NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LTE ĐƯỜNG XUỐNG

•Chương 1: Khái quát truy nhập vô tuyến. Trong chương này trình bày một số mục tiêu thiết kế hệ thống LTE và sự truy nhập vô tuyến cũng như kiến trúc giao diện vô tuyến của hệ thống LTE.•Chương 2: Lớp vật lý đường xuống. Chương này đi sâu nghiên cứu các kỹ thuật và giải pháp được dùng trong quá trình xử lý dữ liệu đường xuống tại lớp vật lý của hệ thống LTE. •Chương 3: Các thủ tục truy nhập LTE. Phần này đi vào trình bày thứ tự các bước tiến hành kết nối liên lạc giữa các đầu cuối di động ở các trạng thái khác nhau.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹthuật, ngành điện tử viễn thông đã có những bước phát triển vượt bậc Đặcbiệt là dịch vụ thông tin di động thì ngay từ khi mới ra đời nó đã phát triểnrất nhanh cả về quy mô và công nghệ Trước sự phát triển năng động củakinh tế xã hội, các dịch vụ thông tin di động không chỉ giới hạn cho cáckhách hàng giàu có, các nhà doanh nghiệp, quản lý mà đã phổ cập cho mọiđối tượng trong xã hội

Trên thực tế hiện nay, công nghệ tế bào được chỉ định bởi 3GPPđược triển khai rộng nhất trên thế giới, với số lượng người sử dụng vượttrên 2 tỉ người năm 2006 Bước nghiên cứu và phát triển mới nhất trong3GPP là sự phát triển 3G thành một mạng truy nhập vô tuyến phát triểnđược gọi là LTE và mạng lõi truy nhập vô tuyến SAE LTE/SAE được hyvọng là sẽ khai thác lần đầu khoảng 2009-2010 LTE tập chung vào cácmục tiêu cơ bản như sau:

• Tăng đáng kể tốc độ dữ liệu đỉnh

• Tăng tốc độ bít tại rìa tế bào

• Cải thiện độ trễ

• Mềm dẻo hoá dải thông

• Độ phức tạp của hệ thống và đầu cuối, giá thành và sự tiêu thụnguồn có thể chấp nhận được

• Có thể tương thích cùng với các phiên bản đầu và các hệ thốngkhác

Công nghệ LTE cùng với các mục tiêu thiết kế cơ bản như trên sẽ hứa hẹn

là một công nghệ được lựa chọn trong tương lai để cung cấp các dịch vụ đadạng và phong phú hơn với chất lượng cao hơn cho khách hàng

Mặc dù LTE là một công nghệ còn hết sức mới mẻ chưa được triểnkhai trên thực tế nhưng nó có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với tất cả cáccông nghệ trước đó của 3GPP và mang tính khả thi rất cao Hơn nữa sựnhạy bén trước cái mới, tìm hiểu để nắm bắt công nghệ mới là điều tối cầnthiết đối với một người kỹ sư để bổ sung kiến thức, nâng cao trình độchuyên môn nghiệp vụ đáp ứng được yêu cầu nhiệm vụ đặt ra Chính vì lý

do đó tôi mạnh dạn chọn công nghệ LTE làm đối tượng nghiên cứu Do sựhạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án tôi tập trung đi sâunghiên cứu công nghệ LTE cho đường xuống Đồ án được chia làm bachương:

• Chương 1: Khái quát truy nhập vô tuyến Trong chương nàytrình bày một số mục tiêu thiết kế hệ thống LTE và sự truynhập vô tuyến cũng như kiến trúc giao diện vô tuyến của hệthống LTE

• Chương 2: Lớp vật lý đường xuống Chương này đi sâunghiên cứu các kỹ thuật và giải pháp được dùng trong quá trình

xử lý dữ liệu đường xuống tại lớp vật lý của hệ thống LTE

• Chương 3: Các thủ tục truy nhập LTE Phần này đi vào trìnhbày thứ tự các bước tiến hành kết nối liên lạc giữa các đầu cuối

di động ở các trạng thái khác nhau

Do thời gian và khuôn khổ đồ án có hạn, hơn nữa vấn đề nghiên cứucòn rất mới mẻ nên không thể tránh được các thiếu sót, kính mong được sựchỉ bảo hơn nữa của các thầy cô giáo

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN LTE

Hiện nay, các mạng UMTS đang được nâng cấp đến truy nhập góiđường xuống tốc độ cao HSPA (HSDPA: High Speed Downlink PacketAceess) để mà tăng tốc độ dữ liệu và dung lượng cho dữ liệu gói đườngxuống Trong bước tiếp theo, truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA(HSUPA: High Speed Uplink Packet Access) sẽ tăng hiệu suất đường lêntrong các mạng UMTS Trong khi HSDPA đã được giới thiệu trong 3GPPphiên bản 5 thì HSUPA là một đặc tính quan trọng của 3GPP phiên bản 6

Sự kết hợp của HSUPA và HSDPA thường được gọi là HSPA (High SpeedPacket Access) như được minh hoạ trong hình 1.1

Hình 1.1 Lộ trình tiến lên thế hệ thông tin di động 4G

Tuy nhiên, cùng với sự giới thiệu về HSPA thì sự phát triển củaUMTS chưa phải là giới hạn của nó HSPA+ sẽ mang lại sự tăng đáng kểtrong 3GPP phiên bản 7 Mục đích là để tăng hiệu suất của các mạng vôtuyến HSPA về mặt hiệu quả phổ, tốc độ dữ liệu đỉnh, độ chờ và khai thácđầy đủ khả năng MIMO (Multiple Input Multiple Output) đường xuống,

điều chế bậc cao cho đường xuống và đường lên, cải thiện các giao thứclớp 2 và duy trì kết nối dữ liệu.

Để đảm bảo tính cạnh tranh của UMTS cho 10 năm tới hay xa hơn,các khái niệm đối với sự phát triển lâu dài LTE (Long Term Evolution) đãđược khám phá Mục đích là một tốc độ dữ liệu cao, độ chờ thấp và côngnghệ truy nhập vô tuyến trên cơ sở gói được tối ưu Vì vậy, một nghiên cứunữa đã được phát động trong 3GPP phiên bản 7 dựa trên E-UTRA(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) và E-UTRAN (Evolve UMTSTerrestrial Radio Access Network) Sau đó, LTE/E-UTRA sẽ tạo nên bộphận của các đặc điểm kỹ thuật cốt lõi của 3GPP phiên bản 8

Trong nội dung nghiên cứu về LTE, công việc đầu tiên của 3GPP tậptrung vào xác định các yêu cầu ví dụ như các mục đích thiết kế cho tốc độ

dữ liệu, dung lượng, hiệu quả phổ và độ trễ Cũng như các khía cạnhthương mại như giá thành cho sự lắp đặt và hoạt động của mạng này đãđược xem xét đến Trên cơ sở các yêu cầu đó thì các khái niệm đối với các

sơ đồ truyền dẫn giao diện không gian và các giao thức đã được nghiêncứu Đáng chú ý LTE sử dụng các sơ đồ đa truy nhập mới trên các giaodiện không gian: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)trong đường xuống và SC-FDMA (Single Carrier Frequency DivisionMultiple Access) trong đường lên Hơn nữa, các sơ đồ anten MIMO tạothành một bộ phận thiết yếu của LTE

1.1 Các yêu cầu đối với LTE

LTE tập trung vào hỗ trợ tối ưu các dịch vụ chuyển mạch gói Cácyêu cầu chính đối với thiết kế của một hệ thống LTE đã được cho trong3GPP TR25.913 và có thể tóm tắt như sau:

1 Các dải thông được hỗ trợ là: 1.25, 2.5, 5.0, 10.0 và 20 MHz

2 Tốc độ dữ liệu đỉnh trong sự phân chia phổ 20 MH

a Tốc độ đỉnh đường xuống bằng 100 Mbps

a Đường xuống: Gấp 3 tới 4 lần HSDPA phiên bản 6.

b Đường lên: Gấp 2 tới 3 lần HSUPA phiên bản 6

5 Độ trễ

a Độ trễ mặt phẳng điều khiển (Control-Plane) tính bằng thờigian để nó chuyển từ các trạng thái đầu cuối không tích cực tới trạngthái tích cực ở đó đầu cuối có thể phát/thu dữ liệu và quy định nhỏhơn (50 – 100) ms

b Độ trễ mặt phẳng người dùng (User-plane) được tính bằngthời gian nó tiêu tốn để phát một gói IP nhỏ từ đầu cuối tới rìa RAN.Quy định thời gian truyền cho một chiều không vượt quá 5 ms

6 Tính di động

Hiệu suất hệ thống nên được tối ưu đối với các tốc độ thấp (<

15 km/h) Nhưng các tốc độ di động cao hơn sẽ được hỗ trợ Tốc độtối đa mà hệ thống LTE có thể quản lý là 350 km/h thậm chí lên đến

500 km/h phụ thuộc vào băng tần

7 Sự tác động lẫn nhau

Sự tác động lẫn nhau giữa các hệ thống UTRAN/GERAN vàcác hệ thống không phải 3GPP sẽ được bảo đảm Các đầu cuối đachế độ sẽ hỗ trợ sự chuyển giao cuộc gọi tới/ từ UTRAN và GERANcũng như các phép đo giữa các công nghệ Thời gian gián đoạn đốivới chuyển giao cuộc gọi giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽnhỏ hơn 300 ms đối với các dịch vụ thời gian thực và nhỏ hơn 500

ms đối với các dịch vụ thời gian không thực

8. Sự phân chia phổ

LTE hỗ trợ cả phổ cặp (FDD) lẫn phổ không theo cặp (TDD)

Sơ đồ song công hay sự sắp xếp song công là một thuộc tính của mộtcông nghệ truy nhập vô tuyến Tuy nhiên, một sự phân chia phổ chotrước cũng được kết hợp một cách đặc trưng cùng với một sơ đồsong công riêng Các hệ thống FDD được triển khai theo các sự phânchia phổ cặp trong đó có một dải tần số dành cho truyền dẫn theođường xuống, còn dải kia dành cho truyền dẫn theo đường lên Các

hệ thống TDD được triển khai theo các sự phân chia không theo phổcặp

Một ví dụ là phổ IMT-2000 tại 2 GHz, đó là ‘băng lõi’ IMT-2000.Như biểu diễn trong hình 1.2, nó gồm có cặp băng tần 1920-1980 MHz và2110-2170 MHz dành cho truy nhập vô tuyến FDD cơ bản Hai băng tần1910-1920 MHz và 2010-2025 MHz dành cho truy nhập vô tuyến TDD cơbản

Hình 1.2 Cấp phát phổ ‘băng lõi’ IMT cơ bản tại 2 GHz

Sự phân chia cặp đối với FDD trong hình 1.2 là 2 x 60 MHz, nhưngphổ có thể dùng được đối với một nhà khai thác mạng đơn lẻ có thể là 2 x

20 MHz hoặc thậm chí 2 x 10 MHz Trong các băng tần khác thậm chí ítphổ hơn có thể dùng được Hơn nữa, sự di chuyển của phổ hiện nay dùngcho các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau nhất thiết phải thực hiện

từ từ để đảm bảo rằng số lượng của các phần phổ còn lại đủ để hỗ trợ nhiềungười dùng hiện tại

Hình 1.3 Ví dụ về LTE có thể được di chuyển từng bước vào trong một

sự phân chia phổ cùng với một sự triển khai GSM gốc

Vì vậy, lượng phổ mà có thể được di chuyển theo hướng LTE lúcban đầu có thể tương đối nhỏ, sau đó có thể sẽ từ từ tăng lên, như đã biểudiễn trong hình 1.3 Sự thay đổi của các viễn cảnh phổ có thể có sẽ đưa đếnmột sự quy định cho tính mềm dẻo phổ đối với LTE về mặt các dải thôngtruyền dẫn được hỗ trợ

1.2 Truy nhập vô tuyến LTE

1.2.1 Các sơ đồ truyền dẫn: OFDM đường xuống và SC-FDMA đường lên

Sơ đồ truyền dẫn đường xuống dựa trên cơ sở OFDM (OrthogolnalFrequency-Division Mtilplexing ) Do thời gian symbol OFDM tương đốidài kết hợp với một tiếp đầu tuần hoàn CP (CP:Cycle Prefix), OFDM cósức chịu đựng cao về mặt chống lại độ chọn lọc tần số kênh Mặc dù sự sailạc tín hiệu do một kênh chọn lọc theo tần số về nguyên lý có thể được xử

lý bằng cách san bằng ở bên thu, sự phức tạp của việc san bằng bắt đầu trởnên không hấp dẫn để thực thi trong một thiết bị đầu cuối di động tại các độrộng băng trên 5 MHz Vì vậy, OFDM cùng với sức chịu đựng vốn có của

nó đối với pha đinh chọn lọc theo tần số đã được áp dụng cho đườngxuống, đặc biệt là khi được kết hợp cùng với sự ghép không gian

Các lợi ích khi dùng OFDM gồm có:

• OFDM cung cấp sự truy nhập tới miền tần số, theo cách đócho phép thêm độ tự do cho bộ lập lịch+- phụ thuộc kênh sovới HSPA

• Các sự phân chia dải thông mềm dẻo được hỗ trợ một cách dễdàng bởi OFDM, bằng cách biến đổi số lượng các sóng mangcon OFDM được sử dụng cho truyền dẫn Tuy nhiên, chú ýrằng sự hỗ trợ về các sự phân chia nhiều phổ cũng đòi hỏi việclọc RF (Radio Frequency) mềm dẻo, đó là việc làm mà khôngphù hợp cho sơ đồ truyền dẫn chính xác Tuy nhiên nó lại chophép duy trì cấu trúc xử lý băng gốc giống nhau, không quantâm độ rộng của băng thông, làm đơn giản việc thực thi đầucuối

• Sự truyền dẫn quảng bá/đa trạm trong đó các thông tin giốngnhau được phát từ nhiều trạm gốc, được thực hiện dễ dàng nhờOFDM

Đối với đường lên LTE, sự truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên cơ sởOFDM trải DFT (Discrete Fourier Transform) (DFTS-OFDM) được sửdụng Việc sử dụng sự điều chế đơn sóng mang trong đường lên được thúcđẩy nhờ tỷ số đỉnh trên trung bình của tín hiệu được truyền thấp hơn so vớiviệc truyền dẫn đa sóng mang như là OFDM Tỷ số đỉnh–trung bình của tínhiệu được phát nhỏ hơn sẽ có thể cho công suất truyền dẫn trung bình caohơn đối với một bộ khuếch đại cho trước Vì vậy, sự truyền dẫn đơn sóng

mang cho phép sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả hơn, điều nàytương đương với vùng phủ sóng tăng Điều này đặc biệt quan trọng đối vớiđầu cuối bị giới hạn công suất

Ngược lại, đối với đường lên WCDMA/HSPA cũng dựa vào sựtruyền dẫn đơn sóng mang nhưng không trực giao, trong khi đó đường lêncủa LTE dựa trên cơ sở phân tách trực giao những người sử dụng về thờigian và tần số Sự phân tách người dùng trực giao có ích trong nhiều trườnghợp vì nó ngăn ngừa nhiễu nội tế bào Tuy nhiên, sự cấp phát một tàinguyên dải thông tức thời rất lớn cho một người dùng đơn lẻ là một chiếnlược không hiệu quả ở các trường hợp mà trong đó tốc độ dữ liệu chủ yếu

bị giới hạn bởi công suất truyền hơn là dải thông Trong hoàn cảnh như thế,một đầu cuối chỉ được cấp phát một phần của tổng dải thông truyền dẫn vàcác đầu cuối khác có thể phát song song trên phần còn lại của phổ Theocách đó, đường lên LTE này bao gồm thành phần đa truy nhập miền tần số,

kế hoạch truyền dẫn đường lên LTE đôi khi cũng được gọi là FDMA đơnsóng mang (SC-FDMA: Single Carrier-FDMA)

1.2.2 Sự lập lịch phụ thuộc kênh và sự thích nghi tốc độ

Điểm chủ yếu của sơ đồ truyền dẫn LTE là việc sử dụng truyền dẫnkênh chia sẻ, trong đó nguồn tài nguyên thời gian-tần số được chia sẻ mộtcách động giữa những người sử dụng Việc sử dụng truyền dẫn kênh chia

sẻ thích ứng tốt với các yêu cầu nguồn tài nguyên thay đổi một cách nhanhchóng đã được đề ra bởi dữ liệu gói và cũng cho phép một vài công nghệthen chốt khác được sử dụng bởi LTE

Trong mỗi khoảng thời gian ngắn, bộ lập lịch điều khiển để ấn địnhnhững người dùng các tài nguyên được chia sẻ này Nó cũng quyết định tốc

độ dữ liệu được dùng cho mỗi liên kết, tức là sự thích nghi tốc độ và có thểđược xem như một phần của bộ lập lịch này

Bộ lập lịch là một phần tử chủ chốt và quyết định lớn đến hiệu suấttoàn bộ đường xuống, đặc biệt là trong một mạng tải mức cao Sự tăngđáng kể dung lượng hệ thống có thể đạt được nếu các điều kiện về kênhđược đưa vào tính toán trong quyết định lập lịch, nên được gọi là sự lậplịch phụ thuộc kênh (Channel-Dependent-Scheduling) Điều này đã đượckhai thác trong HSPA, nơi mà bộ lập lịch đường xuống này phát tới mộtngười dùng khi các điều kiện kênh thuận lợi để tối đa hoá tốc độ dữ liệu, và

ở phạm vi nào đó cũng có khả năng thực hiện đối với đường lên được nângcao

Hình 1.4 Lập lịch trình phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian

và tần số

Tuy nhiên, thêm vào miền thời gian này LTE cũng có cả truy nhậptới miền tần số, nhờ có sử dụng OFDM trong đường xuống và DFTS-OFDM trong đường lên Cho nên, với mỗi miền tần số, bộ lập lịch có thểlựa chọn người dùng cùng với các điều kiện kênh tốt nhất Nói cách khác,việc lập lịch trong LTE không chỉ có thể đưa các sự biến đổi kênh vào tínhtoán ở miền thời gian như HSPA mà còn trong cả miền tần số Điều nàyđược minh hoạ trong hình 1.4

Khả năng đối với việc lập lịch phụ thuộc kênh ở miền tần số là có íchnhất tại các tốc độ đầu cuối thấp, nói cách khác khi kênh này đang thay đổimột cách chậm chạp theo thời gian Việc lập lịch phụ thuộc kênh dựa vàocác sự biến đổi chất lượng kênh giữa những người dùng để đạt được lợi ích

về dung lượng hệ thống Đối với các dịch vụ nhạy với trễ, một bộ lập lịchmiền thời gian duy nhất có thể bị bắt buộc để lập một người dùng cụ thể,bất chấp chất lượng kênh đang tại đỉnh của nó hay không Trong hoàn cảnhnhư vậy, việc lợi dụng các sự biến đổi chất lượng kênh cả trong miền tần số

sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống Đối với LTE, các quyếtđịnh lập lịch có thể được thực hiện mỗi 1ms một lần và trong miền tần số là

180 kHz Điều này cũng cho phép các sự biến đổi kênh tương đối nhanhđược theo dõi nhờ bộ lập lịch này

a Lập lịch đường xuống

Ở đường xuống, mỗi đầu cuối thông báo một sự đánh giá về chấtlượng kênh tức thời tới trạm gốc Các đánh giá này thu được nhờ phép đodựa vào một tín hiệu chuẩn được phát bởi trạm gốc và cũng được dùng chocác mục đích điều chế Dựa vào đánh giá chất lượng kênh, bộ lập lịchđường xuống có thể ấn định các nguồn tài nguyên cho những người sửdụng, đưa các chất lượng kênh vào trong tính toán Về nguyên lý, một đầucuối được lập lịch có thể được ấn định một tập bất kỳ của các khối tàinguyên rộng 180 kHz trong mỗi khoảng thời gian lập lịch 1ms

b Lập lịch đường lên

Đường lên LTE được dựa vào sự phân tách trực giao của nhữngngười sử dụng và nó làm nhiệm vụ của bộ lập lịch đường lên để ấn địnhcác tài nguyên trong cả miền thời gian lẫn miền tần số (kết hợp TDMA vàFDMA) cho những người dùng khác nhau Các quyết định lập lịch đượcđưa ra một lần cho mỗi ms để điều khiển các đầu cuối di động mà đượcphép phát bên trong một tế bào trong một khoảng thời gian đã cho về

những tài nguyên tần số truyền dẫn sẽ thực hiện và những tốc độ dữ liệuđường lên (dạng truyền tải) mà sử dụng Chú ý rằng chỉ một miền tần số

kề nhau được ấn định cho các đầu cuối di động trong đường lên như là hệquả của việc dùng truyền dẫn đơn sóng mang trên đường xuống LTE

Các điều kiện kênh có thể được đưa vào trong tính toán trong quátrình xử lý lập lịch đường lên giống như việc lập lịch cho đường xuống.Tuy nhiên, thông tin thu được về các điều kiện kênh đường lên này là mộtnhiệm vụ không phải không quan trọng Vì vậy, các phương pháp khácnhau để đạt được sự phân tập đường lên là điều quan trọng như một sự bổxung trong các hoàn cảnh mà sự lập lịch phụ thuộc kênh không được sửdụng

c Sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào

LTE cung cấp tính trực giao giữa những người sử dụng bên trongmột tế bào trong cả đường xuống lẫn đường lên Vì vậy, hiệu suất LTE vềmặt hiệu quả phổ và tốc độ dữ liệu đã dùng bị hạn chế hơn bởi nhiễu từ các

tế bào khác (nhiễu liên tế bào) so với WCDMA/HSPA Do đó, các phươngpháp để giảm hoặc kiểm soát nhiễu liên tế bào có thể cung cấp lợi ích đáng

kể về hiệu suất LTE, nhất là về mặt dịch vụ (các tốc độ dữ liệu, v v ) để cóthể được cung cấp cho nhiều người dùng ở mép tế bào đó

Sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào là một chiến lược lập lịch trong đócác tốc độ dữ liệu rìa tế bào được tăng nhờ việc đưa nhiễu liên tế bào vàotrong tính toán Về cơ bản, sự lập toạ độ nhiễu liên tế bào đưa các sự hạnchế (miền tần số) nào đó tới các bộ lập lịch đường lên và đường xuốngtrong một tế bào để kiểm soát nhiễu liên tế bào Nhờ khống chế công suấttruyền dẫn của các thành phần của phổ trong một tế bào, nhiễu ở các tế bàoláng giềng gặp trong thành phần của phổ này sẽ được giảm Thành phầncủa phổ này sau đó có thể được dùng để cung cấp các tốc độ dữ liệu caohơn cho nhiều người sử dụng trong tế bào láng giềng Về bản chất, hệ số

dùng lại tần số là khác nhau trong các phần khác nhau của tế bào (hình1.5).

Hình 1.5 Ví dụ về sự lập toạ độ nhiễu liên cell nơi mà phổ bị hạn chế về

mặt công suất truyền

1.2.3 ARQ lai cùng với sự kết hợp mềm

ARQ lai nhanh kết hợp mềm được sử dụng trong LTE với các lý dorất giống như trong HSPA, cụ thể là để cho phép đầu cuối yêu cầu truyềnlại một cách nhanh chóng các khối truyền tải thu được bị nhầm và cung cấp

một công cụ cho sự thích nghi tốc độ ngầm Giao thức cơ bản cũng giống

với cái đã dùng đối với HSPA- nhiều quá trình xử lý ARQ lai dừng và đợisong song Những sự truyền lại có thể được yêu cầu nhanh chóng sau sựtruyền mỗi gói Độ dư thừa tăng lên được dùng như chiến lược kết hợpmềm và các bộ đệm các bit mềm máy thu có thể thực hiện sự kết hợp mềmgiữa các lần thử

1.2.4 Hỗ trợ nhiều anten

LTE đã hỗ trợ nhiều anten tại cả ở trạm gốc lẫn đầu cuối như một bộphận không thể thiếu của đặc tính kỹ thuật Về nhiều khía cạnh việc sử

dụng nhiều anten là kỹ thuật chủ yếu để đạt được các mục đích hiệu suấtLTE lớn Nhiều anten có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau chocác mục đích khác nhau:

• Nhiều anten thu có thể được dùng cho phân tập thu Đối vớicác sự truyền dẫn đường lên, cái này đã được sử dụng trongnhiều hệ thống tế bào cho nhiều năm Tuy nhiên, hai anten thu

là chuẩn cho tất cả các đầu cuối LTE, hiệu suất đường xuốngcũng được cải thiện Cách đơn giản nhất của việc sử dụngnhiều anten thu là sự phân tập thu cổ điển để triệt phađing,nhưng các độ tăng ích thêm vào có thể đạt được trong kịchbản hạn chế nhiễu nếu các anten cũng được dùng không chỉcung cấp sự phân tập chống pha đinh mà còn để khử nhiễu

• Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể dùng cho phân tập phát

và các loại khác về tạo chùm (beam-forming) Mục đích chínhcủa tạo chùm là cải thiện tỉ số SNR và/hoặc SIR thu được,cuối cùng là cải thiện dung lượng hệ thống và vùng phủ sóng

• Ghép không gian (Spatial Multiplexing), đôi khi được gọi làMIMO, sử dụng nhiều anten ở cả máy phát lẫn máy thu được

hỗ trợ bởi LTE Ghép không gian dẫn đến kết quả tốc độ dữliệu được tăng, sự cho phép các điều kiện về kênh, trong cáctrường hợp bị giới hạn dải thông bởi việc tạo một vài kênhsong song

Nhìn chung, các kỹ thuật nhiều anten khác nhau là có ích trong cáctrường hợp khác nhau Ví dụ, tại SNR và SIR tương đối thấp như là tải caohoặc tại rìa tế bào thì việc ghép không gian cho các lợi ích tương đối hạnchế Trong các trường hợp như thế nhiều anten tại bên máy phát nên đượcdùng để tăng SNR/SIR nhờ các phương pháp của tạo chùm Mặt khác,trong các trường hợp mà đã có một SNR và SIR tương đối cao, ví dụ trong

các cell nhỏ, việc tăng chất lượng tín hiệu hơn nữa cung cấp các lợi íchtương đối nhỏ vì các tốc độ dữ liệu có thể đạt được bị giới hạn bởi dảithông là chính hơn là bị giới hạn bởi SIR/SNR Trong các trường hợp nhưthế, ghép không gian nên được dùng để khai thác đầy đủ các điều kiện kênhtốt Sơ đồ nhiều anten đã dùng được điều khiển bởi trạm gốc, do vậy có thểchọn một sơ đồ phù hợp cho mỗi sự truyền dẫn.

1.2.5 Hỗ trợ phát đa trạm và quảng bá

Quảng bá nhiều tế bào đưa đến sự truyền dẫn của các thông tin giốngnhau từ nhiều tế bào Bằng cách khai thác điều này tại đầu cuối, việc sửdụng một cách hiệu quả công suất tín hiệu từ nhiều vị trí tế bào lúc dò tìm

có thể đạt được một sự cải thiện đáng kể về mức độ phủ sóng (hoặc các tốc

độ quảng bá cao hơn) Điều này đã được khai thác trong WCDMA, trong

đó, ở trường hợp quảng bá/đa trạm nhiều tế bào, một đầu cuối di động cóthể thu các tín hiệu từ nhiều tế bào và kết hợp mềm một cách tích cực bêntrong máy thu

LTE thực hiện điều này một bước xa hơn để cung cấp sự quảng bánhiều tế bào hiệu quả cao Bằng cách truyền không chỉ các tín hiệu giốngnhau từ nhiều vị trí tế bào (với mã và sự điều chế giống nhau), mà cònđồng bộ hoá thời gian truyền giữa các tế bào, tín hiệu tại các đầu cuối diđộng sẽ hiện diện đúng như một tín hiệu được phát đi từ một vị trí tế bàođơn lẻ và lệ thuộc vào đường truyền đa đường Do sức chịu đựng củaOFDM đối với đường truyền đa đường nên sự truyền dẫn nhiều tế bào như

vậy cũng được gọi là mạng một tần số đa trạm-quảng bá (MBSFN:

Multicast-Broadcast Single-Frequency Network) (điều này cũng được gọi

là mạng tần số đơn (SFN: Single Frequency Network) mặc dù trong 3GPP

sự viết tắt MBFSN được dùng vì SFN là sự viết tắt của System FrameNumber), sau đó sẽ không chỉ cải thiện cường độ tín hiệu thu, mà còn loạitrừ nhiễu liên tế bào Vì vậy, cùng với OFDM, năng suất quảng bá/đa trạm

nhiều tế bào cuối cùng còn bị hạn chế duy nhất bởi tạp âm và trong trườnghợp các tế bào nhỏ thì hiệu suất có thể đạt cực cao Nên chú ý rằng việc sửdụng truyền dẫn MBSFN cho quảng bá/đa trạm phải đảm bảo sự đồng bộkhắt khe và sự đồng chỉnh thời gian của các tín hiệu được phát từ các vị trí

tế bào khác nhau

1.3 Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

Tương tự với WCDMA/HSPA, cũng như tất cả các hệ thống thôngtin hiện đại khác, quá trình xử lý đối với LTE được kết cấu thành các lớpgiao thức khác nhau Mặc dù một vài lớp tương tự với những cái đã dùngtrong WCDMA/HSPA, nhưng cũng có một vài sự khác biệt, ví dụ do các

sự khác nhau trong cấu trúc toàn thể giữa WCDMA/HSPA và LTE Phầnnày bao gồm sự diễn tả về:

• Các lớp mạng phía trên lớp vật lý

• Sự tác động lẫn nhau của chúng

• Giao diện với lớp vật lý

Trong phần này chỉ nói tới kiến trúc truy nhập vô tuyến LTE gồm cómột nốt đơn–eNodeB (Evolved-Universal Terrestrial Radio AccessNodeB)

Tổng quát chung về cấu trúc giao thức LTE đối với đường xuốngđược minh hoạ trong hình 1.7 Nhưng không phải tất cả các thực thể đãminh hoạ trong hình 1.7 có thể ứng dụng ở tất cả các hoàn cảnh Ví dụ,không phải sự lập lịch trình MAC mà cũng không phải ARQ lai cùng với

sự kết hợp mềm được sử dụng cho quảng bá về thông tin hệ thống Hơnnữa, cấu trúc giao thức LTE liên quan tới các sự truyền dẫn theo đường lên

là tương tự với cấu trúc đường xuống trong hình 1.7, mặc dù có các sự khácnhau về việc lựa chọn dạng truyền tải và sự truyền dẫn nhiều anten như sẽđược thảo luận

Hình 1.7 Cấu trúc giao thức LTE (đường xuống)

Dữ liệu được truyền theo đường xuống được tiến hành dưới dạng cácgói IP dựa vào một trong các dịch vụ mang SAE (SAE: SystemArchitecture Evolution) Trước khi truyền dẫn qua giao diện vô tuyến, các

gói IP đến được cho qua nhiều thực thể giao thức mạng được diễn tả chitiết hơn trong các phần sau đây:

• Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDCP ( PDCP: Paket Data

Convergence Protocol) thực hiện việc nén mào đầu IP để giảm

số lượng bít cần thiết để phát trên giao diện vô tuyến Cơ chếnén mào đầu dựa trên cơ sở sự nén mào đầu mạnh ROHC(Robust Header Compression)- một thuật toán nén mào đầuđược tiêu chuẩn hoá đã dùng trong WCDMA cũng như mộtvài các tiêu chuẩn thông tin di động khác PDCP cũng có tráchnhiệm mã mật và bảo vệ nguyên vẹn về dữ liệu được phát Tạibên thu, giao thức PDCP thực hiện giải mã mật và các hoạtđộng giải nén tương ứng

• Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (RLC: Radio Link Control)

có trách nhiệm phân đoạn/ móc nối, xử lý truyền lại và phânphát theo chuỗi nối tiếp tới các lớp cao hơn Khác vớiWCDMA, giao thức RLC được đặt trong eNodeB đó chỉ làmột loại nút đơn lẻ trong cấu trúc mạng truy nhập vô tuyếnLTE RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các dịch

vụ mang vô tuyến Có một thực thể RLC cho mỗi dịch vụmang vô tuyến đã thiết lập cấu hình cho một đầu cuối

• Điều khiển truy nhập môi trường MAC (MAC: Medium

Access Control) điều khiển các sự truyền lại ARQ lai và lậplịch đường lên và đường xuống Chức năng lập lịch được đặttrong eNodeB, cái mà có một thực thể MAC cho mỗi tế bàođối với cả đường lên và đường xuống Thành phần giao thứcARQ lai được hiện diện trong cả ở đầu phát lẫn thu của giaothức MAC MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạngcác kênh logic

• Lớp vật lý PHY (PHY: Physical Layer) xử lý việc mã hoá/giải

mã, điều chế/ giải điều chế, sự ánh xạ nhiều anten, và các chứcnăng lớp vật lý điển hình khác Lớp vật lý cung cấp các dịch

vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh truyền tải

1.3.1 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC

RLC LTE tương tự với WCDMA/HSPA chịu trách nhiệm về phânchia đoạn (nén mào đầu) các gói IP cũng được biết đến như là RLC-SDUs(SDU-Service Data Unit ) từ PDCP thành cách đơn vị nhỏ hơn RLC- PDUs(PDU-Protocol Data Unit) Với chú ý là thực thể dữ liệu từ/tới một lớp giaothức cao hơn được biết đến như một SDU và thực thể tương ứng tới/từ mộtlớp giao thức thấp hơn biểu thị PDU Nó cũng xử lý việc truyền lại của cácPDUs bị thu sai, cũng như việc xoá bỏ bản sao và móc nối các PDUs thuđược Cuối cùng, RLC đảm bảo phân phát nối tiếp các SDUs cho các lớpphía trên

Cơ chế truyền lại RLC chịu trách nhiệm cho sự phân phát không bịlỗi của dữ liệu cho các lớp trên Để làm điều này, một giao thức truyền lạihoạt động giữa các thực thể RLC trong máy thu và máy phát Bằng cáchgiám sát chuỗi các chữ số đi vào, RLC thu có thể nhận ra các PDUs bị lỗi.Các thông báo trạng thái được quay trở lại RLC phát, yêu cầu truyền lại cácPDUs bị lỗi Dựa vào thông báo các trạng thái thu được, thực thể RLC ởmáy phát có thể đưa ra hành động phù hợp và truyền lại PDUs lỗi nếu đượcyêu cầu

Khi RLC được định cấu hình để yêu cầu các sự truyền lại các PDUs

lỗi như đã trình bày ở trên, nó được nói là hoạt động trong chế độ báo nhận

(AM: Acknowledged Mode) Điều này tương tự với cơ chế tương ứng đã

dùng trong WCDMA/HSPA AM được dùng điển hình trong các dịch vụTCP (Transmission Control Protocol) cơ bản như truyền file trong đó việcphân phát dữ liệu không bị lỗi là điều quan trọng hàng đầu

Tương tự với WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được định cấu hìnhtheo chế độ không báo nhận (UM: Unacknowledged Mode) và chế độ trongsuốt (TM: Transparent Mode) Trong UM, sự phân phát nối tiếp tới các lớpcao hơn được cung cấp nhưng không truyền lại các PDUs lỗi được yêu cầu.

UM được dùng điển hình cho các dịch vụ như VoIP, trong đó sự phân phátkhông bị lỗi là ít quan trọng đối với thời gian phân phát ngắn TM, mặc dù

đã hỗ trợ song chỉ dùng cho các mục đích đặc biệt như truy nhập ngẫunhiên

Hình 1.8 Phân đoạn và nối ghép RLC

Mặc dù RLC có thể xử lý các lỗi truyền dẫn do tạp âm, các sự biếnđổi kênh không được dự đoán trước, trong tất cả các trường hợp này được

xử lý bởi giao thức ARQ lai MAC cơ bản Do đó việc dùng cơ chế truyềnlại trong RLC có thể xem như không cần thiết Tuy nhiên, sẽ dùng các cơchế truyền lại trong cả RLC và MAC cơ bản do có các sự khác nhau về báohiệu phản hồi

Cùng với sự thêm vào việc xử lý truyền lại và phân phát nối tiếp,RLC cũng đảm nhiệm sự phân đoạn và móc nối như được minh hoạ tronghình 1.8 Phụ thuộc vào quyết định bộ lập thì một số lượng nào đó của dữliệu được lựa chọn cho việc truyền dẫn từ bộ đệm RLC SDU, còn SDUs

được phân đoạn/ghép nối để tạo thành RLC PDU Vì vậy, đối với LTE thìkích thước RLC PDU biến đổi một cách động Đối với các tốc độ dữ liệucao, một kích thước PDU lớn dẫn đến mào đầu nhỏ hơn tương đối Trongkhi đó đối với các tốc độ dữ liệu thấp, một kích thước PDU nhỏ được yêucầu nếu không thì tải trọng có thể quá lớn Vì các tốc độ dữ liệu LTE có thể

từ vài kbit/s đến trên một trăm Mbit/s nên các kích thước PDU động được

áp dụng cho LTE Do tất cả RLC, bộ lập và các cơ chế thích nghi tốc độđược đặt trong eNodeB nên các kích thước PDU động được hỗ trợ mộtcách dễ dàng đối với LTE

1.3.2 Điều khiển truy nhập môi trường MAC

Lớp MAC xử lý việc ghép kênh logic, truyền lại ARQ lai, và lập lịchđường lên và đường xuống Trái ngược với HSPA, cái mà dùng phân tậpmacro đường lên và vì vậy định rõ cả tế bào phục vụ lẫn tế bào không phục

vụ trong khi LTE chỉ định rõ một tế bào phục vụ vì không có phân tậpmacro đường lên Tế bào phục vụ là tế bào mà đầu cuối di động được kếtnối tới và là tế bào mà chịu trách nhiệm cho việc lập lịch và sự hoạt độngARQ lai

a Các kênh logic và các kênh truyền tải

MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic Mộtkênh logic được xác định nhờ vào loại thông tin mà nó mang và đã đượcphân loại thành các kênh điều khiển được dùng cho việc truyền dẫn điềukhiển và các thông tin về tổ chức cần thiết cho một hệ thống LTE hoạtđộng và các kênh lưu lượng dùng cho dữ liệu người dùng

Tập các loại kênh logic đã chỉ định cho LTE bao gồm:

1 Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broadcast Control Channel) dùng cho sự truyền dẫn các thông tin điều khiển hệ

thống từ mạng tới tất cả các đầu cuối di động trong tế bào.Trước khi truy nhập hệ thống, một đầu cuối di động cần đọc

thông tin được truyền trên kênh này để tìm hiểu hệ thống nàyđược định cấu hình như thế nào ví dụ như dải thông của hệthống.

2 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH: Paging Control Channel) dùng để tìm gọi các đầu cuối di động mà vị trí của

nó trên cấp độ tế bào không được nhận biết về mạng và vì thếthông báo tìm gọi cần được truyền cho nhiều tế bào

3 Kênh điều khiển dành riêng (DCCH: Dedicated Control Channel) dùng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu

cuối di động Kênh này được dùng để định cấu hình riêng củađầu cuối di động như là các thông báo chuyển giao cuộc gọikhác nhau

4 Kênh điều khiển đa trạm (MCCH: Multicast Control channel) dùng cho sự truyền dẫn thông tin điều khiển cần thiết

cho việc thu của MTCH

5 Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH: Dedicated Traffic Channel) sử dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu người dùng

từ/tới một đầu cuối di động Đây là loại kênh logic được dùng

để truyền dẫn cho tất cả dữ liệu người dùng đường lên và dữliệu người dùng đường xuống mà không phải là MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)

6 Kênh lưu lượng đa trạm (MTCH: Multicast Traffic Channel) được dùng cho truyền dẫn đường xuống của các dịch

vụ MBMS

Một cấu trúc kênh logic tương tự được dùng cho WCDMA/HSPA.Tuy nhiên, so với WCDMA/HSPA, cấu trúc kênh logic LTE này có phầnđược đơn giản, cùng với việc giảm số lượng các loại kênh logic

Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng các dịch vụ dưới dạng các kênh

truyền tải Một kênh truyền tải được định nghĩa bởi các đặc tính về thôngtin được truyền qua giao diện vô tuyến Dữ liệu trên một kênh truyền tảiđược sắp xếp thành các khối truyền tải Trong mỗi khoảng thời gian truyềnTTI (TTI: Transmission Time Interval), tối đa có một khối truyền tải cókích thước nào đó được truyền qua giao diện vô tuyến khi không có sựghép không gian Nếu có ghép không gian (‘MIMO’) có thể lên tới hai khốitruyền tải cho mỗi TTI.

Được kết hợp cùng với mỗi khối truyền tải là một dạng truyền tải(TF: Transport Format) định rõ khối truyền tải như thế nào sẽ được truyềnqua giao diện vô tuyến Dạng truyền tải chứa thông tin về kích thước khốitruyền tải, sơ đồ điều chế, và ánh xạ anten Cùng với sự ấn định tài nguyên,kết quả tốc độ mã có thể được suy ra từ dạng truyền tải TF Nhờ sự biếnđổi các dạng truyền tải, lớp MAC có thể thu được các tốc độ dữ liệu khác

nhau Vì vậy, điều khiển tốc độ cũng được biết đến như là sự lựa chọn

dạng truyền tải

Tập các loại kênh truyền tải đã chỉ định cho LTE gồm có:

1 Kênh quảng bá (BCH: Broadcast Channel) có một dạng

truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc điểm kỹ thuật

Nó được dùng để truyền dẫn thông tin trên kênh logic BCCH

2 Kênh tìm gọi (PCH: Paging channel) được dùng để truyềnthông tin tìm gọi trên kênh logic PCCH PCH hỗ trợ sự thugián đoạn DRX (DRX: Discontinuous Reception) cho phépđầu cuối di động tiết kiệm nguồn pin nhờ vào chế độ ngủ vàthức dậy để thu PCH này chỉ ở các thời điểm đã xác địnhtrước

3 Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH: Downlink Shared

Channel) là kênh truyền tải được dùng cho việc truyền dẫn dữ

liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các đặc tính LTE như

sự thích nghi tốc độ động và việc lập lịch phụ thuộc kênhtrong miền thời gian và miền tần số, ARQ lai, và ghép khônggian Nó cũng hỗ trợ DRX để giảm sự tiêu thụ nguồn của đầucuối di động Khoảng thời gian truyền trên DL-SCH là 1 ms.

4 Kênh đa trạm (MCH: Multicast Channel) được dùng để hỗ trợ MBMS Nó được đặc trưng bởi một dạng truyền tải bán tĩnh (semi-static transport format) và sự lập lịch bán tĩnh (semi-

static scheduling) Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bàobằng cách dùng MBSFN, việc lập lịch và cấu hình dạng truyềntải được lập toạ độ giữa các tế bào tham gia vào sự truyền dẫnMBSFN đó

5 Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH: Uplink Shared Channel) là

phần đối xứng với DL-SCH

Hình 1.9 Ví dụ về sự ánh xạ của các kênh logic tới các kênh truyền tải.

Nhiệm vụ của chức năng MAC là ghép các kênh logic khác nhau vàánh xạ các kênh logic cho các kênh truyền tải thích hợp MAC trong LTE

hỗ trợ việc ghép của RLC PDUs từ các dịch vụ mang vô tuyến khác nhauthành khối truyền tải giống nhau Vì có một số sự liên quan giữa loại thôngtin và cách nó được phát nên có các sự giới hạn nào đó trong việc ánh xạ

của các kênh logic tới các kênh truyền tải Một ví dụ về sự ánh xạ các kênhlocgíc tới các kênh truyền tải được cho trong hình 1.9

b Sự lập lịch đường xuống

Một trong các nguyên lý cơ bản của truy nhập vô tuyến LTE là việctruyền dẫn kênh chia sẻ trên DL-SCH và UL-SCH, đó là các tài nguyênthời gian-tần số được chia sẻ một cách động giữa những người dùng trong

cả đường lên và đường xuống Bộ lập lịch là thành phần của lớp MAC vàđiều khiển việc ấn định tài nguyên đường lên và đường xuống Lập lịchđường lên và đường xuống được tách ra trong LTE và các quyết định việclập lịch đường lên và đường xuống có thể được thực hiện không phụ thuộclẫn nhau (bên trong tập các giới hạn bởi UL/DL tách biệt trong trường hợphoạt động TDD)

Nguyên lý cơ bản của bộ lập lịch đường xuống là trong mỗi khoảngthời gian TTI bằng 1ms quyết định mang tính động các đầu cuối mà cónhiệm vụ thu từ sự truyền dẫn DL-SCH và trên các tài nguyên gì Nhiềuđầu cuối có thể được lập lịch song song, trong trường hợp đó có một DL-SCH trên mỗi đầu cuối được lập lịch, mỗi một ánh xạ động cho duy nhấtmột tập các nguồn tài nguyên tần số Đơn vị thời gian-tần số trong bộ lập

lịch cũng được gọi là khối tài nguyên Về nguyên lý một khối tài nguyên là

một khối rộng 180 kHz trong miền tần số Trong mỗi khoảng thời gian lậplịch 1 ms, bộ lập lịch ấn định các khối tài nguyên cho một đầu cuối để chophép thu từ sự truyền dẫn DL-SCH Bộ lập lịch chịu trách nhiệm lựa chọn

kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế, và sự ánh xạ anten (trong trường

hợp truyền dẫn nhiều anten) Như một hệ quả, bộ lập lịch điều khiển tốc độ

dữ liệu, sự phân đoạn RLC và sự ghép kênh MAC cũng sẽ bị ảnh hưởngbởi sự quyết định lập lịch Các đầu ra từ bộ lập lịch đường xuống có thểnhư H1.7

Mặc dù chiến lược lập lịch là sự bổ xung riêng và không được định

rõ trong 3GPP, toàn bộ mục tiêu của hầu hết các bộ lập lịch là để mang lại

sự thuận lợi cho các sự thay đổi các kênh giữa các đầu cuối di động và lậplịch một cách tốt nhất các sự truyền dẫn cho một đầu cuối di động trên cáctài nguyên cùng với các điều kiện kênh thuận lợi Chỉ riêng về mặt này, sựhoạt động của bộ lập lịch LTE về nguyên lý giống như bộ lập lịch HSDPA.Tuy nhiên, vì sử dụng OFDM làm sơ đồ đường xuống nên LTE có thể khaithác các sự biến đổi kênh theo cả miền tần số và miền thời gian, trong khiHSDPA chỉ có thể khai thác các sự biến đổi trên miền thời gian Đối vớicác băng thông rộng hơn được hỗ trợ bởi LTE, trong đó một lượng đáng kểcủa pha đinh lựa chọn theo tần số sẽ được cảm nhận thấy, thì khả năng cho

bộ lập lịch khai thác các sự biến đổi kênh cả trên miền tần số trở nên quantrọng so với chỉ khai thác sự biến đổi trên miền thời gian Đặc biệt là ở cáctốc độ thấp, trong đó các sự biến đổi ở miền thời gian tương đối thấp so vớicác yêu cầu độ trễ thiết lập bởi nhiều dịch vụ, khả năng khai thác cả các sựbiến đổi trên miền tần số là có ích

Thông tin về các điều kiện kênh đường xuống cần thiết cho việc lậplịch phụ thuộc kênh, được đưa từ đầu cuối di động tới eNodeB qua cácthông báo chất lượng kênh Thông báo chất lượng kênh cũng được biết đến

như là bộ chỉ thị chất lượng kênh CQI (CQI: Channel Quality Indicator),

gồm có không chỉ thông tin về chất lượng kênh tức thời trong miền tần số

mà còn thông tin cần thiết để quyết định quá trình xử lý anten thích hợptrong trường hợp ghép không gian Cơ sở cho thông báo CQI là các phép

đo về các tín hiệu chuẩn đường xuống

Thêm vào chất lượng kênh, một bộ lập lịch hiệu suất cao cũng nênđưa các các trạng thái đệm và các quyền ưu tiên vào trong tính toán trongquyết định lập lịch Sự khác nhau cả về loại dịch vụ cũng như loại thuê bao

có thể ảnh hưởng tới quyền ưu tiên lập lịch Ví dụ, người dùng voiIP

(voice-over -IP user) với một thuê bao đắt nên duy trì chất lượng dịch vụcủa nó ngay cả tại các tải trọng hệ thống cao, trong khi người dùng tảixuống một file với giá thuê bao thấp có thể phải hài lòng với các tài nguyênkhông được yêu cầu để hỗ trợ những người dùng khác.

c ARQ lai

ARQ lai LTE cùng với sự kết hợp mềm để chống lại các lỗi truyềndẫn Vì các sự truyền lại ARQ lai là nhanh nên nhiều dịch vụ cho phép đốivới một hoặc nhiều sự truyền lại, theo cách đó hình thành cơ chế điều khiểntốc độ ngầm (vòng kín), tương tự như HSPA, giao thức ARQ lai là bộ phậncủa lớp MAC, trong khi đó, hoạt động kết hợp mềm được xử lý bởi lớp vật

lý

Rõ ràng, ARQ lai không thể ứng dụng được cho tất cả các loại lưulượng Ví dụ, các sự truyền dẫn quảng bá trong đó thông tin giống nhaudành cho nhiều người dùng làm việc không dựa vào ARQ lai Vì thế ARQchỉ được hỗ trợ cho DL-SCH và UL-SCH

Giao thức ARQ lai LTE bao gồm nhiều quá trình xử lý dừng và đợisong song Dựa vào sự thu của một khối truyền tải, máy thu thực hiện thửgiải mã khối truyền tải này và thông báo cho máy phát biết về kết quả củahoạt động giải mã thông qua một bít ACK/NAK đơn lẻ biểu thị sự giải mãthành công hoặc nếu sự truyền lại của một khối truyền tải được yêu cầu Đểtối thiểu hoá mào đầu, một bít ACK/NAK đơn lẻ được sử dụng Rõ ràng,máy thu nhất thiết phải biết được một bít ACK/NAK đã thu được kết hợpvới quá trình ARQ lai nào Điều này được giải quyết nhờ sự tính toán thờiđiểm của ACK/NAK được dùng để kết hợp ACK/NAK này với một quátrình ARQ nào đó như được minh hoạ trong hình 1.11 Chú ý rằng, trongtrường hợp hoạt động TDD, mối quan hệ về thời gian giữa sự thu của dữliệu theo một quá trình ARQ lai nào đó và sự phát của ACK/NAK cũng bịảnh hưởng bởi sự phân chia đường lên/đường xuống

Ở LTE, một giao thức không đồng bộ là cơ sở cho sự hoạt độngARQ lai đường xuống Vì vậy, các sự truyền lại đường xuống có thể xảy ratại bất cứ thời gian nào sau lần truyền đầu tiên và đánh số quá trình xử lýARQ lai đượcsử dụngđể chỉ thị quá trình xử lý đang được chú tâm vào.

Hình 1.10 Giao thức ARQ lai đồng bộ và không đồng bộ

Mặt khác, các sự truyền lại theo đường lên dựa trên cơ sở giao thứcđồng bộ trong đó sự truyền lại xảy ra ở một thời điểm xác định trước saulần truyền dẫn đầu tiên Hai trường hợp này được minh hoạ trong hình1.10 Ở giao thức ARQ lai không đồng bộ, các sự truyền lại được lập lịch

về nguyên tắc cơ bản giống với các sự truyền đầu tiên Mặt khác, tronggiao thức đồng bộ, thời điểm cho các sự truyền lại được cố định sau khiviệc truyền lần đầu tiên được lập lịch Tuy nhiên, chú ý rằng bộ lập lịchnhận biết từ thực thể ARQ trong eNodeB một đầu cuối di động sẽ thực hiện

sự truyền lại hay không

Việc sử dụng nhiều quá trình ARQ lai song song được minh hoạtrong hình 1.11, đối với mỗi người dùng có thể dẫn đến dữ liệu được phânchia theo cơ chế ARQ lai không theo trình tự nào Ví dụ, khối truyền tải 5trong hình minh hoạ đã được giải mã thành công trước khối truyền tải 3 cái

mà đã yêu cầu một sự truyền lại Sau khi giải mã thành công khối truyền tảiđược phân thành các kênh logic thích hợp và sự sắp xếp lại được làm trênmỗi kênh logic bằng cách dùng chuỗi các chữ số này

Hình 1.11 Đa xử lý ARQ song song

Cơ chế ARQ lai sẽ sửa các lỗi truyền gây bởi tạp âm hoặc các biếnđổi kênh không thể dự đoán trước Như đã thảo luận ở trên, thì RLC cũng

có khả năng thực hiện đối với các yêu cầu truyền lại Tuy nhiên, ít khi các

sự truyền lại RLC là cần thiết vì cơ chế ARQ lai cơ bản có khả năng sửahầu hết các lỗi truyền dẫn nhưng đôi khi ARQ lai có thể không đủ khả năng

để cấp phát các khối dữ liệu không có lỗi (error-free) cho RLC do một kẽ

hở ở chuỗi của các khối dữ liệu không có lỗi được phân phát tới RLC Điều

này xảy ra do báo hiệu hồi tiếp về sai, ví dụ một NAK được diễn dịchkhông đúng thành một ACK bởi máy phát, gây mất dữ liệu Xác suất đểxảy ra điều này có thể là khoảng 1%; Một xác suất lỗi không quá cao đốivới các dịch vụ TCP cơ bản (Transmission Control Protocol) là cần thiếtcho sự cấp phát các gói TCP hầu như không có lỗi Một cách cụ thể hơn,đối với các tốc độ dữ liệu vượt quá 100 Mbit/s yêu cầu xác suất mất mộtgói dữ liệu dưới 10-5 Về cơ bản, TCP coi toàn bộ các lỗi gói là do sự tắcnghẽn Vì vậy, các lỗi gói khởi sự một quá trình tránh tắc nghẽn cùng vớimột sự giảm tương ứng các tốc độ dữ liệu và để duy trì hiệu suất tốt tại cáctốc độ dữ liệu cao thì RLC-AM phục vụ nhằm mục đích quan trọng là đểbảo đảm phân phát dữ liệu không có lỗi cho TCP

Vì cơ chế ARQ lai có mục đích cho các sự truyền lại rất nhanhnên đòi hỏi gửi một bít thông báo trạng thái ACK/NAK tới máy phátthật nhanh có thể thực hiện chỉ trên một TTI Mặc dù về nguyên lý cóthể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ý của thông tin phản hồi ACK/NAKnhưng giá phải trả là cần đến công suất phát tương đối cao Việc giữ sựtrả giá này một cách hợp lý đưa đến một tỷ lệ lỗi hồi tiếp khoảng 1% cái

mà quyết định tỷ lệ lỗi ARQ lai còn dư Vì các thông báo trạng thái RLCđược truyền ít hơn ACK/NAK ARQ lai một cách đáng kể nên sự trả giá

để đạt được sự tin cậy 10-5 hay thấp hơn là tương đối nhỏ Vì vậy sự kếthợp của ARQ lai và RLC đạt được một sự kết hợp tốt về thời gian khứhồi nhỏ và một mào đầu hồi tiếp vừa phải trong đó hai thành phần này

bổ xung lẫn nhau

Vì RLC và ARQ lai được đặt ở cùng một Node nên sự tương tác chặtchẽ giữa hai cái này là điều có thể xảy ra Ví dụ nếu cơ chế ARQ lai phát

hiện một lỗi không thể khôi phục lại được thì việc truyền của một thôngbáo trạng thái RLC có thể được khởi sự ngay lập tức thay vì đợi để truyềnmột thông báo trạng thái theo định kỳ Điều này sẽ dẫn đến việc truyền lạiRLC của các PDU bị lỗi nhanh hơn Vì vậy, với mức độ nào đó thì việc kếthợp của ARQ lai và RLC có thể xem như một cơ chế truyền lại với hai cơchế phản hồi trạng thái.

Hình 1.12. Các trạng thái LTELTE -ACTIVE là trạng thái được sử dụng khi đầu cuối di động làtích cực cùng với dữ liệu thu và phát Trong trạng thái này, đầu cuối di

động được kết nối với một tế báo cụ thể bên trong mạng này Một hoặc mộtvài địa chỉ IP được ấn định cho đầu cuối di động cũng như sự nhận dạng vềđầu cuối, bộ nhận dạng tạm thời mạng vô tuyến ô C-RNTI này (C-RNTI:Cell Radio Network Temporary Indentifier) được dùng cho các mục đíchbáo hiệu giữa đầu cuối di động và mạng LTE ACTIVE có thể xem như cóhai trạng thái con là đồng bộ trong (IN SYNC) và không đồng bộ (OUT OFSYNC) phụ thuộc vào đường lên được đồng bộ hay không được đồng bộvới mạng Vì LTE dùng một đường lên dựa vào FDMA/TDMA trực giao

cơ bản nên nó cần phải đồng bộ sự truyền dẫn theo đường lên từ các đầucuối di động khác nhau để mà chúng đến eNodeB đồng thời (hoặc xấp xỉđồng thời) Thủ tục để đạt được và duy trì sự đồng bộ là nhờ eNodeB đothời gian đến của các sự truyền dẫn từ mỗi đầu cuối di động phát một cáchtích cực và và gửi các lệnh sửa về thời gian điều khiển trong đường xuống.Với điều kiện là đường lên là trong chế độ đồng bộ trong (IN SYNC), sựtruyền dẫn đường lên của dữ liệu người dùng và báo hiệu điều khiển L1/L2

là có thể thực hiện được Trong bất cứ trường hợp nào sự truyền dẫn đườnglên không xảy ra bên trong một cửa sổ thời gian đã cho thì rõ ràng sự đồngchỉnh về thời gian là không thể thực hiện được và đường lên được khai báo

là chế độ không đồng bộ (OUT -OF- SYNC) Trong trường hợp này, đầucuối di động cần thực hiện một thủ tục truy nhập ngẫu nhiên để khôi phụclại sự đồng bộ đường lên

LTE-IDLE là một trạng thái tích cực mức thấp trong đó đầu cuối diđộng ngủ ở hầu hết thời gian để giảm tiêu thụ nguồn Sự đồng bộ đường lênkhông được duy trì và do đó chỉ duy nhất truyền dẫn đường lên tích cực mà

có thể xảy ra là truy nhập ngẫu nhiên để chuyển tới LTE ACTIVE Trongđường xuống, đầu cuối di động có thể thức dậy một cách định kỳ để mà tìmgọi cho các cuộc gọi đến Đầu cuối di động giữ địa chỉ IP của nó và thôngtin bên trong khác để mà di chuyển một cách nhanh chóng tới trạng thái

LTE ACTIVE khi cần thiết Vị trí của đầu cuối di động được nhận biết mộtphần đối với mạng chí ít biết được nhóm gồm các tế bào mà trong đó sựtìm gọi sẽ được thực hiện.

1.3.4 Luồng dữ liệu

Để tóm tắt luồng dữ liệu đường xuống qua tất cả các lớp giao thức ,một ví dụ minh hoạ đối với một trường hợp cùng với ba gói IP và hai giá

vô tuyến được cho trong hình 1.13

Luồng dữ liệu trong trường hợp truyền theo đường lên là tương tự.PDCP thực hiện việc nén mào đầu IP kèm theo mã mật Một mào đầuPDCP được thêm vào mang thông tin cần thiết cho giải mã mật ở đầu cuối

di động, đầu ra từ PDCP được đưa tới RLC

Giao thức RLC thực hiện việc móc nối các đoạn của PDCP SDUs vàthêm vào mào đầu RLC Mào đầu được dùng để phân phát nối tiếp (quakênh logic) trong đầu cuối di động và để nhận thực RLC PDUs trongtrường hợp truyền lại RLC PDUs được gửi tới lớp MAC, lớp mà mangnhiều RLC PDUs lắp ghép một MAC SDU và gắn mào đầu MAC để tạothành một khối truyền tải, kích thước khối truyền tải này phụ thuộc vào tốc

độ dữ liệu tức thời được chọn lựa bởi cơ chế thích nghi liên kết Vì vậy,sựthích nghi liên kết ảnh hưởng tới cả hai quá trình MAC và quá trình xử lýRLC

Hình 1.13 Ví dụ luồng dữ liệu LTE

Cuối cùng, lớp vật lý gắn một CRC cho khối truyền tải nhằm mụcđích phát hiện lỗi, thực hiện việc mã và điều chế và phát tín hiệu kết quảnày qua không gian

mà được điều khiển một cách động bởi lớp MAC được mô tả bằng màuxám, trong khi các khối lớp vật lý bán động mô tả bằng màu trắng.

Hình 2.1 Quá trình xử lý lớp vật lý được đơn giản hoá đối với DL-SCH

Khi một đầu cuối di động được lập lịch trong một TTI trên DL-SCH,thì lớp vật lý này thu một khối truyền tải (hai khối truyền tải trong trườnghợp ghép không gian) của dữ liệu để phát Mỗi khối truyền tải được gắnmột CRC và mỗi CRC đã được gắn với khối truyền tải được mã hoá mộtcách tách biệt nhau Tốc độ mã kênh được quyết định hoàn toàn bởi kíchthước khối truyền tải, sơ đồ điều chế và số lượng các tài nguyên đã ấn địnhcho sự truyền dẫn Tất cả khối lượng đó được lựa chọn bởi bộ lập lịchđường xuống

Hình 2.2 Quá trình xử lý lớp vật lý đã được đơn giản hoá đối với UL-SCH

Phiên bản dư để sử dụng được điều khiển bởi giao thức ARQ lai vàảnh hưởng đến quá trình xử lý thích ứng tốc độ để tạo ra tập sửa các bítđược mã Cuối cùng, trong trường hợp ghép không gian thì việc ánh xạanten cũng do bộ lập lịch đường xuống điều khiển Quá trình xử lý lớp vật

lý UL-SCH được biểu diễn theo dạng đơn giản trong hình 2.2

Các kênh truyền tải đường xuống còn lại cơ bản dựa vào quá trình xử

lý lớp vật lý thông thường giống như DL-SCH Đối với sự quảng bá củathông tin hệ thống trên BCH, một đầu cuối di động nhất thiết phải thu kênhthông tin này như một trong các bước đầu tiên trước khi truy nhập hệ thống

và không có điều khiển động về bất cứ các tham số truyền dẫn nào từ lớpMAC trong trường hợp này

Đối với việc truyền dẫn của các thông báo tìm gọi trên PCH thì sựthích nghi động của các tham số có thể được dùng tới một mức độ nhấtđịnh Nhìn chung, quá trình xử lý trong trường hợp này tương tự với quátrình xử lý trong DL-SCH MAC có thể điều khiển sự điều chế, số lượngcác nguồn tài nguyên và ánh xạ anten Tuy nhiên, vì một một đường lênchưa được thiết lập khi một đầu cuối di động được tìm gọi nên ARQ laikhông thể sử dụng do không có khả năng để đầu cuối di động này truyềnmột ACK/NAK.

MCH được dùng cho các sự truyền dẫn MBMS, điển hình với sựhoạt động mạng một tần số bằng cách phát từ nhiều tế bào trên các tàinguyên như nhau với dạng truyền tải giống nhau tại cùng thời điểm Dovậy, việc lập lịch của các sự truyền dẫn MCH nhất thiết phải được lập toạ

độ giữa các tế bào tham gia và sự lựa chọn động về các tham số bởi MAC

là không thể thực hiện được

2.2 Cấu trúc miền thời gian

Hình 2.3 minh hoạ cấu trúc miền thời gian mức cao cho sự truyềndẫn LTE cùng với độ dài mỗi khung (vô tuyến) Tframe= 10 ms bao gồmmười khung con kích thước bằng nhau và bằng Tsubframe= 1 ms

Để cung cấp các sự định nghĩa thời gian phù hợp và chính xác thì cáckhoảng thời gian khác nhau bên trong các đặc điểm truy nhập vô tuyếnLTE có thể được diễn tả như là bội số của một đơn vị thời gian cơ sở

Ts=1/30720000 Vì vậy, các khoảng thời gian đã vẽ phác trong hình 2.3cũng có thể được diễn tả bằng Tframe=307200.Ts và Tsubframe=30720.Ts

Hình 2.3 Cấu trúc miền thời gian LTE

Bên trong một sóng mang, các khung con khác nhau của một khung

có thể được dùng cho truyền dẫn đường xuống hoặc là cho truyền dẫnđường lên Như minh hoạ trong hình 2.4a, trong trường hợp FDD đó là sựhoạt động theo phổ cặp, tất cả các khung con của một sóng mang đượcdùng cho đường xuống (một sóng mang đường xuống ) hoặc là đường lên(một sóng mang đường lên)

Mặt khác, trong trường hợp hoạt động cùng với TDD theo phổkhông theo cặp (hình 2.4b), khung con thứ nhất và thứ sáu của mỗi khung(khung con 0 và 5) thường được ấn định cho sự truyền dẫn đường xuốngtrong khi các khung còn lại có thể được ấn định một cách mềm dẻo cho sựtruyền dẫn theo đường xuống hoặc đường lên Lý do cho việc ấn định trướccủa khung con thứ nhất và thứ sáu cho truyền dẫn đường xuống là do cáckhung con đó chứa các tín hiệu đồng bộ LTE Các tín hiệu đồng bộ nàyđược truyền trên đường xuống của mỗi tế bào và được dự định để dùng choviệc tìm tế bào lúc đầu cũng như để tìm tế bào láng giềng

Như đã minh hoạ trong hình 2.4, sự ấn định mềm dẻo của các khungcon trong trường hợp TDD cho phép các sự không đối xứng khác nhau vềmặt số lượng các nguồn tài nguyên vô tuyến (các khung con) đã ấn địnhcho sự truyền dẫn đường xuống và đường lên Vì sự ấn định khung concũng cần phải giống như thế đối với các tế bào láng giềng để mà ngăn ngừa

nhiễu mạnh giữa các sự truyền dẫn đường xuống và đường lên giữa các tếbào, nên tính không đối xứng đường xuống/đường lên không thể biến đổimột cách động, ví dụ một nền tảng mỗi khung.

(a)

(b)

Hình 2.4 Ví dụ của sự ấn định khung con đường xuống/đường lên trong

trường hợp TDD và sự so sánh với FDD Tuy nhiên, nó có thể được thay đổi trên một nền tảng thấp hơn ví dụ đểlàm cho phù hợp các đặc điểm lưu lượng khác nhau như là các sự chênhlệch và các sự biến đổi trong tính không đối xứng lưu lượng đườngxuống/đường lên

2.3 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống

2.3.1 Tài nguyên vật lý đường xuống

Sự truyền dẫn đường xuống LTE được dựa trên nền tảng ghép kênhphân chia theo tần số trực giao OFDM Tài nguyên vật lý đường xuốngLTE có thể xem như một lưới tài nguyên thời gian-tần số (xem hình 2.5), ở

đó mỗi thành phần tài nguyên tương ứng với một sóng mang con OFDMtrong thời gian một khoảng symbol OFDM (trong trường hợp truyền dẫnnhiều anten thì sẽ có một lưới tài nguyên trên một anten)

Hình 2.5 Tài nguyên vật lý đường xuống LTE

Đối với đường xuống LTE, khoảng cách sóng mang con OFDMđược chọn với f = 15 kHz Giả thiết là thực hiện thu/phát dùng FFT cơ bản,điều này tương ứng với một tốc độ lấy mẫu fs = 15000.NFFT trong đó NFTT làkích thước FFT này Vì vậy đơn vị thời gian Ts đã xác định trong phầntrước có thể được xem như thời gian lấy mẫu của việc thực hiện thu/phátFFT cơ bản với NFFT=2048 Đó là điều quan trọng để hiểu rằng đơn vị thờigian Ts được đưa vào trong đặc điểm kỹ thuật truy nhập vô tuyến chỉ như làmột công cụ để xác định các khoảng thời gian khác nhau và không áp đặtbất cứ các ép buộc việc thu và/hoặc phát riêng nào, ví dụ như một tốc độlấy mẫu nào đó Trong thực tế, thực hiện thu/phát FFT cơ bản cùng với

NFFT=2048 và một tốc độ lấy mẫu tương ứng fs=30.72 MHz là phù hợp cho