1. Truy nhập vô tuyến LTE
1.2.Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ
Bản chất của sơ đồ truyền dẫn LTE là sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên thời gian – tần số được chia sẻ giữa các người sử dụng. Điều này cũng giống như cách xử lý trong HSPA, mặc dù việc chia sẻ tài nguyên thực hiện 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. Việc sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh do truyền dẫn gói gây ra và nó cũng cho phép LTE sử dụng các công nghệ then chốt khác.
Trong truyền dẫn LTE, đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được 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 một phần tử then chốt và với mức độ quan trọng nó quyết định hiệu năng tổng thể của DL, mà đặc biệt là trong ô trong mạng có tải trọng cao. Cả DL và UL đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của lập biểu. Trong nhiều tài liệu đã chỉ ra rằng, có thể đạt được độ lợi dung lượng hệ thống đáng kể, 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 lập biểu DL cho phép phát đến người sử dụng có điều kiện kênh ưu việt để đạt được tốc độ số liệu cực đại. Ở mức độ nhất định, điều này cũng được thực hiện cho UL. Tuy nhiên ngoài miền thời gian, LTE còn có thể truy nhập miền tần số nhờ sử dụng OFDM cho DL và DFTS-OFDM cho UL. Do vậy, đối với từng miền tần số, bộ lập biểu có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất, điều này có nghĩa là 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 H.2.1. Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt hữu ích tại các tốc độ số liệu thấp, nghĩa là khi kênh thay đổi chậm theo thời gian. Như đã xét ở trước, lập biểu phụ thuộc kênh dựa trên các thay đổi chất lượng kênh để nhận được độ lợi
16
trong dung lượng hệ thống. Đối với các dịch vụ nhạy cảm trễ, bộ lập biểu cho miền 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 được thực hiện 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.
H.2.1: Lập biểu phụ thuộc kênh DL trong miền thời gian và miền tần số.
- Lập biểu DL: trên DL, mỗi một đầu cuối báo cáo kết quả ước tính chất lượng kênh tức thời cho trạm gốc. Các ước tính này nhận được bằng cách đo một tín hiệu tham khảo được phát đi từ trạm gốc và cũng được sử dụng cho cả mục đích giải điều biến. Dựa trên ước tính chất lượng kênh, bộ lập biểu DL ấn định các tài nguyên
17
cho các người sử dụng. Về nguyên tắc, đầu cuối được lập biểu có thể được ấn định một tổ hợp bất kỳ gồm các khối tài nguyên rộng 180 kHz trong một khoảng thời gian 1 ms.
- Lập biểu UL: UL của LTE được xây dựng trên cơ sở phân tách trực giao các người sử dụng và đây là nhiệm vụ của bộ lập biểu UL. Bộ lập biểu này ấn định các tài nguyên cho các tài nguyên cho các người sử dụng khác nhau (TDMA/FDMA) trong cả miền thời gian và miền tần số. Quyết định lập biểu được đưa ra mỗi 1ms một lần để điều khiển việc các đầu cuối nào được quyền phát trong ô trong khoảng thời gian cho trước và trên tài nguyên tần số nào cũng như tốc độ số liệu UL là bao nhiêu (khuôn dạng truyền tải). Lưu ý rằng, đầu cuối được ấn định một vùng tần số liên tục cho truyền dẫn đơn sóng mang được sử dụng cho UL của LTE.
Các điều kiện kênh cũng được xét trong quá trình lập biểu UL giống như trong lập biểu DL. Tuy nhiên nhận được thông tin về điều kiện kênh UL không phải là vấn đề dễ dàng. Vì thế cần bổ sung thêm các phương tiện để đạt được phân tập UL trong trường hợp không sử dụng lập biểu UL phụ thuộc kênh.
- Điều phối nhiễu giữa các ô trong LTE: LTE đảm bảo tính trực giao giữa các người sử dụng trong một ô cho cả UL và DL. Vì thế có thể nói rằng hiệu năng liên quan đến hiệu suất sử dụng phổ của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi nhiễu đến từ các ô khác nhau (nhiễu giữa các ô) so với WCDMA/HSPA. Vì thế phương tiện để giảm nhiễu hay để điều khiển nhiễu giữa các ô sẽ đem lại lợi ích rất lớn cho hiệu năng liên quan LTE (chẳng hạn tốc độ số liệu) nhất là đối với các người sử dụng tại biên ô.
Điều phối nhiễu giữa các ô là một chiến lược trong đó các tốc độ số liệu tại biên ô được tăng nhờ xét đến nhiễu giữa những người sử dụng. Về bản chất, điều phối nhiễu giữa các có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian) cho các bộ lập biểu UL và DL để điều khiển nhiễu giữa các ô. Bằng cách hạn chế công suất của một số bộ phận trong một ô, nhiễu trong các ô lân cận trong phổ này sẽ giảm. Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ số liệu cao hơn cho các người sử
18
dụng trong các ô lân cận. Về thực chất, hệ số tái sử dụng tần số trên các phần phổ khác nhau của ô sẽ khác nhau, như trên H.2.2.
H.2.2: Thí dụ về điều phối nhiễu giữa các ô, trong đó một số phần phổ bị hạn chế công
suất
Cần lưu ý rằng, điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là chiến lược lập biểu với việc xét đến tình trạng trong các ô lân cận. Như vậy, điều phối nhiễu ô lân cận là vấn đề của nhiệm vụ thực hiện và khó đưa vào các đặc tả. Điều này cũng có nghĩa là điều phối nhiễu giữa các ô có thể được áp dụng chỉ cho một tập các ô được chọn phụ thuộc vào các yêu cầu của một triển khai cụ thể.
1.3. HARQ với kết hợp mềm
Cũng giống như HSPA, HARQ nhanh với kết hợp mềm được sử dụng để đầu cuối có thể yêu cầu phát lại nhanh các khối truyền tải bị mắc lỗi và dễ dàng cung cấp một công cụ cho thích ứng tốc độ ẩn tàng. Các giao thức ở đây cũng giống như các giao thức được sử dụng cho HSPA: Nhiều xử lý HARQ dừng và đợi. Để giảm thiểu ảnh hưởng lên hiệu năng của người sử dụng đầu cuối, các phát lại được yêu cầu nhanh sau mỗi lần phát gói. Tăng phần dư được sử dụng như là một chiến lược kết hợp mềm có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần phát.
1.4. Hỗ trợđa anten.
Hỗ trợ đa anten là một trong những công nghệ then chốt được sử dụng trong LTE. LTE đã hỗ trợ đa anten cả trạm gốc và đầu cuối, đây là một phần của các đặc tả trong chuẩn. Xét về nhiều khía cạnh, sử dụng đa anten làm tăng mạnh mẽ hiệu năng của LTE. Như đã xét trước đây, đa anten có thể sử dụng theo các cách khác nhau cho hai mục tiêu sau:
19
Thứ nhất: Đa anten có thể được sử dụng cho phân tập thu. Đối với truyền dẫn UL, kỹ thuật này đã được sử dụng từ lâu, tuy nhiên, vì hai anten thu là mục tiêu cho tất cả các đầu cuối của LTE, nên hiệu năng DL sẽ được cải thiện. Các sử dụng nhiều anten thu đơn giản nhất là phân tập thu kinh điển để chống phading. Cũng có thể dùng nhiều anten thu để triệt nhiễu nhằm đạt được độ lợi trong các kịch bản bị hạn chế bởi nhiễu.
Thứ hai: Ghép kênh không gian (đôi khi còn gọi là hệ thống MIMO) sử dụng nhiều anten cả phía phát và thu cũng được hỗ trợ trong LTE. Ghép kênh không gian cho phép tăng tốc độ số liệu kênh, cho phép trong trường hợp bị hạn chế băng thông. Như vậy, tổng quát kỹ thuật đa anten khác nhau có lợi trong các kịch bản khác nhau, chẳng hạn tại SNR (Signal to Noise Ratio)và SIR (Signal to Interference Ratio) thấp (do tải cao hoặc tại biên ô). Ghép kênh không gian chỉ mang lại lợi ích hạn chế. Trong khi đó tại các kịch bản này, kỹ thuật đa anten dựa trên tạo búp tại phía phát cần được sử dụng để tăng SNR/SIR. Trái lại, trong các kịch bản khi SNR và SIR khá cao, chẳng hạn trong các ô nhỏ, việc tăng thêm chất lượng tín hiệu chỉ đem lại lợi ích không lớn vì tốc độ số liệu có thể đạt được chủ yếu bị hạn chế bởi băng thông chứ không phải bởi SNR/SIR. Trong các trường hợp này tốt nhất là sử dụng phân tập không gian, nghĩa là sử dụng đa anten để tận dụng băng thông. Trạm gốc điều khiển sơ đồ đa anten để chọn sơ đồ phù hợp cho mỗi cuộc truyền dẫn.
1.5. Hỗ trợ quảng bá và đa phương
Quảng bá đa ô thực hiện phát cùng một thông tin từ nhiều ô như đã xét ở trước. Khai thác dịch vụ này tại đầu cuối và sử dụng hiệu quả công suất tín hiệu từ nhiều trạm ô cho phép đã đạt được cải thiện đáng kể vùng phủ (hay các tốc độ số liệu cao hơn). Dịch vụ này đã được khai thác trong WCDMA/HSPA, ở 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.
Về công nghệ, LTE cải tiến thêm dịch vụ này để cung cấp quảng bá/ đa phương hiệu quả cao. Bằng cách không chỉ phát ra các tín hiệu giống nhau ở nhiều trạm ô (thực hiện mã hóa và điều biến như nhau), mà còn đồng bộ thời gian giữa các ô, tín
20
hiệu đầu cuối sẽ thể hiện hệt như tín hiệu được phát đi từ một ô. Do OFDM có khả năng chống phading đa đường tốt, phát đa ô còn được gọi là phát của “mạng đa phương quảng bá đơn sóng mang” (MBSFN). Cách phát này không chỉ cải thiện được cường độ tín hiệu thu mà còn hạn chế được nhiễu giữa các ô. Như vậy, đối với OFDM, thông lượng quảng bá/đa phương đa ô có thể bị giới hạn bởi tạp âm và vì thế trong trường hợp các ô nhỏ có thể đạt được thông lượng này rất cao.
Cần lưu ý rằng, việc sử dụng MBSFN cho quảng bá/đa phương đa ô đòi hỏi phải sử dụng đồng bộ chặt và đồng chỉnh thời gian cho các tín hiệu được phát đi từ các trạm ô khác nhau.
1.6. Linh hoạt phổ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như đã chỉ ra, mức độ linh hoạt phổ cao là một trong các đặc tính của truy nhập vô tuyến LTE. Mục đích của linh hoạt phổ là để cho phép triển khai truy nhập LTE trong các dạng phổ khác nhau, các sắp xếp song công khác nhau, hoạt động tại các băng tần khác nhau và các kích thước phổ khả dụng khác nhau.
Dưới đây sẽ xem xét một vài vấn đề có liên quan đến đặc tính linh hoạt phổ
- Linh hoạt trong sắp xếp song công: một trong những tính năng quan trọng của LTE liên quan đến tính linh hoạt phổ là khả năng triển khai LTE trong phổ kép và phổ đơn, nghĩa là LTE phải hỗ trợ cả ghép song công theo tần số (FDD) và ghép song công theo thời gian (TDD). Trong ghép song công theo FDD truyền dẫn DL và UL xảy ra trong các băng tần khác nhau, như H.2.3a; còn trong trường hợp TDD truyền dẫn DL và UL xảy ra trong cùng một băng tần nhưng luân phiên nhau theo thời gian, như H.2.3b
Vì thế TDD có thể hoạt động trong phổ đơn, còn FDD phải trong phổ kép. Hỗ trợ cả phổ kép lẫn phổ đơn đã có trong đặc tả của 3GPP ngay từ phát hành R3, mặc dù hiện nay mới triển khai FDD cho WCDMA là khác nhau. Trái lại, LTE hỗ trợ cả FDD và TDD trong cùng một công nghệ truy nhập vô tuyến LTE là rất ít. Vì thế, truy nhập vô tuyến được trình bày trong phần sau sẽ đúng cho cả FDD và TDD, nếu xảy ra khác biệt sẽ được giải thích riêng.
21
H.2.3: FDD và TDD
- Linh hoạt trong khai thác băng tần: như ta biết, LTE được thiết kế để triển khai theo nhu cầu, trong đó phổ khả dụng có thể là phổ được ấn định mới cho thông tin di động (chẳng hạn băng 2,6 GHZ) hay chuyển dịch đến LTE từ phổ hiện đang sử dụng cho các công nghệ thông tin di động khác, như hệ thống GSM hay thậm chí không phải là các công nghệ thông tin di động. Vì thế truy nhập vô tuyến LTE phải hoạt động trong dải các băng tần rộng từ tần số thấp 450 MHZ đến ít nhất 2,6 GHZ. - Linh hoạt băng thông: khả năng triển khai truy nhập vô tuyến vô tuyến LTE trong các băng tần khác nhau phụ thuộc vào khả năng LTE như hoạt động với các băng thông truyền dẫn khác nhau trên cả UL và DL. Lý do chính là độ khả dụng cho LTE có thể thay đổi rất lớn giữa các băng tần khác nhau và cũng còn phụ thuộc vào tình trạng của nhà khai thác. Ngoài ra, khả năng hoạt động trong các ấn định phổ khác nhau cho phép chuyển dịch từ từ phổ từ các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau sang LTE.
Các đặc tả lớp vật lý LTE, về nguyên tắc, không thể biết băng thông và không đưa ra quy định cụ thể bất kỳ nào về việc hỗ trợ các băng truyền dẫn ngoài một giá trị tối thiểu. Sau này ta sẽ thấy, đặc tả truy nhập vô tuyến bao gồm các đặc tả lớp vật lý và giao thức, cho phép mọi băng thông truyền dẫn trong dải từ 1 MHz đến 20 MHz với tính hạt 180 kHz. Đồng thời, tại giai đoạn đầu, các yêu cầu tần số vô tuyến chỉ
22
được đặc tả cho một tập hạn chế băng thông truyền dẫn tương ứng với dự báo liên quan đến các kích thước ấn định phổ và các kịch bản chuyển dịch tương ứng. Vì thế, trong thực tế truy nhập vô tuyến LTE hỗ trợ hạn chế các băng thông, nhưng có thể dễ dàng hỗ trợ bổ sung các băng thông truyền dẫn bằng các cập nhật các đặc tả vô tuyến.
2. Kiến trúc giao thức LTE.