Kiến trúc hệ thống và đánh giá chung về Hỗ trợ truy nhập băng tần cấp phép Licensedassisted access (LAA) LTE với IEEE 802.11

Mục LụcKiến trúc hệ thống và đánh giá chung về Hỗ trợ truy nhập băng tần cấp phép - Licensed-assisted access LAA LTE với IEEE 802.11 Tóm tắt: Licensed-assisted access LAA là chế độ hoạt

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN: CÁC CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG HIỆN ĐẠI

Đề tài: Kiến trúc hệ thống và đánh giá chung về Hỗ trợ truy nhập băng tần cấp phép - Licensed-assisted access (LAA) LTE với IEEE 802.11

Giảng viên hướng dẫn: TS Đình Chí Hiếu

Nhóm SV thực hiện: Trần Duy Hà

Nguyễn Thị Thanh Hòa Nguyễn Văn Chung Nguyễn Phước Đạt Nguyễn Thị Thùy Dương

Mục Lục

Kiến trúc hệ thống và đánh giá chung về Hỗ trợ truy nhập băng tần cấp phép

- Licensed-assisted access (LAA) LTE với IEEE 802.11

Tóm tắt: Licensed-assisted access (LAA) là chế độ hoạt động mới của LTE

trong phổ tần không cấp phép hiện đang được nghiên cứu trong diễn đàn 3GPP Để cùng tồn tại với WI-fi, một số chức năng yêu cầu mới của LAA LTE bao gồm cơ chế đánh giá kênh rõ ràng dựa trên listen-before-talk ( LBT), truyền không liên tục trên sóng mang với khoảng thời gian giới hạn tối đa, và lựa chọn tần số động (DFS) cho radar tránh trong các dải tần số nhất định Bài báo này trình bày một cách tổng quan chi tiết về tác động của hoạt động của băng tần không cấp phép trên lớp vật lý LTE, chẳng hạn như thiết kế đường xuống kênh vật lý, lịch trình, quản lý tài nguyên vô tuyến Kết quả mô phỏng hệ thống này sau đó được trình bày

cho các giả thiết trong nhà và ngoài trời, cho thấy sự cùng tồn tại giữa LAA và

Wi-fi có thể đạt được và triển khai LAA có thể tăng hiệu suất của WI-Fi

I.Giới thiệu

Sự phát triển nhanh của Third-Generation Partnership Project (3GPP) Long-Term Evolution (LTE) tại các khu vực khác nhau của thế giới cho thấy nhu cầu về

dữ liệu băng rộng không dây ngày càng tăng, và LTE là một nền tảng cực kỳ thành công đáp ứng nhu cầu đó Hiện tại và phổ cấp mới để sử dụng bởi IMT technologies sẽ vẫn cơ bản cho việc cung cấp phủ sóng diện rộng liền mạch, đạt được các phổ hiệu quả cao nhất, và đảm bảo độ tin cậy cao nhất của tế bào mạng

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lưu lượng truy cập dữ liệu (ví dụ,video streaming) từ người sử dụng và đặc biệt, trong tập trung tòa nhà giao thông cao, các điểm kết nối, băng thông di động nhiều hơn sẽ cần thiết Với số lượng lớn của phổ tần có sẵn trong các băng không cấp phép trên toàn thế giới, phổ tần không cấp phép sẽ được xem xét nhiều hơn nữa bởi các nhà khai thác di động như một công cụ bổ sung để tăng cường cung cấp dịch vụ của họ Như một phần của sự phát triển này, một sáng kiến mới của LTE Release 13 đang tiếp tục nghiên cứu về LAA hoạt động trong phổ tần không cấp phép Dựa trên nguyên tắc tập hợp sóng mang, tế bào thứ cấp LAA (SCells) mang dữ liệu truyền trong phổ tần không đăng

ký với sự hỗ trợ từ một tế bào sơ cấp (pcell) trong phổ được cấp phép Các pcell vẫn duy trì các trao đổi thông điệp điều khiển cần thiết và cũng cung cấp phổ tần mạnh mẽ luôn luôn có sẵn cho thời gian thực hoặc lưu lượng truy cập có giá trị cao Điều này giúp các nhà khai thác để tận dụng có sẵn hoặc lên kế hoạch phủ sóng liền mạch chung trong mạng LTE với băng thông bổ sung và dung lượng Các nghiên cứu 3GPP ưu tiên DL-duy nhất hoạt động phù hợp nhất trường hợp sử dụng ban đầu

Việc sử dụng LTE trong phổ không cấp phép tạo ra nhiều thách thức kể từ khi kênh vật lý LTE ngày càng lớn được thiết kế trên sơ sở hoạt động liên tục trên sóng mang được cấp phép ( mặc dù Rel-12 LTE đã thêm vào chế độ ON/OFF của Scell trong băng cấp phép) Bên cạnh đó, khu vực địa lý khác nhau có những quy

định riêng để truyền trong phổ tần không được cấp phép, [2] Vì vậy 3GPP SI, nó

đã được đồng ý để hướng tới mục tiêu khuôn khổ toàn cầu duy nhất cho LAA với các chức năng để đáp ứng yêu cầu quy định tại các khu vực khác nhau và băng khác nhau Hơn nữa, thiết kế LAA nên cung cấp đủ tính năng cấu hình để cho phép hoạt động hiệu quả trong khu vực địa lý khác nhau Một mục tiêu quan trọng của các mục nghiên cứu LAA là rằng thiết kế LAA nên nhắm mục tiêu tồn tại chung công bằng với các mạng Wi-Fi có sẵn để không làm ảnh hưởng đến Dịch vụ Wi-Fi nhiều hơn một mạng Wi-Fi khác, đối với thông lượng và độ trễ Thiết kế LAA cần tiếp tục nhắm mục tiêu cùng tồn tại bình đẳng giữa các mạng LAA được triển khai bởi các nhà khai thác khác nhau để các mạng LAAcó thể đạt được hiệu suất so sánh

Một số chức năng yêu cầu mới của LAA từ góc độ cùng tồn tại bao gồm một

cơ chế cho kênh dựa trên listen-before-talk (LBT), truyền gián đoạn (DTX) tren một sóng mang với giới hạn thời gian truyền tải lớn nhất, và lựa chọn tần số động (DFS) cho radar tránh trong các băng nhất định Chức năng DTX và LBT sec có tác động lớn đến khía cạnh khác nhau của LTE, từ thiết kế đường xuống kênh vật

lý, kênh thông tin trạng thái (CSI) dự toán và báo cáo, hoạt động ARQ hỗn hợp (HARQ), quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Sự cùng tồn tại của LTE và Wifi dựa trên LBT đã không được đánh giá chi tiết trong các công việc như trước [3]-[6] Trong đó có các mô hình đơn giản mà không cần đến LBT

Bài báo này trình bày tổng quan về tác động của hoạt động của phổ tần không cấp phép trong lớp vật lý LTE Một ứng viên kiến trúc hệ thống LAA cho downlink được đề xuất và mô tả chi tiết, bao gồm các khía cạnh như lựa chọn sóng mang, DFS, LBT, thiết kế kênh vật lý, và RRM Một quy trình LBT tăng cường được đề xuất để cải thiện sự tồn tại chung của LAA và Wi-fi Kết quả mô phỏng hệ thống toàn diện dựa trên đánh giá của 3GPP cho thấy rằng sự cùng tồn tại công bằng giữa LAA LTE và Wifi có thể đạt được trong cả giả thiết trong nhà và ngoài trời

Hình 1: Nguyên tắc LBT chung với backoff trì hoãn thời gian cho sự cùng tồn tại

của LAA-Wi-Fi

II Kiến trúc hệ thống LLA

A Lựa chọn nhà cung cấp, DFS, và LBT

1)Lựa chọn nhà cung cấp:

Tại Nhật Bản, Châu Âu và Mỹ, giữa 455 MHz đến 555 MHz của phổ tần không được cấp phép hiện đang có sẵn để sử dụng trong băng tần 5 GHz.Phần lớn quy định đặt các giới hạn về năng lượng truyền dẫn trong các băng tần không được cấp phép Ví dụ, đối với băng tần nhỏ hơn 5GHZ, năng lượng truyền dẫn tối đa ở châu Âu là 23 dBm EIRP Như là kết quả của các giới hạn năng lượng truyền dẫn, Nhìn chung LAA sẽ phù hợp hơn cho các triển khai ở cell nhỏ Lựa chọn nhà cung cấp cẩn thận là bước đầu tiên cho các nút LAA để đạt được sự tồn tại tốt với các triển khai phổ chưa được cấp phép khác Các Mục tiêu của lựa chọn nhà cung cấp

là để chọn một hoặc nhiều hơn các kênh 20 MHz cho các hoạt động đó sẽ nhận được ít nhất sự can thiệp cho chính nút đó và do đó, sẽ gây ra ít nhất sự can thiệp đến sự tồn tại của nút đó Vì vậy, lựa chọn nhà cung cấp có thể được thực hiện định kỳ một cách bán tĩnh vì mức độ can thiệp trung bình có thể thay đổi trong dài

hạn do số lượng khác nhau tại các nút và tải lưu lượng lân cận Các nhà cung cấp này sau đó được cấu hình và kích hoạt như SCells cho thiết bị người dùng LAA (UEs) Tuy nhiên, lựa chọn nhà cung cấp có thể được thực hiện một cách tự động

mà không cần bất cứ tác động kỹ thuật nào bởi một LAA eNB bằng cách tính trung bình nhận được sự can thiệp của năng lượng dự kiến trên các nhà cung cấp

2)Lựa chọn tần số động:

DFS là một quy định yêu cầu cho các băng tần số nhất định ở các vùng khác nhau,

ví dụ, để phát hiện nhiễu từ các hệ thống radar và để tránh hoạt đông đồng kênh với các hệ thống bằng cách chọn các nhà cung cấp khác nhau trên mốc thời gian tương đối chậm Quy mô thời gian tương ứng cho cho DFS là theo thứ tự các giây

và do đó có thể được xem là tại một mốc thời gian thậm chí còn chậm hơn so lựa chọn nhà cung cấp Nó đã được chấp nhận trong 3GPP chức năng này là một vấn

đề thực hiện và cũng sẽ không có tác động vào các thông số kỹ thuật LTE [1]

3)Listen-before-talk:

Các phương pháp LBT được định nghĩa là một cơ chế mà theo đó một thiết bị áp dụng đánh giá một kênh rõ ràng (CCA) kiểm tra trước khi truyền trên kênh

Do đó, các bản sao có sự phối hợp phân phối chức năng (DCF) và nâng cao phân phối truy cập kênh giao thức (EDCA) MAC trong Wi-Fi CCA sử dụng ít nhất phát hiện năng lượng để xác định sự hiện diện hay vắng mặt của các tín hiệu trên một kênh để xác định xem một kênh bị khóa hoặc rõ ràng, tương ứng Quy định của Nhật Bản và là một trong các tiêu chuẩn hài hoà được trích dẫn bởi quy định châu

Âu hiện đang đòi hỏi việc sử dụng LBT trong băng tần 5GHz không được cấp phép Ngoài yêu cầu quy định, cảm biến vận chuyển qua LBT có thể có lợi cho việc chia sẻ phổ không có giấy phép mà không cần triển khai đồng kênh Do đó, nó được coi là một tính năng tuyệt vời cho các hoạt động công bằng và thân thiện trong phổ không được cấp phép theo một khuôn khổ toàn cầu duy nhất

Một ví dụ về một quy trình chung LBT là dựa tải giao thức LBT mà có thể thực hiện với kênh cảm biến thời gian động [2] Cụ thể, trong một quy trình LBT này

ban đầu CCA tại ít nhất 20 μs được thực hiện trước khi đến một phiên truyền dẫn mới Nếu các thiết bị tìm thấy kênh là rõ ràng, nó có thể được truyền ngay lập tức

Hình 2: Đề xuất thủ tục LBT với cửa sổ CCA cố định ở biên subframe và đóng băng chu kì tại backofff và CCAs bị treo

Mặt khác, nếu các phương tiện nhận thấy đã bị chiếm đóng, việc truyền dữ liệu bị chậm và mở rộng một CCA (ECCA) được thực hiện cho đến khi kênh được coi là

ổn định.Trong một kiểm tra ECCA, các kênh hoạt động được quan sát trong suốt thời gian của một yếu tố ngẫu nhiên N bởi thời gian quan sát CCA N xác định số lượng khe đang trống cần phải được theo dõi trước khi bắt đầu truyền dẫn Giá trị của N được lựa chọn ngẫu nhiên như N∈ [1, q] mọi lúc một CCA mở rộng được yêu cầu và các giá trị được lưu trữ trong một truy cập Các giá trị của q được lựa chọn bởi các nhà sản xuất trong phạm vi của [4, 32] Việc truy cập được giảm đi mỗi lần một CCA khe được coi là chưa bị chiếm.Khi bộ đếm đạt bằng không, các thiết bị có thể truyền tải Các thủ tục LBT tải tương tự dựa trên cảm biến của nhà cung cấp vật lý trong Wi-Fi, dù với hai điểm chính: không có trì hoãn thời gian, và không tăng theo cấp số nhân ở phía sau cửa sổ nội dung Theo DCF, một thiết bị Wi-Fi trì hoãn sự nối lại đếm xuống bộ đếm backoff ngẫu nhiên cho đến khi kênh vừa bỏ trống là không hoạt động cho 34 μs Các tải LBT dựa trên quy trình thiếu như là một cơ chế trì hoãn sau khi kênh bị chiếm đóng Do đó, trực tiếp sử dụng lại tải LBT dựa trên thủ tục với các khoảng thời gian CCA yêu cầu tối thiểu có thể dẫn đến hành vi tồn tại không mong muốn do thiếu khoảng thời gian trì hoãn Ví dụ, các LAA CCA ban đầu trong đó thực chất trùng với khoảng thời gian SIFS giữa

một khung truyền dẫn WiFi và ACK tương ứng của nó có thể tuyên bố kênh là không hoạt động Điều này có thể kích hoạt truyền dẫn LAA ngay lập tức mà kết thúc va chạm với Wi-Fi ACK

Vì vậy, trong bài này là một quy trình LBT nâng cao được sử dụng cho LAA trong

đó kết hợp một thời gian backoff trì hoãn tại ít nhất 20 μs sau khi một kênh bận vừa trở thành tự do, như thể hiện trong hình 1 Tương ứng với các kênh tối đa hạn chế chiếm dụng của 4 ms tại Nhật Bản Hiệu quả của các thời gian trì hoãn bổ sung

là thời gian sớm nhất LAA có thể truyền sau khi kênh trở nên nhàn rỗi là ít nhất lớn như Wi-Fi [7]

Cơ hội truyền tải bổ sung được cung cấp cho WiFi bằng cách hạn chế những điểm khởi đầu LAA CCA cho LTE ranh giới khung phụ và thực thi "thời kỳ đóng băng", nơi các quy trình backoff và CCA cảm biến hoàn toàn bị đình chỉ, như thể hiện trong Hình 2 cho trường hợp đường xuống (DL) Cấu hình thời gian đóng băng tại eNB trong quá trình LBT giảm trên không do chuyển thể của bất kỳ tín hiệu đầu tiên (mà có thể chứa các ký hiệu tham khảo để hỗ trợ các máy thu), vì nó có thể không có tính khả thi để dữ liệu LTE bắt đầu ngay lập tức ở một môi trường thời gian tùy ý Ngoài ra, tính năng này làm tăng cơ hội cho các nút khác trong trung và truy cập các kênh một cách hiệu quả trong đó có thể phục vụ với mục đích tương

tự như hàm mũ backoff Tính năng trong công nghệ Wi-Fi Cấu trúc của LBT chọn giao thức có nhiều ý nghĩa đối với các thiết kế của DL và kênh vật lý UL, như được mô tả trong phần tiếp theo Việc thực hiện các giao thức LBT đề xuất được đánh giá số lượng trong phần.III

B Điều kiện thiết kế Downlink

1) Kênh vật lý và tín hiệu tham khảo

Trong đề xuất giản đồ LBT trong hình.1, CCA bắt đầu vào tại đầu của một khung phụ LAA Trong ba ký tự OFDM đầu tiên (OS) vào đầu của một khung phụ có thể cho ví dụ được đặt sang một bên (đánh thủng) để phù hợp với phạm vi có thể của CCA khi không có sự can thiệp ở hiện tại Với thiết kế này, các Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) mang dữ liệu và Enhanced Physical Control Channel

Downlink (EPDCCH) truyền dẫn sẽ luôn luôn bắt đầu trong OS thứ 4 trong khung phụ đầu tiên của cụm truyền Nếu CCA được hoàn tất trước OS thứ 4, kiểm soát bổ sung hoặc tham khảo thêm các tín hiệu có thể được truyền để giúp phía thu chuẩn

bị các thông số tiếp nhận Thời gian của cụm truyền tải phụ thuộc khi quy định hạn chế về mức bận kênh tối đa, ví dụ, tính đến cuối của khung phụ thứ tư tại Nhật Bản

Các PDSCH có thể chiếm tất cả 14 OS trong các khung phụ trừ cái đầu tiên sau khi giai đoạn CCA Với thiết kế LBT này, không có tác động đến các tín hiệu giải điều chế tham khảo UE-cụ thể (DMRS) và tín hiệu tham khảo thông tin trạng thái kênh (CSI-RS) kể từ khi chúng được đặt sau OS thứ 5 trong một khung phụ Tùy chọn này cũng là thuận lợi hơn để thiết kế các song mang LAA dựa trên kênh vật lý DMRS-based DL bao gồm cả chế độ truyền PDSCH 10 (TM10) và EPDCCH Đáng lưu ý là Cell cụ thể RS (CRS) dựa PDSCH TM4 vẫn có thể được

hỗ trợ, mặc dù các chức năng của CRS ở đây nhiều tương tự như DMRS (kể từ CRS không thể được truyền liên tục)

2) Lập kế hoạch

Trong Rel-10 CA, một SCell có thể thực hiện các khoản tài trợ lên lịch cho các UE phục vụ trên cùng một SCell (gọi là tự lập kế hoạch), hoặc UE trên SCell cụ thể có thể được lên kế hoạch từ Pcell này hay các SCell khác thông qua cấu hình lịch trình sóng mang chéo Để hỗ trợ tự lập kế hoạch trên LAA SCell, tài nguyên EPDCCH nên được cấu hình cho các SCell Các EPDCCH nên luôn luôn bắt đầu trong OS # 3 không phân biệt nơi khung phụ được nằm trong một burst truyền như hình 3 Một vùng mới có thể cần thiết trong DCI để báo cho UE liệu khung phụ là một khung phụ bình thường (với PDSCH chiếm tất cả các 14 OS) hoặc một khung phụ được rút ngắn (với PDSCH bắt đầu từ OS #3) Điều này là do các UE không

có một kiến thức trước một khung phụ đặc biệt là các khung phụ đầu tiên của một burst truyền (Vì chức năng của PDCCH có thể được bao phủ bởi EPDCCH, ba OS đầu tiên của một khung phụ, trong đó PDCCH thường nằm, có thể được đánh thủng và được sử dụng cho LBT.) Theo khung tập hợp song mang LTE, PUCCH mang HARQ-ACK và CSI cho tất cả các tế bào tổng hợp nên được gửi vào Pcell

UL.Kể từ khi các nguồn tài nguyên PUCCH trên pcell được dành riêng và luôn có sẵn (không giống như các SCell LAA), gửi UCI trên PUCCH là một trong những lợi thế quan trọng của lớp PHY LTE trên lớp PHY Wi-Fi.Các LTE PUCCH được thiết kế cho vùng phủ sóng và độ tin cậy thông qua mã hóa tỷ lệ rất thấp, sự lặp lại,

và nhảy tần

Hình 3: Đề xuất ánh xạ truyền dẫn dữ liệu và ánh xạ kênh điều khiển cho thiết kế

tự lập lịch Scell LAA

Truyền dẫn trên Pcell đăng ký tiếp tục cho phép các UE để truyền dữ liệu với công suất cao hơn và tần số sóng mang thấp hơn (với tổn thất đường thấp hơn) Kênh điều khiển Wi-Fi cho cả UL và DL dựa trên mã hóa xoắn BPSK tỷ lệ 1/2 và thiết kế công nhận khung đòi hỏi nhiều hơn đáng kể các bit so với thiết kế LTE Trong tất cả, các kênh điều khiển Wi-Fi đã được thiết kế để cung cấp vùng phủ song tại các khu vực địa phương hóa như triển khai trong nhà và không thích hợp cho việc triển khai ngoài trời

Việc thiết kế kênh điều khiển LTE so sánh đáng tin cậy cho phép triển khai ngoài trời và một vùng phủ sóng lớn hơn

C Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến và CSI Phản hồi

Sự kết hợp của LBT và truyền dẫn tín hiệu lớn nhất chức năng thời gian LAA ngụ

ý rằng tín hiệu tham chiếu LTE là không đảm bảo được truyền đi với một chu kỳ

cố định trên SCells LAA Điều này có thể ảnh hưởng các phương thức mà các phép

đo RRM, CSI và phản hồi và theo dõi thời gian-tần số hiện đang được hỗ trợ trong LTE Thời gian và theo dõi tần số xem xét như là một ví dụ, các UEs yêu cầu cácđể ước lượng thời gian và tần số định kỳ Một bộ lọc / theo dõi được áp dụng cho những ước tính này để duy trì thời gian và đồng bộ tần số Một ít chức năng