đây Đồng nghĩa với vi c, cần có m t công ngh mới đư c sinh ra để đáp ứng nhu cầu đó 4G LTE với băng thông t i đa chỉ 20 MHz cho t c đ dữ li u t i đa 150 Mbps trên thực
t không đáp ứng đư c đòi h i c a n i dung s chất lư ng cao Cải ti n về mặt công ngh truyền dẫn là rất khó khi OFDM vẫn là sự lựa chọn t i ưu hơn cả Vì vậy, 3GPP đã nghiên cứu và phát triển ra m t giải pháp nhằm tăng băng thông c a ngư i dùng bằng
cách k t h p nhiều sóng mang với nhau, song song nhau cùng truyền dữ li u đ n cho ngư i dùng Công ngh này đư c gọi là k t h p sóng mang (Carrier Aggregation), trên lí
t i đa 1.5 Gbps Nhưng thực t các nhà mạng hi n tại trên th giới, băng thông t i đa mới chỉ lên đ n 60 MHz và t c đ thực t lên đ n hơn 300 Mbps
Như đã bi t, tài nguyên tần s là có hạn nên vi c m r ng băng thông t i đa 100 MHz là rất khó Chính vì th , vi c tận d ng đư c những phần dư thừa để ti t ki m tài nguyên h
th ng là vô cùng cần thi t Khi k t h p hai, ba hay nhiều hơn các sóng mang, ngoài vi c lập lịch m t cách hi u quả trên từng sóng mang, ngư i ta còn phát triển phương pháp lập lịch liên sóng mang (Cross-carrier scheduling) nhằm sử d ng phần tài nguyên v n dành cho các kênh điều khiển để truyền dữ li u ngư i dùng
Trong báo cáo này, tôi s nói sơ lư c về mô hình c a h th ng 4G LTE, nhấn mạnh vào
vi c phân bổ tài nguyên sử d ng trong vi c truyền dữ li u ngư i dùng cũng như dữ li u điều khiển Dựa vào đó s chỉ ra sự lãng phí tài nguyên h th ng khi sử d ng k t h p nhiều sóng mang và chỉ ra tính hi u quả c a phương pháp lập lịch liên sóng mang
Trang 4Trang 4
Trong chương này, tôi sẽ trình bày sơ lược về khái niệm LTE và những đặc tính nổi bật của nó đồng thời đưa ra mô hình hệ thống Và nội dung chính sẽ tập trung vào cách thức phân bố tài nguyên trong hệ thống LTE
1.1 Khái ni ệm 4G LTE
4G LTE ậ Long Term Evolution, đư c phát triển b i tổ chức 3GPP - Third Generation
Partnership Project, là m t chuẩn mới cho truyền thông không dây với t c đ dữ li u cao cho đi n thoại di đ ng và các thi t bị đầu cu i khác
Hình 1.1 Tổng quan hệ thống m ng truyền thông tương lai
Những công ngh đư c sử d ng trong LTE là những bước ti n c a th h mạng 2G (GSM/EDGE) và 3G (UMTS/HSPA) M c đích cu i cùng là tăng thông lư ng h th ng bằng cách sử d ng những giao di n truyền dẫn nâng cao dựa trên công ngh đa truy cập mới cùng nhiều nâng cấp quan trọng khác trong mạng lõi Từ nền tảng đó cung cấp nhiều hơn các dịch v tương tác th i gian thực cho ngư i dùng đầu cu i
Mbps trên đư ng xu ng và 75 Mbps đư ng lên, tương ứng với m t hi u suất phổ và t c
Trang 5Trang 5
đ bit gấp 3-4 lần đư ng xu ng và 2-3 lần đư ng lên c a h th ng UMTS/HSPA H
th ng LTE có tính linh hoạt cao hơn nhiều so với những h th ng cũ do nó cung cấp nhiều kích thước băng thông hoạt đ ng, từ 1.4 MHz cho đ n 20 MHz LTE yêu cầu đ tr
c a ngư i dùng chỉ 5 ms với băng thông 5 MHz tr lên và 10 ms với băng thông hẹp hơn
quả sử d ng phổ tần c a h th ng LTE cũng tăng lên rõ r t nh vi c áp d ng kĩ thuật điều
ch bậc cao 64QAM k t h p với công ngh truyền dẫn MIMO, công ngh phân chia kênh theo tần s trực giao (OFDM), mã hóa turbo, mã hóa xoắn Nh vậy, LTE có thể cung cấp m t hi u năng t t trong bán kính 5 km và đảm bảo k t n i trong phạm vi lên đ n 30
hóa Đây là bước đ m c a 3GPP để chuyển đổi từ h th ng mạng lõi đang tồn tại song song hai hình thức chuyển mạch kênh và gói sang chỉ sử d ng chuyển mạch gói
1.2 Mô hình h ệ thống
H th ng 4G LTE đư c phát triển trên nền tảng c a 2G GSM và 3G UMTS/HSPA và
đư c coi là nền tảng cho những công ngh trong tương lai nên bên cạnh những thành phần đóng vai trò cấu thành h th ng, vi c tương thích với hạ tầng mạng th h trước cũng như các h th ng Non-3GPP khác là rất quan trọng
1.2.1 Cấu trúc và các thành phần trong mạng LTE
Hình 1.2.1 dưới đây khái quát các thực thể chính trong mạng LTE cũng như liên k t với mạng 2G/3G
Hình 1.2.1 Cấu trúc hệ thống m ng 4Ả LTE
Trang 6Trang 6
1.2.1.1 Evolved NodeB (eNodeB)
eNodeB là thành phần mới nhất và quan trọng nhất c a mạng truy cập c a LTE – UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Access Network) eNodeB có vai trò điều khiển
E-và quản lí toàn b tài nguyên vô tuy n giữa thi t bị đầu cu i E-và mạng lõi, có thể coi như
sự h p nhất giữa BTS và BSC, NodeB và RNC trong h th ng mạng th h trước Chức năng chính c a eNodeB có thể kể đ n như:
1.2.1.2 Serving Gateway (SGW)
Cổng ph c v (SGW) là thực thể đầu tiên đư c kể đ n trong mạng lõi toàn IP mới mẻ c a LTE SGW đóng vai trò rất quan trọng trong vi c xác định vị trí thuê bao, định tuy n và truyền dữ li u tới ngư i dùng Nhi m v lớn nhất c a SGW là chuyển giao dữ li u ngư i dùng từ mạng vô tuy n vào mạng lõi thông qua giao thức GTP dựa trên những chức năng
sau:
cầu dịch v
tìm gọi khi dữ li u downlink đang ch chuyển tới UE
1.2.1.3 PDN Gateway (PGW)
PDN Gateway là cổng k t n i giữa mạng lõi LTE và các h th ng bên ngoài (Internet, PSTN, …) và các dịch v do các nhà mạng cung cấp (IMS, ePDG, RCS, …) M t thi t bị đầu cu i có thể đồng th i k t n i tới nhiều PDN Gateway để truy cập nhiều PDN cung cấp nhiều dịch v khác nhau Chức năng c a PDN Gateway gồm có:
Trang 7Trang 7
MME - Mobility Management Entity là thành phần ch ch t trong vi c đảm bảo tính tương thích giữa mạng LTE và th h mạng trước Vai trò chính c a MME là quản lí tính
di đ ng c a thi t bị đầu cu i với các chức năng như:
bằng cách tương tác với HSS
h th ng th h trước 2G/3G, cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tính lưu
đ ng giữa LTE và mạng truy cập th h trước
vẹn cho báo hi u NAS và vận hành quản lỦ khóa bảo mật
Cũng gi ng như UMTS/HSPA hay những h th ng truyền thông hi n đại khác, vi c xử lí
dữ li u trong LTE đư c cấu thành b i nhiều lớp giao thức khác nhau M t cái nhìn khái quát về ki n trúc c a các lớp giao thức trên đư ng downlink trong LTE đư c thể hi n
hình 1.2.2.1 dưới đây
Trang 8Trang 8
Hình 1.2.2.1 Các lớp giao thức trong LTE Downlink (User plane)
Dữ li u đư c truyền đi trên đư ng downlink c a tất cả ngư i dùng đư c chuyển đ n chu i các giao thức xử lí dưới dạng các gói tin IP thông qua m t trong những SAE kênh
từng lớp giao thức đư c mô tả sau đây:
IP header nhằm giảm s lư ng bit cần truyền qua giao di n vô tuy n Cơ ch nén hoạt đ ng dựa trên Robust Header Compression (RoHC), m t thuật toán nén header chuẩn cũng đư c sử d ng trong WCDMA và m t s chuẩn truyền thông di
đ ng khác PDCP cũng có vai trò trong vi c mã hóa và bảo toàn dữ li u đư c truyền đi phía thu, PDCP tương ứng thực hi n chức năng giải mã và giải nén Với m i SAE kênh mang đư c cấu hình cho m t ngư i dùng s có m t thực thể PDCP tương ứng
Trang 9Trang 9
quản lí cơ ch kiểm tra, sửa l i và truyền lại ARQ, và cắt ghép dữ li u để chuyển
ti p lên tầng cao hơn Không gi ng với UMTS/HSPA, giao thức RLC nằm ngay tại eNodeB do chỉ có m t loại node duy nhất trong ki n trúc mạng k t n i vô tuy n
c a LTE RLC cung cấp dịch v cho PDCP dưới dạng các radio kênh mang Với
m i radio kênh mang đư c cấu hình cho ngư i dùng s có m t thực thể RLC tương ứng
lập lịch cho đư ng lên và đư ng xu ng, cơ ch Hybrid-ARQ ph c v cho vi c kiểm tra l i, sửa l i và truyền lại gói tin bị l i, ph i ghép và phân chia dữ li u nhận
từ RLC thành các transport block để chuyển ti p xu ng tầng vật lí và tách dữ li u
từ những transport block gửi lên từ tầng vật lí B lập lịch đư c đặt eNodeB với
m t thực thể MAC dành cho m i cell, quản lí cả đư ng downlink và uplink Phần giao thức HARQ tồn tại cả bên nhận và bên thu Lớp MAC cung cấp dịch v cho
RLC thông qua các kênh logic
điều ch , multi-antenna mapping, quản lí thích ứng kênh, điều khiển công suất, tìm
ki m cell (trong quá trình đồng b và chuyển giao) và đo đạc chất lư ng kênh (trong n i b h th ng LTE cũng như giữa LTE và các h th ng khác) Lớp vật lí cung cấp dịch v cho lớp MAC dưới dạng các kênh truyền dẫn
Ngoài những lớp giao thức đảm nhi m vi c xử lí và truyền nhận dữ li u c a ngư i dùng,
ki n trúc LTE còn cung cấp hai thực thể có chức năng quản lí dữ li u điều khiển
ảình 1.2.2.2 Toàn bộ kiến trúc giao thức của LTE
Trang 10Trang 10
gửi và nhận quảng bá các bản tin System Information; gửi và nhận Paging; kh i tạo, duy trì và h y b m t k t n i RRC giữa UE và E-UTRAN; đảm nhi m chức năng kh i tạo, bảo mật, duy trì và h y b những kênh mang vô tuy n
cao nhất trong phần điều khiển giữa UE và MME Giao thức NAS quản lí tính di
đ ng c a UE và quản lí phiên nhằm thi t lập và duy trì m t k t n i IP giữa UE và
PDN GW
So với h th ng 3G UMTS, đ phức tạp c a ki n trúc giao thức LTE đã giảm đi rõ r t khi
s lư ng các kênh truyền tải đư c cắt giảm đáng kể do tập trung vào chia sẻ kênh hoạt
đ ng khi n s lư ng kênh chuyên d ng còn rất nh
Hình 1.2.3.1 Sơ đồ phân chia kênh đường xuống trong LTE
ảình 1.2.3.2 Sơ đồ phân chia kênh đường lên trong LTE
Trang 11Trang 11
Toàn b h th ng kênh logic phức tạp trên đư ng xu ng, bao gồm cả kênh điều khiển (BCCH, CCCH, DCCH, MCCH) và kênh truyền dữ li u (DTCH, MTCH) đã đư c g p chung lại để sử d ng tài nguyên chung c a kênh DL-SCH c a lớp truyền tải, tương ứng là kênh PDSCH c a lớp vật lí Tương tự với đư ng lên, m t kênh vật lí PUSCH mang dữ
li u cho tất cả 3 kênh logic c a đư ng lên thông qua kênh truyền tải UL-DSH
Tại lớp vật lí, bên cạnh kênh PDSCH để truyền tải toàn b dữ li u để giao ti p với thi t bị đầu cu i (dữ li u thực sự Ủ nghĩa với ngư i dùng), các kênh PCFICH (Physical Control
Format Indicator Channel), PHICH (Physical HARQ Indicator Channel), PDCCH (Physical Downlink Control Channel) có nhi m v truyền tải các thông tin liên quan đ n phân bổ tài nguyên h th ng Kênh PCFICH đư c truyền tại m i subframe, mang thông tin về CFI để báo cho thi t bị đầu cu i về s lư ng OFDM symbol đư c sử d ng cho
kênh PDCCH Kênh PDCCH thông báo cho UE về cấu hình tài nguyên đư c phân bổ cho
PCH và DL-SCH, và thông tin liên quan đ n cơ ch HARQ c a kênh DL-SCH Kênh PDCCH cũng mang thông tin lập lịch cho đư ng uplink Kênh PHICH mang thông tin ACK/NACK cho những gói tin đư ng uplink Tương tự đư ng uplink, ngoài kênh PUSCH dành cho dữ li u ngư i dùng, kênh PRACH (Physical Random Access Channel)
và kênh PUCCH (Physical Uplink Control Channel) đóng vai trò thi t lập và cấu hình k t
n i RRC giữa thi t bị đầu cu i và mạng E-UTRAN
Bên cạnh những kênh truyền tải kể trên, cũng cần nhắc đ n tín hi u tham khảo (Reference Signal) và tín hi u đồng b (PSS và SSS) Những kênh truyền và tín hi u này có vai trò
vô cùng quan trọng trong hi u quả làm vi c c a h th ng LTE, đồng th i chi m m t
lư ng đáng kể tài nguyên c a h th ng b i thi t bị đầu chỉ có thể nhận ra và giải mã các kênh này khi chưa có k t n i RRC khi vị trí và kích thước tài nguyên dành cho các kênh này đư c thi t lập c định và không thể thay đổi linh hoạt Trong phần ti p theo s nói rõ hơn về cách các kênh vật lí đư c phân bổ trong không gian tài nguyên h th ng
1.3 Phân b ố tài nguyên hệ thống
là 2 slot liên ti p Sub-frame thứ i chứa slot 2i và 2i+1 M i slot chứa 7 hoặc 6 OFDM symbol tùy thu c vào cấu hình các khoảng bảo v Cyclic Prefix Hình 1.3.1 thể hi n chi
ti t về cấu trúc m t sub-frame c a LTE
Trang 12Trang 12
Hình 1.3 1 Cấu trúc một sub-frame trong LTE trên miền thời gian
Trong mạng LTE, tài nguyên vô tuy n có thể đư c hình dung là m t lưới các kh i tài nguyên trong miền th i gian - tần s M i kh i tài nguyên là m t phần c a m t slot, trải dài trong m t băng thông 180 kHz Băng thông này đư c chia làm 12 sóng mang con,
m i sóng mang có băng thông 15 kHz M i kh i tài nguyên lại bao gồm 84 thành phần tài nguyên (trong trư ng h p cyclic prefix bình thư ng) hoặc 72 thành phần tài nguyên (trong trư ng h p cyclic prefix m r ng) M i thành phần tài nguyên là m t phần c a OFDM symbol đư c mang trên m t sóng mang Hình 1.3.2 biểu di n m t block tài nguyên trên mặt phẳng th i gian - tần s
ảình 1.3.2 Block tài nguyên trong miền thời gian - tần số
Ngoài các khái ni m cơ bản đư c nhắc trên, khi đi sâu nghiên cứu LTE cần có thêm
m t vài khái ni m sau liên quan đ n vi c phân b tài nguyên h th ng:
Trang 13Trang 13
nguyên liên ti p không kể tín hi u tham khảo trên cùng m t OFDM symbol và trong cùng m t block tài nguyên
tài nguyên đư c phân bổ trong những OFDM symbol đầu tiên
ảình 1.3.3, 1.3.4 Ví dụ về REẢ và CCE
Những thành phần này có nhiều cấu hình khác nhau, gọi là Aggregation Level, để từ đó cung cấp cho thi t bị đầu cu i vị trí và kích thước c a phần tài nguyên dành cho kênh điều khiển Từ đó thi t bị có thể d dàng đồng b và truyền nhận dữ li u
Trang 14Trang 14
Hình 1.3.3 và 1.3.4 phía trên cho m t cái nhìn trực quan hơn về REG, CCE và
Aggregation level S lư ng CCE cấu thành nên m t PDCCH có thể là 1, 2, 4 hoặc 8 CCE liên ti p, đư c xác định b i thông tin cấu hình trên PCFICH (CFI - Control Format
Indicator) và đ r ng băng thông M i PDCCH chứa chính xác m t DCI (Downlink Control Information) mang các thông s cấu hình cho đư ng downlink ví d như kh i tài nguyên nào mang tài nguyên dành cho UE, cấu hình giải điều ch nào đư c sử d ng để