2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
3.3.2.4 Hybrid ARQ
Hybird ARQ với kết hợp mềm trong LTE đáp ứng một mục đích tương tự với cơ chế hybird-ARQ trong HSPA – đĩ là cung cấp sức chịu đựng để chống lại các lỗi truyền dẫn. Nĩ cũng là một cơng cụ để nâng cao năng suất. Khi mà những cơ chế truyền lại hybird-ARQ là nhanh, nhiều dịch vụ cho phép một hoặc nhiều sự truyền lại, bằng cách thiết lập một cơ chế điều khiển tốc độ ẩn (vịng lặp kín) (an implicit (closed loop) rate-control mechanism). Tương tự với phương pháp trong HSPA, giao thức hybrid-ARQ là một phần của lớp MAC, trong khi hoạt động kết hợp mềm được điều khiển bởi lớp vật lý.
Rõ ràng, hybrid ARQ khơng được áp dụng cho tất cả các dạng lưu lượng. Ví dụ, truyền dẫn broadcast, khi mà những thơng tin giống nhau được dành cho nhiều người dùng, thơng thường khơng phụ thuộc vào hybrid ARQ. Vì vậy, hybrid ARQ chỉ được hỗ trợ cho DL-SCH và UL-SCH.
Giao thức hybrid ARQ trong LTE giống với giao thức tương ứng được sử dụng cho HSPA, đĩ là việc sử dụng nhiều tiến trình stop-and-wait song song. Trong lúc tiếp nhận những khối truyền tải, đầu thu sẽ tìm cách giải mã khối truyền tải và khai báo cho đầu phát về kết quả của hoạt động giải mã thơng qua một bit đơn ACK/NAK để chỉ thị việc giải mã cĩ thành cơng hay khơng hoặc truyền lại khối truyền tải nếu được yêu cầu. Để tối thiểu hĩa chi phí, một bit đơn ACK/NAK được sử dụng. Rõ ràng, đầu thu phải biết bit ACK/NAK thu được được liên kết với tiến trình hybid-ARQ nào. Hơn nữa, điều này được giải quyết bằng cách sử dụng cùng một phương pháp như trong HSPA khi thời điểm của ACK/NAK được sử dụng để kết hợp ACK/NAK với một tiến trình hybrid-ARQ nào đĩ. Điều này được minh họa trong hình 3.37. Chú ý rằng, đối với trường hợp hoạt động TDD, mối quan hệ về thời gian giữa việc tiếp nhận dữ liệu trong một tiến trình hybrid-ARQ nào đĩ và việc truyền dẫn ACK/NAK thì khơng bị ảnh hưởng bởi sự phân bố đường lên/đường xuống.
Tương tự với HSPA, một giao thức khơng đồng bộ là cơ sở cho hoạt động hybrid-ARQ đường xuống. Vì vậy, sự truyền lại đường xuống cĩ thể xảy ra tại mọi thời điểm sau khi việc truyền dẫn được khởi tạo và một con số tiến trình hybrid- ARQ tường minh (an explicit hybrid-ARQ process number) được sử dụng để chỉ thị tiến trình nào đang được định địa chỉ (addressed). Sự truyền lại đường lên, mặt khác, lại dựa trên một giao thức đồng bộ và sự truyền lại xảy ra tại một thời gian xác định trước sau khi khởi tạo quá trình truyền dẫn và số tiến trình (process number) cĩ thể nhận được hồn tồn. Hai trường hợp được minh họa trong hình 3.36. Trong giao thức hybrid-ARQ khơng đồng bộ, sự truyền lại trên lý thuyết được hoạch định tương tự với việc khởi tạo quá trình truyền dẫn. Mặt khác trong giao thức đồng bộ, thời điểm truyền lại được cố định một lần khi khởi đầu quá trình truyền dẫn được hoạch định, phải được tính đến cho hoạt động hoạch định. Tuy nhiên, chú ý rằng scheduler sẽ phân biệt từ phần tử hybrid-ARQ trong eNodeB đầu cuối di động nào sẽ thực hiện truyền lại hay khơng.
Hình 3.37 Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song.
Việc sử dụng nhiều tiến trình hybird-ARQ song song, được minh họa trong hình 3.37, cho mỗi người dùng cĩ thể dẫn đến sự khơng liên tục về dữ liệu được phân phối từ cơ chế hybrid-ARQ. Ví dụ, khối truyền tải thứ 5 trong hình được giải mã thành cơng trước khối truyền tải thứ 3, khi mà việc truyền lại được yêu cầu. Vì vậy, địi hỏi phải cĩ một vài dạng cơ chế sắp xếp lại (some form of reordering mechanism). Sau khi giải mã thành cơng, khối truyền tải được phân kênh thành các kênh logic thích hợp và thực hiện việc sắp xếp lại trên mỗi kênh logic bằng cách sử dụng các số thứ tự (sequence numbers). Ngược lại, HSPA dung một con số thứ tự MAC riêng biệt cho việc sắp xếp lại. Nguyên nhân của việc này là do sự phụ trợ cho WCDMA và những lý do về vấn đề tương thích ngược, kiến trúc RLC hoặc MAC vẫn được giữ nguyên khi giới thiệu HSPA. Mặt khác, đối với LTE, các lớp giao thức được thiết kế đồng thời, dẫn đến cĩ ít giới hạn hơn trong thiết kế. Tuy nhiên, nguyên lý đằng sau sự sắp xếp lại thì tương tự đối với các hệ thống, chỉ cĩ số thứ tự được sử dụng là khác nhau.
Cơ chế hybrid-ARQ sẽ sửa những lỗi truyền dẫn do nhiễu hoặc do những biến đổi kênh truyền khơng dự đốn được (noise or unpredictable channel variations). Như đã được thảo luận ở trên, RLC cũng cĩ khả năng yêu cầu truyền lại, mà khi mới nghe lần đầu thì cĩ vẻ là khơng cần thiết. Tuy nhiên, mặc dù sự truyền lại RLC hiếm khi cần thiết khi mà cơ chế hybrid-ARQ dựa trên MAC cĩ khả năng sửa hầu hết các lỗi truyền dẫn, nhưng hybrid-ARQ đơi khi cĩ thể thất bại trong
việc phân phối các khối dữ liệu mà khơng bị lỗi tới RLC, gây ra một khoảng trống (gap) trong thứ tự của các khối dữ liệu khơng lỗi (error-free data blocks) được phân phối tối RLC. Điều này thường xảy ra do tín hiệu phản hồi bị sai, ví dụ, một NAK được thể hiện sai thành một ACK bởi đầu phát, là nguyên nhân của việc mất mát dữ liệu. Xác suất xảy ra điều này cĩ thể trong khoảng 1%, một xác suất lỗi rất cao đối với những dịch vụ dựa trên TCP yêu cầu việc phân phối các gĩi TCP gần như là khơng được lỗi. Một cách cụ thể hơn, nghĩa là đối với những tốc độ dữ liệu được duy trì trên 100 Mbit/s thì xác suất mất gĩi dữ liệu chấp nhận được phải thấp hơn 10-5. Về cơ bản, TCP xem tất cả các lỗi về gĩi dữ liệu là do sự tắt nghẽn. Các lỗi về gĩi dữ liệu vì vậy sẽ kích hoạt cơ chế tránh tắc nghẽn, với một sự tăng lên tương ứng về tốc độ dữ liệu, và duy trì chất lượng tốt tại những tốc độ dữ liệu cao, RLC- AM sẽ đáp ứng một mục tiêu quan trọng cho việc đảm bảo phân phối dữ liệu khơng bị lỗi tới TCP.
Vì vậy, từ những thảo luận ở trên, lý do cĩ hai cơ chế truyền lại như ở trên cĩ
thể được hiểu rõ trong phần tín hiệu phản hồi. Tuy cơ chế hybrid-ARQ thực hiện
việc truyền lại rất nhanh, nĩ cũng cần thiết phải gửi một bit báo cáo tình trạng ACK/NAK tới đầu phát càng nhanh càng tốt – một lần cho mỗi chu kỳ TTI. Mặc dù trên lý thuyết cĩ thể đạt được một xác suất lỗi thấp theo mong muốn về phản hồi ACK/NAK, nhưng những xác suất lỗi rất thấp lại đi kèm với chi phí tương đối cao về mặt cơng suất truyền dẫn ACK/NAK. Việc giữ chi phí này một cách hợp lý thơng thường dẫn đến một tỷ lệ lỗi phản hồi (a feedback error rate) trong khoảng 1% và như vậy sẽ quyết định đến tỷ lệ lỗi dư hybrid-ARQ (the hybrid-ARQ residual error rate). Tuy những báo cáo trạng thái RLC được phát đi ít thường xuyên đáng kể so với ACK/NAK hybrid-ARQ, nhưng chi phí của việc đạt được độ tin cậy 10-5 hoặc thấp là khá nhỏ. Vì vậy, việc phối hợp hybrid ARQ với RLC mang lại một sự kết hợp tốt giữa thời gian khứ hồi (roundtrip time) nhỏ và chi phí phản hồi vừa phải khi mà hai thành phần này bổ sung cho nhau.
Vì RLC và hybrid ARQ được định vị trong cùng một node, cho nên khả năng tương tác giữa chúng trở nên chặt chẽ hơn. Ví dụ, nếu cơ chế hybrid-ARQ phát hiện
được một lỗi khơng thể phục hồi, việc truyền một báo cáo trạng thái RLC cĩ thể ngay lập tức được kích hoạt thay vì phải đợi để phát đi một báo cáo trạng thái theo
định kỳ. Điều này sẽ khiến cho RLC truyền lại các PDUs bị mất nhanh hơn. Cho
nên, trong một mức độ nào đĩ, việc kết hợp hybrid ARQ và RLC cĩ thể xem như là một cơ chế truyền lại với hai cơ chế phản hồi trạng thái.
Trên lý thuyết, cĩ cùng một sự tranh luận được tạo ra đối với trường hợp tương ứng trong HSPA. Tuy nhiên, việc RLC và hybrid ARQ được định vị tại những node khác nhau trong HSPA nhìn chung sẽ làm cho sự tương tác giữa chúng trở nên khơng chặt chẽ.
3.3.3 PHY: physical layer - lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm cho việc mã hĩa, xử lý hybrid-ARQ lớp vật lý (physical-layer hybrid-ARQ processing), điều chế, xử lý đa anten (multi-antenna processing), và ánh xạ tín hiệu tới những tài nguyên thời gian-tần số vật lý thích hợp. Một cái nhìn đơn giản về việc xử lý DL-SCH được đưa ra trong hình 3.38.
.Các khối lớp vật lý được điều khiển động (dynamically controlled) bởi lớp MAC được thể hiện bằng màu xám, cịn những khối vật lý được cấu hình bán tĩnh được thể hiện bằng màu trắng.
Hình 3.38 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho DL-SCH
Khi một đầu cuối di động được hoạch định trong một chu kỳ TTI trên kênh DL-SCH, lớp vật lý sẽ nhận một khối truyền tải (hai khối truyền tải trong trường hợp ghép kênh khơng gian) mang dữ liệu để truyền đi. Với mỗi khối truyền tải, một CRC sẽ được đính kèm và mỗi khối truyền tải được đính kèm CRC như vậy được mã hĩa riêng biệt với nhau. Tốc độ mã hĩa kênh, bao gồm tốc độ phù hợp cần thiết, hồn tồn được quyết định bởi kích thước khối truyền tải, sơ đồ điều chế (the modulation scheme), và lượng tài nguyên được cấp phát cho việc truyền dẫn. Tất cả những đại lượng này được lựa chọn bởi scheduler đường xuống. Phiên bản dư thừa (redundancy version) được dùng được điều khiển bởi giao thức hybrid - ARQ và nĩ sẽ tác động đến quá trình xử lý thích ứng tốc độ (the rate matching processing) để tạo ra tập hợp các bit được mã hĩa chính xác. Cuối cùng, trong trường hợp ghép kênh khơng gian, việc ánh xạ anten cũng được điều khiển bởi scheduler đường xuống.
Hình 3.39 Mơ hình xử lý lớp vật lý đơn giản cho UL-SCH
Đầu cuối di động được hoạch định thu tín hiệu được phát đi và thực hiện tiến trình lớp vật lý ngược lại. Lớp vật lý tại đầu cuối di động cũng thơng báo cho giao thức hybrid-ARQ biết việc truyền dẫn cĩ được giải mã thành cơng hay khơng. Thơng tin này được sử dụng bởi một phần của chức năng MAC hybrid-ARQ trong đầu cuối di động để quyết định cĩ yêu cầu truyền lại hay khơng.
Việc xử lý lớp vật lý đối với kênh UL-SCH gần giống với việc xử lý DL- SCH. Tuy nhiên, chú ý rằng scheduler MAC trong eNodeB chịu trách nhiệm lựa chọn định dạng truyền tải cho đầu cuối di động và tài nguyên được sử dụng cho truyền dẫn đường lên như được miêu tả trong mục 3.3.2.3. Việc xử lý lớp vật lý UL-SCH được thể hiện dưới dạng đơn giản qua hình 3.39.
Các kênh truyền tải đường xuống cịn lại cũng dựa trên cùng một quy trình xử lý lớp vật lý chung như DL-SCH, mặc dù cĩ một số giới hạn trong tập hợp những tính năng được sử dụng. Đối với việc quảng bá thơng tin hệ thống trên kênh
BCH, một đầu cuối di động phải cĩ khả năng thu được kênh thơng tin này như là một trong những bước đầu tiên trước khi truy cập vào hệ thống. Do đĩ, định dạng truyền tải phải được ưu tiên gửi tới các thiết bị đầu cuối, và sẽ khơng cĩ một sự điều khiển động tự động (dynamic control) nào tới các tham số truyền dẫn từ lớp MAC trong trường hợp này.
Đối với truyền dẫn các thơng điệp nhắn gọi (paging messages) trên kênh PCH, sự thích ứng động của các tham số truyền dẫn cĩ thể được sử dụng trong một vài phạm vi. Nĩi chung, việc xử lý trong trường hợp này thì tương tự với việc xử lý DL-SCH thơng thường. MAC cĩ thể điều khiển việc điều chế, lượng tài nguyên, và ánh xạ anten. Tuy nhiên, trong trường hợp đường lên chưa được thiết lập khi một đầu cuối di động được tìm gọi, thì hybrid ARQ khơng thể được sử dụng vì lúc này đầu cuối di động khơng thể phát đi một thơng báo ACK/NAK.
Kênh MCH được dùng cho truyền dẫn MBMS, điển hình là những hoạt động mạng đơn tần số bằng việc truyền từ nhiều tế bào trên cùng tài nguyên với định dạng giống nhau tại cùng 1 thời điểm. Vì vậy, việc hoạch định truyền dẫn MCH phải được điều phối giữa những tế bào liên quan và cơ chế lựa chọn tự động tham số truyền dẫn bởi MAC là khơng thể thực hiện được.
3.3.4 Các trạng thái LTE
Trong LTE, một đầu cuối di động cĩ thể tồn tại trong nhiều trạng khác nhau như được minh họa trong hình 3.40. Khi bật nguồn, đầu cuối di động ở vào trạng thái LTE DETACHED (tách biệt LTE). Trong trạng thái này, đầu cuối di động khơng được biết đối với hệ thống mạng. Trước khi diễn ra bất cứ sự liên lạc nào giữa đầu cuối di động và mạng thì đầu cuối di động cần phải đăng ký hệ thống mạng bằng cách sử dụng thủ tục truy cập ngẫu nhiên để vào trạng thái LTE ACTIVE (tích cực LTE), LTE DETACHED là trạng thái được sử dụng chủ yếu khi bật nguồn, một khi đầu cuối di động đã được đăng ký với hệ thống mạng, nĩ thường chuyển sang một trong những trạng thái khác như LTE ACTIVE hoặc LTE IDLE (rỗi LTE).
Hình 3.40 Các trạng thái LTE.
LTE ACTIVE là trạng thái được sử dụng khi đầu cuối di động đã sẵn sàng cho việc phát và thu dữ liệu. Trong trạng thái này, đầu cuối di động được kết nối với một tế bào cụ thể trong mạng. Một hoặc nhiều địa chỉ IP được gán cho thiết bị đầu cuối di động, cũng như là “Chỉ số nhận dạng tạm thời mạng vơ tuyến tế bào” (Cell Radio Network Temporary Identifier – CRNTI) để nhận dạng thiết bị đầu cuối, những thơng số này được dùng cho mục đích báo hiệu giữa đầu cuối di động và mạng. LTE ACTIVE cĩ thể được chia thành hai trạng thái con là IN SYNC và OUT OF SYNC, phụ thuộc vào đường lên cĩ được đồng bộ với hệ thống mạng hay khơng. Từ khi LTE sử dụng đường lên trực giao trên cơ sở FDMA/TDMA, thì việc đồng bộ truyền dẫn đường lên từ nhiều đầu cuối di động là cần thiết sao cho chúng đến eNodeB tại cùng một thời điểm (xấp xỉ). Tĩm lại, eNodeB sẽ đo thời gian đến của các phiên truyền dẫn từ mỗi đầu cuối di động ở trạng thái truyền tích cực (actively transmitting) và gửi những mệnh lệnh hiệu chỉnh thời gian (timingcorrection commands) trong đường xuống. Miễn là đường lên trong trạng thái IN SYNC thì việc truyền dẫn đường lên dữ liệu người dùng và báo hiệu điều khiển L1/L2 đều cĩ thể thực hiện được. Trong trường hợp khơng cĩ sự truyền dẫn nào diễn ra trong một cửa sổ thời gian xác định, sự sắp xếp thời gian hiển nhiên là khơng thực hiện được, và đường lên sẽ được thiết lập trạng thái OUT OF SYNC. Trong trường hợp này, đầu cuối di động cần thực hiện một thủ tục truy cập ngẫu nhiên để khơi phục lại sự đồng bộ đường lên.
LTE IDLE là một trạng thái tích cực thấp, mà khi đầu cuối di động trong trạng thái này nĩ sẽ ngủ trong phần lớn thời gian để làm giảm sự tiêu hao nguồn pin. Lúc này sự đồng bộ đường lên khơng được duy trì và vì vậy hoạt động truyền dẫn đường lên duy nhất cĩ thể xảy ra là sự truy cập ngẫu nhiên để chuyển sang trạng thái LTE ACTIVE. Trong đường xuống, đầu cuối di động cĩ thể định kỳ thức dậy để được page cho những cuộc gọi đến. Thiết bị đầu cuối di động vẫn giữ địa chỉ IP của nĩ và những thơng tin nội bộ (internal information) khác để cĩ thể nhanh chĩng chuyển sang trạng thái LTE ACTIVE khi cần thiết. Vị trí của thiết bị đầu cuối di động sẽ được cung cấp cục bộ cho hệ thống mạng sao cho ít nhất mạng cũng cĩ thể biết đến nhĩm tế bào nào mà trong đĩ việc paging của đầu cuối di động được