Giao diện vô tuyến của hệ thống LTE

Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý BCCH: Broadcast Control Channel: kênh điề

LỜI NÓI ĐẦU



Thế kỉ 21 được coi là thế kỉ của tri thức do đó nhu cầu và trao đổi và xử lý thông tin ngày càng lớn Trong những năm đầu của thế kỉ mới chúng ta được chứng kiến bước phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin mà điển hình ngày càng có nhiều công nghệ mới để truyền dữ liệu có hiệu quả Tại Việt Nam cũng đang có một cuộc cách mạng chuyển từ thế hệ 3G sang 4G trong lĩnh vực thông tin di động để bắt kịp với sự phát triển của thế giới

Hiện nay, mạng thông tin di động của Việt Nam đang sử dụng công nghệ GSM và CDMA băng thông hẹp, các công nghệ này trở nên lạc hậu và quá tải trước là trước các yêu cầu về dịch vụ mới như truyền số liệu tốc độ cao, xem phim HDTV trên điện thoại di động, truy cập WAP, internet và nhiều dịch vụ giá trị gia tăng khác Đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết dẫn đến hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu cho xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông Mạng thông tin di động từ khi ra đời đã trải qua nhiều thế hệ và mạng 3G đang được sử dụng rộng rãi hiện nay với các giải pháp kỹ thuật TDMA, FDMA, SDMA, CDMA Song chưa thể tối ưu hóa phổ tần Vì

lý do như vậy, em đã chọn nghiên cứu “Giao diện vô tuyến của hệ thống LTE” (mạng

di động tiền 4G) sử dụng OFDM của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển có thể áp dụng nhu cầu thực tiễn của người sử dụng trong tương lai gần Đề tài bao gồm các nội dung sau:

I. Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE

II. Các kênh trên giao diện vô tuyến LTE

III. Quản lý di động trong LTE

Mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng do trình độ và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý, phê bình và hướng dẫn từ thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục Lục

Danh mục hình ảnh

Danh mục bảng biểu

Giao diện vô tuyến của hệ thống LTE

I Kiến trúc phân lớp

Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:

 Lớp vật lý (lớp 1)

 Lớp liên kết dữ liệu (lớp 2)

 Lớp mạng (lớp 3)

Hình 1.1 Kiến trúc ngăn xếp giao thức vô tuyến trong mặt phẳng điều khiển

Lớp 1 (lớp vật lý) là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến, thực hiện các chức năng

xử lý tín hiệu như mã hóa kênh, điều chế và sắp xếp các luồng tín hiệu lên các anten

và các phần tử tài nguyên Lớp vật lý mang tất cả các thông tin từ các kênh truyền tải

ở lớp MAC trên giao diện vô tuyến Chăm sóc của sự thích ứng liên kết AMC (Adaptive Modulation and Coding: điều chế thích nghi và mã hóa), điều khiển công

suất, tìm kiếm di động cho mục đích đồng bộ và chuyển giao ban đầu và các phép đo khác bên trong hệ thống LTE và giữa các hệ thống cho các lớp RRC

Lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) được chia thành các lớp con: MAC, RLC, PDCP

 Lớp MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) có nhiệm vụ ghép các kênh logic vào các kênh truyền tải sau khi đã được xử lý lập biểu, ưu tiên đối với các luồng số liệu nhận được từ lớp RLC Các luồng được ghép vào một kênh truyền tải có thể xuất sứ từ một người sử dụng (một hay nhiều trường hợp của DCCH và DTCH) hay nhiều người sử dụng (một số DTCH từ các người sử dụng) MAC cũng hỗ trợ HARQ Cuối cùng MAC cung cấp các luồng truyền tải cho lớp vật lý

 Lớp RLC (Radio Link Control: điều khiển liên kết vô tuyến) cung cấp dịch vụ lớp 2 giống như OSI (Open System Interconection: kết nối hệ thống mở) cho lớp PDCP như: phân đoạn số liệu gói và ARQ (Automatic Repeate Request: yêu cầu phát lại tự động) và cơ chế sửa lỗi Tại đây RLC thực hiện chuyển đổi từng luồn RRC vào các kênh logic của lớp MAC

 Lớp PDCP (Packet Data Convergence Protocol: giao thức hội tụ số liệu gói) có vai trò chính là nén tiêu đề IP dựa trên cơ chế ROHC (Robust Header Compersion: nén tiêu đề bền chắc) và mật mã hóa để cung cấp các kênh mang (RB: Radio Bearer) cho lớp thấp hơn Mỗi kênh mang tương ứng với một luồng thông tin đặc thù của mặt phẳng người sử dụng (chẳng hạn: các khung tiếng, số liệu truyền theo luồng, báo hiệu IMS ) hay báo hiệu mặt phẳng điều khiển (chẳng hạn RRC hay báo hiệu NAS [Non Access Stratum: tầng không truy nhập] đến từ EPC) Do tính chất đặc biệt, các luồng tin được tạo bởi các chức năng “phát quảng bá thông tin hệ thống” và “tìm gọi” không được xử lý tại lớp PDCP

Lớp 3 (lớp mạng) chứa RRC (Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) có nhiệm vụ hỗ trợ tất cả các thủ tục báo hiệu giữa UE và eNodeB bao gồm các thủ tục quản lý di động và quản lý kết nối Các báo hiệu từ mặt phẳng điều khiển của EPC (Evolved Packet Core: lõi gói tăng cường), chẳng hạn đăng ký UE và nhận thực, được chuyển đến UE qua giao thức SM, MM thông qua RRC một cách trong suốt Ngoài ra tại UE còn có thêm NAS (Non Access Stratum: tầng không truy nhập) là tầng xử lý báo hiệu liên kết trực tiếp giữa UE và EPC (Evolved Packet Core: lõi gói phát triển) như: SM (Session Management: quản lý phiên), EMM (Evolved Mobility Management: quản lý di động tăng cường)

II Các kênh trên giao diện vô tuyến LTE

Các luồng thông tin giữa các giao thức khác nhau được gọi là các kênh và tín hiệu LTE sử dụng các 3 loại kênh khác nhau là: kênh logic, kênh truyền tải và kênh vật lý Chúng được phân biệt bởi các loại thông tin mà chúng mang theo và bằng cách thức

mà thông tin được xử lý

Hình 2.1 cho thấy các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý Từ hình 2.1 ta thấy cấu trúc các kênh của 4G LTE được đơn giản hóa so với 3G Trừ các kênh điều khiển RACH và BCH được sắp xếp các kênh vật lý riêng (PRACH/PBCH), tất cả các kênh còn lại đều được sắp xếp lên kênh vật lý chia sẻ: PDSCH/PUSCH

Các kênh điều khiển trong mặt phẳng CP bao gồm:

 BCCH (Broadcast Control Channel): kênh điều khiển quảng bá

 PCCH (Paging Control Channel): kênh điều khiển tìm gọi

 CCCH (Common Control Channel): kênh điều khiển chung

 MCCH (Multicast Control Channel): kênh điều khiển đa phương tiện

 DCCH (Dedicated Control Channel): kênh điều khiển riêng

 Các kênh lưu lượng trong mặt phẳng UP bao gồm:

 DTCH (Dedicated Traffic Channel): kênh lưu lượng riêng

 MTCH (Multicast Traffic Channel): kênh lưu lượng đa phương tiện

Hình 2.1 Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh

logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý

BCCH: Broadcast Control Channel: kênh điều khiển quảng bá

BCH: Broadcast Channel: kênh quảng bá

DCCH: Dedicated Control Channel: kênh điều khiển riêng

DL-SCH: Downlink Shared Channel: kênh chia sẻ đường xuống

MCH: Multicast Channel: kênh đa phương tiện

MCCH: Multicast Control Channel: kênh điều khiển đa phương tiện

MTCH: Multicast Traffic Channel: kênh lưu lượng đa phương tiện

UL-SCH: Up-Link Shared Channel: kênh chia sẻ đường lên

DTCH: Dedicated Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng

PBCH: Physical Broadcast Channel: kênh vật lý quảng bá

PCH: Paging Channel: kênh tìm gọi

PCCH: Paging Control Channel: kênh điều khiển tìm gọi

PCFICH: Physical Control Format Indicator: kênh vật lý chỉ thị khuôn dạng truyền tải

PDCCH: Physical Dedicated Control Channel: kênh vật lý điều khiển riêng

PDSCH: Physical Downlink Shared Channel: kênh vật lý chia sẻ đường xuống

PHICH: Physical HARQ Indicator Channel: kênh vật lý chỉ thị HARQ

PMCH: Physical Multicast Channel: kênh vật lý đa phương tiện

PRACH: Physical Random Access: kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên

PUCCH: Physical Uplink Control Channel: kênh vật lý điều khiển đường lên

PUSCH: Physical Uplink Shared Channel: kênh vật lý chia sẻ đường lên

2.1. Kênh Logic

Kênh logic: xác định loại thông tin được truyền trên giao diện vô tuyến, ví dụ như

hệ thống phát thanh, dữ liệu và bản tin báo hiệu được thực hiện trên các kênh logic giữa các giao thức RLC và MAC Kênh logic có thể được chia thành các kênh điều khiển và kênh lưu lượng Kênh điều khiển có thể là kênh chung hoặc kênh riêng Một kênh chung có nghĩa là được dùng chung cho tất cả mọi người dùng trong một tế bào điểm đa điểm trong khi các kênh riêng có nghĩa là các kênh có thể được sử dụng bởi một người dùng điểm tới điểm Kênh logic được phân biệt bởi các thông tin mà chúng mang theo và có thể được phân loại theo hai cách: thứ nhất, các luồng lưu lượng mang theo dữ liệu hợp lý trong mặt phẳng người sử dụng, trong khi các kênh điều khiển logic mang theo bản tin báo hiệu trong mặt phẳng điều khiển Bảng sau liệt kê các kênh logic được sử dụng bởi LTE:

Bảng 2.1 Danh sách các kênh logic

Nhóm

CCH

(Control

Channel):

Kênh điều

khiển

BCCH (Broadcast Control Channel):

Kênh điều khiển quảng bá

Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin

hệ thống

Từ thông tin này UE biết được: nhà khai thác của ô phục vụ, cấu hình các kênh chung của ô, cách truy nhập mạng

PCCH (Paging Control Channel):

Kênh điều khiển tìm gọi

Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi

Kênh này được sử dụng để tìm gọi UE cho phiên thông tin kết cuối tại UE

CCCH (Common Control Channel):

Kênh điều khiển chung

Kênh hai chiều để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE

Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới

Thông thường kênh này được sử dụng trong

giai đoạn sớm nhất của quá trình thiết lập thông tin

DCCH (Dedicated Control Channel):

Kênh điều khiển riêng

Kênh hai chiều điểm tới điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng

Được thiết lập bỏi thiết lập kết nối của RRC

Trong ngữ cảnh DCCH, thông tin điều khiển chỉ chứa báo hiệu RRC và NAS

Các báo hiệu lớp ứng dụng (SIP và RTCP) không được xử lý bởi DCCH

MCCH (Multicast Control Channel):

Kênh điều khiển

Kênh đường xuống điểm đa điểm được sử dụng

để phát thông tin điều khiển MBMS Kênh này chỉ được UE sử dụng để thu MBMS

TCH

(Traffic

Channel):

Kênh lưu

lượng

DTCH (Dedicated Traffic Channel):

Kênh lưu lượng riêng

Kênh điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền số liệu của một người sử dụng cũng như báo hiệu lớp ứng dụng liên quan đến luồng số liệu

DTCH có thể tồn tại cả ở đường lên và đường xuống

MTCH (Multicast Traffic Channel):

Kênh lưu lượng đa phương tiện

Kênh đường xuống điểm đa điểm được mạng

sử dụng để phát lưu lượng từ mạng đến UE

Kênh này chỉ được UE sử dụng để thu MBMS

2.2. Kênh truyền tải

Kênh truyền tải: xác định cách thức thông tin được truyền qua không khí, ví dụ những gì được mã hóa để lựa chọn sử dụng cho truyền dữ liệu đan xen Dữ liệu và bản tin báo hiệu được thực hiện trên kênh truyền tải giữa lớp MAC và lớp vật lý Kênh truyền tải được phân biệt bởi cách thức mà các bộ vi xử lý của kênh truyền tải điều khiển chúng Bảng dưới đây liệt kê các kênh truyền tải được sử dụng bởi LTE:

Bảng 2.2 Danh sách các kênh truyền tải

BCH (Broadcast

Channel): Kênh

quảng bá

Khuôn dạng truyền tải cố định và được quy định trước

Phát quảng bá thông tin hệ thống E-UTRAN trong toàn bộ ô

PCH (Paging

Channel): Kênh

tìm gọi

Hỗ trợ thu không liên tục (DRX) cho UE để tiết kiệm nguồn điện

Phát quảng bá trong toàn bộ ô

Được sắp xếp lên các tài nguyên vật lý mà các tài nguyên này có thể được sử dụng cho các kênh điều khiển hoặc lưu lượng

MCH (Multicast

Channel): Kênh

đa phương tiện

Phát trên toàn ô

Hỗ trợ MBSFN kết hợp với phát MBMS trên nhiều ô Hỗ trợ ấn định tài nguyên bán cố định

DL-SCH

(Downlink

Share Channel):

Kênh chia sẻ

đường xuống

Để truyền tải thông tin điều khiển và lưu lượng

Hỗ trợ HARQ

Hỗ trợ thích ứng đường truyền động bằng cách thay đổi sơ đồ điều chế và mã hóa kênh và thay đổi công suất

Có thể hỗ trợ phát quảng bá trên toàn bộ ô

Có thể hỗ trợ tạo búp

Hỗ trợ cả ấn định tài nguyên động lẫn bán cố định

Hỗ trợ thu không liên tục (DRX) cho UE để tiết kiệm nguồn điện

Hỗ trợ phát MBMS

RACH (Random

Access

Channel): kênh

truy nhập ngẫu

nhiên

Kênh chung đường lên

Kênh mang thông tin tối thiểu

Có thể mất kênh này do va chạm

UL-SCH

(Uplink Share

Channel): Kênh

chia sẻ đường

lên

Kênh đường lên có chức năng giống DL-SCH

Có thể hỗ trợ tạo búp

Hỗ trợ thích ứng đường truyền động bằng cách thay đổi công suất và có khả năng cả thay đổi sơ đồ điều chế và mã hóa kênh

2.3. Kênh vật lý

Kênh vật lý: xác định nơi mà thông tin được truyền qua không khí, ví dụ N ký tự đầu tiên trong khung DL Dữ liệu và bản tin báo hiệu được thực hiện trên các kênh vật

lý giữa các cấp độ khác nhau của lớp vật lý Dữ liệu và bản tin báo hiệu được thực hiện trên các kênh vật lý giữa các cấp độ khác nhau của các lớp vật lý và phù hợp chúng được chia thành hai phần:

 Kênh dữ liệu vật lý: được phân biệt với các kênh khác bởi cách thức mà các bộ vi

xử lý của kênh vật lý thao túng chúng và bằng những cách thức mà chúng được ánh xạ vào các ký hiệu và phụ tàu sân bay được sử dụng bởi bộ ghép tần phân chia tần số trực giao OFDM

 Kênh điều khiển vật lý: Bộ vi xử lý kênh truyền tải cũng tạo kiểm soát thông tin để

hỗ trợ các hoạt động ở mức độ thấp của lớp vật lý và gửi thông tin này đến bộ xử

lý kênh vật lý trong các hình thức của kênh điều khiển vật lý Các thông tin đi xa như bộ vi xử lý kênh truyền tải ở máy thu, nhưng là hoàn toàn vô hình với các lớp cao hơn Tương tự như vậy, bộ xử lý kênh vật lý tạo ra tín hiệu vật lý, có hỗ trợ các khía cạnh cấp thấp nhất của hệ thống

Bảng dưới đây liệt kê các kênh vật lý được sử dụng bởi LTE:

Bảng 2.3 Danh sách các kênh vật lý

PDSCH (Physical

Downlink Shared

Channel): kênh

vật lý chia sẻ

đường xuống

Kênh đường xuống

Mang thông tin DL-SCH, PCH và báo hiệu lớp cao hơn

Sử dụng điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM

PDCCH (Physical

Downlink Control

Channel): kênh

vật lý điều khiển

đường xuống

 Kênh đường xuống

 Thông tin cho UE về ấn định tài nguyên của PCH và DL-SCH và thông tin HARQ liên quan đến DL-DL-SCH

 Mang thông tin cho phép lập biểu đường lên

 Sử dụng QPSK PCFICH

(Physical Control

Format Channel):

kênh vật lý chỉ thị

khuôn dạng điều

khiển

Kênh đường xuống

Chỉ thị số lượng các ký hiệu OFDM sử dụng cho PDCCH

Sử dụng điều chế QPSK

PHICH (Physical

HARQ Indicator

Channel): kênh

vật lý chỉ thị

HARQ

Kênh đường xuống

Khối truyền tải BCH được sắp xếp lên bốn khung con trong khoảng thời gian 40 ms

Định thời 40 ms được phát hiện mù (không có báo hiệu chỉ ra định thời 40 ms này)

Mỗi khung con có thể được tự giải mã (Có thể tách được BCH

từ một lần thu nếu điều kiện truyền sóng tốt)

Sử dụng điều chế QPSK PMCH (Physical

Multicast

Channel): Kênh

vật lý đa phương

tiện

Kênh đường xuống.

Mang MCH

Sử dụng điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM

PRACH (Physical

Random Access

Channel): kênh

vật lý truy cập

ngẫu nhiên

Kênh đường lên

Mang tiền tố truy cập ngẫu nhiên

Các tiền tố truy cập ngẫu nhiên được tạo ra từ các chuỗi Zadoff-Chu với vùng tương quan không được tạo ra từ một hoặc nhiều chuỗi Zadoff-Chu gốc

PUSCH (Physical

Uplink Shared

Channel): kênh

vật lý chia sẻ

đường lên

Kênh đường lên

Mang UL-SCH

Điều chế QPSK, 16 QAM, 64 QAM

PUCCH (Physical

Uplink Control

Channel): kênh

vật lý điều khiển

đường lên

Kênh đường lên

Mang HARQ ACK/NACK để trả lời cho các truyền dẫn đường xuống

Mang yêu cầu lập biểu (SR: Scheduling Request)

Mang các báo cáo CQI

Sử dụng điều chế BPSK và QPSK