Đề tài: “Các thủ tục truyền và nhận dữ liệu trong 4G” Giảng Viên: Nguyễn Thanh Trà Sinh viên thực hiện: Hà Nội, tháng 10 năm 2021 Page | 1 Báo hiệu và điều khiển kết nối Các thủ tục truyền và nhận dữ liệu trong 4G LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn mục trong những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di dộng thế hệ thứ 3 (3G) chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta đã bắt đầu nói về công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Thế nhưng nói một cách chính xác thì 4G là gì? Liệu có một định nghĩa thống nhất cho thế hệ mạng thông tin di động 4G? Khái niệm 4G bắt nguồn từ đâu? Có nhiều định nghĩa khác nhau về 4G, có định nghĩa theo hướng công nghệ, có định nghĩa theo hướng dịch vụ. Đơn giản nhất, 4G là thế hệ tiếp theo cùa mạng thông tin di động không dây. 4G là một giải pháp dể vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G. Thực tế, vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. 4G còn là thể hiện của ý tưởng, hy vọng của những nhà nghiên cứu ở các trường đại học, học viện, các công ty xây dựng dựa trên nền tảng viễn thông hay thông tin di động hay nhiều công ty khác với momg muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà 3G không thế đáp ứng được. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ 4G LTE 1.1 Tổng quan về 4G LTE 4 1.1.1 Khái niệm 4G LTE 4 1.1.2 Ứng dụng. 5 1.1.3 Hệ thống truyền thông 4G 5 1.2 Sự phát triển triến trúc hệ thống 4G LTE 7 1.2.1 Kiến trúc của LTE 7 1.2.2 Thiết bị đầu cuối (hay còn gọi là thiết bị người dùng UE). 7 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network). 8 1.2.3.1 Kiến trúc của E-UTRAN. 8 1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của E-UTRAN. 9 1.2.4 Lõi gói phát triển (EPC) 10 1.2.4.1 Kiến trúc của lõi gói phát triển 10 1.2.4.2 Kiến trúc chuyển vùng. 11 1.2.4.3 Các khu vực mạng. 12 1.2.4.4 Đánh số, địa chỉ và nhận dạng. 12 1.2.5 Các giao thức truyền thông. 14 1.2.5.1 Mô hình giao thức 14 1.2.5.2 Giao thức vận chuyển giao diện không trung 15 1.2.5.3 Các giao thức vận chuyển mạng cố định 16 1.2.5.4 Giao thức mặt phẳng người dùng. 17 1.2.5.5 Các giao thức báo hiệu. 17 1.2.6 Một vài ví dụ điển hình về báo hiệu điều khiển tròn 4G LTE 19 1.2.6.1 Báo hiệu tầng truy nhập. 19 1.2.6.2 Báo hiệu tầng không truy nhập. 20 CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC TRUYỀN VÀ NHẬN DỮ LIỆU TRONG 4G LTE. 2.1 Thủ tục truyền dữ liệu 22 2.1.1 Truyền và tiếp nhận Downlink 22 2.1.2 Truyền và tiếp nhận Uplink 24 2.1.3 Semi Persistent Scheduling (lập lịch bán liên tục) 26 2.2 Truyền thông điệp lập lịch trên PDCC 27 2.2.1 Thông tin điều khiển đường xuống (Downlink Control Information-DCI) 27 2.2.2 Phân bổ tài nguyên 28 2.2.3 Tỉ số nhận dạng tạm thời của mạng vô tuyến 29 2.2.4 Truyền và tiếp nhận dữ liệu của PDCCH 30 2.3 Truyền dữ liệu trên PDSCH và PUSCH 31 2.3.1 Xử lý kênh vận chuyển 31 2.3.2 Xử lý kênh vật lý 32 2.4 Truyền các chỉ số ARQ lai trên PHICH 34 2.4.1 Giới thiệu 34 2.4.2 Ánh xạ phần tử tài nguyên của PHICH 34 2.4.3 Xử lý kênh vật lý của PHICH 35 2.5 Thông tin điều khiển Uplink 36 2.5.1 Báo nhận Hybrid ARQ 36 2.5.2 Chỉ báo chất lượng kênh 37 2.5.3 Chỉ báo xếp hạng 38 2.5.4 Chỉ báo ma trận precoding 38 2.5.5 Cơ chế báo cáo trạng thái kênh 38 2.5.6 Yêu cầu lập lịch 39 2.6 Truyền thông tin điều khiển Uplink trên PUSCH 40 2.6.1 Định dạng PUSCH 40 2.6.2 Tài nguyên PUSCH 41 2.6.3 Xử lý kênh vật lý của PUSCH 42 2.7 Tín hiệu tham chiếu Uplink 42 2.7.1 Tín hiệu tham chiếu giải điều chế 42 2.7.2 Tín hiệu tham chiếu âm thanh 43 2.8 Điều khiển năng lượng 45 2.8.1 Tính toán năng lượng Uplink 45 2.8.2 Các lệnh điều khiển công suất Uplink 46 2.8.3 Điều khiển công suất Downlink 46 2.9 Sự tiếp nhận không liên tục 47 2.9.1 Tiếp nhận và phân trang không liên tục trong RRC_IDLE 47 2.9.2 Tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected 48 Kết Luận 48 Lời cảm ơn 49
Tổng quan về 4G LTE
Khái niệm 4G LTE
4G, thế hệ mạng di động tiếp theo của 3G, được IEEE phát triển để phân biệt với các tiêu chuẩn mạng trước đó như 2G và 3G Các tiêu chuẩn cơ bản của mạng 4G đã được ITU-R chính thức thiết lập vào tháng 3 năm 2008, được gọi là IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced).
Được thúc đẩy bởi yêu cầu của ITU đối với IMT-Advanced, 3GPP đã bắt đầu nghiên cứu các cải tiến cho LTE Kết quả chính từ nghiên cứu này là một đặc điểm kỹ thuật cho hệ thống LTE-Advanced, với các yêu cầu chính 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) Nó cho phép người dùng truy cập nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau và hỗ trợ tính năng di động, mang lại trải nghiệm dịch vụ đồng nhất và liên tục 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 đã được thiết kế để 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
- Có thể tự động chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều người dùng cùng một lúc.
- Sử dụng các kênh có băng thông 5-20 MHz, tùy chọn đến 40 MHz.
- 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 nâng cao 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 tải nhiều tín hiệu đồng thời qua kênh truyền thông Nhờ đó, tốc độ dữ liệu trong các hệ thống MIMO được gia tăng theo số lượng anten được sử dụng.
Trong OFDM, tín hiệu chính được phân chia thành nhiều tần số băng tần hẹp khác nhau Những tần số này được điều chế bằng dữ liệu và sau đó được kết hợp lại để tạo thành sóng mang OFDM.
OFDM có thể được triển khai hiệu quả thông qua các biến đổi Fourier nhanh (FFT) tại cả máy phát và máy thu, giúp cung cấp đáp ứng kênh cho từng tần số Khi kết hợp với MIMO, đáp ứng kênh trở thành ma trận, cho phép MIMO-OFDM được xử lý bằng đại số ma trận một cách tương đối đơn giản.
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 đã dẫn đến sự phát triển của IPv6 để đáp ứng nhu cầu kết nối cho một số lượng lớn thiết bị trong công nghệ 4G Mạng Adhoc cũng được hỗ trợ bởi IPv6, giúp tối ưu hóa khả năng kết nối trong môi trường di động.
Cơ chế điều chế và mã hóa thích ứng (AMC) phản ứng linh hoạt với các biến đổi tức thời trong điều kiện kênh, cho phép sửa đổi định dạng mã hóa và điều chế Dựa trên phản hồi từ người nhận, kênh được ước tính, từ đó AMC có khả năng chỉ định các tốc độ dữ liệu khác nhau cho từng người dùng tùy thuộc vào điều kiện kênh Thống kê kênh hỗ trợ cả máy phát và máy thu 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 là một phần quan trọng trong quá trình này.
Hiệu suất lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) là yếu tố quan trọng để đảm bảo liên kết đáng tin cậy trên kênh không dây Để cải thiện điều này, cơ chế Yêu cầu lặp lại tự động (ARQ) được áp dụng, trong đó máy phát chia nhỏ các gói dữ liệu thành các gói phụ và truyền chúng tuần tự Nếu một gói phụ không được nhận chính xác, máy phát sẽ truyền lại gói đó Cơ chế ARQ không chỉ giúp khôi phục dữ liệu mà còn mang lại sự đa dạng về thời gian, giúp hệ thống kháng lại tiếng ồn, nhiễu và hiện tượng mờ dần.
Các tiêu chuẩn trước đây 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 là một phiên bản khiếu nại của LTE, thường được gọi là E-UTRA (Truy cập vô tuyến UMTS mặt đất tiến hóa) hoặc E-UTRAN (Mạng truy cập vô tuyến mặt đất tiến hóa UMTS).
UMTS Long Term Evolution (LTE) được giới thiệu trong 3GPP Release 8, cung cấp 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 lên tới 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
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 hệ thống viễn thông, có nhiệm vụ kết nối với các mạng dữ liệu gói bên ngoài như internet, mạng doanh nghiệp 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 smartphone, thường được coi là một thiết bị duy nhất Tuy nhiên, thiết bị di động có thể được phân chia thành hai phần chính.
- 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.
Ví dụ, một đầu cuối di động có thể là thẻ LTE cắm vào máy tính xách tay, trong tình huống này, thiết bị đầu cuối chính là máy tính xách tay.
• Thẻ mạch tích hợp đa năng (UICC/ Universal Integrated Circuit Card) là một thẻ thông minh, thường được gọi là thẻ SIM (Subscriber 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 với các phiên bản IP khác nhau, bao gồm IPv4, IPv6, và IP kép phiên bản 4 hoặc 6 Mỗi điện thoại di động sẽ nhận một địa chỉ IP cho mỗi mạng dữ liệu gói mà nó kết nối.
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS đã phát triển (E-UTRAN/ Evolved UMTS
UTRAN/ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS đã phát triển thành E-UTRAN, đảm nhiệm việc xử lý thông tin liên lạc vô tuyến giữa thiết bị di động và gói lõi thông qua các eNodeB (eNB) Do đó, kiến trúc E-UTRAN được xác định là kiến trúc phẳng.
Nút B (eNodeB) là thành phần chính trong kiến trúc E-UTRAN, đóng vai trò cung cấp giao diện vô tuyến cho cả mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển, kết nối trực tiếp đến thiết bị người dùng (UE).
Mục tiêu của công nghệ mới này là mở rộng vùng phủ sóng, cải thiện tốc độ dữ liệu và nâng cao hiệu suất chất lượng dịch vụ (QoS) một cách công bằng hơn cho tất cả người dùng.
• eNB có 3 chức năng chính đó là:
eNB truyền tải các tín hiệu vô tuyến đến tất cả điện thoại di động qua đường xuống và nhận tín hiệu từ chúng qua đường lên, 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 của tất cả các điện thoại di động thông qua việc gửi các thông điệp báo hiệu, bao gồm lệnh chuyển giao liên quan đến các đường truyền vô tuyến.
Mỗi trạm gốc kết nối với EPC qua giao diện S1 và có thể kết nối với các trạm gốc lân cận thông qua giao diện X2, chủ yếu được sử dụng để bảo hiệu và chuyển tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao.
UTRAN 1.2.3.2 Các kiến trúc giao thức của E-
• 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 xác định các giao thức tầng truy cập, cho phép các lớp thấp hơn hoạt động tương tự như mặt phẳng người dùng, nhưng không thực hiện việc nén Header.
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 lí di động (MME) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động của thiết bị di động Nó thực hiện nhiệm vụ gửi các thông điệp báo hiệu nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến bảo mật và quản lý các luồng dữ liệu không thuộc về truyền thông vô tuyến.
Cổng phục vụ (S-GW) hoạt động như một thiết bị định tuyến cao cấp, có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu giữa trạm gốc và cổng PDN Trong một mạng điển hình, có thể có nhiều cổng phục vụ, mỗi cổng quản lý các thiết bị di động trong một khu vực địa lý cụ thể Mỗi thiết bị di động chỉ được gán cho một cổng phục vụ duy nhất, tuy nhiên, cổng phục vụ có thể thay đổi khi thiết bị di động di chuyển ra xa khu vực quản lý của cổng đó.
Cổng mạng dữ liệu gói (PDN-GW) là điểm kết nối giữa EPC và thế giới bên ngoài thông qua giao diện SGi Mỗi cổng PDN thực hiện việc trao đổi dữ liệu với nhiều thiết bị bên ngoài hoặc mạng dữ liệu gói, chẳng hạn như một cổng cho Internet và một cổng cho 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 của mình, thông qua việc kết nối với tài nguyên của hai mạng khác nhau Điều này dựa trên sự tồn tại của một thỏa thuận chuyển vùng giữa các nhà khai thác.
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 truy cập và tính phí trực tiếp nhờ vào kiến trúc này, chỉ cần một thỏa thuận chuyển vùng cơ bản với mạng được truy cập Hai mạng sẽ trao đổi thông tin thông qua đường trục giữa các nhà khai thác, được gọi là trao đổi gói IP (IPX) hoặc theo tên cũ là trao đổi chuyển vùng GPRS (GRX).
Giao tiếp với hệ thống con đa phương tiện IP thường áp dụng breakout cục bộ, giúp cổng PDN nằm trong mạng truy cập Điều này mang lại hai lợi ích quan trọng cho liên lạc bằng giọng nói: người dùng có thể thực hiện cuộc gọi nội hạt mà không cần truy cập lại mạng gia đình và 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.
Hình 1.7: Mối quan hệ giữa các khu vực Tracking, khu vực Pool MME và khu vực
Khu vực pool MME là nơi mà thiết bị di động có thể di chuyển mà không cần thay đổi kết nối với MME Tất cả các khu vực chung được quản lý bởi một hoặc nhiều MME, và mỗi trạm gốc được liên kết với tất cả các MME trong khu vực chung thông qua giao diện S1-MME Đặc biệt, các khu vực pool có thể chồng chéo lên nhau, cho phép tối ưu hóa khả năng phục vụ và kết nối.
Khu vực phục vụ S-GW là vùng được hỗ trợ bởi một hoặc nhiều cổng phục vụ, cho phép thiết bị di động di chuyển mà không cần phải thay đổi cổng phục vụ.
Service area S-GW không nhất thiết phải tương ứng với Pool area MME.
Khu vực hồ bơi MME và khu vực dịch vụ S-GW được cấu thành từ các đơn vị nhỏ hơn, không chồng chéo, 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 chức năng định vị và khu vực định tuyến trong các hệ thống 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) đảm bảo sự nhận diện duy nhất của MME trong khu vực nhóm đó.
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 chúng ta có được số nhận dạng MME duy nhất trên toàn cầu (GUMMEI).
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 sử dụng 28 bit để xác định một cell trong mạng cụ thể, trong khi mã nhận dạng toàn cầu tế bào E-UTRAN (ECGI) cho phép xác định một ô ở bất kỳ đâu trên thế giới.
• Một điện thoại di động cũng được liên kết với một số danh tính khác nhau
Quan trọng nhất là việc nhận dạng thiết bị di động và mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI), đây là những yếu tố quan trọng giúp xác định duy nhất UICC và USIM.
IMSI là thông tin quan trọng mà kẻ xâm nhập có thể sử dụng để nhân bản thiết bị di động, vì vậy cần tránh truyền tải qua giao diện không khí Thay vào đó, MME sử dụng danh tính tạm thời để xác định từng thiết bị di động, với các danh tính này được cập nhật định kỳ Ba loại nhận dạng tạm thời này rất quan trọng và được thể hiện trong hình 1.9 phần màu xám.
Hình 1.9: Danh tính tạm thời được sử dụng bởi điện thoại di động
Việc bổ sung mã MME giúp nhận dạng thuê bao di động tạm thời 40 bit S (S-TMSI) trong khu vực MME, đồng thời thêm danh tính nhóm MME và danh tính PLMN tạo ra số lượng quan trọng nhất, dẫn đến danh tính tạm thời duy nhất toàn cầu (GUTI).
Các giao thức truyền thông
Mỗi giao diện trong phần trước liên kết 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 Mặt phẳng người dùng tập trung vào việc xử lý dữ liệu liên quan đến người dùng, trong khi mặt phẳng điều khiển xử lý các thông báo tín hiệu, chủ yếu quan tâm 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 trongHình 2.11.
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 các tin nhắn báo hiệu, nhưng không có kết nối trực tiếp giữa MME và thiết bị Để xử lý vấn đề này, giao diện không trung được chia thành hai tầng: Tầng Access (AS) và Tầng non-access (NAS) Các tin nhắn báo hiệu mức độ cao thuộc tầng không truy cập và được truyền tải qua giao thức tầng truy cập của giao diện S1 và Uu.
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 không trung, cho thấy cách thức truyền tải dữ liệu hiệu quả trong mạng di động.
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 các chức năng quan trọng trong việc xử lý tín hiệu số và tương tự, cho phép trạm di động và trạm gốc thực hiện việc gửi và nhận thông tin hiệu quả Để hiểu rõ hơn về chức năng 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) thực hiện việc quản lý mức độ thấp của lớp vật lý, chủ yếu thông qua việc lập lịch truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động và trạm gốc.
Giao thức điều khiển liên kết vô tuyến điện (RLC) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì liên kết dữ liệu giữa hai thiết bị, đảm bảo rằng các luồng dữ liệu được vận chuyển một cách đáng tin cậy và chính xác.
Giao thức hội tụ dữ liệu (PDCP) thực hiện các chức năng vận chuyển cấp cao, bao gồm nén tiêu đề và bảo mật dữ liệu.
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 lớp dưới cùng của ngăn xếp, mạng vận chuyển có thể áp dụng bất kỳ giao thức nào phù hợp cho lớp 1 và lớp 2, chẳng hạn như Ethernet, thường được hỗ trợ bởi các giao thức khác như chuyển đổi nhãn Multiprotocol (MPLS).
Mỗi phần tử mạng được gán một địa chỉ IP và sử dụng Giao thức Internet (IP) để định tuyến thông tin giữa các phần tử LTE hỗ trợ cả IP version 4 và IP version 6, trong đó hỗ trợ IPv4 là bắt buộc, còn 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 giao thức lớp vận chuyển, đảm bảo kết nối giữa các yếu tố mạng riêng lẻ Trong hệ thống này, ba giao thức vận chuyển chính được sử dụng để tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu.
- 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) dựa trên TCP, bao gồm các tính năng bổ sung làm cho nó phù hợp hơn cho việc cung cấp thông điệp báo hiệu.
Mặt phẳng người dùng thường sử dụng giao thức UDP để giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu Lựa chọn mặt phẳng điều khiển sẽ phụ thuộc vào cách thức hiển thị giao thức báo hiệu một cách hiệu quả.
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, giúp đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi vị trí của thiết bị Các cơ chế này được thực hiện thông qua các giao thức mặt phẳng người dùng như được minh họa trong hình 2.14.
Hình 1.14 Giao thức mặt phẳng người dùng được LTE sử dụng
Hầu hết các giao diện mặt phẳng người dùng sử dụng giao thức 3GPP, cụ thể là phần người dùng giao thức đường hầm GPRS (GTP-U) LTE áp dụng phiên bản 1 của giao thức này, được ký hiệu là GTPV1-U, trong khi mạng 2G sử dụng phiên bản 0, ký hiệu là GTPV0-U Giữa cổng phục vụ và cổng PDN, mặt phẳng người dùng S5/S8 có một triển khai thay thế dựa trên giao thức tiêu chuẩn IETF, gọi là đóng gói định tuyến chung GRE.
GTP-U và GRE là hai giao thức được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu giữa các phần tử mạng thông qua kỹ thuật đường hầm Mặc dù cả hai giao thức đều thực hiện chức năng này, nhưng chúng triển khai đường hầm theo những phương thức khác nhau.
1.2.5.5 Các giao thức báo hiệu.
LTE sử dụng một số lượng lớn các giao thức tín hiệu, được hiển thị trong Hình 2.15.
Hình 1.15 Giao thức tín hiệu được sử dụng bởi LTE
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, giúp minh họa cách các thành phần khác nhau tương tác Đặc biệt, chúng ta sẽ xem xét quy 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 được gọi là vận chuyển khả năng UE.
Quy trình vận chuyển khả năng UE bắt đầu với việc eNB 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 gọi là yêu cầu khả năng.
Thiết bị di động nhận thông báo RRC từ UE, trong đó cung cấp thông tin về khả năng của UE, bao gồm các khả năng cần thiết Các ngăn xếp giao thức liên quan 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 sử dụng giao thức RRC để yêu cầu khả năng sáng tác, sau đó xử lý thông tin qua các lớp 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 ngược lại, sau đó đọc tin nhắn kèm theo và soạn thảo câu trả lời Câu trả lời này được truyền và nhận một cách chính xác.
1.2.6.2 hiệuBáo 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
Using the EMM GUTI RealLocation command, the MME can assign a new global temporary identifier to mobile devices In response, the mobile device sends a confirmation to the MME with a reallocation complete EMM GUTI message.
LTE truyền tải thông báo bằng cách nhúng chúng vào tin nhắn S1-AP và RRC Các tin nhắn S1-AP bao gồm Uplink NAS Transport và Downlink.
NAS Transport Trong khi các tin nhắn RRC được gọi là người chuyển vận thông tin UL và
Chức năng chính của các tin nhắn là truyền tải tin nhắn EMM và ESM Ngoài ra, 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 Điều này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các phần tiếp theo của cuốn sách Hình 2.19 minh họa các ngăn xếp giao thức cho 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 thông tin vào tin nhắn Transport NAS của S1-AP Downlink và gửi đến trạm gốc qua cơ chế vận chuyển của giao diện S1 Trạm gốc nhận thông báo EMM, nhúng vào thông tin RRC DL và gửi đến thiết bị di động qua các giao thức giao diện không trung Thiết bị di động tiếp nhận tin nhắn, cập nhật GUTI và gửi xác nhận trở lại bằng cách sử dụng ngăn xếp giao thức tương tự.
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 Infomation) và được truyền trên kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH-physical downlink control channel).
Lệnh lập lịch trình cảnh báo cho thiết bị di động về một lần truyền dữ liệu sắp tới, đồng thời cung cấp thông tin về phương thức gửi dữ liệu Nó cho phép người dùng chỉ định các tham số quan trọng như lượng dữ liệu, phân bổ khối tài nguyên và sơ đồ điều chế, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.
- 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 một hoặc hai khối truyền tải với thời gian truyền (TTI) tương đương khoảng thời gian khung con là 1ms.
Trong bước 3, điện thoại di động gửi phản hồi xác nhận ARQ (Allocation Retention Priority) để xác định tính chính xác của dữ liệu Mục tiêu chính của ARP là quyết 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 xác định các kênh mang cần hủy bỏ khi tài nguyên bị hạn chế, chẳng hạn như trong quá trình chuyển giao.
Thiết bị gửi xác nhận dữ liệu qua kênh PUSCH (Kênh chia sẻ đường lên vật lý) khi đang truyền dữ liệu trong một khung con, và sử dụng kênh PUCCH (Kênh điều khiển đường lên vật lý) để gửi xác nhận khi không có dữ liệu được truyền.
Các kênh truyền tải là phương thức và đặc tính cho việc truyền dữ liệu qua giao diện vô tuyến Kênh vật lý liên quan đến các tài nguyên chứa thông tin từ các lớp cao hơn Sự chuyển đổi giữa kênh vật lý và kênh truyền tải diễn ra giữa lớp 1 và lớp 2 trong giao thức của eNodeB và UE.
Nếu trạm gốc không nhận được phản hồi tích cực sau số lần truyền lại tối đa, nó sẽ tự động chuyển sang đường truyền mới Lúc này, bộ RLC (Radio Link Control) sẽ đảm nhiệm việc xử lý 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, tồn tại một khoảng thời gian trễ cố định bốn khung con giữa khối truyền tải và sự báo nhận tương ứng, điều này giúp trạm gốc đồng bộ hóa hai phần thông tin một cách hiệu quả.
Mỗi khung vô tuyến 10 được chia thành 10 khe 1ms, trong đó mỗi khe bao gồm hai khung con 0,5ms Mỗi khung con chứa 14 ký hiệu OFDM, dẫn đến việc mỗi khe chứa 7 ký hiệu OFDM Thời gian truyền dẫn của một khe 1ms được gọi là TTI (Time Transmission Interval) Thời gian cho một ký hiệu OFDM là T=1/14ms, và việc lập biểu cũng như thích ứng miền tần số nhanh 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
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 một cấp lịch đến thiết bị di động qua PDCCH Điều này cho phép thiết bị di động truyền tải và xác định các tham số cần thiết cho việc truyền, bao gồm 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 khởi động quá trình truyền lại không thích ứng bằng cách gửi cho thiết bị di động một tín hiệu xác nhận âm thông qua PHICH (Physical Hybrid ARQ).
Kênh chỉ thị HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) là một phần quan trọng trong giao tiếp di động, cho phép thiết bị truyền tải dữ liệu và các thông số đã sử dụng lần đầu tiên.
Trạm gốc có khả năng kích hoạt quá trình truyền lại thích ứng bằng cách gửi một khoản trợ cáp lập lịch khác cho thiết bị di động thông qua PDCCH.
• Nếu trạm gốc nhận được dữ liệu một cách chính xác thì nó có thể phản hồi theo
- 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 được xác nhận PHICH và khoản trợ cấp lập lịch PDCCH trong cùng một khung con, quyền lập lịch sẽ được ưu tiên cấp.
Trong hình 2.4, các bước từ 3 đến 5 cho thấy rằng trạm gốc không thể giải mã đường truyền đầu tiên từ thiết bị di động, nhưng lại thành công trong việc giải mã đường 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 tới 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 cung cấp một tập hợp thông tin cụ thể và phục vụ một mục đích riêng biệt.
Bảng 2.1 Danh sách các định dạng DCI và ứng dụng của chúng
Định dạng DCI 0 bao gồm các khoản trợ cấp lập lịch cho việc truyền tải đường lên của thiết bị di động, trong khi các lệnh lập lịch cho truyền tải đường xuống phức tạp hơn và được xử lý trong bản phát hành 8 của định dạng DCI 1-1D và 2-2A.
Định dạng DCI 1 cho phép lập lịch dữ liệu mà trạm gốc truyền đi thông qua ăng-ten, phân tập vòng hở hoặc định dạng chùm Điều này được áp dụng cho các điện thoại di động đã được cấu hình theo một trong các chế độ truyền đường xuống 1, 2 hoặc 7.
Khi áp dụng định dạng này, trạm gốc có khả năng chỉ định khối tài nguyên đường xuống một cách linh hoạt thông qua hai lược đồ phân bổ tài nguyên, được phân loại thành loại 0 và loại 1, như đã mô tả trong bảng trên.
Định dạng 1A tương tự như các định dạng khác, nhưng trạm gốc áp dụng một dạng phân bổ tài nguyên nhỏ gọn, được biết đến là kiểu 2 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.
- 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, hỗ trợ triển khai Release 8 của MIMO nhiều người dùng, cùng với việc 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 quá trình truyền dữ liệu mà thay vào đó, chúng điều khiển công suất truyền của thiết bị di động trên đường lên thông qua phương pháp điều khiển công suất bằng cách 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 tổ chức các khối tài nguyên thành các nhóm gọi là RBG (Resource Block Group), và mỗi nhóm này được gán riêng biệt 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 cung cấp cho thiết bị di động các khối tài nguyên ảo (VRB) liên tiếp, đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu tối ưu.
• 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
Mang lại sự đa dạng tần số bổ sung cho thiết bị di động và phù hợp trong các môi trường phụ thuộc vào tần số mờ dần.
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 yếu tố quan trọng nhất trong mạng di động Trạm gốc gán một C-RNTI duy nhất cho mỗi thiết bị di động trong quá trình truy cập ngẫu nhiên Sau khi được gán, trạm gốc có khả năng lên lịch truyền mở rộng trên một khung con bằng cách gửi thông báo lập lịch tới C-RNTI của thiết bị.
• 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 định dạng đặc biệt tới SPS C-RNTI.
P-RNTI (RNTI phân trang) và SI-RNTI (RNTI thông tin hệ thống) 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 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.
• TPC-PUCCH-RNTI và TPC-PUSCH-RNTI được sử dụng để gửi các lệnh điều khiển công suất đường lên sử dụng các định dạng DCI 3 và 3A.
2.2.4 Truyền và tiếp nhận dữ liệu của PDCCH
Hình 2.6 Quá trình tóm tắt về cách PDCCH được truyền và nhận.
Trạm gốc đầu tiên trong bộ xử lý kênh truyền tải thực hiện thao tác DCI bằng cách áp dụng kiểm tra dự phòng theo chu kỳ CRC và mã hóa sửa lỗi, tùy thuộc vào RNTI của thiết bị di động đích.
Trong bộ xử lý kênh vật lý, nó xử lý PDCCH bằng cách xử dụng điều chế QPSK và một ăng-ten đơn phân tập truyền dẫn vòng hở.
Cuối cùng, trạm gốc ánh xạ PDCCH vào các phần tử tài nguyên đã chọn.
• Ánh xạ phần tử tài nguyên cho PDCCH được tổ chức bằng cách sử dụng các phần tử kênh điều kiện CCE (Control Channel Element).
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 này sẽ truyền DL-SCH theo cách đã xác định trong lệnh Khi nhận được trợ cấp lập lịch đường lên, thiết bị di động tiếp tục 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 của hình, giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) 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 quá trình truyền tải dữ liệu, điện thoại di động sẽ gửi một khối truyền tải tại một thời điểm nhất định Khi dữ liệu được truyền từ trạm gốc xuống, trạm này thường gửi một khối truyền tải đến mỗi thiết bị di động, nhưng có thể gửi đến hai khối khi áp dụng ghép kênh không gian (DCI 2-2D) Hai khối truyền tải này có thể sử dụng 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.
• 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.
Dữ liệu được chuyển qua bộ mã hóa tốc độ, sau đó trong giai đoạn so khớp tỷ lệ, các bit kết quả được lưu trữ trong một bộ đệm tròn và 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.
Nếu 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 sử dụng sửa lỗi chuyển tiếp và ghép chúng vào UL-SCH.
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 quá trình truyền dữ liệu, mỗi từ mã sẽ được xáo trộn với một chuỗi giả ngẫu nhiên, phụ thuộc vào 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 nhận các bit kết quả theo nhóm hai, bốn hoặc sáu và ánh xạ chúng vào các thành phần trong pha và vuông góc thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, 16-QAM và 64-QAM.
Hai giai đoạn tiếp theo thực hiện các kỹ thuật truyền nhiều ăng-ten.
- 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 nhập 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 cùng với tín hiệu tham chiếu giải điều chế tương ứng Sử dụng chế độ FDD và băng thông 3MHz, hình ảnh này cũng trình bày 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.
Trong quá trình truyền dữ liệu, trạm gốc gửi các báo nhận đến điện thoại di động dưới dạng chỉ báo ARQ kết hợp, sử dụng kênh chỉ báo lai ARQ vật lý để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc truyền thông tin.
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 bộ ba nhóm phần tử tài nguyên gồm 12 phần tử, được gọi là nhóm PHICH.
Số lượng nhóm PHICH phụ thuộc vào băng thông ô và giá trị tài nguyên.
Trong chế độ FDD, nó không thay đổi, nhưng trong chế độ TDD, nó có thể thay đổi từ khung con này sang khung con khác, do 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.
Chúng nằm trong biểu tượng đầu tiên của khung con khi sử dụng thời lượng
PHICH bình thường, nhưng có thể bao gồm hai hoặc ba biểu tượng khi sử dụng thời lượng PHICH kéo dài.
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: Ánh xạ phần tử tài nguyên cho PHICH,sử dụng thời lượng
PHICH bình thường,băng thông 1,4MHz, cổng ăng-ten đầu tiên của hai,ID tế bào vật lý của 1 và hai nhóm PHICH
Một nhóm PHICH không chỉ dành riêng cho một thiết bị di động mà được chia sẻ giữa 8 điện thoại khác nhau, với mỗi điện thoại 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 cần kiểm tra dựa trên hai tham số từ cấp lập lịch ban đầu.
Khối tài nguyên vật lý đầu tiên được sử dụng để truyền đường lên, cùng với một tham số quan trọng được 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 yếu tố 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 chỉ mục trình tự trực giao khác nhau và thêm các 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 cách sử dụng LTE của CDMA (Code Division Multiple Access: 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 cung cấp yêu cầu lên lịch uplink và 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 quá trình truyền tải dữ liệu.
- 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) liên quan đến việc báo nhận hybrid ARQ trong chế độ FDD và TDD Ở chế độ FDD, thiết bị di động tính toán một hoặc hai xác nhận cho mỗi khung và truyền chúng cho bốn khung phụ Trong chế độ TDD, quá trình phức tạp hơn; nếu thiết bị nhận một downlink subframe, nó sẽ báo nhận tương tự như ở chế độ FDD Có hai phương pháp để báo nhận nhiều subframe: sử dụng gói ACK/NACK, thiết bị có thể gửi tối đa hai xác nhận cho mỗi dòng khối vận chuyển song song, xác thực việc nhận khối giao thông tương ứng Khi áp dụng ghép kênh ACK/NACK, thiết bị sẽ tính toán một báo nhận cho mỗi downlink subframe và phải truyền tối đa bốn xác nhận 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 chỉ số phân công Downlink, cho biết số lượng 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 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 cho biết 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, hiệu suất của bộ thu di động cũng đóng vai trò quan trọng, vì một bộ thu nâng cao có khả năng xử lý thành công dữ liệu ngay cả khi SNIR ở mức thấp.
Bảng 8.4 minh họa cách CQI được diễn giải qua 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.
Bảng 2.3 cung cấp giải thích về chỉ báo chất lượng kênh, liên quan đến sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã hóa mà thiết bị di động có khả năng nhận được thành công.
Do sự thay đổi chất lượng kênh trên dải Downlink phụ thuộc vào tần số, trạm gốc có thể cấu hình thiết bị di động để báo cáo Chỉ số Chất lượng Kênh (CQI) theo ba phương thức khác nhau.
• Báo cáo băng rộng (WB: wideband reporting) bao gồm toàn bộ băng tần downlink.
Báo cáo cấu hình băng tần phụ lớp cao cho thấy trạm gốc phân chia dải Downlink thành các dải phụ, trong khi đó, các thiết bị di động sẽ gửi một giá trị CQI cho từng dải.
Báo cáo băng tần phụ từ thiết bị di động (UE) cho phép chọn các băng tần có chất lượng kênh tốt nhất, đồng thời cung cấp vị trí và giá trị CQI kéo dãn cùng với băng rộng riêng CQI (clgt) Khi nhận được nhiều khối vận chuyển, thiết bị di động có thể báo cáo các giá trị CQI khác nhau cho từng khối, phản ánh sự khác biệt về giá trị SINR của các lớp tín hiệu đến thiết bị.
Trạm gốc áp dụng CQI từ chương trình điều chế và tỷ lệ mã hóa để hỗ trợ lên lịch tần số phụ thuộc Mặc dù CQI có sự phụ thuộc tần số, nhưng trạm gốc chỉ sử dụng một sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã hóa cố định 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, cùng với chỉ số lớp tối đa mà thiết bị di động có khả năng nhận thành công.
Thiết bị di động cung cấp một chỉ báo xếp hạng duy nhất cho toàn bộ băng Downlink Chỉ báo này được tính toán dựa trên PMI, nhằm tối ưu hóa sự kết hợp để đạt được tốc độ dữ liệu Downlink dự kiến cao nhất.
2.5.4 Chỉ báo ma trận precoding
Thiết bị di động báo cáo chỉ báo ma trận Precoding khi 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 báo 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 thể báo cáo một PMI kéo dài toàn bộ băng Downlink hoặc tất cả băng phụ UE được chọn Khi sử 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 chỉ số 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 một ma trận precoding độc lập với 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 thực hiện truyền PUSCH trong cùng một subframe, nó sẽ truyền thông tin về kênh vật lý điều khiển Uplink Các PUSCH có thể được truyền bằng nhiều định dạng khác nhau, với Bảng 8.7 minh họa cách sử dụng các định dạng này trong 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
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, từ đó 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 qua bất kỳ mã hóa nào.
Thiết bị di động truyền PUCCH ở các cạnh của dải Uplink nhằm tách biệt với PUSCH Trạm gốc dự trữ các khối tài nguyên ở các cạnh cực cao của dải cho các định dạng PUSCH 2, 2a và 2b, và số lượng khối cụ thể được quảng bá trong SIB 2.
Các định dạng 1, 1a và 1b sử dụng các khối tài nguyên linh hoạt với số lượng đa dạng giữa các subframe liên tiếp, dựa vào báo nhận mà trạm gốc mong đợi Trạm gốc có khả năng chia sẻ một cặp trung gian của khối tài nguyên cho tất cả các định dạng PUSCH, điều này rất hữu ích trong trường hợp băng thông hạn chế Khi áp dụng tiền tố chu kỳ thông thường, các định dạng 1, 1a và 1b sử dụng bốn ký hiệu PUSCH cho mỗi khe.
• ba ký hiệu tham chiếu giải điều chế 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, sử dụng dải tần số đối diện 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, áp dụng thông số dành riêng cho từng thiết bị, được gọi là sự dịch chuyển tuần hoàn, với giá trị chạy từ 0 đến.
Trong định dạng PUSCH 1, 1a và 1b, các khối tài nguyên được phân bổ cho 36 thiết bị di động thông qua cơ chế dịch chuyển tuần hoàn, kèm theo một thông số đặc trưng cho từng thiết bị: chỉ số trình tự trực giao, có giá trị từ 0 đến 2.
Hình 2.11 minh họa ánh xạ phần tử tài nguyên cho PUSCH và tín hiệu tham chiếu giải điều chế trong các giải phóng 8 và 9, áp dụng chế độ FDD, tiền tố theo chu kỳ bình thường, với băng thông 3 MHz Bài viết cũng đề cập đến việc sử dụng một cặp các khối tài nguyên 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 là một phần 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 điện thoại 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) được áp dụng cho các báo nhận hybrid ARQ độc lập theo định dạng 1a và 1b Thiết bị di động tính toán n(1) một cách linh hoạt, dựa vào chỉ mục của phần tử kênh điều khiển đầu tiên mà trạm gốc sử dụng để thực hiện lệnh lập lịch theo dõi.
• n(1) : được sử dụng để lập lịch theo định dạng 1.
n(2) được sử dụng để truyền tải thông tin trạng thái kênh và các xác nhận tùy chọn trong định dạng 2, 2a và 2b Thiết bị di động nhận được các tài nguyên này thông qua thông báo báo hiệu RRC dành riêng cho thiết bị di động trong quá trình thiết lập hoặc cấu hình lại kết nối RRC.
Khi một thiết bị di động gửi xác nhận Hybrid ARQ cùng lúc với yêu cầu lập lịch, nó sẽ xử lý các xác nhận theo phương pháp thông thường và truyền chúng bằng n(1) Trạm gốc cần nhận các báo nhận để xác định cách xử lý, đồng thời nhận biết yêu cầu lập lịch thông qua n(1).
Khi thiết bị di động sử dụng ghép kênh ACK/NACK ở chế độ TDD, nó có thể cần gửi tới bốn báo nhận trong một subframe Để thực hiện điều này, thiết bị di động thường truyền hai bit trong một tài nguyên của bốn tài nguyên PUSCH, ký hiệu là n (1) to n (1) Các bit này được tính toán từ CCE đầu tiên theo cách tương tự như quy trình đã được mô tả.
PUSCH ,0 PUSCH ,3 n (1) Một bảng tra cứu xác định ánh xạ từ các bit báo nhận sang các bit được truyền và sự lựa chọn của tài nguyên PUSCH.
Để gửi yêu cầu lập lịch hoặc thông tin trạng thái kênh cùng lúc, thiết bị di động cần nén các báo nhận hybrid ARQ xuống hai bit thông qua một bảng tra cứu khác và truyền chúng trên n(1) hoặc n(2) 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 các bit lên một ký hiệu, áp dụng điều chế bật tắt cho yêu cầu lập lịch, BPSK cho báo nhận một bit và QPSK cho báo nhận hai bit Thông tin được quảng bá trong miền thời gian sử dụng chỉ mục trình tự trực giao, thường qua bốn ký hiệu nhưng có thể chỉ 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 với kỹ thuật trạm gốc sử dụng cho PHICH, cho phép chia sẻ các ký hiệu giữa ba thiết bị di động khác nhau.
Các thiết bị di động truyền thông tin qua 12 nhà cung cấp phụ trong miền tần số sử dụng dịch chuyển chu kỳ Mặc dù kỹ thuật này có sự khác biệt giữa các máy, nhưng mục tiêu chung là chia sẻ các nhà cung cấp phụ giữa 12 thiết bị di động khác nhau Cuối cùng, thiết bị di động sẽ lặp lại quá trình 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 nhằm hỗ trợ trạm gốc trong việc ước tính kênh Như hình 8.8 và 8.10 đã chỉ ra, 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 giải điều chế có thể chứa 12, 24, 36, điểm dữ liệu, tương ứng với băng thông truyền của 1, 2, 3, khối tài nguyên Mỗi ô được gán cho một trong 30 nhóm trình tự, trong đó 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 rất ngắn Chuỗi cơ sở này sau đó được sửa đổi bởi một trong 12 ca tuần hoàn để tạo ra tín hiệu tham chiếu.
•Có hai cách để gán các nhóm trình tự:
Lập kế hoạch nhóm trình tự trong mạng radio yêu cầu mỗi ô được gán vĩnh viễn cho một nhóm trình tự cụ thể Để giảm thiểu nhiễu giữa các ô, các ô gần nhau nên thuộc về các nhóm trình tự khác nhau.
Bước nhảy nhóm trình tự (sequence group hopping) là hiện tượng nhóm thay đổi giữa các khe kế nhau, 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 phải lập kế hoạch cho bước nhảy tiếp theo.
Khi gửi tín hiệu tham chiếu PUSCH, thiết bị di động sẽ tính toán dịch chuyển tuần hoàn dựa trên thông tin từ trạm gốc cung cấp grant lập kế hoạch 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 thông qua việc cung cấp các ca chu tuần khác nhau cho chúng Các ca chu tuần còn lại có thể được sử dụng để phân biệt các ô gần nhau có chung một nhóm trình tự.
Khi gửi tín hiệu tham chiếu PUSCH, thiết bị di động sử dụng cùng một chu kỳ như khi truyền PUSCH và điều chỉnh tín hiệu tham chiếu giải điều chế cho các định dạng 1, 1a và 1b bằng chỉ mục trình tự trực giao Điều này giúp trạm gốc phân biệt các tín hiệu tham chiếu từ các thiết bị di động khác nhau đang chia sẻ cặp khối tài nguyên.
•Có hai trường hợp khác:
Mỗi nhóm trình tự bao gồm hai trình tự cơ sở cho mọi băng thông truyền của ít nhất sáu khối tài nguyên Thiết bị di động có khả năng chuyển đổi giữa hai trình tự này theo một mô hình giả ngẫu nhiên.
Bước nhảy ca chu tuần vào thứ hai cho phép ca chu tuần thay đổi một cách ngẫu nhiên giữa các khe, giúp theo dõi chu kỳ hiệu quả hơn Cả hai kỹ thuật này đều có tác dụng làm giảm nhiễu giữa các ô gần nhau có cùng nhóm trình tự, nâng cao độ chính xác trong quá trình phân tích.
2.7.2 Tín hiệu tham chiếu âm thanh
Thiết bị di động truyền tín hiệu tham chiếu âm thanh (SRS) hỗ trợ trạm gốc trong việc đo công suất tín hiệu nhận được trên băng thông rộng, từ đó cho phép trạm gốc lập lịch phụ thuộc vào tần số một cách hiệu quả.
•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.
- Thứ hai, nó cấu hình mỗi thiết bị di động với khoảng thời gian âm thanh của 2 đến
320 Subframes và một phần bù trong khoảng thời gian đó sử dụng thông số dành riêng cho thiết bị di động được gọi là chỉ mục cấu hình SRS.
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 gửi trong vùng Uplink của một subframe riêng Tín hiệu được tạo ra tương tự như tín hiệu tham chiếu giải điều chế, nhưng khác biệt lớn nhất là tín hiệu tham chiếu âm thanh sử dụng 8 ca tuần hoàn thay vì 12, cho phép 8 thiết bị di động chia sẻ cùng một bộ 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 Băng thông SRS, vị trí miền tần số và băng thông nhảy SRS đóng vai trò quan trọng trong quá trình này Hình ảnh minh họa cho thấy một thiết bị di động truyền tín hiệu trên các mặt phẳng thay thế, được cấu hình bởi lược giao vận.
Để ngăn 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 truyền PUSCH trong ký hiệu cuối cùng của subframe hỗ trợ âm thanh, cho phép 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 khả năng 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 và kéo dài tuổi thọ pin Trong hệ thống LTE, thiết bị di động ước lượng năng lượng truyền tốt nhất và trạm gốc điều chỉnh thông qua lệnh điều khiển năng lượng Sự khác biệt trong tính toán năng lượng giữa PUSCH, PUSCH và SRS sẽ được minh họa qua PUSCH.
- Công suất truyền của PUSCH được tính như sau:
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 mong muốn nhận được 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 điều chỉnh tùy chọn 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 sử dụng sơ đồ điều chế nhanh hơn như 64-QAM.
PL là sự mất mát đường dẫn Downlink, với trạm gốc quảng bá 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, được sử dụng trong kỹ thuật điều khiển phân số công suất, giúp giảm thiểu tác động của sự thay đổi PL Bằng cách điều chỉnh α trong khoảng từ 0 đến 1, trạm gốc có thể kiểm soát tín hiệu gửi từ thiết bị di động ở cạnh ô, giảm nhiễu cho các ô lân cận và nâng cao công suất hệ thống.
Sử dụng các thông số đã đề cập, thiết bị di động có khả năng ước tính truyền công suất PUSCH, 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:
Trạm gốc gửi lệnh điều khiển công suất độc lập cho các nhóm thiết bị di động thông qua định dạng DCI 3 và 3a Khi áp dụng các định dạng này, thông điệp PDCCH được giải quyết đến TPC-PUSCH-RNTI, một định danh mạng vô tuyến chung cho tất cả thiết bị trong nhóm Thông báo này chứa lệnh điều khiển công suất cho từng thiết bị di động, xác định thông qua phần bù đã được cấu hình trước đó qua phương tiện báo hiệu RRC.
Thiết bị di động tích lũy các lệnh điều khiển công suất thông qua công thức f(i) = f(i - 1) + δ PUSCH(i - K PUSCH), trong đó δ PUSCH là điều chỉnh công suất nhận được trong subframe i - K PUSCH và áp dụng trong subframe i K PUSCH có giá trị 4 trong chế độ FDD và nằm trong khoảng từ 4 đến 7 trong chế độ TDD Đối với định dạng DCI 3, lệnh Power Control chứa 2 bit, cho phép điều chỉnh công suất ở mức -1, 0, 1 và 3 dB, trong khi định dạng DCI 3A chỉ chứa một bit, dẫn đến các điều chỉnh công suất -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 Thông thường, thiết bị di động sẽ diễn giải các lệnh này theo cách đã nêu Tuy nhiên, trạm gốc cũng có thể vô hiệu hóa việc tích lũy các lệnh điều khiển công suất thông qua tín hiệu RRC, và thiết bị di động sẽ thể hiện điều này bằng phương trình: f (i) = δ PUSCH (i - K PUSCH ).
Trong trường hợp điều chỉnh năng lượng δ PUSCH, các giá trị có thể được sử dụng là -4, -1, 1 và 4 dB Về điều khiển công suất Downlink, quy trình này đơn giản hơn, với việc truyền tải công suất Downlink được xác định thông qua năng lượng cho mỗi phần tử tài nguyên (EPRE) của một kênh hoặc tín hiệu riêng lẻ Trạm gốc có khả năng áp 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 các giá trị đã chọn qua tin nhắn RRC Mỗi giá trị này hoạt động độc lập với tần số và thay đổi không thường xuyên Thay vì điều chỉnh các giá trị, trạm gốc thích ứng với sự thay đổi trong mất tuyến Downlink của thiết bị bằng cách điều chỉnh sơ đồ điều chế và tốc độ mã hóa Điều này thể hiện rằng công suất Downlink được coi là tài nguyên chung, giúp ngăn chặn việc trạm gốc phân bổ quá nhiều công suất cho các thiết bị di động ở xa, mà không thể sử dụng 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 nhất 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 tốc độ dữ liệu thấp trong RRC_CONNECTED.
Trong trạng thái RRC_IDLE, việc tiếp nhận không liên tục được xác định qua 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 cập nhật khu vực theo dõi.
Thiết bị di động sẽ khởi động lại ở mỗi khung chu kỳ DRX, với số khung phân trang trong mỗi chu kỳ 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
Thiết bị di động giám sát một subframe phân trang dựa trên IMSI Nếu thiết bị phát hiện thông tin điều khiển Downlink 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 nắm rõ IMSI của thiết bị, từ đó có thể gửi thông tin điều khiển và thông báo phân trang trong subframe sửa lỗi.
Một số thiết bị di động có thể chia sẻ cùng một công việc phân trang, dẫn đến xung đột Để khắc phục vấn đề này, thông điệp phân trang sẽ chứa 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 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 cấu hình 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 mọi subframe theo chu kỳ DRX, dựa trên bù đắp khởi đầu DRX Thiết bị này liên tục giám sát PDCCH trong khoảng thời gian gọi là active time, sau đó sẽ quay trở lại trạng thái ngủ.
Hình 2.14 Hoạt động của việc tiếp nhận không liên tục trong RRC_Connected
Một số bộ đếm thời gian đóng góp cho 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 để chờ thông báo lịch trình trên PDCCH Khi có khung đến, thiết bị tiếp tục thức trong khoảng thời gian hẹn giờ không hoạt động của DRX, từ 1 đến 2560 subframes, sau mỗi lệnh PDCCH Các bộ hẹn giờ khác đảm bảo thiết bị vẫn thức trong khi chờ thông tin như truyền lại Hybrid ARQ Nếu tất cả các bộ hẹn giờ đều hết hạn, thiết bị di động sẽ trở lại trạng thái ngủ Ngoài ra, trạm gốc có thể gửi lệnh DRX để đưa thiết bị vào trạng thái ngủ rõ ràng thông qua một phần tử điều khiển MAC.
Trong mạng di động, có hai chu kỳ tiếp nhận không liên tục: 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 với 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).