KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE
1.12. Bộ lập lịch trong eNodeB [4],[9]
Bộ lập lịch dựa trên hệ thống OFDMA, có nhiệm vụ chính là cân bằng thông lượng tối đa và tạo sự công bằng cho các UE bằng cách lập kế hoạch cấp phát tài nguyên theo khe thời gian, kênh con, phương pháp điều chế và công suất kết hợp với phân tập tần số và phân tập đa người dùng. Phân tập tần số được thực hiện bằng cách mỗi kênh con có độ lớn khác nhau trong miền thời gian và tần số khác nhau, phụ thuộc fading. Phân tập đa người được thực hiện bằng cách lập lịch người dùng, trong đó những người dùng khác nhau ở các vị trí khác nhau dẫn đến độ lợi kênh khác nhau. Bằng cách phân tích thông tin trạng thái kênh truyền CSI, eNodeB nhận thấy sự biến thiên của thời gian, tần số, không gian và tinh chỉnh lập lịch để đem lại hiệu suất tối ưu. Để bắt kịp được sự biến thiên của trạng thái của kênh truyền, lập lịch theo thời gian thực, cần phải có thuật toán cấp phát nhanh, theo biến đổi kênh truyền. Lập lịch phải nhanh để trong 1ms, phải lập lịch và gửi bản đồ lập lịch kịp thời đến tất cả UE. Các UE chỉ việc giải mã trong thời gian và tần số hiện tại và thực hiện theo bản đồ lập lịch nhận được.
Bộ lập lịch điều khiển việc cấp phát tài nguyên chia sẻ tần số - thời gian giữa các người dùng tại mỗi thời điểm. Bộ lập lịch nằm ở lớp MAC của eNodeB và cấp phát tài nguyên cho cả đường lên và đường xuống. Ở trong nội dung luận văn này, ta chỉ quan tâm đến cấp phát tài nguyên cho đường xuống, vì thế bộ lập lịch có nhiệm vụ xác định người dùng nào sẽ được cấp phát tài nguyên chia sẻ (trên tài
nguyên thời gian và tần số) trong mỗi TTI trên đường xuống qua kênh vật lý DL- SCH.
Bộ lập lịch trong lớp con MAC của eNodeB có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên theo đơn vị khối tài nguyên RB để kênh đường xuống và đường lên trên giao diện vô tuyến đều được sử dụng. Tài nguyên được cấp phát cho UE cho phép chúng nhận dữ liệu qua đường xuống và truyền dữ liệu qua đường lên. Các bộ lập lịch cấp phát tài nguyên nhằm đáp ứng các yêu cầu QoS và tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.
Thiết kế và chức năng các bộ lập lịch lớp MAC chủ yếu là do nhà cung cấp cụ thể.
Các bộ lập lịch khác nhau có thể dẫn đến hiệu năng khác nhau của người sử dụng và hiệu năng hệ thống khác nhau. Một giao diện mở giữa các bộ lập lịch MAC và phần còn lại của lớp MAC cho phép các nhà cung cấp thiết bị, nhà mạng và người dùng hưởng lợi các giải pháp bộ lập lịch lớp MAC.
Lớp MAC trong trạm gốc LTE eNodeB và thiết bị người dùng UE có nhiệm vụ ghép lưu lượng lớp người dùng và lớp điều khiển trên giao diện vô tuyến. Mỗi UE có thể nhận được đa kết nối logic trong mạng LTE. Mỗi kênh mang được sử dụng để chuyển dữ liệu lớp người dùng theo chất lượng dịch vụ (QoS) định sẵn.
Lớp MAC trong eNodeB và UE có nhiệm vụ tạo, gửi, nhận và xử lý khối vận chuyển chứa dữ liệu kết hợp lớp người dùng từ một hoặc nhiều kênh mang, dữ liệu điều khiển và thông điệp điều khiển lớp MAC.
Các bộ lập lịch lớp MAC có thể được xem là "bộ não" của lớp hai trong eNodeB trong khi phần còn lại của lớp con MAC thực hiện các nhiệm vụ liên kết với khối ghép kênh, vận chuyển, xử lý, HARQ, tạo subframe,… Hai eNodeB với cùng một lớp con MAC có hiệu năng khác nhau cho người sử dụng và cho hệ thống chính là kết quả hoạt động của bộ lập lịch MAC của chúng. Những khác biệt này có thể bao gồm thông lượng người dùng, dung lương cell, QoS và sự tiêu thụ điện năng của thiết bị người dùng.
1.12.1.Đáp ứng kênh truyền
Đáp ứng kênh truyền có nhiệm vụ phản ứng lại sự đổi tức thời của trạng thái kênh truyền. Trong điều kiện kênh truyền thuận lợi, tốc độ dữ liệu có thể tăng.
Ngược lại khi kênh truyền không thuận lợi, tốc độ phải giảm do phải sử dụng phương pháp điều chế thấp hơn. Để tăng tốc độ dữ liệu, đáp ứng liên kết sử dụng phương pháp mã hóa và điều chế đáp ứng AMC. AMC có nhiệm vụ sắp xếp các kỹ thuật điều chế như QPSK, QAM và mã hóa kênh cho tài nguyên được cấp phát bởi bộ lập lịch. Trong điều kiện thuận lợi, AMC chọn phương pháp điều chế cao và mã hóa kênh cao hơn và ngược lại. Nguyên lý này được trình bày như hình sau:
Hình 3.1 Đáp ứng kênh truyền
Theo nguyên lý, trạm gốc eNodeB định kỳ nhận thông tin từ UE ở dạng báo cáo CQI. CQI càng cao, kênh truyền càng tốt. Do đó, đáp ứng liên kết có thể hoạt động dựa vào CQI từ UE. UE báo cáo CQI đo đạc được cho eNodeB bằng cách ánh xạ giá trị SNR đo được tại UE thành giá trị CQI tương ứng. Trong phạm vi luận văn về bộ lập lịch LTE, ta nghiên cứu mô hình ánh xạ giá trị SNR sang hệ số CQI theo hình tuyến tính với nguyên tắc đảm bảo BLER là 0.1
1.12.2.Giao diện của bộ lập lịch MAC
Bộ lập lịch lớp MAC trong eNodeB gồm hai giao diện chính là giao diện điều khiển và giao diện lập lịch. Các giao diện thể hiện trong hình 3.2.
Hình 3.2 Giao diện bộ lập lịch MAC 1.12.2.1. Giao diện điều khiển
Giao diện điều khiển được sử dụng để chuẩn bị cho bộ lập lịch hoạt động với cấu hình cell, cấu hình UE hoạt động trong cell. Cùng với việc khởi tạo cấu hình cell, những chức năng khác cần để tái cấu hình cell và từng UE, bao gồm thêm, chỉnh sửa và xóa kênh mang. Chức năng bảo vệ khác điều khiển bởi RRC cũng dùng trong giao diện này. Giao diện điều khiển bao gồm: Cấu hình, thông tin giám sát, hồi âm cho RRC.
1.12.2.2. Giao diện lập lịch
Giao diện lập lịch được dùng để cung cấp thông tin đầu vào cho thuật toán lập lịch lớp MAC. Chức năng bao gồm thông báo cho bộ lập lịch khi có dữ liệu đường lên, dữ liệu đường xuống và phần tử điều khiển chuẩn bị lập lịch, cũng như cung cấp thông tin đo lường cho phép bộ lập lịch chọn phương pháp mã hóa và điều chế MCS phù hợp và nhóm các PRB cụ thể cho UE cụ thể. Ngoài ra, bộ lập lịch lớp MAC sử dụng giao tiếp lập lịch để cung cấp thông tin cấp phát tài nguyên đường
Lập lịch lớp MAC LTE
Cấu hình mạng enodeB, UE
Cấp phát lập lịch
Thông tin giám sát Thông tin ARQ
Giao tiếp lớp vật lý
Truy nhập ngẫu nhiên
Thông tin đo đạc
lên và đường xuống được sử dụng bởi lớp MAC eNodeB và lớp vật lý để tạo và xử lý khối vận chuyển và subframe trên đường xuống và đường lên.
Giao diện lập lịch bao gồm giao diện lớp vật lý, giao diện truy cập ngẫu nhiên từ UE, giao diện thông tin báo cáo đo đạc (CQI từ UE…), giao diện thông tin HARQ, giao diện thông tin từ RLC, giao diện thông tin cấp phát lập lịch.
Thông tin đầu vào bộ lập lịch bao gồm cấu hình nodeB, UE, dữ liệu đầu vào, thông tin đo đạc từ UE. Thông tin đầu ra bộ lập lịch bao gồm thông tin cấp phát (bản đồ phân bố tài nguyên gửi cho các UE), thông tin này sẽ điều khiển hoạt động của các lớp liên quan như lớp vật lý, lớp RLC, lớp MAC.
1.12.2.3. Dữ liệu đầu vào
Trên đường xuống, bộ lập lịch cấp phát tài nguyên dùng khối vận chuyển đến thiết bị người dùng qua kênh vận chuyển DL-SCH. Các khối vận chuyển đường xuống bao gồm:
Thông tin từ các lớp trên: Tất cả thông tin từ lớp trên, có thể là dữ liệu người dùng hay thông tin điều khiển, đưa đến lớp MAC qua kênh logic RLC. Khi một trong những kênh logic này có bất kỳ dữ liệu gửi qua vô tuyến, một số thông số trạng thái bộ đệm cung cấp bởi RLC đến bộ lập lịch lớp MAC.
Dữ liệu lớp MAC: Dữ liệu này có thể từ việc truyền lại HARQ hay phần tử điều khiển lớp MAC. Trong cả hai trường hợp, lớp MAC chỉ thị đến bộ lập lịch rằng nó có dữ liệu để gửi qua gia diện vô tuyến.
Trên đường lên, bộ lập lịch cấp phát tài nguyên đến thiết bị người dùng cho phép chúng tạo và gửi khối vận chuyển đến eNodeB thông qua kênh vận chuyển UL-SCH. Mỗi UE phải yêu cầu tài nguyên đường lên (trừ khi bộ lập lịch bán cố định sử dụng) để gửi khối vận chuyển. Khi thiết bị người dùng không có kết nối hoạt động với một cell, nó thực hiện thủ tục truy cập ngẫu nhiên (RAP) để gia nhập cell đó. Khi thiết bị người dùng có tài nguyên điều khiển đường lên trên kênh vật lý PUCCH, nó gửi yêu cầu lập lịch để yêu cầu tài nguyên đường lên. Khi thiết bị người dùng đã có tài nguyên để gửi dữ liệu trên đường lên trên kênh vận chuyển UL-SCH, nó có thể chỉ thị đến bộ lập lịch là nó muốn gửi thêm dữ liệu, do đó cần
thêm tài nguyên đường lên. Thiết bị người dùng làm được vậy là nhờ gửi báo cáo trạng thái bộ đệm cho phần tử điều khiển lớp MAC. Dựa vào hồi âm HARQ tại nodeB, bộ lập lịch có thể cần phải cấp phát tài nguyên đường lên cho việc gửi lại HARQ bởi thiết bị người dùng.
1.12.2.4. Đầu ra bộ lập lịch
Đầu ra của thuật toán lập lịch là gán lập lịch cho subframe đường xuống và đường lên, được thông báo cho thiết bị người dùng trên kênh vật lý PDCCH. Thông tin cấp phát đường xuống sẽ được sử dụng bởi lớp MAC để khởi tạo khối vận chuyển để đưa đến lớp vật lý và lần lượt truyền qua vô tuyến. Thông tin cấp phát đường lên chỉ thị cho thiết bị người dùng được sử dụng tài nguyên đường lên trong một subframe nào đó. Nó cũng được sử dụng bởi lớp MAC NodeB để nhận dạng đường lên trên subframe đường lên tương ứng. Trước khi bất kỳ dữ liệu người dùng truyền qua vô tuyến, bộ lập lịch cần phải được cấu hình với một cầu hình cell cụ thể, cấu hình thiết bị người dùng cụ thể và cấu hình kênh mang cụ thể cho người dùng hoạt động.
Để sử dụng các thông tin có sẵn trong bộ lập lịch MAC, sự kiện kích hoạt và thông tin hồi âm theo chu kỳ được đưa lên lớp cao hơn. Dựa vào thông tin này, lớp cao hơn có thể tái cấu hình hoạt động của cell. Ngoài ra, bộ lập lịch còn cho các thông tin chi tiết về sử dụng subframe.
Bản đồ subframe bao gồm các thông tin như khối tài nguyên vật lý được sử dụng PRB, phần trăm của PRB sử dụng và không sử dụng, số kênh logic phần tử điều khiển MAC không lập lịch lần đầu.