Đề tài Kiến trúc giao thức của 4G – LTE

ống gấp 3 đến 4 lần; Tải lên gấp 2 đến 3 lần. Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25MHz, 1.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 Mhz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : + Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms. Vì chính thời gian chuyển đổi này làm cho người dùng có thể cảm nhận được độ trễ khi truy cập một dich vụ trên internet sau một khoảng thời gian không hoạt động. LTE có thể hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối di động ở trạng thái nối kết khi hoạt động ở dải tần 5 MHz. Trong mỗi băng tần rộng hơn 5 MHz, thì ít nhất có 400 thiết bị đầu cuối được hỗ trợ. Số lượng thiết bị đầu cuối ở trạng thái nghỉ trong cell không nói rõ là bao nhiêu nhưng có thể là cao hơn một cách đáng kể. + Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (cell) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định. Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game ,vì cần thời gian thực. Yêu cầu đối với LTE là độ trễ trên giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng 5 ms để độ trễ truyền từ UE này đến UE kia tương đương với độ trễ ở các mạng đường dây cố định. Sẽ không còn chuyển mạch kênh : Tất cả sẽ dựa trên IP. Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa. Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP. Trong 3GPP.Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định. EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện. Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại. Độ phủ sóng từ 5-100km : Trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động. Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng. Bị giới hạn trong các cell có bán kính lên đến 100km. Dung lượng thì khoảng hơn 200 người/cell (với băng thông 5MHz) Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời. Tuy nhiên mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại. Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có. OFDMA ,SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE thay vì CDMA như trong 3G. Giảm chi phí : Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ.Các vấn đề đường truyền,hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí,chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp,các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng. Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác .Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh. LTE được 3GPPS nghiên cứu và phát triển với sự hậu thuẫn của các đại gia trong làng viễn thông thế giới như Alcatel-Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Networks, Huawei, LG Electronics, Samsung, NEC, Fujitsu 2.3. Lộ trình phát triển công nghệ LTE và các công nghệ khác: Hiện nay, công nghệ truyền thông phát triển như vũ bão tạo thành những cuộc chiến cạnh tranh các công nghệ. Trong đó nổi trội là cuộc cạnh tranh giữa công nghệ LTE và công nghệ WiMax. Hình 2.2 : Lộ trình phát triển LTE và các công nghệ khác 2.3.1.WiMAX WiMAX là tên thông dụng thường dùng để chỉ công nghệ truy nhập không dây băng rộng sử dụng giao diện của chuẩn IEEE 802.16. Gần đầy WiMAX đã được ITU-R chính thức công nhận là một chuẩn 3G trong họ IMT-2000. Điều này có ý nghĩa rất lớn đối với tương lai của WiMAX vì nó sẽ thúc đẩy sự triển khai rộng khắp của WiMAX, đặc biệt trên băng tần 2.5-2.69GHz, để cung cấp dịch vụ Internet băng rộng, bao hàm cả VoIP và nhiều dịch vụ thông qua kết nối Internet. Trong họ IEEE 802.16 nổi bật nhất là chuẩn 802.16e-2005 với khả năng đáp ứng cả các ứng dụng cố định cũng như các dịch vụ di động, nên còn được gọi là WiMAX di động. Chuẩn này đã và đang được thử nghiệm ở nhiều nước. Hiện tại, WiMAX di động "Wave 2" dùng 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu đã cho tốc độ tối đa tầm 75Mbps. Bên cạnh đó, nhóm làm việc IEEE 802.16 đang phát triển phiên bản 802.16j trong đó nghiên cứu triển khai các trạm relay (tiếp sức) bên cạnh các trạm phát sóng BS để sử dụng kênh truyền một cách hiệu quả, tăng tốc độ truyền dẫn và mở rộng vùng phủ sóng. Nhóm IEEE 802.16 cũng đang nghiên cứu phiên bản 802.16m với mục đích đẩy tốc độ dữ liệu của WiMAX lên hơn nữa trong khi vẫn tương thích với WiMAX cố định và di động đã và đang được triển khai. Phiên bản này theo dự kiến sẽ được hoàn thiện vào cuối năm 2009, như là một bước tiến để vượt trội hơn LTE. Phiên bản 802.16m sẽ vẫn dựa trên kỹ thuật ăng-ten MIMO trên nền công nghệ đa truy nhập OFDMA với số lượng ăngten phát và thu nhiều hơn WiMAX di động « Wave 2 ». 802.16m trang bị 4 ăng-ten phát và 4 ăng-ten thu sẽ có thể đẩy tốc độ truyền lên lớn hơn 350Mbps. Theo dự kiến, WiMAX Release 2 với sự hoàn thiện của 802.16m sẽ hoàn thành vào cuối năm 2009 và có thể bắt đầu triển khai dịch vụ từ 2010 (xem hình 3). Hình 2.3 : Sơ đồ phát triển của công nghệ WiMax Nói tới WiMax , người ta có thể nghĩ tới rất nhiều giải pháp thay thế mà công nghệ này có thể mang lại. Đó chính là khả năng thay thế đường xDSL giúp tiếp cận nhanh hơn các đối tượng người dùng băng rộng mà không cần phải đầu tư lớn. Đặc biệt WiMAX rất hữu ích để cung cấp dịch vụ băng thông rộng ở những vùng xa xôi mà giải pháp ADSL hoặc cáp quang là rất tốn kém. Bên cạnh các dịch vụ cố định, WiMAX còn cung ứng các dịch vụ di động giống như những dịch vụ của mạng 3G : thoại VoIP, internet di động, TV di động. 2.3.2.So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE: Tính năng 3GPP LTE RAN1 802.16e / Mobile WiMax R1 802.16e/ Mobile WiMax R2 Ghép kênh TDD, FDD TDD TDD, FDD Băng tần dự kiến 700MHz – 2,6 GHz 2,3GHz; 2,5GHz; 3,3- 3,8GHz 2,3GHz; 2,5GHz; 3,3- 3,8GHz Tốc độ tối đa ( Download/ Upload) 300Mbps / 100Mbps 70Mbps / 70Mbps 300Mbps/100Mbps Di động 350km/h 120km/h 350km/h Phạm vi phủ sóng 5/30/100km 1/5/30km 1/5/30km Số người dùng VoIP đồng thời 80 50 100 Thời điểm hoàn tất chuẩn Cuối năm 2008, đầu năm 2009 2005 2009 Bảng 2 : So sánh công nghệ kỹ thuật dùng trong WiMAX và 3G LTE Hiện tại WiMAX di động Rel 1 (802.16e) đã có đủ sức cạnh tranh về mặt công nghệ so với LTE. Tuy nhiên, nếu nhìn kỹ trên bảng so sánh thì ta thấy công nghệ LTE vẫn vượt hơn 802.16e về cả tính năng di động và tốc độ truyền dự liệu. Song, đổi với những nhà phát triển WiMAX thì họ không chấp nhận so sánh LTE với 802.16e mà phải là 802.16m (cột thứ 3 trên bảng 1). Nhìn vào đây ta thấy WiMAX di động Rel 2 hứa hẹn những tính năng vượt trội so với LTE. Ngày nay tất cả đều đóng ý với nhau rằng để đạt được tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể nhờ vào công nghệ ăngten MIMO và kỹ thuật đa truy cập OFDMA. LTE ra đời muộn hơn WiMAX và nó cũng không thể nào không dùng MIMO và OFDMA. Do vậy, nếu xét trình bình diện kỹ thuật truyền thông không dây (wireless communication) thì LTE không có bất cứ một kỹ nghệ cơ bản nào vượt trội so với WiMAX di động. Nếu nhìn lại bảng so sánh ở trên sẽ thấy điểm khác nhau nổi bật là LTE sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cho đường lên thay vì OFDMA như trong WiMAX. Song, theo nhiều chuyên gia thì sự khác biệt này lại là một điểm yếu của LTE. Thực tế SC-FDMA cho phép cải tiến PAR (Peak-to-Average power Ratio) tầm 2 dB ở máy phát. Tuy nhiên nó lại gây mất tầm 2-3 dB về hiệu suất (performance) truyền thông trên kênh truyền nhiễu phading ở đầu máy thu. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy SC-FDMA thực tế cho một hiệu suất trên kênh lên thấp hơn so với OFDMA. Nhìn chung về mặt kỹ thuật, hai công nghệ WiMAX và LTE dường như ngang tài ngang sức với nhau. Song, công nghệ mạnh nhất, vượt trội nhất đôi khi không phải là công nghệ giành chiến thắng mà một công nghệ thành công là một công nghệ phù hợp nhất, hòa hợp nhất. Lợi thế dành cho LTE khi LTE được các nhà khai thác GSM ( GSM Asociation ) chấp nhận là công nghệ băng rộng di động tương lai của hệ di động hiện đang thống trị thị trường di động toàn cầu với khoảng 2,5 tỉ thuê bao ( theo Informa Telecoms & Media ) và trong 3 năm tiếp theo có thể chiếm thị phần tới 89% ( theo Gartner) – những con số “ trong mơ “ đối với WiMax.Hơn nữa, LTE cho phép tận dụng hạ tầng GSM có sẵn ( tuy vẫn đầu tư thêm thiết bị ) trong khi WiMax phải xây dựng từ đầu . Nhận thấy lợi thế của LTE, nhiều nhà khai thác mạng đã cân nhắc lại việc triển khai WiMax và chuyển sang LTE, đáng kể trong số đó có 2 tên tuổi lớn nhất tại Mỹ là AT&T và Verizon Wireless. Theo một khảo sát do RCR Wireless News và Yankee Group thực hiện gần đây, có đến 56% nhà khai thác di động chọn LTE, chỉ có 30% đi theo 802.16e. Khảo sát cho thấy các nhà khai thác di động ở Bắc Mỹ và Tây Auu nghiêng về LTE, trong khi các nước mới phát triển ( đặc biệt ở khu vực châu Á – Thái Bình Dương ) thì ủng hộ WiMax. Trong cuộc đua 4G, WiMax và LTE hiện là hai công nghệ sáng giá nhất.Liệu hai công nghệ này có thể cùng tồn tại độc lập hay sẽ sát nhập thành một chuẩn chung? Hiệu năng của WiMax và LTE tương đương nhau, do vậy việc quyết định hiện nay phụ thuộc vào yếu tố sẵn sàng và khả năng thâm nhập thị trường. 2.3.3.Dịch vụ, ứng dụng và tương lai không xa cho công nghệ LTE: Các dịch vụ LTE : Tốc độ truyền đường xuống (và đường lên) rất cao với sự linh hoạt hơn, hiệu quả sử dụng phổ tần và giảm trễ gói, LTE hứa hẹn tăng cường việc phân phối các dịch vụ băng rộng di động và thêm tính năng cho các dịch vụ giá trị gia tăng mới đang tồn tại. Chỉ mục dịch vụ Môi trường hiện tại Môi trường LTE Thoại Audio thời gian thực VoIP, hội thảo video chất lượng cao Nhắn tin P2P SMS, MMS, email với quyền ưu tiên thấp Tin nhắn hình ảnh, IM, email di động, tin nhắn video Trình duyệt Truy nhập đến các thông tin dịch vụ trực tuyến cho những người sử dụng nào chi trả giá mạng chuẩn. Hiên tại giới hạn việc duyệt WAP trên các mạng GPRS và 3G. Duyệt web siêu nhanh, tải nội dung lên các trang mạng xã hội. Thông tin trả trước Nội dung cho người sử dụng nào trả trên cước mạng chuẩn. Phần lớn là thông tin dựa trên văn bản Báo điện tử, luồng audio chất lượng cao. Cá nhân hóa Phần lớn là nhạc chuông Âm thực (bản ghi gốc của các nghệ sĩ), các trang web di động cá nhân hóa Trò chơi điện tử Trò chơi điện tử trực tuyến và có thể tải về. Trải nghiệm trò chơi điện tử như nhau ở cả mạng di động và cố định. TV/Video theo yêu cầu Nội dung video có thể tải về và theo luồng. Các dịch vụ truyền hình quảng bá, truyền hình theo yêu cầu thực, luồng video chất lượng cao. Âm nhạc Dịch vụ radio tương tự và tải về toàn bộ bài. Lưu trữ và tải xuống âm nhạc chất lượng cao. Tin nhắn nội dung và phương tiện Nhắn tin peer – to – peer nhờ sử dụng nội dung bên thứ ba cũng như là tương tác với phương tiện khác. Phân bố trên phạm vi rộng các đoạn video, dịch vụ karaoke, quảng cáo di động dựa trên video. M-thương mại Đặt các giao dịch (bao gồm cả đánh bạc) và phương tiện chi trả trên mạng di động Điện thoại di động như là thiết bị chi trả, với chi tiết về sự chi trả được tải trên các mạng tốc độ cao để cho phép hoàn thiện các giao dịch tốc độ cao. Mạng số liệu di động Truy nhập các mạng Internet nội bộ và cơ sở dữ liệu cũng như là sử dụng các ứng dụng như CRM. Truyền tập P2P, các ứng dụng kinh doanh, chia sẻ ứng dụng, truyền thông M2M, mạng Internet nội bộ/mạng nội bộ mở rộng di động Bảng 3. Dịch vụ và ứng dụng của LTE Vào ngày 19/12/2007, hãng Nokia Siemens Networks đã công bố thử nghiệm thành công công nghệ LTE với tốc độ lên đến 173 Mb/s trong môi trường đô thị với nhiều thuê bao cùng lúc. Trên băng tần 2,6 GHz với 20MHz băng thông, tốc độ này đã vượt xa tốc độ yêu cầu là 100 Mbps. Giám đốc kỹ thuật của hãng, ông Stephan Scholz phát biểu: “Khi thế giới tiến gần đến con số 5 tỉ thuê bao vào năm 2015, theo tiên đoán của chúng tôi, các nhà cung cấp dịch vụ di động sẽ phải sử dụng tất cả các băng tần với một cấu trúc mạng đơn giản nhất và hiệu quả chi phí cao nhất để phục vụ lưu lượng liên lạc cao hơn 100 lần. Cuộc thử nghiệm thực tế này là một chứng minh ban đầu quan trọng cho khái niệm về LTE”. Cuộc gọi thoại đầu tiên giữa 2 điện thoại LTE đã được trình diễn vào Hội nghị Thế giới di động (Mobile World Congress) được tổ chức vào tháng 2/2008 tại Barcelona, Tây Ban Nha. Vào tháng 3 vừa qua, mạng NTT DoCoMo đã thử nghiệm LTE đạt đến tốc độ 250Mbps.Tại các triển lãm viễn thông quốc tế gần đây, các nhà sản xuất Huawei, Motorola, Ericsson cũng đã biểu diễn LTE với các ứng dụng như xem tivi chất lượng cao HDTV, chơi game online Các cuộc thử nghiệm và trình diễn này chứng tỏ khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. CHƯƠNG 3 : KIẾN TRÚC GIAO THỨC CỦA 4G-LTE Tổng quan về kiến trúc giao thức LTE cho đường xuống được minh họa trong hình 3.1. Kiến trúc giao thức LTE liên quan đến đường lên tương tự với kiến trúc đường xuống ,và cũng có một số sự khác biệt về sự lựa chọn định dạng truyền tải (transport format selection) và truyền dẫn đa anten (multi-antenna transmission). Dữ liệu được truyền trên đường xuống dưới dạng các gói IP trên một trong những tải tin SAE (SAE bearers). Trước khi truyền đi qua giao diện vô tuyến, những gói IP đến (incoming IP packets) sẽ đi qua nhiều phần tử. Hình 3.1 – Kiến trúc giao thức LTE (đường xuống) Giao thức hội tụ số liệu gói (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 thông qua giao diện vô tuyến. Cơ chế nén tiêu đề dựa trên ROHC, một thuật toán nén tiêu đề tiêu chuẩn được sử dụng trong WCDMA cũng như là trong các tiêu chuẩn thông tin di động khác. PDCP cũng đảm nhiệm việc mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu được truyền đi. Tại phía thu, giao thức PDCP sẽ thực hiện công việc giải nén và giải mã thông tin. Chỉ có một phần tử PDCP trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động. Điều khiển liên kết vô 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. Không giống như WCDMA, giao thức RLC được định vị trong eNodeB v. chỉ có một loại node đơn trong kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE (LTE radio access network architecture).RLC cung cấp các dịch vụ cho PDCP dưới dạng các tải tin vô tuyến.Chỉ có một phần tử RLC trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động. Điều khiển truy cập môi 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 nó chỉ có một phần tử MAC cho một tế bào, cho cả đường lên và đường xuống.Phần giao thức hybrid ARQ có 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 hóa / giải mã,điều chế / giải điều chế, ánh xạ đa anten (multi antenna mapping), và các chức năng lớp vật l. tiêu biểu khác. Lớp vật lý cung cấp dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh chuyển tải (transport channels).Những phần sau sẽ cung cấp những mô tả chi tiết hơn về các giao thức RLC và MAC của LTE cũng như là tổng quan về lớp vật lý khi được nhận từ lớp MAC. 3.1. PDCP: Packet Data Convergence Protocol - Giao thức hội tụ số liệu gói Hình 3.2: Sơ đồ mô tả các thành phần của phần mềm PDCP: Giao thức hội tụ số liệu gói (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 thông qua giao diện vô tuyến. Cơ chế nén tiêu đề dựa trên ROHC, một thuật toán nén tiêu đề tiêu chuẩn được sử dụng trong WCDMA cũng như là trong các tiêu chuẩn thông tin di động khác. PDCP cũng đảm nhiệm việc mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn của dữ liệu được truyền đi. Tại phía thu, giao thức PDCP sẽ thực hiện công việc giải nén và giải mã thông tin. Chỉ có một phần tử PDCP trên một tải tin vô tuyến được cấu hình cho một thiết bị đầu cuối di động. 3.2. RLC: radio link control - điều khiển liên kết vô tuyến RLC LTE đảm nhiệm việc phân đoạn (nén tiêu đề) các gói IP từ PDCP thành những đơn vị nhỏ hơn. RLC LTE điều khiển việc truyền lại các PDUs bị nhận nhầm, cũng như là xóa bỏ những PDUs bị nhân đôi (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 có trách nhiệm cung cấp dữ liệu phân phát không bị lỗi cho các lớp cao hơn. 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 có 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 thông tin về PDUs và được truyền đi. Dựa trên báo cáo trạng thái thu được, phần tử RLC tại đầu phát có 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, nó đang hoạt động trong chế độ báo nhận (Acknowledged Mode - AM). Thông thường AM được sử dụng cho các dịch vụ dựa trên TCP như khi truyền tập tin mà yếu tố phân phát dữ liệu không bị lỗi được đặt lên hàng đầu. Hình 3.3: Phân đoạn và hợp đoạn RLC RLC cũng có thể được cấu hình theo chế độ không báo nhận (Unacknowledged Mode - UM) và chế độ trong suốt (Transparent Mode - TM). Trong chế độ UM, RLC sẽ cung cấp việc phân phát đúng thứ tự lên các lớp cao hơn, nhưng sẽ không truyền lại các PDUs bị thiếu. Thông thường UM được sử dụng cho những dịch vụ như VoIP khi mà việc phân phát không lỗi không quan trọng bằng thời gian phân phát ngắn. TM, mặc dù được hỗ trợ, nhưng chỉ sử dụng cho những mục đích riêng biệt như truy cập ngẫu nhiên. RLC có khả năng kiểm soát lỗi truyền dẫn do nhiễu, sự biến đổi kênh truyền không thể dự đoán (unpredictable channel variations), nhưng trong hầu hết trường hợp những lỗi này được kiểm soát bởi giao thức hybrid-ARQ dựa trên MAC. Việc sử dụng cơ chế truyền lại trong RLC có thể vì vậy mà trở nên không cần thiết. Tuy nhiên, không 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 có mặt tích cực khi mà có sự khác nhau trong việc truyền tín hiệu phản hồi. RLC cung cấp khả năng kiểm soát lỗi và kiểm soát năng lượng chức năng tại lớp liên kết giữa các trạm di động MS và bộ điều khiển trạm gốc BSC trong các mạng WCDMA. Tùy thuộc vào mạng cấu hình, sự trễ giữa MS và BSC thường thay đổi từ 30-100ms. Khi RLC hoạt động trong chế độ Thừa nhận (RLC-AM), RLC nhận gửi báo cáo tình trạng phát RLC để kiểm soát luồng dữ liệu. Các báo cáo này chứa số thứ tự của các gói tin nhận được và mất tích (ACKs và NACKs). Các bit thăm dò ý kiến nằm trong tiêu đề RLC-AM. Các máy phát có thể thiết lập các cuộc thăm dò định kỳ khi nó truyền tải PDU mới nhất trong bộ đệm truyền tải, hoặc khi bộ đếm thời gian cuộc thăm dò hết hạn và một báo cáo trạng thái không nhận được. Khi một báo cáo trạng thái được gửi bởi người nhận , báo cáo tiếp theo không nên được gửi trước ít nhất một RTT (Round Trip Time-thời gian trễ vòng). Điều này là do mỗi báo cáo tình trạng có chứa NACKs tương ứng với tất cả các gói tin bị thiếu, truyền lại giả mạo có thể được kích hoạt nếu có đủ thời giani cho phép cho truyền lại. RLC sử dụng một cơ chế trạng thái cấm để điều chỉnh việc truyền tải các báo cáo tình trạng, bộ đếm thời gian trạng thái cấm được thiết lập một giá trị dài hơn RTT trung bình. Điều này cho phép các RLC thực hiện truyền lại trước khi một NACK mới được tạo ra. Phương pháp này có hai nhược điểm lớn. Một là việc trì hoãn thông báo NACK cho các gói dữ liệu bị mất được xác định sau khi báo cáo trạng thái cuối cùng được gửi, làm tăng thời gian phục hồi lỗi. Phải mất một thời gian nhất định giữa các phát hiện của một gói dữ liệu bị mất và truyền NACK tương ứng, thời gian chờ đợi này hoàn toàn dư thừa và sẽ được thêm vào thời gian phục hồi lỗi. Nhược điểm thứ hai là việc trì hoãn thông báo về các gói tin nhận được (ACK) có thể làm ngừng việc truyền PDU mới. Trong nỗ lực để giải quyết các vấn đề liên quan đến cơ chế báo cáo tình trạng RLC, Qualcom đã đệ trình đề nghị tiêu chuẩn hóa 3GPP RAN WG2. Về cơ bản, các ý tưởng chính là để tách ACK và NACK, khi nhận thông báo một PDU mất tích, một tin nhắn NACK được gửi cho phía phát chứa chỉ số thứ tự cụ thể của PDU này. Làm như vậy, thời gian phục hồi lỗi được giảm xuống. RLC cũng chịu trách nhiệm việc phân đoạn và ghép nối. Dựa trên quyết định của scheduler (scheduler decision), một lượng dữ liệu nào đó 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. Đối với LTE, kích thước RLC PDU thay đổi một cách động (varies dynamically), Khi tốc độ dữ liệu cao, kích thước PDU lớn dẫn đến phần mào đầu nhỏ hơn tương ứng, khi tốc độ dữ liệu thấp, đòi hỏi kích thước PDU nhỏ nếu không 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. 3.3. Điều khiển truy nhập môi trường MAC(Medium Access Control) -Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAC có nhiệm vụ: + Xử lí ghép kênh logic. +Các phát lại HARQ . +Lập biểu đường lên và đường xuống. 3.3.1 Các kênh logic và các kênh truyền tải a)Kênh logic MAC cung cấp dịch vụ cho RLC trong dạng các kênh logic.Kênh logic được định nghĩa bởi kiểu thông tin nó mang;có nhiệm vụ để truyền dẫn thông tin điều khiển và cấu hình cần thiết để vận hành hệ thống LTE. Các kênh logic của 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 thông 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 không 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. 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. b)Tập các kênh truyền tải được định nghĩa trong LTE bao gồm: Kênh quảng bá (BCH:Broadcast Channel) 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 tìm gọi(PCH Paging channe): 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 3.4:Thí dụ về sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải 3.3.2 Hoạch định đường lên. Chức năng cơ bản của scheduler 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. Hình 3.5 : Việc lựa chọn đinh dạng truyền dẫn trong đường xuông (bên trái ) và đường lên ( bên phải ) Trong HSPA, tài nguyên chia sẻ đường lên chính là độ giao thoa cho phép tại trạm gốc. Scheduler 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 không sử dụng tất cả tài nguyên 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 nguyên chia sẻ không 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 ngoài 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 nguyên còn 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 không 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 thông tin điều khiển ngoài 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. 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 thông 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 (prioritized bit rate). Sau đó đầu cuối di động sẽ thực hiện ghép kênh sóng mang vô tuyến, như vậy các sóng mang vô tuyến được xử lý theo thứ tự ưu tiên tùy tốc độ bit ưu tiên của chúng. Những tài nguyên còn lại, nếu có, sau khi hoàn thành tốc độ bit ưu tiên sẽ được đưa đến những sóng mang vô tuyến theo thứ tự ưu tiên. Để trợ giúp cho scheduler đường lên trong mỗi quyết định của nó, đầu cuối di động có thể phát đi thông tin hoạch định (scheduling information) tới eNode bằng cách sử dụng một tin nhắn MAC. Rõ ràng, thông tin này chỉ có thể được truyền đi nếu đầu cuối di động vừa được cấp một chấn nhận hoạch định hợp lệ (a valid scheduling grant). Đối với những trường hợp khác, một chỉ thị khi mà đầu cuối di động cần tài nguyên đường lên sẽ được cung cấp như một phần của kiến trúc báo hiệu điều khiển đường lên L1/L2 (the uplink L1/L2 control-signaling structure), Hoạch định phụ thuộc kênh truyền thường được sử dụng cho đường xuống. Trên lý thuyết, kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng cho đường lên. Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng kênh truyền đường lên thì không đơn giản như trường hợp đối với đường xuống. Tình trạng kênh truyền đường xuống có thể được đo lường bởi tất cả đầu cuối di động trong tế bào chỉ đơn giản bằng việc theo dõi tín hiệu tham khảo được truyền bởi eNodeB và tất cả các đầu cuối di động có thể chia sẻ cùng tín hiệu tham khảo cho mục đích đánh giá chất lượng kênh truyền. Tuy nhiên việc đánh giá chất lượng kênh truyền đường lên lại yêu cầu một tín hiệu tham khảo thăm dò (a sounding reference signal) được truyền đi từ mỗi đầu cuối di động cho những eNodeB nào muốn đánh giá chất lượng kênh truyền. Một tín hiệu tham khảo thăm dò như vậy được hỗ trợ bởi LTE sẽ được mô tả thêm trong chương 4, nhưng điều này lại đi kèm với vấn đề tổng chi phí. Vì vậy, những phương pháp được cung cấp cho phân tận đường lên sẽ trở nên quan trọng như là một phần bổ sung hoặc thay thế cho kỹ thuật hoạch định phụ thuộc kênh truyền đường lên. 3.3.3 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 mục 3.3.2, trong khi phần còn lại của mục này sẽ tập trung vào hoạch định đường xuống. Nguyên tắc cơ bản cho scheduler 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 mô tả trong phần sau. 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 scheduler 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. 3.3.4 Hybrid ARQ Hybird ARQ với kết hợp mềm trong LTE đáp ứng một mục đích tương tự với cơ chế hybird-ARQ trong HSPA – đó là cung cấp sức chịu đựng để chống lại các lỗi truyền dẫn. Nó cũng là một công 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 (vòng 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 không được áp dụng cho tất cả các dạng lưu lượng. Ví dụ, truyền dẫn broadcast, khi mà những thông tin giống nhau được dành cho nhiều người dùng, thông thường không 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, đó 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 thông qua một bit đơn ACK/NAK để chỉ thị việc giải mã có thành công hay không hoặc truyền lại khối truyền tải nếu được yêu cầu. Những chi tiết khác về truyền dẫn ACK/NAK trong đường xuống và đường lên sẽ được tìm thấy trong chương 4. Để tối thiểu hóa 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 đó. Điều này được minh họa trong hình 3.6. 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 đó và việc truyền dẫn ACK/NAK thì không bị ảnh hưởng bởi sự phân bố đường lên/đường xuống. Tương tự với HSPA, một giao thức không đồng bộ là cơ sở cho hoạt động hybrid-ARQ đường xuống. Vì vậy, sự truyền lại đường xuống có 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) có thể nhận được hoàn toàn. Hai trường hợp được minh họa trong hình 3.5. Trong giao thức hybrid-ARQ không 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 không. Hình 3.6 – Giao thức hybrid-ARQ đồng bộ và không đồng bộ. Hình 3.7 – Nhiều tiến trình hybrid-ARQ song song. Việc sử dụng nhiều tiến trình hybird-ARQ song song, được minh họa trong hình 3.6, cho mỗi người dùng có thể dẫn đến sự không 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 công trước khối truyền tải thứ 3, khi mà việc truyền lại được yêu cầu. Vì vậy, đòi hỏi phải có một vài dạng cơ chế sắp xếp lại (some form of reordering mechanism). Sau khi giải mã thành công, 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 dùng 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 có 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 có 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 không dự đoán được (noise or unpredictable channel variations). Như đã được thảo luận ở trên, RLC cũng có khả năng yêu cầu truyền lại, mà khi mới nghe lần đầu thì có vẻ là không cần thiết. Tuy nhiên, mặc dù sự truyền lại RLC hiếm khi cần thiết khi mà cơ chế hybrid-ARQ dựa trên MAC có khả năng sửa hầu hết các lỗi truyền dẫn, nhưng hybrid-ARQ đôi khi có thể thất bại trong việc phân phối các khối dữ liệu mà không bị lỗi tới RLC, gây ra một khoảng trống (gap) trong thứ tự của các khối dữ liệu không 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 có thể trong khoảng 1%, một xác suất lỗi rất cao đối với những dịch vụ dựa trên TCP yêu cầu việc phân phối các gói TCP gần như là không 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 gói dữ liệu chấp nhận được phải thấp hơn 10-5. Về cơ bản, TCP xem tất cả các lỗi về gói dữ liệu là do sự tắt nghẽn. Các lỗi về gói 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 không bị lỗi tới TCP. Vì vậy, từ những thảo luận ở trên, lý do có hai cơ chế truyền lại như ở trên có thể được hiểu rõ trong phần tín hiệu phản hồi. Tuy cơ chế hybrid-ARQ thực hiện việc truyền lại rất nhanh, nó 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 có 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 công suất truyền dẫn ACK/NAK. Việc giữ chi phí này một cách hợp lý thông 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 không thể phục hồi, việc truyền một báo cáo trạng thái RLC có 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 đó, việc kết hợp hybrid ARQ và RLC có thể xem như là một cơ chế truyền lại với hai cơ chế phản hồi trạng thái. Trên lý thuyết, có 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 không chặt chẽ. 3.4 PHY: physical layer - lớp vật lý Chức năng của lớp vật lý là chịu trách nhiệm cho việc mã hóa, 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 3.7.Các khối lớp vật lý được điều khiển động (dynamically controlled) bởi lớp MAC được thể hiện bằng màu xám, còn những khối vật lý được cấu hình bán tĩnh được thể hiện bằng màu trắng. Hình 3.8 – Mô 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 không 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 hóa riêng biệt với nhau. Tốc độ mã hóa kênh, bao gồm tốc độ phù hợp cần thiết, hoàn toàn 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 nó 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 hóa chính xác. Cuối cùng, trong trường hợp ghép kênh không gian, việc ánh xạ anten cũng được điều khiển bởi scheduler đường xuống. Hình 3.9 – Mô 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 thông báo cho giao thức hybrid-ARQ biết việc truyền dẫn có được giải mã thành công hay không. Thông tin này được sử dụng bởi một phần của chức năng MAC hybrid-ARQ trong đầu cuối di động để quyết định có yêu cầu truyền lại hay không. 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 3.2.3. Việc xử lý lớp vật lý UL-SCH được thể hiện dưới dạng đơn giản qua hình 3.8. Các kênh truyền tải đường xuống còn lại cũng dựa trên cùng một quy trình xử lý lớp vật lý chung như DL-SCH, mặc dù có một số giới hạn trong tập hợp những tính năng được sử dụng. Đối với việc quảng bá thông tin hệ thống trên kênh BCH, một đầu cuối di động phải có khả năng thu được kênh thông tin này như là một trong những bước đầu tiên trước khi truy cập vào hệ thống. Do đó, định dạng truyền tải phải được ưu tiên gửi tới các thiết bị đầu cuối, và sẽ không có 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 thông điệp nhắn gọi (paging messages) trên kênh PCH, sự thích ứng động của các tham số truyền dẫn có thể được sử dụng trong một vài phạm vi. Nói chung, việc xử lý trong trường hợp này thì tương tự với việc xử lý DL-SCH thông thường. MAC có 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 không thể được sử dụng vì lúc này đầu cuối di động không thể phát đi một thông 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 không thể thực hiện được. KẾT LUẬN Công nghệ LTE đã và đang được tiếp tục nghiên cứu và triển khai trên toàn thế giới với khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao, kiến trúc mạng đơn giản, sử dụng băng tần hiệu quả và hoàn toàn tương thích với các hệ thống trước đó (GSM & WCDMA ) và dựa trên một mạng toàn IP. LTE có thể trở thành hệ thống thông tin di động toàn cầu trong tương lai. LTE phát triển sau so với WiMax, nhưng với các đặc tính tuyệt vời mà nó mang lại, hiện nay đã có rất nhiều các nhà mạng lớn trên thế giới đã lựa chọn để triển khai. Tại Việt Nam, các nhà mạng cũng đã tiến hành thử nghiệm công nghệ LTE và đạt những kết quả khả quan. Vì vậy việc tìm hiểu và nắm bắt công nghệ LTE là việc làm hết sức cần thiết trong ngành viễn thông hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO: Giáo trình Thông tin di động – tác giả Nguyễn Phạm Anh Dũng Bài giảng truyền dẫn vô tuyến số - tác giả Nguyễn Viết Đảm Bài giảng Tiến trình phát triển hệ thống thông tin di động từ 1G lên 4G – tác giả Nguyễn Phạm Anh Dũng Các trang web : Cùng 1 số nguồn tài liệu các đồ án , chuyên đề viễn thông trên internet khác.