Yêu cầu căn bản đối với mọi hệ thống tổ ong là khả năng đầu cuối có thể yêu cầu thiết lập kết nối. Điếu này thường được gọi là truy nhập ngẫu nhiên và nó phục vụ hai mục đích chính trong LTE, đó là thiết lập đồng bộ đường lên và thiết lập một nhận dạng đầu cuối duy nhất (C-RNTI), trong đó mạng và đầu cuối đều biết nhận dạng này. Vì thế truy nhập ngẫu nhiên không chỉ được sử dụng cho truy nhập lần đầu, khi chuyển từ LTE DETACHED hay LTE-IDLE vào LTE ACTIVE mà còn cả sau các chu kỳ không tích cực khi đồng bộ đường lên bị mất trong LTE ACTIVE.
Tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên (minh họa trên hình 3.15) bao gồm bốn bước:
1. Bước một gồm truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên để cho phép eNodeB ước tính định thời truyền dẫn của đầu cuối. Đồng bộ đường lên cần thiết vì không có nó đầu cuối không thể phát số liệu đường lên.
2. Bước thứ hai bao gồm phát lệnh định thời phát trước để điều chỉnh định thời phát của đầu cuối dựa trên các kết quả đo định thời bước một. Ngoài việc thiết lập đồng bộ đường lên, bước hai còn ấn định các tài nguyên cho đầu cuối di động để nó sử dụng trong bước ba của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.
3. Bước ba bao gồm truyền dẫn nhận dạng đầu cuối di động đến mạng bằng kênh UL-SCH giống như số liệu được lập biểu thông thường. Nội dung chính xác
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 104 của báo hiệu phụ thuộc vào trạng thái của đầu cuối chẳng hạn mạng có biết nó trước đây hay không.
4. Bước thứ tư và là bước cuối cùng bao gồm truyền dẫn một bản tin phân giải xung đột từ mạng đến đầu cuối trên DL-SCH. Bước này cũng phân giải mọi xung đột do nhiều đầu cuối tìm cách truy nhập mạng bằng cách sừ dụng cùng một tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Hình 3.15. Thủ tục truy cập ngẫu nhiên
Chỉ bước thứ nhất sử dụng xử lý lớp vật lý được thiết kế đặc biệt cho truy nhập ngẫu nhiên. Tất cả ba bước còn lại sử dụng cùng một xử lý lớp vật lý giống như cho truyền dẫn số liệu đường lên và đừng xuống thông thường. Dưới đây ta sẽ xét chi tiết các bước này.
Chỉ khi eNode chưa biết UE
(Truy cập ngẫu nhiên)
UE eNodeB AGW
Điều chỉnh định thời đường lên Đồng bộ theo định
thời đường xuống
Số hiệu người sử dụng Bước 4: Báo hiệu RRC Bước 3: Báo hiệu RRC
Bước 2: Trả lời truy cập ngẫu nhiên
Bước 1: Tiền tố truy cập ngẫu nhiên
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 105
Bƣớc 1: Truyền dẫn tiền tố truy nhập
Bước thứ nhất trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên là truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên. Mục đích chính của tiền tố này là để thông tin cho mạng về có một ý định truy nhập và để nhận được đồng bộ thời gian đường lên trong giới hạn một phần nhỏ của CP đường lên.
Về tổng quát, các truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có thể trực giao hoặc không trực giao đối với số liệu của người sử dụng. Trong WCDMA, tiền tố là không trực giao đối với truyền dẫn số liệu đường lên. Điều này là có lợi vì không cần phải ấn định bán cố định tài nguyên cho truy nhập ngẫu nhiên. Tuy nhiên để điều khiển nhiễu truy nhập ngẫu nhiên đối với số liệu, công suất phát của tiền tố truy nhập ngẫu nhiên phải được điều khiên cẩn thận. Trong WCDMA, điều này được giải quyết bằng thủ lục tăng công suất từng nấc, trong đó đầu cuối tăng công suất theo từng nấc quy định trước cho đến khi trạm di động phát hiện được truy nhập ngẫu nhiên. Mặc dù đây là một giải pháp thích hợp cho vấn đề nhiễu, nhưng thủ tục tăng từng nấc dẫn đến trễ tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên. Vì thế từ quan điểm trễ, thủ tục truy nhập ngẫu nhiên không đòi hỏi tăng từng nấc sẽ có lợi hơn.
Trong LTE, truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có thể được thực hiện trực giao với các truyền dẫn số liệu của người sử dụng và kết quả là không cần tăng công suất từng. Trực giao giữa số liệu của người sử dụng được phát đi từ các đầu cuối khác và các ý đồ truy nhập đạt được cả trong miền thời gian và miền tần số. Mạng phát quảng bá thông tin đến tất cả đầu cuối về tài nguyên thời gian-tần số dành cho truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên. Để tránh nhiễu giữa số liệu và các tiền tố truy nhập ngẫu nhiên, mạng tránh lập biểu cho các truyền dẫn đường lên trong các tài nguyên thời gian-tần số này. Vì đơn vị thời gian cơ bản để truyền dẫn số liệu trong LTE là lms, một khung con được dành trước cho truyền
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 106 dẫn tiền tố. Tiền tố truy nhập ngẫu nhiên sẽ được phát trong các tài nguyên dành trước này.
Trong miền tần số, tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có băng thông tương ứng với sáu khối tài nguyên (1,08 MHz). Điều này hoàn toàn phù hợp với băng thông nhỏ nhất mà LTE có thể hoạt động (sáu khối tài nguyên). Vì thế, cùng một cấu trúc tiền tố truy nhập có thể được sử dụng không phụ thuộc vào băng thông truyền dẫn của tế bào. Đối với các triển khai sử dụng các ấn định băng thông lớn hơn: nhiều tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên có thể được định nghĩa trong miền tần số để đảm bảo dung lượng truy nhập lớn hơn.
Hình 3.16 Minh hoạ nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên
Để thực hiện truy nhập ngẫu nhiên, đầu cuối đi động phải nhận được đồng bộ đường xuống trong thủ tục tìm tế bào trước khi phát tiền tố. Tuy nhiên định thời đường lên vẫn chưa được thiết lập. Khởi đầu khung đường lên tại đầu cuối được định nghĩa tương đối so với khởi đầu khung đường xuống tại đầu cuối di động. Do trễ truyền sóng giữa trạm gốc và đầu cuối, phát đường lên sẽ trễ tương
Khung 10ms Tài nguyên đường lên
dành trước cho truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên
Các tài nguyên đường lên được sử dụng cho truyền dẫn số liệu
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 107 đối so với định thời phát đường xuống tại trạm gốc. Do khoảng cách giữa tạm gốc và đầu cuối di động không biết, nên sẽ có sự không rõ ràng trong định thời đường lên tương ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối để giải quyết sự không rõ ràng này và tránh nhiễu giao thoa với các khung con tiếp theo, cần sử dụng một khoảng bào vệ, nghĩa là độ dài tiền tố thực tế ngắn hơn lms. Với độ dài tiền tố vào khoảng 0,9ms, thời gian bảo vệ 0,1ms sẽ cho phép các kích thước tế bào đến 15km. Trong các tế bào lớn hơn, trong đó sự không rõ ràng có thể lớn hơn thời gian bào vệ, có thể tạo ra thời gian bảo vệ bổ sung bằng cách không lập biểu các truyền dẫn trong khung con tiếp sau tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Hình 3.17 Định thời tiền tố tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau.
Tiền tố dựa trên các chuỗi Zađoff-chu và là các chuỗi dịch vòng. Các chuỗi Zadoff-chu cũng được sử dụng để tạo ra các tín hiệu tham khảo đường lên.
Các chuỗi ZC dịch vòng có một số tính chất hấp dẫn. Biên độ chuỗi không đổi , vì thế đảm bảo sử dụng hiệu qủa bộ khuếch đại công suất và duy trì các thuộc tính PAPR thấp của đường lên đơn sóng mang. Các chuỗi này cũng có tự
Khung con truy nhập ngẫu nhiên 1ms
Các người sử dụng khác Các người sử dụng khác Các người sử dụng khác Các người sử dụng khác Các người sử dụng khác Các người sử dụng khác Tiền tố 0,9ms Người sử dụng gần Người sử dụng xa trung bình Người sử dụng xa Thời gian bảo vệ
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 108 tương quan dịch vòng lý tưởng cho phép ước tính định thời chính xác tại eNodeB. Cuối cùng tương quan chéo giữa các tiền tố khác nhau được xây dựng dựa trên dịch vòng của cùng một chuỗi ZC bằng không khi dịch vòng thời gian [N/m] được sử dụng khi tạo ra các tiền tố tại máy thu không lớn hơn thời gian truyền vòng cực đại cộng với trải trễ cực đại kênh. Nhờ tính chất tương quan chéo lý tưởng này, nên không xảy ra nhiễu nội tế bào do nhiều ý đồ truy nhập ngẫu nhiên sử dụng các tiền tố được rút ra từ cùng một chuỗi Zadoff-chu gốc.
Việc tạo ra tiền tố truy nhập ngẫu nhiên được minh họa trên hình 3.16. Mặc dù hình vẽ minh họa việc quá trình này trong miền thời gian, nhưng cũng có thể thực hiện tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số. Ngoài ra để xử lý miền tần số tại trạm gốc (sẽ xét dưới đây), CP được chèn vào trong quá trình tạo tiền tố.
Hình 3.18 Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên.
Các chuỗi tiền tố được chia thành các nhóm 64 chuỗi. Sau khi lập cấu hình hệ thống, mỗi tế bào được ấn định một nhóm nói trên bằng cách định nghĩa một hay nhiều chuỗi Zadoff-chu gốc và các dịch vòng cần thiết để tạo ra tập các tiền tố. Số nhóm đủ lớn đơn giản quy hoạch chuỗi giữa các tế bào.
Khi thực hiện truy nhập ngẫu nhiên, đầu cuối chọn ngẫu nhiên một chuỗi từ tập chuỗi được ấn định cho tế bào mà nó đang tìm cách truy nhập. Nếu không có đầu cuối nào cũng tìm cách truy nhập tại cùng một thời điểm bằng cùng một chuỗi, thì không có va chạm và ý đồ truy nhập này sẽ được mạng phát hiện với xác suất cao. Chuỗi ZC gốc M điểm Dịch vọng Chèn CP CP Chuỗi ZC gốc M điểm 0,1ms 0,8ms 0,1ms
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 109 Xử lý trạm gốc là một thực hiện đặc thù, nhưng nhờ gắn CP vào tiền tố, nên xử lý miền tần số sẽ ít phức tạp hơn. Ví dụ về xử lý này được cho trên hình 3.17, các mẫu trên một cửa sồ được thu thập và được chuyển đổi và thể hiện miền tần số bằng FFT. Cửa sổ dài 0,8ms bằng độ dài chuỗi ZC không có CP. Điều này cho phép xử lý sự không rõ ràng đến 0,lms và thích ứng với thời gian bảo vệ được định nghĩa:
Hình 3.19 Phát hiện tiền tố truy nhập trong miền tần số.
Đầu ra của FFT thể hiện tín hiệu trong miền tần số được nhân với thể hiện miền tần số liên hiệp phức của chuỗi Zadoff-chu gốc và kết quả nhận được đưa đến IFFT. Bằng cách quan trắc đầu ra, có thể phát hiện được dịch vòng nào của chuỗi Zadoff-chu gốc đã được phát và trễ của nó. Đích của đầu IFFT ra trong đoạn tương ứng với chuỗi dịch vòng thứ i và trễ được xác đinh theo vị trí đỉnh trong đoạn này. Thực hiện miền tần số cho phép tính toán đơn giản hơn và cho phép phát hiện nhiều ý đồ truy nhập ngẫu nhiên sử dụng các chuỗi dịch vòng khác nhau từ cùng một chuỗi Zadoff-chu.
Bƣớc 2: Trả lời truy nhập ngẫu nhiên:
Để trả lời truy nhập ngẫu nhiên (bước hai của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên), mạng sẽ phát một bản tin trên DL-SCH chứa:
FFT iFFT
Chuỗi I được phát hiện, ước tính trễ
Thể hiện miền tần số của chuỗi ZC
Đoạn 1
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 110
* Chỉ số tiền tố truy nhập ngẫu nhiên mà mạng phát hiện và đối với tiền tố này trả lời là hợp lệ.
* Hiệu chỉnh thời gian được tính toán bởi máy thu tiền tố truy nhập ngẫu nhiên. Cho phép lập biểu chỉ thị các tài nguyên mà đầu cuối sẽ sử dụng cho truyền dẫn bản tin trong bước ba.
* Một nhận dạng tạm thời sử dụng cho thông tin tiếp theo giữa đầu cuối và mạng.
Trong trường hợp mạng phát hiện nhiều ý đồ truy nhập ngẫu nhiên (từ các đầu cuối khác nhau), nhiều bản tin trả lời cho các đầu cuối di động có thể được kết hợp trong một truyền dẫn duy nhất. Vì thế, bản tin trả lời được lập biểu trên DL-SCH và được chỉ thị trên kênh điều khiển LL/L2 bằng một nhận dạng dành riêng cho trả lời truy nhập ngẫu nhiên. Tất cả các đầu cuối đã truyền tiền tố sẽ giảm sát các kênh điều khiển LL/L2 để nhận trả lời truy nhập ngẫu nhiên. Định thời của bản tin trả lời không được quy định trong đặc tả để có thể trả lời nhiều truy nhập đồng thời. Điều này cũng đảm bảo mức độ linh hoạt nhất định trong thực hiện trạm gốc.
Nếu các đầu cuối di động thực hiện truy nhập ngẫu nhiên trong cùng một tài nguyên sử dụng các tiền tố khác nhau thì sẽ không xẩy ra va chạm và từ báo hiệu đường xuống các đầu cuối sẽ nhận biết được rõ ràng thông tin nào dành cho nó. Tuy nhiên sẽ có một xác suất va chạm nhất định trong đó nhiều đầu cuối sử dụng cùng một tiền tố tại cùng một thời điểm. Trong trường hợp này nhiều đầu cuối sẽ phản ứng lên cùng một trả lời đường xuống và va chạm sẽ xẩy ra. Phân giải các va chạm là bộ phận của bước tiếp theo (sẽ xét dưới đây). Va chạm là lý do vì sao HARQ không được sử dụng để truyền dẫn trả lời truy nhập ngẫu nhiên. Đầu cuối nhận được trả lời truy nhập ngẫu nhiên dành cho đầu cuối khác sẽ không có định thời đường lên đúng. Nếu HARQ được sử dụng, định thời ACK/NAK cho đầu cuối này sẽ không đúng và có thể gây nhiễu cho báo hiệu điều khiển đường lên từ các người sử dụng khác.
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 111 Khi nhận được trả lời truy nhập ngẫu nhiên trong bước thứ hai đầu cuối sẽ điều chỉnh định thời phát đường lên và tiếp tục bước ba.
Bƣớc 3: Nhận dạng đầu cuối:
Sau bước hai, đường lên của đầu cuối đã được đồng bộ. Tuy nhiên trước khi có thể truyền số liệu người sử dụng đến/từ đầu cuối di động, cần ấn định cho đầu cuối di động một số nhận dạng duy nhất trong tế bào (C-RNTI). Phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối, có thể cần thêm các trao đổi bản tin.
Trong bước ba, đầu cuối phát các bản tin cần thiết đến mạng bằng cách sử dụng các tài nguyên được ấn định trong trà lời truy nhập ngẫu nhiên của bước hai. Các bản tin đường lên này được phát giống như số liệu đường lên được lập biểu mà không cần phải gắn vào tiền tố như trong bước một. Cách làm này đem lại một số lợi ích sau.
- Thứ nhất, khối lượng thông tin được phát khi không có đồng bộ đường lên bị giảm thiểu do phải cần một khoảng thời gian bảo vệ lớn và điều này làm tăng chi phí cho truyền dẫn.
- Thứ hai, sử dụng sơ đồ truyền dẫn đường lên 'bình thường' cho phép điều chỉnh kích thước cho phép và sơ đồ điều chế theo các điều kiện vô tuyến khác nhau.
- Cuối cùng, cho phép sử dụng HARQ với kết hợp mềm cho bản tin đường lên. Lợi ích cuối cùng là một nét quan trọng nhất là đối với các giới hạn vùng phủ, vì nó cho phép sử dụng nhiễn lần phát lại để thu thập đủ năng lượng cho báo hiệu đường lên để đảm bảo xác suất truyền dẫn thành công.
Một bộ phận quan trọng của bản tin đường lên là bộ phận chữa nhận dạng đầu cuối vì nhận dạng này được sử dụng như là một phần của cơ chế phân giải xung đột trong bước bốn. Trường hợp đầu cuối nằm trong trạng thái LTE ACTLVE, nghĩa là nó được nối đến một tế bào biết trước và vì thế C-RNTI đã được ấn định, thì C-RNTI này được sử dụng làm nhận dạng trong bản tin đường
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 112 lên. Trái lại, một nhận dạng đầu cuối của mạng lõi được sử dụng và mạng truy nhập vô tuyên cần yêu cầu sự tham gia của mạng lõi trước khi trả lời bản tin