Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

*************

TIỂU LUẬN MÔN: THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỀ TÀI: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN

LTE

Giảng viên : Nguyễn Việt Hùng Thực hiện : Nhóm 1 – D11VT5

Hà Nội, 11/2014 LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội ngày nay, nhu cầu về trao đổi thông tin, truyền dữ liệu, đặc biệt trên các thiết bị di động ngày càng tăng cao Các hệ thống thông tin di động 3G, 3.5G vẫn đang hoạt động khá trơn tru, tuy nhiên chúng vẫn chưa thực sự chưa đáp ứng được mong đợi của nhiều khách hàng, nhất là những khách hàng khó tính và yêu cầu cao về tốc độ Trước thực trạng đó, nhiều nhà mạng tại Việt Nam đang có kế hoạch triển khai

hệ thống thông tin di động 4G LTE trong vài năm tiếp theo, một bước đi được kỳ vọng

sẽ làm thay đổi thực sự thị trường viễn thông Việt Nam trong thời gian tới.1

Trong LTE, kiến trúc giao diện vô tuyến là một phần vô cùng quan trọng, nó đã

có những thay đổi bước ngoặt so với phiên bản trước đó Vì vậy, nhóm em quyết định làm tiểu luận về đề tài này

Nhóm rất mong nhận được góp ý từ thầy cô và các bạn để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn

Xin cảm ơn!

1 http://www.quantrimang.com.vn/viet-nam-san-sang-cho-mang-4g-lte-cuc-nhanh-110783

1.3.1 Truyền và kết hợp đa điểm

1.3.2 Cấu trúc kênh điều khiển nâng cao

1.3.3 Sự tăng cường tập hợp sóng mang

1.3.4 Bộ thu nâng cao

1.3.5 Năng lực của đầu cuối

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE2.1 Kiến trúc hệ thống tổng quan

2.1.1 Mạng lõi

2.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến

2.2 Cấu trúc các giao thức vô tuyến

2.2.1 Radio-link control (RLC)

2.2.2 Medium-access control (MAC)

2.2.3 Lớp vật lý

2.3 Các giao thức mặt bằng điều khiển

2.3.1 Cơ chế trạng thái (State machine)

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ

3GPP Third Generation Partnership Project

AM Acknowledged Mode (RLC configuration)AMC Adaptive Modulation and Coding

BSC Base Station Controller

BTS Base Transceiver Station

DL-SCH Downlink Shared Channel

DTCH Dedicated Traffic Channel

EPDCCH Enhanced Physical Downlink Control Channel

E-UTRA Evolved UTRA

FACH Forward Access Channel

FCC Federal Communications Commission

FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency-Division Multiplex

FDMA Frequency-Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

GPRS General Packet Radio Services

GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communications

HSPA High-Speed Packet Access

ICIC Inter-Cell Interference Coordination

ICS In-Channel Selectivity

ICT Information and Communication TechnologiesIMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 IMTAdvanced International Mobile Telecommunications Advanced

IRC Interference Rejection Combining

ITU International Telecommunications Union

LCID Logical Channel Index

MAC Medium Access Control

MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service

MBS Multicast and Broadcast Service

MBSFN Multicast-Broadcast Single Frequency Network

MIB Master Information Block

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

MME Mobility Management Entity

MUX Multiplexer or Multiplexing

PBCH Physical Broadcast Channel

PCCH Paging Control Channel

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

P-GW Packet-Data Network Gateway (also PDN-GW)PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel

PMCH Physical Multicast Channel

PRACH Physical Random Access Channel

PS Packet Switched

PSTN Public Switched Telephone Networks

PUCCH Physical Uplink Control Channel

RNC Radio Network Controller

ROHC Robust Header Compression

R-PDCCH Relay Physical Downlink Control Channel

S1 The interface between eNodeB and the Evolved Packet Core.S1-c The control-plane part of S1

S1-u The user-plane part of S1

SAE System Architecture Evolution

SGSN Serving GPRS Support Node

SIB System Information Block

TDM Time-Division Multiplexing

TM Transparent Mode, Transmission Mode

UCI Uplink Control Information

UE User Equipment, the 3GPP name for the mobile terminal

UL-SCH Uplink Shared Channel

UM Unacknowledged Mode (RLC configuration)

UTRA Universal Terrestrial Radio Access

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN LTE 1.1 LTE release 9

Sau khi hoàn thành phiên bản đầu của LTE, 3GPP tiếp tục làm việc và giới thiệu thêm các tính năng trong phiên bản thứ hai của LTE, release 9 Các tính năng mới chính được giới thiệu là một phần của release 9, hoàn thành vào cuối năm 2009, được

hỗ trợ cho truyền đa điểm (multicast), hỗ trợ cho các dịch vụ định vị, và tăng cường tính năng beamforming trong đường xuống

1.1.1 Hỗ trợ multicast và quảng bá

Quảng bá đa ô (multi-cell) ngụ ý truyền cùng một thông tin từ nhiều ô Bằng việc khai thác điều này tại đầu cuối, sử dụng hiệu quả năng lượng tín hiệu từ nhiều ô, một sự cải thiện đáng kể trong vùng phủ có thể đạt được Không những truyền tín hiệu xác định từ các ô mà còn đồng bộ thời gian truyền, tín hiệu tại đầu cuối sẽ xuất hiện chính xác như tín hiệu được truyền từ một ô và đưa tới quảng bá đa điểm

1.1.2 Định vị

Định vị, như cái tên của nó, liên quan đến chức năng trong mạng truy nhập vô tuyến để xác định địa điểm của thiết bị đầu cuối cá nhân Xác định vị trí của một đầu cuối, về nguyên tắc, có thể thực hiện bởi bộ thu GPS trong thiết bị đó Mặc dù đây là một tính năng phổ biến, nhưng không phải tất cả các đầu cuối đều có sẵn bộ thu GPS

và trong một số trường hợp khi mà dịch vụ GPS không có sẵn LTE release 9 do đó giới thiệu khả năng hỗ trợ định vị vốn có trong mạng truy nhập vô tuyến Bằng việc

đo các tín hiệu đặc biệt truyền đều đặn từ các vị trí ô khác nhau, địa điểm của đầu cuối có thể được xác định

các kỹ thuật truyền dẫn đa anten khác nhau

1.2 LTE release 10 và IMT-advanced

IMT-Advanced là thuật ngữ sử dụng bởi ITU cho các công nghệ truy nhập vô tuyến ngoài IMT-2000 Để định nghĩa IMT-Advanced, ITU xác định một bộ các yêu cầu mà bất kỳ công nghệ theo IMT-Advanced nào phải tuân theo

Một trong những mục tiêu chính của LTE release 10 là để đảm bảo rằng công nghệ truy nhập vô tuyến LTE sẽ đáp ứng được những yêu cầu của IMT-Advanced, do

đó cái tên LTE-Advanced thường được dùng cho LTE release 10 và sau này Tuy nhiên, bổ sung thêm vào yêu cầu của ITU, 3GPP cũng xác định mục tiêu và yêu cầu

riêng cho LTE-Advanced Những mục tiêu/yêu cầu này mở rộng yêu cầu của ITU cả

ở khoản linh hoạt hơn cũng như kèm theo những yêu cầu thêm nữa Một yêu cầu quan

trọng là thích ứng lùi Về cơ bản điều này nghĩa là một đầu cuối chạy LTE release cũ

hơn có thể truy nhập một sóng mang chức năng LTE rel 10, mặc dù không thể dùng tất cả tính năng rel 10 của sóng mang đó

LTE release 10 được hoàn thành vào cuối năm 2010 và bao hàm tăng cường sự linh động phổ LTE thông qua tập hợp sóng mang, thêm nữa là mở rộng truyền dẫn đa anten, hỗ trợ relay, và cung cấp cải tiến trong khu vực nhiễu xuyên ô (inter-cell interference)

1.3 Release 11

Release 11 mở rộng hơn nữa hiệu năng và năng lực của LTE Một trong những tính năng nổi bật nhất của LTE release 11, hoàn thành vào cuối năm 2012, là chức năng giao diện vô tuyến cho truyền đa điểm (multi-point) Cải tiến khác là tăng cường tập hợp sóng mang (carrier-aggregation), một cấu trúc kênh điều khiển mới, và những yêu cầu hiệu năng cho các bộ thu đầu cuối nâng cao hơn

Release 11 không chỉ hỗ trợ thêm cho băng tần mới, mà còn xác định yêu cầu cho tập hợp sóng mang trong và giữa những băng tần cũ và mới Trong dòng phát triển của công nghệ RF để hỗ trợ những băng tần phát và thu lớn hơn, ở đây cũng có những yêu cầu bổ sung cho trạm gốc đa băng, hỗ trợ đồng thời phát và/hoặc nhận các sóng mang trong nhiều băng tần sử dụng cùng phần cứng RF

1.3.1 Truyền và kết hợp đa điểm

Release 11 tập trung vào các tính năng giao diện vô tuyến và chức năng đầu cuối

để trợ giúp cho các sự phối hợp khác nhau, bao gồm hỗ trợ cho phản hồi kênh trạng thái cho nhiều điểm Những chức năng và tính năng này được gọi dưới cái tên Coordinated Multi-Point (CoMP)

1.3.2 Cấu trúc kênh điều khiển nâng cao

Trong release 11, một cấu trúc kênh điều khiển mới được giới thiệu để hỗ trợ điều phối nhiễu xuyên ô và để khai thác sự linh động của cấu trúc tín hiệu chuẩn mới không chỉ cho truyền dữ liệu mà còn báo hiệu điều khiển Cấu trúc kênh điều khiển mới đó do đó có thể coi là điều tiên quyết cho nhiều kỹ thuật CoMP, mặc dù nó cũng

có lợi cho beamforming và điều phối nhiễu dải tần

1.3.3 Sự tăng cường tập hợp sóng mang

Tập hợp sóng mang được giới thiệu trong release 10, nhưng với TDD nó bị hạn chế trong trường hợp tất cả các sóng mang hợp thành có cùng sự phân phát downlink-uplink Trong release 11 giới hạn này bị loại bỏ, và tập hợp nhiều sóng mang TDD với các phân phát downlink-uplink khác nhau được hỗ trợ Điều này khiến đầu cuối có thể cần nhận và phát đồng thời để sử dụng hoàn toàn cả hai sóng mang Do vậy, không

giống những phiên bản trước, một đầu cuối hỗ trợ TDD có thể tương tự như đầu cuối FDD, cần một bộ lọc song công.

1.3.4 Bộ thu nâng cao

Về cơ bản, một nhà cung cấp thiết bị đầu cuối tự do thiết kế các bộ thu đầu cuối theo bất kỳ cách nào miễn là nó hỗ trợ các yêu cầu tối thiểu quy định tại các thông số

kỹ thuật Các nhà cung cấp được khuyến khích cung cấp các bộ thu tốt hơn, vì điều này có thể trực tiếp cải thiện tốc độ dữ liệu người dùng cuối Tuy nhiên, mạng có thể không có khả năng khai thác các cải tiến bộ thu như vậy đến mức tối đa, vì nó có thể không biết đầu cuối nào có hiệu năng tốt hơn đáng kể Do đó, việc triển khai mạng cần phải dựa trên mức yêu cầu tối thiểu

1.3.5 Năng lực của đầu cuối

Để hỗ trợ các kịch bản khác nhau, với các đầu cuối khác nhau về tốc độ dữ liệu, cũng như cho phép sự khác biệt về thiết bị thấp/cao cấp trong giá cả, không phải tất cả các đầu cuối đều hỗ trợ tất cả các tính năng Hơn nữa, thiết bị đầu cuối từ một phiên bản trước đó sẽ không hỗ trợ các tính năng được giới thiệu trong các phiên bản sau của LTE Ví dụ, một đầu cuối release 8 sẽ không hỗ trợ tập hợp sóng mang như được giới thiệu trong release 10 Do đó, thiết bị đầu cuối không chỉ chỉ ra phiên bản LTE nào nó hỗ trợ, mà còn khả năng của nó với phiên bản đó

Về nguyên tắc, các thông số khác nhau có thể được xác định một cách riêng biệt, nhưng để hạn chế số lượng các kết hợp và tránh sự kết hợp vô nghĩa, một bộ các khả năng lớp vật lý được gộp lại với nhau để tạo thành một hạng mục UE (User Equipment, thiết bị người dùng, là thuật ngữ được sử dụng trong 3GPP để biểu thị một thiết bị đầu cuối)

Ngoài những khả năng được đề cập trong các danh mục UE, có một số khả năng quy định bên ngoài Kỹ thuật song công là một ví dụ, và việc hỗ trợ tín hiệu chuẩn quy định UE cho FDD trong release 8 là một ví dụ khác Nếu đầu cuối có hỗ trợ các công nghệ truy nhập vô tuyến khác, ví dụ như GSM và WCDMA, thì cũng được khai báo riêng

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE

2.1 Kiến trúc hệ thống tổng quan

Cùng với công nghệ truy nhập vô tuyến trong LTE, kiến trúc hệ thống toàn thể của cả mạng truy nhập vô tuyến (Radio-Access Network – RAN) và mạng lõi (CN) cũng được xem xét lại, bao gồm cả việc phân chia chức năng giữa hai phần mạng Việc này được biết đến là Sự phát triển kiến trúc hệ thống (System Architecture Evolution – SAE) và dẫn đến kiến trúc RAN phẳng, cũng như một kiến trúc mạng lõi mới gọi là Evolved Packet Core (EPC) Cùng với nhau, LTE RAN và EPC được gọi là Evolved Packet System (EPS)

RAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến của mạng, bao gồm, ví dụ lịch trình, xử lý nguồn vô tuyến, các giao thức truyền lại, mã hóa và các hệ thống đa anten khác nhau

EPC chịu trách nhiệm cho các chức năng không liên quan đến truy nhập vô tuyến nhưng cần cho cung cấp một mạng di động băng rộng hoàn chỉnh Nó bao gồm,

ví dụ, xác thực, chức năng tính tiền, và thiết đặt các kết nối cuối-tới-cuối Xử lý những chức năng này riêng biệt, thay vì hợp nhất chúng vào RAN, cho phép nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến được phục vụ bởi cùng một mạng lõi

2.1.1 Mạng lõi

EPC là một sự tiến triển thực sự từ mạng lõi GSM/GPRS sử dụng cho GSM và WCDMA/HSPA EPC chỉ hỗ trợ truy cập tới miền chuyển mạch gói mà không hỗ trợ truy cập miền chuyển mạch kênh Nó bao gồm nhiều loại node khác nhau, một số trong đó mô tả ngắn gọn dưới đây và minh họa trong Hình 1.1

Hình 2 Kiến trúc mạng lõi

Thực thể quản lý di động (Mobility Management Entity – MME) là node mặt bằng điều khiển (control-plane node) của EPC Nhiệm vụ của nó gồm có kết nối/giải phóng các kênh tải tới thiết bị đầu cuối, xử lý IDLE để kích hoạt chuyển tiếp, và xử lý các khóa bảo mật Các chức năng này hoạt động giữa EPC và thiết bị đầu cuối đôi khi được gọi là Non-Access Stratum (NAS), để tách nó từ Access Stratum (AS) mà xử lý các chức năng hoạt động giữa thiết bị đầu cuối và mạng truy nhập vô tuyến.

Cổng phục vụ (Serving Gateway – S-GW) là node mặt bằng người sử dụng plane node) kết nối EPC với LTE RAN S-GW hoạt động như một neo di động khi thiết bị đầu cuối di chuyển giữa các eNodeB, cũng như neo cho các công nghệ 3GPP khác (GSM/GPRS và HSPA) Thu thập thông tin và số liệu cần cho tính tiền cũng được xử lý bởi S-GW

(user-Cổng mạng dữ liệu gói (Packet Data Network Gateway, PDN Gateway hoặc GW) kết nối EPC tới internet Phân bổ địa chỉ IP cho một thiết bị đầu cuối được xử lý bởi P-GW, cũng như thực thi chất lượng dịch vụ (QoS) theo chính sách kiểm soát bởi PCRF P-GW cũng là neo di động cho các công nghệ truy nhập vô tuyến phi 3GPP, như CDMA2000, kết nối tới EPC

P-Thêm nữa, EPC cũng chứa các loại node khác như PCRF (Policy and Charging Rules Function) chịu trách nhiệm xử lý QoS và tính tiền, và node HSS (Home Subscriber Service), một cơ sở dữ liệu chứa thông tin thuê bao Cũng có vài node khác liên quan đến hỗ trợ mạng cho MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service Services)

Hình 2 Các giao diện mạng truy cập vô tuyến

Cần lưu ý rằng các node thảo luận ở trên là node logic Trong thực tế, vài node trong số chúng có thể được kết hợp Ví dụ, MME, P-GW, và S-GW có thể được kết hợp thành một node vật lý duy nhất.

2.1.2 Mạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến LTE sử dụng một kiến trúc phẳng với một loại node

duy nhất – eNodeB eNodeB chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến

vô tuyến trong một hoặc nhiều ô Lưu ý quan trọng là eNodeB là node logic và không phải sự thực thi vật lý Một sự thực thi chung của eNodeB là một khu vực 3 vùng (three-sector site), nơi một trạm gốc xử lý chuyển giao trong 3 ô, mặc dù những hoạt động khác đang diễn ra, như một đơn vị xử lý băng gốc tới nơi một số lượng đài từ xa đang kết nối Một ví dụ là một số lượng lớn các ô trong nhà, hoặc nhiều ô dọc đường cao tốc, thuộc về cùng một eNodeB Do đó, một trạm gốc là một sự thực thi có thể của một eNodeB

Có thể thấy trong Hình 2.2, eNodeB được kết nối đến EPC bằng phương tiện của giao diện S1, cụ thể hơn tới S-GW bằng phương tiện của phần mặt bằng người dùng của S1, S1-u, và tới MME bằng phương tiện của phần mặt bằng điều khiển S1, S1-c Một eNodeB có thể được kết nối tới nhiều MME/S-GW cho mục đích chia sẻ tải và

dự phòng

Giao diện X2, kết nối các eNodeB với nhau, chủ yếu sử dụng để hỗ trợ chế độ hoạt động (active-mode) Giao diện này cũng có thể sử dụng cho những chức năng quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến đa ô như Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) Giao diện X2 cũng dùng để hỗ trợ di động không tổn hao (lossless mobility) giữa các ô liền kề bằng cách chuyển tiếp gói tin

2.2 Cấu trúc các giao thức vô tuyến

Hình 2.3 minh họa cấu trúc giao thức RAN (MME không là một phẩn của RAN nhưng được bao gồm trong hình cho đầy đủ) Như trong hình, nhiều thực thể giao thức là chung cho mặt bằng người dùng và điều khiển Vì vậy, mặc dù phần này chủ yếu mô tả cấu trúc giao thức từ góc độ mặt bằng người dùng nhưng trong nhiều khía cạnh cũng áp dụng cho mặt bằng điều khiển Khía cạnh mặt bằng điều khiển cụ thể sẽ được thảo luận trong phần 2.3

Mạng truy nhập vô tuyến LTE cung cấp một hoặc nhiều kênh truyền tải (Radio Bearer) tới nơi các gói tin IP được ánh xạ theo các yêu cầu QoS Cái nhìn tổng quan của cấu trúc giao thức LTE (mặt bằng người dùng) cho đường xuống (downlink) được minh họa trong Hình 2.4 Cấu trúc giao thức LTE liên quan đến truyền tải đường lên (uplink) tương tự với đường xuống trong Hình 2.4, mặc dù có vài điểm khác, ví dụ, lựa chọn dạng truyền tải

Hình 2 Cấu trúc giao thức RAN tổng thể

Các thực thể giao thức khác của mạng truy nhập vô tuyến được tổng kết ở dưới

và mô tả chi tiết hơn trong những phần sau

• Giao thức hội tụ dữ liệu gói (Packet Data Convergence Protocol, PDCP) thực hiện nén tiêu đề (header) IP để giảm số bit truyền qua giao diện vô tuyến Cơ chế nén tiêu đề dựa vào Robust Header Compression (ROHC), một thuật toán nén tiêu đề chuẩn hóa cũng được dùng cho nhiều công nghệ truyền thông di động khác PDCP cũng chịu trách nhiệm mã hóa, bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu truyền, cũng như phân phối trình tự và loại bỏ trùng lặp cho handover Tại phía thu, giao thức PDCP thực hiện giải mã và giải nén tương ứng Có một thực thể PDCP trên kênh tải vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối