3. Lớp vật lý
3.2. Sơ đồ truyền dẫn DL LTE
3.2.1. Tài nguyên vật lý DL LTE.
Như đã chỉ ra ở trước, LTE DL dựa trên OFDM. Tài nguyên vật lý DL của LTE có thể coi như là lưới tần số - thời gian, như chỉ ra trên H.16, trong đó mỗi phần tử tài nguyên tương ứng với một sóng mang con OFDM trong khoảng thời gian một ký hiệu.
H.2.16: Tài nguyên vật lý DL của LTE
41
Đối với DL, trong LTE khoảng cách giữa các sóng mang được chọn δf = 15 kHz. Khi thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT, tốc độ lấy mẫu tương ứng sẽ là fs = 15000*N, trong đó N là kích thước FFT. Như vậy, đơn vị thời gian Ts được định nghĩa trong phần trước có thể coi là thời gian lấy mẫu của thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT với N=2048. Cần nhấn mạnh rằng, mặc dù đơn vị thời gian Ts được đưa vào chuẩn truy nhập vô tuyến chỉ để làm công cụ cho định nghĩa các khoảng thời gian khác nhau và không đặt ra bất kỳ quy định nào để thực hiện máy phát và (hoặc) máy thu, nghĩa là tốc độ mẫu. Trong thực tế, một thực thể máy phát/máy thu với N=2048 và tốc độ lấy mẫu tương ứng fs = 30,72 MHz sẽ thích hợp cho các băng thông LTE rộng hơn 15MHz và cao hơn. Tuy nhiên đối với băng thông truyền dẫn nhỏ hơn, kích thước FFT nhỏ hơn và tốc độ lấy mẫu thấp hơn cũng có thể sử dụng rất thích hợp. Thí dụ, với băng thông truyền dẫn 5MHz, kích thước FFT với N = 512 và tốc độ lấy mẫu tương ứng fs= 7,68 MHz có thể là đủ. Lý do tiếp nhận khoảng các giữa các sóng mạng con δf = 15 KHz cho LTE là để đơn giản hóa thực hiện các đầu cuối đa tương thích WCDMA/HSPA/LTE. Sử dụng kích thước FFT lũy thừa 2 và khoảng cách δf = 15 KHz, tốc độ lấy mẫu fs= δf *N sẽ là bội số hoặc ước số của tốc độ cho WCDMA/HSPA với Rc= 3,84 Mcps. Các đầu cuối đa mode WCDMA/HSPA/LTE có thể được thực hiện dễ dàng bằng một mạch đồng hồ.
Ngoài khoảng cách giữa các sóng mang con δf = 15 KHz, còn có khoảng cách giữa các sóng mang con rút ngắn δftb = 7,5 KHz cũng được định nghĩa trong LTE. Mục đích sử dụng δftb là để thực hiện các truyền dẫn đa phương / quảng bá dựa trên MB-SFN (sẽ phân tích sau). Trong phần còn lại (và các chương sau) ta sẽ công nhận δf = 15 KHz nếu không có chú thích gì thêm.
Hình H.2.17 minh họa cấu trúc miền thời gian – tần số DL của LTE, trong hình này, trong miền tần số các sóng mang con được nhóm thành các khối tài nguyên tương ứng với băng thông khối tài nguyên chuẩn 180 kHz.
Ngoài ra sóng mang con một chiều (DC) tại tâm của phổ DL sẽ không được sử dụng. Lý do không sử dụng sóng mang con DC là vì nó có thể trùng với tần số của
42
bộ dao động nội tại máy phát trạm gốc và (hoặc) máy thu đầu cuối di động, nghĩa là có thể gây nhiễu cao do rò của bộ dao động nội.
H.2.17: Cấu trúc miền thời gian – tần số trong DL của LTE.
Như vậy, tổng số các sóng mang con trên một sóng mang DL, kể cả sóng mang con DC bằng:
Nsc = 12*NRB + 1,
Trong đó NRB là số lượng các khối tài nguyên. Đặc tả lớp vật lý LTE cho phép DL có thể có số lượng khối tài nguyên bất kỳ trong dải từ 6 khối cho đến 100 khối. Điều này tương ứng với băng thông truyền dẫn từ 1 MHz đến 20 MHz. Điều này đảm bảo tính linh hoạt băng thông/phổ của LTE rất cao, ít nhất là từ góc độ đặc tả lớp vật lý. Tuy nhiên các yêu cầu tần số vô tuyến của LTE chỉ được đặc tả cho tập hữu hạn các băng thông tương ứng với tập hữu hạn số lượng các khối tài nguyên NRB.
- Cấu trúc miền thời gian DL LTE.
H.2.18 Cấu trúc khung con và khe DL LTE (một khung bao gồm hai khe đồng kích thước: mỗi khe gồm 7 hoặc 6 ký hiệu OFDM trong trường hợp CP bình thường và trường hợp CP mở rộng).
Khung con 1ms gồm hai khe đồng kích thước có độ dài Tslot = 0,5ms (15.360 * Ts). Mỗi khe gồm một số ký hiệu OFDM.
Như đã xét từ phần đầu, khoảng cách giữa các sóng mang con δf = 15 KHz tương ứng thời gian hiệu dụng của ký hiệu:
43
Tổng thời gian của ký hiệu OFDM khi này sẽ là tổng thời gian hiệu dụng của ký hiệu và độ dài tiền tố (Tcp). Như chỉ ra ở hình trên, LTE định nghĩa hai độ dài của CP: CP bình thường và CP mở rộng cho trường hợp 7 và 6 ký hiệu trên một khe. Các độ dài chính xác của CP được biểu diễn theo đơn vị thời gian cơ sở Ts và được cho trên H.2.18. Cần lưu ý rằng, trong trường hợp CP bình thường, độ dài CP cho ký hiệu OFDM đầu tiên của khe lớn hơn so với độ dài CP của các ký hiệu OFDM còn lại, lý do là để lấp đầy khe 0,5ms vì số đơn vị thời gian cơ sở Ts trên khe (15360) không chia hết cho 7.
H.2.18: cho thấy cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn DL của LTE.
Như đã xét từ đầu, trong trường hợp phát đa phương/quảng bá, dựa trên MBSFN, CP không chỉ phủ hết phần lớn tán thời thực tế mà cả phần chính của sự khác nhau về định thời giữa các truyền dẫn thu được từ các ô tham gia vào phát MBSFN. Vì thế thông thường trong trường hợp khai thác MBSFN tiền tố chu trình mở rộng là cần thiết.
Như vậy, ứng dụng chủ yếu của CP mở rộng của LTE để phát MBSFN. Cần lưu ý rằng các độ dài của CP khác nhau có thể được sử dụng cho các khung con khác
44
nhau trong một khung. Thí dụ, phát đa phương/quảng bá dựa trên MBSFN có thể giới hạn trong một số khung nhất định và chỉ trong các khung con này cần sử dụng CP dài mở rộng.
Khi xét đến cầu trúc miền thời gian DL, các khối tài nguyên nói trên bao gồm 12 sóng mang con trong khe 0,5ms, như chỉ ra trên H.2.19.
H.2.19: Mô tả các khối tài nguyên: bình thường và mở rộng
H.2.19 Một khối tài nguyên khi CP bình thường gồm 7 ký hiệu OFDM trong 1 khe tương ứng với 84 phần tử tài nguyên. Khi CP mở rộng, 1 khối tài nguyên gồm 6 ký hiệu OFDM trong 1 khe tương ứng với 72 phần tử tài nguyên.
Vì thế mỗi khối chứa 12*7 = 84 phần tử tài nguyên với CP bình thường; và 12 * 6 = 72 phần tử với CP mở rộng.
3.2.2. Các tín hiệu tham khảo DL LTE
Các chức năng của tín hiệu tham khảo DL LTE: Đo chất lượng kênh DL; Ước tính kênh DL để giải điều biến tại UE; Tìm ô và bắt ban đầu.
Để thực hiện giải điều biến nhất quán DL, đầu cuối di động cần ước tính kênh DL. Như đã xét, các trực tiếp để ước tính kênh DL trong trường hợp truyền dẫn OFDM là chèn các ký hiệu tham khảo biết trước vào lưới thời gian - tần số. Trong LTE, các tín hiệu tham khảo này được gọi chung là các tín hiệu tham khảo DL.
3.2.3. Xử lý kênh truyền dẫn DL LTE.
Như đã xét ở phần trước, lớp vật lý giao tiếp với các lớp cao hơn đặc biệt là với lớp MAC thông qua các kênh truyền tải. LTE thừa hưởng nguyên lý cơ bản của WCDMA/HSPA, nghĩa là số liệu được chuyển đến kênh vật lý trong các khối
45
truyền tải có kích thước nhất định. Về cấu trúc chi tiết kênh truyền tải, LTE tiếp thu giải pháp giống như HSPA là:
- Trong trường hợp phát một anten, nhiều nhất chỉ có một khối truyền tải với kích thước động.
- Trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten, có thể có đến hai khối truyền tải kích thước động, trong đó mối khối truyền tải tương ứng với một từ mà trong trường hợp ghép kênh không gian DL, nghĩa là mặc dù LTE hỗ trợ ghép kênh không gian DL với bốn anten, nhưng số từ mã vấn giới hạn bằng hai.
46
(phần đường nét đứt chỉ có khi sử dụng ghép kênh không gian, trong đó hai khối truyền tải
được truyền song song trong một TTL).
Xử lý kênh truyền tải DL, đặc biệt là xử lý DL-SCH được minh họa trên H.2.22 với hai chuỗi xử lý riêng biệt, trong đó mỗi chuỗi tương ứng với khối truyền tải. Chuỗi xử lý thứ hai tương ứng với khối truyền tải thứ hai chỉ tồn tại trong trường hợp ghép kênh không gian.
Chèn CRC: Trong bước xử lý đầu tiên của kênh truyền tải LTE DL, CRC được tính toán và được gắn vào khối truyền tải.
- Mã hóa kênh: Trong các phát hành đầu tiên của chuẩn vô tuyến WCDMA (trước HSPA) cho phép áp dụng cả mã xoán và mã turbo cho truyền tải. Đối với HSPA, mã hóa kênh được đơn giản chỉ sử dụng mã turbo cho kênh truyền tải (HS-DSCH cho DL và E-DCH cho UL). Điều này cũng đúng cho kênh chia sẻ DL của LTE, nghĩa là chỉ có mã Turbo được áp dụng cho truyền tải DL –SCH.
H.2.23: Tính toán và chèn CRC DL vào khối truyền tải.
Cấu trúc tổng thể của mã turbo trong LTE được minh họa trên hình H.2.24. Mã hóa turbo sử dụng các bộ mã thành phần tìm trạng thái WCDMA/HSPA tỷ lệ ½. Tuy nhiên bộ mã hóa đan xen bên trong của bộ mã hóa turbo WCDMA/HSPA được thay thế bằng mã đan xen dựa trên hoán vị đa thức cầu phương, QPP (Quadratie Polynobial Pernutation). Khác với bộ đan xen WCDMA/HSPA hiện thời, bộ đan xen dựa trên QPP là một dạng đan xen tránh va trạm tối đa, nghĩa là giải mã có thể được thực hiện song song mà không bị va chạm khi truy nhập bộ nhớ của bộ đan xen. Vì thế LTE hỗ trợ các tốc độ số liệu rất cao, nhờ sử dụng đan xen dựa trên QPP cho phép giảm đáng kể độ phức tạp của bộ mã hóa / giải mã turbo.
47
H.2.24: Bộ mã hóa turbo.
- Chức năng HARQ của lớp vật lý: Nhiệm vụ chức năng HARQ của lớp vật lý là lấy ra từ các bit đã được mã hóa sau bộ mã hóa kênh tập các bit sẽ phát trong một TTI cho trước, như chỉ ra trên H.2.25. Tập bit này đươc xác định bởi các khối tài nguyên ấn định, sơ đồ điều biến và bậc ghép khối không gian.
H.2.25: Chức năng HARQ lớp vật lý.
Cần lưu ý rằng, một số phân tử tài nguyên trong khối được ấn định sẽ bị chiếm bởi các ký hiệu tham khảo như đã trình bày ở trên và bị chiếm bởi các báo hiệu điều khiển (sẽ xét sau).
Nếu tổng số bit sau mã hóa kênh lớn hơn số bit có thể được phát, chức năng HARQ sẽ lấy ra tập con của các bit này vì thể tỷ lệ mã lớn reff >1/3. Trái lại, nếu tổng số
48
bit sau mã hóa kênh nhỏ hơn số bit cần phát, chứa năng HARQ sẽ lặp tất cả hoặc tập con của bit sau mã hóa, vì thế tỷ lệ mã hóa hiệu dụng reff <1/3.
Trong trường hợp phát lại, chức năng HARQ trong trường hợp tổng quát sẽ cho ra các tập các bit như mã hóa khác nhau cần phát, nghĩa là HARQ cho phép kết hợp phần dư tăng.
- Ngẫu nhiên hóa mức bit DL: Trong quá trình ngẫu nhiên hóa DL, các bit sau chức năng HARQ, được trộn (thao tác hay loại trừ) bởi chuỗi giả ngẫu nhiên mức bit, xem H.2.26. Nói chung, ngẫu nhiên hóa số liệu đã mã hóa cho phép đảm bảo rằng giải mã phía thu có thể tận dụng được toàn bộ độ lợi xử lý do mã kênh cung cấp. Ta cần chú ý: khác với HSPA, trong đó ngẫu nhiên hóa DL được áp dụng cho các chip phức sau khi trải phổ (ngẫu nhiên hóa mức chip), LTE áp dụng ngẫu nhiên hóa DL mức bit sau mã hóa từng khối truyền tải (ngẫu nhiên hóa mức bit).
Ngẫu nhiên hóa mức chip cần cho HSPA để đảm bảo rằng độ lợi xử lý cho trải phổ cung cấp có thể được tận dụng một cách hiệu quả. Trái lại, ngẫu nhiên hóa mức bit sau mã hóa chứ không phải các ký hiệu điều biến phức cho phép ở mức độ nhất định giảm độ phức tạp thực hiện và không ảnh hưởng tiêu cực hiệu năng trong trường hợp LTE.
Trong LTE, ngẫu nhiên hóa DL được áp dụng cho tất cả các kênh truyền tải; ngẫu nhiên hóa cũng được áp dụng cho báo hiệu điều khiển L1/L2 DL.
Đối với tất cả các kênh truyền tải DL, ngoại trừ kênh MCH, cũng như báo hiệu điều khiển L1/L2, các chuỗi giả ngẫu nhiên phải khác nhau đối với các ô khác nhau (ngẫu nhiên hóa đặc thù ô) để đảm bảo ngẫu nhiên hóa nhiễu giữa các ô. Trái lại, trong trường hợp truyền dẫn MBSFN sử dụng kênh truyền tải MCH, ngẫu nhiên hóa như nhau được áp dụng cho tất cả các ô tham gia và một truyền dẫn MBSFN (ngẫu nhiên hóa chung).
- Điều biến số liệu trong LTE DL: Điều biến số liệu trong DL của LTE chuyển đổi khối bit sau ngẫu nhiên hóa vào các ký hiệu điều biến phức, như chỉ ra trên H.2.26. Tập các sơ đồ điều biến được LTE hỗ trợ cho cả DL gồm QPSK, 16 QAM và 64QAM.
49
H.2.26: Điều biến số liệu chuyển đổi n bit vào n/2 ký hiệu điều biến phức
(QPSK: L = 2, 16QAM L = 4, 64QAM L = 6)
Tương ứng với L = 2,4 và 6 bit trên một ký hiệu điều biến. Tất cả các sơ đồ điều biến này đều có thể áp dụng cho trường hợp truyền dẫn DL-SCH. Đối với các kênh truyền tải khác có thể có một số quy định hạn chế, chẳng hạn như điều biến QPSK là có thể áp dụng cho truyền dẫn BCH.
- Sắp xếp anten DL trong LTE: Sắp xếp anten thực hiện xử lý kết hợp các ký hiệu điều khiển, trong trường hợp tổng quát, tương ứng với hai khối truyền tải và sắp xếp kết quả nhận được đến các anten khác nhau. Từ H.2.22 đã thấy LTE hỗ trợ đến 4 anten phát. Sắp xếp anten có thể được lập cầu hình theo các cách khác nhau để cung cấp các sơ đồ đa anten khác nhau bao gồm cả phân tập phát, tạo búp và ghép kênh không gian (chi tiết hơn vấn đè này ta xét sau).
- Sắp xếp khối tài nguyên trong LTE: Sắp xếp khối tài nguyên thực hiện sắp xếp các ký hiệu sẽ phát trên từng anten đến các phần tử tài nguyên của tập khối tài nguyên được ấn định bởi bộ lập biểu MAC đề truyền dẫn khối (các khối) truyền tải như H.2.27.
H.2.27: Sắp xếp khối tài nguyên DL
Rõ ràng, lập biểu DL được thực hiện trên cơ sở một khung con (1ms). Do một khối tài nguyên DL bao gồm một số các sóng mang con trong thời gian 0,5ms, nên cần ấn định khối tài nguyên DL luôn luôn được thực hiện cho các cặp khối tài nguyên,
50
trong đó mỗi cặp trong nhiều thời gian, bao gồm hai khối tài nguyên liên tiếp trong một khung con.
Tổng số, mỗi khối tài nguyên chứa 84 phần tử (12 sóng mang con trong 7 ký hiệu OFDM). Tuy nhiên như đã chỉ ra ở trên, một số phần tử tài nguyên trong một khối truyền tải không được dùng cho sắp xếp kênh truyền tải vì chúng đã được dùng cho các ký hiệu tham khảo DL của các anten khác nhau và báo hiệu điều khiển DL L1/L2 (xét sau).
Vì trạm gốc có đầy đủ thông tin về các khối tài nguyên nào được sử dụng cho các tín hiệu DL cũng như cho điều khiển báo hiệu L1/L2 thế nên chúng không khả dụng cho sắp xếp kênh truyền tải, nên có thể dễ dàng sắp xếp kênh truyền tải lên các phần tử tài nguyên khả dụng còn lại.
Tương tự, tại thời điểm thu, đầu cuối di động biết được các phần tử tài nguyên nào được sử dụng cho tín hiệu tham khảo DL và báo hiệu L1/L2 nên nó có thể dễ dàng lấy ra số liệu kênh truyền tải từ tập phần tử tài nguyên dành cho kênh này.
Trong chuẩn LTE, tài nguyên vật lý mà tại đó DL-SCH được sắp xếp lên được gọi