Công nghệ OFDM trong đường xuống của LTE

38

3.1.4. Công nghệ OFDM trong đường xuống của LTE

Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM. Như đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khác nhau. Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity). Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz. Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing).

Hình 3.9. Nguyên tắc của OFDMA đối với đường xuống. 3.1.4.1. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian

- Trong truyền dẫn LTE với mỗi khung (vô tuyến) có chiều dài Tframe= 10 ms bao gồm 10 khung phụ có kích thước bằng nhau với độ dài mỗi khung phụ Tsubframe = 1 ms và Tsubframe = 30720.Ts

Hình 3.10. Cấu trúc khung trong miền thời gian LTE

- Trong cùng một sóng mang, những khung phụ (subframes) khác nhau của một khung có thể được sử dụng cho truyền dẫn đường xuống hoặc truyền dẫn đường lên. Như được minh họa trong hình 3.11

- Đối với trường hợp FDD – hoạt động trong phổ theo cặp (paired spectrum), tất cả các khung phụ của một sóng mang được sử dụng cho truyền dẫn đường xuống (downlink carrier) hoặc truyền dẫn đường lên (uplink carrier).

- Đối với trường hợp hoạt động của TDD trong phổ không theo cặp (Hình 3.11 b), khung phụ thứ nhất và thứ sáu của mỗi khung (khung phụ 0 và khung phụ 5) luôn luôn được chỉ định cho truyền dẫn đường xuống trong khi những khung phụ còn lại có thể được chỉ định một cách linh hoạt để dùng cho cả truyền dẫn đường lên hoặc đường xuống.

- Lý do của việc ấn định sẵn khung phụ thứ nhất và thứ sáu cho truyền dẫn đường xuống là vì những khung phụ này chứa các tín hiệu đồng bộ LTE. Các tín hiệu đồng bộ được truyền đi trên đường xuống của mỗi tế bào và được dùng vào mục đích dò tìm tế bào khởi tạo (initial cell search) cũng như dò tìm tế bào lân cận (neighbor cell search).

Hình 3.11. Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD

Hình 3.12. Sơ đồ thời gian và tần số của tín hiệu OFDM [3]

- Các tín hiệu OFDM được sử dụng trong LTE bao gồm tối đa 2048 sóng mang phụ khác nhau (NFFT= 2048 ) và có khoảng cách là 15 kHz (∆f=15).

Tần số lấy mẫu:

fs = ∆f. NFFT= 15000 . 2048= 30,72 MHz

- Trong thực tế, với tần số lấy mẫu này là thích hợp cho những băng thông khoảng 15 MHz trở lên. Tuy nhiên đối với những băng thông truyền dẫn nhỏ hơn thì tần số lấy mẫu nhỏ hơn nên kích thước NFFT phải nhỏ hơn. Ví dụ: Đối với trường hơp băng thông truyền dẫns sử dụng là 5MHz thì NFFT

thường dùng là 512 nên tần số lấy mẫu tương ứng là.

fs = 512 . 15 = 7,68 Mhz

Như được minh họa trong hình 3.13, trong miền tần số, các sóng mang phụ đường xuống được tập hợp lại vào trong những khối (resource blocks), mỗi khối bao gồm 12 sóng mang phụ tương ứng với băng thông của mỗi khối là 180 KHz. Ngoài ra, còn có một sóng mang phụ DC không sử dụng vì nó có thể trùng với tần số bộ tạo dao động nội tại đầu phát hoặc đầu thu của thiết bị di động.

Tổng số sóng mang phụ trên một sóng mang đường xuống bao gồm cả sóng mang phụ bằng:

Nsc = 12.Nrb + 1

Với Nrb là số khối.

Trong LTE, có từ 6 đến 100 khối. Tương ứng với băng thông truyền dẫn đường xuống khoảng 1 MHz đến 20 MHz.

Hình 3.14. Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE.

- Một khung phụ bao gồm hai khe thời gian kích thước bằng nhau.

- Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy ký hiệu OFDM lần lượt tương ứng với trường hợp tiền tố chu trình bình thường và tiền tố chu trình mở rộng

Tslot=0.5ms (15360.Ts)

- Mỗi khe lại bao gồm một số lượng các ký hiệu OFDM (OFDM symbols) kèm theo tiền tố chu trình (cyclic prefix).

- Như đã biết, một khoảng cách sóng mang phụ Δf =15 kHz tương ứng với một thời gian ký hiệu hữu dụng Tu=1/ Δf ≈ 66.7μs (2048.Ts). Theo đó toàn bộ thời gian ký hiệu OFDM là tổng của thời gian ký hiệu hữu dụng và chiều dài tiền tố chu trình TCP. Theo như minh họa 3.14, LTE xác định hai chiều dài tiền tố chu trình, một tiền tố chu trình bình thường và một tiền tố chu trình mở rộng, tương ứng với 7 và sáu ký hiệu OFDM trên 1 khe. Chiều dài của tiền tố chu trình chính xác, được trình bày qua đơn vị thời gian cơ bản Ts, được đưa ra trong hình 3.14. Cần phải chú ý rằng, trong trường hợp tiền tố chu trình bình thường, chiều dài tiền tố chu trình cho ký hiệu OFDM đầu tiên của một khe thì lớn hơn một chút, so với những ký hiệu OFDM còn lại. Nguyên nhân của việc này chỉ đơn giản là lấp đầy toàn bộ khe 0.5 ms khi số lượng đơn vị thời gian Ts trên một khe (15360) không chia hết cho 7.

- Khi xem xét về cấu trúc miền thời gian đường xuống, các khối tài nguyên được đề cập ở trên bao gồm 12 sóng mang phụ trong suốt một khe thời gian 0.5 ms, như minh họa trong hình 3.15. Vì vậy mỗi khối tài nguyên bao gồm:

12.7 = 84

phần tử tài nguyên đối với trường hợp tiền tố chu trình bình thường và 12.6 = 72

Hình 3.15. Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường [4]

Hình vẽ cho thấy, có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe. Với tiền tố chu trình mở rộng thì có 6 ký hiệu OFDM trên 1 khe và như vậy, tổng cộng có 72 phần tử tài nguyên trong một khối tài nguyên.

3.1.4.2. Đường xuống sóng mang và khối tài nguyên

Trong đường xuống, các sóng mang con được chia thành khối tài nguyên RB (Resource Block). Mỗi khối có 12 sóng mang con, khoảng cách sóng mang là 15 KHz nên băng thông là 180KHz. Người ta có thể nhóm 2RBs, 5RBs... tạo thành 1 kênh con trong quá trình cấp phát tài nguyên.

- Băng thông có thể là 5M, 10M, 20M tương đương với điều chế OFDM với kích cở FFT: N = 512, 1024 và 2048.

- Trong LTE, chủ yếu sử dụng là chế độ song công OFDMA FDD (WiMAX là OFDMA TDD).

Có 2 cơ chế song công là Time Division Duplex (TDD) và Frequency Division Duplex (FDD).

- Nếu sử dụng TDD thì đường lên và đường xuống sử dụng cùng tần số, nhưng sử dụng ở thời điểm khác nhau nên tín hiệu không bị nhiễu.

- Trong đường xuống, các sóng mang con được chia thành khối tài nguyên.

- Mỗi khối tài nguyên gồm 12 sóng mang con, không phân biệt tín hiệu băng thông tổng thể LTE. Nó cũng bao gồm một khe cắm trong khung thời gian. Điều này có nghĩa là khác nhau băng thông tín hiệu LTE sẽ có các số khác nhau của khối tài nguyên.

3.2. Công nghệ SC-FDMA trong đường lên của LTE

OFDMA được xem là phương án tối ưu cho hướng DL nhưng hướng UL thì chưa được thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh trung bình (PAPR - Peak to Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu của hướng UL. Do đó, hướng UL của chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kỹ thuật đa phân chia tần số sóng mang đơn SC- FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kỳ.

Hình 3.16. Điều chế SC-FDMA cho đường lên.

Các tín hiệu SC- FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PAPR giúp mang lại hiệu

quả cao trong việc thiết các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC-FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra bằng kỹ thuật trải phổ DFT-OFDM(DFT-s-OFDM).

Hình 3.17. Sơ đồ khối DFT-S- OFDM

3.2.1. Cấu trúc Hybrid ARQ với kết hợp mềm

Hybrid automatic repeat request (HARQ ) cơ chế yêu cầu lặp lại tự động.

Hybird ARQ với kết hợp mềm trong LTE đáp ứng một mục đích tương tự với cơ chế hybird-ARQ trong HSPA, đó là cung cấp sức chịu đựng để chống lại các lỗi truyền dẫn. Nó cũng là một công cụ để nâng cao năng suất. Khi mà những cơ chế truyền lại hybird-ARQ là nhanh, nhiều dịch vụ cho phép một hoặc nhiều sự truyền lại, bằng cách thiết lập một cơ chế điều khiển tốc độ ẩn. Tương tự với phương pháp trong HSPA, giao thức hybrid-ARQ là một phần của lớp MAC, trong khi hoạt động kết hợp mềm được điều khiển bởi lớp vật lý.

Ví dụ, truyền dẫn broadcast, khi mà những thông tin giống nhau được dành cho nhiều người dùng, thông thường không phụ thuộc vào hybrid ARQ. Vì vậy, hybrid ARQ chỉ được hỗ trợ cho DL-SCH và UL-SCH.

Giao thức hybrid ARQ trong LTE giống với giao thức tương ứng được sử dụng cho HSPA, đó là việc sử dụng nhiều tiến trình stop-and-wait song song.

Trong lúc tiếp nhận những khối truyền tải, đầu thu sẽ tìm cách giải mã khối truyền tải và khai báo cho đầu phát về kết quả của hoạt động giải mã thông qua một bit đơn ACK/NAK để chỉ thị việc giải mã có thành công hay không hoặc truyền lại khối truyền tải nếu được yêu cầu. Để tối thiểu hóa chi phí, một bit đơn ACK/NAK được sử dụng. Rõ ràng, đầu thu phải biết bit ACK/NAK thu được được liên kết với tiến trình hybid-ARQ nào. Hơn nữa, điều này được giải quyết bằng cách sử dụng cùng một phương pháp như trong HSPA khi thời điểm của ACK/NAK được sử dụng để kết hợp ACK/NAK với một tiến trình hybrid-ARQ nào đó. Điều này được minh họa trong hình 3.18. Chú ý rằng, đối với trường hợp hoạt động TDD, mối quan hệ về thời gian giữa việc tiếp nhận dữ liệu trong một tiến trình hybrid-ARQ nào đó và việc truyền dẫn ACK/NAK thì không bị ảnh hưởng bởi sự phân bố đường lên/đường xuống.

Tương tự với HSPA, một giao thức không đồng bộ là cơ sở cho hoạt động hybrid-ARQ đường xuống. Vì vậy, sự truyền lại đường xuống có thể xảy ra tại mọi thời điểm sau khi việc truyền dẫn được khởi tạo và một con số tiến trình hybrid - ARQ tường minh (an explicit hybrid-ARQ process number) được sử dụng để chỉ thị tiến trình nào đang được định địa chỉ (addressed). Sự truyền lại đường lên, mặt khác, lại dựa trên một giao thức đồng bộ và sự truyền lại xảy ra tại một thời gian xác định trước sau khi khởi tạo quá trình truyền dẫn và số tiến trình (process number) có thể nhận được hoàn toàn. Trong giao thức hybrid-ARQ không đồng bộ, sự truyền lại trên lý thuyết được

hoạch định tương tự với việc khởi tạo quá trình truyền dẫn. Mặt khác trong giao thức đồng bộ, thời điểm truyền lại được cố định một lần khi khởi đầu quá trình truyền dẫn được hoạch định, phải được tính đến cho hoạt động hoạch định. Tuynhiên, chú ý rằng scheduler sẽ phân biệt từ phần tử hybrid-ARQ trong eNodeB đầucuối di động nào sẽ thực hiện truyền lại hay không. [5]

Hình 3.18. Giao thức hybrid - ARQ đồng bộ và không đồng bộ [5]

3.3. Đa truy nhập MIMO

Để đạt được tốc độ truyền và nhận dữ liệu đạt được cao như vậy thì công nghệ LTE cũng yêu cầu những cải tiến trong phần anten .

Công nghệ MIMO là một giải pháp phù hợp cho những yêu cầu đó. MIMO (multi input multi output) hay còn gọi là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền và nhận dữ liệu.

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian

(spatial multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của MIMO trong công nghệ LTE.

Hình 3.19. Ví dụ về công nghệ MIMO

Ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing): Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MU-MIMO).

Trong ví dụ trên mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.

Về cơ bản MIMO sử dụng nhiều anten trên máy thu và máy phát để sử dụng các hiệu ứng đa đường dẫn mà luôn luôn tồn tại để truyền tải dữ liệu bổ sung, hơn là gây nhiễu.

Đối với đường xuống, một cấu hình của hai anten truyền tại các trạm cơ sở và hai anten nhận được trên thiết bị đầu cuối di động được sử dụng làm cơ sở, mặc dù cấu hình với bốn anten cũng đang được xem xét.

∗ Hai định dạng chính cho MIMO

- Đa dạng không gian: không gian đa dạng được sử dụng trong ý nghĩa này hẹp hơn thường đề cập đến truyền và nhận sự đa dạng. Hai phương pháp được sử dụng để cung cấp những cải tiến trong các tín hiệu tỉ lệ nhiễu và họ được đặc trưng bằng cách cải thiện độ tin cậy của hệ thống đối với các hình thức khác nhau của mờ dần.

- Không gian ghép: Hình thức MIMO được sử dụng để cung cấp thêm dữ liệu dung lượng bằng cách sử dụng các đường dẫn khác nhau để thực hiện giao thông khác, tức là tăng khả năng thông lượng dữ liệu.

3.4. Cấu trúc khung TDD và FDD

Trong kỹ thuật LTE, kích thước của các phần tử trong miền thời gian được thể hiện như một số đơn vị thời gian T = 1 / (15.000 x 2048) giây. Khi khoảng cách giữa các sóng mang con là Δf = 15kHz, Ts có thể được coi là thời gian lấy mẫu của một máy phát dựa trên OFDM FFT / thực hiện tiếp nhận với NFFT kích thước FFT = 2048. Lưu ý rằng đây chỉ cho mục đích ký hiệu, như kích cỡ FFT khác nhau được hỗ trợ tùy thuộc vào băng thông truyền tải. Một tập hợp các thông số cho băng thông truyền điển hình cho LTE trong downlink được thể hiện trong Bảng 3.3. Khoảng cách giữa các sóng mang con là Δf = 15kHz. Các kích thước FFT tăng với băng thông truyền tải, khác nhau, 128- 2048. Với Δf = 15kHz, tần số lấy mẫu, bằng với Δf x NFFT, là một / nhiều hoặc tiểu nhiều của UTRA HSPA tốc độ chip 3.84MHz. Bằng cách này, đa UTRA / HSPA / thiết bị đầu cuối LTE có thể được thực hiện với một mạch đồng hồ duy nhất. Ngoài khoảng cách sóng mang con 15kHz, một khoảng cách sóng mang con giảm 7.5kHz được định nghĩa cho MBSFN tế bào, cung cấp một thời gian OFDM biểu tượng lớn hơn có khả năng chống lây lan chậm lớn liên quan đến việc truyền tải MBSFN.

Bảng 3.3. Thông số tiêu biểu cho truyền dẫn đường xuống Băng thông [MHz] 1.4 3 5 10 15 20 Băng thông bị chiếm [MHz] 1.08 2.7 4.5 9.0 13.5 18.0 Băng thông bị chiếm [MHz] 0.32 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0