3. Lớp vật lý
3.3 Sơ đồ truyền dẫn UL trong LTE
3.3.1 Tài nguyên vật lý UL trong LTE.
Như đã biết, truyền dẫn UL của LTE dựa trên truyền dẫn DFTS-OFDM hay là SC- OFDMA DFTS-OFDM là sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang có PAPR thấp vì thế cho phép ấn định băng thông linh hoạt và đa truy nhập trực giao không chỉ trong miền thời gian mà cả trong miền tần số.
Hình H.2.36 giới thiệu cấu trúc cơ sở của truyền dẫn DFTS-OFDM hay SC-OFMA. Đầu ra của DFT được sắp xếp lên các đầu vào được lựa chọn của IFFT kích thước N. Kích thước DFT xác định băng thông tức thời của tín hiệu phát trong khi đó sắp xếp tần số quyết định vị trí của tín hiệu phát trong tổng phổ khả dụng UL. Cuối cùng CP được chọn cho từng khối xử lý.
Như đã xét từ phần đầu, trong trường hợp tổng quát, cả hai dạng truyền dẫn DFTS- OFDM: Chia lô và phân bố, đều được sử dụng. Tuy nhiên truyền dẫn UL LTE giới hạn ở truyền dẫn khoanh vùng, nghĩa là quá trình sắp xếp tần số (xem H.2.36) sẽ sắp xếp đầu ra của DFT lên các đầu vào liên tiếp IFFT.
58
H.2.36: Cấu trúc cơ sở của truyền dẫn DFTS – OFDM hay SC-FDMA
Từ quan điểm thực hiện DFT với kích thước Ntx phải giới hạn ô lũy thừa của 2. Tuy nhiên hạn chế này mâu thuẫn trực tiếp với mong muốn có độ linh hoạt cao để có thể ấn định động tài nguyên (băng thông truyền dẫn tức thời) cho các đầu cuối di động khác nhau. Từ quan điểm độ linh hoạt băng thông cao, phải cho phép tất cả các giá trị có thể có của Ntx. Đối với LTE, giải pháp trung gian được chấp nhận trong đó kích thước DFT giới hạn ở tích của các số nguyên: 2, 3 và 5, chẳng hạn, các kích thước DFT 15, 16 và 18 được phép nhưng Ntx=17 thì không. Bằng cách này DFT có thể được thực hiện bởi các FFT cơ số 2, 3 và 5 ít phức tạp.
Các thông số cơ sở của sơ đồ truyền dẫn UL LTE được chọn để đồng bộ tốt nhất các thông số tương ứng của DL LTE dựa trên OFDM. Như minh họa trên H.2.37
H. 2.37: cấu trúc miền tần số UL của LTE
Khoảng cách giữa các sóng mang con UL của DFTS-OFDM và các khối tài nguyên gồm 12 sóng mang con cũng được định nghĩa cho UL. Tuy nhiên khác với DL, đối với UL không quy định không sử dụng sóng mang con DC. 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 và vẫn duy trì được tính chất PAPR thấp của đơn sóng mang đối
59
với truyền dẫn UL. Ngoài ra, do tiền mã hóa dựa trên DFT, ảnh hưởng của DC sẽ trải rộng trên Ntx ký hiệu điều biến vì thế nó ít ảnh hưởng hơn so với truyền dẫn OFDM bình thường.
Như vậy tổng số sóng mang con UL bằng Nsc=12.Nrb. Tương tự như DL, đối với UL đặc tả lớp vật lý LTE cũng cho phép độ linh hoạt tổng băng thông hệ thống rất cao. Tuy nhiên, cũng giống như DL, do các yêu cầu về tần số vô tuyến nên sẽ có một số giới hạn và trong giai đoạn đầu sẽ chỉ quy định một tập hạn chế các băng thông UL.
Ngoài ra, về chi tiết cấu trúc thời gian - không gian, UL LTE rất giống với DL, như chỉ ra trên H.2.38.
(Một khung con bao gồm 2 khe độ dài bằng nhau. Mỗi khe gồm 6 hoặc 7 khối DFTS-OFDM cho trường hợp CP mở rộng và CP bình thường.
Mỗi khung con 1 ms UL bao gồm 2 khe có độ dài bằng nhau Tslot=0,5 ms. Mỗi khe gồm một số khối DFT kể cả CP. Ngoài ra cũng giống như DL, hai độ dài CP cũng được định nghĩa cho UL: CP bình thường và CP mở rộng.
60
Khác với DL, khối tài nguyên UL được ấn định cho đầu cuối di động phải luôn luôn liên tiếp trong miền thời gian, như chỉ ra trên H.2.39
H.2.39: Ấn định tài nguyên UL LTE
Lưu ý rằng, giống như DL, khối tài nguyên UL là 12 sóng mang con DFTS-OFDM trong 1 khe 0,5ms. Vì thế, tương tự DL, ấn định tài nguyên UL trong miền thời gian được thực hiện trong 2 khối tài nguyên liên tiếp.
Trên H.2.39, tài nguyên UL được ấn định tương ứng với cùng một tập sóng mang con trong 2 khe. Một cách khác, nhẩy tần giữa các khe cũng có thể được áp dụng cho truyền dẫn UL trong 2 khe của một khung con không chiếm cùng một tập sóng mang con, như chỉ ra trên H.2.40
H.2.40: Nhẩy tần UL LTE.
Lưu ý rằng, băng thông truyền vô tuyến của đầu cuối di động bao phủ toàn bộ UL, nên nhẩy tần thuần túy là hoạt động băng gốc, đơn giản chỉ là thay đổi sắp xếp DFT-OFDM (xem H.2.36). Có hai lợi ích nhận được từ nhẩy tần UL:
+ Nhẩy tần UL cung cấp phân tập tần số bổ sung với giả thiết rằng nhẩy cùng đại lượng hay lớn hơn băng thông nhất quản của kênh.
+ Nhẩy tần cung cấp phân tập nhiễu (trung bình hóa nhiễu) với giả thiết là mẫu nhẩy tần khác nhau trong các ô khác nhau.
61
3.2.2 Các tín hiệu tham khảo UL LTE, chuỗi Zadoff-chu:
Tương tự như DL, các tín hiệu tham khảo để ước tính kênh cũng cần cho UL LTE để có thể giải điều biến nhất quán tại trạm gốc. Do sự khác nhau giữa những sơ đồ truyền dẫn DL và UL (OFDM và SC-OFDMA dựa trên DFTS-OFDM) và tầm quan trọng của việc thay đổi công suất thấp đối với truyền dẫn UL, nên về nguyên lý các tín hiệu tham khảo UL sẽ khác với tín hiệu tham khảo DL. Thực ra, đối với UL không thể ghép tín hiệu tham khảo theo tần số với truyền dẫn số liệu từ cùng một đầu cuối di động. Thay vào đó, tín hiệu tham khảo được ghép kênh theo thời gian với số liệu UL,như chỉ ra trên H.2.41.
Tín hiệu tham khảo được phát trong khối thứ tư của từng khe và với băng thông tức thời bằng băng thông truyền dẫn số liệu. Lưu ý rằng trong trường hợp tổng quát, có thể sử dụng nhẩy tần trong đó 2 khe của H.2.41 được phát trên các tần số khác nhau. Trong trường hợp này, nội dung giữa 2 khe tín hiệu tham khảo của một khung là không thể vì kênh do sự khác nhau về tần số có thể có sự khác nhau giữa hai khối.
H.2.41: Các tín hiệu tham khảo UL được chèn vào khối thứ tư của từng khe UL
(trên hình vẽ sử dụng CP bình thường, nghĩa là 7 khối trên một khe và không có nhẩy tần số)
Có một cách thực hiện các tín hiệu tham khảo UL là tạo ra một tín hiệu tham khảo miền tần số Xrs (k) độ dài Mrs tương ứng với băng thông được ấn định (số lượng các “sóng mang con” DFTS-OFDM hay kích thước DFT tức thời) và đua nó đến đầu vào của IFFT, như chỉ ra trên H.2.42.
Chèn CP được thực hiện giống như đối với các khối UL khác. Ở một khía cạnh nào đó có thể coi điều này như là định nghĩa tín hiệu tham khảo UL giống như OFDM. Tuy nhiên ta cũng có thể mô tả tín hiệu tham khảo như là một tín hiệu DFTS-
62
OFDM nhận được bằng cách thực hiện IDFT kích thước Mrs cho chuỗi miền tần số Xrs (k). Chuỗi nhận được sau đó được đưa đến xử lý DFTS-OFDM (xem H.2.36).
H.2.42: Tạo tín hiệu tham khảo miền tần số
Các tín hiệu tham khảo UL cần có các thuộc tính sau:
+ Biên độ không đổi hoặc hầu như không đổi, giống như đặc tính của sơ đồ truyền dẫn UL LTE (đơn sóng mang đơn PAPR thấp).
+ Các thuộc tính tương quan miền thời gian tốt để cho ước tính kênh UL chính xác. Các chuỗi có các thuộc tính này đôi khi còn được gọi là thuộc tính CAZAC (Constant Amplitude Zeno-Auto Corelation).
3.3.3 Xử lý kênh truyền tải UL LTE.
Xử lý truyền tải UL được minh họa trên H.2.45.
Vì không ghép kênh không gian LTE nên chỉ có một khối truyền tải với kích thước động được phát trong TTI. Các bước cụ thể trên H.45 như sau:
+ Chèn CRC UL: Giống như chèn CRC DL, CRC được tính toán và được gắn vào từng khối TTI.
+ Mã hóa kênh UL: Sử dụng mã turbo với bộ đan xen nội dựa trên QPP giống DL. + Chức năng HARQ UL LTE lớp vật lý UL: Các khía cạnh lớp vật lý của HARQ UL LTE cũng giống như chức năng DL tương ứng, nghĩa là chức năng lớp vật lý HARQ lấy ra từ khối các bit ở đầu ra bộ mã hóa kênh tập bit sẽ phát tại mỗi thời điểm phát/phát lại. Lưu ý rằng ở một số khía cạnh, tồn tại một số khác biệt rõ ràng
63
giữa giao các giao thức HARQ DL và HARQ UL, như khai thác đồng bộ và không đồng bộ. Tuy nhiên các khác biệt này không được phản ánh trong các khía cạnh lớp vật lý của HARQ.
H.2.43: Xử lý kênh truyền tải UL LTE
+ Ngẫu nhiên hóa mức bit UL: Tương tự như DL, nghĩa là cũng có thể được áp dụng cho các bit sau mã hóa trên UL LTE. Mục đích của chức năng này UL cũng giống như DL là để nhẫu nhiên hóa nhiễu và vì thế đảm bảo đạt được độ lợi xử lý đầy đủ của mã hóa kênh. Để đạt được điều này, ngẫu nhiên hóa UL phải đặc thù đầu cuối di động, nghĩa là đầu cuối di động sử dụng các chuỗi giả ngẫu nhiên khác nhau.
+ Điều biến số liệu UL: Tương tự DL, ở đây thực hiện chuyển đổi một khối các bit số liệu nhận được sau mã hóa kênh (ngẫu nhiên hóa) vào một khối các ký hiệu điều biến phức. Tập các sơ đồ điều biến được sử dụng cho UL LTE cũng giống như đối
64
với DL. QPSK, 16QAH và 64 QAM tương ứng với 2, 4 và 6 bit trên một ký hiệu điều biến.
Khối các ký hiệu điều biến được đưa đến xử lý DFTS-OFDM như đã xét trên H.2.36. Xử lý này đồng thời cũng sắp xếp tín hiệu lên băng tần đã được ấn định.
3.3.4 Báo hiệu điều khiển UL L1/L2 LTE.
Giống như DL LTE, cũng cần có một dạng báo hiệu điều khiển UL L1/L2 là để hỗ trợ truyền dẫn các kênh truyền tải DL (DL-SCH) và UL (UL-SCH). Báo hiệu điều khiển UL L1/L2 bao gồm:
+ Các công nhận HARQ đối với khối truyền tải DL-SCH thu được.
+ CQI để chỉ thị chất lượng kênh DL dựa trên ước tính bởi đầu cuối di động. Tương tự như HSPA, các báo cáo CQI có thể được mạng sử dụng để lập biểu phụ thuộc kênh DL và điều khiển tốc độ. Tuy nhiên, khác với HSPA, và do lập biểu DL của LTE có thể được thực hiện cả trong miền thời gian và tần số nên báo cáo CQI LTE chỉ thị CQI cả trong miền thời gian và tần số.
+ Các yêu cầu rằng lập biểu để CQI một đầu cuối di động cần tài nguyên do truyền dẫn UL-SCH.
Khác với DL, ở đây không có báo hiệu UL để chỉ thị khuôn dang truyền tải cho mạng. Vì các đầu cuối di động luôn luôn phải tuân thủ theo các cho phép lập biểu nhận được từ mạng trong đó khuôn dạng truyền tải UL-SCH được đặc tả như đã xét ở trên. Vì thế, mạng biết trước khuôn dạng truyền tải được sử dụng trong truyền dẫn UL-SCH nên không cần phải báo hiệu tường minh. Với lý do tương tự, cũng không có thông báo tường minh về thông tin liên quan đến HARQ của UL-SCH.
Do các phân tích trên, nên tồn tại hai phương pháp khác nhau để truyền dẫn báo hiệu UL L1/L2 phụ thuộc vào việc các đầu cuối di động có được hay không được ấn định tài nguyên để truyền dẫn UL-SCH như sau:
+ Thứ nhất: Tài nguyên UL được ấn định (truyền dẫn đồng thời UL-SCH): Điều khiển L1/L2 ghép chung với UL-SCH trước khi xử lý DFTS-OFDM.
65
+ Thứ hai: Tài nguyên UL không được ấn định (không truyền dẫn đồng thời UL_SCH): Điều khiển L1/L2 được phát trong các tài nguyên tần số được ấn định đặc biệt cho báo hiệu điều khiển UL L1/L2.
Nếu đầu cuối di động được ấn định một tài nguyên UL để truyền tải UL-SCH, báo hiệu điều khiển được ghép chung với số liệu kênh truyền tải đã điều biến trước khi xử lý DFTS-OFDM như hình H.2.44.
H.2.44: Ghép số liệu và tín hiệu điều khiển UL L1/L2 trong trường hợp truyền dẫn đồng
thời UL-SCH và điều khiển L1/L2.
Ta có thể coi đây là ghép kênh thời gian giữa số liệu kênh truyền tải và báo hiệu điều khiển L1/L2 và giữ nguyên tính chất “một sóng mang” của truyền dẫn UL. Cần lưu ý rằng trong mạng hoàn toàn biết được truyền dẫn của báo hiệu điều khiển L1/L2 từ một đầu cuối di động do:
- CQI được phát định kỳ, trong các thời điểm quy định trước và mạng biết rõ điều đó.
- Các công nhận HARQ được phát tại các thời điểm đặc tả rõ ràng với phát DL (DL-SCH) tương ứng.
Vì thế mạng có thể lấy ra đúng phần kênh truyền tải và điều khiển tại phía thu trước khi giải mã riêng cho từng phần.
Nếu đầu cuối di động không được ấn định tài nguyên UL cho truyền dẫn UL-SCH, thì thông tin điều khiển L1/L2 (CQI, các công nhận HARQ và yêu cầu lập biểu) sẽ được phát trên các tài nguyên được ấn đinh đặc biệt cho điều khiển UL-L1/L2.
66
H.2.45: Cấu trúc tài nguyên sử dụng băng thông
Như chỉ ra trên H.2.45, các tài nguyên như vậy gồm 12 sóng mang con (một khối tài nguyên) trong từng khe của một khung con UL. Để đảm bảo phân tập tần số có thể nhẩy tần trên biên khe, nghĩa là một tài nguyên điều khiển L1/L2 gồm 12 sóng mang con tại biên trên của phổ trong khe thứ nhất của một bán khung và một tài nguyên cùng kích cỡ được đặt tại phân thấp của phổ trong khe thứ hai của khung con hoặc ngược lại.
- Cùng với nhảy tần só như đã xét ở trên, điều này cực đại hóa phân tập tần số cho báo hiệu điều khiển L1/L2.
- Ấn định tài nguyên UL cho báo hiệu điều khiển L1/L2 tại các vị trí khác của phổ tần (không tại biên) sẽ phân đoạn (khúc) phổ vì thế không thể ấn định băng thông truyền dẫn rộng cho một dầu cuối di động và duy trì thuộc tính đơn sóng mang PAPR thấp của UL-SCH.
3.3.5. Định thời phát trước UL LTE.
Sơ đồ truyền dẫn UL LTE dựa trên DFTS-OFDM đảm bảo tính trực giao nội ô, nghĩa là truyền dẫn UL thu được từ các đầu cuối di động khác nhau không gây nhiễu cho nhau tại máy thu trạm gốc.
Về bản chất, định thời phát trước là một đoạn dịch âm tại đầu cuối di động giữa đầu khung con thu DL và khung con phát UL. Bằng cách đặt khoảng dịch tích hợp cho từng đầu cuối di động, mạng có thể điều kiển định thời các tín hiệu thu được tại trạm gốc từ các đầu cuối di động. Các đầu cuối di động xa so với trạm gốc bị trễ
67
truyền sóng lớn hơn và vì thế cần bắt đầu phát UL hơi sớm hơn so với các đầu cuối di động gần trạm gốc hơn như chỉ ra trên H.2.48.
Trong thí dụ này, đầu cuối di động thứ nhất (MT-1) nằm gần trạm gốc hơn và có trễ truyền sóng nhỏ, TP.1. Vì thế đối với đầu cuối di động này, một giá trị đinh thời phát trước TA.1 nhỏ là đủ để bù trừ trễ truyền sóng và đủ đảm bảo định thời đúng tại trạm gốc. Trái lại, đầu cuối di động thứ hai (MT-2) do đặt xa trạm gốc hơn nên trên truyền sóng TP.2 lớn hơn vì thế đối với nó cần có giá trị định thời phát trước TA.2 lớn hơn.
Dựa trên các đo đạc UL, mạng quyết định điều chỉnh định thời của một đầu cuối di động. Nếu định thời của một đầu cuối di động cần hiệu chỉnh , mạng phát đi lệnh đinh thời phát trước cho đầu cuối di động này. Thông thường, các lênh định thời phát trước cho một đầu cuối di động được phát khá thưa, nghĩa là chỉ vài lần trong một giây (s).
68
Nếu đầu cuối di động không phát bất kỳ thông tin gì trên UL trong một thời gian dài