Truy nhập vô tuyến và kiến trúc giao diện vô tuyến trong công nghệ lte

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG _ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN VÀ KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ SONG Lớp 48K ĐTVT Niên khóa: 2007 - 2012 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA Nghệ An, 01 - 2012 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chương LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THƠNG TIN DI ĐỘNG 3G LÊN 4G 18 1.1 Quá trình tiêu chuẩn hóa WCDMA/HSPA 3GPP 18 1.1.1 Chuẩn hóa 3GPP 18 1.1.2 Phát triển tăng cường HSPA (HSDPA HSUPA) 22 1.2 Kế hoạch nghiên cứu phát triển LTE (Long Term Evolution) 24 1.3 IMT-Advanced lộ trình tiến tới 4G 25 1.4 Tổng quan truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) 28 1.5 Tổng quan LTE 29 1.5.1 Giới thiệu LTE 29 1.5.2 Tốc độ số liệu đỉnh 31 1.5.3 Thông lượng số liệu 31 1.5.4 Hiệu suất phổ tần 32 1.5.5 Hỗ trợ di động 33 1.5.6 Vùng phủ 34 1.5.7 MBMS tăng cường 34 1.5.8 Kiến trúc mạng LTE 35 1.6 Kết luận 39 Chương TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE 40 2.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 40 2.2 Băng tần truyền dẫn 41 2.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA 42 2.3.1 Nguyên lý OFDM 42 2.3.2 Công nghệ OFDM cho đường xuống 48 2.3.3 Kỹ thuật OFDMA 49 2.3.4 Cấu trúc khung LTE miền thời gian tần số 51 2.4 Công nghệ SC-FDMA đường lên LTE 56 2.4.1 SC-FDMA 56 2.4.2 Cấu trúc khung cho truyền dẫn đường lên 58 2.4.3 Truyền dẫn liệu hướng lên 60 2.5 Tìm hiểu lập biểu phụ thuộc kênh thích ứng tốc độ 61 2.5.1 Lập biểu đường xuống 63 2.5.2 Lập biểu đường lên 63 2.5.3 HARQ với kết hợp mềm 64 2.5.4 Hỗ trợ đa anten 64 2.5.5 Hỗ trợ quảng bá đa phương 65 2.6 Kết luận 66 Chương KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN TRONG LTE 67 3.1 Kiến trúc giao thức LTE 67 3.2 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC 69 3.3 Điều khiển truy nhập môi trường MAC 71 3.3.1 Kênh logic kênh truyền tải (Logical channels and transport channels) 71 3.3.2 Lập biểu đường xuống 74 3.3.3 Lập biểu đường lên 76 3.3.4 Hybrid ARQ (HARQ) 79 3.4 Lớp vật lý ( PHY- Physical layer) 83 3.5 Luồng liệu 85 3.6 Kết luận 85 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 LỜI NĨI ĐẦU Thơng tin di động ngày trở thành ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh mang lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác Sự phát triển thị trường viễn thông di động thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu triển khai hệ thống thông tin di động tương lai Hệ thống di động hệ thứ hai, với GSM CDMA ví dụ điển hình phát triển mạnh mẽ nhiều quốc gia Tuy nhiên, thị trường viễn thông mở rộng thể hạn chế dung lượng băng thông hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Sự đời hệ thống thông tin di động hệ thứ ba với công nghệ tiêu biểu WCDMA hay HSPA tất yếu để đáp ứng nhu cầu truy nhập liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng người sử dụng Mặc dù hệ thống thông tin di động hệ 2.5G hay 3G phát triển không ngừng nhà khai thác viễn thông lớn giới bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm chuẩn di động hệ có nhiều tiềm trở thành chuẩn di động 4G tương lai, LTE (Long Term Evolution) Các thử nghiệm trình diễn chứng tỏ lực tuyệt vời công nghệ LTE khả thương mại hóa LTE đến gần Trước đây, muốn truy cập liệu, bạn phải cần có đường dây cố định để kết nối Trong tương lai không xa với LTE, bạn truy cập tất dịch vụ lúc nơi di chuyển như: Xem phim chất lượng cao HDTV, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải sở liệu v.v… với tốc độ “siêu tốc” Đó khác biệt mạng di động hệ thứ ba (3G) mạng di động hệ thứ tư (4G) Tuy mẻ mạng di động băng rộng 4G kỳ vọng tạo nhiều thay đổi khác biệt so với mạng di động Xuất phát từ vấn đề trên, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp là: “Truy nhập vô tuyến kiến trúc giao diện vô tuyến cơng nghệ LTE” Đề tài vào tìm hiểu công nghệ truy nhập đường lên đường xuống LTE kỹ thuật thành phần sử dụng LTE để hiểu rõ thêm tiềm hấp dẫn mà công nghệ mang lại Nội dung đồ án bao gồm Chương Lộ trình phát triển thơng tin di động 3G lên 4G Nội dung chương gồm hoạt động nghiên cứu phát triển 3G, lộ trình lên 4G tiến hành 3GPP, giới thiệu công nghệ LTE Chương Truy nhập vô tuyến công nghệ LTE Chương đề cập đến vấn đề truy nhập đường lên đường xuống công nghệ LTE Chương Kiến trúc giao diện vô tuyến Chương mô tả lớp giao thức lớp vật lý, tương tác chúng giao diện lớp vật lý LTE Do hạn chế thời gian khả nghiên cứu, đồ án khơng trách khỏi thiếu sót nhầm lẫn, em mong nhận góp ý thầy cô, bạn để nội dung đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thơng trường Đại Học Vinh tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho em suốt thời gian học tập trường Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến cô giáo TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này! Cảm ơn tất bạn bè giúp đỡ chia khó khăn q trình thực đồ án này! Vinh, ngày tháng 01 năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Thị Song TÓM TẮT ĐỒ ÁN Thông tin di động phát triển vũ bão, chất lượng dịch vụ ngày nâng cao đáp ứng nhu cầu ngày tăng người sử dụng Mặc dù hệ thống thông tin di động 2.5G, 3G phát triển không ngừng Liên Minh Viễn Thông quốc Tế ITU hướng tới chuẩn cho mạng di động hệ thứ (4G) LTE Với LTE bạn truy cập tất dịch vụ lúc nơi với tốc độ cao Vì đồ án em tập trung vào giới thiệu công nghệ LTE đặc biệt kỹ thuật truy nhập vơ tuyến gồm có truy nhập đường xuống OFDM truy nhập đường lên dựa công nghệ DFTS-OFDM hay cịn gọi SC-FDMA Ngồi cịn tìm hiểu kiến trúc giao diện vô tuyến LTE PROJECT SUMMARY The mobile communications has rain develop, the quality and the service are day by day better to satisfy the demand of consumer who have the demand and needs change very fast Although the mobile communication system 2.5G, 3G is being developed continuously, but the International Telecommunications Union ITU is moving toward a new standard for cellular networks 4th generation (4G) LTE is With LTE you can access all services at all times at high speed So in this project you must focus on introducing LTE technology and especially the radio access technology including access OFDM downlink and uplink access is based on DFTS-OFDM technology also known as SC-FDMA Also learn about architecture LTE radio interface DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mục tiêu 4G 26 Bảng 1.2 Các đặc điểm cơng nghệ LTE………………………….29 Bảng 1.3 So sánh thông số tốc độ hiệu suất sử dụng phổ tần LTE HSDPA 32 Bảng 1.4 So sánh thông số tốc độ hiệu suất sử dụng phổ tần LTE HSUPA 33 Bảng 2.1 Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác FDD TDD 52 DANH MỤC HINH VẼ Hình 1.1 Lộ trình đưa phát hành 3GPP 18 Hình 1.2 Lộ trình tăng tốc độ số liệu phát hành 3GPP [1] 19 Hình 1.3 Các kỹ thuật xem xét nghiên cứu cho HSUPA[1] 21 Hình 1.4 Các kỹ thuật lựa chọn cho nghiên cứu HSUPA [1] 22 Hình1.5 Quá trình tiêu chuẩn hóa HSUPA 3GPP [1] 22 Hình 1.6 Nguyên lý MIMO với hai anten phát hai anten thu [1] 23 Hình 1.7 Lộ trình phát triển 3GPP [1] 24 Hình 1.8 Tổ chức nhóm điều phối đề án 3GPP [1] 25 Hình 1.9 Các khả IMT-2000 hệ thống sau IMT-2000 theo khuyến nghị M.1654 ITU-R [1] 26 Hình 1.10 Q trình phát triển cơng nghệ thơng tin di động lên 4G [1] 27 Hình 1.11 Triển khai HSPA với sóng mang riêng (f2) chung sóng mang với WCDMA (f1) [1] 28 Hình 1.12 Tốc độ số liệu khác giao diện (trường hợp HSDPA) [1] 29 Hình 1.13 Kiến trúc cho hệ thống mạng có E-UTRAN [5] 36 Hình 2.1 Phổ dạng xung sóng mang cho truyền OFDM [1] 42 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM (gồm thu phát) [1] 43 Hình 2.3 Giải thích ý nghĩa chèn CP [1] 46 Hình 2.4 Biểu diễn tần số- thời gian tín hiệu OFDM [5] 48 Hình 2.5 Sự tạo ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [5] 49 Hình 2.6 Cấp phát sóng mang cho OFDM OFDMA 50 Hình 2.7 Cấu trúc khung miền thời gian LTE [2] 51 Hình 2.8 Lưới tài nguyên đường xuống [6] 52 Hình 2.9 Ví dụ xác định khung đương xuống/ đường lên trường hợp FDD (a) TDD (b) [2] 53 Hình 2.10 Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE [2] 54 Hình 2.11 Cấu trúc khung khe đường xuống [2] 55 Hình 2.12 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [5] 57 Hình 2.13 Cấu trúc miền tần số đường lên LTE 58 Hình 2.14 Lưới tài nguyên đường lên [5] 59 Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA[4] 60 Hình 2.16 Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống miền thời gian miền tần số 62 Hình 3.1 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống)[2] 68 Hình 3.2 Phân đoạn móc nối RLC[2] 71 Hình 3.3 Thí dụ xếp kênh logic lên kênh truyền tải [2]…… 74 Hình 3.4 Chọn khuôn dạng truyền tài đường xuống (trái), đường lên (phải) [2] 78 Hình 3.5 Giao thức HARQ đồng không đồng [2] 81 Hình 3.6 Nhiều xử lý HARQ [2] 81 Hình 3.7 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn gian cho DL-SCH [2]…… …… 83 Hình 3.8 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH [2] 84 Hình 3.9 Thí dụ luồng liệu LTE [2] 86 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1G First Generation Hệ thống thông tin di động hệ 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động hệ 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động hệ 4G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động hệ 3GPP 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 3rd Generation Partnership Project Chương trình đối tác hệ thứ ba Chương trình đối tác hệ thứ ba-2 Authentication, AAA Authorization and Xác thực, cấp phép tính cước Accounting ACK Acknowledgement Sự báo nhận AIPN All IP Network Mạng toàn IP AM Acknowledged Mode Chế độ báo nhận AMPS AMR-WB ARQ AWGN Amercan Mobile Phone System Adaptive MultiRateWideBand Automatic RepeatreQuest Additive White Gaussian Noise Hệ thống thông tin di động Mỹ Thích ứng tốc độ-băng rộng Phát lại tự động Nhiễu trắng BCH Broadcast channel Kênh quảng bá BCCH Broadcast control channell Kênh điều khiển quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc 10 MBSFN, lập biểu lập cấu hình khn dạng truyền tải điều phối ô liên quan truyền dẫn MBSFN  Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH): đường lên tương ứng với DL-SCH Một chức MAC ghép kênh logic khác xếp chúng lên kênh truyền tải tương ứng Khác với MAC HSDPA, MAC LTE hỗ trợ ghép kênh RLC PDU từ kênh truyền tải vô tuyến khác vào khối truyền tải có vài mối quan hệ loại thơng tin cách thức mà truyền tồn giới hạn việc ánh xạ kênh logic với kênh truyền tải ví vị xếp logic lên kênh truyền tải cho hình 3.3 [2] Chỉ đường xuống Các kênh logic PCCH BCCH PCH BCH Đường xuống đường lên DTCH DCCH Chỉ đường xuống MTCH MCCH Các kênh truyền tải DL-SCH UL-SCH MCH Hình 3.3 Thí dụ xếp kênh logic lên kênh truyền tải [2] 3.3.2 Lập biểu đường xuống Một nguyên lý truy nhập vô tuyến LTE truyền dẫn chia sẻ kênh truyền DL-SCH UL-SCH, nghĩa tài nguyên thời gian/tần số chia sẻ động người sử dụng đường lên đường xuống Bộ lập biểu phận lớp MAC, điều khiển việc phân bố tài nguyên đường lên đường xuống tách rời LTE định phân bố đường lên đường xuống đưa độc lập lẫn (trong giới hạn thiết lập việc phân chia đường lên/đường xuống hoạt động TDD) [2] 74 Nguyên tắc chung lập biểu đường xuống định động (trong khoảng thời gian 1ms) Nhiều đầu cuối lập biểu đồng thời, trường hợp DL-SCH dành cho đầu cuối đựơc lập biểu, DL-SCH xếp đến tập tài nguyên tần số Đơn vị thời gian/tần số lập biểu gọi khối tài nguyên Về nguyên tắc khối tài nguyên đơn vị rộng 180 kHz miền tần số Trong khoảng lập biểu 1ms, lập biểu ấn định khối tài nguyên cho đầu cuối để thu truyền dẫn DL-SCH Bộ lập biểu chịu trách nhiệm chọn kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế xếp an ten (trong trường hợp phát nhiều anten) Như hệ lập biểu điều khiển tốc độ liệu, mà phân đoạn RLC ghép kênh MAC bị ảnh hưởng định lập biểu Các đầu lập biểu minh họa hình 3.1 [2] Mặc dù chiến lược lập biểu đặc trưng bổ sung không 3GPP đặc tả, mục tiêu chung hầu hết lập biểu lợi dụng thay đổi kênh đầu cuối lập biểu ưu tiên truyền dẫn cho đầu cuối di động tài nguyên có điều kiện kênh truyền thuận lợi Vì hoạt động lập biểu LTE nguyên lý giống lập biểu đường xuống HSPA Tuy nhiên, sử dụng sơ đồ truyền dẫn đường xuống OFDM, nên LTE khai thác thay đổi kênh truyền miền thời gian miền tần số, lập biểu HSPA khai thác thay đổi miền thời gian Đối với băng thông lớn LTE hỗ trợ, mà phađinh chọn lọc tần số xảy lớn, khả lập biểu khai thác thay đổi kênh miền tần số trở nên quan trọng so với khai thác thay đổi kênh miền thời gian Nhất tốc độ thấp, thay đổi kênh miền thời gian chậm so với yêu cầu trễ đặt nhiều dịch vụ, lúc khả khai thác biến đổi miền tần số trở nên có lợi 75 Thơng tin trạng thái kênh truyền đường xuống cần thiết để lập biểu phụ thuộc kênh phản hồi từ đầu cuối di động đến eNodeB thông qua cáo hiệu chất lượng kênh Báo cáo chất lượng kênh (còn gọi thị chất lượng kênh: CQI-Channel Quality Indicator), bao gồm thông tin không chất lượng kênh truyền thời miền tần số mà thông tin cần thiết cho việc đưa định xử lý anten phù hợp trường hợp ghép kênh không gian Cơ sở báo cáo CQI kết đo tín hiệu tham chiếu đường xuống Tuy nhiên, nguồn thông tin kênh bổ sung, ví dụ trao đổi kênh truyền hoạt động TDD, khai thác cách cài đặt lập biểu riêng biệt bổ sung thêm cho báo cáo CQI [2] Ngoài chất lượng kênh truyền, lập biểu hiệu cao phải xét đến trạng thái đệm mức độ ưu tiên định lập biểu Cả khác biệt kiểu dịch vụ loại thuê bao gây ảnh hưởng đến mức độ ưu tiên lập biểu Chẳng hạn, người sử dụng VoIP với đăng ký thuê bao đắt tiền đảm bảo chất lượng dịch vụ tải hệ thống cao, người sử dụng có đăng ký thuê bao giá rẻ tải file phải thõa mãn với tài nguyên mà không yêu cầu để hỗ trợ cho người sử dụng khác [2] 3.3.3 Lập biểu đường lên Chức lập biểu đường lên giống đường xuống, cụ thể việc định động cho khoảng thời gian 1ms, lúc thiết bị đầu cuối di động truyền liệu kênh DL-SCH thuộc tài nguyên đường lên Lập biểu đường lên sử dụng cho HSPA, sơ đồ đa truy nhập khác sử dụng, nên sơ đồ HSPA LTE có vài khác biệt đáng kể Trong HSPA, tài nguyên chia đường lên nhiễu giao thoa cho phép trạm gốc Bộ lập biểu đường lên HSPA thiết lập giới hạn phía lượng nhiễu giao thoa đường lên mà đầu cuối di động 76 phép tạo Dựa giới hạn này, đầu cuối di động tự động lựa chọn khuôn dạng truyền tải phù hợp Chiến lược có nghĩa cho đường lên không trực giao trường hợp HSPA Một đầu cuối di động khơng sử dụng tồn tài ngun mà cấp truyền cơng suất thấp giảm nhiễu Do đó, tài ngun chia sẻ khơng đựơc sử dụng đầu cuối di động khai thác đầu cuối di động khác thông qua việc ghép kênh theo thống kê Vì chế lựa chọn lựa khuôn dạng truyền tải đặt đầu cuối di động đường lên HSPA, nên cần có báo hiệu ngồi băng để thơng báo cho eNodeB biết lựa chọn Đối với LTE, đường lên trực giao tài nguyên chia sẻ điều khiển lập biểu eNodeB đơn vị tài nguyên thời gian/tần số Khi tài nguyên định mà không sử dụng hết đầu cuối di động phần tài ngun cịn lại khơng thể cung cấp cho thiết bị di động khác sử dụng Vì thế, đường lên trực giao, mà độ lợi giảm đảng kể việc thiết bị đầu cuối di động lựa chọn khuôn dạng truyền tải so sánh với HSPA Cho nên, việc cấp phát tài nguyên thời gian/tần số cho đầu cuối di động, lập biểu eNodeB chịu trách nhiệm điều khiển khn dạng truyền tải (kích thước tải tin, sơ đồ điều chế) mà đầu cuối di động cần sử dụng Khi lập biểu biết khuôn dạng truyền tải mà đầu cuối di động sử dụng để phát khơng cần phải báo hiệu điều khiển băng từ thiết bị đầu cuối di động tới eNodeB Xét từ góc độ vùng phủ cách làm có lợi xét giá thành bit cho phát thơng tin báo hiệu ngồi băng so với giá truyền dẫn số liệu, giá cho trường hợp đầu cao nhiều thơng tin báo hiệu phải đựơc thu với độ tin cậy cao [2] Ngoài việc lập biểu eNodeB định khuôn dạng truyền tải cho đầu cuối di động, cần lưu ý rằng, định lập biểu đường lên đựơc đưa cho đầu cuối di động cho kênh mang vô tuyến 77 eNodeB eNodeB Bộ đệm Bộ lập biểu Bộ đệm Ghép kênh Bộ lập biểu Chọn TF CQI Trạng thái Điều chế, mã hóa UE UE Chất lượng kênh đường xuống Chất lượng kênh đường lên Xử lý ưu tiên Điều chế, mã hóa Ghép kênh Bộ đệm Đường xuống Bộ đệm Đường lên Hình 3.4 Chọn khn dạng truyền tài đường xuống (trái), đường lên (phải)[2] Như vậy, lập biểu eNodeB điều khiển tải tin đầu cuối di động lập biểu, đầu cuối chịu trách nhiệm lựa chọn kênh mang vô tuyến liệu được mang theo Cho nên, đầu cuối di động tự động điều khiển việc ghép kênh logic Điều minh họa phần phải hình 3.4, lập biểu eNodeB điều khiển khuôn dạng truyền tải đầu cuối di động điều khiển ghép kênh logic Để so sánh, tình đường xuống tương ứng, phần trái hình 3.4 eNodeB điều khiển khn dạng truyền tải ghép kênh logic Ghép kênh mang vô tuyến đầu cuối di động thực theo quy tắc, thơng qua thơng số mà cấu hình báo hiệu RRC từ eNodeB Mỗi kênh mang vô tuyến ấn định mức ưu tiên tốc độ bit ưu tiên Sau đầu cuối di động thực ghép kênh sóng mang vơ tuyến cho kênh mang phục vụ theo thứ tự ưu tiên tùy tốc độ bit ưu tiên chúng Các tài nguyên lại, cịn sau hồn thành tốc độ bit ưu tiên, đựơc đưa đến sóng mang vơ tuyến theo thứ tự ưu tiên [2] 78 Để hỗ trợ cho lập biểu đường lên đưa định, đầu cuối di động phát thơng tin lập biểu đến eNodeB tin MAC Rõ ràng, thơng tin truyền đấu cuối di động cấp cho phép lập biểu hợp lệ Nếu không đựơc cho phép lập biểu, đầu cuối phát thị cần tài nguyên cho đường lên thị cung cấp phận cấu trúc báo hiệu điều khiển L1/L2 [2] Lập biểu phụ thuộc kênh thường sử dụng cho đường xuống Trên lý thuyết, kỹ thuật sử dụng cho đường lên Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng kênh đường lên khơng đơn giản trường hợp đường xuống Các điều kiện kênh truyền đường xuống đo tất đầu cuối di động ô đơn giản việc theo dõi tín hiệu tham khảo truyền eNodeB tất đầu cuối di động chia sẻ tín hiệu tham khảo cho mục đích ước tính chất lượng kênh đường lên Tuy nhiên ước tính chất lượng kênh đường lên địi hỏi phát tín hiệu chuẩn thăm dò từ đầu cuối di động mà eNodeB muốn ước tính chất lượng kênh Một tín hiệu tham khảo thăm dò hỗ trợ LTE, điều lại kèm với vấn để tổng chi phí Vì thế, phương pháp cung cấp cho phân tập đường lên quan trọng phần bổ sung thay cho kỹ thuật lập biểu phụ thuộc kênh truyền đường lên [2] 3.3.4 Hybrid ARQ (HARQ) HARQ với kết hợp mềm LTE đáp ứng mục đích giống chế HARQ HSPA cung cấp sức chịu đựng để đảm bảo tính bền vững chống lại lỗi truyền dẫn Nó cơng cụ để tăng cường dung lượng, nâng cao suất Khi mà chế truyền lại HARQ xảy nhanh, nhiều dịch vụ cho phép nhiều truyền lại, cách thiết lập chế điều khiển tốc độ ẩn (vịng lặp kín) Cũng HSPA, giao thức HARQ phận lớp MAC, hoạt động kết hợp mềm thực lớp vật lý 79 Rõ ràng, HARQ áp dụng với tất dạng lưu lượng Ví dụ, truyền dẫn quảng bá (broadcast), mà thông tin giống dành cho nhiều người sử dụng, thông thường khơng phụ thuộc vào HARQ Vì thế, HARQ đựơc hỗ trợ cho DL-SCH UL-SCH Giao thức HARQ LTE giống giao thức sử dụng cho HSPA, việc sử dụng nhiều tiến trình stop- and- wait Khi thu khối truyền tải, máy thu giải mã khối thông báo máy phát kết giải mã thông qua bit ACK/NAK để thị việc giải mã có thành cơng hay cần phát lại khối truyền tải yêu cầu Để giảm thiểu chí phí, bit đơn ACK/NAK đựơc sử dụng Tất nhiên máy thu cần phải biết bit ACK/NAK thu đựơc liên kết với tiến trình HARQ Hơn nữa, điều giải cách sử dụng phương pháp HSPA thời điểm ACK/NAK sử dụng để kết hợp ACK/NAK với tiến trình HARQ Quá trình đựơc minh họa hình 3.6 Lưu ý trường hợp hoạt đông TDD, mối quan hệ thời gian việc tiếp nhận liệu tiến trình HARQ việc truyền dẫn ACK/NAK khơng bị ảnh hưởng phân bố đường lên/đường xuống Giống HSPA, giao thức không đồng sở cho hoạt động HARQ đường xuống Vì thế, truyền lại đường xuống xảy thời điểm sau việc truyền dẫn khởi tạo số tiến trình HARQ tường minh sử dụng để thị tiến trình định địa Trái lại, truyền lại đường lên dựa giao thức đồng truyền lại xảy thời điểm xác định trước sau khởi tạo trình truyền dẫn số tiến trình nhận hồn tồn Cả hai trường hợp minh họa hình 3.5 Trong giao thức HARQ không đồng bộ, truyền lại lý thuyết đựơc lập biểu giống việc khởi tạo trình truyền dẫn Mặt khác, giao thức đồng bộ, thời điểm truyền lại cố định lần khởi đầu trình truyền dẫn lập biểu Tuy nhiên cần lưu ý từ thực thể 80 HARQ eNodeB, lập biểu biết đầu cuối di động thực truyền lại hay không không truyền lại [2] Thời gian phát phát lại cố định UE lẫn eNodeB biết trước ® Khơng cần thơng báo số thứ tự xử lý HARQ 3 Số thứ tự xử lý HARQ ? ? ? ? HARQ đồng Phát lại xẩy thời điểm ® Cần thơng báo rõ ràng số thứ tự xử lý HARQ 3 HARQ khơng đồng Hình 3.5 Giao thức HARQ đồng không đồng [2] Đến chức xếp lại RNC TrBlk1 TrBlk2 TrBlk5 TrBlk3 TrBlk0 ACK TrBlk4 TrBlk5 TrBlk3 NAK Tương quan định thời cố định TrBlk0 NAK TrBlk3 NAK TrBlk: khối truyền tải ACK TrBlk0 1ms TTI TrBlk1 TrBlk2 ACK NAK TBlk0 ACK máy thu máy thu Xử máylýthu Xử máylýthu Xử máylýthu Xử máylýthu Xử lý Xử máylýthu Xử lý Xử máylýthu TrBlk4 Hình 3.6 Nhiều xử lý HARQ [2] Việc sử dụng nhiều nhiều tiến trình HARQ song song, minh họa hình 3.6, người sử dụng dẫn đến không liên tục liệu phân phối từ chế HARQ Ví dụ, khối truyền tải thứ hình vẽ đựơc giải mã thành công trước khối truyền tải thứ 3, mà việc truyền lại u cầu Vì vậy, địi hỏi phải có vài dạng chế xếp lại Sau giải mã thành công, khối truyền tải đựơc phân kênh thành kênh logic thích hợp thực xếp lại kênh logic cáh sử dụng số thứ tự Ngược lại, HSPA sử dụng số thứ tự MAC riêng biệt cho việc xếp lại Sở dĩ HSPA đựơc xây dựng WCDMA lý tương thích ngược, kiến trúc RLC hay MAC giữ nguyên không đổi 81 đưa HSPA Trái lại, LTE, lớp giao thức đựơc thiết kế đồng thời, dẫn đến có giới hạn thiết kế [2] Cơ chế HARQ hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn tạp âm, hay nhiễu thay đổi không dự báo kênh Như xét trên, RLC có khả yêu cầu truyền lại Tuy nhiên, truyền lại RLC cần thiết HARQ dựa MAC có khả sửa hầu hết lỗi truyền dẫn, HARQ đơi thất bại truyền khối liệu không bị lỗi đến RLC gây khoảng trống thứ tự khối liệu không bị lỗi chuyển đến RLC Điều thường xẩy tín hiệu phản hồi bị lỗi, ví dụ NAK bị máy phát nhận nhầm ACK dẫn đến số liệu Xác suất việc xẩy điều khoảng 1%, xác suất lỗi cao dịch vụ dựa TCP yêu cầu việc chuyển gói TCP không mắc lỗi Đặc biệt nữa, tốc độ số liệu cao vượt 100Mbps, yêu cầu xác suất gói thấp 10-5 Về bản, TCP nhìn nhận tất lỗi gói liệu tắc nghẽn Vì lỗi gói liệu kích hoạt chế tránh tắc nghẽn cách giảm tốc độ liệu trì hiệu tốt tốc độ liệu cao, RLC-AM phục vụ mục đích quan trọng để đảm bảo (hầu như) việc chuyển liệu không bị lỗi đến TCP [2] Từ phân tích ta thấy, nguyên nhân có hai chế truyền lại hiểu rõ phần tín hiệu phản hồi Vì mục đích chế HARQ thực hiên việc truyền lại nhanh, nên cần gửi bit báo cáo trạng thái ACK/NAK đến máy phát nhanh tốt chu kỳ TTI Mặc dù nguyên tắc đạt xác suất lỗi thấp theo mong muốn phản hồi ACK/NAK, nhiên điều phải trả giá công suất truyền dẫn ACK/NAK Giá thành đựơc trì hợp lý tỷ số lỗi hồi tiếp vào khoảng 1% điều định tỷ lệ lỗi bit dư HARQ Vì báo cáo trạng thái RLC phát thưa nhiều so với ACK/NAK nên giá thành để nhận độ tin cậy 10-5 thấp Vì thế, kết hợp HARQ RLC cho 82 phép nhận kết hợp thời gian truyền vòng nhỏ chi phí phản hồi vừa phải mà hai thành phần bổ sung cho Vì RLC HARQ đặt node, nên đảm bảo tương tác chặt chẽ hai giao thức việc truyền lại PDU bị RLC nhanh Ví dụ, chế HARQ phát lỗi khơng thể khơi phục được, việc truyền báo trạng thái RLC đựơc kích hoạt thay phải đợi để phát báo cáo trạng thái theo định kỳ điều khiến cho RLC truyền lại PDU bị nhanh Cho nên, mức độ đó, việc kết hợp HARQ RLC xem chế truyền lại với hai chế phản hồi trạng thái [2] 3.4 Lớp vật lý ( PHY- Physical layer) Lớp vật lý chịu trách nhiệm cho việc mã hóa, xử lý HARQ lớp vật lý, điều chế, xử lý đa anten ánh xạ tín hiệu đến tài nguyên thời gian/tần số vật lý tương ứng Hình 3.7 mơ tả cách đơn giản trình xử lý DLSCH Các khối lớp vật lý điều khiển động lớp MAC thể mầu xám, khối vật lý lập cấu hình bán tĩnh thể mầu trắng Khi đầu cuối di động lập biểu chu kỳ TTI kênh DL-SCH, lớp vật lý nhận khối truyền tải (hai khối truyền tải trường hợp ghép kênh không gian) mang liệu để truyền Đối với khối truyền tải, CRC gắn thêm khối truyền tải gắn thêm CRC mã hóa riêng biệt với Tốc độ mã hóa bao gồm thích ứng tốc độ cần, hồn tồn xác định kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế khối lượng tài nguyên cấp phát cho việc truyền dẫn Tất đại lượng đựơc lựa chọn lập biểu đường xuống Phiên dư thừa sử dụng điều khiển giao thức HARQ, ảnh hưởng đến q trình xử lý thích ứng tốc độ để tạo tập hợp bit mã hóa Trong trường hợp ghép kênh không gian, việc ánh xạ anten điều khiển lập biểu đường xuống [2] 83 Một (hoặc hai) khối truyền tải kích thước động TTI CRC Chỉ thị lỗi PHY MAC Phiên dư ACK/NAK Th,tin HARQ HARQ MAC Phiên dư Bộ lập biểu MAC ACK/NAK Th,tin HARQ HARQ Kiểm tra CRC Giải mã Mã hóa, phối hợp tốc độ Sơ đồ điều chế Sơ đồ điều chế Điều chế số liệu Ấn đinh anten Ấn định tài nguyên PHY Giải điều chế số liệu Sắp xếp anten Giải xếp anten Sắp xếp lài nguyên Giải xếp lài ngun Đầu cuối di động (UE) eNodeB Hình 3.7 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH [2] Đầu cuối di động thu tín hiệu phát thực xử lý ngược với phía phát Lớp vật lý đầu cuối di động thông báo cho giao thức HARQ việc truyền dẫn có giải mã thành công hay không Thông tin sử dụng phần MAC hybrid-ARQ đầu cuối di động đề định có nên yêu cầu phát lại hay khơng Một khối truyền tải kích thước động TTI ACK/NAK PHY Kiểm tra CRC Phiên dư HARQ MAC Chỉ thị lỗi Phiên dư Giải mã Sơ đồ điều chế Ấn định tài nguyên Sơ đồ điều chế Giải điều chế số liệu Giải xếp tài nguyên eNodeB MAC PHY CRC Mã hóa Từ lập biểu nút B Bộ lập biểu MAC ACK/NAK HARQ Ấn định tài nguyên Điều chế số liệu Sắp xếp lài nguyên Đầu cuối di động (UE) Hình 3.8 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH [2] 84 Việc xử lý lớp vật lý cho UL-SCH gần giống với xử lý DL-SCH Tuy nhiên, lập biểu MAC eNodeB chịu trách nhiệm lựa chọn khuôn dạng truyền tải cho đầu cuối di động tài nguyên sử dụng cho truyền dẫn đường lên Xử lý lớp vật lý UL-SCH minh họa hình 3.8 [2] Các kênh truyền tải đường xuống lại dựa quy trình xử lý lớp vật lý chung DL-SCH, có số quy định tập hợp tính sử dụng Đối với truyền dẫn tin tìm gọi kênh PCH, thích ứng thơng số truyền dẫn sử dụng vài phạm vi Nói chung, trình xử lý trường hợp giống q trình xử lý DL-SCH thơng thường MAC điều khiển việc điều chế, khối lượng tài nguyên xếp (ánh xạ) anten Tuy nhiên, đường lên chưa thiết lập đầu cuối di động tìm gọi, nên khơng thể sử dụng HARQ lúc đầu cuối di động phát thông báo ACK/NAK Kênh MCH sử dụng cho truyền dẫn MBMS, điển hình hoạt động mạng đơn tần số việc truyền từ nhiều ô tài nguyên với khuôn dạng giống thời điểm Vì thế, lập biểu truyền dẫn MCH phải điều phối ô liên quan chế lựa chọn tự động tham số truyền dẫn MAC thực 3.5 Luồng liệu Để tóm tắn luồng liệu đường xuống qua tất lớp giao thức, ví vụ minh hoạ đưa hình 3.9 cho trường hợp với ba gói IP, hai gói kênh mang vơ tuyến kênh mang vô tuyến khác Luồng liệu trường hợp truyền dẫn đường lên tương tự PDCP thực (tùy chọn) việc nén tiêu đề IP sau mật mã hóa Một tiêu đề PDCP bổ sung vào, mang theo thông tin cần thiết cho việc 85 giải mật mã đầu cuối di động Đầu PDCP cung cấp tới RLC Giao thức RLC thực móc nối phân đoạn PDCP SDU bổ sung tiêu đề RLC Tiêu đề đựơc sử dụng để phân phối theo thứ tự (trên kênh logic) đầu cuối di động để nhận dạng PLC PDU trường hợp phát lại Các RLC PDU chuyển đến lớp MAC, lớp lấy số thứ tự RLC PDU, sau lắp ráp RLC PDU vào MAC SDU gắn tiêu đề MAC để tạo nên khối truyền tải Kích thước khối truyền tải phụ thuộc vào tốc độ số liệu tức thời lựa chọn chế thích ứng đường truyền Vì thế, chế thích ứng đường truyềntác động đến hai tiến trình xử lý MAC RLC Cuối cùng, lớp vật ký gắn thêm mã CRC cho khối truyền tải để phát lỗi, thực mã hóa điều chế, sau phát tín hiệu tổng vào không gian Kênh mang SAE Tiêu đề Nén tiêu đề PDCP, mật mã hóa Tải tin Tiêu đề PDCP Tiêu đề Phân đoạn RLC, móc nối Kênh mang SAE Tiêu đề Tải tin PDCP SDU RLC SDU PDCP Tiêu đề PHY Tải tin Tiêu đề Tải tin Tiêu đề PDCP SDU RLC SDU Tiêu đề MAC PDCP Tiêu đề PDCP SDU RLC SDU Tiêu đề RLC Tiêu đề MAC MAC PDU Khối truyền tải Tải tin Tiêu đề Tiêu đề RLC Tiêu đề RLC Ghép kênh MAC Tải tin Kênh mang SAE CRC MAC PDU Khối truyền tải CRC Hình 3.9 Thí dụ luồng liệu LTE 3.6 Kết luận Chương ta xét kiến trúc phân lớp tổng quát giao diện vô tuyến sau xét cụ thể cấu trúc lớp kiến trúc như: Cấu trúc xử lý lớp điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), cấu trúc xử lý lớp điều khiển truy nhập môi trường, cấu trúc xử lý lớp vật lý Ngoài chương xét số vấn đề đặc thù giao diện vô tuyến như: HARQ, cấu trúc luồng số liệu 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do thời gian nghiên cứu tìm hiểu đề tài cịn hạn chế, đồ án khơng thể trình bày hết mục tiêu đề cập LTE Tuy nhiên em đạt số kết định tìm hiểu q trình phát triển hệ thống thông tin di động 3G lên 4G Nắm bắt vấn đề công nghệ LTE kiến trúc hệ thống, đặc điểm, chức thành phần, công nghệ OFDM, OFDMA, SC- OFMDA, sử dụng truy nhập vơ tuyến LTE Ngồi cịn có kiến trúc phân lớp tổng quát giao diện vô tuyến cơng nghệ LTE  Hướng phát triển Tuy cịn tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm phát triển với kết bước đầu khả quan lợi kiến trúc mạng đơn giản khả dễ dàng tích hợp với mạng 3G 2G mà không cần thay đổi tồn sở hạ tầng mạng có, công nghệ LTE chứng tỏ tiềm mạnh mẽ so với cơng nghệ đối thủ mà điển hình WiMAX Cho dù đời muộn so với WiMAX (đã triển khai thị trường), cơng nghệ LTE có tính cạnh tranh cao tương lai, ngồi ưu điểm sẵn có, LTE cịn nhận nhiều ủng hộ “đại gia” ngành công nghệ viễn thông, Ericsson, Nokia-Siemens Networks 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Học Viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G, Nhà xuất Thông Tin Truyền Thông, 2008 [2] Erik Dahlmam, Stefan Parkvall, Johan Skold and Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, Academic Press, 2007 [3] Hsiao-Hwa chen, Mohsen Guizani, Next Generation Wireless Systems and Networks, John Wiley & Sons, Ltd, 2006 [4] Harri Holma and Antti Toskala , LTE for UMTS OFDMA and SDFDMA based Radio Access, Jonh Wiley & Sons, Ltd, 2009 [5] C.Gessner, UMTS Long Term Evolution (LTE) Technology Introduction, Rohde- Schwarz, 2008 [6] Agilent 3GPP Long Term Evolution, System Overview, Product Development and Test Challenges, Curent to June 2009 3GPP LTE standard 88 ... thiệu công nghệ LTE Chương Truy nhập vô tuyến công nghệ LTE Chương đề cập đến vấn đề truy nhập đường lên đường xuống công nghệ LTE Chương Kiến trúc giao diện vô tuyến Chương mô tả lớp giao thức... (3G +) LTE (E3G/4G) Các công nghệ truy nhập HSPA cịn dựa cơng nghệ truy nhập vơ tuyến CDMA WCDMA, nhiên công nghệ truy nhập vô tuyến LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trục giao (OFDMA... 34 1.5.8 Kiến trúc mạng LTE 35 1.6 Kết luận 39 Chương TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG CÔNG NGHỆ LTE 40 2.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 40 2.2 Băng tần truy? ??n dẫn