2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
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 ñược ñịnh nghĩa bởi dạng thông tin mà nó mang theo và thường ñược phân loại thành các kênh ñiều khiển, ñược dùng cho việc truyền dẫn các thông tin về cấu hình và ñiều khiển cần thiết cho hoạt ñộng của hệ thống LTE, và các kênh lưu lượng (traffic channels), ñược sử dụng cho dữ liệu người dùng. Tập hợp các loại kênh logic ñược chỉ ñịnh cho LTE bao gồm:
- Kênh ñiều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel - BCCH): ñược sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin ñiều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các thiết bị ñầu cuối di ñộng trong một tế bào. Trước khi truy nhập vào hệ thống, một thiết bị ñầu cuối di ñộng cần phải ñọc những thông tin ñược truyền trên kênh BCCH ñể tìm ra cách thức hệ thống ñược cấu hình, ví dụ như băng thông của hệ thống.
- Kênh ñiều khiển tìm gọi (Paging Control Channel – PCCH): ñược sử dụng
cho việc tìm gọi của các thiết bị ñầu cuối di ñộng mà mạng không biết ñược vị trí của nó về mức tế bào (cell level) và vì vậy tin nhắn tìm gọi cần ñược truyền trong nhiều tế bào.
- Kênh ñiều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel – DCCH): ñược dùng cho việc truyền dẫn thông tin ñiều khiển tới hoặc từ thiết bị ñầu cuối di ñộng. Kênh này ñược sử dụng cho việc cấu hình riêng lẻ từng thiết bị ñầu cuối di ñộng ví dụ như những tin nhắn chuyển giao khác nhau.
- Kênh ñiều khiển multicast (Multicast Control Channel - MCCH): ñược dùng cho việc truyền dẫn thông tin ñiều khiển ñược yêu cầu cho việc tiếp nhận của MTCH, xem phần dưới ñây.
- Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel - DTCH): ñược dùng cho việc truyền dữ liệu người dùng ñến hoặc từ một thiết bị ñầu cuối di ñộng. Đây là 1 loại kênh logic ñược dùng ñể truyền dữ liệu người dùng ñường lên và ñường xuống phi-MBMS (non-MBMS).
- Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel – MTCH): ñược dùng
cho truyền dẫn ñường xuống những dịch vụ MBMS.
Tương tự với kiến trúc kênh logic ñược dùng cho WCDMA/HSPA. Tuynhiên, khi so sánh với WCDMA/HSPA, thì kiến trúc kênh logic LTE có phần ñơn 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 ñược ñịnh nghĩa bởi những ñặc tính mà thông tin ñược truyền ñi qua giao diện vô tuyến. Theo những ghi chú từ HSPA,
những phần ñược kế thừa cho LTE, dữ liệu trên 1 kênh truyền tải ñược 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 ñó ñược truyền ñi qua giao diện vô tuyến khi không có sự hiện diện của ghép kênh không gian. Trong trường hợp ghép kênh không gian (‘MIMO’), có thể lên tới 2 khối truyền tải trên mỗi TTI.
Liên kết với mỗi khối truyền tải là một ñịnh dạng truyền tải (Transport Format - TF), xác ñịnh cách thức mà khối truyền tải ñược truyền ñi thông qua giao diện vô tuyến. Định dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích thước khối truyền tải, sơ ñồ ñiều 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 ñược từ ñịnh dạng truyền tải. Bằng việc thay ñổi các ñịnh dạng truyền tải, lớp MAC có thể vì vậy mà nhận ra ñược các tốc ñộ dữ liệu khác nhau. Việc ñiều khiển tốc ñộ vì vậy mà còn ñược xem như việc lựa chọn ñịnh dạng truyền tải.
Tập hợp các loại kênh truyền tải ñược chỉ ñịnh cho LTE bao gồm:
- Kênh quảng bá – Broadcast Channel (BCH): có một ñịnh dạng truyền tải cố ñịnh, ñược cung cấp bởi các ñặc tính kỹ thuật. Nó ñược dùng cho việc truyền dẫn những thông tin trên kênh logic BCCH.
- Kênh Paging – Paging channel (PCH): ñược 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 ñầu cuối di ñộng tiết kiệm năng lượng pin bằng cách ngủ (sleeping) và chỉ thức (wake up) khi nhận PCH tại những thời ñiểm xác ñịnh trước. Cơ chế paging ñược mô tả có phần chi tiết hơn trong chương 5.
- Kênh chia sẻñường xuống – Downlink Shared Channel (DL-SCH): là kênh
truyền tải ñược dùng cho truyền dẫn dữ liệu ñường xuống trong LTE. Nó hỗ trợ những ñặc tính của LTE như cơ chế thích ứng tốc ñộ ñộng (dynamic rate adaption) và hoạch ñịnh 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 ñầu cuối di ñộng 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): ñược dùng ñể hỗ trợ MBMS
và ñược ñặc trưng bởi ñịnh dạng truyền tải bán tĩnh và hoạch ñịnh 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 ñịnh dạng truyền tải và hoạch ñịnh ñược ñiều phối giữa những tế bào liên quan trong truyền dẫn MBSFN.
- Kênh chia sẻ ñường lên – Uplink shared channel (UL-SCH): là ñường 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. 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 ñược truyền ñi cho nên vẫn tồn tại những giới hạn nào ñó 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 ñược ñưa ra trong hình 3.30. Những ánh xạ khác cũng ñược hình dung.
3.3.2.2 Hoạch ñịnh ñường 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 ñược chia sẻ ñộng giữa những người dùng trong cả ñường lên và ñường xuống. Scheduler là một phần của lớp MAC và nó ñiều khiển việc phân bổ tài nguyên ñường lên và ñường xuống. Hoạch ñịnh ñường lên và ñường xuống ñược tách rời trong LTE và những quyết ñịnh phân bố ñường lên, ñường xuống có thể ñược ñưa ra ñộc lập lẫn nhau (trong những giới hạn ñược thiết lập bởi sự phân chia UL/DL ñối với hoạt ñộng TDD). Hoạch ñịnh ñường lên sẽ ñược bàn ñến trong mục 3.3.2.3, trong khi phần còn lại của mục này sẽ tập trung vào hoạch ñịnh ñường xuống.
Nguyên tắc cơ bản cho scheduler ñường xuống ñó là quyết ñịnh ñộng (dynamically determine), trong mỗi khoảng thời gian 1 ms, những thiết bị ñầu cuối nào ñược phép thu truyền dẫn DL-SCH và trên những tài nguyên gì. Nhiều thiết bị ñầu cuối có thể ñược hoạch ñịnh song song, trong mỗi trường hợp chỉ có 1 DLSCH trên mỗi thiết bị ñầu cuối ñược hoạch ñịnh, và nó sẽ ñược ánh xạ ñộng (dynamically mapped) tới một tập hợp tài nguyên tần số duy nhất. Đơn vị thời gian - tần số cơ bản trong scheduler còn ñược gọi là khối tài nguyên (resource block). Nhưng về nguyên tắc cơ bản thì một khối tài nguyên là một ñơn vị rộng 180 kHz trong miền tần số. Trong mỗi khoảng thời gian hoạch ñịnh 1ms, scheduler sẽ phân bổ các khối tài nguyên cho một thiết bị ñầu cuối ñể tiếp nhận việc truyền dẫn DL-SCH, một sự phân bổ ñược sử dụng bởi tiến trình lớp vật lý sẽ ñược mô tả trong chương 4. Scheduler cũng ñảm trách việc lựa chọn kích thước khối truyền tải (transport- block). Như là một hệ quả của việc scheduler ñiều khiển tốc ñộ dữ liệu, mà sự phân ñoạn RLC và ghép kênh MAC cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi quyết ñịnh phân bố (scheduling decision). Đầu ra từ scheduler ñường xuống có thể ñược nhìn thấy trong hình 3.31.
Mặc dù chiến lược hoạch ñịnh (scheduling strategy) là một ñặc trưng bổ sung và không ñược chỉ ñịnh bởi 3GPP, mục tiêu chung của hầu hết những scheduler là lợi dụng sự thay ñổi kênh truyền giữa những thiết bị ñầu cuối di ñộng và ưu tiên hoạch ñịnh truyền dẫn cho thiết bị ñầu cuối di ñộng trên những tài nguyên có ñiều
kiện kênh truyền thuận lợi. Về mặt này, hoạt ñộng của scheduler LTE về cơ bản thì tương tự với scheduler ñường xuống trong HSDPA. Tuy nhiên, vì sử dụng sơ ñồ truyền dẫn ñường xuống OFDM, LTE có thể khai thác sự biến ñổi kênh truyền trong cả miền thời gian và tần số, trong khi HSDPA chỉ có thể khai thác sự biến ñổi trong miền thời gian. Điều này ñược minh họa trong hình sau.
Hình 3.34 Hoạch ñịnh phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số.
Đối với những băng thông lớn hơn ñược 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 ñổi kênh của miền tần số của scheduler sẽ trở nên càng quan trọng khi so với việc chỉ khai thác sự biến ñổi trên miền thời gian. Đặc biệt tại những tốc ñộ thấp, khi mà sự biến ñổi trong miền thời gian là tương ñối chậm so với
yêu cầu về ñộ trễ ñược ñặt ra bởi nhiều dịch vụ, lúc này khả năng khai thác cả sự biến ñổi miền tần số sẽ trở nên có lợi.
Thông tin về trạng thái kênh truyền ñường xuống, cần thiết cho việc hoạch ñịnh phụ thuộc kênh truyền, ñược phản hồi từ thiết bị ñầu cuối di ñộng tới eNodeB thông qua những báo cáo chất lượng kênh truyền (channel-quality reports). Báo cáo chất lượng kênh truyền, còn ñược 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 ñưa ra những quyết ñịnh xử lý anten thích hợp trong trường hợp phân kênh không gian. Cơ sở cho những báo cáo CQI là việc ño lường những tín hiệu tham chiếu ñường xuống (the downlink reference signals). Tuy nhiên, những nguồn phụ về hiện trạng kênh truyền, ví dụ như sự trao ñổi kênh truyền trong hoạt ñộng TDD, cũng ñược khai thác bằng cách cài ñặt 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 ñến tình trạng bộ ñệm (buffer status) và mức ñộ ưu tiên trong quyết ñịnh 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 ñến ñộ ưu tiên khi hoạch ñịnh. Ví dụ, một người dùng voice-over-IP với một ñăng ký thuê bao ñắt tiền phải luôn ñược duy trì chất lượng dịch vụ cho dù tải trọng hệ thống ñang ở mức cao, trong khi một người dùng ñăng ký thuê bao chi phí thấp (a low-cost subscription) ñang tải về một file có thể phải ñược thỏa mãn với những tài nguyên mà không ñược yêu cầu ñể hỗ trợ cho những người dùng khác.
Sự ñiều phối nhiễu, sẽ thực hiện việc ñiều khiển nhiễu liên tế bào trên cơ sở chậm (slow basis) cũng là một phần của scheduler. Khi chiến lược hoạch ñịnh không ñược ủy nhiệm bởi những ñặc tính kỹ thuật, sơ ñồ ñiều phối nhiễu (nếu ñược sử dụng) là ñặc thù của nhà khai thác và có thể nằm trong phạm vi từ những triển khai tái sử dụng bậc cao ñơn giản (simple higher-order reuse deployments) tới những sơ ñồ tiên tiến hơn.
3.3.2.3 Hoạch ñịnh ñường lên.
Chức năng cơ bản của scheduler ñường lên thì tương tự với ñường xuống, cụ thể là việc quyết ñịnh ñộng (dynamically determine) cho mỗi khoảng thời gian 1 ms, lúc ñó những thiết bị ñầu cuối di ñộng truyền dữ liệu trên kênh UL-SCH của nó thuộc tài nguyên ñường lên (uplink resources). Hoạch ñịnh ñường lên cũng ñược dùng cho HSPA, nhưng vì có sự khác nhau giữa những sơ ñồ ña truy nhập ñược sử dụng (the different multiple-access schemes), cho nên về khía cạnh này thì HSPA và LTE có một vài sự khác biệt ñáng kể.
Trong HSPA, tài nguyên chia sẻ ñường lên chính là ñộ giao thoa cho phép tại trạm gốc. Scheduler ñường lên HSPA chỉ thiết lập một giới hạn phía trên cho số lượng giao thoa ñường lên mà thiết bị ñầu cuối di ñộng ñược phép tạo ra. Dựa trên sự giới hạn này, thiết bị ñầu cuối di ñộng sẽ tự ñộng lựa chọn một ñịnh dạng truyền dẫn thích hợp. Chiến thuật này rõ ràng ñã tạo ra sự nhạy cảm cho ñường lên không trực giao mà trong trường hợp này là HSPA. Một thiết bị ñầu cuối di ñộng không sử dụng tất cả tài nguyên mà nó ñược cấp sẽ truyền tại mức năng lượng thấp hơn, bằng cách ấy có thể làm giảm ñược nhiễu nội tế bào (intra-cell interference). Do ñó, tài nguyên chia sẻ không ñược sử dụng bởi một thiết bị ñầu cuối di ñộng có thể ñược khai thác bởi một thiết bị ñầu cuối di ñộng khác thông qua việc ghép kênh theo thống kê (statistical multiplexing). Vì cơ chế lựa chọn ñịnh dạng truyền tải ñược kết hợp trong thiết bị ñầu cuối di ñộng ñối với ñường lên HSPA, cho nên cần phải có báo hiệu ngoài băng ñể khai báo cho eNodeB biết về sự lựa chọn ñã ñược tạo ra.
Đối với LTE, ñường lên thì trực giao và tài nguyên chia sẻ ñược ñiều khiển bởi scheduler eNodeB là những ñơn vị tài nguyên thời gian – tần số. Một tài nguyên ñã ñược chỉ ñịnh mà không ñược sử dụng triệt ñể bởi một thiết bị ñầu cuối di ñộng nào ñó thì phần tài nguyên còn lại cũng không thể cung cấp cho một thiết bị ñầu cuối di ñộng khác sử dụng. Vì thế, do ñường lên trực giao, mà ñộ lợi giảm ñi ñáng kể trong việc ñể cho thiết bị ñầu cuối di ñộng lựa chọn ñịnh dạng truyền tải khi ñược so sánh với HSPA. Cho nên, ngoài việc cấp phát tài nguyên thời giantần số cho thiết bị ñầu cuối di ñộng, scheduler eNodeB còn chịu trách nhiệm việc ñiều
khiển ñịnh dạng truyền dẫn (kích thước tải trọng, sơ ñồ ñiều chế) mà thiết bị ñầu cuối di ñộng sẽ sử dụng. Khi scheduler biết ñược ñịnh dạng truyền tải mà thiết bị ñầu cuối di ñộng sử dụng lúc nó phát ñi thì không cần phải báo hiệu ngoài băng từ thiết bị ñầu cuối di ñộng tới eNodeB. Lợi nhuận có ñược từ phối cảnh vùng phủ sóng (coverage perspective) khi tính ñến chi phí trên mỗi bit phát ñi của thông tin ñiều khiển ngoài băng có thể cao hơn ñáng kể so với chi phí truyền dữ liệu khi tín hiệu ñiều khiển cần ñược thu với một ñộ tin cậy cao hơn.
Hình 3.35 Việc lựa chọn ñịnh dạng truyền dẫn trong ñường xuống (bên trái) và
ñường lên (bên phải)
Mặc dù sự thật là scheduler eNodeB sẽ quyết ñịnh ñịnh dạng truyền tải cho ñầu cuối di ñộng, nhưng có một ñiều quan trọng cần lưu ý là quyết ñịnh hoạch ñịnh ñường lên ñược ñưa ra cho mỗi ñầu cuối di ñộng chứ không phải cho mỗi tải tin vô tuyến (radio bearer). Như vậy, mặc dù scheduler eNodeB ñiều khiển tải trọng của một ñầu cuối di ñộng ñược hoạch ñịnh, thì ñầu cuối vẫn chịu trách nhiệm lựa chọn từ những tải tin vô tuyến nào mà dữ liệu ñược mang theo. Cho nên, ñầu cuối di ñộng sẽ tự ñộng ñiều khiển việc ghép kênh logic (logical-channel multiplexing). Điều này ñược minh họa trong phần bên phải của hình 3.35, nơi mà scheduler eNodeB ñiều khiển ñịnh dạng truyền tải còn ñầu cuối di ñộng ñiều khiển việc ghép
kênh logic. Để so sánh, trong tình huống ñường xuống tương ứng, khi mà eNodeB ñiều khiển cả ñịnh dạng truyền dẫn và ghép kênh logic, ñược miêu tả bên trái hình vẽ.
Ghép kênh tải tin vô tuyến (radio-bearer) trong ñầu cuối di ñộng ñược thực hiện theo những quy tắc, thông qua các thông số mà có thể ñược cấu hình bởi báo hiệu RRC từ eNodeB. Mỗi tải tin vô tuyến ñược chỉ ñịnh sự ưu tiên và tốc ñộ bit ưu tiên (prioritized bit rate). Sau ñó ñầu cuối di ñộng sẽ thực hiện ghép kênh sóng mang vô tuyến, như vậy các sóng mang vô tuyến ñược xử lý theo thứ tự ưu tiên tùy