1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G LTE)
1.2.6.2 Điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control)
- Lớp điều khiển truy nhập mơi trường MAC có nhiệm vụ: + Xử lí ghép kênh logic.
+ Các phát lại HARQ.
+ Lập biểu đường lên và đường xuống.
Các kênh logic và các kênh truyền tải:
a) Kênh logic
- MAC cung cấp dịch vụ cho RLC trong dạng các kênh logic.Kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thơng tin nó mang;có nhiệm vụ để truyền dẫn thơng tin điều khiển và cấu hình cần thiết để vận hành hệ thống LTE.
- Các kênh logic của LTE bao gồm:
+ Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào. Trước khi truy nhập vào hệ thống, một thiết bị đầu cuối di động cần phải đọc những thông tin được truyền trên kênh BCCH để tìm ra cách thức hệ thống được cấu hình, ví dụ như băng thơng của hệ thống.
+ Kênh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): được sử dụng
cho việc tìm gọi của các thiết bị đầu cuối di động mà mạng khơng biết được vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần được truyền trong nhiều tế bào.
+ Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): được
dùng cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển tới hoặc từ thiết bị đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho việc cấu hình riêng lẻ từng thiết bị đầu cuối di động ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau.
+ Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): được dùng
cho việc truyền dẫn thông tin điều khiển được yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH.
+ Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): được dùng
cho việc truyền dữ liệu người dùng đến hoặc từ một thiết bị đầu cuối di động. Đây là 1 loại kênh logic được dùng để truyền dữ liệu người dùng đường lên và đường xuống phi-MBMS (non-MBMS).
+ Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): được dùng
29
b) Tập các kênh truyền tải được định nghĩa trong LTE bao gồm:
+ Kênh quảng bá (BCH: Broadcast Channel) có một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật. Nó được dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH.
Kênh tìm gọi (PCH Paging channe): được dùng cho việc paging thông tin trên
kênh logic PCCH. Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận không liên tục (discontinous reception – DRX) nhằm cho phép thiết bị đầu cuối di động tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời điểm xác định trước.
Kênh chia sẻ đường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh
truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống trong LTE. Nó hỗ trợ những đặc tính của LTE như cơ chế thích ứng tốc độ động (dynamic rate adaption) và hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel-dependent scheduling) trong miền thời gian và tần số, hybrid ARQ, và ghép kênh khơng gian (spatial multiplexing). Nó cũng hỗ trợ DRX nhằm làm giảm năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối di động trong khi vẫn cung cấp trải nghiệm luôn mở (always-on experience), tương tự như cơ chế CPC trong HSPA. DL-SCH TTI là 1 ms.
Kênh multicast – Multicast Channel (MCH): được dùng để hỗ trợ MBMS và được đặc trưng bởi định dạng truyền tải bán tĩnh và hoạch định bán tĩnh (semistatic transport format and semi-static scheduling). Trong trường hợp truyền dẫn nhiều tế bào (multi-cell transmission) sử dụng MBSFN, cấu hình định dạng truyền tải và hoạch định được điều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN.
+ Kênh chia sẻ đường lên – Uplink shared channel (UL-SCH): là đường lên tương
ứng với DL-SCH.
Hình 1.20 Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 1.2.7 Các thủ tục truy nhập LTE [2]
30
Dị tìm cell là một thủ tục bằng cách đó đầu cuối tìm được một cell có khả năng kết nối đến. Như một phần của thủ tục dị tìm cell, đầu cuối thu được nhận dạng của cell và đánh giá định thời khung của cell được nhận dạng. Ngồi ra, thủ tục dị tìm cell cũng cung cấp việc đánh giá các thông số cần thiết cho việc tiếp nhận thông tin hệ thống trên kênh quảng bá (broadcast), bao gồm các thơng số cịn lại được yêu cầu cho truy cập hệ thống.
Để tránh việc lập kế hoạch cell bị phức tạp thì số lượng nhận dạng cell lớp vật lý cần phải đủ lớn. Như được đề cập trong phần trên, LTE hỗ trợ 510 nhận dạng cell khác nhau, được chia thành 170 nhóm nhận dạng cell, với ba nhận dạng cho mỗi nhóm.
b) Thủ tục dị tìm cell (cell search)
Trong bước đầu tiên của thủ tục dị tìm cell, đầu cuối di động sử dụng tín hiệu đồng bộ sơ cấp để tìm định thời trên một cơ sở 5 ms. Lưu ý rằng tín hiệu đồng bộ sơ cấp được phát hai lần trên mỗi khung. Lý do là để đơn giản hóa việc chuyển giao từ các công nghệ truy cập vô tuyến khác như GSM đến LTE. Do đó, tín hiệu đồng bộ sơ cấp chỉ có thể cung cấp định thời khung với khoảng 5ms khơng rõ ràng như Hình 1.21. Việc thực thi của thuật toán đánh giá là đặc trưng của nhà khai thác, nhưng một khả năng là để thực hiện lọc thích ứng giữa tín hiệu thu được và các chuỗi được dành riêng cho tín hiệu đồng bộ sơ cấp. Khi đầu ra của bộ lọc thích ứng đạt đến giá trị tối đa của nó, đầu cuối có thể tìm được định thời trên 1 cơ sở 5 ms. Bước đầu tiên của cũng có thể được sử dụng để chặn tần số bộ dao động cục bộ của đầu cuối di động đến tần số sóng mang trạm gốc. Việc chặn tần số dao động cục bộ đến tần số trạm gốc làm nới lỏng các yêu cầu chính xác trên bộ dao động của thiết bị đầu cuối di động, kết quả là giảm được chi phí.
Đối với các nguyên nhân được thảo luận dưới đây, có ba chuỗi khác nhau có thể được sử dụng như tín hiệu đồng bộ sơ cấp. Có một phép ánh xạ (mapping) một - một (one-to-one) giữa mỗi chuỗi trong ba chuỗi này với nhận dạng cell trong cùng 1 nhóm nhận dạng cell. Do đó, sau bước đầu tiên, đầu cuối đã tìm được nhận dạng trong nhóm nhận dạng cell. Hơn nữa, khi có một phép ánh xạ một - một giữa mỗi nhận dạng trong nhóm nhận dạng cell và mỗi chuỗi trong ba chuỗi trực giao được sử dụng khi tạo tín hiệu tham khảo theo như mô tả trong mục 1.2.6, đầu cuối cũng thu được nhận biết từng phần về cấu trúc tín hiệu tham khảo trong bước này. Tuy nhiên, thiết bị đầu cuối vẫn chưa biết được nhóm nhận dạng tế bào sau bước này. Trong bước tiếp theo, đầu cuối dị tìm nhóm nhận dạng cell và xác định định thời khung. Điều này được thực hiện bởi việc theo dõi các cặp khe thời gian mà ở đó các tín hiệu đồng bộ thứ cấp được phát. Về cơ bản, nếu (s1, s2) là một cặp chuỗi hợp lệ, ở đó s1 và s2 lần lượt tương ứng
31
với tín hiệu đồng bộ thứ cấp trong khung phụ 0 và 5, cặp ngược lại (s2, s1) thì khơng phải là một cặp chuỗi có giá trị. Bằng cách lợi dụng tính chất này, đầu cuối có thể phân giải định thời 5 ms có được từ bước đầu tiên trong thủ tục dị tìm cell và xác định được định thời khung. Hơn nữa, khi sự kết hợp (s1, s2) đại diện cho các nhóm nhận dạng cell, nhóm nhận dạng cell cũng thu được từ bước thứ hai của thủ tục dị tìm cell. Từ nhóm nhận dạng cell, đầu cuối cũng thu được những tin tức về việc chuỗi giả-ngẫu nhiên nào được sử dụng cho việc tạo ra tín hiệu tham khảo trong cell. Một khi thủ tục dị tìm cell được hồn thành, đầu cuối nhận thơng tin hệ thống được quảng bá để có được các thơng số cịn lại, chẳng hạn như băng thơng truyền dẫn được sử dụng trong cell.
Hình 1.21 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp
c) Truy cập ngẫu nhiên
Một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ hệ thống tế bào nào là khả năng cho phép đầu cuối yêu cầu thiết lập một kết nối. Điều này thường được biết đến như là truy cập ngẫu nhiên và nó phục vụ hai mục đích chính trong LTE, đó là việc thiết lập đồng bộ đường lên, và thiết lập một nhận dạng đầu cuối duy nhất, C-RNTI, được biết đối với cả hệ thống mạng và thiết bị đầu cuối. Do đó, truy cập ngẫu nhiên không chỉ được sử dụng cho truy cập ban đầu, nghĩa là, khi di chuyển từ LTE_DETACHED hoặc LTE_IDLE đến LTE_ACTIVE, mà còn sau những giai đoạn của tình trạng khơng tích cực đường lên khi đồng bộ đường lên bị mất trong LTE_ACTIVE.
32
Hình 1.22 Tổng quan của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên
Toàn bộ thủ tục truy cập ngẫu nhiên được minh hoạ trong hình 1.22, bao gồm bốn bước:
1. Bước đầu tiên bao gồm việc truyền dẫn phần mở đầu (preamble) truy cập ngẫu nhiên, cho phép eNodeB đánh giá định thời truyền dẫn của đầu cuối. Đồng bộ đường lên thì cần thiết khi đầu cuối không thể phát bất kỳ dữ liệu đường lên nào.
2. Bước thứ hai bao gồm: mạng phát một lệnh định thời sớm (a timing advance command) để điều chỉnh định thời phát đầu cuối, dựa trên các phép đo định thời ở bước đầu tiên. Ngoài việc thiết lập đồng bộ đường lên, bước thứ hai cũng ấn định nguồn tài nguyên đường lên đến đầu cuối để được sử dụng trong bước thứ ba của thủ tục truy cập ngẫu nhiên.
3. Bước thứ ba bao gồm việc truyền dẫn nhận dạng đầu cuối di động đến mạng bằng cách sử dụng UL-SCH tương tự với dữ liệu được hoạch định (scheduled) thơng thường. Nội dung chính xác của báo hiệu này phụ thuộc vào trạng thái của đầu cuối, dù nó có được biết trước đó đối với mạng hay khơng.
4. Bước thứ tư và cũng là bước cuối cùng bao gồm việc truyền dẫn một thông điệp giải quyết tranh chấp (a contention-resolution message) từ mạng đến đầu cuối trên kênh DL-SCH. Bước này cũng giải quyết bất cứ sự tranh chấp nào xảy ra do nhiều đầu cuối tìm cách truy cập vào hệ thống sử dụng nguồn tài nguyên truy cập ngẫu nhiên giống nhau.
1.3 Kết luận chương 1
Trong chương 1, ta đã tìm hiểu về lịch sử phát triển các công nghệ thông tin di động từ khi ra đời cho tới mạng 4G-LTE và tìm hiểu tổng quan mạng 4G-LTE, nắm
33
bắt được cấu trúc, mơ hình và các đặc điểm về truy nhập, quy hoạch băng tần, các kiến trúc và giao thức của mạng 4G-LTE.
Đây là các kiến thức tổng quan để giúp nghiên cứu kỹ hơn về các kỹ thuật định vị thuê bao trong mạng 4G như Chương 2 dưới đây.
34
CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG 4G LTE
Hiện nay, để định vị thuê bao di động trong mạng 4G-LTE có nhiều phương pháp được sử dụng, tùy thuộc vào độ chính xác, độ phức tạp, chi phí triển khai hoặc sử dụng kết hợp các phương pháp để tối ưu khả năng định vị điện thoại di dộng. Cụ thể các phương pháp, bao gồm: Định vị A-GNSS; định vị CellID; định vị đường xuống OTDOA; định vị đường lên OTDOA.
2.1 Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ (A-GNSS)
2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (tiếng Anh: Global Navigation Satellite System - GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga) và Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc). [9]
GNSS được cấu thành như một chịm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí. [9]
Các hệ thống định vị tồn cầu: Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường. GPS và GLONASS, GALILEO. Cả ba hê thống định vị toàn cầu ngày nay được gọi tên chung là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation Satellite System). GPS được Bộ Quốc phòng Hoa kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý, bắt đầu hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995 và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo và dự kiến được đưa vào sử dụng trong năm 2010. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau. Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc. Ấn Độ cũng cơng bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và đi vào hoạt động năm 2012. [9]
Cấu trúc hệ thống GNSS: Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần
không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau:
35
- Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.
- Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của tồn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin của vệ tinh. Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thơng tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.
- Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thơng tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.1 Hệ thống định vị tồn cầu GPS
Hình 2.1 mơ tả 24 vệ tinh GPS bay quanh 6 quỹ đạo trái đất tầm trung (MEO – Medium Earth Orbits). Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống trái đất. Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính. Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều
36
(kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thứ khác nữa. [9]
Ứng dụng của hệ thống GNSS:
Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống. Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng. Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS.