Tổng quan về 4G LTE
Khái niệm 4G LTE
4G, thế hệ tiếp theo của 3G, được IEEE xác định để phân biệt với các chuẩn mạng trước đó như 2G và 3G Các tiêu chuẩn cơ bản cho mạng 4G đã được ITU-R thiết lập chính thức vào tháng 3 năm 2008, mang tên IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced).
Được thúc đẩy bởi các yêu cầu của ITU đối với IMT-Advanced, 3GPP đã bắt đầu nghiên cứu nhằm nâng cao công nghệ LTE Kết quả chính từ nghiên cứu này là một đặc điểm kỹ thuật cho hệ thống LTE-Advanced, với các yêu cầu chủ yếu được xác định rõ ràng.
Dựa vào chuyển mạch gói AII-IP (công nghệ mạng tiếp theo) Next
Mạng NGN (Generation Network) là một mạng chuyển mạch gói, cung cấp dịch vụ viễn thông và băng rộng với khả năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS Các dịch vụ trong mạng NGN hoàn toàn độc lập với công nghệ truyền dẫn lớp dưới, cho phép người dùng truy cập nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Mạng này cũng hỗ trợ tính năng di động, nhằm cung cấp dịch vụ một cách thống nhất và liên tục trong suốt quá trình sử dụng Trung tâm của mạng IP NGN bao gồm ba yếu tố chính.
LTE-Advanced yêu cầu cung cấp tốc độ dữ liệu tối đa lên đến 1000 Mbps cho đường xuống và 500 Mbps cho đường lên Tuy nhiên, hệ thống thực tế được thiết kế với khả năng điều chỉnh, cho phép đạt tốc độ dữ liệu cao nhất lên tới 3000 Mbps cho đường xuống và 1500 Mbps cho đường lên.
- Hiệu quả băng thông MAX = 5 bit/s/Hz (Down-link) và 6.75 bit/s/Hz (Up- link).
- Có thể tự động chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng một nhận dữ liệu trong 4G
- Truyền tải dữ liệu trên các mạn không đồng nhất phải diễn ra trơn tru, ổn định.
- Có khả năng cung cấp dịch vụ chấ lượng cao trong công việc hỗ trợ đa phương tiện thế hệ tiếp theo.
Ứng dụng
Các dịch vụ, ứng dụng được triển khai trên nền mạng 4G LTE gồm:
- Dịch vụ thoại, nhắn tin.
- Truyền thông tốc độ cao (High Multimedia)
- Dịch vụ dữ liệu (Data Service)
- Dịch vụ đa phương tiện (Multimedia Service)
- Tính toán mạng công cộng (PNC)
- Bản tin hợp nhất (Unified Mesaging)
- Thương mại điện tử (E-Commerce)
- Trò chơi tương tác trên mạng (Interactive gaming)
- Quản lý tại nhà (Home Manager)
Hệ thống truyền thông 4G
Các thành phần và công nghệ truyền dẫn trong 4G a MIMO – OFDM
MIMO, khác với các hệ thống truyền thông truyền thống, sử dụng công nghệ lan truyền đa luồng để cải thiện thông lượng, phạm vi và độ tin cậy Hệ thống MIMO áp dụng ghép kênh không gian với nhiều anten phát và thu, cho phép truyền nhiều tín hiệu cùng lúc trên kênh truyền thông Nhờ vào việc sử dụng nhiều anten, tốc độ dữ liệu trong các hệ thống MIMO được tăng cường đáng kể.
Trong OFDM, tín hiệu chính được phân chia thành nhiều tần số băng thông hẹp, được điều chế bởi dữ liệu và sau đó được kết hợp lại để tạo thành sóng mang OFDM.
OFDM có thể được tối ưu hóa nhờ vào việc sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) tại cả máy phát và máy thu, cho phép cung cấp đáp ứng kênh cho từng tần số Khi kết hợp với MIMO, đáp ứng kênh trở thành ma trận, giúp MIMO-OFDM có thể được xử lý một cách đơn giản thông qua đại số ma trận.
IPv4 sử dụng 32 bit và do đó có thể sử dụng 2 32 thiết bị có thể định địa chỉ
Sự cạn kiệt địa chỉ IPv4 đang tiến gần đến giai đoạn cuối, điều này thúc đẩy việc triển khai IPv6 Công nghệ 4G đã phát triển IPv6 để hỗ trợ kết nối một số lượng lớn thiết bị trong mạng Adhoc.
Cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng cho phép điều chỉnh tức thời theo biến đổi của điều kiện kênh, từ đó sửa đổi định dạng mã hóa và điều chế Dựa trên phản hồi từ người nhận, kênh được ước tính và AMC cho phép chỉ định tốc độ dữ liệu khác nhau cho từng người dùng tùy thuộc vào điều kiện kênh Trong hệ thống 4G, việc thống nhất dữ liệu giữa máy phát và máy thu giúp tối ưu hóa các tham số hệ thống như điều chế, mã hóa, băng thông, bộ lọc ước tính kênh và điều khiển khuếch đại tự động Thích nghi lai ARQ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền tải.
Hiệu suất lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) là yếu tố quan trọng cho kết nối đáng tin cậy trên kênh không dây Để nâng cao hiệu suất này, cơ chế Yêu cầu lặp lại tự động (ARQ) được sử dụng, cho phép máy phát chia nhỏ các gói dữ liệu từ các lớp cao hơn thành các gói phụ và truyền chúng tuần tự Nếu một gói phụ bị nhận sai, máy phát sẽ thực hiện việc truyền lại Cơ chế ARQ không chỉ cải thiện khả năng phục hồi mà còn tạo ra sự đa dạng thời gian, giúp hệ thống chống lại tiếng ồn, nhiễu và hiện tượng mờ dần.
Các tiêu chuẩn trước đây đã áp dụng khóa dịch pha, trong khi các sơ đồ điều chế hiệu quả hơn như 64-QAM (Điều chế biên độ cầu phương) hiện đang được sử dụng cho các hệ thống 4G.
- IMT-A phiên bản tương thích của WiMAX hoặc WiMAX 2 dựa trên chuẩn IEEE 802.16m
- WiMAX (Khả năng tương tác toàn cầu cho truy cập lò vi sóng) là công nghệ truy cập băng thông rộng không dây dựa trên IP
- Wirelessman đang được phát triển.
- Việc triển khai WiMAX hiện tại không tuân thủ thông số kỹ thuật 4G
- Sử dụng OFDM trong đường lên và đường xuống
- WiMAX di động, tiêu chuẩn IEEE 802.16e cung cấp tốc độ dữ liệu cao nhất của đường xuống 128 Mbit / s và đường lên 56 Mbit / s trên kênh rộng 20 MHz.
4G LTE (Tiến hóa dài hạn) Nâng cao
IMT, hay còn gọi là E-UTRA (Truy cập vô tuyến UMTS mặt đất tiến hóa) và E-UTRAN (Mạng truy cập vô tuyến mặt đất tiến hóa UMTS), là phiên bản khiếu nại của LTE.
UMTS Long Term Evolution (LTE) được giới thiệu trong 3GPP Release 8, hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối đa lên tới 300 Mbps với công nghệ 4 × 4 MIMO và 150 Mbps với 2 × 2 MIMO trong đường xuống, cùng với tốc độ 75 Mbps trong đường lên.
10 của LTE có khả năng tiếp cận IMT-A, tải xuống tối đa 1 Gbps và tải lên tối đa
- Sử dụng OFDMA cho đường xuống & Sử dụng nhiều truy cập phân chia tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho đường lên.
- Sử dụng điều chế 64QAM
- Sử dụng MIMO và hình thành chùm tia với tối đa 4 ăng ten nhận dữ liệu trong 4G
Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE
Kiến trúc của LTE
Kiến trúc cao cấp của hệ thồng gói tin đã phát triển (EPS/ Evoled Packet
System) có 3 thành phần chính đó là:
Thiết bị người dùng (UE/ User Equiqment).
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved
UMTS Terrestrial Radio Access Network).
Lõi gói phát triển (EPC) là thành phần quan trọng trong mạng viễn thông, cho phép giao tiếp hiệu quả với các mạng dữ liệu gói bên ngoài như Internet, mạng công ty tư nhân và các hệ thống con đa phương tiện IP.
Các giao diện giữa các phần khác nhau của hệ thống được ký hiệu là Uu, S1 và Sgi Mỗi thiết bị người dùng (UE), mạng E-UTRAN và EPC đều sở hữu kiến trúc nội bộ riêng biệt.
Hình 1.1: Kiến trúc cao cấp của LTE
Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE)
Kiến trúc của thiết bị đầu cuối (UE).
Hình 1.2: Kiến trúc của thiết bị đầu cuối người dùng (UE)
Thiết bị liên lạc thực tế được gọi là thiết bị di động (ME/ Mobility
Thiết bị di động, chẳng hạn như điện thoại di động hoặc điện thoại thông minh, chỉ là một thiết bị duy nhất trong trường hợp kết nối dữ liệu 4G Tuy nhiên, thiết bị di động có thể được chia thành hai phần khác nhau.
- Thiết bị đầu cuối di động (MT/ Mobile Termination) xử lý tất cả các chức năng giao tiếp.
- Thiết bị đầu cuối (TE/ Terminal Equipment) là nơi kết thúc các luồng dữ liệu.
Một ví dụ về đầu cuối di động là thẻ LTE cắm vào máy tính xách tay, trong đó máy tính xách tay chính là thiết bị đầu cuối.
Thẻ mạch tích hợp đa năng (UICC/ Universal Integrated Circuit Card) là một thẻ thông minh, thường được gọi là thẻ SIM (Cubscriber Identity
- Nó chạy một ứng dụng được gọi là mô-đun nhận dạng thuê bao chung
(USIM/ Universal Subscriber Identity Module), lưu trữ dữ liệu đành riêng cho người dùng, chẳng hạn như số điện thoại người dùng và dnah tính mạng gia đình.
- Một số dữ liệu trên USIM có thể được tải xuống từ các máy chủ quản lý thiết bị do nhà điều hành quản lý
LTE hỗ trợ điện thoại di động sử dụng các phiên bản IP như IPv4, IPv6, hoặc IP kép phiên bản 4 và 6 Mỗi điện thoại di động sẽ nhận một địa chỉ IP cho từng mạng dữ liệu gói mà nó kết nối.
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS
Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS đã phát triển thành E-UTRAN, chuyên xử lý thông tin liên lạc vô tuyến giữa thiết bị di động và gói lõi, với sự hiện diện của các eNodeB (eNB) Kiến trúc E-UTRAN được xem là kiến trúc phẳng.
Nút B (eNodeB) là thành phần cốt lõi trong kiến trúc E-UTRAN, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp giao diện vô tuyến cho cả mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển, kết nối trực tiếp với thiết bị người dùng (UE).
Mục tiêu của công nghệ mới này là mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao tốc độ dữ liệu và cải thiện hiệu suất QoS, đảm bảo sự công bằng hơn cho tất cả người dùng.
eNB có 3 chức năng chính đó là: nhận dữ liệu trong 4G
eNB gửi tín hiệu vô tuyến đến tất cả các điện thoại di động trong mạng và nhận tín hiệu từ chúng, sử dụng các chức năng xử lý tín hiệu tương tự và kỹ thuật số của giao diện không khí LTE.
eNB quản lý hoạt động cấp thấp của tất cả các điện thoại di động thông qua việc gửi các thông điệp báo hiệu, chẳng hạn như lệnh chuyển giao, liên quan đến các đường truyền vô tuyến.
Mỗi trạm gốc kết nối với EPC qua giao diện S1 và có khả năng kết nối với các trạm gốc lân cận thông qua giao diện X2 Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để bảo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao.
Hình 1.3: Kiến trúc của E-UTRAN
1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của E-UTRAN.
Mặt phẳng người sử dụng: Giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN, bao gồm các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link
Control) và MAC (Medium Access Control).
PDCP (Packet Data Convergence Protcol) : Là giao thức hội tụ số liệu gói, đảm bảo nén tiêu đề giao thức và thực hiện mật mã hóa số liệu.
RLC (Radio Link Control): điều khiển liên kết vô tuyến, chịu trách nhiệm truyền số liệu tin cậy, lớp con của lớp 2.
MAC (Medium Access Control): điều khiển môi trường, chịu trách nhiệm lập biểu và phát lại nhanh, lớp con của lớp 2.
Mặt phẳng điều khiển trong 4G chỉ định các giao thức tầng truy cập, với các lớp thấp hơn hoạt động tương tự như mặt phẳng người dùng nhưng không nén Header Điều này cho phép nhận dữ liệu một cách hiệu quả trong mạng 4G.
Lõi gói phát triển (EPC)
1.2.4.1 Kiến trúc của lõi gói phát triển
Các thành phần chính của mạng lõi phát triển EPC bao gồm:
Hình 1.5: Các thành phần chính của lõi gói phát triển (EPC)
Thực thể quản lý di động (MME) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động của thiết bị di động Nó gửi các thông điệp báo hiệu liên quan đến bảo mật và quản lý luồng dữ liệu không thuộc về truyền thông vô tuyến, đảm bảo hiệu suất và an toàn cho các kết nối di động.
Cổng phục vụ (S-GW/ Serving Gateway) đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và cổng PDN Trong một mạng thông thường, có thể có một số cổng phục vụ, mỗi cổng quản lý các điện thoại di động trong một khu vực địa lý cụ thể Mỗi thiết bị di động được chỉ định một cổng phục vụ duy nhất, nhưng cổng phục vụ có thể thay đổi nếu thiết bị di động nhận dữ liệu trong mạng 4G.
Cổng mạng dữ liệu gói (PDN-GW) là điểm kết nối giữa EPC và thế giới bên ngoài qua giao diện SGi Mỗi cổng PDN có khả năng trao đổi dữ liệu với nhiều thiết bị hoặc mạng dữ liệu gói, chẳng hạn như Internet và hệ thống con đa phương tiện IP.
Chuyển vùng cho phép người dùng sử dụng dịch vụ di động khi ra ngoài vùng phủ sóng của nhà mạng chính, nhờ vào việc kết nối với tài nguyên từ hai mạng khác nhau Điều này được thực hiện dựa trên sự tồn tại của một thỏa thuận chuyển vùng giữa các nhà khai thác mạng.
Hình 1.6: Kiến trúc thông thường của LTE cho di động chuyển vùng đang giao tiếp với
Internet và hệ thống con đa phương tiện IP
Nhà khai thác mạng gia đình có thể theo dõi lưu lượng cước phí trực tiếp thông qua kiến trúc này, chỉ cần một thỏa thuận chuyển vùng cơ bản với mạng truy cập Hai mạng sẽ trao đổi thông tin qua đường trục giữa các nhà khai thác, được gọi là trao đổi gói IP (IPX) hoặc trước đây là trao đổi chuyển vùng GPRS (GRX).
Giao tiếp với hệ thống con đa phương tiện IP thông qua breakout cục bộ mang lại hai lợi ích quan trọng cho liên lạc bằng giọng nói Thứ nhất, người dùng có thể thực hiện cuộc gọi thoại nội hạt mà không cần lưu lượng truy cập trở lại mạng gia đình Thứ hai, họ có khả năng thực hiện cuộc gọi khẩn cấp, được xử lý bởi các dịch vụ khẩn cấp địa phương.
EPC được chia thành 3 loại khu vực khác nhau. nhận dữ liệu trong 4G
Hình 1.7: Mối quan hệ giữa các khu vực Tracking, khu vực Pool MME và khu vực
Khu vực Pool MME là nơi thiết bị di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi kết nối với MME Mọi khu vực chung được quản lý bởi một hoặc nhiều MME, trong khi các trạm gốc kết nối với tất cả MME trong khu vực chung thông qua giao diện S1-MME Ngoài ra, các khu vực Pool có thể chồng chéo lên nhau, tạo nên sự linh hoạt trong việc quản lý kết nối.
Khu vực dịch vụ S-GW là vùng được cung cấp bởi một hoặc nhiều cổng phục vụ, cho phép thiết bị di động di chuyển mà không cần phải thay đổi cổng Khu vực dịch vụ S-GW không nhất thiết phải tương ứng với khu vực Pool của MME.
Các khu vực Pool MME và Service S-GW được cấu thành từ các đơn vị nhỏ hơn, không chồng chéo, được gọi là khu vực theo dõi (TA/Tracking Area) Những khu vực này đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi vị trí của điện thoại di động khi ở chế độ chờ, tương tự như cách mà vị trí và khu vực định tuyến hoạt động trong UMTS và GSM.
1.2.4.4 Đánh số, địa chỉ và nhận dạng.
Mỗi MME có 3 đặc điểm nhận dạng chính:
Mỗi khu vực nhóm MME được xác định thông qua danh tính nhóm MME 16 bits (MMEGI), trong khi mã MME 8 bits (MMEC) được sử dụng để xác định duy nhất MME trong khu vực nhóm.
Việc kết hợp mã định danh MME (MMEI) 24 bits giúp xác định duy nhất MME trong một mạng cụ thể Qua đó, danh tính mạng cho phép xác định số nhận dạng MME duy nhất trên toàn cầu (GUMMEI) và nhận dữ liệu trong mạng 4G.
Hình 1.8: Danh tính được MME sử dụng.
Mỗi khu vực theo dõi (TA) có 2 đặc điểm nhận dạng chính:
- Mã vùng theo dõi 16 bits (TAC) các định một vùng theo dõi trong một mạng cụ thể.
- Kết hợp điều này với nahanj dạng mạng sẽ tạo ra nhận dạng khu vực theo dõi duy nhất trên toàn cầu (TAI).
Cells cũng có 3 kiểu nhận dạng:
Nhận dạng cells E-UTRAN gồm 28 bits, cho phép xác định một cell trong mạng cụ thể, trong khi mã nhận dạng toàn cầu tế bào E-UTRAN (ECGI) có khả năng xác định một ô ở bất kỳ vị trí nào trên thế giới.
Điện thoại di động liên kết với nhiều danh tính khác nhau, trong đó quan trọng nhất là nhận dạng thiết bị di động và nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI), giúp xác định duy nhất UICC và USIM.
IMSI là một thông tin quan trọng mà kẻ xâm nhập có thể sử dụng để nhân bản thiết bị di động, vì vậy cần tránh truyền nó qua giao diện không khí Thay vào đó, MME xác định từng thiết bị di động bằng cách sử dụng danh tính tạm thời, được cập nhật thường xuyên Ba loại nhận dạng tạm thời này rất quan trọng và được minh họa trong hình 1.9 phần màu xám.
Hình 1.9: Danh tính tạm thời được sử dụng bởi điện thoại di động
Việc thêm mã MME giúp nhận dạng thuê bao di động tạm thời 40 bit S (S-TMSI) và nhận dạng di động trong khu vực nhím MME Cuối cùng, việc bổ sung danh nhận dữ liệu trong 4G, bao gồm nhóm MME và danh tính PLMN, dẫn đến việc tạo ra danh tính tạm thời duy nhất trên toàn cầu (GUTI).
Các giao thức truyền thông
Mỗi giao diện trong phần trước kết nối với ngăn xếp giao thức, cho phép các yếu tố mạng trao đổi dữ liệu và tin nhắn báo hiệu Hình 2.10 minh họa cấu trúc cấp cao của các ngăn giao thức này.
Hình 1.10 Kiến trúc giao thức cấp cao của LTE
Ngăn xếp giao thức bao gồm hai mặt phẳng: mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển Các giao thức trong mặt phẳng người dùng tập trung vào việc xử lý dữ liệu liên quan đến người dùng, trong khi các giao thức trong mặt phẳng điều khiển chỉ xử lý các thông báo báo hiệu liên quan đến các yếu tố mạng Ngăn xếp giao thức được cấu thành từ hai lớp chính.
- Lớp trên thao tác thông tin theo cách cụ thể đối với LTE.
- Lớp thấp hơn vận chuyển thông tin từ điểm này sang điểm khác
Không có tên phổ quát cho những lớp này, nhưng trong E-UTRAN, chúng được gọi một cách tương đối là lớp mạng radio và lớp mạng vận chuyển.
Ta có 3 loại giao thức:
- Giao thức báo hiệu (signaling protocols) xác định một ngôn ngữ mà hai thiết bị có thể trao đổi tin nhắn tín hiệu với nhau.
- Giao thức mặt phẳng (user plane protocols) người dùng vận chuyển dữ liệu trong mặt phẳng người dùng, thường xuyên nhất để giúp định tuyến dữ liệu trong mạng.
- Giao thức vận chuyển (transport protocols) truyền dữ liệu và tin nhắn báo hiệu từ điểm này sang điểm khác.
Trên giao diện không trung, có một mức phức tạp hơn nữa, được hiển thị trong Hình 2.11 nhận dữ liệu trong 4G
Hình 1.11 Mối quan hệ giữa tầng truy cập và tầng không truy cập trên giao diện không trung
MME (Mobile Management Entity) điều khiển hành vi của thiết bị di động thông qua tin nhắn báo hiệu Tuy nhiên, không có kết nối trực tiếp giữa MME và thiết bị di động; mọi giao tiếp đều phải thông qua các tin nhắn này Để quản lý hiệu quả, giao diện không trung được chia thành hai cấp độ, được gọi là Tầng.
Tầng truy cập (AS) và tầng không truy cập (NAS) là hai khái niệm quan trọng trong hệ thống mạng Tin nhắn báo hiệu mức độ cao được truyền tải trong tầng không truy cập và sử dụng giao thức tầng truy cập qua giao diện S1 và Uu, nơi S1 và Uu đại diện cho giao diện không trung.
1.2.5.2 Giao thức vận chuyển giao diện không trung
Giao diện không trung, hay còn gọi là giao diện Uu, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa thiết bị di động và trạm gốc Hình 2.12 minh họa các giao thức vận chuyển liên quan đến giao diện này.
Hình 1.12 Giao thức vận chuyển được sử dụng trên giao diện không trung Nguồn: TS
36.300 Được sao chép bởi sự cho phép của ETSI
Lớp vật lý giao diện không trung, bắt đầu từ đáy, đảm nhiệm chức năng xử lý tín hiệu số và tín hiệu tương tự, phục vụ cho việc gửi và nhận thông tin giữa trạm di động và trạm gốc Để tìm hiểu sâu hơn về phần này, bạn có thể tham khảo chương 6.
Ba giao thức tiếp theo tạo nên lớp liên kết dữ liệu (lớp 2 của mô hình OSI):
Giao thức điều khiển truy cập trung bình (MAC) trong mạng 4G thực hiện việc quản lý và điều phối truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động và trạm gốc Bằng cách lập lịch truyền dữ liệu, MAC đảm bảo hiệu quả trong việc điều khiển mức độ thấp của lớp vật lý, giúp tối ưu hóa quá trình nhận dữ liệu.
Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến điện (RLC) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối dữ liệu giữa hai thiết bị, đảm bảo rằng các luồng dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy và chính xác.
Giao thức hội tụ dữ liệu (PDCP) thực hiện các chức năng quan trọng trong việc vận chuyển dữ liệu, bao gồm nén tiêu đề và bảo mật thông tin.
1.2.5.3 Các giao thức vận chuyển mạng cố định
Các giao diện trong mạng cố định sử dụng các giao thức vận chuyển IETF tiêu chuẩn, được hiển thị trong hình 2.13
Hình 1.13 Giao thức vận chuyển được sử dụng bởi mạng cố định
Mỗi giao diện trên mạng vận chuyển được định tuyến sử dụng các giao thức từ lớp 1 đến lớp 4 của mô hình OSI Ở tầng thấp nhất của ngăn xếp, mạng vận chuyển có thể áp dụng bất kỳ giao thức nào phù hợp cho lớp 1 và lớp 2, như Ethernet, thường kết hợp với các giao thức khác như chuyển đổi nhãn đa giao thức (MPLS).
Mỗi phần tử mạng được gán một địa chỉ IP, và mạng vận chuyển sử dụng Giao thức Internet (IP) để định tuyến thông tin giữa các phần tử LTE hỗ trợ cả IP phiên bản 4 và IP phiên bản 6 cho việc này Trong lõi gói phát triển, việc hỗ trợ IPv4 là bắt buộc, trong khi hỗ trợ IPv6 được khuyến nghị khi mạng truy cập vô tuyến có thể sử dụng một hoặc cả hai giao thức.
Giao thức IP hoạt động như một lớp vận chuyển giữa các yếu tố mạng, đảm bảo kết nối giữa từng cặp thiết bị Trong hệ thống này, có ba giao thức vận chuyển chính được sử dụng.
- UDP (user datagram protocol): truyền không tin cậy nhưng đảm bảo nhanh
- TCP: truyền tin cậy, chính xác (sẽ truyền lại nếu gói tin truyền đi không đúng)
SCTP (Stream Control Transmission Protocol) được xây dựng dựa trên TCP và tích hợp nhiều tính năng bổ sung, giúp nó trở nên phù hợp hơn cho việc cung cấp thông điệp báo hiệu và nhận dữ liệu trong mạng 4G.
Mặt phẳng người dùng sử dụng giao thức UDP để giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu Trong khi đó, sự lựa chọn của mặt phẳng điều khiển lại phụ thuộc vào cách thức hiển thị và quản lý giao thức báo hiệu.
1.2.5.4 Giao thức mặt phẳng người dùng.
Mặt phẳng người dùng LTE có các cơ chế chuyển tiếp dữ liệu hiệu quả giữa thiết bị di động và cổng PDN (Packet Data Network), nhằm đáp ứng sự thay đổi vị trí của thiết bị Những cơ chế này được thực hiện thông qua các giao thức mặt phẳng người dùng, như thể hiện trong hình 2.14.
Hình 1.14 Giao thức mặt phẳng người dùng được LTE sử dụng
Một vài ví dụ điển hình về báo hiệu điều khiển tròn 4G LTE
1.2.6.1 Báo hiệu tầng truy nhập.
Bài viết này giới thiệu các yếu tố mạng và ngăn xếp giao thức, đồng thời cung cấp ví dụ về sự tương thích giữa các thành phần khác nhau Đặc biệt, chúng ta sẽ xem xét quá trình trao đổi tin nhắn báo hiệu RRC giữa thiết bị di động và trạm gốc, với hình 2.16 minh họa trình tự tin nhắn cho quy trình RRC liên quan đến vận chuyển khả năng UE.
Quy trình vận chuyển khả năng UE bắt đầu khi eNB muốn xác định khả năng truy cập vô tuyến của thiết bị di động, bao gồm tốc độ dữ liệu tối đa và thông số kỹ thuật tương thích Để thực hiện điều này, giao thức RRC tạo ra một thông báo yêu cầu khả năng UE và gửi đến thiết bị di động Thiết bị di động sẽ phản hồi bằng một thông báo RRC mang tên thông tin khả năng UE, trong đó liệt kê các khả năng cần thiết Các ngăn xếp giao thức tương ứng được minh họa trong hình 2.17.
Hình 1.17 Các ngăn xếp giao thức được sử dụng để trao đổi tin nhắn báo hiệu RRC giữa thiết bị di động và trạm gốc.
Trạm gốc thực hiện việc sáng tác và yêu cầu sử dụng thông qua giao thức RRC, xử lý thông tin bằng PDCP, RLC và MAC, và truyền tải qua lớp vật lý giao diện không trung Thiết bị di động nhận và xử lý thông tin từ trạm gốc bằng cách sử dụng chuỗi giao thức tương tự theo chiều ngược lại Sau khi nhận được tin nhắn, thiết bị di động sẽ đọc và sáng tác câu trả lời, sau đó truyền tải tin nhắn này một cách chính xác.
1.2.6.2 Báo hiệu tầng không truy nhập.
Ví dụ báo hiệu tiếp theo là phức tạp hơn một chút Hình 2.18a hiển thị trình tự tin nhắn cho thủ tục EMM được gọi là RealLocation GUTI.
Hình 1.18 Quy trình phân bổ lại GUTI
(a) tin nhắn tầng không truy cập (b) vận chuyển tin nhắ sử dụng tầng truy cập
The EMM GUTI RealLocation command allows the MME to provide mobile devices with a new global temporary identifier In response, the mobile device sends a confirmation back to the MME through a reallocation complete EMM GUTI message.
LTE vận chuyển các thông báo này bằng cách nhúng chúng vào tin nhắn S1-AP và nhận dữ liệu trong 4G
Chức năng chính của các tin nhắn trong hệ thống là truyền tải tin nhắn EMM và ESM Bên cạnh đó, mạng cũng có khả năng vận chuyển các tin nhắn tầng không truy cập bằng cách nhúng chúng vào các tin nhắn S1-AP và RRC khác, cho phép chúng thực hiện chức năng truy cập bổ sung riêng Hình 2.19 minh họa các ngăn xếp giao thức liên quan đến chuỗi thông báo này.
Hình 1.19 Ngăn xếp giao thức được sử dụng để trao đổi thông báo báo hiệu tầng không truy cập giữa thiết bị di động và MME.
MME thực hiện lệnh Reallocation GUTI bằng cách sử dụng giao thức EMM, nhúng nó vào tin nhắn Transport NAS của S1-AP Downlink và gửi đến trạm gốc qua các cơ chế vận chuyển của giao diện S1 Trạm gốc sau đó mở thông báo EMM, nhúng vào bên vận chuyển thông tin RRC DL và gửi đến thiết bị di động qua giao thức giao diện không trung Thiết bị di động nhận tin nhắn, cập nhật GUTI và gửi xác nhận lại qua cùng một ngăn xếp giao thức.
CÁC THỦ TỤC TRUYỀN VÀ NHẬN DỮ LIỆU TRONG 4G LTE
Thủ tục truyền dữ liệu
2.1.1 Truyền và tiếp nhận Downlink
Hình 2.1:Quy trình truyền và nhận đường xuống
Quy trình và tiếp nhận tuyến đường xuống gồm 3 bước:
Trạm cơ sở khởi động quy trình bằng cách gửi lệnh lập lịch đến thiết bị di động, sử dụng thông tin điều khiển đường xuống (DCI - Downlink Control Information) được truyền qua kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH - Physical Downlink Control Channel).
Lệnh lập lịch trình cảnh báo trên thiết bị di động thông báo về một lần truyền dữ liệu sắp tới, đồng thời chỉ định cách thức gửi dữ liệu bằng cách xác định các tham số như lượng dữ liệu, phân bổ khối tài nguyên và sơ đồ điều chế.
- Bước 2: Trạm gốc truyền dữ liệu trên kênh DL-SCH (Downlink Shared
Channel: kênh chia sẻ đường xuống) và kênh PDSCH (Physical Downlink Shared Channel: kênh chia sẻ đường xuống vật lý).
Dữ liệu bao gồm 1 hoặc 2 khối truyền tải với thời gian truyền (TTI) tương đương 1ms, tương ứng với khoảng thời gian của khung con.
Trong bước 3, điện thoại di động sẽ gửi một xác nhận ARQ (Allocation Retention Priority) để xác minh tính chính xác của dữ liệu Mục tiêu chính của ARP là xác định xem có chấp nhận yêu cầu thiết lập hoặc thay đổi kênh hay không, hoặc từ chối do hạn chế tài nguyên Bên cạnh đó, eNodeB cũng có thể sử dụng ARP để quyết định các kênh mang cần hủy bỏ khi tài nguyên bị hạn chế, chẳng hạn như trong trường hợp chuyển giao.
Nó gửi xác nhận qua kênh PUSCH (Kênh chia sẻ đường lên vật lý) khi truyền dữ liệu đường lên trong một khung con, và sử dụng kênh PUCCH (Kênh điều khiển đường lên vật lý) trong 4G để gửi xác nhận khi không truyền dữ liệu.
Các kênh truyền tải đóng vai trò quan trọng trong việc truyền số liệu qua giao diện vô tuyến, thể hiện các đặc tính và phương thức truyền tải Kênh vật lý liên quan đến các phần tử tài nguyên mang thông tin từ các lớp cao hơn Sự chuyển đổi giữa kênh truyền tải và kênh vật lý diễn ra giữa lớp 2 và lớp 1 trong giao thức của eNodeB và UE.
Nếu trạm gốc không nhận được phản hồi tích cực sau khi đạt số lần truyền tối đa, nó sẽ chuyển sang đường truyền mới Bộ RLC (Điều khiển Liên kết Vô tuyến) sẽ đảm nhận việc giải quyết vấn đề này.
Thời gian truyền đường xuống như sau: Lệnh lập lịch nằm trong vùng điều khiển ở đầu khung con đường xuống
Trong chế độ FDD, có một khoảng thời gian trễ cố định giữa khối truyền tải và sự báo nhận, cụ thể là bốn khung con, giúp trạm gốc khớp hai phần thông tin một cách chính xác.
Mỗi khung vô tuyến 10 được chia thành 10 khe 1ms, với mỗi khe chứa hai khung con 0,5ms Mỗi khung con bao gồm 14 ký hiệu OFDM, dẫn đến việc mỗi khe chứa 7 ký hiệu OFDM Thời gian truyền dẫn cho một khe 1ms được gọi là TTI (Time Transmission Interval) Thời gian của một ký hiệu OFDM là T=1/14ms Việc lập biểu và thích ứng miền tần số nhanh cần phải được thực hiện trong một TTI.
Hình 2.2 Cấu trúc khung chế độ FDD
- Trong chế độ TDD, độ trễ là từ 4-13 khung con, theo một ánh xạ phụ thuộc vào cấu hình TDD nhận dữ liệu trong 4G
Hình 2.3.Mối quan hệ giữa thời gian của dữ liệu đường xuống và xác nhận đường lên
Đường xuống sử dụng một số quy trình ARQ kết hợp song song:
- Trong chế độ FDD, số lượng ARQ kết hợp tối đa là tám
- Trong chế độ TDD, số lượng tối đa phụ thuộc vào cấu hình TDD, lên đến mức tối đa tuyệt đối là 15 cho cấu hình TDD 5
- Đường xuống LTE sử dụng kỹ thuật được gọi là ARQ kết hợp không đồng bộ
2.1.2 Truyền và tiếp nhận Uplink
Hình 2.4 Quy trình truyền và nhận đường lên
Quy trình truyền và nhận đường lên gồm 2 bước:
Trạm gốc khởi động quy trình bằng cách gửi khoản cấp lịch đến thiết bị di động qua PDCCH, cho phép thiết bị này truyền tải và xác định các tham số cần thiết như kích thước khối truyền tải, phân bổ khối tài nguyên và sơ đồ điều chế.
- Bước 2: Đáp lại, điện thoại di động thực hiện truyền dữ liệu đường lên trên kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH:Uplink Shared Channel) và PUSCH.
Nếu trạm gốc không nhận được dữ liệu một cách chính xác thì có 2 cách để nó phản hồi lại:
Trạm gốc có khả năng kích hoạt quá trình truyền lại không thích ứng bằng cách gửi cho thiết bị di động một xác nhận âm thông qua PHICH (Physical Hybrid ARQ) trong mạng 4G.
Kênh chỉ thị HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) là một phương thức quan trọng trong lĩnh vực vật lý, cho phép thiết bị di động truyền tải dữ liệu cùng với các thông số mà nó đã sử dụng lần đầu.
Trạm gốc có khả năng khởi động quá trình truyền lại thích ứng bằng cách gửi một khoản trợ cáp lập lịch mới cho thiết bị di động thông qua kênh PDCCH.
Nếu trạm gốc nhận được dữ liệu một cách chính xác thì nó có thể phản hồi theo 2 cách tương tự:
- Gửi một xác nhận tích cực trên PHICH để kết thúc thủ tục
- Gửi một cấp lập lịch mới trên PDCCH để yêu cầu một đường truyền mới
Nếu điện thoại di động nhận xác nhận PHICH và khoản trợ cấp lập lịch PDCCH trong cùng một khung con, quyền lập lịch sẽ được ưu tiên cấp phát.
Trong hình 2.4, các bước 3-5 giả định rằng trạm gốc không thể giải mã được tín hiệu từ thiết bị di động trong lần truyền đầu tiên, nhưng đã thành công trong lần truyền thứ hai.
Truyền thông điệp lập lịch trên PDCC
2.2.1 Thông tin điều khiển đường xuống ( Downlink Control Information-DCI)
Khi xem xét chi tiết các thủ tục truyền và nhận, chúng ta sẽ bắt đầu với việc truyền thông tin điều khiển đường xuống trên PDCCH.
Trạm gốc sử dụng thông tin điều khiển đường xuống để gửi lệnh lập lịch đường xuống, cấp lập lịch đường lên và điều khiển công suất đường lên cho thiết bị di động.
DCI có thể được trình bày dưới nhiều định dạng khác nhau, như được nêu trong bảng 3.1 Mỗi định dạng này bao gồm một tập hợp thông tin riêng biệt và phục vụ cho những mục đích cụ thể.
Bảng 2.1 Danh sách các định dạng DCI và ứng dụng của chúng
Định dạng DCI 0 cung cấp các khoản trợ cấp lập lịch cho việc truyền tải đường lên của thiết bị di động Trong khi đó, các lệnh lập lịch cho truyền tải đường xuống phức tạp hơn và được xử lý trong các bản phát hành DCI 1-1D và 2-2A.
Định dạng DCI 1 cho phép lập lịch dữ liệu mà trạm gốc truyền tải thông qua ăng-ten, phân tập vòng hở hoặc định dạng chùm Điều này được áp dụng cho điện thoại di động đã được cấu hình để sử dụng một trong các chế độ truyền đường xuống 1, 2 hoặc 7.
Khi áp dụng định dạng này, trạm gốc có khả năng linh hoạt chỉ định khối tài nguyên đường xuống thông qua hai lược đồ phân bổ tài nguyên, được phân loại là loại 0 và loại 1, như đã nêu trong bảng trên.
Định dạng 1A tương tự như định dạng trước đó, nhưng sử dụng kiểu phân bổ tài nguyên nhỏ gọn gọi là kiểu 2 tại trạm gốc Định dạng 1A có khả năng hoạt động trong mọi chế độ truyền đường xuống.
Định dạng 1C sử dụng một dạng rất nhỏ gọn chỉ xác định phân bổ tài nguyên và lượng dữ liệu mà trạm gốc sẽ gửi nhận dữ liệu trong 4G
- Trong quá trình truyền dữ liệu tiếp theo, sơ đồ điều chế được cố định ở QPSK và ARQ kết hợp không được sử dụng.
- Định dạng 1C chỉ được sử dụng để lập lịch thông báo thông tin hệ thống ,thông báo phân trang và phản hồi truy cập ngẫu nhiên
Các định dạng 1B, 1D, 2 và 2A được áp dụng cho phân tập truyền vòng kín trong triển khai Release 8 của MIMO nhiều người dùng, đồng thời hỗ trợ ghép kênh không gian cho cả vòng kín và vòng hở.
Chúng bao gồm các trường bổ sung để báo hiệu thông tin như ma trận tiền mã hóa mà trạm gốc sẽ áp dụng cho PDSCH
Định dạng DCI 3 và 3A không lên lịch cho các quá trình truyền, mà thay vào đó, chúng điều khiển công suất mà thiết bị di động truyền trên đường lên thông qua phương pháp điều khiển công suất nhúng các lệnh.
Trạm gốc có nhiều cách khác nhau để phân bổ các khối tài nguyên cho các điện thoại di động riêng lẻ ở đường lên và đường xuống
Trên đường xuống, có thể áp dụng hai định dạng phân bổ tài nguyên linh hoạt là loại 0 và 1, cùng với một định dạng nhỏ gọn là loại 2.
Khi áp dụng kiểu cấp phát tài nguyên đường xuống 0, trạm gốc sẽ tập hợp các khối tài nguyên thành các nhóm RBG (Resource Block Group), mỗi nhóm được gán riêng lẻ thông qua một Bimbap.
Với kiểu phân bổ tài nguyên 1, nó có thể chỉ định các khối tài nguyên riêng lẻ trong một nhóm
Phù hợp trong môi trường có độ mờ dần phụ thuộc vào tần số.
Khi áp dụng phân bổ tài nguyên loại 2, trạm gốc sẽ cung cấp cho thiết bị di động một chuỗi liên tiếp các khối tài nguyên ảo (VRB - Virtual Resource Block).
Trong đường xuống, chúng có 2 loại: tập trung và phân tán.
Các khối tài nguyên ảo được tập trung giống hệt với các khối tài nguyên vật lý PRB (Physical Resource Block)
Thiết bị di động chỉ đơn giản nhận được phân bổ khối tài nguyên liền kề.
Các khối tài nguyên ảo phân tán có liên quan đến các khối tài nguyên vật lý bằng thao tác ánh xạ
Cung cấp sự đa dạng tần số bổ sung cho thiết bị di động, công nghệ này rất phù hợp trong các môi trường có tần số mờ dần, giúp nâng cao khả năng nhận dữ liệu trong mạng 4G.
2.2.3 Tỉ số nhận dạng tạm thời của mạng vô tuyến
Trạm gốc truyền một bản tin lập lịch PDCCH bằng cách định địa chỉ nó tới một định danh tạm thời của mạng vô tuyến RNTI ( Radio Network Temporary
Identifier).Trong LTE, RNTI xác định 2 chiều
Danh tính của các thiết bị di động sẽ đọc thông báo lập lịch
Loại thông tin đang được lập lịch
Bảng 2.2 liệt kê các RNTI được LTE sử dụng cùng với các giá trị thập lục phân mà chúng có thể sử dụng.
Bảng 2.2 Danh sách các định danh tạm thời của mạng vô tuyến và ứng dụng
C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier) là một yếu tố quan trọng trong mạng di động Trạm gốc chỉ định một C-RNTI duy nhất cho từng thiết bị di động trong quá trình truy cập ngẫu nhiên Sau đó, thiết bị có thể được lên lịch truyền dữ liệu mở rộng trên một khung con thông qua thông báo lập lịch gửi đến C-RNTI của nó.
SPS C-RNTI được sử dụng để lập lịch bán liên tục
- Đầu tiên trạm gốc chỉ định một SPS C-RNTI cho một thiết bị di động bằng cách sử dụng báo hiệu RRC dành riêng cho thiết bị di động
Lên lịch cho nhiệm vụ chuyển đổi mở rộng trên các khung con bằng cách gửi thông báo lập lịch có định dạng đặc biệt tới SPS C-RNTI.
RNTI phân trang (P-RNTI) và RNTI thông tin hệ thống (SI-RNTI) là các giá trị cố định quan trọng trong việc lập lịch truyền tải các bản tin phân trang và thông tin hệ thống đến tất cả các điện thoại di động trong ô.
C-RNTI tạm thời và RNTI truy cập ngẫu nhiên (RA-RNTI) là các trường tạm thời trong quy trình truy cập ngẫu nhiên
MBMS RNTI ( M-RNTI) được sử dụng bởi dịch vụ quảng bá/ phát đa phương tiện
Truyền dữ liệu trên PDSCH và PUSCH
2.3.1 Xử lý kênh vận chuyển
Sau khi trạm gốc gửi lệnh lập lịch cho thiết bị di động, thiết bị sẽ truyền DL-SCH theo cách đã được xác định trong lệnh Khi nhận được trợ cấp lập lịch đường lên, thiết bị di động cũng sẽ truyền UL-SCH tương tự.
Hình 2.7 minh họa các bước mà bộ xử lý kênh truyền tải thực hiện để gửi dữ liệu Ở phần trên cùng của hình, giao thức điều khiển truy cập phương tiện MAC (Medium Access Control) truyền tải thông tin đến lớp vật lý dưới dạng các khối dữ liệu.
- Kích thước của mỗi khối truyền tải được xác định bởi thông tin điều khiển đường xuống, trong khi thời lượng của nó là khoảng thời gian truyền 1ms.
Trong mạng 4G, điện thoại di động gửi một khối truyền tải trong quá trình lên và nhận một hoặc hai khối truyền tải từ trạm gốc trong quá trình xuống Khi sử dụng ghép kênh không gian với định dạng DCI 2-2D, trạm gốc có thể gửi hai khối truyền tải đến từng thiết bị di động Hai khối này có thể có các sơ đồ điều chế và tốc độ mã hóa khác nhau, được ánh xạ đến các lớp khác nhau và được công nhận là riêng biệt, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
Trong đường xuống (Hình 4.1a), trạm gốc thêm CRC 24 bit vào mỗi khối truyền tải DL-SCH (khối này cuối cùng di động dùng để phát hiện lỗi).
- Nếu khối kết quả dài hơn 6144 bit thì trạm gốc sẽ phân đoạn nó thành các khối mã nhỏ hơn và thêm 1 CRC khác vào mỗi khối.
Sau khi dữ liệu được chuyển qua bộ mã hóa tốc độ, giai đoạn tiếp theo là so khớp tỷ lệ lưu trữ các bit kết quả trong một bộ đệm tròn Từ bộ đệm này, các bit sẽ được chọn để truyền đi.
- Cuối cùng, trạm gốc tập hợp lại các khối vận chuyển được mã hóa và gửi chúng đến bộ xử lý kênh vật lý dưới dạng từ mã.
Tròn đường lên ( Hình 4.1b) thiết bị di động truyền UL-SCH bằng bước trạm gốc đã sử dụng ở đường xuống
Khi thiết bị di động gửi thông tin điều khiển đường lên trong cùng một khung con, nó sẽ xử lý các bit điều khiển bằng cách áp dụng sửa lỗi chuyển tiếp và kết hợp chúng vào UL-SCH, như thể hiện trong hình vẽ.
2.3.2 Xử lý kênh vật lý
Bộ xử lý kênh truyền tải chuyển các từ mã đi đến bộ xử lý kênh vật lý được thể hiện trong hình 2.8 dưới đây:
Hình 2.8: Xử lý kênh vật lý với (a) PDSCH (b) PUSCH
Trong giai đoạn xáo trộn, mỗi từ mã được kết hợp với một chuỗi giả ngẫu nhiên dựa trên ID tế bào vật lý và RNTI mục tiêu, nhằm giảm thiểu nhiễu từ các đường truyền của các ô lân cận.
Bộ lập bản đồ điều chế trong công nghệ 4G sử dụng các phương pháp như QPSK, 16-QAM và 64-QAM để nhóm các bit kết quả theo từng cặp, nhóm bốn hoặc sáu Các bit này được ánh xạ vào các thành phần trong pha và vuông góc, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu.
- Giai đoạn ánh xạ lớp lấy các từ mã và ánh xạ chúng vào một đến bốn lớp độc lập
- Giai đoạn tiền mã hóa áp dụng ma trận tiền mã hóa đã chọn và ánh xạ các lớp lên các cổng ăng-ten khác nhau.
Trình ánh xạ phần tử tài nguyên chuyển đổi từ chế độ nối tiếp sang chế độ song song, đồng thời ánh xạ kết quả đầu vào từ các luồng phụ vào các sóng mang con đã được lựa chọn.
PDSCH chiếm các phần tử tài nguyên trong trong vùng dữ liệu của mỗi khung con chưa được gán cho các kênh hoặc tín hiệu khác.
Cuối cùng, bộ tạo tín hiệu OFDMA áp dụng phép biến đổi Fourier nghịch đảo chuyển đổi song song thành nối tiếp và chèn tiền tố tuần hoàn.
Kết quả là biểu diễn kỹ thuật số của dữ liệu miền thời gian sẽ được truyền từ mỗi cổng ăng-ten.
Trong đường lên (Hình 4.2b) chỉ có một số khác biệt :
Thứ nhất, quy trình bao gồm FFT chuyển tiếp là đặc điểm phân biệt của SC-FDMA.
Thứ hai, không có ánh xạ lớp hoặc mã hóa trước vì đường lên không sử dụng MIMO của người dùng duy nhất trong LTE Release 8.
Thứ ba, PUSCH chiếm một tập hợp các khối tài nguyên liền kề về phía trung tâm của dải đường lên với các cạnh dành riêng cho PUCCH.
Mỗi khung con chứa 6 ký hiệu PUSCH và 1 ký hiệu tham chiếu giải điều chế được minh họa trong hình 2.9 dưới đây:
Hình 2.9 minh họa ánh xạ phần tử tài nguyên cho PUSCH và tín hiệu tham chiếu giải điều chế của nó, áp dụng chế độ FDD với băng thông 3MHz, đồng thời cấp phát ví dụ cho PUCCH.
Truyền các chỉ số ARQ lai trên PHICH
2.4.1 Giới thiệu Đến đây, chúng ta bắt đầu tìm hiểu về phản hồi mà người nhận gửi lại cho người phát Phản hồi của trạm gốc dễ hiểu hơn phản hồi của thiết bị di động và là nơi tốt hơn để bắt đầu. nhận dữ liệu trong 4G
Trong quá trình truyền và nhận dữ liệu, trạm gốc gửi các báo nhận đến điện thoại di động thông qua các chỉ báo ARQ kết hợp, sử dụng kênh chỉ báo lai ARQ vật lý.
Kỹ thuật truyền chính xác phụ thuộc vào cấu hình PHICH của ô chứa 2 tham số:
Thời lượng PHICH (bình thường hoặc kéo dài)
Một tham số Ng có thể nhận các giá trị 1/6, 1/2, 1 hoặc 2.
Kỹ thuật truyền cũng phụ thuộc vào khoảng thời gian tiền tố theo chu kỳ.
2.4.2 Ánh xạ phần tử tài nguyên của PHICH
Trạm gốc truyền chỉ báo ARQ kết hợp trong vùng điều khiển đường xuống sử dụng ba nhóm phần tử tài nguyên, với tổng cộng 12 phần tử tài nguyên, được gọi là nhóm PHICH.
Số lượng nhóm PHICH phụ thuộc vào băng thông ô và giá trị tài nguyên.
Trong chế độ FDD, thông tin không thay đổi, trong khi ở chế độ TDD, nó có thể thay đổi giữa các khung con khác nhau Điều này xảy ra vì trạm gốc cần gửi nhiều xác nhận hơn trong một số khung con TDD so với các khung con khác.
Mỗi nhóm PHICH được ánh xạ tới các nhóm phần tử tài nguyên chưa được gán cho PCFICH.
Trong khung con, biểu tượng đầu tiên hiển thị khi sử dụng thời lượng PHICH bình thường, trong khi khi sử dụng thời lượng PHICH kéo dài, có thể xuất hiện hai hoặc ba biểu tượng.
Hình 2.10 cho thấy một ánh xạ ví dụ cho một trạm gốc đang sử dụng thời lượng PHICH bình thường và 2 nhóm PHICH
Hình 2.10 minh họa ánh xạ phần tử tài nguyên cho PHICH, sử dụng thời lượng PHICH bình thường với băng thông 1,4MHz Cổng ăng-ten đầu tiên của hai nhóm nhận dữ liệu PHICH có ID tế bào vật lý là 1 và 2 trong mạng 4G.
Một nhóm PHICH không chỉ dành riêng cho một thiết bị di động mà được chia sẻ giữa 8 điện thoại, với mỗi thiết bị được gán một chỉ số chuỗi trực giao riêng biệt.
Một thiết bị di động xác định số nhóm PHICH và chỉ số trình tự trực giao thông qua hai tham số từ cấp lập lịch ban đầu.
Khối tài nguyên vật lý đầu tiên được sử dụng để truyền đường lên bao gồm một tham số quan trọng gọi là dịch chuyển theo chu kỳ.
Số nhóm PHICH và chỉ số chuỗi trực giao được gọi là tài nguyên PHICH
2.4.3 Xử lý kênh vật lý của PHICH Để truyền một chỉ báo ARQ kết hợp, trạm gốc điều chỉnh nó bằng BPSK, sử dụng các ký hiệu +1 và -1 cho các báo nhận dương và âm tương ứng
Sau đó nó trải rộng từng chỉ số trên bốn biểu tượng trong một nhóm phần tử tài nguyên bằng cách nhân nó với chuỗi trực giao đã chọn
Có 4 chuỗi cơ bản có sẵn cho trạm gốc:
Mỗi thành phần có thể được áp dụng cho các thành phần trong pha và vuông góc của tín hiệu, tạo ra tổng cộng 8 chuỗi trực giao cho tất cả.
Trạm gốc có khả năng gửi đồng thời báo nhận đến 8 điện thoại di động trong một nhóm PHICH bằng cách gán các chỉ mục trình tự trực giao khác nhau và thêm ký hiệu kết quả Kỹ thuật này rất phù hợp cho những người chưa có kinh nghiệm về đa truy cập phân chia theo mã, và là một trong số ít ứng dụng của LTE trong công nghệ CDMA (đa truy cập phân chia theo mã).
Thông tin điều khiển Uplink
Thiết bị di động gửi ba loại thông tin điều khiển uplink đến trạm gốc:
Báo nhận Hybrid ARQ từ bộ chuyển giao downlink yêu cầu lên lịch uplink và cung cấp thông tin trạng thái kênh của trạm gốc Thông tin trạng thái kênh này bao gồm các yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
- Chỉ báo chất lượng kênh (CQI: channel quality indicator)
- Chỉ báo Ma trận Precoding (PMI: precoding matrix indicator)
Chỉ báo xếp hạng (RI: rank indicator) nhận dữ liệu trong 4G thông qua các báo nhận hybrid ARQ Ở chế độ FDD, thiết bị di động tính toán một hoặc hai xác nhận trên mỗi khung và truyền chúng cho bốn khung phụ Trong khi đó, ở chế độ TDD, quy trình phức tạp hơn, với thiết bị di động báo nhận một downlink subframe tại một thời điểm tương tự như ở FDD Để báo nhận nhiều subframe, thiết bị có thể sử dụng gói ACK/NACK để gửi tối đa hai xác nhận cho mỗi dòng khối vận chuyển song song Mỗi xác nhận sẽ xác thực nếu khối giao thông tương ứng được nhận thành công trong tất cả các downlink subframe Ngoài ra, khi sử dụng ghép kênh ACK/NACK, thiết bị di động tính toán một báo nhận cho từng downlink subframe và có thể truyền tối đa bốn xác nhận cùng lúc cho dữ liệu nhận được trong bốn downlink subframes, mặc dù kỹ thuật này không được hỗ trợ trong cấu hình TDD 5.
Trong chế độ TDD, lệnh lập lịch bao gồm nhiều chỉ số phân công Downlink, cho biết tổng số bộ truyền dẫn Downlink mà thiết bị di động cần nhận cùng lúc với dữ liệu theo lịch trình Điều này giúp giảm nguy cơ báo nhận định dạng sai khi thiết bị di động bỏ lỡ một lệnh lập lịch trước, từ đó giảm tỷ lệ lỗi tổng thể trên giao diện không trung.
2.5.2 Chỉ báo chất lượng kênh
Chỉ báo chất lượng kênh (CQI) là một chỉ số bốn bit, phản ánh tốc độ dữ liệu tối đa mà thiết bị di động có thể xử lý với tỷ lệ lỗi khối dưới 10% CQI chủ yếu phụ thuộc vào tín hiệu nhận được và tỷ lệ nhiễu, vì tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể đạt được khi SINR (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu) ở mức cao Tuy nhiên, nó cũng bị ảnh hưởng bởi khả năng hoàn tất của bộ thu di động; một bộ thu nâng cao có thể xử lý thành công dữ liệu ngay cả khi SNIR thấp.
Bảng 8.4 minh họa cách CQI được áp dụng trong sơ đồ điều chế Downlink và tỷ lệ mã hóa Cột cuối cùng của bảng chỉ ra số bit thông tin trên mỗi ký hiệu, được tính bằng cách nhân tỷ lệ mã hóa với 2, 4 hoặc 6, liên quan đến việc nhận dữ liệu trong mạng 4G.
Bảng 2.3 cung cấp giải thích về chỉ báo chất lượng kênh, tập trung vào sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã hóa mà thiết bị di động có khả năng nhận tín hiệu thành công.
Do sự giảm dần của phụ thuộc tần số, chất lượng kênh có thể biến đổi trên dải Downlink Để phản ánh điều này, trạm gốc có thể thiết lập thiết bị di động để báo cáo CQI theo ba phương thức khác nhau.
Báo cáo băng rộng (WB: wideband reporting) bao gồm toàn bộ băng tần downlink
Trạm gốc chia dải Downlink thành các dải phụ, và thiết bị di động sẽ báo cáo một giá trị CQI cho từng dải phụ Báo cáo cấu hình băng tần phụ lớp cao giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Báo cáo băng tần phụ được chọn từ thiết bị di động (UE) cho thấy rằng thiết bị này lựa chọn các băng tần phụ có chất lượng kênh tốt nhất và cung cấp thông tin về vị trí cùng với CQI kéo dãn và băng rộng riêng CQI (clgt) Khi nhận được nhiều hơn một khối vận chuyển, thiết bị di động có khả năng báo cáo các giá trị CQI khác nhau cho từng khối, nhằm phản ánh rằng các lớp khác nhau có thể đến thiết bị với các giá trị SINR khác nhau.
Trạm gốc sử dụng CQI để tính toán chương trình điều chế và tỷ lệ mã hóa, đồng thời hỗ trợ lên lịch tần số phụ thuộc Mặc dù CQI có sự phụ thuộc tần số, trạm gốc chỉ áp dụng một sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã hóa độc lập cho mỗi khối vận chuyển trong việc truyền dữ liệu Downlink.
Thiết bị di động sẽ báo cáo chỉ báo xếp hạng khi được cấu hình để ghép kênh không gian trong chế độ truyền 3 hoặc 4 Chỉ báo xếp hạng này dao động từ 1 đến số lượng cổng ăng ten của trạm gốc, đồng thời phản ánh chỉ số lớp tối đa mà thiết bị di động có khả năng nhận được thành công.
Thiết bị di động cung cấp một chỉ báo xếp hạng duy nhất cho toàn bộ băng Downlink, cho phép tính toán PMI bằng cách lựa chọn sự kết hợp tối ưu để tối đa hóa tốc độ dữ liệu Downlink dự kiến trong mạng 4G.
2.5.4 Chỉ báo ma trận precoding
Thiết bị di động cung cấp chỉ báo ma trận Precoding khi được cấu hình cho vòng lặp ghép kênh không gian kín, đa người dùng MIMO hoặc vòng lặp kín đa dạng giao vận trong các chế độ truyền 4, 5 hoặc 6 Chỉ số PMI cho biết ma trận precoding mà trạm gốc cần áp dụng trước khi truyền tín hiệu.
PMI có thể thay đổi trên dải Downlink tương tự như CQI, với hai lựa chọn báo cáo Thiết bị di động có khả năng báo cáo một PMI cho toàn bộ băng Downlink hoặc cho tất cả băng phụ UE được chọn Khi áp dụng đa PMI, thiết bị sẽ báo cáo toàn bộ số lượng hoặc chỉ một PMI cho mỗi lớp cao hơn được cấu hình băng phụ.
Trạm gốc sử dụng PMI để tính toán ma trận Precoding cho truyền dẫn Downlink tiếp theo Dù PMI có sự phụ thuộc tần số, trạm gốc vẫn truyền dữ liệu bằng ma trận precoding độc lập tần số.
2.5.5 Cơ chế báo cáo trạng thái kênh
Thiết bị di động có thể trả về thông tin trạng thái kênh đến trạm gốc theo hai cách
Truyền thông tin điều khiển Uplink trên PUSCH
Khi thiết bị di động cần gửi thông tin điều khiển Uplink mà không truyền PUSCH trong cùng một subframe, nó sẽ truyền thông tin qua kênh vật lý điều khiển Uplink Các PUSCH có thể được truyền đi dưới nhiều định dạng khác nhau, như được trình bày trong Bảng 8.7 cho trường hợp tiền tố chu kỳ bình thường.
Bảng 2.6 Danh sách các định dạng PUSCH và các ứng dụng của chúng trong trường hợp tiền tố chu kỳ bình thường nhận dữ liệu trong 4G
Khi sử dụng định dạng PUSCH 2, 2a và 2b, bộ xử lý kênh vận chuyển thực hiện mã hóa chỉnh sửa lỗi trên thông tin trạng thái kênh, tăng số bit CSI lên 20 Tuy nhiên, yêu cầu lập lịch và xác nhận bit sẽ được gửi trực tiếp xuống lớp vật lý mà không có mã hóa.
Thiết bị di động truyền PUCCH ở các cạnh của dải Uplink để tách biệt với PUSCH Trạm gốc dự trữ khối tài nguyên ở các cạnh cực cao của dải cho các định dạng PUSCH 2, 2a và 2b, với số lượng khối được quảng bá trong SIB 2.
Các định dạng 1, 1a và 1b sử dụng khối tài nguyên với số lượng linh hoạt giữa các subframe kế tiếp dựa vào báo nhận từ trạm gốc Trạm gốc có thể chia sẻ một cặp trung gian khối tài nguyên cho tất cả các định dạng PUSCH, điều này đặc biệt hữu ích khi băng thông hạn chế Khi sử dụng tiền tố chu kỳ thông thường, các định dạng 1, 1a và 1b áp dụng bốn ký hiệu PUSCH mỗi khe cùng ba ký hiệu tham chiếu giải điều chế, trong khi định dạng 2, 2a và 2b sử dụng năm ký hiệu PUSCH mỗi khe và hai ký hiệu tham chiếu giải điều chế.
Một thiết bị di động có thể truyền PUSCH bằng hai khối tài nguyên trong khe đầu tiên và khe thứ hai của một subframe, nằm ở phía đối diện của dải tần số Tuy nhiên, thiết bị di động không tự có các khối tài nguyên này Trong định dạng PUSCH 2, 2a và 2b, mỗi cặp khối tài nguyên được chia sẻ giữa 12 thiết bị di động, sử dụng thông số riêng cho từng thiết bị, gọi là sự dịch chuyển tuần hoàn, chạy từ 0 đến một giá trị nhất định.
Trong định dạng PUSCH 1, 1a và 1b, các khối tài nguyên được phân chia cho 36 thiết bị di động thông qua việc sử dụng dịch chuyển tuần hoàn và chỉ số trình tự trực giao (chạy từ 0 đến 2) dành riêng cho từng thiết bị Điều này giúp tối ưu hóa việc nhận dữ liệu trong mạng 4G.
Hình 2.11 minh họa ánh xạ phần tử tài nguyên cho PUSCH cùng với tín hiệu tham chiếu giải điều chế trong các giải phóng 8 và 9, áp dụng chế độ FDD, với tiền tố theo chu kỳ bình thường và băng thông 3 MHz Bài viết cũng đề cập đến một cặp các khối tài nguyên dành cho các định dạng PUSCH 2, 2a và 2b, cùng với một phân bổ ví dụ cho định dạng PUSCH 1, 1a và 1b Tài nguyên PUSCH đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu trong mạng di động.
Tài nguyên PUSCH xác định ba yếu tố quan trọng: các khối tài nguyên trên thiết bị di động cần truyền PUSCH, chỉ số trình tự trực giao và dịch chuyển tuần hoàn cần sử dụng Trạm gốc có khả năng chỉ định ba loại tài nguyên PUSCH cho từng thiết bị di động.
n (1) PUSCH được áp dụng cho các báo nhận hybrid ARQ độc lập ở định dạng 1a và 1b Thiết bị di động linh hoạt tính toán n (1) PUSCH, sử dụng chỉ mục của phần tử kênh điều khiển đầu tiên mà trạm gốc sử dụng cho lệnh lập lịch theo dõi.
: được sử dụng để lập lịch theo định dạng 1
Thông tin trạng thái kênh và các xác nhận tùy chọn được sử dụng trong định dạng 2, 2a và 2b Thiết bị di động nhận tài nguyên này thông qua thông báo RRC chuyên dụng trong quá trình thiết lập hoặc cấu hình lại kết nối RRC.
Khi một thiết bị di động gửi các xác nhận Hybrid ARQ đồng thời với yêu cầu lập lịch, nó sẽ xử lý các xác nhận theo cách thông thường và truyền chúng qua n(1) PUSCH, SRI Trạm gốc cần nhận các báo nhận để xác định cách xử lý, đồng thời nhận biết yêu cầu lập lịch từ n(1) PUSCH, SRI.
Trong chế độ TDD, thiết bị di động sử dụng ghép kênh ACK/NACK có thể gửi tối đa bốn báo nhận trong một subframe Để thực hiện điều này, thiết bị thường truyền hai bit trong một tài nguyên từ bốn tài nguyên PUSCH, ký hiệu là n (1) PUSCH ,0 đến n (1) PUSCH ,3 Các bit này được tính toán từ CCE đầu tiên tương tự như n (1) PUSCH, và một bảng tra cứu sẽ xác định ánh xạ giữa các bit báo nhận và các bit được truyền, cũng như lựa chọn tài nguyên PUSCH cho việc nhận dữ liệu trong 4G.
Để gửi yêu cầu lập lịch hoặc thông tin trạng thái kênh đồng thời, thiết bị di động cần nén các báo nhận hybrid ARQ xuống hai bit thông qua một bảng tra cứu khác và truyền tải chúng trên n (1) PUSCH, SRI hoặc n (2) PUSCH theo phương thức thông thường.
2.6.3 Xử lý kênh vật lý của PUSCH
Bây giờ đã có đủ thông tin để mô tả xử lý kênh vật lý cho PUSCH.
Khi sử dụng định dạng PUSCH 1, 1a và 1b, thiết bị di động điều chỉnh bit lên một ký hiệu, áp dụng điều chế bật tắt cho yêu cầu lập lịch BPSK được sử dụng để báo nhận một bit, trong khi QPSK báo nhận hai bit Thông tin được quảng bá trong miền thời gian qua chỉ mục trình tự trực giao, thường sử dụng bốn ký hiệu, nhưng có thể chỉ qua ba ký hiệu trong khe hỗ trợ tín hiệu tham chiếu âm thanh, ưu tiên hơn các định dạng PUCCH Quá trình lan truyền tương tự như kỹ thuật trạm gốc sử dụng cho PHICH, cho phép chia sẻ ký hiệu giữa ba thiết bị di động khác nhau.
Thiết bị di động truyền thông tin qua 12 nhà cung cấp phụ trong miền tần số sử dụng dịch chuyển chu kỳ, với mục đích chia sẻ giữa 12 thiết bị di động khác nhau Mặc dù kỹ thuật thực hiện có sự khác biệt giữa các máy, nhưng cuối cùng, thiết bị di động sẽ lặp lại việc truyền khe thứ nhất và thứ hai của subframe.
Tín hiệu tham chiếu Uplink
2.7.1 Tín hiệu tham chiếu giải điều chế
Thiết bị di động truyền tín hiệu tham chiếu để giải điều chế cùng với PUSCH và PUCCH, giúp trạm gốc ước tính kênh Như minh họa trong hình 8.8 và 8.10, tín hiệu chiếm ba ký hiệu trên mỗi khe khi sử dụng định dạng PUCCH 1, 1a và 1b, hai ký hiệu khi sử dụng định dạng PUCCH 2, 2a và 2b, và một ký hiệu khi sử dụng PUSCH.
Tín hiệu tham chiếu trong giải điều chế có thể chứa từ 12 đến 36 điểm dữ liệu, tương ứng với băng thông truyền của 1 đến 3 khối tài nguyên Mỗi ô được gán cho một trong 30 nhóm trình tự, với mỗi nhóm chứa một chuỗi cơ sở có độ dài khác nhau, được tạo ra từ chuỗi zadoff-chu hoặc từ bảng tra cứu cho các trình tự ngắn Chuỗi cơ sở này sau đó được sửa đổi bằng một trong 12 ca tuần hoàn để tạo ra tín hiệu tham chiếu trong hệ thống 4G.
Lập kế hoạch nhóm trình tự trong mạng radio là quá trình gán vĩnh viễn mỗi ô cho một nhóm trình tự cụ thể Để giảm thiểu nhiễu, các ô gần nhau nên thuộc về các nhóm trình tự khác nhau.
Bước nhảy nhóm trình tự (sequence group hopping) là quá trình nhóm thay đổi giữa các khe kế tiếp, với 510 mẫu nhảy ngẫu nhiên Mô hình nhảy này phụ thuộc vào định danh ô vật lý và có thể được tính toán mà không cần kế hoạch kế tiếp.
Khi gửi tín hiệu tham chiếu PUSCH, thiết bị di động thực hiện việc tính toán dịch chuyển tuần hoàn dựa trên thông tin từ trạm gốc Trong trường hợp Uplink MIMO đa người dùng, trạm gốc có khả năng phân biệt các thiết bị di động khác nhau chia sẻ cùng một khối tài nguyên bằng cách cấp cho chúng các ca chu kỳ khác nhau Các ca chu kỳ còn lại có thể được sử dụng để phân biệt các ô gần nhau có cùng một nhóm trình tự.
Khi gửi tín hiệu tham chiếu PUSCH, thiết bị di động sử dụng ca tuần hoàn tương tự như khi truyền PUSCH và điều chỉnh tín hiệu tham chiếu giải điều chế cho các định dạng 1, 1a và 1b thông qua chỉ mục trình tự trực giao Quá trình này giúp trạm gốc phân biệt tín hiệu tham chiếu từ các thiết bị di động khác nhau đang chia sẻ các khối tài nguyên.
Có hai trường hợp khác:
Mỗi nhóm trình tự bao gồm hai trình tự cơ sở cho tất cả băng thông truyền của ít nhất sáu khối tài nguyên Thiết bị di động có thể được cấu hình để chuyển đổi giữa hai trình tự này theo một mô hình giả ngẫu nhiên.
Bước nhảy ca chu tuần là quá trình thay đổi theo dõi một cách ngẫu nhiên từ khe này sang khe khác, giúp giảm nhiễu giữa các ô gần nhau có chung nhóm trình tự.
2.7.2 Tín hiệu tham chiếu âm thanh
Thiết bị di động truyền tín hiệu tham chiếu âm thanh (SRS) giúp trạm gốc đo công suất tín hiệu nhận được trên băng thông rộng, từ đó trạm gốc sử dụng thông tin này để lập lịch phụ thuộc tần số.
Trạm gốc điều khiển thời gian của các tín hiệu tham chiếu âm thanh theo hai cách:
- Thứ nhất, nó cho các thiết bị di động biết subframe hỗ trợ nào lên tiếng, sử dụng thông số trong SIB 2 là cấu hình SRS Subframe
Vào thứ hai, mỗi thiết bị di động được cấu hình với khoảng thời gian âm thanh từ 2 đến 320 Subframes, kèm theo một phần bù trong khoảng thời gian này Thông số đặc biệt cho thiết bị di động, được gọi là chỉ mục cấu hình SRS, được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất âm thanh.
Thiết bị di động truyền tín hiệu tham chiếu âm thanh bất cứ khi nào kết quả là thời gian truyền trùng với một subframe hỗ trợ âm thanh.
Thiết bị di động gửi tín hiệu tham chiếu âm thanh trong ký hiệu cuối cùng của subframe, đặc biệt trong chế độ TDD, tín hiệu này cũng có thể được truyền trong vùng Uplink của một subframe dữ liệu trong 4G Các thiết bị di động tạo ra tín hiệu tham chiếu âm thanh tương tự như tín hiệu tham chiếu giải điều chế, nhưng với sự khác biệt là sử dụng 8 ca tuần hoàn thay vì 12, cho phép 8 thiết bị di động chia sẻ cùng một bộ các phần tử tài nguyên.
Hình 2.12 Ví dụ ánh xạ phần tử tài nguyên cho tín hiệu tham chiếu âm thanh, sử dụng tiền tố chu kỳ thông thường.
Trong miền tần số, trạm gốc điều khiển vị trí và truyền băng thông thông qua các thông số cụ thể của ô và thiết bị di động, được gọi là cấu hình băng thông SRS Các yếu tố này bao gồm băng thông SRS, vị trí miền tần số và băng thông nhảy SRS Hình ảnh minh họa cho thấy một thiết bị di động truyền trên các mặt phẳng thay thế, theo cấu hình được thiết lập bởi lược giao vận.
Để ngăn chặn xung đột giữa tín hiệu tham chiếu âm thanh và truyền tải của thiết bị di động, có nhiều phương pháp khác nhau Thiết bị di động không gửi PUSCH trong ký hiệu cuối cùng của subframe hỗ trợ âm thanh, cho phép nó gửi PUSCH và SRS trong cùng một subframe Định dạng PUSCH 2, 2a và 2b ưu tiên tín hiệu tham chiếu âm thanh với tần số riêng biệt ở rìa dải truyền không tương tác với thủ tục âm thanh Trạm gốc có thể cấu hình định dạng PUSCH 1, 1a và 1b để áp dụng kỹ thuật này thông qua phương tiện báo hiệu RRC.
Điều khiển năng lượng
2.8.1 Tính toán năng lượng Uplink
Quy trình điều khiển năng lượng Uplink tối ưu hóa công suất truyền của thiết bị di động, giúp giảm nhiễu giữa các thiết bị trong cùng một khu vực và kéo dài tuổi thọ pin Trong hệ thống LTE, thiết bị di động ước lượng năng lượng truyền tối ưu, và trạm gốc điều chỉnh ước lượng này thông qua các lệnh điều khiển năng lượng Các thiết bị di động sử dụng các phương pháp tính toán khác nhau cho PUSCH, PUSCH và SRS, với PUSCH là một ví dụ điển hình để minh họa các nguyên tắc này.
- Công suất truyền của PUSCH được tính như sau: nhận dữ liệu trong 4G
Trong phương trình này, P PUSCH (i) đại diện cho công suất truyền trên PUSCH trong subframe i, được đo bằng decibel so với 1 mW (dBm) P CMAX là công suất truyền tối đa mà thiết bị di động có thể đạt được.
P (i) = P O PUSCH + 10log 10 ( M PUSCH (i)+ Δ TF (i) + α.pl + f (i)
P O PUSCH là công suất mà trạm gốc cần nhận qua băng thông của một khối tài nguyên, bao gồm hai thành phần: đường cơ sở cụ thể của ô P O và điều chỉnh dành riêng cho thiết bị di động P O, được gửi đến thiết bị di động thông qua tín hiệu RRC.
M PUSCH (i)là số khối tài nguyên mà thiết bị di động truyền trong subframe i.
Δ TF (i) là tùy chọn điều chỉnh tốc độ dữ liệu trong subframe i, giúp thiết bị di động sử dụng công suất truyền cao hơn Điều này cho phép đạt được tốc độ mã hóa lớn hơn hoặc áp dụng sơ đồ điều chế nhanh hơn như 64-QAM.
PL, hay sự mất mát đường dẫn Downlink, là yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị di động Trạm gốc truyền công suất trên các tín hiệu tham chiếu Downlink trong SIB 2, cho phép thiết bị di động ước tính PL bằng cách so sánh với công suất nhận được Yếu tố α, một trọng số điều chỉnh, giúp giảm thiểu tác động của thay đổi PL thông qua kỹ thuật điều khiển phân số công suất Khi α được đặt trong khoảng từ 0 đến 1, trạm gốc có thể điều chỉnh tín hiệu truyền đến thiết bị ở rìa ô, giảm nhiễu cho các ô lân cận và tối ưu hóa công suất hệ thống.
Thiết bị di động có khả năng ước tính truyền công suất PUSCH dựa trên các thông số đã đề cập, nhưng độ chính xác của ước tính này có thể bị ảnh hưởng, đặc biệt trong chế độ FDD do sự khác biệt giữa các mẫu mờ trên Uplink và Downlink Để khắc phục vấn đề này, trạm gốc sẽ điều chỉnh công suất của thiết bị di động thông qua các lệnh điều khiển công suất được xử lý bởi thông số f(i).
2.8.2 Các lệnh điều khiển công suất Uplink
Trạm gốc có thể gửi các lệnh điều khiển công suất cho PUSCH theo hai cách:
Các lệnh điều khiển công suất độc lập được gửi đến các nhóm thiết bị di động thông qua định dạng DCI 3 và 3a Trạm gốc xử lý thông điệp PDCCH đến TPC-PUSCH-RNTI, định danh mạng vô tuyến chung cho toàn bộ nhóm thiết bị Thông báo này chứa lệnh điều khiển công suất riêng biệt cho từng thiết bị, xác định dựa trên phần bù đã được cấu hình trước đó thông qua tín hiệu RRC.
Thiết bị di động tích lũy lệnh điều khiển công suất theo công thức f(i) = f(i - 1) + δ PUSCH(i - K PUSCH), trong đó δ PUSCH là điều chỉnh công suất nhận được từ subframe i - K và được áp dụng trong subframe i Với K là 4 trong chế độ FDD và trong chế độ TDD, dữ liệu 4G được nhận từ subframe 4 đến 7 Đối với định dạng DCI 3, lệnh Power Control có 2 bit, cho phép điều chỉnh công suất với các mức -1, 0, 1 và 3 dB Trong khi đó, định dạng DCI 3A chỉ sử dụng một bit, dẫn đến các điều chỉnh công suất là -1 và 1 dB.
Trạm gốc có khả năng gửi lệnh điều khiển công suất hai bit đến thiết bị di động trong quá trình lập lịch grant Thiết bị di động thường diễn giải các lệnh này theo cách đã nêu Tuy nhiên, trạm gốc có thể vô hiệu hóa việc tích lũy lệnh điều khiển công suất thông qua tín hiệu RRC, và thiết bị di động sẽ thể hiện điều này qua phương trình: f (i) = δ PUSCH (i - K PUSCH) Trong tình huống này, điều chỉnh năng lượng δ PUSCH có thể nhận các giá trị -4, -1, 1 và 4 dB.
2.8.3 Điều khiển công suất Downlink Điều khiển công suất Downlink đơn giản hơn Truyền tải công suất Downlink được định lượng sử dụng năng lượng cho mỗi phần tử tài nguyên (EPRE) của một kênh hoặc tín hiệu riêng lẻ Trạm gốc có thể sử dụng EPRE khác nhau cho các tín hiệu tham chiếu
Downlink và để truyền PDSCH cho các thiết bị di động riêng lẻ
Các thiết bị di động có thể nhận thông tin về giá trị được chọn thông qua tin nhắn RRC Mỗi giá trị này hoạt động độc lập với tần số và chỉ thay đổi thỉnh thoảng Thay vì điều chỉnh các giá trị này, trạm gốc sẽ thích ứng với sự thay đổi trong mất tuyến Downlink của thiết bị di động bằng cách điều chỉnh sơ đồ điều chế và tốc độ mã hóa Điều này cho thấy rằng công suất Downlink được coi là một tài nguyên chia sẻ, nhằm ngăn chặn việc trạm gốc phân bổ quá nhiều công suất cho các thiết bị di động ở xa, vốn không thể sử dụng công suất một cách hiệu quả.
Sự tiếp nhận không liên tục
2.9.1 Tiếp nhận và phân trang không liên tục trong RRC_IDLE
Khi thiết bị di động ở trạng thái tiếp nhận không liên tục (DRX), trạm gốc chỉ gửi thông tin điều khiển Downlink trên PDCCH trong các subframe xác định Giữa các subframe, thiết bị có thể ngừng theo dõi PDCCH và chuyển sang chế độ ngủ để tiết kiệm pin Tiếp nhận không liên tục được thực hiện thông qua hai cơ chế hỗ trợ phân trang trong RRC_IDLE và truyền dữ liệu tốc độ thấp trong RRC_CONNECTED.
Trong trạng thái RRC_IDLE, việc tiếp nhận không liên tục được quy định bởi chu kỳ DRX, dao động từ 32 đến 256 khung (tương đương 0,32 đến 2,56 giây) Trạm gốc sẽ chỉ định một độ dài chu kỳ DRX mặc định trong SIB 2, tuy nhiên, thiết bị di động có khả năng yêu cầu một độ dài chu kỳ khác trong quá trình đính kèm hoặc khi cập nhật khu vực theo dõi.
Thiết bị di động sẽ khôi phục hoạt động tại mỗi khung chu kỳ DRX, với số khung phân trang trong một khung hệ thống phụ thuộc vào định danh theo dõi của thuê bao di động quốc tế.
Hình 2.13 Hoạt động của tiếp nhận và phân trang không liên tục trong RRC-IDLE
Trong quá trình phân trang, thiết bị di động giám sát một subframe được gọi là công việc phân trang phụ thuộc vào IMSI Khi thiết bị phát hiện thông tin điều khiển Downlink được gửi đến P-RNTI ở đầu subframe, nó sẽ tiếp tục nhận thông điệp phân trang RRC trên PDSCH trong phần còn lại của subframe Mạng nhận biết IMSI của thiết bị di động, từ đó có khả năng gửi thông tin điều khiển và thông báo phân trang trong subframe sửa lỗi.
Một số thiết bị di động có khả năng chia sẻ cùng một công việc phân trang, dẫn đến xung đột Để khắc phục tình trạng này, thông điệp phân trang sẽ bao gồm danh tính của thiết bị di động đích, sử dụng S-TMSI (nếu có) hoặc IMSI Khi thiết bị di động phát hiện một ca khớp, nó sẽ phản hồi lại thông báo phân trang thông qua quy trình quản lý di động EPS, được gọi là yêu cầu dịch vụ.
2.9.2 Tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected
Trong trạng thái RRC_Connected, trạm gốc thiết lập các thông số tiếp nhận không liên tục cho thiết bị di động thông qua báo hiệu RRC Trong quá trình tiếp nhận không liên tục, thiết bị di động sẽ đánh thức trong mỗi chu kỳ DRX và giám sát PDCCH trong khoảng thời gian gọi là active time trước khi quay lại trạng thái ngủ.
Hình 2.14 Hoạt động của việc tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected
Các bộ đếm thời gian đóng góp vào thời gian hoạt động của thiết bị di động Ban đầu, thiết bị vẫn duy trì trạng thái thức trong khoảng thời gian từ 1 đến 200 subframe, chờ nhận thông báo lịch trình trên PDCCH Khi có khung đến, thiết bị tiếp tục thức trong thời gian hẹn giờ không hoạt động của DRX, dao động từ 1 đến 2560 subframes sau mỗi lệnh PDCCH Các bộ hẹn giờ khác cũng đảm bảo rằng thiết bị vẫn thức trong khi chờ thông tin như truyền lại Hybrid ARQ Khi tất cả các bộ hẹn giờ hết hạn, thiết bị sẽ trở lại trạng thái ngủ Trạm gốc có thể gửi lệnh DRX để đưa thiết bị vào trạng thái ngủ rõ ràng bằng cách gửi một phần tử điều khiển MAC.
Có hai chu kỳ tiếp nhận không liên tục trong hệ thống DRX: chu trình DRX dài (từ 10 đến 2560 subframe) và chu kỳ DRX ngắn tùy chọn (từ 2 đến 640 subframe) Khi cả hai chu kỳ được cấu hình, thiết bị di động sẽ bắt đầu bằng chu kỳ ngắn và chuyển sang chu kỳ dài nếu không nhận được lệnh PDCCH sau khi hết thời gian chu kỳ ngắn DRX (từ 1 đến 16 chu kỳ).
