3.3. Điều khiển truy nhập môi trường (MA C Medium Access Control)
3.3.1. Kênh logic và kênh truyền tải
MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic. Một kênh logic được định nghĩa bởi dạng thơng tin mà nó mang theo và thường được phân loại thành các kênh điều khiển, được dùng cho việc truyền dẫn các thơng tin về cấu hình và điều khiển cần thiết cho hoạt động của hệ thống LTE, và các kênh lưu lượng (Traffic
Channels), được sử dụng cho dữ liệu người dùng. Tập hợp các loại kênh logic được chỉ định cho 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, xem phần dưới đây.
- 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 cho
truyền dẫn đường xuống những dịch vụ MBMS.
Tương tự với kiến trúc kênh logic được dùng cho WCDMA/HSPA. Tuy nhiên, khi so sánh với WCDMA/HSPA, thì kiến trúc kênh logic LTE có phần đơn giản hơn, với việc giảm bớt số lượng các loại kênh logic.
Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng các dịch vụ dưới dạng các kênh truyền tải (Transport Channels). Một kênh truyền tải được định nghĩa bởi những đặc tính mà
thơng tin được truyền đi qua giao diện vô tuyến. Theo những ghi chú từ HSPA, những phần được kế thừa cho LTE, dữ liệu trên 1 kênh truyền tải được tổ chức thành các khối truyền tải. Trong mỗi khoảng thời gian truyền tải (Transmission Time Interval – TTI), một khối truyền tải với kích thước nào đó được truyền đi qua giao diện vơ tuyến khi khơng có sự hiện diện của ghép kênh không gian. Trong trường hợp ghép kênh khơng gian (MIMO), có thể lên tới 2 khối truyền tải trên mỗi TTI.
Liên kết với mỗi khối truyền tải là một định dạng truyền tải (Transport Format - TF), xác định cách thức mà khối truyền tải được truyền đi thông qua giao diện vô tuyến. Định dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế (The Modulation Scheme), ánh xạ anten (The Antenna Mapping). Cùng với việc phân bố tài nguyên, lưu lượng mã cuối cùng có thể nhận được từ định dạng truyền tải. Bằng việc thay đổi các định dạng truyền tải, lớp MAC có thể vì vậy mà nhận ra được các tốc độ dữ liệu khác nhau. Việc điều khiển tốc độ vì vậy mà còn được xem như việc lựa chọn định dạng truyền tải.
Tập hợp các loại kênh truyền tải được chỉ định cho LTE bao gồm:
- Kênh quảng bá (Broadcast Channel - BCH): 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 Paging (Paging channel - PCH): 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. Cơ chế Paging được mô tả có phần chi tiết hơn trong Chương 5.
- 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 không 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 (Semi- Static 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 3.3: Ví dụ về sự ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền dẫn.
Một trong những chức năng của MAC là việc ghép các kênh logic khác nhau và ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải tương ứng. Không giống với MAC-HS trong HSDPA, MAC trong LTE hỗ trợ ghép kênh các RLC PDUs từ nhiều truyền tải vô tuyến khác nhau (Radio Bearers) vào cùng khối truyền tải. Vì có một vài mối quan hệ giữa loại thông tin và cách thức mà nó được truyền đi cho nên vẫn tồn tại những giới hạn nào đó trong việc ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải. Một ví dụ về ánh xạ các kênh logic với các kênh truyền tải được đưa ra trong Hình 3.3. Những ánh xạ khác cũng được hình dung.
3.3.2. Hoạch định đường xuống
Một trong những nguyên lý cơ bản của truy nhập vô tuyến LTE là việc truyền dẫn chia sẻ kênh truyền trên DL-SCH và UL-SCH, nghĩa là tài nguyên thời gian và tần số được chia sẻ động giữa những người dùng trong cả đường lên và đường xuống. Scheduler là một phần của lớp MAC và nó điều khiển việc phân bổ tài nguyên đường lên và đường xuống. Hoạch định đường lên và đường xuống được tách rời trong LTE và những quyết định phân bố đường lên, đường xuống có thể được đưa ra độc lập lẫn nhau (trong những giới hạn được thiết lập bởi sự phân chia UL/DL đối với hoạt động TDD). Hoạch định đường lên sẽ được bàn đến trong phần 3.3.3, trong khi phần còn lại của mục này sẽ tập trung vào hoạch định đường xuống.
Nguyên tắc cơ bản cho hoạch định đường xuống đó là quyết định động (Dynamically Determine), trong mỗi khoảng thời gian 1 ms, những thiết bị đầu cuối nào được phép thu truyền dẫn DL-SCH và trên những tài nguyên gì. Nhiều thiết bị đầu cuối có thể được hoạch định song song, trong mỗi trường hợp chỉ có 1 DL-SCH trên mỗi thiết bị đầu cuối được hoạch định, và nó sẽ được ánh xạ động (Dynamically Mapped) tới một tập hợp tài nguyên tần số duy nhất. Đơn vị thời gian-tần số cơ bản trong Scheduler còn được gọi là khối tài nguyên (Resource Block). Các khối tài nguyên được mô tả chi tiết hơn trong Chương 4 cùng với việc ánh xạ dữ liệu tới tài nguyên vật lý, nhưng về nguyên tắc cơ bản thì một khối tài nguyên là 1 đơn vị rộng 180 kHz trong miền tần số. Trong mỗi khoảng thời gian hoạch định 1ms, Scheduler sẽ phân bổ các khối tài nguyên cho một thiết bị đầu cuối để tiếp nhận việc truyền dẫn DL-SCH, một sự phân bổ được sử dụng bởi tiến trình lớp vật lý sẽ được mơ tả trong chương 4. Scheduler cũng đảm trách việc lựa chọn kích thước khối truyền tải (Transport Block). Như là một hệ quả của việc Scheduler điều khiển tốc độ dữ liệu, mà sự phân đoạn RLC và ghép kênh MAC cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi quyết định phân bố (Scheduling Decision). Đầu ra từ Scheduler đường xuống có thể được nhìn thấy trong Hình 3.1.
Mặc dù chiến lược hoạch định (Scheduling Strategy) là một đặc trưng bổ sung và không được chỉ định bởi 3GPP, mục tiêu chung của hầu hết những Scheduler là lợi dụng sự thay đổi kênh truyền giữa những thiết bị đầu cuối di động và ưu tiên hoạch
định truyền dẫn cho thiết bị đầu cuối di động trên những tài nguyên có điều kiện kênh truyền thuận lợi. Về mặt này, hoạt động của Scheduler LTE về cơ bản thì tương tự với hoạch định đường xuống trong HSDPA. Tuy nhiên, vì sử dụng sơ đồ truyền dẫn đường xuống OFDM, LTE có thể khai thác sự biến đổi kênh truyền trong cả miền thời gian và tần số, trong khi HSDPA chỉ có thể khai thác sự biến đổi trong miền thời gian. Điều này đã được đề cập đến trong Chương 2 và được minh họa qua Hình 2.1. Đối với những băng thông lớn hơn được hỗ trợ bởi LTE, khi mà lượng fading lựa chọn tần số (Frequency Selective Fading) sẽ thường xuyên xảy ra, khả năng khai thác sự biến đổi kênh của miền tần số của Scheduler sẽ trở nên càng quan trọng khi so với việc chỉ khai thác sự biến đổi trên miền thời gian. Đặc biệt tại những tốc độ thấp, khi mà sự biến đổi trong miền thời gian là tương đối chậm so với yêu cầu về độ trễ được đặt ra bởi nhiều dịch vụ, lúc này khả năng khai thác cả sự biến đổi miền tần số sẽ trở nên có lợi.
Thông tin về trạng thái kênh truyền đường xuống, cần thiết cho việc hoạch định phụ thuộc kênh truyền, được phản hồi từ thiết bị đầu cuối di động tới eNodeB thông qua những báo cáo chất lượng kênh truyền (Channel Quality Reports). Báo cáo chất lượng kênh truyền, còn được biết như Bộ chỉ thị chất lượng kênh truyền (Channel Quality Indicator), bao gồm những thông tin không chỉ về chất lượng kênh truyền hiện thời trong miền tần số, mà còn những thông tin cần thiết cho việc đưa ra những quyết định xử lý anten thích hợp trong trường hợp phân kênh không gian. Cơ sở cho những báo cáo CQI là việc đo lường những tín hiệu tham chiếu đường xuống (The Downlink Reference Signals). Tuy nhiên, những nguồn phụ về hiện trạng kênh truyền, ví dụ như sự trao đổi kênh truyền trong hoạt động TDD, cũng được khai thác bằng cách cài đặt một Scheduler riêng biệt như một sự bổ sung cho những báo cáo CQI.
Ngoài chất lượng kênh truyền, một Scheduler hiệu năng cao cũng phải cân nhắc đến tình trạng bộ đệm (Buffer Status) và mức độ ưu tiên trong quyết định phân bố (Decision Scheduling). Cả những khác nhau về loại dịch vụ cũng như là loại thuê bao (Subscription Type) có thể gây ảnh hưởng đến độ ưu tiên khi hoạch định. Ví dụ, một người dùng Voice Over IP với một đăng ký thuê bao đắt tiền phải luôn được duy trì chất lượng dịch vụ cho dù tải trọng hệ thống đang ở mức cao, trong khi một người dùng đăng ký thuê bao chi phí thấp (A Low-Cost Subscription) đang tải về một file có
thể phải được thỏa mãn với những tài nguyên mà không được yêu cầu để hỗ trợ cho những người dùng khác.
Sự điều phối nhiễu, sẽ thực hiện việc điều khiển nhiễu liên tế bào trên cơ sở chậm (Slow Basis) được đề cập đến trong chương 2, cũng là một phần của Scheduler. Khi chiến lược hoạch định không được ủy nhiệm bởi những đặc tính kỹ thuật, sơ đồ điều phối nhiễu (nếu được sử dụng) là đặc thù của nhà khai thác và có thể nằm trong phạm vi từ những triển khai tái sử dụng bậc cao đơn giản (Simple Higher Order Reuse Deployments) tới những sơ đồ tiên tiến hơn.
3.3.3. Hoạch định đường lên
Chức năng cơ bản của hoạch định đường lên thì tương tự với đường xuống, cụ thể là việc quyết định động (Dynamically Determine) cho mỗi khoảng thời gian 1 ms, lúc đó những thiết bị đầu cuối di động truyền dữ liệu trên kênh UL-SCH của nó thuộc tài nguyên đường lên (Uplink Resources). Hoạch định đường lên cũng được dùng cho HSPA, nhưng vì có sự khác nhau giữa những sơ đồ đa truy nhập được sử dụng (The Different Multiple-Access Schemes), cho nên về khía cạnh này thì HSPA và LTE có một vài sự khác biệt đáng kể.
Trong HSPA, tài nguyên chia sẻ đường lên chính là độ giao thoa cho phép tại trạm gốc. Hoạch định đường lên HSPA chỉ thiết lập một giới hạn phía trên cho số lượng giao thoa đường lên mà thiết bị đầu cuối di động được phép tạo ra. Dựa trên sự giới hạn này, thiết bị đầu cuối di động sẽ tự động lựa chọn một định dạng truyền dẫn thích hợp. Chiến thuật này rõ ràng đã tạo ra sự nhạy cảm cho đường lên không trực giao mà trong trường hợp này là HSPA. Một thiết bị đầu cuối di động khơng sử dụng tất cả tài ngun mà nó được cấp sẽ truyền tại mức năng lượng thấp hơn, bằng cách ấy có thể làm giảm được nhiễu nội tế bào (Intra-Cell Interference). Do đó, tài ngun chia sẻ khơng được sử dụng bởi một thiết bị đầu cuối di động có thể được khai thác bởi một thiết bị đầu cuối di động khác thông qua việc ghép kênh theo thống kê (Statistical Multiplexing). Vì cơ chế lựa chọn định dạng truyền tải được kết hợp trong thiết bị đầu cuối di động đối với đường lên HSPA, cho nên cần phải có báo hiệu ngồi băng để khai báo cho eNodeB biết về sự lựa chọn đã được tạo ra.
Đối với LTE, đường lên thì trực giao và tài nguyên chia sẻ được điều khiển bởi Scheduler eNodeB là những đơn vị tài nguyên thời gian - tần số. Một tài nguyên đã được chỉ định mà không được sử dụng triệt để bởi một thiết bị đầu cuối di động nào đó thì phần tài ngun cịn lại cũng không thể cung cấp cho một thiết bị đầu cuối di động khác sử dụng. Vì thế, do đường lên trực giao, mà độ lợi giảm đi đáng kể trong việc để cho thiết bị đầu cuối di động lựa chọn định dạng truyền tải khi được so sánh với HSPA. Cho nên, ngoài việc cấp phát tài nguyên thời gian - tần số cho thiết bị đầu cuối di động, Scheduler eNodeB còn chịu trách nhiệm việc điều khiển định dạng truyền dẫn (kích thước tải trọng, sơ đồ điều chế) mà thiết bị đầu cuối di động sẽ sử dụng. Khi Scheduler biết được định dạng truyền tải mà thiết bị đầu cuối di động sử dụng lúc nó phát đi thì khơng cần phải báo hiệu ngoài băng từ thiết bị đầu cuối di động tới eNodeB. Lợi nhuận có được từ phối cảnh vùng phủ sóng (Coverage Perspective) khi tính đến chi phí trên mỗi bit phát đi của thơng tin điều khiển ngồi băng có thể cao hơn đáng kể so với chi phí truyền dữ liệu khi tín hiệu điều khiển cần được thu với một độ tin cậy cao hơn.
Hình 3.4: Việc lựa chọn định dạng truyền dẫn trong đường xuống (bên trái) và
Mặc dù sự thật là Scheduler eNodeB sẽ quyết định định dạng truyền tải cho đầu cuối di động, nhưng có một điều quan trọng cần lưu ý là quyết định hoạch định đường lên được đưa ra cho mỗi đầu cuối di động chứ không phải cho mỗi tải tin vô tuyến (Radio Bearer). Như vậy, mặc dù Scheduler eNodeB điều khiển tải trọng của một đầu cuối di động được hoạch định, thì đầu cuối vẫn chịu trách nhiệm lựa chọn từ những tải tin vô tuyến nào mà dữ liệu được mang theo. Cho nên, đầu cuối di động sẽ tự động điều khiển việc ghép kênh logic (Logical Channel Multiplexing). Điều này được minh họa trong phần bên phải của Hình 3.4, nơi mà Scheduler eNodeB điều khiển định dạng truyền tải còn đầu cuối di động điều khiển việc ghép kênh logic. Để so sánh, trong tình huống đường xuống tương ứng, khi mà eNodeB điều khiển cả định dạng truyền dẫn và ghép kênh logic, được miêu tả bên trái hình vẽ.
Ghép kênh tải tin vô tuyến (Radio Bearer) trong đầu cuối di động được thực hiện theo những quy tắc, thông qua các thơng số mà có thể được cấu hình bởi báo hiệu RRC từ eNodeB. Mỗi tải tin vô tuyến được chỉ định sự ưu tiên và tốc độ bit ưu tiên