2.4.1. SC-FDMA
Trong quá trình nghiên cứu LTE, hệ thống truyền tải đã được đưa ra cho các lựa chọn đối với đường lên. Trong khi OFDMA được xem là phương án tối ưu cho hướng DL nhưng hướng UL ít thuận lợi hơn. Điều này là do thuộc tính của OFDMA có tỷ lệ công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp, làm ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu đường lên. Do đó, việc truyền dẫn đường lên LTE ở chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA với tiền tố chu trình. Tín hiệu SC-FDMA
có tính chất PAPR tốt hơn so với OFDMA. Đây là một trong những lý do để lựa chọn SC-FDMA cho truy cập đường lên LTE. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra bằng kỹ thuật trải phổ DFT- OFDM hay (DFTS- OFDM), nguyên tắc được minh họa trong hình 2.12 [5].
Hình 2.12. Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [5]
Với DFT-S-OFDM, một DFT kích thước M trước tiên được áp dụng tới một khối các ký hiệu điều chế M. QPSK, 16QAM và 64QAM được sử dụng như là các phương án điều chế đường lên E-UTRAN, sau này được tùy chọn cho UE. DFT biến đối các ký hiệu vào miền tần số. Kết quả được ánh xạ vào các sóng mang con có sẵn. Trong đường lên E-UTRAN, chỉ có truyền dẫn tập trung trên các sóng mang con liên tiếp là được cho phép. N điểm IFFT nơi mà N→M sau đó được thực hiện như trong OFDM, tiếp đó là thêm tiền tố chu kỳ và chuyển đối song song thành nối tiếp [5].
Việc xử lý DFT do đó có sự khác biệt cơ bản giữa tạo tín hiệu SC- FDMA và tín hiệu OFDMA. Điều này được thể hiện bằng thuật ngữ “DFT- trải - OFDM”. Trong một tín hiệu SC-FDMA, mỗi sóng mang con được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin gồm tất cả các ký hiệu điều chế được truyền, kể từ khi dòng dữ liệu đầu vào được lan truyền bởi sự biến đổi DFT qua các sóng mang con sẵn có. Trái ngược với điều này, mỗi sóng mang con trong một tín hiệu OFDMA chỉ mang một thông tin liên quan tới các ký hiệu điều chế cụ thể [5].
2.4.2. Cấu trúc khung cho truyền dẫn đường lên
Như ta đã biết truyền dẫn đường lên của LTE dựa trên truyền dẫn DFT- S-OFDM hay SC-FDMA. Các thông số cơ sở của sơ đồ truyền dẫn đường lên LTE được chọn để đồng bộ tốt nhất với các thông số tương ứng của đường xuống OFDM. Như minh họa trên hình 2.13, khoảng cách giữa các sóng mang con đường lên DFT-S-OFDM bằng ∆f = 15kHz và các khối tài nguyên gồm 12 sóng mang con. Tuy nhiên khác với đường xuống, đối với đường lên không quy định không sử dụng sóng mang con DC.
Hình 2.13. Cấu trúc miền tần số đường lên của LTE [1]
Lý do vì sự có mặt của sóng mang con DC trong tâm phổ cho phép ấn định toàn bộ băng thông cho một đầu cuối di động mà vẫn duy trì được tính chất PAPR thấp của đơn sóng mang đối với truyền dẫn đường lên. Ta có tổng số các sóng mang con đường lên: NSC = 12.NRB [1].
Cấu trúc đường lên LTE cũng tương tự như đường xuống, trong cấu trúc khung loại 1, một khung vô tuyến đường lên dài Tf = 10ms bao gồm 10
khung con và một khung con có hai khe với mỗi khe có chiều dài 0,5ms. Cấu trúc khe đường lên được minh họa như trong hình 2.14 [5].
Hình 2.14. Lưới tài nguyên đường lên [5]
Ngoài ra cấu trúc thời gian/không gian, đường lên LTE rất giống với đường xuống như hình 2.11. Mỗi khung con 1ms đường lên bao gồm hai khe có độ dài bằng nhau Tslot = 0,5ms. Mỗi khe gồm một số khối DFT kể cả CP. Ngoài ra cũng giống với đường xuống, độ dài hai CP cũng được định nghĩa cho đường lên, CP bình thường và CP mở rộng. Một khung con bao gồm hai khe có độ dài bằng nhau. Mỗi khe gồm 6 hoặc 7 khối DFTS-OFDM cho trường hợp CP bình thường và CP mở rộng [1].
2.4.3. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên
Lập kế hoạch nguồn tài nguyên hướng lên được thực hiện bởi eNodeB. eNodeB sẽ cấp các tài nguyên thời gian/tần số nhất định cho các UE và các UE thông báo về các dạng truyền tải mà nó sử dụng. Các quyết định lập biểu có thể dựa trên các thông số QoS, tình trạng bộ nhớ đệm của UE, các thông số chất lượng kênh đường lên, khả năng của UE, các đo đạc khoảng cách của UE…v.v.
Trong đường lên, dữ liệu được cấp phát trong bội số của một số tài nguyên. Kích thước khối tài nguyên trong miền tần số là 12 sóng mang con, tức là giống trong đường xuống. Tuy nhiên không phải tất cả các bội số đều được ghép để có thể đơn giản hóa việc thiết kế DFT trong quá trình xử lý tín hiệu hướng lên. Chỉ có các chỉ số 2, 3 và 5 là được ghép. Không giống như trong đường xuống, các UE luôn được gán các khối tài nguyên liên tiếp trong đường lên LTE.
Khoảng thời gian truyền dẫn hướng lên là 1ms (giống như đường xuống). dữ liệu người dùng được mang trên kênh chia sẽ đường lên vật lý (PUSCH).
Bằng cách sử dụng nhảy tần hướng lên trên PUSCH, các tác dụng của sự phân tập tần số có thể được khai thác và nhiễu có thể được lấy trung bình. Xuất phát từ việc UE cung cấp phát tài nguyên đường lên cũng như thông tin nhảy tần từ việc trợ cấp lập lịch biểu hướng lên đó là được nhận trước bốn khung con.
Trong 3GPP việc sử dụng công nghệ SC-FDMA cho hướng lên hoạt động ở cả hai chế độ FDD và TDD. Việc phát tín hiệu trong miền tần số được thể hiện như hình 2.15. Bổ sung thêm cho OFDMA thuộc tính của dạng sóng phổ tốt hơn trái ngược với việc phát tín hiệu trong miền thời gian với bộ điều chế QAM thông thường. Do đó nhu cầu về băng tần bảo vệ giữa những người dùng khác nhau là có thể tránh được. Như trong hệ thống OFDMA, một tiền tố chu ký được thêm vào theo định kỳ, nhưng không phải sau mỗi ký hiệu như tốc độ ký hiệu là nhanh hơn trong miền thời gian so với OFDMA, để cho việc
truyền dữ liệu có thể ngăn ngừa được nhiễu liên ký tự và để đơn giản hóa việc thiết kế máy thu. Tuy nhiên máy thu vẫn phải đối phó với nhiễu liên ký tự, mặc dù tiền tố chu kỳ ngăn cản nhiễu liên ký tự giữa một khối các ký hiệu nhưng vẫn còn nhiễu liên ký tự giữa các tiền tố chu kỳ. Do đó máy thu sẽ chạy bộ cân bằng cho một khối các ký hiệu đến khi đạt được tiền tố chu kỳ ngăn chặn sự lan truyền nhiễu liên ký thự đó [4].
Hình 2.15. Sơ đồ khối của hệ thống SC-FDMA [4]
Kênh điều khiển hướng lên PUCCH mang thông tin điều khiển hướng lên, tức là thông tin ACK/NACK liên quan tới việc nhận các gói dữ liệu trong đường xuống. PUCCH được truyền trên một vùng tần số dành riêng trong hướng lên mà nó được cấu hình bởi các lớp cao hơn.
2.5. Tìm hiểu lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ
Cốt lõi của truyền dẫn trong LTE là sử dụng truyền dẫn kênh chia sẽ, trong đó tài nguyên thời gian/tần số được chia sẽ giữa những người sử dụng. Điều này cũng giống như trong HSPA, mặc dù việc thực hiện tài nguyên chia sẽ giữa hai công nghệ này khác nhau.Trong LTE là thời gian và tần số còn trong HSPA là thời gian và mã định kênh. Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào đựơc ấn định tài nguyên chia sẻ. Nó cũng
quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từng liên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi như là một bộ phận của bộ lập biểu. Bộ lập biểu là phần tử then chốt và ở mức độ rất lớn nó quyết định hiệu năng tổng thể của đường xuống, đặc biệt là trong mạng có tải cao.
Hình 2.16. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và miền tần số [1]
Cả đường xuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của lập biểu. Nếu xét đến các điều kiện kênh trong quyết định lập biểu, hay còn gọi là lập biểu phụ thuộc kênh. Điều này đã được khai thác trong HSPA, trong đó bộ lập biểu đường xuống cho phép phát đến người sử dụng có điều kiện kênh ưu việt để đạt đựơc tốc độ số liệu cực đại. Ở mức độ nào đó điều này cũng đựơc thực hiện trên đường lên cho HSUPA. Tuy nhiên ngoài miền thời gian, LTE cũng có thể truy nhập đến miền tần số nhờ việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên. Lập biểu trong LTE có thể xét đến các thay đổi điều kiện kênh không chỉ trong miền thời gian như HSPA mà cả trong miền tần số. Điều này được minh họa trên hình 2.16 [1].
Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt hữu ích tại các tốc độ số liệu thấp, nói một cách khác khi kênh thay đổi chậm theo
thời gian. Lập biểu phụ thuộc kênh dựa trên các thay đổi chất lượng kênh để nhận được độ lợi trong dung lượng hệ thống. Đối với các dịch vụ nhạy cảm trễ, bộ lập biểu chỉ cho mìền thời gian có thể bị buộc phải lập biểu cho một người sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm. Trong trường hợp này, việc khai thác cả các thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cải thiện tổng hiệu năng hệ thống. Đối với LTE, các quyết định lập biểu đựơc thực hiện một lần trong 1ms và tính hạt trong miền tần số là 180 kHz. Điều này cho phép bộ lập biểu bám theo các thay đổi kênh khá nhanh [1].
2.5.1. Lập biểu đường xuống
Trên đường xuống, mỗi thiết bị đầu cuối sẽ báo cáo một đánh giá về chất lượng kênh tức thời cho trạm gốc. Những đánh giá có được bằng cách đo một tín hiệu tham khảo được phát đi từ trạm gốc và nó cũng được sử dụng cho cả mục đích giải điều chế. Dựa trên những đánh về chất lượng kênh truyền, bộ lập biểu đường xuống có thể ấn định lượng tài nguyên cấp phát cho người dùng và chất lượng kênh truyền vẫn được đảm bảo. Về nguyên tắc, một thiết bị đầu cuối đựơc phân bố có thể được chỉ định một tổ hợp bất kỳ gồm các khối tài nguyên rộng 180 kHz trong khoảng thời gian lập biểu 1ms [1].
2.5.2. Lập biểu đường lên
Đường lên của LTE dựa trên cơ sở phân cách trực giao giữa những người sử dụng và đây là nhiệm vụ của bộ lập biểu đường lên. Bộ lập biểu đường lên phân phát các tài nguyên cả về thời gian và tần số (kết hợp TDMA/FDMA) cho những người dùng khác nhau. Quyết định phân bố đựơc đưa ra mỗi 1ms, có nhiệm vụ điều khiển việc các đầu cuối nào đựơc phép truyền đi thuộc phạm vi một ô trong một khoảng thời gian cho trước, và quyết định tài nguyên tần số nào được dùng cho quá trình truyền dẫn cũng như là tốc độ dữ liệu nào đang được sử dụng. Lưu ý rằng, chỉ một miền tần số kề nhau có thể được cấp cho những thiết bị đầu cuối trong đường lên như là một hệ quả của việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang cho đường lên LTE.
Trạng thái kênh truyền cũng cần được quan tâm trong quá trình lập biểu đường lên. Tuy nhiên, việc thu thập thông tin về trạng thái kênh truyền đường lên không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Vì thế cần bổ sung thêm các phương tiện để đạt được phân tập đường lên trong trường hợp không sử dụng lập biểu đường lên phụ thuộc kênh [1].
2.5.3. HARQ với kết hợp mềm
Kỹ thuật HARQ nhanh với kết hợp mềm được sử dụng cho LTE vì nó tương tự như HSPA, cụ thể là khả năng cho phép thiết bị đầu cuối yêu cầu truyền lại nhanh chóng các khối truyền tải bị mắc lỗi và cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc độ số liệu ẩn tàng. Các giao thức ở đây cũng giống như các giao thức được áp dụng cho HSPA, đó là phương pháp sử dụng nhiều stop and wait HARQ song song. Việc truyền lại có thể được yêu cầu nhanh chóng sau mỗi gói truyền, do đó có thể giảm thiểu ảnh hưởng đến hoạt động của người dùng do những gói tin thu được bị lỗi gây ra. Sự dư thừa gia tăng đựơc sử dụng như là một chiến lược kết hợp mềm và máy thu sẽ nhớ đệm các bít mềm để có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần truyền [1].
2.5.4. Hỗ trợ đa anten
Ngay từ đầu, LTE đã hỗ trợ kỹ thuật đa anten tại cả trạm gốc và đầu cuối như là một phần không thể thiếu trong đặc tả kỹ thuật. Xét về nhiều khía cạnh, sử dụng đa anten là công nghệ then chốt để đạt đựơc các mục tiêu tăng cường mạnh mẽ hiệu năng của LTE. Như đã biết thì việc sử dụng nhiều anten được áp dụng cho nhiều trường hợp với nhiều mục đích khác nhau.
Nhiều anten thu có thể được sử dụng cho việc thu phân tập. Đối với truyền dẫn đường lên, kỹ thuật này đã được sử dụng cho các hệ thống tế bào trong nhiều năm trước. Tuy nhiên, khi mà cấu hình của hai anten thu trở thành cơ sở cho tất cả các đầu cuối của LTE thì hiệu suất đường lên cũng được cải thiện đáng kể. Phương pháp đơn giản nhất của việc sử dụng nhiều anten là kỹ thuật phân tập thu để khử phading, những lợi ích thêm được đó là việc giới
hạn nhiễu nếu các anten được sử dụng không chỉ cung cấp sự phân tập để chống phading mà còn dùng để chống nhiễu.
Ghép kênh không gian (đôi khi còn gọi là MIMO) sử dụng nhiều anten ở cả hai phía thu và phát cũng dược hỗ trợ trong LTE. Ghép kênh không gian cho phép tăng tốc độ số liệu khi các điều kiện kênh truyền có băng thông bị giới hạn bằng cách tạo ra nhiều kênh song song [1].
Nói chung các kỹ thuật đa anten đều mang lại lợi ích trong những hoàn cảnh khác nhau. Chẳng hạn, tại SNR và SIR tương đối thấp (tải cao hoặc tại biên ô), việc ghép kênh không gian chỉ mang lại một số lợi ích nhất định. Trong khi đó tại các trường hợp này, phải dùng nhiều anten tại phía phát để nâng SNR/SIR bằng phương pháp tạo chùm tia. Mặt khác, trong trường hợp khi mà SNR và SIR khá cao, ví dụ như trong các ô nhỏ, việc nâng cao chất lương tín hiệu mang lại lợi ích phụ khi mà tốc độ dữ liệu thu bị giới hạn bởi băng thông chứ không bởi SIR/SNR. Trong các trường hợp như vậy, đáng lẽ ra phải dùng kỹ thuật ghép kênh không gian để khai thác triệt để những trạng thái kênh truyền tin cậy [1].
2.5.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương
Phát quảng bá đa ô nghĩa là việc truyền đi những thông tin giống nhau từ nhiều tế bào. Bằng việc khai thác kỹ thuật này tại thiết bị đầu cuối và sử dụng hiệu năng lượng tín hiệu từ nhiều trạm ô cho phép đạt được cải thiện đáng kể vùng phủ (hay các tốc độ dữ liệu cao hơn). Dịch vụ này đã đựơc khai thác trong WCDMA, tại đây trong trường hợp quảng bá/đa phương đa ô, đầu cuối di động có thể nhận tín hiệu từ nhiều ô và kết hợp mềm các tín hiệu này tại máy thu.
LTE sẽ cải tiên thêm dịch vụ này để nâng cao hiệu quả quảng bá đa phương nhiều tế bào. Bằng cách không chỉ truyền đi các tín hiệu đồng nhất từ nhiều trạm ô (với mã hóa và điều chế như nhau), mà còn đồng bộ thời gian truyền dẫn giữa các ô, tín hiệu tại đầu cuối sẽ được tái hieenjchinhs xác như
