Hình 3. 14 Tổng quan cấu trúc lớp PDCP
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP) nằm phía trên lớp RLC ở mặt phẳng người sử dụng và PDCP cũng được sử dụng cho hầu hết các bản tin RRC.Sự khác biệt cơ
bản so với trong WCDMA là bây giờ tất cả dữ liệu người sử dụng đều phải đi qua lớp PDCP bởi vì chức năng mã hóa bây giờ nằm ở lớp PDCP và được đặt tại eNodeB.Các chức năng chính của lớp PDCP bao gồm:
• Nén tiêu đề và tương ứng là giải nén các gói dữ liệu IP. Nó được dựa trên giao thức nén tiêu đề tin cậy (ROHC-Robust Header Compression protocol) và nó cũng là một phần trong lớp PDCP ở WCDMA. Nén tiêu đề càng trở nên quan trọng đối với các gói dữ liệu có kích thước nhỏ đặc biệt là trong các kết nối với dịch vụ VoIP, khi đó tiêu đề IP lớn có thể là nguồn lớn dữ liệu cho các dữ
liệu có tốc độ nhỏ
• Mã hóa và giải mã hóa được dùng cho cả mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển, chức năng này trong WCDMA được nằm trong các lớp MAC và RLC
• Bảo vệ tính toàn vẹn dữ liệu và thẩm tra để đảm bảo thông tin điều khiển đến từ nguồn chính xác
Hình 3. 15 Một số chức năng chính của lớp PDCP
Lớp PDCP nhận các khối PDCP SDU từ NAS và RRC sau đó mã hóa và làm một số nhiệm vụ khác như trong hình 3.16, sau đó chuyển dữ liệu tới lớp RLC.Tương ứng, ở bên phía thu dữ liệu được nhận từ lớp RLC.Bên cạnh các chức năng đã nêu ở trên, lớp PDCP còn có một chức năng trong kết nối với các sự kiện chuyển giao (ở trong LTE). PDCP cũng thực hiện chức năng phân phát đúng thứ tự ởđường xuống và phát hiện lặp. Trong hướng lên, PDCP truyền lại tất cả các gói dữ
liệu chưa được chỉ ra bởi các lớp thấp hơn là đã được hoàn thành. Trong đường xuống, lớp PDCP sẽ chuyển tiếp các gói tin không phân phát tới eNodeB mới
Hình 3. 16 Các chức năng của lớp PDCP 3.5Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Các bản tin điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC-Radio Resource Control) là một phần quan trọng trong thông tin điều khiển trao đổi giữa UE và E-
UTRAN.RRC trong E-UTRAN đơn giản hơn rất nhiều khi so sánh với RRC trong UTRAN bằng cách giảm số các bản tin và dư thừa trong các bản tin.RRC trong E- UTRAN và UTRAN sử dụng cùng một ngôn ngữ giao thức như trong WCDMA- ASN.1 (Abstract Syntax Notation One)- vì nó đã mang lại hiệu quả trong việc tạo thuận lợi cho sự phát triển giữa các phiên bản khác nhau với một khả năng mở rộng trong ASN.1
¾ Các trạng thái UE và các trạng thái chuyển đổi
Không như trong UTRAN (WCDMA), các trạng thái UE trong E-UTRAN cũng
đơn giản hơn đáng kể và nó chỉ có hai trạng thái là: RRC_CONNECTED và RRC_IDLE, phụ thuộc vào kết nối RRC có được thành lập hay không
Trong trạng thái RRC_IDLE, UE theo dõi một kênh tìm gọi để phát hiện các cuộc gọi đến, thu được các thông tin hệ thống và thực hiện đo đạc tín hiệu của các cell hàng xóm và cell được chọn (và được chọn lại). Ở trạng thái này, chế độ UE DRX cụ thểđược cấu hình bởi lớp trên và tính di động được điều khiển bởi UE
Trong trạng thái RRC_CONNECTED, UE truyền/ nhận dữ liệu tới/ từ mạng.Để làm
được điều này, UE theo dõi các kênh điều khiển gắn liền với các kênh dữ liệu dùng chung để xác định xem dữ liệu đã được định trình chưa, cung cấp chất lượng kênh và các thông tin phản hồi về eNodeB. Cũng ở trọng trạng thái này, UE thực hiện đo
đạc tín hiệu của các cell hàng xóm và báo cáo các đo đạc dựa trên cấu hình được cung cấp bởi eNodeB. Không giống như trong hệ thống UTRAN, UE có thể thu
được các thông tin hệ thống từ kênh BCCH trong suốt trạng thái RRC_CONNECTED. Ở những lớp thấp hơn UE có thểđược cấu hình ở chếđộ UE DRX và di dộng được điều khiển bởi mạng (ví dụ như chuyển giao)
Hình 3.17 miêu tả hỗ trợ di động giữa E-UTRAN, UTRN, và GERAN. Trạng thái CELL_FACH trong UTRAN chỉ được xem xét trong thời gian rất ngắn, và sự
chuyển tiếp từ trạng thái UTRAN CELL_FACH sang E-UTRAN RRC không được hỗ trợ
Hình 3. 17 Các trạng thái RRC E-UTRAN và các sự chuyền đổi giữa các mạng 3GPP
Các sóng mang vô tuyến báo hiệu (SRB- Signaling Radio Bearers) là các sóng mang đặc biệt chỉ dùng để vận chuyển các bản tin RRC và các bản tin NAS.Có ba loại SRBs được định nghĩa. SRB0 được sử dụng cho các bản tin RRC được dùng cho kênh CCCH, như trong quá trình thiết lập kết nối và quá trình lỗi kết nối vô tuyến.Vì thế một số bản tin sau được truyền tải trên SRB0: bản tin yêu cầu kết nối RRC, bản tin thiết lập kết nối RRC, bản tin thành lập lại kết nối RRC, bản tin không chấp nhận thành lập lại kêt nối RRC. Mỗi khi kết nối RRC được thành lập, SRB1
được sử dụng để truyền các bản tin dùng trong kênh DCCH và NAS đến khi chếđộ
bảo mật được kích hoạt.Khi chếđộ bảo mật được kích hoạt thành công, SRB2 được thiết lập và các bản tin NAS được truyền qua SRB2 trong khi các bản tin RRC vẫn
được truyền trên SRB1. SRB2 có quyền ưu tiên thấp hơn SRB1
¾ Các chức năng chính của RRC
• Quảng bá thông tin hệ thống
• Tìm gọi
• Thành lập, duy trì và giải phóng kết nối giữa UE và E-UTRAN
• Các chức năng bảo mật bao gồm cả quản lý mã
• Thành lập, cấu hình, duy trì và giải phóng các sóng mang vô tuyến điểm tới
điểm
• Chọn cell, chọn lại cell và điều khiển quá trình chọn cell, chọn lại cell
• Truyền dữ liệu giữa các eNodeB
• Truyền trực tiếp các bản tin NAS giữa mạng và UE
• Truyền tải khả năng UE
• Xử lý lỗi giao thức chung
• Hỗ trợ tự cấu hình và tự tối ưu hóa
3.6 Kiến trúc kênh trong LTE
Hình 3. 18 Kiến trúc kênh trong LTE
1. Lớp RLC chuyển dữ liệu tới lớp MAC thông qua kênh logic
2. Lớp MAC định dạng và gửi dữ liệu kênh logic vào kênh vận chuyển 3. Lớp vật lý mã hóa dữ liệu kênh vận chuyển vào kênh vật lý
3.6.1 Các kênh đường xuống
¾ Các kênh logic
Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH-Paging Control Channel):
• Kênh đường xuống này truyền các thông tin tìm gọi và thông tin hệ
thống thông báo thay đổi
• Kênh này được sử dụng để tìm gọi khi mạng không biết vị trí cell hiện tại của UE
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH-Broadcast Control Channel):
• Kênh đường xuống này dùng để quảng bá thông tin điều khiển hệ thống Kênh điều khiển chung (CCCH-Common Control Channel):
• Kênh này dùng để truyền thông tin điều khiển giữa các UE và mạng
• Kênh này được sử dụng cho các UE không có kết nối RRC với mạng Kênh điều khiển riêng (DCCH-Dedicated Control Channel):
• Đây là kênh hai hướng kết nối điểm tới điểm dùng để truyền các thông tin điều khiển riêng giữa một UE và mạng
• Đươc sử dụng bởi các UE đã có kết nối RRC
Kênh lưu lượng riêng (DTCH-Dedicated Traffic Channel):
• Là kênh điểm tới điểm, dành riêng cho một UE, dùng để truyền thông tin người dùng
• Một kênh DTCH có thể tồn tại ở cảđường lên và đường xuống Kênh điều khiển đa điểm (MCCH-Multicast Control Channel):
• Là kênh đường xuống từ một điểm tới nhiều điểm được dùng để truyền thông tin điều khiển MBMS từ mạng tới UE, cho một hoặc nhiều kênh MTCH
• Kênh này chỉ dùng cho các UE nhận MBMS (Multimedia Broadcast Multicast System)
Kênh lưu lượng đa điểm (MTCH-Multicast Traffic Channel):
• Kênh đường xuống từ một điểm tới nhiều điểm được dùng để truyền dữ
liệu từ mạng tới UE
• Kênh này chỉđược dùng cho các UE nhận MBMS
Kênh tìm gọi (PCH-Paging Channel):
• Hỗ trợ UE hoạt động ở chế độ thu không liên tục (DRX-Discontinuous Reception) cho phép UE tiết kiệm công suất
• Được ánh xạ vào các nguồn tài nguyên vật lý, nó có thểđược ánh xạ một cách linh hoạt cho kênh lưu lượng hoặc các kênh điều khiển khác
Kênh quảng bá (BCH-Broadcast Channel):
• Cốđịnh, có thể dựđoán trước định dạng khung vận chuyển
• Quảng bá trong toàn bộ miền bao phủ của cell Kênh đa điểm (MCH-Multicast Channel):
• Quảng bá trong toàn bộ miền bao phủ của cell
• Hỗ trợ MBSFN kết hợp với MBMS truyền trên nhiều cell
• Hỗ trợ phân bổ tài nguyên bán tựđộng
Kênh chia sẻđường xuống (DL-SCH-Downlink Shared Channel):
• Hỗ trợ HARQ
• Hỗ trợđáp ứng đường truyền động bằng cách thay đổi phương thức điều chế, mã hóa và công suất truyền
• Tùy chọn hỗ trợ phát quảng bá trên toàn cell
• Tùy chọn hỗ trợ tạo búp anten
• Hỗ trợ cả hai chếđộ phân bổ tài nguyên tựđộng và bán tựđộng
• Hỗ trợ chế độ thu không liên tục ở UE (DRX) cho phép UE tiết kiệm công suất
• Hỗ trợ truyền MBMS
¾ Các kênh vật lý
Kênh chia sẻđường xuống vật lý (PDSCH-Physical Downlink Shared Channel):
• Nó vận chuyển các kênh DL-SCH và PCH
• Hỗ trợ các phương thức điều chế: QPSK, 16-QAM và 64-QAM
Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH-Physical Downlink Control Channel):
• Thông báo cho UE về sự phân bổ tài nguyên trên các kênh PCH và DL- SCH và thông tin về HARQ liên quan đến DL-SCH
• Mang thông tin cấp phép định trình đường lên
• Sử dụng phương pháp điều chế QPSK
Kênh chỉ báo HARQ (PHICH-Physical Hybrid ARQ Indicator Channel):
• Mang các ACK/NACK của HARQ đểđáp ứng lại đường truyền lên
• Sử dụng phương thức điều chế QPSK
Kênh quảng bá vật lý (PBCH-Physical Broadcast Channel):
• Các khối vận chuyển mã hóa được ánh xạ vào 4 khung con trong khoảng thời gian 40ms, khoảng thời gian 40 ms là phát hiện mù tức là không có một báo hiệu nào được chỉ ra trong 40 ms này
• Mỗi một khung con được giảđịnh là có khả năng tự giải mã hóa có nghĩa là kênh BCH có thể tự giả mã từ một sự tiếp nhận đơn, giả thiết rằng các
điều kiện kênh đủ tốt
• Sử dụng phương pháp mã hóa QPSK
Kênh đa điểm vật lý (PMCH-Physical Multicast Channel):
• Mang kênh MCH
• Sử dụng các phương thức điều chế: QPSK, 16-QAM và 64-QAM
3.6.2 Các kênh đường lên
Hình 3. 20 Sơ đồ ánh xạ các kênh đường lên
¾ Các kênh logic
Kênh điều khiển chung (CCCH-Common Control Channel):
• Kênh này chỉđược sử dụng cho các UE không có kết nối RRC với mạng Kênh điều khiển riêng (DCCH-Dedicated Control Channel):
• Đây là kênh hai hướng kết nối điểm tới điểm dùng để truyền các thông tin điều khiển riêng giữa một UE và mạng
• Đươc sử dụng bởi các UE đã có kết nối RRC
Kênh lưu lượng riêng (DTCH-Dedicated Traffic Channel):
• Là kênh điểm tới điểm, dành riêng cho một UE, dùng để truyền thông tin người dùng
• Môt kênh DTCH có thể tồn tại ở cảđường lên và đường xuống
¾ Các kênh vận chuyển
Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH-Random Access Channel):
• Kênh này mang thông tin tối thiểu
• Truyền dẫn trên kênh có thể mất do va chạm
Kênh chia sẻđường lên (UL-SCH-Uplink Shared Channel):
• Tùy chọn hỗ trợ tạo búp sóng anten
• Hỗ trợđáp ứng đường truyền động bằng cách thay đổi phương thức điều chế, mã hóa, công suất phát
• Hỗ trợ HARQ
• Hỗ trợ phân bổ tài nguyên tựđộng và bán tựđộng
¾ Các kênh vật lý
Kênh truy nhập vô tuyến vật lý (PRACH-Physical Radio Access Channel):
• Mang các tiêu đề truy nhập ngẫu nhiên
• Các tiêu đề truy nhập ngẫu nhiên được sinh ra từ các chuỗi Zadoff-Chu Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH- Physical Uplink Shared Channel):
• Mang kênh UL-SCH
Kênh điều khiển đường lên gói (PUCCH-Packet Uplink Control Channel):
• Mang các ACK/NAK HARQ đểđáp ứng lại đường truyền xuống
• Mang các yêu cầu định trình
• Mang các báo cáo CQI (Channel Quality Information)
CHƯƠNG 4: LỚP VẬT LÝ 4.1Truyền dữ liệu người sử dụng đường lên
Dữ liệu người sử dụng ở hướng đường lên được mang trên kênh PUSCH, với cấu trúc khung có độ dài 10ms và dựa trên sự phân bổ nguồn tài nguyên trên miền tần số và thời gian tương ứng là 180 kHz và 1ms. Sự phân bổ các nguồn tài nguyên này được thực hiện tại bộ đình trình nằm ở eNodeB và được minh họa trong hình 4.1.Vì thế không có một nguồn tài nguyên cố định dành cho các thiết bị và quyền
ưu tiên báo hiệu chỉ có các nguồn tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên được sử dụng.
Để đạt được điều này các thiết bị cần cung cấp thông tin cần thiết cho bộ đình trình
đường lên như trạng thái bộđệm, các nguồn tài nguyên công suất truyền sẵn có.Các tín hiệu báo hiệu này thuộc tín hiệu báo hiệu của lớp MAC.
Hình 4. 1 Điều khiển phân bố nguồn tài nguyên đường lên tại eNodeB
Cấu trúc khung sử dụng cấu trúc khe thời gian có độ dài là 0.5ms và hai khe (1 khung con) cho 1 lần phân bổ tài nguyên.Cấu trúc khung có độ dài 10ms được minh họa ở hình 4.2.Trong một khe có thời gian là 0.5ms nó cả các kí hiệu tham chiếu và kí hiệu dữ liệu ngoài ra còn có các tín hiệu báo hiệu.Tốc độ dữ liệu của người sử
dụng vì thế thay đổi như một hàm của sự phân bố nguồn tài nguyên đường lên phụ
thuộc vào băng thông hiện tại được ấn định. Băng thông có thể được ấn định nằm trong khoảng từ 0 đến 20MHz với bước nhảy là 180kHz.Sự phân bổ nguồn tài nguyên này là liên tục vì truyền dẫn đường lên sử dụng điều chế FDMA với một kí
hiệu được truyền tại một thời điểm. Sựđiều chỉnh băng thông khe thời gian giữa các TTI liên tiếp được minh họa trong hình 4.3, trong hình ta thấy tốc độ dữ liệu được tăng lên gấp đôi khi băng thông được sử dụng gấp đôi. Các kí hiệu tham khảo luôn luôn chiếm cùng một vị trí trong miền thời gian vì thế khi tốc độ dữ liệu tăng lên thì tương ứng cũng phải tăng tốc dộ dữ liệu của tín hiệu tham chiếu.
Hình 4. 2 Cấu trúc khung FDD LTE
Hình 4. 3 Tỉ lệ dữ liệu giữa các TTI ở hướng đường lên
Tiền tố chu trình (CP-Cyclic Prefix) được sử dụng trong đường lên có thể có hai giá trị phụ thuộc tiền tố chu trình mở rộng hay ngắn được sử dụng.Các thông số
khác không đổi và vì thế một khe thời gian 0.5 ms có thể có sáu hoặc bảy kí hiệu nhưđược minh họa trong hình 4.4.Tải dữ liệu được giảm xuống khi tiền tố chu trình
được sử dụng nhưng nó không được sử dụng thường xuyên vì lợi ích hiệu năng mà bảy kí hiệu đem lại lớn hơn so với khả năng có thể suy giảm chất lượng tín hiệu do nhiễu liên kí tự khi độ trải trễ của kênh lớn hơn độ dài tiền tố chu trình. Tốc độ dữ
liệu đường lên tức thời của 1 khung con có độ dài 1ms phụ thuộc vào phương thức
điều chế, số lượng các khối tài nguyên được phân bổ, lượng thông tin điều khiển cũng như phương thức mã hóa kênh được áp dụng.Khoảng tốc độ đỉnh tức thời ở đường lên đã được tính toán và nằm trong khoảng từ 700kbps đến 86Mbps.
Hình 4. 4 Cấu trúc khe thời gian với tiền tố chu trình ngắn và mở rộng
LTE cũng sử dụng kĩ thuật kết hợp truyền lại ở lớp vật lý thường được biết đến với cái tên HARQ (Hybrid Adaptive Repeat and Request).Trong hoạt động HARQ
ở lớp vật lý bộ thu cũng lưu trữ các gói có CRC lỗi và kết hợp với các gói đã nhận
được khi sự truyền lại được thưc hiện.Cả hai phương pháp là kết hợp mềm với các lần gửi lại giống nhau và kết hợp tăng tính dư thừa đều được hỗ trợ.
Chuỗi mã hóa kênh cho đường lên được chỉ ra trong hình 4.5, nơi dữ liệu và