Giao diện vơ tuyến LTE bao gồm các kênh vật lý và kênh báo hiệu vật lý. Kênh vật lý mang dữliệu từlớp trên bao gồm tín hiệu điều khiển, lập lịch, dữ liệu ngƣời dùng, báo hiệu, đƣợc dùng cho đồng bộ hệ thống, nhận dạng cell, đánh giá chất lƣợng kênh truyền.
Các kênh vật lý đƣờng xuống nhƣ kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý (PDSCH), Kênh quảng bá vật lý (PBCH), Kênh multicast vật lý (PMCH), kênh chỉ số định dạng điều khiển vật lý (PCFICH), kênh điều khiển đƣờng xuống vật lý (PDCCH), kênh chỉ số HARQ vật lý (PHICH).
Kênh vật lý đƣờng lên bao gồm: Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH), Kênh điều khiển đƣờng lên vật lý (PUCCH), Kênh chia sẻ đƣờng lên vật lý (PUSCH). Liên quan đến tín hiệu vật lý, cĩ hai loại tín hiệu: tín hiệu tham chiếu và tín
hiệu đồng bộ. Lớp vật lý cung cấp kênh vận chuyển đến lớp MAC và kênh vận chuyển cĩ đặc điểm là làm thếnào thơng tin truyền qua giao diện vơ tuyến. MAC cung cấp những kênh logic khác qua RLC của lớp 2 và một kênh logic cĩ đặc điểm là kiểu thơng tin truyền đi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ PCCH BCCH CCCH DCCH DTCH MCCH MTCH PCH BCH DL-SCH MCH PBCH PDSCH PMSCH PDCCH PHICH 2.6.1 Hệ thống kênh đƣờng xuống [24] 2.6.1.1 Kênh vật lý đƣờng xuống [24]
Kênh PCFICH là kênh cĩ nhiệm vụ mang thơng tin định dạng kênh điều khiển, chỉ định từ NodeB xuống UE cĩ bao nhiêu symbol OFDMA dùng cho PDCCH, đƣợc điều chế QPSK, truyền trên cùng cổng ăng ten với PBCH. Kênh PDSCH là kênh chính trong các kênh đƣờng xuống, mang kênh DL-SCH và PCH, đƣợc điều chế QPSK, 16- QAM, 64-QAM.
Kênh PDSCH truyền trên cổng ăng ten 0 hoặc 0,1 hoặc 0,1,2 nếu thơng tin tham chiếu cho UE khơng truyền đi, truyền trên port 5 nếu thơng tin tham chiếu cho UE đƣợc truyền đi.
Hình 2.17 Kênh truyền đƣờng xuống [24]
Kênh PDCCH: Thơng báo UE về cấp phát tài nguyên của kênh PCH và DL- SCH, các thơng tin HARQ liên quan đến DL-SCH, mang thơng tin lập lịch đƣờng lên. Kênh PDCCH đƣợc điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH.
Kênh PHICH: Mang thơng tin ACK/NACK của HARQ hồi âm đối với đƣờng lên, đƣợc điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH.
Kênh PBCH: mang thơng tin quảng bá từ kênh logic BCCH, dùng định dạng đơn giản và cố định. Khối vận chuyển đã mã hĩa BCH đƣợc sắp xếp vào 4 sub-frame trong khoảng 40 ms. Mỗi sub-frame cĩ khả năng tự giải mã, ví dụ BCH cĩ thể đƣợc giải mã. Kênh PBCH đƣợc điều chế QPSK.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Kênh PMCH: mang kênh MCH, đƣợc điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
2.6.1.2. Kênh vận chuyển đƣờng xuống [24]
Kênh MCH: là kênh quảng bá đƣờng xuống, mang kênh MCCH và MTCH. Kênh DL-SCH: là kênh truyền tải dữ liệu đƣờng xuống, mang kênh logic BCCH, CCCH, DCCH, MCCH, MCTH, MCCH.
Kênh BCH: là kênh quảng bá đƣờng xuống, mang kênh BCCH.
Kênh PCH: là kênh tìm gọi (Paging) từ mạng xuống UE, mang kênh logic PCCH.
2.6.1.3 . Kênh logic đƣờng xuống [24]
Kênh CCCH: là kênh truyền thơng tin điều khiển giữa UE và mạng. Kênh đƣợc dùng cho UE khơng cĩ kết nối RRC với mạng.
Kênh DCCH:là kênh hai chiều điểm đến điểm truyền thơng tin điều khiển thuộc về UE giữa UE và mạng. Kênh đƣợc dùng cho UE cĩ kết nối RRC đến mạng.
Kênh DTCH:là kênh điểm đến điểm, thuộc một UE, truyền tải thơng tin ngƣời dùng. Kênh DTCH cĩ thểtrên cảtrên đƣờng lên và đƣờng xuống.
2.6.2. Hệ thống kênh đƣờng lên [24]
2.6.2.2. Kênh vật lý đƣờng lên [24]
Kênh PRACH: kênh mang thơng tin chiếm truy cập ngẫu nhiên, kênh truy cập ngẫu nhiên khởi tạo từ chuỗi
Kênh PUSCH: kênh mang kênh UL-SCH, đƣợc điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Kênh PUCCH: kênh mang thơng tin ACK/NACK của HARQ để hồi âm cho đƣờng truyền đƣờng xuống. Kênh PUCCH mang yêu cầu lập lịch, mang thơng tin báo cáo CQI. Kênh đƣợc điều chế BPSK và QPSK.
2.6.2.2. Kênh vận chuyển đƣờng lên [24]
RACH: kênh mang thơng tin truy cập mạng của UE. Việc truyền kênh cĩ thểmất do xung đột.
Kênh UL-SCH: kênh truyền dữliệu cho đƣờng lên. Kênh hỗ trợ định dạng sĩng, đáp ứng liên kết động bằng cách điều chỉnh cơng suất phát, mã hĩa và điều chế, hỗ trợ cấp phát tài nguyên động và bán cố định
CCCH DCCH DTCH
UL-SCH RACH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 2.18 Kênh truyền đƣờng lên [24]
2.7. Các thủ tục lớp vật lý. [1] 2.7.1. Thủ tục HARQ [1] 2.7.1. Thủ tục HARQ [1]
HARQ trong LTE là dựa trên việc sử dụng thủ tục HARQ dừng – và – chờ. Một khi gĩi tin đƣợc truyền đi từ eNodeB, UE sẽ giải mã nĩ và cung cấp thơng tin phản hồi trong PUCCH. Đối với sự báo nhận phủ định (NACK) thì eNodeB sẽ truyền lại. UE sẽ kết hợp bản truyền lại với bản gốc và nĩ sẽ khởi động việc giải mã turbo trở lại. Sau khi giải mã thành cơng (dựa trên việc kiểm tra CRC) UE sẽ gửi báo nhận tích cực(ACK) cho eNodeB. Sau đĩ eNodeB sẽ gửi một gĩi tin mới quá trình HARQ. Do việc vận hành cơ chế dừng- và – chờ, vậy phải cần cĩ nhiều tiến trình HARQ để cho phép một luồng dữ liệu liên tục. Trong LTE thì số các tiến trình là cố định tới 8 tiến trinh trong cả 2 hƣớng lên và xuống. Ví dụ đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.29 Các hoạt động HARQ trong LTE hỗ trợ cả kết hợp mềm và sử dụng dự phịng tăng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 2.19 Vận hành LTE HARQ với 8 tiến trình [1]
Đối với dự phịng tăng, việc phát lại cĩ thể cĩ tốc độ khác nhau để phù hợp với các thơng số giống nhƣ truyền tải ban đầu. Độ trễ tối thiểu giữa hai điểm cuối của một gĩi tin và sự bắt đầu truyền lại là 7ms. UE sẽ gửi ACK/NACK của một gĩi tin trong khung n, trong khung n+4 cho đƣờng lên. Điều này để lại khoảng 3ms cho thời gian xử lý của UE, tùy thuộc vào việc định thời đƣờng xuống / đƣờng lên mà độ lệch đƣợc điều khiển bởi thủ tục ứng trƣớc định thời. Định thời đƣờng xuống cho một gĩi tin đƣờng xuống đƣợc truyền đi duy nhất thể hiện nhƣ trong hình 2.20
Hình 2.20 Định thời LTE HARQ cho một gĩi tin đƣờng xuống duy nhất [1] Khoảng thời gian truyền lại trong đƣờng xuống là tùy thuộc vào việc lập lịch biểu trong eNodeB và do đĩ thời gian thể hiện nhƣ trong hình 2.20 là thời điểm sớm nhất khi một sự truyền lại sảy ra.
2.7.2. Ứng trƣớc định thời [1]
Thủ tục điều khiển định thời là cần thiết để cho sự truyền dẫn hƣớng lên từ các ngƣời sử dụng khác nhau tới eNodeB về bản chất là trong phạm vi tiền tố vịng. Nhƣ vậy đồng bộ hƣớng lên là cần thiết để tránh nhiễu giữa những ngƣời sử dụng bằng việc lập lịch truyền dẫn hƣớng lên trên cùng khung con. eNodeB liên tục cĩ các biện pháp định thời tín hiệu hƣớng lên của UE và điều chỉnh thời điểm truyền dẫn đƣờng lên nhƣ thể hiện trong hình 2.21.
Hình 2.21 Điều khiển định thời hƣớng lên [1]
Các lệnh ứng trƣớc định thời đƣợc gửi chỉ khi việc điều chỉnh định thời là thực sự cần thiết. Độ phân giải của một lệnh ứng trƣớc định thời là 0,52µs, và ứng trƣớc định thời đƣợc xác định một cách tƣơng đối so với thời điểm của khung vơ tuyến đƣờng xuống đã nhận đƣợc trên UE.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
2.7.3. Điều khiển cơng suất [1]
Đối với LTE, điều khiển cơng suất là chậm đối với hƣớng đƣờng lên. Trong hƣớng đƣờng xuống khơng cĩ điều khiển cơng suất. Khi băng thơng thay đổi do sự thay đổi tốc độ dữ liệu, cơng suất truyền dẫn tuyệt đối của UE cũng sẽ thay đổi. Điều khiển cơng suất hiện nay chƣa thực sự là điều khiển cơng suất tuyệt đối mà là mật độ phổ cơng suất ( PSD ), cơng suất trên mỗi Hz, đối với một thiết bị riêng biệt. Điều gì tạo điều kiện cho việc sử dụng một tốc độ chậm hơn để điều khiển cơng suất đĩ là việc sử dụng các nguồn tài nguyên trực giao trong đƣờng lên LTE, trong đĩ nĩ tránh đƣợc các vấn đề gần-xa do yêu cầu về điều khiển cơng suất nhanh trong WCDMA. Nguyên lý điều khiển cơng suất hƣớng lên trong LTE đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.22
Hình 2.22 Cơng suất hƣớng lên LTE với thay đổi tốc độ dữ liệu [1]
Việc điều khiển cơng suất thực tế đƣợc dựa trên sự xác định tổn thất đƣờng truyền, cĩ tính đến các thơng số riêng của ơ và sau đĩ áp dụng các giá trị( tích lũy) của hệ số điều chỉnh nhận đƣợc từ eNodeB. Tùy thuộc vào các thơng số thiết lập lớp cao hơn, lệnh điều khiển cơng suất hoặc là 1dB lên hoặc xuống hoặc sau đĩ các thiết lập của[-1dB, 0, +1dB, +3dB] đƣợc sử dụng. Các đặc điểm kỹ thuật cịn bao gồm điều khiển cơng suất dựa trên các giá trị tuyệt đối. Tổng dải động của điều khiển cơng suất là nhỏ hơn so với trong WCDMA, và các thiết bị hiện nay cĩ một mức cơng suất tối thiểu là -41dBm so với -50dBm với WCDMA.
2.7.4. Nhắn tin [1]
Cho phép nhắn tin, UE sẽ đƣợc cấp phát một khoảng nhắn tin và một khung con riêng trong khoảng thời gian mà thơng điệp tin nhắn cĩ thể đƣợc gửi đi. Sự nhắn tin đƣợc cung cấp trong PDSCH ( với thơng tin đƣợc cấp phát trên PDCCH ). Các tiêu chí thiết kế chính trong nhắn tin là nhằm đảm bảo đủ một chu kỳ DRX cho các thiết bị để tiết kiệm năng lƣợng và cũng để đảm bảo thời gian đáp ứng đủ nhanh cho cuộc gọi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
đến. E-UTRAN cĩ các thơng số khoảng thời gian của chu kỳ nhắn tin để đảm bảo đầy đủ khả năng nhắn tin.
2.7.5. Thủ tục báo cáo phản hồi kênh [1]
Hình 2.23 Thủ tục báo cáo thơng tin trạng thái kênh (CSI) [1]
Mục đích của báo cáo phản hồi trạng thái kênh là để cung cấp cho eNodeB thơng tin về trạng thái kênh đƣờng xuống nhằm giúp tối ƣu hĩa quyết định lập lịch biểu gĩi tin. Nguyên tắc của báo cáo phản hồi trạng thái kênh đƣợc trình bày trong hình 2.38. Trạng thái kênh đƣợc đánh giá bởi UE dựa trên việc truyền dẫn đƣờng xuống (các ký hiệu chuẩn) và báo cáo tới eNodeB bằng cách sử dụng PUCCH hoặc PUSCH. Các báo cáo phản hồi trạng thái kênh cĩ chứa các thơng tin về các thơng số liên quan đến việc lập lịch biểu và thích ứng liên kết ( MCS/TBS và MIMO ) UE cĩ thể hỗ trợ trong việc tiếp nhận dữ liệu. Sau đĩ eNodeB cĩ thể tận dụng lợi ích của thơng tin phản hồi trong việc ra quyết định lập kế hoạch để sử dụng một cách tối ƣu các nguồn tài nguyên tần số.
2.7.6. Hoạt động chế độ bán song cơng [1]
Các thơng số kỹ thuật của LTE cũng cho phép chế độ hoạt động bán song cơng, trong đĩ về cơ bản là hoạt động trong chế độ FDD ( ví dụ, tần số thu và phát là riêng rẽ ) nhƣng truyền dẫn và thu nhận khơng diễn ra đồng thời nhƣ trong chế độ TDD. Các dự định trong 3GPP đã cĩ một lựa chọn cho các trƣờng hợp vì sự sắp xếp tần số và kết quả là các yêu cầu đối với bộ lọc song cơng sẽ là khơng hợp lý, sẽ dẫn đến chi phí cao và cơng suất tiêu thụ cao. eNodeB sẽ cần phải hiểu đƣợc nếu một số thiết bị đƣợc dựa trên hoạt động bán song cơng. Tác động đối với tốc độ dữ liệu cĩ thể là đƣờng lên hoặc đƣờng xuống sẽ khơng cịn đƣợc độc lập nhƣng tốc độ dữ liệu sẵn cĩ trong một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
hƣớng truyền dẫn sẽ phụ thuộc vào việc các nguồn tài nguyên đƣợc cấp phát cho các hƣớng khác nhau. Tƣơng tự với hoạt động TDD, ngƣời ta sẽ cần tới việc lập lịch biểu dựa trên cơ sở thiết bị ( khơng phải dựa trên cơ sở hệ thống giống nhƣ trong FDD) để khơng cĩ xung đột giữa việc cấp phát đƣờng lên và đƣờng xuống cho một UE. Ngồi ra thời gian cũng sẽ là cần thiết cho UE để thay đổi giữa truyền và nhận.
2.7.7. Các lớp khả năng của UE và các đặc điểm đƣợc hỗ trợ [1]
Trong LTE cĩ năm lớp khả năng của thiết bị đƣợc xác định. Dữ liệu đƣợc hỗ trợ trong phạm vi từ 5 tới 75Mbps theo hƣớng đƣờng lên và từ 10 tới 300Mbps theo hƣớng đƣờng xuống. Tất cả các thiết bị hỗ trợ cho 20MHz băng thơng cho việc truyền và nhận, giả sử rằng băng tần đƣa ra đã đƣợc xác định. Đĩ là dự đốn trƣớc mà đối với hầu hết các trƣờng hợp cịn với các băng tần đƣợc quan tâm là dƣới 1GHz là với băng thơng nhỏ nhất và khi đĩ sự hỗ trợ lên tới 20MHz là khơng đƣợc chỉ định. Với băng tần trên 1GHz, băng thơng dƣới 5MHz là khơng cần thiết. chỉ cĩ một loại 5 thiết bị sẽ thực hiện 64QAM trong đƣờng lên, các loại khác sử dụng QPSK và 16QAM. Sự phân tập thu và MIMO cĩ trong tất cả các chủng loại, trừ loại 1 là khơng hỗ trợ MIMO. Các chủng loại UE đƣợc thể hiện nhƣ trong bảng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Bảng 2.2 Các loại thiết bị LTE [1]
Loại 1 Loại 2 Loại 3 Loại 4 Loại5
Tốc độ đỉnh DL/UL 10 / 5Mbps 50 / 25Mbps 100 / 50Mbps 150/50Mbps 300/75Mbps Điều chế DL QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM QPSK / 16QAM / 64QAM Điều chế UL QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM QPSK / 16QAM + 64QAM MIMO DL Tùy chọn (khơng bắt buộc) 2 × 2 2 × 2 2 × 2 2 × 4 Tổng kết chƣơng:
Hệ thống thơng tin di động LTE với giao diện vơ tuyến dựa trên cơng nghệ OFDMA, bên cạnh giảm ảnh hƣởng nhiễu và fading hiệu quả, đĩ là tăng thơng lƣợng hệ thống và ngƣời sử dụng lên nhiều lần so với WCDMA/UMTS cũng nhƣ HSPA.
Cấu hình phân lớp và cấu hình mạng của LTE cũng đơn giản hĩa, bỏ đi node trung gian giữa eNodeB và mạng lõi SAE là RNC. Khi đĩ, vai trị của eNodeB trong hệ thống truy nhập trở nên mạnh mẽ, thành node truy nhập IP thực sự, quyết định mọi vấn đề từ cấp phát tài nguyên, quản lý băng thơng, điều khiển việc truyền lại kiểm sốt lỗi. Việc áp dụng HARQ giúp cho việc truyền lại đƣợc thực hiện trên eNodeB đến UE, việc truyền dữ liệu trở nên nhanh hơn do hồi âm chỉ truyền từ UE đến eNodeB hoặc ngƣợc lại.
Tĩm lại chƣơng này là cái nhìn tổng quan về kiến trúc mạng và giao thức hệ thống là cơ sở tiến hành nghiên cứu và thực hiện mơ phỏng các kỹ thuật lập lịch lớp MAC trong các chƣơng tiếp theo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
CHƢƠNG III: TRUY NHẬP VƠ TUYẾN TRONG LTE
3.1 Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này sẽ giới thiệu về cơng nghệ LTE, cơng nghệ đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA và các tham số của OFDMA, cơng nghệ đa truy nhập cho đƣờng lên SC-FDMA và tham số của SC-FDMA, cách thức truy nhập ngẫu nhiên.
3.2. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng xuống OFDMA. [1], [4], [5] 3.2.1. OFDM 3.2.1. OFDM
Kế hoạch truyền dẫn đƣờng xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là đƣợc dựa trên OFDM truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần cĩ sẵn đƣợc chia thành nhiều sĩng mang, đƣợc gọi là các sĩng mang con. Mỗi sĩng mang con đƣợc điều chế độc lập bởi một dịng dữ liệu tốc độ thấp. OFDM cũng đƣợc sử dụng trong WLAN, WIMAX và các cơng nghệ truyền quảng bá nhƣ DVB. OFDM cĩ một số lợi ích nhƣ độ bền của nĩ với pha đing đa đƣờng và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nĩ. Hình 3.1 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM. Trong hình này một tín hiệu với băng thơng 5MHz đƣợc biểu thị, nhƣng nguyên tắc là tƣơng tự nhƣ cho các băng thơng E-UTRAN khác. Các ký hiệu dữ liệu đƣợc điều chế một cách độc lập và đƣợc truyền qua một số lƣợng lớn của các sĩng mang con trực giao đặt gần nhau. Trong E-UTRAN các phƣơng án điều chế cho đƣờng xuống QPSK, 16 QAM và 64 QAM là sẵn cĩ.