2) Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
2.3 Kiến trúc giao thức
2.3.1 Mặt phẳng ngƣời dùng
Một gói IP của UE đƣợc đóng gói trong một EPC-giao thức và đƣờng hầm cụ thể giữa P-GW và eNodeB- để truyền đến UE. Các giao thức xuyên hầm khác nhau đƣợc dùng với các đƣờng giao tiếp khác nhau. Một giao thức xuyên hầm trong 3GPP gọi là giao thức xuyên hầm GPRS (GPRS Tunnelling Protocol) đƣợc sử dụng trong các đƣờng giao tiếp của mạng lõi, S1 và S5/S8.
Giao thức mặt phẳng ngƣời dùng E-UTRAN có màu xám nhƣ hình 2.13, bao gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) và MAC (Medium Access Control).
Hình 2.13 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng của E-UTRAN
Điều khiển dữ liệu trong suốt quá trình chuyển giao: do thiếu Node điều khiển trung tâm, việc đệm dữ liệu trong suốt quá rình chuyển giao phụ thuộc vào tính di động ngƣời dùng trong suốt quá trình chuyển giao phải đƣợc thực hiện bởi chính eNodeB. PDCP chịu trách nhiệm bảo vệ dữ liệu trong suốt quá trình chuyển giao. Cả hai lớp RLC và MAC bắt đầu lại từ đầu trong một cell mới sau khi chuyển giao.
2.3.2 Mặt phẳng điều khiển
Hình 2.14 Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển của E-UTRAN
Vùng màu xám chỉ ra các giao thức tầng truy cập. Các lớp thấp hơn hoạt động với cùng chức năng nhƣ bên mặt phẳng ngƣời dùng, chỉ khác ở chỗ là không nén Header.
Giao thức RRC đƣợc biết đến nhƣ giao thức lớp 3 trong tầng truy cập. Nó có chức năng điều khiển chính trong tầng truy cập, chịu trách nhiệm thiết lập các thông báo vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữa eNodeB và UE.
Hình 2.15 Kiến trúc giao thức
Trạng thái tích cực RRC
Để tối thiểu hóa việc sử dụng tài nguyên trong mạng, và để tiết kiệm điện năng của pin trong các UE, LTE qui định vài trạng thái đƣờng truyền khác nhau. Trong khi dữ liệu đang đƣợc trao đổi giữa mạng và UE thì đƣờng truyền ở trạng thái tích cực RRC (RRC active). Trạng thái này có nghĩa là mạng có thể cấp phát tài nguyên cho thiết bị trên kênh dùng chung bất kì lúc nào, và dữ liệu có thể đƣợc truyền đi ngay lập tức. Thiết bị vẫn ở trong trạng thái tích cực cho dù đôi lúc không có dữ liệu nào đƣợc truyền cả, ví dụ sau khi nội dung của một trang Web đã đƣợc tải đầy đủ về thiết bị. Điều này đảm bảo rằng những cuộc truyền gói sau đó có thể diễn ra ngay lập tức, ví dụ nhƣ khi ngƣời dùng kích vào một liên kết trên trang Web đã tải, mà không cần tốn thêm công sức kiểm soát tài nguyên.
Khi ở trong trạng thái tích cực đầy đủ, UE có vài dịp để làm cho bộ thu sóng của nó không còn tích cực nữa, điều vốn có ảnh hƣởng tiêu cực lên dung lƣợng của pin. Nhƣ vậy sau một thời gian không tích cực nào đó, mạng có thể quyết định kích hoạt một chế độ nhận sóng không liên tục (Discontinuous Reception Mode_DRX) trong
khi UE vẫn ở trong trạng thái tích cực. Tức là UE chỉ định kì mới phải lắng nghe những thông báo cấp phát thông lƣợng hƣớng xuống và các lệnh điều khiển, còn vào tất cả những lúc khác thì có thể tắt đi bộ thu sóng của nó. Khoảng thời gian ở chế độ DRX này linh động và có thể từ vài mili-giây cho đến vài giây.
Ngay cả khi trong chế độ DRX mode, tính di động của thiết bị vẫn đƣợc mạng kiểm soát. Tức là UE phải liên tục gửi những kết quả đo đạc tín hiệu về mạng khi gặp phải một ngƣỡng tín hiệu thấp hoặc cao đã qui định trƣớc cho cell hiện tại và cell kế cận. Nhƣ thế eNodeB có thể khởi phát một thủ tục chuyển giao sang một cell khác bất kì khi nào nó thấy cần thiết.
Trạng thái rỗi RRC
Nếu không có gói nào đƣợc truyền trong một thời gian kéo dài, eNodeB có thể đặt đƣờng giao tiếp với ngƣời dùng vào trạng thái rỗi RRC (RRC Idle). Tức là, tuy đƣờng truyền luận lí với mạng và địa chỉ IP vẫn còn nguyên nhƣng đƣờng truyền vô tuyến thì đƣợc gỡ bỏ. MME cũng đƣợc thông báo về sự thay đổi trạng thái này, bởi vì các gói IP đến từ Internet có thể không còn đƣợc giao tới mạng vô tuyến nữa. Hệ quả là, vào lúc nhận các gói IP, MME cần gửi một thông điệp nhắn tin đến UE, dẫn đến việc thiết lập lại một đƣờng truyền vô tuyến. Trong trƣờng hợp UE cần gửi một gói IP trong khi đang ở trạng thái rỗi RRC, chẳng hạn vì ngƣời dùng vừa kích vào một liên kết trên trang Web sau một thời gian dài không tích cực, nó cũng phải yêu cầu thiết lập một đƣờng truyền vô tuyến rồi gói đó mới có thể đƣợc truyền đi.
Vả lại, mạng không còn kiểm soát tính di động của những UE nào đang trong trạng thái rỗi RRC nữa, và UE đó có thể tự quyết định di chuyển từ cell này sang cell khác . Vài cell đƣợc nhóm lại thành một khu vực theo dõi. UE chỉ báo cáo một sự thay đổi cell về cho mạng nếu nó chọn một cell mà thuộc một khu vực theo dõi khác. Thế có nghĩa là mạng, hoặc cụ thể hơn là MME, phải gửi một thông điệp nhắn tin qua tất cả các cell thuộc khu vực theo dõi đó khi có một gói dữ liệu mới dành cho thiết bị gửi đến từ Internet.
2.4 Các kênh sử dụng trong E-UTRAN
2.4.1 Kênh vật lý : các kênh vật lý sử dụng cho dữ liệu ngƣời dùng bao gồm :
PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) PUCCH (Physical Uplink Control Channel) PDCCH (Physical Downlink Control Channel) PBCH (Physical Broadcast Channel)
2.4.2 Kênh logic : đƣợc định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trƣớc khi truy nhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết đƣợc hệ thống đƣợc lập cấu hình nhƣ thế nào, chẳng hạn băng thông hệ thống.
Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : đƣợc sử dụng để tìm gọi các đầu cuối di động vì mạng không thể biết đƣợc vị trí của chúng ở cấp độ ô và vì thế cần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị).
Kênh điều khiển riêng (DCCH) : đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động. Kênh này đƣợc sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau.
Kênh điều khiển đa phƣơng (MCCH) : đƣợc sử dụng để truyền thông tin cần thiết để thu kênh MTCH.
Kênh lƣu lƣợng riêng (DTCH) : đƣợc sử dụng để truyền số liệu của ngƣời sử dụng đến/từ một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic đƣợc sử dụng để truyền tất cả số liệu đƣờng lên của ngƣời dùng và số liệu đƣờng xuống của ngƣời dùng không phải MBMS.
2.4.3 Kênh vận chuyển: bao gồm các kênh sau
Kênh quảng bá (BCH) : có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp. Nó đƣợc sử dụng để phát thông tin trên kênh logic.
Kênh tìm gọi (PCH) : đƣợc sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênh PCCH,
PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm công suất ắc quy bằng cách ngủ và chỉ thức để thu PCH tại các thời điểm quy định trƣớc.
Kênh chia sẻ đƣờng xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệu đƣờng xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các chức năng của LTE nhƣ thích ứng tốc độ động và lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số. Nó cũng hổ trợ DRX để giảm tiêu thụ công suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống nhƣ cơ chế CPC trong HSPA. DL-DCH TTI là 1ms.
Kênh đa phƣơng (MCH) : đƣợc sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó đƣợc đặc trƣng bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh. Trong trƣờng hợp phát đa ô sử dụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải đƣợc điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN.
2.5 Truyền dữ liệu hƣớng xuống 2.5.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 2.5.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM
Kỹ thuật truyền OFDM có thể đƣợc xem nhƣ là một loại của truyền đa sóng mang. Đặc điểm cơ bản của truyền OFDM là:
Sử dụng một lƣợng tƣơng đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con đƣợc truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu.
Dạng xung hình chữ nhật đơn giản nhƣ trong hình 2.16a. Điều này đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng mang, nhƣ minh họa trong hình 2.16b.
Những sóng mang con đƣợc sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con f=1/Tu, với Tu là thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng
mang con (hình 2.17). Khoảng cách sóng mang con bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con.
Hình 2.16: Phổ và dạng xung của mỗi sóng mang cho truyền OFDM cơ bản
Hình 2.17: Khoảng cách sóng mang con OFDM
Nhƣ minh họa về bộ điều chế OFDM cơ bản trong hình 2.18. Nó bao gồm một dãy Nc những bộ modulator phức tạp, mỗi bộ modulator đáp ứng cho một sóng mang con OFDM.
Hình 2.18: Điều chế OFDM
Tín hiệu OFDM cơ bản trong khoảng thời gian mTu t (m+1)Tu có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
1 0 2 ) ( 1 0 C C N k ft k j m k N k k t a e x t x (2.1)
Với xk(t) là sóng mang con đƣợc điều chế thứ k với tần số fk=k.f và (m)
k a là symbol điều chế đƣợc áp dụng cho sóng mang con thứ k trong khoảng thời gian symbol OFDM thứ m, nghĩa là trong thời gian mTu t (m+1)Tu. Truyền OFDM dựa trên khối, nghĩa là trong thời gian mỗi symbol OFDM, Nc symbol điều chế đƣợc truyền song song. Những symbol điều chế có thể là bất kỳ kiểu điều chế nào nhƣ QPSK, 16QAM, hay 64QAM.
Số sóng mang con OFDM có thể nhỏ hơn một trăm đến vài ngàn, với khoảng cách sóng mang con từ vài trăm kHz xuống vài kHz. Lựa chọn khoảng cách sóng mang con phụ thuộc vào môi trƣờng mà hệ thống hoạt động, bao gồm những khía cạnh nhƣ lựa chọn tần số kênh vô tuyến lớn nhất đƣợc yêu cầu (sự phân tán thời gian lớn nhất) và tốc độ lớn nhất của những biến đổi kênh (trải Doppler lớn nhất). Khi khoảng cách sóng mang con đƣợc chọn, số sóng mang con có thể đƣợc quyết
băng có thể chấp nhận đƣợc,... Ví dụ, với 3GPP LTE khoảng cách sóng mang con cơ bản bằng 15kHz. Mặt khác, số sóng mang con phụ thuộc vào băng thông truyền, khoảng 600 sóng mang con khi hoạt động ở phổ 10MHz, do đó, có ít hoặc nhiều hơn sóng mang con khi tổng băng thông truyền nhỏ hay rộng hơn.
Hai sóng mang đƣợc điều chế OFDM xk1(t) và xk2(t) trực giao lẫn nhau trong khoảng thời gian mTu t (m+1)Tu , nghĩa là:
u u u u T m mT t f k j t f k j k k T m mT k k t x t dt a a e e dt k k x ) 1 ( 2 1 2 2 ) 1 ( ) ( 0 . ) ( ) ( 1 2 2 1 2 1 (2.2)
Vì vậy truyền OFDM cơ bản có thể đƣợc xem nhƣ điều chế của một nhóm những hàm trực giao k(t), với : otherwise T t e t u ft k j k 0 0 ) ( 2 (2.3)
Hình 2.19: Lưới thời gian tần số OFDM
Tài nguyên vật lý trong truyền OFDM thƣờng đƣợc minh họa nhƣ một lƣới thời gian-tần số nhƣ hình 2.19 với mỗi cột tƣơng ứng với một symbol OFDM và mỗi hàng tƣơng ứng với một sóng mang con OFDM.
2.5.2 Giải điều chế OFDM
Hình 2.20: Nguyên tắc cơ bản của giải điều chế OFDM
Hình 2.20 minh họa nguyên tắc cơ bản trong giải điều chế OFDM, bao gồm một dãy các bộ correlator, mỗi bộ cho một sóng mang con. Đƣa vào bảng miêu tả tính trực giao của những sóng mang con theo công thức 2.2, trong trƣờng hợp lý tƣởng, hai sóng mang con OFDM không gây nhiễu cho nhau. Sự thật là phổ của những sóng mang con cạnh nhau chồng lấp nhau, nhƣ trong hình 2.2. Tính trực giao của những sóng mang con là nhờ có cấu trúc đặc trƣng miền tần số của mỗi sóng mang con, kết hợp với khoảng cách sóng mang con f bằng tốc độ symbol trên mỗi sóng mang con 1/Tu. Tuy nhiên, nếu bất kỳ một sự sai lệch trong cấu trúc miền tần số của những sóng mang con OFDM, chẳng hạn vì kênh vô tuyến lựa chọn tần số, có thể dẫn đến mất trực giao giữa những sóng mang con và vì thế xảy ra nhiễu giữa các sóng mang con. Để điều khiển điều này và làm cho tín hiệu OFDM thực sự mạnh với lựa chọn tần số kênh vô tuyến, ngƣời ta sử dụng chèn cyclic prefix.
2.5.3 Thực hiện OFDM sử dụng xử lý IFFT/FFT
Mặc dù một dãy những bộ modulator/correlator nhƣ trong hình 2.18 và 2.20 minh họa nguyên tắc cơ bản của điều chế và giải điều chế OFDM, nhƣng không có một cấu trúc những bộ điều chế/giải điều chế thích hợp trong thực tế.
Trong thực tế, vì cấu trúc đặc biệt của nó và sự lựa chọn khoảng cách sóng mang f bằng tốc độ symbol mỗi sóng mang con, OFDM có thể thực hiện ít phức tạp hơn bằng xử lý biến đổi Fourier nhanh.
Để thực hiện điều này, xem tín hiệu OFDM rời rạc thời gian, với giả sử tốc độ lấy mẫu fs là bội lần khoảng cách sóng mang con f, nghĩa là fs=1/Ts=N.f. Tham số N có thể đƣợc chọn sao cho định lý lấy mẫu đƣợc thỏa mãn thích đáng. Vì Nc.f có thể đƣợc xem nhƣ băng thông trên lý thuyết của tín hiệu OFDM, điều này nghĩa là N có thể lớn hơn Nc với một số dƣ vừa đủ.
Với những giả thuyết nhƣ trên, tín hiệu rời rạc thời gian OFDM có thể đƣợc biểu diễn: 1 0 / 2 1 0 / 2 1 0 2 ) ( N k N kn j k N k N kn j k N k fnT k j k S n x nT a e a e a e x C C S (2.4) Với N k N N k a a C C k k 0 0 (2.5)
Hình 2.21: Điều chế OFDM bằng xử lý IFFT
Vì vậy, chuỗi xn, là tín hiệu OFDM đƣợc lấy mẫu, là kích thƣớc N của biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc (IDFT) của khối symbol điều chế a0,…,aNc-1. Vì vậy, điều chế OFDM có thể đƣợc thực hiện bằng xử lý IDFT, theo sau là bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự, nhƣ minh họa trong hình 2.20. Đặc biệt, bằng cách chọn IDFT kích thƣớc N bằng 2m
với m là số nguyên, điều chế OFDM có thể đƣợc thực hiện bằng IFFT cơ số 2. Tỷ số N/Nc có thể không phải là số nguyên. Ví dụ trong 3GPP LTE số sóng mang con Nc khoảng 600 với phổ 10MHz. Kích thƣớc IFFT có thể đƣợc chọn N=1024. Điều này tƣơng ứng với tốc độ lấy mẫu fs=N.f=15.36MHz, với f=15kHz là khoảng cách sóng mang con LTE.
Hoạt động dựa trên IDFT/IFFT của bộ điều chế OFDM chỉ là lựa chọn của máy phát, và không phải là đặc điểm truy nhập vô tuyến. Ví dụ, có thể điều chế OFDM bằng một nhóm song song những bộ modulator nhƣ minh họa trong hình 2.21. Và cũng có thể sử dụng IFFT kích thƣớc lớn, ví dụ IFFT kích thƣớc 2048, thậm chí trong trƣờng hợp số sóng mang con OFDM nhỏ hơn.
Tƣơng tự nhƣ điều chế OFDM, giải điều chế OFDM có thể thay thế dãy Nc
demodulator song song nhƣ trong hình 2.20 bằng xử lý FFT, với tốc độ lấy mẫu fs=1/Ts, tiếp theo là DFT/FFT kích thƣớc N, nhƣ minh họa trong hình 2.22.
Hình 2.22: Giải điều chế OFDM bằng xử lý FFT
2.5.4 Chèn cyclic prefix