2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
3.3 KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE
Tương tự với WCDMA/HSPA cũng như là hầu hết những hệ thống truyền thơng hiện đại khác, quy trình kỹ thuật dành cho LTE được cấu trúc thành nhiều lớp vật lý khác nhau. Mặc dù cĩ một số lớp trong những lớp này thì tương tự với những
lớp được sử dụng cho WCDMA/HSPA nhưng vẫn cĩ một số khác biệt, chẳng hạn
như sự khác nhau về kiến trúc tổng thể giữa WCDMA/HSPA và LTE. Chương này gồm cĩ những mơ tả cho các lớp giao thức bên trên lớp vật lý, sự tương tác giữa chúng, và sự giao tiếp với lớp vật lý.
Tổng quan về kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh họa trong hình hình 3.30 . Cĩ một vấn đề sẽ trở nên rõ ràng hơn trong phần thảo luận tiếp theo đĩ là khơng phải tất cả những phần tử được minh họa trong hình 3.31 đều được áp dụng trong mọi trường hợp. Ví dụ như trong trường hợp broadcast thơng tin hệ thống thì MAC scheduling và hybrid ARQ đều khơng được sử dụng. Hơn nữa, kiến trúc giao thức LTE liên quan đến đường lên thì tương tự với kiến trúc đường xuống trong hình 3.30, mặc dù cũng cĩ một số sự khác biệt về sự lựa chọn định dạng truyền tải (transport format selection) và truyền dẫn đa anten (multi- antenna transmission) và vấn đề này cũng sẽ được thảo luận.
Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gĩi IP trên một trong những tải tin SAE (SAE bearers). Trước khi truyền đi qua giao diện vơ tuyến, những gĩi IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử, được tổng kết dưới đây và được mơ tả chi tiết hơn trong những phần sau:
- Giao thức hội tụ số liệu gĩi (Packet Data Convergence Protocol-PDCP):
thực hiện việc nén tiêu đề IP (IP header) để làm giảm số lượng bit cần thiết cho việc truyền dẫn thơng qua giao diện vơ tuyến.
Cơ chế nén tiêu đề dựa trên ROHC, một thuật tốn nén tiêu đề tiêu chuẩn
được sử dụng trong WCDMA cũng như là trong các tiêu chuẩn thơng tin di động
khác. PDCP cũng đảm nhiệm việc mã hĩa và bảo vệ tính tồn vẹn của dữ liệu được truyền đi. Tại phía thu, giao thức PDCP sẽ thực hiện cơng việc giải nén và giải mã thơng tin. Chỉ cĩ một phần tử PDCP trên một tải tin vơ tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động.
- Điều khiển liên kết vơ tuyến (Radio Link Control - RLC): đảm nhiệm việc
phân đoạn / ghép nối, điều khiển việc truyền lại, và phân phát lên các lớp cao hơn theo thứ tự. Khơng giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB vì chỉ cĩ một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vơ tuyến LTE (LTE radio access network architecture). RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vơ tuyến. Chỉ cĩ một phần tử RLC trên một tải tin vơ tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động.
- Điều khiển truy cập mơi trường (Medium Access Control - MAC): điều khiển việc truyền lại hybrid-ARQ và hoạch định đường lên, đường xuống. Chức năng hoạch định được định vị trong eNodeB, và nĩ chỉ cĩ một phần tử MAC cho một tế bào, cho cả đường lên và đường xuống. Phần giao thức hybrid ARQ cĩ mặt trong cả đầu cuối phát và thu của giao thức MAC. Khối MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic.
- Lớp vật lý (Physical layer – PHY): điều khiển việc mã hĩa / giải mã, điều
chế / giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật lý tiêu biểu khác. Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (transport channels).
3.3.1 RLC: radio link control – điều khiển liên kết vơ tuyến.
RLC LTE, tương tự như WCDMA/HSPA, đảm nhiệm việc phân đoạn (nén tiêu đề) các gĩi IP, cịn được xem như là RLC SDUs, từ PDCP thành những đơn vị nhỏ hơn, RLC PDUs (Nhìn chung, các phần tử dữ liệu đến/từ một lớp giao thức cao hơn thì được xem như là một Đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU – Service Data Unit và phần tử tương ứng đến/từ một lớp giao thức thấp hơn được biểu thị như Đơn vị dữ liệu giao thức PDU – Protocol Data Unit). Nĩ cũng điều khiển việc truyền lại các PDUs bị nhận nhầm, cũng như là xĩa bỏ những PDUs bị nhân đơi (duplicate removal) và ghép nối các PDUs nhận được. Cuối cùng, RLC sẽ đảm bảo việc phân phát theo trình tự các RLC SDUs lên các lớp bên trên.
Cơ chế truyền lại RLC cĩ trách nhiệm cung cấp dữ liệu phân phát khơng bị lỗi cho các lớp cao hơn. Để làm được điều này, sẽ cĩ một giao thức truyền lại hoạt động giữa các phần tử RLC tại đầu thu và đầu phát. Bằng việc giám sát các số thứ tự đi đến (incoming sequence numbers), RLC thu cĩ thể phát hiện ra những PDUs bị thiếu. Các báo cáo trạng thái sẽ được phản hồi trở về RLC phát, yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu. Khi phản hồi một trạng thái báo cáo được cấu hình, một báo cáo đặc trưng chỉ chứa thơng tin về nhiều PDUs và ít khi được truyền đi. Dựa trên báo cáo trạng thái thu được, phần tử RLC tại đầu phát cĩ thể đưa ra những hành động thích hợp và truyền lại những PDUs bị thiếu nếu được yêu cầu.
Khi RLC được cấu hình để yêu cầu truyền lại các PDUs bị thiếu như được mơ tả ở trên, nĩ được gọi là đang hoạt động trong chế độ báo nhận (Acknowledged Mode – AM). Điều này cũng giống như cơ chế tương ứng được dùng trong WCDMA/HSPA. Thơng thường AM được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như khi truyền tập tin mà yếu tố phân phát dữ liệu khơng bị lỗi được đặt lên hàng đầu.
Hình 3.32 Phân đoạn và hợp đoạn RLC
Tương tự như WCDMA/HSPA, RLC cũng cĩ thể được cấu hình theo chế độ khơng báo nhận (Unacknowledged Mode – UM) và chế độ trong suốt (Transparent Mode – TM). Trong chế độ UM, sẽ cung cấp việc phân phát đúng thứ tự lên các lớp cao hơn, nhưng sẽ khơng truyền lại các PDUs bị thiếu. Thơng thường UM được sử dụng cho những dịch vụ như VoIP khi mà việc phân phát khơng lỗi khơng quan trọng bằng thời gian phân phát ngắn. TM, mặc dù được hỗ trợ, nhưng chỉ được sử dụng cho những mục đích riêng biệt như truy cập ngẫu nhiên.
Mặc dù RLC cĩ khả năng kiểm sốt lỗi truyền dẫn do nhiễu, sự biến đổi kênh truyền khơng thể dự đốn (unpredictable channel variations), v.v…, nhưng trong hầu hết trường hợp những lỗi này được kiểm sốt bởi giao thức hybrid-ARQ dựa trên MAC. Việc sử dụng cơ chế truyền lại trong RLC cĩ thể vì vậy mà trở nên khơng cần thiết. Tuy nhiên, như sẽ được thảo luận trong phần 3.3.2.4 dưới đây, khơng phải trường hợp nào cũng vậy và việc sử dụng cả hai cơ chế truyền lại dựa trên MAC và RLC trên thực tế cũng cĩ mặt tích cực khi mà cĩ sự khác nhau trong việc truyền tín hiệu phản hồi.
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 3.32. Dựa trên quyết định của scheduler (scheduler decision), một lượng dữ liệu nào đĩ 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 đĩ, 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, cịn 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 sizes) sẽ được điều chỉnh bởi LTE. Từ RLC, scheduler và cơ chế thích ứng tốc độ đều được định vị tại eNodeB, và kích thước PDU động sẽ dễ dàng được hỗ trợ cho LTE.
3.3.2 MAC: điều khiển truy nhập mơi trường (medium access control)
Lớp điều khiển truy nhập mơi trường MAC quản lý việc ghép kênh luận lý
(logical channel multiplexing), việc truyền lại hybrid-ARQ, và hoạch địch đường lên, đường xuống. Trong khi cơng nghệ HSPA sử dụng phân tập vĩ mơ đường lên (uplink macro diversity) và vì thế nĩ xác định cả những tế bào phục vụ và khơng phục vụ (serving and non-serving cells), thì LTE chỉ xác định một tế bào phục vụ vì khơng cĩ phân tập vĩ mơ đường lên. Tế bào phục vụ (serving cell) là tế bào mà thiết bị đầu cuối di động được kết nối tới và tế bào mà chịu trách nhiệm cho việc hoạch định và điều khiển hybrid-ARQ.
3.3.2.1 Kênh logic và kênh truyền tải (logical channels and transport channels)
MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic. Một kênh logic được định nghĩa bởi dạng thơng tin mà nĩ 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 thơng 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 nĩ 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 thơng 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 thơng 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. Tuynhiên, khi so sánh với WCDMA/HSPA, thì kiến trúc kênh logic LTE cĩ 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 vơ 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 đĩ được truyền đi qua giao diện vơ tuyến khi khơng cĩ sự hiện diện của ghép kênh khơng gian. Trong trường hợp ghép kênh khơng gian (‘MIMO’), cĩ 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 thơng qua giao diện vơ tuyến. Định dạng truyền tải bao gồm thơng 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 cĩ thể nhận được từ định dạng truyền tải. Bằng việc thay đổi các định dạng truyền tải, lớp MAC cĩ thể vì vậy mà nhận ra được các tốc độ dữ liệu khác nhau. Việc điều khiển tốc độ vì vậy mà cịn 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): cĩ một định dạng truyền tải cố định, được cung cấp bởi các đặc tính kỹ thuật. Nĩ được dùng cho việc truyền dẫn những thơng tin trên kênh logic BCCH.
- Kênh Paging – Paging channel (PCH): được dùng cho việc paging thơng
tin trên kênh logic PCCH. Kênh PCH hỗ trợ việc thu nhận khơng 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 mơ tả cĩ phần chi tiết hơn trong chương 5.
- Kênh chia sẻđường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh
truyền tải được dùng cho truyền dẫn dữ liệu đường xuống trong LTE. Nĩ 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). Nĩ 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 luơn 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 3.33 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. Khơng giống với MAC-hs trong HSDPA, MAC trong LTE hỗ trợ ghép kênh các RLC PDUs từ nhiều truyền tải vơ tuyến khác nhau (radio bearers) vào cùng khối truyền tải. Vì cĩ một vài mối quan hệ giữa loại thơng tin và cách thức mà nĩ được truyền đi cho nên vẫn tồn tại những giới hạn nào đĩ 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 3.30. Những ánh xạ khác cũng được hình dung.
3.3.2.2 Hoạch định đường xuống.
Một trong những nguyên lý cơ bản của truy nhập vơ 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 nĩ 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 cĩ 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 mục 3.3.2.3, trong khi phần cịn lại của mục này sẽ tập trung vào hoạch định đường xuống.
Nguyên tắc cơ bản cho scheduler đường xuống đĩ 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 cĩ thể được hoạch định song song, trong mỗi trường hợp chỉ cĩ 1 DLSCH trên mỗi thiết bị đầu cuối được hoạch định, và nĩ sẽ được ánh xạ động (dynamically mapped) tới một tập hợp tài nguyên tần số duy nhất. Đơn vị thời gian - tần số cơ