38
3.5.1.1.Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ
Cấu trúc thời gian - tần số tổng được minh hoạ trên hình 3.23. Từ hình này ta thấy các tín hiệu đồng bộ sơ và thứ cấp được phát trong hai ký hiệu OFDM nối tiếp. Cấu trúc này cũng đựơc chọn để có thể xử lý nhất quán tín
sơ cấp đã biết và vì thế có thể sử dụng nó để ước tính kênh. Ươc tính kênh này sẽ đựơc sử dụng tiếp theo để xử lý nhất quán tín hiệu thu trước bước thứ hai để cải thiện hiệu năng, tuy nhiên việc đặt các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp cạnh nhau cũng có nghĩa là trong bước thứ hai đầu cuối phải ước tính mù độ dài CP. Tuy nhiên đây là khai thác ít phức tạp.
Trong nhiều trường hơp, định thời trong nhiều ô được đồng bộ sao cho khởi đầu khung trong các ô cạng nhau trùng nhau về thời gian. Lý do là để cho phép khai thác MBSFN. Tuy nhiên khai thác đồng bộ cũng có nghĩa là phát các tín hiệu đồng bộ sơ cấp trong các ô khác nhau phải xẩy ra tai cùng một thời điểm. Vì thế ước tính kênh dựa trên tín hiệu đồng bộ sơ cấp sẽ phản ảnh kênh tổng hợp cho tất cả các ô nếu cùng một tín hiệu đồng bộ sơ cấp được sử dụng trong tất cả các ô. Rõ ràng rằng, để giải điều chế nhất quán tín hiệu đồng bộ thứ cấp ( các tín hiệu này khác nhau trong các ô khác nhau) ước tính kênh xét từ quan điểm ô là cần thiết và không cần thiết ước tính kênh tổng hợp từ tất cả các ô. Vì thế LTE hỗ trợ nhiều chuỗi cho tín hiệu dồng bộ sơ cấp. Trong trường hợp thu nhất quán được triển khai cùng với việc các ô được đồng bộ theo thời gian, các ô lân cận có thể sử dụng các chuỗi đồng bộ sơ cấp khác nhau để giảm nhẹ vấn đề ước tính kênh đựơc trình bày ở trên, Ngoài ra tín hiệu đồng bộ sơ cấp cũng mang một phần nhận dạng ô.
Từ quan điểm TDD, đặt tín hiệu đồng bộ tại cuối khe thứ nhất của khung con thay vì khe thứ hai là có lợi vì sẽ giảm bới các hạn chế liên quan đến việc tạo ra các khoảng thời gian bảo vệ giữa đường lên và đường xuống. Ngoài ra, cần lưu ý rằng đối với khai thác TDD, vị trí các tín hiệu đồng bộ trong các khung con không và năm là các khung con đường xuống.
Tại thời điểm đầu của tìm ô, băng thông ô chưa cần biết. Về nguyên tắc, tìm băng thông truyền dẫn có thể được thực hiện như là một phần của tìm ô. Tuy nhiên điều này sẽ làm phức tạp hóa toàn bộ thủ tục tìm ô, vì thế nên duy trì thủ tục tìm ô như nhau không phụ thuộc vào tổng băng thông truyền dẫn của ô. Sau đó đầu cuối có thể được thông báo về băng thông của ô trong
kênh quảng bá. Để duy trì cấu trúc miền tần số của các tín hiệu đồng bộ giống nhau không phụ thuộc vào băng thông ô, các tín hiệu đồng bộ luôn luôn được phát trên 72 sóng mang con trung tâm tương đương với băng thông 1MHz. Hình 3.23 minh họa một khả năng thực hiện để tạo ra các tín hiệu đồng bộ. Ba mươi sáu sóng mang con tại hai phía của sóng mang con DC trong miền tần số được dành riêng cho tín hiệu đồng bộ. Sử dụng IFFT, tín hiệu miền thời gian tương ứng có thể được tạo ra. Kích thước IFFT cũng như số các sóng mang con được đặt bằng không trên hình 3.23 phụ thuộc vào băng thông hệ thống. Các sóng mang con không sử dụng cho truyền dẫn các tín hiệu đồng bộ được sử dụng để truyền dẫn số liệu.
Hình 3.23. Tạo tín hiệu đồng bộ trong miền tần số 3.5.1.2. Tìm ô ban đầu và tìm ô lân cận
Tìm ô để kết nối sau khi đầu cuối bật nguồn là một trường hợp rất quan trọng. Tuy nhiên khả năng nhận dạng các ô ứng cử để chuyển giao cho hỗ trợ di động khi đầu cuối chuyển từ kết nối này sang kết nối khác cũng không kém phần quan trọng. Hai tình huống này thường đựơc gọi là tìm ô ban đầu và tìm ô lân cận.
Để tìm ô ban đầu, đầu cuối di động thường không biết được tần số sóng mang của các ô mà nó đang tìm. Để xử lý trường hợp này, đầu cuối cần tìm một sóng mang thích hợp bằng cách lặp thủ tục nói trên nhiều lần cho tất cả các sóng mang có thể có được cho trong lưới tần số. Rõ ràng rằng cách làm này thường làm
khá dễ rãi. Các phương pháp đặc thù thực hiện cũng có thể được sử dụng để giảm thời gian từ lúc bật nguồn đến lúc tìm được ô. Chẳng hạn, đầu cuối có thể sử dụng mọi thông tin mà nó có và bắt đầu tìm ô trên cùng một tần số mà nó đã kết nối đến lần cuối.
Mặt khác, tìm ô lân cận lại có các yêu cầu định thời chặt chẽ hơn. Tìm ô lân cận càng chậm thì đầu cuối càng mất nhiều thời gian để được chuyển giao đến ô có chất lượng kênh vô tuyến trung bình tốt hơn. Rõ ràng rằng điều này sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng phổ tần tổng thể. Tuy nhiên trong trường hợp chuyển giao cùng tần số, rõ ràng rằng đầu cuối di động không cần thiết phải tìm sóng mang trong ô lân cận. Vì không phải tìm kiếm ô trên nhiều sóng mang, nên tìm ô lân cận cùng tần số có thể sử dụng cùng thủ tục như tìm ô ban đầu.
Khi đầu cuối thu số liệu đường xuống từ mạng, nó cũng cần đo đạc cho mục đích chuyển giao. Vì thế đầu cuối phải có khả năng thực hiện tìm ô lân cận trong các trường hợp này. Đối với tìm ô lân cận trong cùng tần số, đây không phải là vấn đề lớn vì các ô lân cân ứng cử phát cùng tần số giống như tần số mà từ đó đầu cuối thu số liệu. Thu số liệu và tìm ô lân cận là hai chức năng băng gốc tách biệt hoạt động trên cùng một tín hiệu thu.
Tuy nhiên trường hợp chuyển giao giữa các tần số phức tạp hơn vì thu số liệu và tìm ô lân cận cần được thực hiện trên các tần số khác nhau. Về nguyên lý có thể trang bị cho đầu cuối di động một mạch thu vô tuyến riêng cho việc tìm ô lân cận, tuy nhiên điều này làm tăng tính phức tạp của thực hiên. Vì thế có thể tạo ra các khoảng trống trong truyền dẫn số liệu để trong khoảng thời gian này đầu cuối có thể chỉnh sóng đến tần số khác cho mục đích đo đạc. Điều này được thực hiện theo cách giống như đối với HSPA, bằng cách tránh lập biểu đầu cuối trong một hoặc vài khung con.
3.5.2. Truy nhập ngẫu nhiên
Yêu cầu căn bản đối với mọi hệ thống tổ ong là khả năng đầu cuối có thể yêu cầu thiết lập kết nối. Điều này thường được gọi là truy nhập ngẫu
nhiên và nó phục vụ hai mục đích chính trong LTE, đó là thiết lập đồng bộ đường lên và thiết lập một nhận dạng đầu cuối duy nhất (C-RNTI), trong đó mạng và đầu cuối đều biết nhận dạng này. Vì thế truy nhập ngẫu nhiên không chỉ được sử dụng cho truy nhập lần đầu, khi chuyển từ LTE_DETACHED hay LTE-IDLE vào LTE_ACTIVE.
Tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên (mình họa trên hình 3.24) bao gồm bốn bước:
- Bước một gồm truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên để cho phép eNodeB ước tính định thời truyền dẫn của đầu cuối. Đồng bộ đường lên cần thiết vì không có nó đầu cuối không thể phát số liệu đường lên.
- Bước thứ hai bao gồm phát lệnh định thời phát trước để điều chỉnh định thời phát của đầu cuối dựa trên các kết qủa đo định thời của bước một. Ngoài việc thiết lập đồng bộ đường lên, bước hai còn ấn định các tài nguyên cho đầu cuối di động để nó sử dụng trong bước ba của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên.
- Bước ba bao gồm truyền dẫn nhận dang đầu cuối di động đến mạng bằng kênh UL-SCH giống như số liệu được lập biểu thông thường. Nội dung chính xác của báo hiệu phụ thuộc vảo trạng thái của đầu cuối chẳng hạn mạng có biết nó trước đây hay không.
- Bước thứ tư và là bước cuối cùng bao gồm truyền dẫn một bản tin phân giải xung đột từ mạng đến đầu cuối trên DL-SCH. Bước này cũng phân giải mọi xung đột do nhiều đầu cuối tím cách truy nhập mạng bằng cách sử dụng cùng một tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Hình 3.24. Tổng quan thủ tục truy nhập ngẫu nhiên
Chỉ bước thứ nhất sử dụng xử lý lớp vật lý được thiết kế đặc biệt cho truy nhập ngẫu nhiên. Tất cả ba bước còn lại sử dụng cùng một xử lý lớp vật lý giống như cho truyền dẫn số liệu đường lên và đường xuống thông thường. Dưới đây ta sẽ xét chi tiết các bước này.
3.5.2.1. Bước 1: Truyền dẫn tiền tố truy nhập
Bước thứ nhất trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên là truyền dẫn một tiền tố truy nhập ngẫu nhiên. Mục đích chính của tiền tố này là để thông tin cho mạng về có một ý định truy nhập và để nhận được đồng bộ thời gian đường lên trong giới hạn một phần nhỏ của CP đường lên.
Về tổng quát, các truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có thể hoặc trực giao hoặc không trực giao đối với số liệu của người sử dụng. Trong WCDMA, tiền tố là không trực giao đối với truyền dẫn số liệu đường lên. Điều này là có lợi vì không cần phải ấn định bán cố định tài nguyền cho truy nhập ngẫu nhiên. Tuy nhiên để điều khiển nhiễu truy nhập ngẫu nhiên đối với
số liệu, công suất phát của tiền tố truy nhập ngẫu nhiên phải được điều khiển cẩn thận. Trong WCDMA, điều này đựợc giải quyết bằng thủ tục tăng công suất từng nấc, trong đó đầu cuối tăng từ từ công suất theo từng nấc quy định trước cho đến khi trạm di động phát hiện được truy nhập ngẫu nhiên. Mặc dù đây là một giải pháp thích hợp cho vấn đề nhiễu, nhưng thủ tục tăng từng nấc dẫn đến trễ tổng thể thủ tục truy nhập ngẫu nhiên. Vì thế từ quan điểm trễ, thủ tục truy nhập ngẫu nhiên không đòi hỏi tăng từng nấc sẽ có lợi hơn.
Trong LTE, truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có thể được thực hiện trực giao với các truyền dẫn số liệu của người sử dụng và kết quả là không cần tăng công suất từng nấc (mặc dù đặc tả tiêu chuẩn cho phép tăng từng nấc). Trực giao giữa số liệu cuả người sử dụng được phát đi từ các đầu cuối khác và các ý đồ truy nhập đạt được cả trong miền thời gian và miền tần số. Mạng phát quảng bá thông tin đến tất cả đầu cuối về tài nguyên thời gian- tần số dành cho truyền dẫn tiền tố truy nhập ngẫu nhiên. Để tránh nhiễu giữa số liệu và các tiền tố truy nhập ngẫu nhiên, mạng tránh lập biểu cho các truyền dẫn đường lên trong các tài nguyên thời gian-tần số này. Điều này đựơc minh họa trên hình 3.25. Vì đơn vị thời gian cơ bản để truyền dẫn số liệu trong LTE là 1ms, một khung con đựơc dành trước cho truyền dẫn tiền tố. Tiền tố truy nhập ngẫu nhiên sẽ được phát trong các tài nguyên dành trước này.
Trong miền tần số, tiền tố truy nhập ngẫu nhiên có băng thông tương ứng với sáu khối tài nguyên (1,08 MHz). Điều này hoàn toàn phù hợp với băng thông nhỏ nhất mà LTE có thể hoạt động (sáu khối tài nguyên). Vì thế, cùng một cấu trúc tiền tố truy nhập có thể được sử dụng không phụ thuộc vào băng thông truyền dẫn của ô. Đối với các triển khai sử dụng các ấn định băng thông lớn hơn, nhiều tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên có thể được định nghĩa trong miền tần số để đảm bảo dung lượng truy nhập lớn hơn.
Hình 3.25. Minh họa nguyên lý truyền dẫn tiền tố ngẫu nhiên
Để thực hiện truy nhập nhẫu nhiên, đầu cuối di động phải nhận đươc đồng bộ đường xuống trong thủ tục tìm ô trước khi phát tiền tố. Tuy nhiên định thời đường lên vẫn chưa được thiết lập. Khởi đầu khung đường lên tại đầu cuối được định nghiã tương đối so với khởi đầu khung đường xuống tại đầu cuối di động. Do trễ truyền sóng giữa trạm gốc và đầu cuối, nên phát đường lên sẽ trễ tương đối so với định thời phát đường xuống tại trạm gốc.
Do khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối di động không biết, nên sẽ có sự không rõ ràng trong định thời đường lên tương ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối, để giải quyết sự không rõ ràng này và tránh nhiễu giao thoa với các khung con tiếp theo, cần sử dụng một khỏang bảo vệ, nghĩa là độ dài tiền tố thực tế ngắn hơn 1ms, Hình 3.26 minh họa độ dài tiền tố và thời gian bảo vệ. Với độ dài tiền tố vào khoảng 0,9ms, thời gian bảo vệ là 0,1ms sẽ cho phép các kích thước ô đến 15km, Trong các ô lớn hơn, trong đó sự không rõ ràng có thể lớn hơn thời gian bào vệ, có thể tạo ra thời gian bảo vệ bổ sung bằng cách không lập biểu các truyền dẫn trong khung con tiếp sau tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Hình 3.26. Định thời tiền tố tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên
Việc tạo ra tiền tố truy nhập ngẫu nhiên được minh họa trên hình 3.27. Mặc dù hình vẽ minh họa việc quá trình này trong miền thời gian, nhưng cũng có thể thực hiện tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số. Ngoài ra để xử lý miền tần số tại tram gốc (sẽ xét dưới đây), CP được chèn vào trong quá trình tạo tiền tố.
Hình 3.27. Tạo tiền tố truy nhập ngẫu nhiên
Các chuỗi tiền tố được chia thành các nhóm 64 chuỗi. Sau khi lập cấu hình hệ thống, mỗi ô được ấn định một nhóm nói trên bằng cách định nghĩa một hay nhiều chuỗi Zadoff-Chu gốc và các dịch vòng cần thiết để tạo ra tập các tiền tố. Để đơn giản việc quy hoạch chuỗi giữa các ô, số nhóm phải đủ lớn.
không có đầu cuối nào cũng tìm cách truy nhập tại cùng một thời điểm bằng cùng một chuỗi, thì không có va chạm và ý đồ truy nhập này sẽ được mạng phát hiện với xác suất cao.
3.5.2.2. Bước 2: Trả lời truy nhập ngẫu nhiên
Để trả lời truy nhập ngẫu nhiên (bước hai của thủ tục truy nhập ngẫu nhiên), mạng sẽ phát một bản tin trên DL-SCH chứa:
- Chỉ số tiền tố truy nhập ngẫu nhiên mà mạng phát hiện và đối với tiền tố này trả lời là hợp lệ.
- Hiệu chỉnh thời gian được tính toán bởi máy thu tiền tố truy nhập ngẫu nhiên
- Cho phép lập biểu chỉ thỉ các tài nguyên mà đầu cuối sẽ sử dụng cho
truyền dẫn bản tin trong bước ba.
- Một nhận dạng tạm thời sử dụng cho thông tin tiếp theo giữa đầu cuối và mạng.
Trong trường hợp mạng phát hiện nhiều ý đồ truy nhập ngẫu nhiên (từ các đầu cuối khác nhau), nhiều bản tin trả lời cho các đầu cuối di động có thể được kết hợp trong một truyền dẫn duy nhất. Vì thế, bản tin trả lời được lập biểu trên DL-SCH và đựơc chỉ thị trên kênh điều khiển L1/L2 bằng một nhận dạng dành riêng cho trả lời truy nhập ngẫu nhiên. Tất cả các đầu cuối đã truyền tiền tố sẽ giảm sát các kênh điều khiển L1/L2 để nhận trả lời truy nhập ngẫu nhiên. Định thời của bản tin trả lời không đựơc quy định trong đặc tả để có thể trả lời nhiều truy nhập đồng thời. Điều này cũng đảm bảo mức độ linh hoạt nhất định trong thực hiện trạm gốc.
Nếu các đầu cuối di động thực hiện truy nhập ngẫu nhiên trong cùng một tài nguyên sử dụng các tiền tố khác nhau thì sẽ không xẩy ra va chạm và từ báo hiệu đường xuống các đầu cuối sẽ nhận biết được rõ ràng thông tin nào dành cho nó. Tuy nhiên sẽ có một xác suất va chạm nhất định trong đó nhiều đầu cuối sử dụng cùng một tiền tố tại cùng một thời điểm. Trong trường hợp này nhiều đầu cuối sẽ phản ứng lên cùng một trả lời đường xuống và va chạm