NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực và kết quả của luận văn chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn


2

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................1
MỤC LỤC.........................................................................................................2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH.................................................................................6
MỞ ĐẦU...........................................................................................................2
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE............................5
CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH........................................................................28
KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE.........................................................40
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...............................55
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN......................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................80
PHỤ LỤC........................................................................................................82

3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT


Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
rk

2G

Second Generation Mobile Communication Netw

Mạng thông tin di động thế hệ thứ hai

3G

Third Generation Mobile Communication Network

Mạng thông tin di động thế hệ thứ ba

3GPP

Third Generation Partnership Project

Dự án hợp tác thế hệ thứ ba

4G
AMC tin
di động thế
hệ thứ tư

Fourth Generation Mobile Communication Network

Mạng thôn

Adaptive Modulation and Coding

Mã hóa và điều chế đáp ứng

ARQ

Automatic Repeat Request

Giao thức tự động truyền lại

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BLER

Block Error Rate

Tỉ lệ lỗi khối

BS

Base Station

Trạm gốc

CB

Code Block

Khối mã hóa

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố tuần hoàn

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kỹ thuật kiểm tra phát hiện lỗi bít CRC

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

CQI

Channel Quality Information

Thông tin chất lượng kênh truyền

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

DL

Downlink

Đường xuống

eNodeB

enhanced Node B

NodeB nâng cao

EPS

Evolved Packet System

Hệ thống chuyển mạch gói phát triển

E_UTRAN Evolved UTRAN

4

FFT

Fast Four

Hệ thống UTRAN phát triển
er Transform
Phép biến đổi Fourier nhanh

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép phân tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân tần số

GSM

Global System for Mobile Communication

HARQ

Hybrid Automatic

Thông tin di động thế hệ thứ hai
epeat Request
Giao thức tự động truyền lại ghép lai

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao đường xuống

HSPA

High Speed Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao đường lên

HSPA+

An Evolution of HSPA

Truy cập gói tốc độ cao cải tiến

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh ngược

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IS

Inter-Symbol Interference

Xuyên nhiễu giữa các symbol

LTE

Long Term Evolution

Cải tiến dài hạn

MAC

Medium Access Control

Lớp điều khiển truy cập

Max TP

Max Throughput

Kỹ thuât tối đa hóa thông lượng

MCS

Modulation and Coding Scheme

Kỹ thuật mã hóa và điều chế

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Kỹ thuật anten đa thu đa phát

PF

Proportional Fair

Thuật toán công bằng tương xứng

PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân tần số trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia tần số trực giao


5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng
Tên bảng
1.1
Thông số RB vật lý

Trang

17

1.2

Dung lượng hệ thống LTE sử dụng SISO

22

2.1

So sánh giữa các thuật toán lập lịch

37

4.1

Các thông số mô phỏng thuật toán lập lịch

61

4.2

66

4.3

Thông lượng và BLER của 5 UE dùng Round
Robin
Thông lượng của 5 UE sử dụng Best CQI

4.4

Thông lượng của 5 UE sử dụng Max TP

69

4.5

Thông lượng của 5 UE sử dụng Maxmin

71

4.6

Thông lượng của 5 UE sử dụng PF

72

68


6

DANH MỤC CÁC HÌNH


Số hiệu hình

Tên hình

Trang

1.1

Kiến trúc phân lớp LTE

1.2

Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần điều
khiển

6

1.3

Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến LTE phần
người dùng

6

1.4

Chức năng của lớp MAC

8

1.5

Phân lớp kênh truyền

8

1.6

Kênh truyền đường xuống

10

1.7

Kênh truyền đường lên

11

1.8

Phổ đa sóng mang

12

1.9

Tín hiệu OFDM trên miền thời gian và tần số

13

1.10

Subcarrier và băng thông

14

1.11

Cấu trúc khung đường lên và đường xuống

15

1.12

Cấu trúc khung TDD

15

1.13

Cấu trúc khung TDD

15

1.14

Khối tài nguyên RB

16

1.15

Phân bố dữ liệu và tín hiệu tham chiếu

18

1.16

Quá trình xử lý đường xuống

20

1.17

Kỹ thuật xử lý đường xuống

21

2.1

Thuật toán lập lịch Round Robin.

30

2.2

Thuật toán lập lịch Best CQI

31

2.3

CQI và tài nguyên cấp phát cho UE

32

2.4

Thuật toán lập lịch PF

34

2.5

Weighted Fair Queuing (WFQ)

35

3.1

Đáp ứng kênh truyền

41

3.2

Giao diện bộ lập lịch MAC

42

3.3

Thuật toán lập lịch Round Robin trong LTE

46

3.4

Thuật toán Best CQI trong LTE

47

3.5

Thuật toán lập lịch PF trong LTE

48

4.1

Mối quan hệ SNR, BLER và CQI

56

4.2

Mô hình ánh xạ SNR và CQI

56

4.3

Ước lượng CQI sử dụng MIESM

57

4.4

Mô hình ánh xạ CQI và R

58

4.5

Thuật toán chương trình chính

60

4.6

Thông lượng cell và BLER ứng với 15 UE và 30 UE

62

4.7

Thông lượng cell và BLER ứng với 60 UE và 120 UE

62

4.8

Thông lượng cell và BLER ứng với 15 UE và 30 UE

63

4.9

Thông lượng cell và BLER ứng với 60 UE và 120 UE

63

4.10

Thông lượng cell và BLER ứng với 15 UE và 30 UE

63

4.11

Thông lượng cell và BLER ứng với 60 UE và 120 UE

64

1

5


2

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ thông tin di động băng rộng hiện nay đã trở thành thuật ngữ quen

thuộc đối với mọi người tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Sau khi mạn
g 3G được triển khai, việc sử dụng internet băng rộng, dịch vụ nghe nhìn trực tuyến
qua thiết bị di động đem lại nhiều tiện ích, sự tiện lợi cho người dùng, góp phần
nâng cao chất lượng cuộc sống.
Công nghệ LTE ra đời là sự cải tiến đối với chuẩn thông tin di động
WCDMA/HSPA, vốn được nâng cấp từ chuẩn thông tin di động GSM truyền thống,
đưa mạng di động trở thành mạng hội tụ IP hoàn toàn, nâng khả năng truy cập dữ
liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứa hẹn đem lại cho người dùng một mạng
băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi.
Công nghệ LTE, được phát triển trên nền tảng IP hoàn toàn, phục vụ cho các
dịch vụ VOIP, video, streaming, internet băng rộng. Khi đó lớp truy nhập của LTE
có nhiệm vụ đảm bảo và kiểm soát chất lượng dich vụ QOS, nhằm phân bổ tài
nguyên hợp lý và tối ưu cho người dùng, với khả năng truy cập dịch vụ với độ trễ
thấp nhất, băng thông rộng nhất có thể. Bộ lập lịch được sử dụng trong lớp MAC
trong giao diện vô tuyến là thành phần quan trọng thực hiện chức năng này, trong
đó kỹ thuật lập lịch là thành phần cốt lõi của nó.
Kỹ thuật lập lịch đã được phát triển nhiều trong mạng Internet như FIFO,
Round Robin, Maxmin, Best CQI, Max Throughput, PF… Khi ứng dụng vào mạng
di động băng rộng sẽ có nhiều điểm khác biệt, như ảnh hưởng của các thông số
SNR, phân bố Anten, phân bố eNodeB, khoảng cách UE đến NodeB... Vì thế, luận
văn chọn hướng nghiên cứu về các kỹ thuật lập lịch trong hệ thống thông tin di
động LTE trong lớp MAC trên giao diện vô tuyến, nhằm so sánh, đánh giá hiệu quả
của các kỹ thuật lập lịch đối với chất lượng của hệ thống, từ đó đề xuất kỹ thuật lập
lịch thích hợp cho hệ thống.


3

Từ những vấn đề nêu trên cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên
cứu mới hiện nay, tôi chọn đề tài: ”NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG LTE”.
2. Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động LTE và các kỹ
thuật lập lịch, luận văn tiến hành xây dựng các mô hình, kịch bản mô phỏng, thực
hiện mô phỏng nhằm so sánh và đánh giá một số kỹ thuật lập lịch, đề xuất kỹ thuật
lập lịch phù hợp cho hệ thống thông tin di động LTE.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
- Tổng quan hệ thống thông tin di động LTE.
- Giao diện vô tuyến LTE.
- Các kỹ thuật lập lịch.
- Thuật toán lập lịch.
- Các mô hình lập lịch.
- Các kịch bản lập lịch
b. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung chủ yếu vào nghiên cứu các kỹ thuật lập lịch trong lớp MAC
trên giao diện vô tuyến. Sau đó nghiên cứu xây dựng các kịch bản mô phỏng tính
toán, so sánh và đánh giá các kỹ thuật lập lịch. Nội dung luận văn chủ yếu tập trung
vào các kỹ thuật lập lịch Round Robin, Best CQI, PF, MaxMin, Max Throughput.
Các thông số đánh giá bao gồm thông lượng eNodeB, thông lượng của người dùng
UE, tỉ lệ lỗi BLER.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập và phân tích các tài liệu và thông tin có liên quan đến đề tài như
kiến thức mạng thông tin di động LTE, giao diện vô tuyến LTE, các kỹ thuật lập
lịch trong lớp MAC…


4

- Kết hợp lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành lập mô hình, kịch bản nhằm mô
phỏng và tính toán các thông số chất lượng ứng với các kỹ thuật lập lịch. Trong nội
dung luận văn, các kết quả đạt được từ chương trình tính toán và mô phỏng bao
gồm thông lượng và BLER sử dụng chương trình Matlab sẽ được sử dụng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các mạng di động hiện nay tại Việt Nam đa số sử dụng công nghệ 2G GSM,
hiện đã nâng cấp lên công nghệ 3G UMTS/WCDMA. Công nghệ LTE là bước tiếp
theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thống thông tin di động
băng rộng mọi lúc mọi nơi. Vì thế, hướng nghiên cứu này nhằm trang bị kiến thức
về công nghệ di động LTE và kỹ thuật lập lịch, góp phần chọn giải pháp tối ưu cho
giao diện vô tuyến, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo,
Phụ lục, luận văn bao gồm các chương sau:
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
Nội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, giao diện vô
tuyến, phân lớp trong eNodeB và các kỹ thuật trong giao diện vô tuyến LTE.
CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH
Nội dung chương trình bày và so sánh các kỹ thuật lập lịch phổ biến, qua đó
tìm hiểu về tính năng, ưu nhược điểm của các thuật toán lập lịch.
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE
Nội dung chương trình bày hai phần chính là bộ lập lịch lớp MAC trong giao
diện vô tuyến LTE và các kỹ thuật lập lịch sẽ áp dụng mô phỏng trong luận văn.
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Nội dung chương trình bày mô hình mô phỏng, kịch bản mô phỏng, kết quả
mô phỏng và so sánh đánh giá các kỹ thuật lập lịch theo các thuật toán khác nhau.


5

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE
1.1. Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE, công nghệ đa truy nhập
OFDMA, phân biệt các phân lớp trong eNodeB cũng như trình bày về các kỹ thuật
quan trọng trong các phân lớp giao diện vô tuyến LTE.
1.2. Giới thiệu về công nghệ LTE [1],[2],[3]
3GPP là tổ chức chuẩn hóa được thành lập bởi Châu Âu, Nhật Bản, Trung
Quốc, Mỹ và Hàn Quốc, được sáng lập năm 1998 nhằm phát triển công nghệ di
động thế hệ thứ 3, WCDMA dựa vào FDD và TD-CDMA dựa vào TDD. Nhằm kết
hợp các hệ thống di động trong tương lai, một kế hoạch phát triển, cải tiến công
nghệ 3G được thực hiện từ năm 2004. Kết quả là sự ra đời của hệ thống thông tin di
động LTE, với tốc độ lên đến hàng trăm Mbit/s cho đường xuống và hàng trăm
Mbit/s cho đường lên với băng thông sử dụng 20 Mhz. LTE có một hệ thống có
kiến trúc mềm dẻo với mạng lõi cải tiến rất nhiều so với mạng 3G gọi là SAE, với
giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDMA có đáp ứng băng thông lớn và linh
hoạt, băng thông hoạt động từ 1,25 Mhz đến 20 Mhz cho cả FDD và TDD, kết hợp
công nghệ MIMO đem lại thông lượng lớn gấp hàng chục lần chuẩn 3G. Độ trễ gói
và quá trình chuyển trạng thái (rỗi sang hoạt động) được cải thiện đáng kể so với
3G.
Cấu trúc vật lý được lựa chọn cho đường xuống trong hệ thống LTE là hệ
thống OFDMA, đem lại hiệu quả băng thông cao và tương thích với MIMO.
Khoảng cách các sóng mang con subcarrier là 15 KHz. Độ dài của symbol là
66.7μs. Khi đó một CP dài 4,7μs có thể được sử dụng trong trường hợp cần thiết,
CP dài tùy thuộc vào độ che phủ của cell. Trong hệ thống OFDMA, cả miền tần số
và thời gian đều được phân chia thành các slot. Mỗi slot, trong miền thời gian chiếm
0,5ms, chứa 7 symbol và trong miền tần số chiếm 12 sóng mang con subcarrier. Khi
đó, tập hợp 12 sóng mang con subcarrier liên tiếp được gọi là subband. Hai slot liên


6

tiếp trong miền thời gian gọi là sub-frame, có độ dài 1ms, gọi là TTI. Sub-frame là
đơn vị tài nguyên cấp phát tài nguyên nhỏ nhất, gọi là khối tài nguyên. Đường
xuống có kênh điều khiển là PDCCH và kênh dữ liệu là PDSCH. Kênh điều khiển
nằm trong thành phần tài nguyên đầu tiên của mỗi sub frame. Kênh PDCCH được
sử dụng cho báo hiệu cả đường lên, đường xuống và mang thông tin giao thức
HARQ. Kênh PDSCH mang dữ liệu người dùng, được hệ thống cấp trong một vài
khối tài nguyên. Ngoài ra, còn có thông tin tham chiếu truyền ở slot cố định để giúp
UE ước lượng chất lượng kênh truyền và đồng bộ.
1.3. Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến
Mạng truy nhập LTE rất đơn giản và giảm thiểu chỉ còn trạm gốc là eNodeB
và phần giao diện vô tuyến LTE phủ sóng cho người dùng (UE) truy cập vào mạng.

Hình 1.1 Kiến trúc phân lớp LTE
Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE được chia thành hai phần là phần điều
khiển và phần người dùng. Phần điều khiển đảm nhận việc thiết lập kết nối, báo
hiệu giữa UE và eNodeB. Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử lý dữ
liệu truy nhập giữa UE và eNodeB.
Phần điều khiển bao gồm có các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớp RLC,
lớp RRC [4].


7

Hình 1.2 Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần điều khiển

Hình 1.3 Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến LTE phần người dùng
Phần người dùng bao gồm các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớp RLC, lớp
PDCP. Lớp vật lý có nhiệm vụ mã hóa, điều chế, điều khiển phần anten phát thu.
Lớp MAC có chức năng truyền lại HARQ và ghép kênh. Lớp RLC co nhiệm vụ

thiết lập liên kết giữa UE và eNodeB và phân gói IP ra kích thước định dạng gói
phù hợp cho việc đóng gói truyền đi ở lớp MAC. Lớp PDCP có chức năng nén mào
đầu và mã hóa, giao tiếp với lớp người dùng phía trên. Trong lớp MAC có một phần
tử quan trọng là bộ lập lịch lớp MAC, có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên vô tuyến
cho UE, nhiệm vụ này rất quan trọng vừa phảiđảm bảo việc phân phát tài nguyên
cho UE sao cho hợp lý, tối ưu cho các UE và dịch vụ cần sử dụng, vừa phải sử dụng
tài nguyên hiệu quả, vì thế bộ lập lịch MAC có quan hệ với nhiều chức năng khác
trong các lớp như mã hóa, điều chế, chức năng điều khiển truyền lại kiểm soát lỗi,
điều khiển việc truyền tín hiệu qua anten. Trong nội dung luận văn này ta sẽ tập
trung vào bộ lập lịch lớp MAC nhưng cũng sẽ tìm hiểu các chức năng liên quan để
tạo sự phối hợp hoạt động giữa bộ lập lịch lớp MAC và các phần tử chức năng
khác. Phần tiếp theo ta sẽ nghiên cứu các lớp và chức năng cụ thể.


8

1.3.1. Lớp vật lý [3],[7]
Lớp vật lý LTE sử dụng công nghệ OFDMA cho đường xuống và SCFDMA cho đường lên. Kiểu FDD và TDD có thể kết hợp nếu thiết bị người dùng
hỗ trợ, tuy nhiên khác nhau về cấu trúc khung truyền. Kênh vật lý linh động sắp xếp
theo tài nguyên bao gồm tài nguyên kênh vật lý và port anten.
Lớp vật lý chuyển dữ liệu lên lớp trên thông qua kênh vận chuyển, với tính
chất phụ thuộc vào tốc độ bit, độ trễ, phòng ngừa đụng độ, và độ tin cậy. Ngược lại
với WCDMA và cả GSM, LTE không có kênh vật lý và vận chuyển chuyên dụng,
tất cả tài nguyên được cấp phát linh hoạt điều khiển bởi bộ lập lịch. Việc sắp xếp
kênh logic vào kênh vận chuyển có vài loại khác nhau. Việc sắp xếp kênh logic vào
kênh vận chuyển được thực hiện bởi lớp MAC.
Lớp vật lý có chức năng chính là mã hóa/giải mã, điều chế/giải điều chế, ánh
xạ đa anten (MIMO)…trước khi truyền ra giao diện vô tuyến. Tóm lại, chức năng
lớp vật lý như sau:
Chức năng lớp vật lý sử dụng kênh vận chuyển: Phát hiện lỗi kênh vận

chuyển và thông báo cho lớp trên; mã hóa/ giải mã FEC cho kênh vận chuyển; khớp
tốc độ kênh vận chuyển đã mã hóa với kênh vật lý và sắp xếp kênh vận chuyển đã
mã hóa vào kênh vật lý.
Chức năng lớp vật lý sử dụng kênh vật lý: Bù công suất kênh vật lý, điều
chế và giải điều chế kênh vật lý.
Chức năng khác của lớp vật lý: HARQ kết hợp mềm; bù công suất kênh
vật lý; đồng bộ thời gian và tần số; đo đạc thông số vô tuyến và thông báo cho lớp
trên; xử lý anten MIMO; phân tập phát; xử lý RF và dạng sóng.
1.3.2. Lớp MAC [1],[3],[4]
MAC là lớp thứ hai, có nhiệm vụ chính là điều khiển kênh vận chuyển. Từ
lớp trên, MAC nhận được kênh logic tương ứng một-một với kênh vô tuyến. Mỗi
kênh logic có một độ ưu tiên và MAC ghép các kênh logic vào kênh vận chuyển để
truyền xuống lớp vật lý. Ngoài ra, chức năng của MAC còn là xử lý xung đột, nhận
dạng UE, chức năng điều khiển truyền lại HARQ. Tuy nhiên, phần quan trọng nhất


9

của MAC là quản lý ưu tiên, lập lịch, có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên vật lý cho
kênh vật lý của người dùng được xử lý bởi lớp 1 và lớp 2. MAC và báo hiệu lớp 1
thường trễ trong khoảng 10 ms, trong khi báo hiệu RRC thường mất khoảng 100 ms
và hơn nữa để hoàn thành.

Hình 1.4 Chức năng của lớp MAC
1.3.3. Lớp RLC
RLC có chức năng nâng cao kênh vô tuyến bằng cách sử dụng HARQ, khi
đó khung dữ liệu được đánh số thứ tự và nhận báo cáo trạng thái từ UE để kích hoạt
việc truyền lại. Quản lý việc truyền lại là chức năng của HARQ trong MAC. Chức
năng thứ hai của RLC là phân đoạn và tái tạo dữ liệu của lớp trên thành các chuỗi
dữ liệu phù hợp với kênh truyền dẫn theo kích thước khối vận chuyển nhất định,

theo sự điều khiển của bộ lập lịch. Cụ thể là nhận SDU từ lớp PDCP và chuyển
thành RLC PDU.

Hình 1.5 Phân lớp kênh truyền


10

1.3.4. Lớp PDCP
EnodeB nhận dữ liệu từ mạng lõi ở dạng gói IP. Để giảm số bit truyền trên
giao diện vô tuyến, eNodeB sử dụng giao thức PDCP để nén mào đầu IP theo chuẩn
ROHC(Obust Header Compression; RFC 3095) và mã hóa dữ liệu truyền đi. Tại
đầu thu, PDCP thực hiện giải nén và giải mã để có dữ liệu ban đầu.
1.3.5. Lớp RRC
RRC có chức năng quản lý tín hiệu điều khiển truy nhập cho EUTRAN bao
gồm quản lý bảo mật và QOS. RRC có chức năng thiết lập, quản lý và giải phóng
kết nối RRC và quản lý di động, cung cấp thông điệp cần thiết cho quản lý kênh,
điều khiển đo lường và báo cáo…
Giao thức NAS chạy giữa thiết bị người dùng và MME, do đó truyền xuyên
qua EUTRAN. Giao thức này nằm trên RRC, cung cấp thông điệp kênh truyền cần
thiết cho truyền NAS.
1.4. Hệ thống kênh truyền trong LTE
Giao diện vô tuyến LTE bao gồm các kênh vật lý và kênh báo hiệu vật lý.
Kênh vật lý mang dữ liệu từ lớp trên bao gồm tín hiệu điều khiển, lập lịch, dữ liệu
người dùng, báo hiệu, được dùng cho đồng bộ hệ thống, nhận dạng cell, đánh giá
chất lượng kênh truyền.
Các kênh vật lý đường xuống như kênh chia sẻ đường xuống vật lý
(PDSCH), Kênh quảng bá vật lý (PBCH), Kênh multicast vật lý (PMCH), kênh chỉ
số định dạng điều khiển vật lý (PCFICH), kênh điều khiển đường xuống vật lý
(PDCCH), kênh chỉ số HARQ vật lý (PHICH).

Kênh vật lý đường lên bao gồm: Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH),
Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH), Kênh chia sẻ đường lên vật lý
(PUSCH).
Liên quan đến tín hiệu vật lý, có hai loại tín hiệu: tín hiệu tham chiếu và tín
hiệu đồng bộ. Lớp vật lý cung cấp kênh vận chuyển đến lớp MAC và kênh vận
chuyển có đặc điểm là làm thế nào thông tin truyền qua giao diện vô tuyến. MAC


11

cung cấp những kênh logic khác qua RLC của lớp 2 và một kênh logic có đặc điểm
là kiểu thông tin truyền đi.

Hình 1.6 Kênh truyền đường xuống
1.4.1. Hệ thống kênh đường xuống
1.4.1.1. Kênh vật lý đường xuống
Kênh PCFICH là kênh có nhiệm vụ mang thông tin định dạng kênh điều
khiển, chỉ định từ NodeB xuống UE có bao nhiêu symbol OFDMA dùng cho
PDCCH, được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH.
Kênh PDSCH là kênh chính trong các kênh đường xuống, mang kênh DLSCH và PCH, được điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Kênh PDSCH truyền trên
port anten 0 hoặc 0,1 hoặc 0,1,2 nếu thông tin tham chiếu cho UE không truyền đi,
truyền trên port 5 nếu thông tin tham chiếu cho UE được truyền đi.
Kênh PDCCH: Thông báo UE về cấp phát tài nguyên của kênh PCH và DLSCH, các thông tin HARQ liên quan đến DL-SCH, mang thông tin lập lịch đường
lên. Kênh PDCCH được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH.
Kênh PHICH:Mang thông tin ACK/NACK của HARQ hồi âm đối với đường
lên, được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH.
Kênh PBCH: mang thông tin quảng bá từ kênh logic BCCH, dùng định dạng
đơn giản và cố định. Khối vận chuyển đã mã hóa BCH được sắp xếp vào 4 subframe trong khoảng 40 ms. Mỗi sub-frame có khả năng tự giải mã, ví dụ BCH có
thể được giải mã. Kênh PBCH được điều chế QPSK.

12

Kênh PMCH: mang kênh MCH, được điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
1.4.1.2. Kênh vận chuyển đường xuống
Kênh MCH: là kênh quảng bá đường xuống, mang kênh MCCH và MTCH.
Kênh DL-SCH: là kênh truyền tải dữ liệu đường xuống, mang kênh logic
BCCH, CCCH, DCCH, MCCH, MCTH, MCCH.
Kênh BCH: là kênh quảng bá đường xuống, mang kênh BCCH.
Kênh PCH: là kênh tìm gọi (Paging) từ mạng xuống UE, mang kênh logic
PCCH.
1.4.1.3. Kênh logic đường xuống
Kênh CCCH: là kênh truyền thông tin điều khiển giữa UE và mạng. Kênh
được dùng cho UE không có kết nối RRC với mạng.
Kênh DCCH:là kênh hai chiều điểm đến điểm truyền thông tin điều khiển
thuộc về UE giữa UE và mạng. Kênh được dùng cho UE có kết nối RRC đến mạng.
Kênh DTCH:là kênh điểm đến điểm, thuộc một UE, truyền tải thông tin
người dùng. Kênh DTCH có thể trên cả trên đường lên và đường xuống.

Hình 1.7 Kênh truyền đường lên
1.4.2. Hệ thống kênh đường lên
1.4.2.1. Kênh vật lý đường lên
Kênh PRACH: kênh mang thông tin chiếm truy cập ngẫu nhiên, kênh truy
cập ngẫu nhiên khởi tạo từ chuỗi


13

Kênh PUSCH: kênh mang kênh UL-SCH, được điều chế QPSK, 16-QAM,
64-QAM.

Kênh PUCCH: kênh mang thông tin ACK/NACK của HARQ để hồi âm cho
đường truyền đường xuống. Kênh PUCCH mang yêu cầu lập lịch, mang thông tin
báo cáo CQI. Kênh được điều chế BPSK và QPSK.
1.4.2.2. Kênh vận chuyển đường lên
RACH: kênh mang thông tin truy cập mạng của UE. Việc truyền kênh có thể
mất do xung đột.
Kênh UL-SCH: kênh truyền dữ liệu cho đường lên. Kênh hỗ trợ định dạng
sóng, đáp ứng liên kết động bằng cách điều chỉnh công suất phát, mã hóa và điều
chế, hỗ trợ cấp phát tài nguyên động và bán cố định
1.5.

Lớp vật lý [3],[13],[14]

1.5.1. Công nghệ OFDMA trong LTE
Để khắc phụ nhược điểm của điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng
phương pháp điều chế OFDM, thường gọi là phương pháp điều chế phân chia tần số
trực giao. Điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM đặt tần số sóng mang tiếp
theo một cách đơn giản và chính xác tại điểm không thứ nhất của tần số sóng mang
trước. Với các này chúng ta không cần bộ lọc định dạng xung. Các sóng mang
OFDM sử dụng độ dài symbol giống nhau, không cần băng thông bảo vệ. Khi đó,
sẽ không có ACI tại các tần số trung tâm của các subcarrier, nên các subcarrier gọi
là trực giao.

Hình 1.8 Phổ đa sóng mang


14

Khi đó, tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều subcarrier. Khoảng cách giữa các
tần số các subcarrier chính xác là fs, là biến đổi ngược của độ dài symbol (Ts). Ts

lớn hơn nghĩa là subcarrier sẽ gần nhau hơn và nhiều subcarrier hơn trong băng
thông cho trước. Một symbol OFDM là kết hợp của n symbol subcarrier song song
đồng thời.

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM trên miền thời gian và tần số
Về công nghệ OFDM được phân chia thành các loại:
- Plain OFDM: được xây dựng không dùng cho đa truy nhập, thích hợp cho
hệ thống quảng bá như DVB-T/H chỉ truyền thông tin quảng bá và đa quảng bá và
không cần đường kênh hồi tiếp đường lên
- Time Division Multiple Access via OFDM: Đây là mô hình đơn giản nhất
dùng cho đa truy nhập băng cách kết hợp OFDM và phân thời gian. Nhược điểm
của phương pháp này là mọi người dùng được cấp phát cùng một dung lượng và rất
khó để triển khai các dịch vụ đòi hỏi sự linh hoạt về tốc độ bit (tốc độ thấp hoặc
cao).
- Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA: thương hiệu
đăng kí bởi Runcom Ltd. Ý tưởng cơ bản là cấp phát khối tài nguyên cho người
dùng dựa vào tốc độ bit dịch vụ người dùng yêu cầu. Với phương pháp này, dễ dàng
xử lý các yêu cầu dịch vụ đa người dùng đa tốc độ. Nhưng bài toán đặt ra là làm sao
sử dụng băng thông hiệu quả. Giải pháp cho vấn đề này là cấp phát cho người dùng
các khối tài nguyên gọi là resource block hay scheduling block. Khối tài nguyên


15

này đơn giảm là nhóm các subcarrier. Một người dùng có thể sử dụng một hay
nhiều khối tài nguyên.
Trong hệ thống LTE, giao diện vô tuyến đường xuống dựa vào công nghệ
OFDMA. LTE sử dụng sóng mang gọi là subcarrier có độ rộng 15 kHz. Khi đó độ
dài symbol (Ts) là 66.67 μs. EUTRAN sử dụng OFDMA với 2048 subcarrier.
Không phải tất cả 2048 subcarrier đều được sử dụng, các subcarrier phải để tự do

như là băng tần bảo vệ từ các hệ thống vô tuyến khác. Một cell EUTRAN sử dụng ít
nhất 72 subcarrier và nhiều nhất là 1320 subcarrier. Khi đó băng thông tương ứng là
1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15MHZ và 20 MHz. Việc sử dụng băng thông
bao nhiêu, bao nhiêu subcarrier của một cell là do nhà mạng lựa chọn. Băng thông
có khả năng mở rộng từ 1.4 đến 20 MHz bằng cách sử dụng số lượng subcarrier
khác nhau. Vùng băng thông lớn dùng cho dịch vụ tốc độ cao.

Hình 1.10 Subcarrier và băng thông
1.5.2. Khung vô tuyến LTE/EUTRAN
Khung vô tuyến cơ bản của EUTRAN dài 10 ms. Khi đó khung vô tuyến
EUTRAN tương ứng 20 slot vì mỗi slot dài 0.5 ms. Hai slot liên tiếp tạo thành một
subframe. Một subframe (độ dài 1ms gọi là TTI) là đơn vị thời gian nhỏ nhất mà bộ
lập lịch cấp phát cho kênh vật lý. Cấu trúc symbol OFDMA bao gồm ba dạng
subcarrier là subcarrier dữ liệu cho truyền dữ liệu, subcarrier pilot cho đánh giá và
đồng bộ và subcarrier Null cho không truyền gì cả, dùng để bảo vệ băng tần và DC.


16

Hình 1.11 Cấu trúc khung đường lên và đường xuống
Có hai mode OFDMA là FDD và TDD. Trong trường hợp sử dụng FDD, sẽ
có một khoảng thời gian offset giữa đường lên và đường xuống. Nếu sử dụng TDD,
subframe 0 và subframe 5 phải là đường xuống, những subframe còn lại có thể linh
hoạt là đường lên hay đường xuống.

Hình 1.12 Cấu trúc khung TDD
EUTRAN cũng định nghĩa khung loại 2, được sử dụng chỉ cho TDD và
tương thích với TD-SCDMA (low chip rate TDD mode) của WCDMA.

Hình 1.13 Cấu trúc khung TDD

1.5.3. Khối tài nguyên RB trong OFDMA
Sự kết hợp các OFDM symbol thành các khối tài nguyên gọi là RB, đây là
đơn vị tài nguyên nhỏ nhất được cấp phát cho người dùng UE. Một RB tạo thành từ
12 subcarrier liên tiếp trong một subframe (2 khe liên tiếp tương ứng với 1ms). Do


17

đó, băng thông của một RB là 12 subcarrier * 15 kHz = 180 kHz. Như vậy một RB
chiếm 0,5 ms trong miền thời gian và 180 Khz trong miền tần số.
Nhiệm vụ của bộ lập lịch trong lớp MAC LTE là phân bổ các RB cho các
kênh vật lý thuộc các người dùng khác nhau hay cho nhiệm vụ chung của hệ thống
như báo hiệu. Ngoài ra còn được sử dụng cho tín hiệu đồng bộ hay tín hiệu tham
chiếu. Một cell có ít nhất 6 RB ứng với 72 subcarrier trong băng thông 1,4Mhz và
nhiều nhất là 110 RB ứng với 1320 subcarrier trong băng thông 20 Mhz.

Hình 1.14 Khối tài nguyên RB
Mỗi subcarrier có băng thông 15 Khz, chứa được 7 symbol hoặc 6 symbol,
có chèn thêm CP có độ dài như bảng ở dưới. Khi đó mỗi RB có 12 subcarrier sẽ
chứa 84 symbol trong 0,5 ms. Vậy tốc độ symbol tối đa trong mỗi RB là 168000
symbol/s. Giả sử chúng ta sử dụng điều chế QAM 64, khi đó thông lượng RB là
1,008 Mb/s. Giả sử ta sử dụng FEC 5/6, thông lượng thực sự là 0,84 Mb/s. Hệ thống
LTE có băng thông lớn nhất là 20 Mhz ứng với 100 RB, khi đó thông lượng tối đa
là 84 Mb/s. Kết hợp anten MIMO 2x2, thông lượng hệ thống tăng lên 2 lần thành
168 Mb/s, đây là thông lượng tối đa của hệ thống LTE sử dụng MIMO 2x2.


18

Bảng 1.1 Thông số RB vật lý

Cấu hình
symbol/slot
subcarrier/RB
Độ dài CP
Cyclic Prefix thường
7
12 5,2 micro giây
Cyclic Prefix mở rộng
6
12 16,7 micro giây
1.5.4. Cấp phát tài nguyên vô tuyến
Một subframe chia thành vùng điều khiển cho tín hiệu điều khiển, vùng dữ
liệu cho dữ liệu đầu cuối và tín hiệu điều khiển đường lên. Tín hiệu tham chiếu có
thể nằm ở vùng điều khiển hoặc vùng dữ liệu. Kích thước vùng điều khiển được
điều chỉnh tùy thuộc vào lượng tín hiệu điều khiển được sử dụng cho thông tin giữa
eNodeB và đầu cuối UE. Trong nội dung luận văn, ta chỉ phân biệt đến vùng tham
chiếu và vùng dữ liệu. Khi tính thông lượng là ta tính đến thông lượng vùng dữ liệu.
1.5.4.1. Tín hiệu tham chiếu
Tín hiệu tham chiếu được chèn vào RB với mức công suất cố định làm cơ sở
tham chiếu cho UE ước lượng trạng thái kênh đường xuống, nhằm điều chỉnh mức
công suất thu phát hợp lý và tính toán thông số CQI báo cáo lên eNodeB. Báo cáo
từ UE lên eNodeB được dùng bởi bộ lập lịch cho việc cấp phát tài nguyên và chỉ
định phương pháp điều chế. Tín hiệu tham chiếu nằm ở symbol thứ nhất và thứ năm
nếu CP thường, ở symbol thứ nhất và thứ tư nếu CP dài. Vậy có bốn tín hiệu tham
chiếu trong một RB. Tín hiệu tham chiếu có ba loại chính:
Tham chiếu nhận dạng cell (cell ID): Mỗi RB gồm bốn ký hiệu tham
chiếu, chia theo miến thời gian và tần số. Ở miền thời gian, hai ký hiệu được chèn
trong ký hiệu OFDM đầu tiên, hai ký hiệu được chèn trong ký hiệu OFDMA thứ ba
cuối cùng. Tong miền tần số, 12 subcarrier chia thành hai vùng, mỗi vùng chứa ký
hiệu tham chiếu trong ký hiệu đầu tiên và thứ ba cuối cùng. Trong trường hợp đa

anten, vị trí tín hiệu tham chiếu xác định bởi nhận dạng port anten.
Tham chiếu MBFSN: dùng cho đánh gia kênh Multicast/Broadcast cho
mạng đơn tần số (Single Frequency Network).
Tham chiếu xác định UE: được truyền trong vùng dữ liệu, kèm theo dữ liệu
cấp phát cho UE, mục đích đánh giá kênh đối với UE.


19

Tín hiệu tham chiếu dùng cho định lượng kênh và tính toán đo đạc chất
lượng kênh. Tín hiệu tham chiếu được sắp xếp theo tần số và thời gian. Mỗi port
anten đều có một tín hiệu tham chiếu riêng. Khi một anten port truyền tín hiệu tham
chiếu thì các anten port khác sẽ không truyền gì cả.

Hình 1.15 Phân bố dữ liệu và tín hiệu tham chiếu
1.5.4.2. Tín hiệu đồng bộ
Tín hiệu đồng bộ làm giảm lượng thủ tục tìm cell của UE, có chức năng giúp
UE xác định cell, định thời đồng bộ khung. Tín hiệu đồng bộ luôn được truyền
trong vị trí xác định không quan tâm băng thông sử dụng, đó là trong 72 subcarrier
đầu tiên, quanh vùng DC, tại symbol OFDMA 5 và 6 của slot đầu subframe 0 và 5.
Có hai loại tín hiệu đồng bộ:
-

Tín hiệu đồng bộ sơ cấp
Tín hiệu đồng bộ thứ cấp

1.5.5. Điều chế trong LTE/EUTRAN
Mỗi symbol OFDM trong RB có thể được điều chế khác nhau, đây là tính
chất rất hay và linh hoạt của OFDM. Theo chuẩn EUTRAN thì có các tùy chọn điều
chế sau: QPSK, 16QAM, 64QAM. Tuy nhiên không phải tất cả các kênh vật lý đều

có thể sử dụng tất cả các phương pháp điều chế này. Đối với báo hiệu thì chỉ được
sử dụng QPSK. Việc quyết định phương pháp điều chế nào cho RB phụ thuộc vào
thông tin hồi âm CQI từ UE về chất lượng đường truyền, chức năng này được thực
hiện bởi bộ lập lịch.