CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC GIAO DIỆN VÔ TUYẾN LTE
2.2. Cấu trúc các giao thức vô tuyến
2.2.2.1. Kênh logic và kênh truyền tải
MAC cung cấp dịch vụ tới RLC dưới dạng kênh logic. Một kênh logic được xác định bởi loại thông tin nó mang và thường được phân loại là kênh điều khiển, sử dụng cho truyền thông tin điều khiển và cấu hình cần thiết cho vận hành một hệ thống LTE, hoặc là kênh lưu lượng, sử dụng cho dữ liệu người dùng. Bộ các loại kênh logic quy định cho LTE gồm:
• Kênh điều khiển quảng bá (Broadcast Control Channel, BCCH), sử dụng cho truyền thông tin hệ thống từ mạng tới tất cả đầu cuối trong một ô. Trước khi truy cập vào hệ thống, một đầu cuối cần yêu cầu thông tin hệ thống để biết được hệ thống được cấu hình thế nào và, nói chung, làm sao để chạy hợp lý trong một ô đó.
• Kênh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel, PCCH), sử dụng để tìm đầu cuối mà địa điểm của nó trong một cấp độ ô không được biết đến trong mạng. Bản tin tìm gọi do đó cần phải được truyền trong nhiều ô.
• Kênh điều khiển chung (Common Control Channel, CCCH), sử dụng để truyền thông tin điều khiển trong sự liên kết với truy cập ngẫu nhiên.
• Kênh điều khiển dành riêng (Dedicated Control Channel, DCCH), sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối. Kênh này sử dụng cho cấu hình cá nhân của đầu cuối như là các thông báo handover khác.
• Kênh điều khiển multicast (Multicast Control Channel, MCCH), sử dụng để truyền thông tin điều khiển được yêu cầu cho phía nhận MTCH.
• Kênh lưu lượng dành riêng (Dedicated Traffic Channel, DTCH), sử dụng để truyền dữ liệu người dùng tới/từ một đầu cuối. Đây là kênh logic sử dụng cho truyền tất cả dữ liệu người dùng đường lên và đường xuống phi- MBSFN.
• Kênh lưu lượng multicast (Multicast Traffic Channel, MTCH), sử dụng cho truyền đường xuống của dịch vụ MBMS.
Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng dịch vụ dưới dạng kênh truyền tải. Một kênh truyền tải xác định bởi cách và đặc tính thông tin được truyền đi qua giao diện vô tuyến. Dữ liệu trên một kênh truyền tải được sắp xếp vào các khối truyền tải (transport block). Trong mỗi khoảng thời gian truyền (Transmission Time Interval, TTI), nhiều nhất một khối truyền tải với kích thước động được truyền qua giao diện
vô tuyến tới/từ một đầu cuối nếu không có ghép kênh không gian. Trong trường hợp ghép kênh không gian (MIMO), có thể có tới 2 khối truyền tải mỗi TTI.
Kết hợp với mỗi khối truyền tải là một dạng truyền tải (Transport Format, TF), quy định khối truyền tải được truyền thế nào. Dạng truyền tải bao gồm thông tin về kích cỡ khối truyền tải, kỹ thuật điều chế/mã hóa, và sự sắp đặt anten. Bằng cách biến đổi dạng truyền tải, lớp MAC có thể thực hiện tốc độ dữ liệu khác nhau. Điều khiển tốc độ cũng được biết đến là sự chọn lựa dạng truyền tải (transport-format selection).
Những loại kênh truyền tải sau được định nghĩa cho LTE:
• Kênh quảng bá (Broadcast Channel, BCH) có dạng truyền tải cố định, cung cấp bởi thông số kỹ thuật. Nó sử dụng cho truyền các phần của thông tin hệ thống BCCH, cụ thể hơn gọi là Master Information Block (MIB).
• Kênh phân trang (Paging Channel, PCH) sử dụng cho truyền thông tin phân trang từ kênh logic PCCH. PCH hỗ trợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm pin bằng cách đánh thức để nhận PCH chỉ tại thời điểm xác định trước.
• Kênh chia sẻ đường xuống (Downlink Shared Channel, DL-SCH) là kênh truyền tải chính sử dụng cho truyền dữ liệu đường xuống trong LTE. Nó hỗ trợ các tính năng LTE then chốt như là thích ứng tốc độ linh động và lập lịch phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số, hybrid ARQ với kết hợp mềm, và ghép kênh không gian. Nó cũng hỗ trợ DRX để giảm tiêu thụ năng lượng đầu cuối khi vẫn cung cấp một dịch vụ luôn sẵn sang.
DL-SCH cũng sử dụng cho truyền các phần của thông tin hệ thống BCCH không ánh xạ tới BCH. Có thể có nhiều DL-SCH trong một ô, một trên đầu cuối được lập lịch trong TTI này, và, trong một số khung con, một DL-SCH mang thông tin hệ thống.
• Kênh multicast (MCH) sử dụng để hỗ trợ MBMS. Nó được mô tả bởi một dạng truyền tải bán tĩnh (semi-static) và lập lịch bán tĩnh. Trong trường hợp truyền đa ô sử dụng MBSFN, cấu hình dạng truyền tải và lập lịch được điều phối giữa các điểm truyền liên quan trong truyền dẫn MBSFN.
• Kênh chia sẻ đường lên (Uplink Shared Channel, UL-SCH) là kênh tương tự đường lên với DL-SCH, nó là kênh truyển tải đường lên sử dụng cho truyền dữ liệu đường lên.
Hình 2. Ánh xạ kênh đường xuống
Hình 2. Ánh xạ kênh đường lên
Thêm nữa, kênh truy cập ngẫu nhiên (Random-Access Channel,RACH) cũng được định nghĩa như một kênh truyền tải, mặc dù nó không mang khối truyền tải.
Một phần chức năng của MAC là ghép các kênh logic khác nhau và ánh xạ kênh logic tới kênh truyền tải thích hợp. Ánh xạ giữa kênh logic và kênh truyền tải được thể hiện trong Hình 2.7 cho đường xuống và Hình 2.8 cho đường lên. Các hình vẽ chỉ ra DL-SCH và UL_SCH là kênh truyền tải đường xuống và đường lên chính ra sao.
Trong hình, các kênh vật lý tương ứng cũng được bao gồm và ánh xạ giữa kênh truyền tải và kênh vật lý cũng được minh họa.
Hình 2. Ghép tiêu đề MAC và SDU
Để hỗ trợ xử lý ưu tiên, nhiều kênh logic với mỗi kênh có một thực thể RLC riêng, có thể ghép với một kênh truyền tải bởi lớp MAC. Tại phía thu, lớp MAC xử lý giải ghép kênh tương ứng và truyền tiếp RLC PDUs tới thực thể RLC tương ứng để truyền phát theo thứ tự và các chức năng khác thực hiện bởi RLC. Để hố trợ giải ghép kênh ở bộ thu, một tiêu đề MAC, thể hiện trong Hình 2.9, được xử lý. Tới mỗi RLC PDU, có một tiêu đề con được liên kết trong tiêu đề MAC. Tiêu đề con chứa định danh của kênh logic (LCID) từ nơi RLC PDU bắt đầu và chiều dài của PDU bằng byte. Cũng có một cờ chỉ ra đây là tiêu đề con cuối cùng hay chưa. Một hoặc nhiều RLC PDUs cùng với tiêu đề MAC và đệm (nếu cần thiết) để đáp ứng kích cỡ khối truyền tải, tạo thành một khối truyền tải mà được truyền đến lớp vật lý.
Lớp MAC còn có thể thêm yếu tố điều khiển MAC (MAC control element) vào khối truyền tải để truyền qua kênh truyền tải. Một yếu tố điều khiển MAC sử dụng cho báo hiệu điều khiển trong băng – ví dụ, các lệnh thời gian nâng cao và phản hồi truy nhập ngẫu nhiên. Yếu tố điều khiển được xác định với giá trị dành riêng trong trường LCID, nơi mà giá trị LCID chỉ ra loại thông tin điều khiển. Hơn nữa, trường chiều dài trong tiêu đề con bị loại bỏ vì yếu tố điều khiển với một chiều dài cố định.
Chức năng ghép kênh MAC cũng chịu trách nhiệm xử lý các sóng mang thành phần trong tập hợp sóng mang. Nguyên tắc cơ bản của tập hợp sóng mang là quá trình độc lập của sóng mang thành phần trong lớp vật lý, bao gồm báo hiệu điều khiển, lập lịch và truyền lại hybrid-ARQ, khi mà tập hợp sóng mang bị ẩn với RLC và PDCP. Tập hợp sóng mang do đó chủ yếu nhìn thấy ở lớp MAC, như được minh họa trong Hình 2.10, nơi mà kênh logic, bao gồm cả yếu tố điều khiển MAC được ghép thành một dạng khối truyền tải trên một sóng mang thành phần với mỗi cái có một thực thể hybrid-ARQ riêng.
Hình 2. Hoạt động của MAC với các sóng mang thành phần 2.2.2.2 Lập lịch
Một trong những nguyên tắc cơ bản của truy nhập vô tuyến LTE là truyền kênh chia sẻ, đó là nguồn tài nguyên thời gian-tần số được chia sẻ động giữa người dùng.
Chức năng lập lịch là một phần của lớp MAC và điều khiển nguồn tài nguyên đường lên và đường xuống trong thuật ngữ resource-block pairs. Resource-block pairs tương ứng với một đơn vị thời gian-tần số của 1 ms nhân 180 kHz.
Hoạt động cơ bản của bộ lập lịch là lập lịch động, nơi mà eNodeB trong mỗi khoảng thời gian 1 ms đưa ra quyết định lập lịch và gửi thông tin lập lịch tới bộ được chọn của đầu cuối. Một mẫu lịch trình bán động (semi-static) được báo hiệu trước để giảm mào đầu báo hiệu điều khiển.
Lập lịch đường lên và đường xuống được tách riêng trong LTE, và lập lịch có thể được quyết định độc lập cho mỗi đường (trong giới hạn đặt bởi bộ chia đường lên/đường xuống trong trường hợp FDD bán song công).
Lập lịch đường xuống là chịu trách nhiệm về (tự động) điều khiển được nhiều thiết bị đầu cuối để truyền tải đến, và cho từng thiết bị đầu cuối,các thiết lập về khối tài nguyên khi đó các thiết bị đầu cuối DL-SCH cần được truyền đi. Dạng vận chuyển chọn lọc (chọn lọc các khối vận chuyển theo kích cỡ, kỹ thuật điều chế và sự sắp đặt anten) và hợp lý kênh ghép cho truyền dẫn đường xuống được kiểm soát bởi các eNodeB, như minh họa trong phần bên trái của Hình 2.11. Do hậu quả của việc lịch trình điều khiển tốc độ dữ liệu, phân đoạn RLC và các MAC ghép cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi quyết định lên lịch trình. Các kết quả đầu ra từ lên lịch trình đường xuống có thể được thấy trong hình 2.4.
Hình 2. Sự chọn định dạng truyền tải trong (a) downlink và (b) uplink
Sự lập biểu đường lên phục vụ một mục tiêu tương tự, cụ thể là để (tự động) điều khiển thiết bị đầu cuối nào truyền tải trên UL-SCH tương ứng của nó và trên đường lên nguồn thời gian-tần số (bao gồm cả sóng mang thành phần). Dù thực tế rằng lịch trình eNodeB xác định các định dạng vận chuyển cho các thiết bị đầu cuối, điều quan trọng phải chỉ ra là lập lịch trình đường lên ra quyết định trên mỗi thiết bị đầu cuối và không phải trên mỗi kênh mang vô tuyến. Như vậy, mặc dù lịch trình eNodeB điều khiển dữ liệu của một thiết bị đầu cuối theo lịch trình, các thiết bị đầu cuối vẫn chịu trách nhiệm việc lựa chọn kênh mang vô tuyến nào dữ liệu được lấy. Các thiết bị đầu cuối độc lập xử lý ghép kênh logic theo các quy tắc được xác định trước, các thông số trong đó có thể cấu hình bởi eNodeB. Điều này được minh họa trong phần bên phải của hình 2.11, nơi mà các eNodeB lên lịch trình kiểm soát các định dạng vận chuyển và các các thiết bị đầu cuối điều khiển ghép kênh logic.
Mặc dù chiến lược lên lịch trình là thực hiện riêng biệt và không theo quy định của 3GPP, mục tiêu chung của hầu hết các lịch trình là tận dụng về sự biến đổi kênh giữa thiết bị đầu cuối và sự truyền lịch trình tới một đầu cuối với những điều kiện kênh thuận lợi. Lợi ích của việc sử dụng OFDM trong LTE là khả năng khai thác các kênh biến thể trong cả hai miền thời gian và tần số thông qua các kênh phụ thuộc vào lịch trình. Đối với băng thông lớn hơn được hỗ trợ bởi LTE, nơi mà có lượng đáng kể giảm tần số chọn lọc có thể xảy ra, khả năng lên lịch trình để khai thác cũng thay đổi kênh miền tần số trở nên ngày càng quan trọng so với việc chỉ khai thác biến thiên miền thời gian. Điều này có lợi nhất là với tốc độ thấp, nơi sự biến đổi trong miền thời gian là tương đối chậm so với yêu cầu trì hoãn do nhiều dịch vụ. Sự lập biểu các kênh đường xuống phụ thuộc vào hỗ trợ qua kênh thông tin quốc gia (CSI). Theo báo cáo của thiết bị đầu cuối cho các eNodeB và phản ánh đường xuống tức thời chất lượng kênh trong miền thời gian và tần số, cũng như các thông tin cần thiết để xác
định xử lý anten thích hợp trong trường hợp ghép kênh không gian.Trong đường lên, các kênh thông tin quốc gia cần thiết cho các kênh đường lên phụ thuộc vào việc lên lịch trình có thể dựa vào một tín hiệu âm chuẩn truyền từ mỗi thiết bị đầu cuối mà eNodeB muốn đánh giá chất lượng các kênh đường lên. Để hỗ trợ cho việc lên lịch trình đường lên tại quyết định của nó, các thiết bị đầu cuối có thể truyền tải thông tin trạng thái bộ đệm cho các eNodeB sử dụng một bản tin MAC. Thông tin này chỉ có thể được truyền qua nếu các thiết bị đầu cuối đã được đưa ra là hợp lệ việc lên lịch trình trợ cấp. Không phải đối với trường hợp khi một chỉ số các thiết bị đầu cuối cần các tài nguyên đường lên được cung cấp như một phần của đường lên L1/L2 điều khiển báo hiệu cấu trúc.