Hình 3. 20 Sơ đồ ánh xạ các kênh đường lên
¾ Các kênh logic
Kênh điều khiển chung (CCCH-Common Control Channel):
• Kênh này chỉđược sử dụng cho các UE không có kết nối RRC với mạng Kênh điều khiển riêng (DCCH-Dedicated Control Channel):
• Đây là kênh hai hướng kết nối điểm tới điểm dùng để truyền các thông tin điều khiển riêng giữa một UE và mạng
• Đươc sử dụng bởi các UE đã có kết nối RRC
Kênh lưu lượng riêng (DTCH-Dedicated Traffic Channel):
• Là kênh điểm tới điểm, dành riêng cho một UE, dùng để truyền thông tin người dùng
• Môt kênh DTCH có thể tồn tại ở cảđường lên và đường xuống
¾ Các kênh vận chuyển
Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH-Random Access Channel):
• Kênh này mang thông tin tối thiểu
• Truyền dẫn trên kênh có thể mất do va chạm
Kênh chia sẻđường lên (UL-SCH-Uplink Shared Channel):
• Tùy chọn hỗ trợ tạo búp sóng anten
• Hỗ trợđáp ứng đường truyền động bằng cách thay đổi phương thức điều chế, mã hóa, công suất phát
• Hỗ trợ HARQ
• Hỗ trợ phân bổ tài nguyên tựđộng và bán tựđộng
¾ Các kênh vật lý
Kênh truy nhập vô tuyến vật lý (PRACH-Physical Radio Access Channel):
• Mang các tiêu đề truy nhập ngẫu nhiên
• Các tiêu đề truy nhập ngẫu nhiên được sinh ra từ các chuỗi Zadoff-Chu Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH- Physical Uplink Shared Channel):
• Mang kênh UL-SCH
Kênh điều khiển đường lên gói (PUCCH-Packet Uplink Control Channel):
• Mang các ACK/NAK HARQ đểđáp ứng lại đường truyền xuống
• Mang các yêu cầu định trình
• Mang các báo cáo CQI (Channel Quality Information)
CHƯƠNG 4: LỚP VẬT LÝ 4.1Truyền dữ liệu người sử dụng đường lên
Dữ liệu người sử dụng ở hướng đường lên được mang trên kênh PUSCH, với cấu trúc khung có độ dài 10ms và dựa trên sự phân bổ nguồn tài nguyên trên miền tần số và thời gian tương ứng là 180 kHz và 1ms. Sự phân bổ các nguồn tài nguyên này được thực hiện tại bộ đình trình nằm ở eNodeB và được minh họa trong hình 4.1.Vì thế không có một nguồn tài nguyên cố định dành cho các thiết bị và quyền
ưu tiên báo hiệu chỉ có các nguồn tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên được sử dụng.
Để đạt được điều này các thiết bị cần cung cấp thông tin cần thiết cho bộ đình trình
đường lên như trạng thái bộđệm, các nguồn tài nguyên công suất truyền sẵn có.Các tín hiệu báo hiệu này thuộc tín hiệu báo hiệu của lớp MAC.
Hình 4. 1 Điều khiển phân bố nguồn tài nguyên đường lên tại eNodeB
Cấu trúc khung sử dụng cấu trúc khe thời gian có độ dài là 0.5ms và hai khe (1 khung con) cho 1 lần phân bổ tài nguyên.Cấu trúc khung có độ dài 10ms được minh họa ở hình 4.2.Trong một khe có thời gian là 0.5ms nó cả các kí hiệu tham chiếu và kí hiệu dữ liệu ngoài ra còn có các tín hiệu báo hiệu.Tốc độ dữ liệu của người sử
dụng vì thế thay đổi như một hàm của sự phân bố nguồn tài nguyên đường lên phụ
thuộc vào băng thông hiện tại được ấn định. Băng thông có thể được ấn định nằm trong khoảng từ 0 đến 20MHz với bước nhảy là 180kHz.Sự phân bổ nguồn tài nguyên này là liên tục vì truyền dẫn đường lên sử dụng điều chế FDMA với một kí
hiệu được truyền tại một thời điểm. Sựđiều chỉnh băng thông khe thời gian giữa các TTI liên tiếp được minh họa trong hình 4.3, trong hình ta thấy tốc độ dữ liệu được tăng lên gấp đôi khi băng thông được sử dụng gấp đôi. Các kí hiệu tham khảo luôn luôn chiếm cùng một vị trí trong miền thời gian vì thế khi tốc độ dữ liệu tăng lên thì tương ứng cũng phải tăng tốc dộ dữ liệu của tín hiệu tham chiếu.
Hình 4. 2 Cấu trúc khung FDD LTE
Hình 4. 3 Tỉ lệ dữ liệu giữa các TTI ở hướng đường lên
Tiền tố chu trình (CP-Cyclic Prefix) được sử dụng trong đường lên có thể có hai giá trị phụ thuộc tiền tố chu trình mở rộng hay ngắn được sử dụng.Các thông số
khác không đổi và vì thế một khe thời gian 0.5 ms có thể có sáu hoặc bảy kí hiệu nhưđược minh họa trong hình 4.4.Tải dữ liệu được giảm xuống khi tiền tố chu trình
được sử dụng nhưng nó không được sử dụng thường xuyên vì lợi ích hiệu năng mà bảy kí hiệu đem lại lớn hơn so với khả năng có thể suy giảm chất lượng tín hiệu do nhiễu liên kí tự khi độ trải trễ của kênh lớn hơn độ dài tiền tố chu trình. Tốc độ dữ
liệu đường lên tức thời của 1 khung con có độ dài 1ms phụ thuộc vào phương thức
điều chế, số lượng các khối tài nguyên được phân bổ, lượng thông tin điều khiển cũng như phương thức mã hóa kênh được áp dụng.Khoảng tốc độ đỉnh tức thời ở đường lên đã được tính toán và nằm trong khoảng từ 700kbps đến 86Mbps.
Hình 4. 4 Cấu trúc khe thời gian với tiền tố chu trình ngắn và mở rộng
LTE cũng sử dụng kĩ thuật kết hợp truyền lại ở lớp vật lý thường được biết đến với cái tên HARQ (Hybrid Adaptive Repeat and Request).Trong hoạt động HARQ
ở lớp vật lý bộ thu cũng lưu trữ các gói có CRC lỗi và kết hợp với các gói đã nhận
được khi sự truyền lại được thưc hiện.Cả hai phương pháp là kết hợp mềm với các lần gửi lại giống nhau và kết hợp tăng tính dư thừa đều được hỗ trợ.
Chuỗi mã hóa kênh cho đường lên được chỉ ra trong hình 4.5, nơi dữ liệu và các thông tin điều khiển được mã hóa riêng biệt sau đó được ánh xạ vào các kí hiệu riêng biệt để truyền dẫn.Các thông tin điều khiển có các vị trí xác định xung quanh các kí hiệu tham chiếu, thông tin điều khiển lớp vật lý được mã hóa riêng biệt và
được đặt vào trong một tập các kí hiệu điều chế được xác định trước (nhưng phải cùng một phương thức điều chế như khi các dữ liệu được truyền cùng với nhau). Vì thế sự đan xen kênh như trong hình 4.5 không phải là để chỉ đến việc đan xen thật sự giữa các thông tin điều khiển và dữ liệu
Thông tin điều khiển và dữ liệu được ghép kênh thời gian ở mức yếu tố tài nguyên.Thông tin điều khiển phân bố không đều mà có xu hướng phân bốở gần các kí hiệu tham chiếu trong miền thời gian hoặc ở các hàng phía trên cùng như trong hình 4.6, phụ thuộc vào loại thông tin điều khiển. Dữ liệu được điều chếđộc lập với các thông tin điều khiển nhưng phương thức điều chế trong một 1ms là như nhau
Hình 4. 6 Ghép kênh giữa tín hiệu điều khiển và dữ liệu tại đường lên 4.2Truyền dữ liệu người sử dụng đường xuống
Dữ liệu người sử dụng ở hướng xuống được mang trên kênh PDSCH.Sự phân bố
các khối tài nguyên có độ dài 1ms cũng được thực hiện ở đường xuống.Các sóng mang con được ấn định trong các khối tài nguyên là 12 sóng mang con và các khối này có độ rộng là 180kHz (PRB-Physical Resource Block). Vì đường xuống sử
dụng công nghệ OFDMA các sóng mang được truyền song song với nhau với độ
rộng mỗi sóng mang là 15kHz và vì thế tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào số sóng mang
được ấn định (hoặc là các khối tài nguyên trong thực tế) cho một người sử dụng. eNodeB thực hiện ấn định các nguồn tài nguyên dựa trên bộ chỉ báo chất lượng kênh (CQI-Channel Quality Indicator) từ các thiết bị đầu cuối. Tương tự như ở đường lên, các khối tài nguyên được ấn định ở cả miền thời gian và miền tần số như được minh họa trong hình 4.7
Hình 4. 7 Phân bổ tài nguyên đường xuống tại eNodeB
Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH- Physical Downlink Control Channel) thông báo cho thiết bị các khối tài nguyên nào đã được ấn định cho nó,
được phân bổ linh hoạt đến từng ms.Dữ liệu trong kênh PDSCH chiếm từ 3 cho đến 6 kí hiệu trong một khe thời gian 0.5ms phụ thuộc vào sựấn định cho kênh PDCCH và phụ thuộc vào loại tiền tố chu trình nào được sử dụng ngắn hay mở rộng. Trong một khung con 1ms, chỉ có khe thời gian đầu tiên là chứa kênh PDCCH trong khi khe thời gian thứ hai chỉ đơn thuần chứa dữ liệu (của kênh PDSCH).Khi sử dụng tiền tố chu trình mở rộng thì chỉ có 6 kí hiệu trong một khe thời gian, trong khi với tiền tố chu trình ngắn thì có 7 kí hiệu trong một khe thời gian, như trong hình 4.8.Ví dụ trong hình 4.8 giả thiết rằng có 3 kí hiệu cho kênh PDCCH nhưng thực tế nó có thể thay đổi từ 1 đến 3. Với băng thông nhỏ nhất là 1.4MHz số kí hiệu thay đổi từ 2
đến 4 là cho phép đủ khả năng để báo hiệu và cũng đủ các bit để mã hóa kênh tốt trong các trường hợp quan trọng.
Thêm vào đó đối với các kí hiệu điều khiển của kênh PDCCH, khoảng cách giữa các dữ liệu của người dùng bị giảm xuống do các tín hiệu tham khảo, tín hiệu
đồng bộ và dữ liệu quảng bá.Như đã trình bày ở các chương trước do ước lượng kênh chỉ có lợi khi các kí hiệu tham khảo được phân bốđều trong miền thời gian và tấn số.Điều này làm giảm tổng dữ liệu truyền cần thiết, nhưng nó đòi hỏi một số
quy tắc được quy định để cả hai bên thu và phát hiểu được sự ánh xạ nguồn tài nguyên. Từđó không gian phân bổ tổng tài nguyên trên toàn bộ một sóng mang cần phải tính toán cho những kênh chung ví dụ như kênh PBCH, nó sẽ chiếm một lượng không gian tài nguyên. Trong hình 4.9 là ví dụ về sự phân bổ tài nguyên của các kênh PDSCH và PDCCH.Chú ý rằng vị trí các kí hiệu tham khảo như trong hình 4.9 chỉ là minh họa một cách đơn giản chứ không phải là vị trí đặt thực tế của các kí hiệu tham chiếu.
Việc mã hóa kênh cho dữ liệu người dùng ởđường xuống là sử dụng mã turbo giống như trong đường lên.Kích cỡ khối lớn nhất cho khối mã hóa turbo được giới hạn là 6144 bit nhằm giảm sự phức tạp trong quá trình xử lý, các sự phân bố cao hơn sẽđược phân đoạn thành nhiều khối.Bên cạnh mã hóa turbo, đường xuống cũng sử dụng HARQ ở lớp vật lý tương tự như trong đường lên.Chuỗi mã hóa đường xuống được chỉ ra trong hình 4.10.Không có sự ghép kênh cho các tài nguyên cùng lớp vật lý trong kênh PDCCH khi chúng có các tài nguyên riêng của riêng mình trong thời gian 1ms của khung con
Hình 4. 9 Ví dụ chia sẻ nguồn tài nguyên đường xuống giữa hai kênh PDCCH và PDSCH
.
Hình 4. 10 Chuỗi mã hóa kênh DL-SCH
Mỗi khi dữ liệu được mã hóa, các từ mã được đưa tới bộ trộn sau đó tới bộđiều chế.Những xáo trộn trong lớp vật lý không nên nhầm lẫn với chức năng mã hóa nó chỉ có mục đích ngăn chặn các thiết bị sai giải mã thành công dữ liệu có sự phân bổ
giống nhau giữa các cell.Bản đồ ánh xạ các phương thức điều chế mong muốn được
đưa đến bộ điều chế sau đó các kí hiệu được đưa đến lớp ánh xạ và bộ tiền mã hóa.Khi sử dụng truyền nhiều anten (2 hoặc 4) dữ liệu được chia thành các dòng khác nhau sau đó được ánh xạ các yếu tố tài nguyên chính xác sẵn trên kênh PDSCH và cuối cùng các tín hiệu OFDMA được truyền đi như trong hình 4.11 với ví dụ là có 2 anten truyền dẫn.Khi chỉ có một anten truyền dẫn thì rõ ràng lớp ánh xạ và chức năng tiền mã hóa không có vai trò gì trong việc truyền dẫn dữ liệu.
Cuối cùng tốc độ dữ liệu tức thời của đường xuống phụ thuộc vào các yếu tố
sau: phương thức điều chế, số lượng các sóng mang con được ấn định, tỉ lệ mã hóa kênh và số anten truyền dẫn được sử dụng.
Tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời cho đường xuống (giả sử tất cả các nguồn tài nguyên chỉđược sử dụng cho một người dùng) nằm trong khoảng từ 0.7 Mbps đến 170 Mbps. Có thể lên đến 300 Mbps hoặc cao hơn khi hoạt động ở chế độ 4-4 MIMO anten.Không có một giới hạn nào cho tốc độ nhỏ nhất và khi các khối phân bổ nhỏ nhất quá nhiều thì padding được thêm vào.
4.3Truyền tín hiệu báo hiệu lớp vật lý đường lên
Tín hiệu báo hiệu điều khiển ở lớp 1/lớp 2 đường lên (L1/L2) được chia thành hai phần trong hệ thống LTE:
• Báo hiệu điều khiển trong trường hợp không có dữ liệu đường lên, nó được truyền trên kênh PUCCH (Physical Uplink Control Channel)
• Báo hiệu điều khiển trong trường hợp có dữ liệu đường lên, nó được truyền trên kênh PUSCH (Physical Uplink Share Channel)
Do gới hạn chỉ có một sóng mang, nên việc truyền đồng thời hai kênh PUCCH và PUSCH là không thể. Điều này có nghĩa các tài nguyên điều khiển được quy định trong các trường hợp có hoặc không có dữ liệu đường lên. Các giải pháp thay thế được xem xét là truyền song song trong miền tần số (không tốt cho đường bao tín hiệu truyền) hoặc phân chia trong miền thời gian (có hại cho vùng bao phủ kênh
điều khiển). Vì vậy chúng ta phải chọn lựa phương pháp tiếp cận để tối ưu hóa quỹ đường truyền cho kênh PUCCH và luôn luôn duy trì được các tính chất của đơn sóng mang trên tín hiệu truyền đi
PUCCH là một tài nguyên chia sẻ tần số/thời gian được dành riêng cho thiết bị
người sử dụng truyền các tín hiệu điều khiển L1/L2.PUCCH được tối ưu hóa cho một số lượng lớn các thuê bao cùng sử dụng trong cùng một lúc với một số lượng tương đối nhỏ bit tín hiệu điều khiển cho một UE
PUSCH mang các tín hiệu điều khiển L1/L2 đường lên khi UE được định trình cho việc truyền dữ liệu.PUSCH có khả năng truyền các tín hiệu điều khiển với việc hỗ trợ nhiều kích thước tín hiệu báo hiệu khác nhau.Dữ liệu và các trường điều khiển khác nhau như ACK/NACK và CQI được chia tách biệt nhau bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), bằng việc ánh xạ vào các kí tự điều chế riêng biệt trước khi thực hiện DFT. Các tỉ lệ mã hóa khác nhau cho tín hiệu
điều khiển đạt được bằng cách chiếm số lượng các kí hiệu khác nhau trong mỗi trường điều khiển.
Có hai loại thông tin báo hiệu điều khiển L1/L2 ởđường lên:
• Báo hiệu có liên quan đến dữ liệu
• Báo hiệu không liên quan đến dữ liệu
4.3.1 Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH)
Nhìn từ phía một UE, PUCCH bao gồm một khối tài nguyên trong miền tần số
(12 sóng mang con) và một khung con trong miền thời gian.Để giải quyết các tình huống giới hạn về phạm vi bao phủ, truyền dẫn ACK/NACK có thể kéo dài trong khoảng thời gian 1ms khung con.Hơn nữa để hỗ trợ các tình huống mà phạm vi bao phủ rất hạn chế thì chế độ truyền lại các ACK/NACK được hỗ trợ trên đường lên LTE.
Các UE khác nhau được phân chia riêng biệt trên kênh PUCCH bằng phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) và ghép kênh phân chia theo mã (CDM). FDM chỉ được sử dụng giữa các khối tài nguyên trong khi CDM được sử
dụng bên trong khối tài nguyên kênh của kênh PUCCH
Tín hiệu điều khiển trên kênh PUCCH được dựa trên phương thức điều chế
chuỗi.Các chuỗi CAZAC (Constant Amplitude Zero Autocorrelation Codes) chuyển chu kì được áp dụng cho cả CDM và truyền tải thông tin điều khiển.Sơđồ khối của bộđiều chế chuỗi được cấu hình cho truyền tải CQI định kì trên kênh PUCCH được chỉ ra trong hình 4.12.Trên kênh PUCCH các chuỗi CAZAC với độ dài 12 kí hiệu (một khối tài nguyên) được sử dụng phương thức điều chế BPSK hoặc QPSK vì thế