1.2 Mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G LTE)
1.2.4 Các băng tần hỗ trợ [2]
Các đặc điểm kỹ thuật của LTE thừa hưởng tất cả các bang tần được xác định cho UMTS và là một danh sách tiếp tục phát triển, hiện có 13 băng tần FDD và 8 băng tần TDD, quan trọng là sự chồng chéo của một số các băng tần đã tồn tại, nhưng điều này không nhất thiết phải thu gọn các băng tần mà từ đó có thể được thực hiện cụ thể dựa trên nhu cầu thực tế của từng khu vực Hình 1.13.
Hình 1.13 Danh sách băng tần LTE 1.2.5 Công nghệ đa ăng ten MIMO trong LTE [2]
Cho đến nay việc truyền dữ liệu thơng thường thơng qua một dịng tín hiệu duy nhất trong khơng gian giữa bộ phát sóng và bộ thu sóng. Hầu hết các hệ thống khơng dây hiện nay đều hoạt động theo chế độ này, và một bộ phát sóng thứ hai trên cùng tần
23
số được xem là nhiễu không mong muốn, làm giảm chất lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong thực tế, có thể thấy rằng ngay cả một tín hiệu duy nhất cũng bị phản xạ và tán xạ bởi những đối tượng trong lộ trình truyền, và đầu kia nhận được vài bản sao của tín hiệu ban đầu từ những góc độ khác nhau vào những thời điểm hơi lệch nhau một chút. Đối với những công nghệ truyền không dây đơn giản, các bản sao này cũng là nhiễu không mong muốn. Nhưng LTE lại lợi dụng sự tán xạ và phản xạ trên lộ trình truyền bằng cách truyền vài dòng dữ liệu độc lập qua những ăng-ten riêng. Các ăng-ten này được đặt cách nhau ít nhất là một nửa bước sóng, điều này tự nó tạo ra những cuộc truyền riêng biệt, vốn phản ứng khác nhau khi chúng gặp những chướng ngại trong lộ trinh truyền. Ở phía máy thu, những dịng dữ liệu khác nhau được bắt (pick up) bởi các ăng-ten độc lập và các dây chuyền thiết bị thu độc lập. Việc truyền vài tín hiệu độc lập trên cùng băng tần này được gọi là MIMO (Multiple Input Multiple Output) và Hình dưới cho thấy một cách biểu diễn đồ họa đơn giản hóa của kỹ thuật này. Trong thực tế, điều này có nghĩa là vài lưới tài nguyên LTE được gửi đồng thời trên cùng tần số nhưng thông qua những ăng-ten khác nhau.
Hình 1.14 Nguyên tắc của truyền MIMO
Chuẩn LTE chỉ định hai và bốn cuộc truyền riêng biệt trên cùng một băng tần, tức địi hỏi phải có hai hoặc bốn ăng-ten tương ứng ở cả máy phát lẫn máy thu. Hệ quả là, những cuộc truyền như vậy được gọi là 2x2 MIMO và 4x4 MIMO. Trong thực tế, 2x2 MIMO nhiều khả năng sẽ được dùng trước, do bởi những ràng buộc về kích cỡ của các UE và do sự kiện là các ăng-ten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bước sóng. Hơn nữa, hầu hết các UE đều cho phép dùng vài băng tần, mỗi băng thường địi hỏi bộ ăng-ten của riêng nó trong trường hợp hoạt động MIMO được hậu thuẫn trong băng đó.Ở phía mạng, có thể có được những cuộc truyền 2x2 MIMO bằng một ăng-ten
24
phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách sao cho
mỗi ăng-ten truyền đi một dòng dữ liệu riêng biệt với một dạng phân cực khác nhau (ngang và đứng).
Tuy trên hình mơ tả khái niệm tổng quát của truyền MIMO, nhưng nó khơng chính xác ở phía máy thu, bởi vì mỗi ăng-ten nhận không phải chỉ một tín hiệu duy nhất mà là một sự kết hợp của tất cả các tín hiệu khi chúng chồng chéo lên nhau trong không gian. Vì thế, mỗi dây chuyền thiết bị thu cần phải tính tốn một cách truyền kênh có xét đến mọi cuộc truyền để phân biệt các cuộc truyền với nhau. Các ký hiệu truyền pilot đã nói ở trên được dùng cho mục đích này. Những thành tố cần thiết cho các tính tốn này bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) và các ảnh hưởng đa đường truyền (multipath effect) cho mỗi lộ trình truyền độc lập. Vì khn khổ có hạn, tài liệu
này khơng đi sâu vào cách tính tốn này.
Bởi vì các kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO có thể làm tăng tốc độ truyền tổng thể lên hai lần, cịn 4x4 MIMO thì tăng lên bốn lần. Tuy nhiên điều này chỉ có thể đạt được trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng. Vì vậy, MIMO chỉ được dùng cho các cuộc truyền hướng xuống trong LTE, bởi vì bộ phát sóng của trạm cơ sở ít bị ràng buộc về công suất hơn bộ phát sóng ở hướng lên. Trong những điều kiện truyền ít thuận lợi hơn, hệ thống tự động quay trở lại kiểu truyền một dòng dữ liệu duy nhất và cũng giảm luôn cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16- QAM hay thậm chí QPSK. Ngồi ra, như đã trình bày trong phần nói về HSPA+, cịn có một sự qn bình (được này mất kia) giữa điều chế cấp cao hơn và sử dụng MIMO. Vì thế trong những điều kiện tín hiệu kém hơn lý tưởng, truyền MIMO chỉ được dùng với điều chế 16- QAM thôi, như vậy không thể gấp đôi tốc độ truyền so với truyền một dòng duy nhất sử dụng 64-QAM.
Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích cỡ ăng-ten hạn chế và cơng suất ngõ ra của nó, cho nên chuẩn LTE hiện nay khơng có MIMO. Tuy nhiên bản thân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên. Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, một số cơng ty đang tính tới việc thực hiện
MIMO cộng tác (collaborative MIMO), hay còn gọi là MIMO đa người dùng (multiuser MIMO), trong tương lai. Ở đây, hai UE sử dụng cùng một kênh hướng lên cho lưới tài nguyên của chúng. Về phía trạm cơ sở, hai dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thu sóng MIMO và được xử lý như là hai cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, chứ không phải như hai cuộc truyền từ một thiết bị duy nhất nên phải được kết hợp lại. Tuy điều này không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướng lên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể.
25
Các độ lợi trong hệ thống MIMO: hệ thống MIMO sử dụng đa ăng ten phát
và thu có thể cung cấp 3 độ lợi: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian.
- Độ lợi Beamforming:
Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được các can nhiễu tới từ các hướng khơng mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các ăng ten
trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng λ (thơng thường là λ/2). Beamforming thường được thực hiện trong mơi trường ít tán xạ.khi mơi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập như Hình 1.15.
Hình 1.15 Kỹ thuật Beamforming
- Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa ăng ten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các ăng ten,
nhằm tăng dụng lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống, dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống.để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical – Bell Laboratories Layered Space – Time) được áp dụng như Hình 1.16.
Hình 1.16 Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền
26
Trong truyền dẫn vơ tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị pha đinh liên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu khơng ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền pha đinh khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm tốc độ sai bít BER, chống pha đinh qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại pha đinh, thuật toán STBC (Space – Time Block Code) và STTC (Space – Time Trellis Code) được áp dụng như Hình 1.17.
Hình 1.17 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 1.2.6 Các kiến trúc giao thức trong mạng LTE [2]
Hình 1.18 Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) 1.2.6.1 Điều khiển liên kết vô tuyến RLC (Radio Link Control)
- Nhiệm vụ RLC:
+ Chịu trách nhiệm phân đoạn các gói IP được gọi là các RLC SDU (Service Data Unit: đơn vị số liệu dịch vụ), thành các đơn vị nhỏ hơn được gọi là các RLC PDU (Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói).
27
+ RLC xử lí việc phát lại các PDU thu bị lỗi cũng như loại bỏ thu kép và móc nối các PDU thu.
+ RLC đảm bảo việc chuyển các RLC SDU theo đúng trình tự lên các lớp trên.
a) Cơ chế phát lại PDU:
- Có 1 giao thức phát lại làm việc giữa RLC phía phát và phía thu.
- Bằng cách giám sát các số thứ tự thu, RLC thu có thể nhận ra các PDU bị mất. Báo cáo trạng thái được phản hồi đến RLC phát để yêu cầu phát lại các PDU bị mất.
- Để thực hiện việc phát lại các PDU thì RLC được lập các chế độ cấu hình khác nhau:
+ Chế độ cơng nhận AM (Acnowledged Mode): được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như chuyển file khi mà truyền số liệu không bị lỗi là mối quan tâm đầu tiên.
+ Chế độ không công nhận UM (Unacknowledged Mode): trong UM, chuyển theo trình tự lên các lớp cao hơn vẫn được đảm bảo,nhưng không yêu cầu phát lại các PDU bị mất.
+ Chế độ trong suôt TM (Transparent Mode). b) RLC làm nhiệm vụ phân đoạn và móc nối
Hình 1.19 Phân đoạn và móc nối
Ngồi việc điều khiển việc truyền lại và phân phát theo trình tự, RLC cũng chịu trách nhiệm việc phân đoạn và ghép nối theo như minh họa trong hình 1.19. Dựa trên quyết định của scheduler (scheduler decision), một lượng dữ liệu nào đó được lựa chọn để truyền đi từ bộ đệm RLC SDU và các SDUs sẽ được phân đoạn/ghép nối để tạo thành RLC PDU. Do đó, đối với LTE thì kích thước RLC PDU thay đổi một cách động (varies dynamically), trong khi WCDMA/HSPA trước phiên bản 7 lại sử dụng kích thước PDU bán tĩnh (semi-static PDU size).
Khi mà tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn tương ứng, còn khi mà tốc độ dữ liệu thấp, địi hỏi kích thước PDU phải nhỏ nếu khơng thì tải trọng sẽ trở nên quá lớn. Vì vậy, khi tốc độ dữ liệu nằm trong khoảng từ một vài kbit/s tới trên một trăm Mbit/s, kích thước PDU động (dynamic PDU
28
sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE. Vì RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được đặt trong eNodeB, nên dễ dàng hổ trợ các kích thước PDU động cho 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 thơng 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 cơng 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