3.3.1 Tìm cell
Tìm cell là một thủ tục được thực hiện bởi đầu cuối di động, nó tìm một cell để kết nối. Trong thủ tục tìm cell, đầu cuối di động nhận sự xác nhận của cell và đánh giá khung thời gian của cell được xác nhận. Hơn thế nữa, thủ tục tìm cell còn cung cấp những đánh giá về tham số thiết yếu đối với sự tiếp nhận của thông tin hệ thống trên kênh quảng bá, chứa những tham số yêu cầu để truy nhập vào hệ thống.
Để tránh sự phức tạp do số lượng xác nhận cell quá lớn, như LTE hỗ trợ 510 nhận dạng cell khác nhau, được chia thành 170 nhóm nhận dạng cell, mỗi nhóm có 3 nhận dạng. Một cách khác để giảm sự phức tạp trong việc tìm cell, thì thủ tục của nó được chia ra làm nhiều bước. Để giúp cho thiết bị đầu cuối thực hiện thủ tục này thì LTE cung cấp một tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai trên đường xuống. Tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai là những chuỗi đặc biệt, được chèn vào bên trong 2 tín hiệu OFDM cuối cùng trong khe thời gian đầu tiên của khung con số 0 và khung con số 5, như hình 3.2. Ngoài ra thủ tục tìm cell cũng cần phải khai thác cả những tín hiệu tham khảo trong phần hoạt động của chúng.
Hình 3.2 Tín hiệu đồng bộ thứ nhất và thứ hai [2] Các bước trong thủ tục tìm cell như sau:
- Bước đầu tiên trong thủ tục tìm cell, đầu cuối di động sử dụng tín hiệu đồng bộ thứ nhất để tìm cell trong khoảng 5ms. Chú ý rằng, tín hiệu đồng bộ thứ nhất này được truyền 2 lần trong mỗi khung. Khi đầu vào của bộ lọc đạt đến sự cực đại thì nó có thể thực hiện với thời gian tìm kiếm là 5ms. Bước đầu tiên này cũng có thể được sử dụng để khoá tần số bộ dao động khu vực của đầu cuối di động tới tần số sóng mang của trạm gốc. Việc khoá bộ tần số dao động khu vực tới tần số trạm gốc để giải phóng yêu cầu trên bộ dao động của đầu cuối di động, làm giảm nhỏ chi phí. Có 3 chuỗi khác nhau có thể được sử dụng như tín hiệu đồng bộ thứ nhất. Một sơ đồ one-to-one ở giữa 3 chuỗi này và nhận dạng cell này bên trong nhóm nhận dạng cell của nó. Do đó sau bước đầu tiên, thiết bị di động tìm thấy sự nhận dạng bên trong nhóm nhận dạng cell đó.
- Bước tiếp theo, đầu cuối xác định nhóm nhận dạng cell và xác định định thời khung. Cái này được xác định bởi bộ đôi khe thời gian trong tín hiệu đồng bộ thứ hai được truyền đi. Về cơ bản, nếu (s1, s2) là một cặp chuỗi, trong
đó s1, s2 là tín hiệu đồng bộ thứ 2 của khung con 0 và khung con subframe5 tương ứng, cặp đảo ngược (s2, s1) thì không phải là một cặp chuỗi hợp lệ. Bằng việc khai thác thuộc tính này, đầu cuối di động có thể giải quyết thời gian tính toán 5ms kết quả từ bước thứ nhất và xác định định thời khung. Hơn thế nữa, mỗi sự kết hợp (s1, s2) đại diện cho một nhóm nhận dạng cell, nhóm nhận dạng cell này là kết quả của bước thứ 1 trong thủ tục tìm cell. Từ nhóm nhận dạng cell này, đầu cuối di động cũng thu được thông tin về chuỗi giả ngẫu nhiên sẽ được sử dụng để phát sinh tín hiệu tham khảo trong cell.
Thủ tục tìm cell hoàn thành, thiết bị đầu cuối sẽ nhận được thông tin quảng bá hệ thống để thu được những tham số còn lại như băng thông truyền dẫn được sử dụng trong cell đó [2].
3.3.2 Truy nhập ngẫu nhiên
Một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ một hệ thống cellular đó là khả năng thiết bị di động yêu cầu sự kết nối. Nó được gọi là truy nhập ngẫu nhiên và phục vụ cho 2 mục đích chính trong LTE, đó là thiết lập đồng bộ đường lên và thiết lập một sự nhận dạng thiết bị duy nhất. Do vậy truy nhập ngẫu nhiên không phải chỉ là sự truy nhập ban đầu, khi chuyển từ LTE_DETACHED hoặc LTE_IDLE sang trạng thái LTE_ACTIVE. Mà còn sau thời kỳ không hoạt động đường lên, khi tín hiệu đồng bộ đường lên làm mất trạng thái LTE_ACTIVE. Thủ tục truy nhập ngẫu nhiên được miêu tả trong hình 3.3, bao gồm có 4 bước:
- Bước đầu tiên bao gồm thông tin của một sự khởi tạo truy nhập ngẫu nhiên, cho phép eNodeB ước lượng thời gian truyền dẫn của thiết bị đầu cuối. Đồng bộ đường lên là cần thiết vì không có nó thì không thể truyền bất kỳ dữ liệu đường lên nào.
- Bước thứ 2 bao gồm sự truyền dẫn trong mạng thông báo một sớm định thời để điều chỉnh thời gian truyền dẫn thiết bị dựa trên việc đo đạc thời gian từ bước thứ nhất. Ngoài việc thiết lập sự đồng bộ đường lên, bước thứ hai này còn gán tài nguyên đường lên cho UE.
- Bước thứ 3 bao gồm việc nhận dạng đầu cuối di động cho mạng, sử dụng UL-SCH cho dữ liệu được lập lịch thông thường. Nội dung chính xác của tín hiệu phụ thuộc trạng thái của UE, đặc biệt là nó có thể biết trước về mạng hay không.
- Bước thứ 4 cũng là bước cuối cùng bao gồm sự truyền dẫn thông báo chính xác về sự tranh dành tài nguyên từ mạng cho đầu cuối đó trên kênh DL-SCH. Bước này cũng quyết định sự tranh dành nào đó, do có nhiều đầu cuối cùng truy nhập vào hệ thống, sử dụng một tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên [2].
Hình 3.3 Thủ trục truy nhập ngẫu nhiên [2]
3.3.3 Tìm gọi (Paging)
Paging được sử dụng cho việc thiết lập kết nối ban đầu với mạng. Thủ tục tìm gọi cho phép đầu cuối di động “ngủ”, không xử lý thu nhận trong hầu hết thời gian và chỉ “tỉnh dậy” trong khoảng thời gian xác định để thăm dò thông tin tìm gọi từ mạng.
Để thực hiện thủ tục tìm gọi UE sẽ được cấp phát một khoảng thời gian tìm gọi và một subframe (khung con) đặc tả trong khoảng thời gian đó, ở đó thông báo tìm gọi sẽ được truyền. Paging được cung cấp trên kênh PDSCH (thông tin định vị trên kênh PDCCH). Tiêu chuẩn thiết kế quan trọng cho tìm gọi đó là đảm bảo một chu kỳ DRX đầy đủ cho thiết bị để bảo vệ công suất và đảm bảo thời gian đáp ứng đủ lớn cho một cuộc gọi. Một chu kỳ DRX được xác định là cho phép đầu cuối nằm ngủ trong hầu hết thời gian, chỉ thức tỉnh để theo dõi tín hiệu điều khiển L1/L2. Nếu một đầu cuối phát hiện ra một nhận dạng nhóm dùng trong Paging khi nó thức tỉnh. Nó sẽ xử lý thông báo tìm gọi được truyền trên đường xuống. Bản tin tìm gọi này bao gồm nhận dạng thiết bị đang tìm gọi và những thiết bị không tìm thấy sự nhận dạng của nó sẽ loại bỏ thông tin nhận được và tiếp tục thời gian “ngủ” phù hợp với chu kỳ DRX. Rõ ràng rằng, vì định thời đường lên không được biết trong chu kỳ DRC, nên không thể thực hiện báo hiệu ACK/NAK và vì thế không thể sử dụng HARQ với kết hợp mềm cho các bản tin tìm gọi [2].
Chu kỳ DRX cho Paging được miêu tả trong hình 3.4
Hình 3.4 Sự tiếp nhận không liên tục (DRX) cho tìm gọi [2]
3.4 Chuyển giao trong LTE
Sự di động của UE được kiểm soát bởi handover khi tồn tại kết nối RRC. Quá trình Handover trong E-UTRAN dựa trên những nguyên lý cơ bản sau:
- Handover là mạng kiểm soát. E-UTRAN quyết định khi nào thì thực hiện chuyển giao và cell đích là cell nào.
- Handover dựa trên việc đo đạc UE. Sự đo đạc UE và những báo cáo phép đo được điều khiển bởi tham số được cho bởi E-UTRAN.
- Handover trong E-UTRAN có mục đích là nhằm cho không bị rớt các gói dữ liệu sử dụng giữa eNodeB nguồn và eNodeB đích.
- Kết nối S1 của mạng lõi chỉ được cập nhật khi chuyển giao vô tuyến được hoàn thành. Sự tiếp cận này được gọi là chuyển đổi đường dẫn sau. Mạng lõi không điều khiển chuyển giao [4].
3.4.1 Thủ tục chuyển giao
Tổng quan về thủ tục chuyển giao được miêu tả trong hình 3.5:
Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong tần số [4]
Một UE đang chuyển động từ trái qua phải. Ở pha ban đầu, UE đang kết nối trong mặt phẳng sử dụng với eNodeB nguồn (source eNB) và kết nối tới cổng SAE (SAE GW). Sự kết nối tín hiệu giao diện S1 giữa eNodeB và MME. Khi cell đích thực hiện báo cáo đo đạc giá trị ngưỡng, UE gửi báo cáo đo đạc này tới eNodeB. eNodeB sẽ thiết lập kết nối tín hiệu và GTP (GPRS Tunneling Protocol) tới cell đích. Nếu eNodeB đích còn tài nguyên sử dụng
thì eNodeB nguồn sẽ gửi lệnh chuyển giao đến UE. UE này sẽ chuyển kết nối vô tuyến từ eNodeB nguồn sang eNodeB đích. Mạng lõi này sẽ không xác định được thời điểm chuyển giao. Sự kết nối mạng lõi sẽ được cập nhật cuối cùng và thủ tục này được gọi là chuyển đổi đường dẫn sau (Late Path Switching).
Chuyển đổi mặt phẳng sử dụng được miêu tả trong hình 3.6. Những gói trong mặt phẳng sử dụng trên đường xuống (DL) được chuyển đổ từ eNodeB nguồn sang eNodeB đích trên giao diện X2 trước khi chuyển đổi đường dẫn cuối. Giao diện X2 cho phép chuyển giao không tổn hao. eNodeB nguồn sẽ chuyển tiếp tất cả RLC SDUs đường xuống mà không cần phải xác nhận (ACK) của UE. eNodeB đích truyền tiếp và ưu tiên tất cả các RLC SDUs được chuyển tiếp từ eNodeB nguồn ngay khi nó nhận được. Có thể xảy ra trường hợp, một số gói đã được nhận bởi UE từ eNodeB nguồn, mà eNodeB nguồn lại không nhận ACK. eNodeB đích truyền lại các gói không cần thiết này và UE sẽ nhận các gói này hai lần, do đó UE phải có khả năng nhận dạng và loại bỏ các gói bản sao.
Trong đường lên, eNodeB nguồn sẽ chuyển tiếp thành công toàn bộ RLC SDUs đường lên nhận được tới mạng lõi. UE sẽ truyền tiếp RLC SDUs đường lên này mà không cần ACK từ eNodeB nguồn. Có trường hợp ở đường lên, một số gói sẽ được gửi đi hai lần. Tránh sự bổ xung và sao chép ở đường lên được thực hiện tại mạng lõi.
Các gói chỉ chuyển tiếp vị trí trong khoảng thời gian ngắn cho đến khi chuyển đổi đường dẫn cuối được hoàn thành. Do đó, sự chuyển tiếp các gói sẽ không tiêu thụ quá mức tài nguyên vận chuyển, và những yêu cầu của giao diện X2 sẽ không quan trọng từ những quan điểm về kích thước mạng. Những gói trong hướng đường lên có thể gửi trực tiếp từ eNodeB đích tới SAE GW [4].
3.4.2 Báo hiệu
Những thông báo báo hiệu chi tiết trong thời gian diễn ra quá trình chuyển giao sẽ được miêu tả sau đây. Thủ tục này được chia thành 3 phần: chuẩn bị chuyển giao, thực hiện chuyển giao và hoàn thành chuyển giao.
Hình 3.7 Chuẩn bị chuyển giao [4] Các bước chuẩn bị chuyển giao được thực hiện như sau:
1. eNodeB nguồn thiết lập một thủ tục đo đạc UE với một bản tin điều khiển phép đo. Bản tin này báo cáo ngưỡng của phép đo.
2. Khi cell đích thi hành báo cáo giá trị ngưỡng, UE sẽ gửi bản tin báo cáo phép đo tới eNodeB nguồn. Đặc trưng của báo cáo này đó là kích hoạt eNodeB mà UE gửi báo cáo tới chỉ khi báo cáo giá trị ngưỡng này đã được thi hành. Nó có thể thực hiện báo cáo theo chu kỳ.
3. eNodeB nguồn sẽ quyết định chuyển giao dựa trên báo cáo từ UE. Với chuyển giao trong tần số, UE cần phải được kết nối với cell, với suy hao đường truyền là thấp nhất và mạng không thể tự do quyết định chuyển giao đích. Trong chuyển giao liên tần số, eNodeB vẫn có thể giữ thông tin về tải và dịch vụ trong tài khoản. Các nhà khai thác mạng muốn giữ sự cân bằng trong việc tải dữ liệu giữa các tần số và muốn đẩy các dịch vụ nhất định đến các lớp tần số nhất định hoặc hệ thống.
4. eNodeB nguồn gửi một yêu cầu chuyển giao đến eNodeB đích.
5. eNodeB thực thi điều khiển tiếp nhận. Với những chuyển giao trong tần số, mạng cần có một ít khối còn rỗi cho kết nối mới để UE truyền dẫn. Nguyên nhân cho sự giao thoa đường lên cho cell đích là nếu UE không có kết nối nào cho sự truyền dẫn. Trên thực tế, giao thoa đường lên có thể nhỏ nhất bằng việc cho phép UE kết nối với suy hao đường truyền là thấp nhất. Nếu không còn tài nguyên trong cell đích, thì mạng cần phải giải phóng kết nối để tránh giao thoa dư thừa.
6. eNodeB đích gửi bản tin ACK của yêu cầu chuyển giao tới eNodeB nguồn. Bây giờ eNodeB đích có thể nhận đầu vào chuyển giao.
7. eNodeB nguồn gửi lệnh chuyển giao tới UE. eNodeB nguồn bắt đầu chuyển các gói đường xuống tới eNodeB đích.
8. eNodeB nguồn gửi thông tin trạng thái tới eNodeB đích, chỉ ra những gói được thừa nhận bởi UE. eNodeB đích bắt đầu bộ đệm cho các gói được chuyển tới.
9. UE thực hiện sự đồng bộ cuối cùng tới eNodeB đích và truy nhập vào cell trên một thủ tục trên kênh RACH. Sự đồng bộ trước thì đã thu được trong quá trình xác nhận cell.
10. eNodeB đích đưa ra thông tin về sự định vị đường lên và sớm định thời tới UE.
11. UE sẽ gửi thông tin xác nhận chuyển giao tới eNodeB đích. eNodeB đích có thể bắt đầu ngay việc gửi dữ liệu tới UE.
Hình 3.8 Thực hiện chuyển giao [4]
Hình 3.9 Hoàn thành chuyển giao [4]
12. eNodeB đích gửi bản tin chuyển đổi đường tới MME để thực thi nó UE phải thay đổi cell.
13. MME gửi bản tin yêu cầu cập nhật mặt phẳng sử dụng tới Serving GW.
14. Serving GW sẽ chuyển đổi đường dữ liệu đường xuống cho eNodeB đích.
15. Serving GW gửi bản tin trả lời việc cập nhật mặt phẳng sử dụng tới MME.
16. MME xác nhận bản tin chuyển đổi đường dẫn với bản tin ACK của chuyển đổi đường dẫn.
17. eNodeB đích gửi bản tin báo giải phóng tài nguyên cho eNodeB nguồn, và cho phép eNodeB nguồn giải phóng tài nguyên.
18. eNodeB nguồn có thể giải phóng vô tuyến và các tài nguyên liên quan đến mặt phẳng điều khiển với eNodeB context.
Như vậy chuyển giao được thực hiện bằng cách ấn định lại eNodeB [4].
3.4.3 Phép đo chuyển giao
Trước khi thiết bị người sử dụng UE gửi bản tin báo cáo phép đo thì nó phải nhận dạng cell đích. UE nhận dạng cell bằng cách sử dụng tín hiệu đồng bộ. UE sẽ đo đạc các mức tín hiệu này bằng việc sử dụng những ký tự tham khảo. Trong E-UTRAN, UE không cần phải đọc kênh quảng bá trong quá trình đo đạc chuyển giao. Trong UTRAN thì UE cần phải giải mã kênh quảng bá để tính số lượng khung hệ thống, cái mà yêu cầu thời gian cho truyền dẫn chuyển giao đường xuống. Không có những yêu cầu như vậy trong E- UTRAN. Khi báo cáo những đặc tính mức ngưỡng được thực hiện thì UE sẽ gửi những kết quả phép đo chuyển giao đến eNodeB [4].
3.4.4 Quan hệ láng giềng tự động
Sự phát sinh tính lân cận và sự bảo dưỡng là một vấn đề khó khăn đang tồn tại trong mạng di động khi mạng này được mở rộng và một vị trí mới được thêm vào. Một cell láng giềng thiếu là nguyên nhân chung của những sự rớt cuộc gọi. UE trong E-UTRAN có thể dò tìm được các cell láng giềng trong tần số mà không lân cận dẫn tới việc quản lý mạng đơn giản hơn và chất
lượng mạng tốt hơn. Quan hệ láng giềng tự động được miêu tả trong hình 3.10. UE đang chuyển động đến một cell mới và nhận dạng Physical Cell Identity (PCI) dựa trên những tín hiệu đồng bộ. UE sẽ gửi báo cáo phép đo tới eNodeB khi mà báo cáo mức ngưỡng chuyển giao được thực hiện.
Hình 3.10 Nhận dạng cell láng giềng trong tần số tự động [4]