2.6.2.2. Kênh vật lý đƣờng lên [24]
Kênh PRACH: kênh mang thông tin chiếm truy cập ngẫu nhiên, kênh truy cập ngẫu nhiên khởi tạo từ chuỗi
Kênh PUSCH: kênh mang kênh UL-SCH, đƣợc điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Kênh PUCCH: kênh mang thông tin ACK/NACK của HARQ để hồi âm cho đƣờng truyền đƣờng xuống. Kênh PUCCH mang yêu cầu lập lịch, mang thông tin báo cáo CQI. Kênh đƣợc điều chế BPSK và QPSK.
2.6.2.2. Kênh vận chuyển đƣờng lên [24]
RACH: kênh mang thông tin truy cập mạng của UE. Việc truyền kênh có thểmất do xung đột.
Kênh UL-SCH: kênh truyền dữliệu cho đƣờng 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
2.7. Các thủ tục lớp vật lý. [1] 2.7.1.Thủ tục HARQ [1]
29
khi gói tin đƣợc truyền đi từ eNodeB, UE sẽ giải mã nó và cung cấp thông tin phản hồi trong PUCCH. Đối với sự báo nhận phủ định (NACK) thì eNodeB sẽ truyền lại. UE sẽ kết hợp bản truyền lại với bản gốc và nó sẽ khởi động việc giải mã turbo trở lại. Sau khi giải mã thành công (dựa trên việc kiểm tra CRC) UE sẽ gửi báo nhận tích cực(ACK) cho eNodeB. Sau đó eNodeB sẽ gửi một gói tin mới quá trình HARQ. Do việc vận hành cơ chế dừng- và – chờ, vậy phải cần có nhiều tiến trình HARQ để cho phép một luồng dữ liệu liên tục. Trong LTE thì số các tiến trình là cố định tới 8 tiến trinh trong cả 2 hƣớng lên và xuống. Ví dụ đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.29 Các hoạt động HARQ trong LTE hỗ trợ cả kết hợp mềm và sử dụng dự phòng tăng.
Hình 2.19 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình [1]
Đối với dự phòng tăng, việc phát lại có thể có tốc độ khác nhau để phù hợp với các thông số giống nhƣ truyền tải ban đầu. Độ trễ tối thiểu giữa hai điểm cuối của một gói tin và sự bắt đầu truyền lại là 7ms. UE sẽ gửi ACK/NACK của một gói tin trong khung n, trong khung n+4 cho đƣờng lên. Điều này để lại khoảng 3ms cho thời gian xử lý của UE, tùy thuộc vào việc định thời đƣờng xuống / đƣờng lên mà độ lệch đƣợc điều khiển bởi thủ tục ứng Trƣớc định thời. Định thời đƣờng xuống cho một gói tin đƣờng xuống đƣợc truyền đi duy nhất thể hiện nhƣ trong hình 2.20
Hình 2.20 Định thời LTE HARQ cho một gói tin đƣờng xuống duy nhất [1]
Khoảng thời gian truyền lại trong đƣờng xuống là tùy thuộc vào việc lập lịch biểu trong eNodeB và do đó thời gian thể hiện nhƣ trong hình 2.20 là thời điểm sớm nhất khi một sự truyền lại sảy ra.
2.7.2.Trƣớc định thời [1]
Thủ tục điều khiển định thời là cần thiết để cho sự truyền dẫn hƣớng lên từ các ngƣời sử dụng khác nhau tới eNodeB về bản chất là trong phạm vi tiền tố vòng. Nhƣ vậy đồng bộ hƣớng lên là cần thiết để tránh nhiễu giữa những ngƣời sử dụng bằng việc lập lịch truyền dẫn hƣớng lên trên cùng khung con. eNodeB liên tục có các biện pháp định thời tín hiệu hƣớng lên của UE và điều chỉnh thời điểm truyền dẫn đƣờng lên nhƣ thể hiện trong hình 2.21.
Hình 2.21 Điều khiển định thời hƣớng lên [1]
Các lệnh ứng Trƣớc định thời đƣợc gửi chỉ khi việc điều chỉnh định thời là thực sự cần thiết. Độ phân giải của một lệnh ứng Trƣớc định thời là 0,52µs, và ứng Trƣớc định thời đƣợc xác định một cách tƣơngđối so với thời điểm của khung vô tuyến đƣờng xuống đã nhận đƣợc trên UE.
31
2.7.3.Điều khiển công suất [1]
Đối với LTE, điều khiển công suất là chậm đối với hƣớng đƣờng lên. Trong hƣớng đƣờng xuống không có điều khiển công suất. Khi băng thông thay đổi do sự thay đổi tốc độ dữ liệu, công suất truyền dẫn tuyệt đối của UE cũng sẽ thay đổi. Điều khiển công suất hiện nay chƣa thực sự là điều khiển công suất tuyệt đối mà là mật độ phổ công suất ( PSD ), công suất trên mỗi Hz, đối với một thiết bị riêng biệt. Điều gì tạo điều kiện cho việc sử dụng một tốc độ chậm hơn để điều khiển công suất đó là việc sử dụng các nguồn tài nguyên trực giao trong đƣờng lên LTE, trong đó nó tránh đƣợc các vấn đề gần-xa do yêu cầu về điều khiển công suất nhanh trong WCDMA. Nguyên lý điều khiển công suất hƣớng lên trong LTE đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.22
Hình 2.22 Công suất hƣớng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu [1]
Việc điều khiển công suất thực tế đƣợc dựa trên sự xác định tổn thất đƣờng truyền, có tính đến các thông số riêng của ô và sau đó áp dụng các giá trị( tích lũy) của hệ số điều chỉnh nhận đƣợc từ eNodeB. Tùy thuộc vào các thông số thiết lập lớp cao hơn, lệnh điều khiển công suất hoặc là 1dB lên hoặc xuống hoặc sau đó các thiết lập của[-1dB, 0, +1dB, +3dB] đƣợc sử dụng. Các đặc điểm kỹ thuật còn bao gồm điều khiển công suất dựa trên các giá trị tuyệt đối. Tổng dải động của điều khiển công suất là nhỏ hơn so với trong WCDMA, và các thiết bị hiện nay có một mức công suất tối thiểu là -41dBm so với -50dBm với WCDMA.
2.7.4.Nhắn tin [1]
Cho phép nhắn tin, UE sẽ đƣợc cấp phát một khoảng nhắn tin và một khung con riêng trong khoảng thời gian mà thông điệp tin nhắn có thể đƣợc gửi đi. Sự nhắn tin đƣợc cung cấp trong PDSCH ( với thông tin đƣợc cấp phát trên PDCCH ). Các tiêu chí thiết kế chính trong nhắn tin là nhằm đảm bảo đủ một chu kỳ DRX cho các thiết bị để tiết kiệm năng lƣợng và cũng để đảm bảo thời gian đáp ứng đủ nhanh cho cuộc gọi
đến. E-UTRAN có các thông số khoảng thời gian của chu kỳ nhắn tin để đảm bảo đầy đủ khả năng nhắn tin.
2.7.5.Thủ tục báo cáo phản hồi kênh [1]
Hình 2.23 Thủ tục báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) [1]
Mục đích của báo cáo phản hồi trạng thái kênh là để cung cấp cho eNodeB thông tin về trạng thái kênh đƣờng xuống nhằm giúp tối ƣu hóa quyết định lập lịch biểu gói tin. Nguyên tắc của báo cáo phản hồi trạng thái kênh đƣợc trình bày trong hình 2.38. Trạng thái kênh đƣợc đánh giá bởi UE dựa trên việc truyền dẫn đƣờng xuống (các ký hiệu chuẩn) và báo cáo tới eNodeB bằng cách sử dụng PUCCH hoặc PUSCH. Các báo cáo phản hồi trạng thái kênh có chứa các thông tin về các thông số liên quan đến việc lập lịch biểu và thích ứng liên kết ( MCS/TBS và MIMO ) UE có thể hỗ trợ trong việc tiếp nhận dữ liệu. Sau đó eNodeB có thể tận dụng lợi ích của thông tin phản hồi trong việc ra quyết định lập kế hoạch để sử dụng một cách tối ƣu các nguồn tài nguyên tần số.
2.7.6.Hoạt động chế độ bán song công [1]
Các thông số kỹ thuật của LTE cũng cho phép chế độ hoạt động bán song công, trong đó về cơ bản là hoạt động trong chế độ FDD ( ví dụ, tần số thu và phát là riêng rẽ ) nhƣng truyền dẫn và thu nhận không diễn ra đồng thời nhƣ trong chế độ TDD. Các dự định trong 3GPP đã có một lựa chọn cho các trƣờng hợp vì sự sắp xếp tần số và kết quả là các yêu cầu đối với bộ lọc song công sẽ là không hợp lý, sẽ dẫn đến chi phí cao và công suất tiêu thụ cao. eNodeB sẽ cần phải hiểu đƣợc nếu một số thiết bị đƣợc dựa trên hoạt động bán song công. Tác động đối với tốc độ dữ liệu có thể là đƣờng lên hoặc đƣờng xuống sẽ không còn đƣợc độc lập nhƣng tốc độ dữ liệu sẵn có trong một
33
các hƣớng khác nhau. Tƣơng tự với hoạt động TDD, ngƣời ta sẽ cần tới việc lập lịch biểu dựa trên cơ sở thiết bị ( không phải dựa trên cơ sở hệ thống giống nhƣ trong FDD) để không có xung đột giữa việc cấp phát đƣờng lên và đƣờng xuống cho một UE. Ngoài ra thời gian cũng sẽ là cần thiết cho UE để thay đổi giữa truyền và nhận.
2.7.7.Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ [1]
Trong LTE có năm lớp khả năng của thiết bị đƣợc xác định. Dữ liệu đƣợc hỗ trợ trong phạm vi từ 5 tới 75Mbps theo hƣớng đƣờng lên và từ 10 tới 300Mbps theo hƣớng đƣờng xuống. Tất cả các thiết bị hỗ trợ cho 20MHz băng thông cho việc truyền và nhận, giả sử rằng băng tần đƣa ra đã đƣợc xác định. Đó là dự đoán Trƣớc mà đối với hầu hết các trƣờng hợp còn với các băng tần đƣợc quan tâm là dƣới 1GHz là với băng thông nhỏ nhất và khi đó sự hỗ trợ lên tới 20MHz là không đƣợc chỉ định. Với băng tần trên 1GHz, băng thông dƣới 5MHz là không cần thiết. chỉ có một loại 5 thiết bị sẽ thực hiện 64QAM trong đƣờng lên, các loại khác sử dụng QPSK và 16QAM. Sự phân tập thu và MIMO có trong tất cả các chủng loại, trừ loại 1 là không hỗ trợ MIMO. Các chủng loại UE đƣợc thể hiện nhƣ trong bảng
Bảng 2.2 Các loại thiết bị LTE [1]
Loại 1 Loại 2 Loại 3 Loại 4 Loại5
Tốc độ đỉnh DL/UL 10 / 5Mbps 50 / 25Mbps 100 / 50Mbps 150/50Mbps 300/75Mbps Điều chế DL QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM Điều chế UL QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM + 64QAM MIMO DL Tùy chọn (không bắt buộc) 2 × 2 2 × 2 2 × 2 2 × 4 Tổng kết chƣơng:
Hệ thống thông tin di động LTE với giao diện vô tuyến dựa trên công nghệ OFDMA, bên cạnh giảm ảnh hƣởng nhiễu và fading hiệu quả, đó là tăng thông lƣợng hệ thống và ngƣời sử dụng lên nhiều lần so với WCDMA/UMTS cũng nhƣ HSPA.
Cấu hình phân lớp và cấu hình mạng của LTE cũng đơn giản hóa, bỏ đi node trung gian giữa eNodeB và mạng lõi SAE là RNC. Khi đó, vai trò của eNodeB trong hệ thống truy nhập trở nên mạnh mẽ, thành node truy nhập IP thực sự, quyết định mọi vấn đề từ cấp phát tài nguyên, quản lý băng thông, điều khiển việc truyền lại kiểm soát lỗi. Việc áp dụng HARQ giúp cho việc truyền lại đƣợc thực hiện trên eNodeB đến UE, việc truyền dữ liệu trở nên nhanh hơn do hồi âm chỉ truyền từ UE đến eNodeB hoặc ngƣợc lại.
Tóm lại chƣơng này là cái nhìn tổng quan về kiến trúc mạng và giao thức hệ thống là cơ sở tiến hành nghiên cứu và thực hiện mô phỏng các kỹ thuật lập lịch lớp MAC trong các chƣơng tiếp theo
35
CHƢƠNGIII: TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 3.1 Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE, công nghệ đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA và các tham số của OFDMA, công nghệ đa truy nhập cho đƣờng lên SC-FDMA và tham số của SC-FDMA, cách thức truy nhập ngẫu nhiên.
3.2.Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA. [1], [4], [5]
3.2.1.OFDMA
Kế hoạch truyền dẫn đƣờng xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là đƣợc dựa trên OFDM truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn đƣợc chia thành nhiều sóng mang, đƣợc gọi là các sóng mang con. Mỗi sóng mang con đƣợc điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp. OFDM cũng đƣợc sử dụng trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá nhƣ DVB. OFDM có một số lợi ích nhƣ độ bền của nó với pha đing đa đƣờng và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nó. Hình 3.1 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM. Trong hình này một tín hiệu với băng thông 5MHz đƣợc biểu thị, nhƣng nguyên tắc là tƣơngtự nhƣ cho các băng thông E-UTRAN khác. Các ký hiệu dữ liệu đƣợc điều chế một cách độc lập và đƣợc truyền qua một số lƣợng lớn của các sóng mang con trực giao đặt gần nhau. Trong E-UTRAN các phƣơng án điều chế cho đƣờng xuống QPSK, 16 QAM và 64 QAM là sẵn có.
Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM [1]
Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ có thể đƣợc thêm vào mỗi ký hiệu để chống lại nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ. Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà đƣợc chèn vào Trƣớc mỗi ký hiệu OFDM. Trong thực tế, tín hiệu OFDM có thể đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo ).
tiền tố vòng. Tốc độ ký hiệu QAM=N/Tu ký hiệu/giây Điều chế QAM N luồng ký hiệu 1/Tu ký hiệu /S Các ký hiệu OFDM 1/Tu ký hiệu /S 1:N Nguồn IFFT Tần số
IFFT chuyển đổi số lƣợng N các ký hiệu dữ liệu phức đƣợc sử dụng nhƣ các phễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian. N điểm IFFT đƣợc minh họa nhƣ trong hình 3.2, nơi mà có a(mN+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n, trong khoảng thời gian mTm < t ≤ (m+1)Tm
mTM time (m+1)TM
Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [1]
Vector Sm đƣợc xác định là ký hiệu OFDM có ích. Nó là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sóng mang con đƣợc điều chế băng hẹp. Vì vậy, từ một dòng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn đƣợc điều chế một cách độc lập, một dạng sóng bao gồm N các sóng mang con trực giao đƣợc hình thành.
Hình 3.3 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng nhƣ là phiễu miền tần số cho IFFT. N điểm các khối miền thời gian thu đƣợc từ IFFT sau đó đƣợc xếp theo thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian. Điều này không đƣợc biểu diễn trong hình 3.3, nó là một quá trình chèn vào
N:1
Các ký hiệu OFDM có ích
Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM [1]
Trái ngƣợc với phƣơng thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều ngƣời sử dụng trên băng thông sẵn có.
a(mN+0) a(mN+1) a(mN+2) ... ... ... IFFT a(mN+N-1) sm(0),sm(1),sm(2),....sm(N-1),
37
Hình 3.4 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA [1]
Mỗi ngƣời sử dụng đƣợc ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể. Nhƣ một nguyên tắc cơ bản của E-UTRAN, các kênh dữ liệu là các kênh chia sẻ. ví dụ, đối với mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms, một quyết định lịch biểu mới đƣợc lấy về trong đó ngƣời sử dụng đƣợc gán với các nguồn tài nguyên thời gian / tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải.
3.2.2.Các tham số OFDMA [1]
Có hai loại cấu trúc khung đƣợc định nghĩa cho E-UTRAN: Cấu trúc khung loại 1 cho chế độ FDD, cấu trúc khung loại 2 cho chế độ TDD.
+ Đối với kiểu cấu trúc khung loại 1, khung vô tuyến 10ms đƣợc chia thành 20 khe có kích thƣớc nhƣ nhau là 0,5ms. Một khung con bao gồm có 2 khe liên tiếp, nên một khung vô tuyến chứa 10 khung con. Điều này đƣợc minh họa nhƣ trong hình 3.5 (Ts là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tƣơngứng với 30,72MHz).
Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1,
+ Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vô tuyến 10ms bao gồm hai nửa khung với mỗi nửa chiều dài 5ms. Mỗi nửa khung đƣợc chia thành 5 khung con với mỗi khung con 1ms, nhƣ đƣợc thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2, [1]
Tất cả các khung con mà không phải là khung con đặc biệt đƣợc định nghĩa là hai khe có chiều dài 0,5ms cho mỗi khung con. Các khung con đặc biệt bao gồm có ba trƣờng là DwPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng xuống ), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng lên ). Các trƣờng này đã đƣợc biết đến từ TD-SCDMA và đƣợc duy trì trong LTE TDD. DwPTS, GP và UpPTS có chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1ms. Hình 3.7 thể hiện cấu trúc của lƣới tài nguyên đƣờng xuống cho cả FDD và TDD.
Hình 3.7 Lƣới tài nguyên đƣờng xuống [1]
Các sóng mang con trong LTE có một khoảng cách cố định f = 15kHz trong miền tần số, 12 sóng mang con hình thành một khối tài nguyên. Kích thƣớc khối tài