Như đã được đề cập trong mục 2.1, truyền dẫn đường xuống LTE dựa trên việc ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM). Tài nguyên vật lý đường xuống LTE có thể được xem như một mạng lưới tài nguyên thời gian-tần số (Hình 2.5), trong đó mỗi phần tử tài nguyên tương ứng với một sóng mang con OFDM trong khoảng thời gian một ký hiệu.
Đối với đường xuống LTE, khoảng cách sóng mang OFDM được chọn với Δf = 15 kHz. Với thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT, tốc độ lấy mẫu tương ứng sẽ là fs = 15000*N, với N là kích thước FFT. Vì thế đơn vị thời gian Ts có thể được xem như thời gian lấy mẫu của thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT N = 2048. Điều quan trọng cần phải hiểu là mặc dù đơn vị thời gian Ts được đưa vào chuẩn truy nhập vô tuyến chỉ để làm công cụ cho định nghĩa các khoảng thời gian khác nhau và không đặt ra bất cứ quy định nào đối với thực hiện máy phát/máy thu, nghĩa là tốc độ lấy mẫu. Trong thực tế, một thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT với N = 2048 và tốc độ lấy mẫu tương ứng fs = 30.72MHz sẽ thích hợp cho các băng thông LTE rộng hơn có giá trị 15MHz và cao hơn. Tuy nhiên, đối với những băng thông truyền dẫn nhỏ hơn, kích thước FFT nhỏ hơn và tốc độ lấy mẫu tương ứng thấp hơn cũng có thể sử dụng
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE thích hợp. Ví dụ, đối với truyền dẫn băng thông 5MHz, kích thước FFT N = 512 và tốc độ lấy mẫu tương ứng fs=7.68 MHz có thể là đủ.
Hình 2.5: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE
Lý do tiếp nhận khoảng cách giữa các sóng mang con bằng 15 KHz cho LTE là để đơn giản hóa thực hiện các đầu cuối đa chế độ WCDMA/HSPA/LTE. Sử dụng kích thước FFT lũy thừa hai và khoảng cách giữa các sóng mang con Δf = 15 kHz, tốc độ lấy mẫu fs=Δf.N sẽ là một bội số hoặc ước số của tốc độ chip WCDMA/HSPA Rc = 3.84 Mchip/s. Các đầu cuối đa mode WCDMA/HSPA/LTE có thể được thực hiện dễ dàng bằng một mạch đồng hồ.
Ngoài khoảng cách giữa các sóng mang con 15 kHz, khoảng cách giữa các sóng mang con rút ngắn Δfth=7.5 kHz cũng được định nghĩa cho LTE. Mục đích sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang con rút ngắn là để truyền dẫn đa phương/quảng bá dựa trên MBSFN. Những thảo luận còn lại trong phần này và những chương tiếp theo sẽ giả thiết khoảng cách sóng mang 15 kHz trừ khi được trình bày rõ ràng theo cách khác.
Trong miền tần số, các sóng mang con đường xuống được nhóm thành các khối tài nguyên tương ứng với băng thông khối tài nguyên chuẩn 180kHz (Hình 2.6). Ngoài ra, sóng mang con DC (một chiều) tại tâm của phổ đường xuống sẽ không được sử dụng. Nguyên nhân sóng mang con DC không được sử dụng cho bất cứ truyền dẫn nào là vì nó có thể trùng với tần số của bộ tạo dao động nội tại máy phát trạm gốc hoặc máy thu của đầu cuối di động. Hậu quả là có thể phải chịu nhiễu cao do bộ dao động nội bị rò điện.
Tổng số sóng mang con trên một sóng mang đường xuống, bao gồm cả sóng mang con DC, vì thế sẽ bằng Nsc = 12. NRB + 1, với NRB là số lượng các khối tài nguyên. Đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý LTE cho phép đường xuống có thể có số lượng khối tài nguyên bất kỳ trong dải từ 6 khối cho đến hơn 100 khối tài nguyên. Điều này tương ứng với băng thông truyền dẫn trong dải từ 1 MHz đến 20 MHz với tính hạt mịn. Điều này đảm bảo tính linh hoạt băng thông/phổ của LTE rất cao một mức độ rất cao ít nhất từ góc độ đặc tả lớp vật lý. Tuy nhiên các yêu cầu tần số vô tuyến của LTE chỉ được đặc tả cho tập có hạn các băng thông tương ứng với tập có hạn số lượng các khối tài nguyên NRB.
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE
Hình 2.6: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE
Hình 2.7: Cấu trúc khung con và khe thời gian đường xuống LTE
Hình 2.7 sẽ phác thảo chi tiết hơn cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn đường xuống của LTE. Mỗi khung con 1ms gồm hai khe đồng kích thước có độ dài Tslot=0,5ms (15360.Ts). Mỗi khe gồm một số ký hiệu OFDM. 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.
Như đã biết, một khoảng cách sóng mang con Δf =15 kHz tương ứng với thời gian hiệu dụng của ký hiệu TFFT=1/ Δf ≈ 66,7μs (2046.Ts). Tổng thời gian của ký hiệu OFDM khi này sẽ là tổng của thời gian hiệu dụng của ký hiệu và độ dài tiền tố chu trình TCP. Theo như minh họa trong hình 2.7, LTE định nghĩa hai chiều dài tiền tố chu trình, một tiền tố chu trình bình thường và một tiền tố chu trình mở rộng cho các trường hợp bảy và sáu ký hiệu OFDM trên một khe. Chiều dài của tiền tố chu trình
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE chính xác, được biểu diễn theo đơn vị thời gian cơ sở Ts, được đưa ra trong hình 2.7. 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. Có hai lý do cho việc quy định hai độ dài CP:
Một tiền tố chu trình dài hơn (đòi hỏi chi phí nhiều hơn) có lợi trong các môi trường trải trễ lớn ví dụ trong những ô kích thước rất lớn. Một điều quan trọng cần phải nhớ là một tiền tố chu trình dài hơn không phải lúc nào cũng có lợi đối với những ô lớn, thâm chí trải trễ rất lớn trong các trường hợp này. Khi trong các ô lớn, hiệu năng đường truyền bị giới hạn bởi tạp âm chứ không phải méo tín hiệu do trải thời dư vì độ dài CP không đủ lớn, nên độ bền vững bổ sung cho trải thời kênh vô tuyến mà CP dài hơn đem lại có thể không bù lại được tổn hao năng lượng của tín hiệu thu.
Như đã biết, trong trường hợp phát đa phương /quảng bá dựa trên MBSFN, tiền tố chu trình không chỉ phủ hết tán thời thực tế mà cả phần chính của sự khác nhau về định thời giữa các truyền dẫn thu được từ các ô tham gia vào phát MBSFN. Vì thế thông thường trong trường hợp khai thác MBSFN tiền tố chu trình mở rộng là cần thiết.
Vì vậy, việc sử dụng chủ yếu tiền tố chu trình mở rộng của LTE có lẽ là phát MBSFN. Cần phải chú ý rằng các độ dài tiền tố chu trình khác nhau có thể được sử dụng cho các khung con khác nhau trong cùng một khung. Ví dụ, phát đa phương/quảng bá dựa trên MBSFN có thể giới hạn trong một số khung nhất địnhvà chỉ trong các khung con này cần sử dụng các khung con dài mở rộng.
Khi xem xét đến cấu trúc miền thời gian đường xuống, các khối tài nguyên được đề cập ở trên bao gồm 12 sóng mang con trong một khe thời gian 0.5 ms, như minh họa trong hình 2.8. Vì vậy mỗi khối tài nguyên bao gồm 12.7 = 84 phần tử tài nguyên trong trường hợp tiền tố chu trình bình thường và 12.6 = 72 phần tử tài nguyên trong trường hợp tiền tố chu trình mở rộng.
Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 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. Trong đường xuống của LTE, CP ngắn được truyền với 7 ký hiệu OFDM trong một khe thời gian đơn tức là 0.5ms và sử dụng để truyền đơn hướng, trong khi đó CP dài có 6 ký hiệu OFDM và thời gian giới hạn là 16.67ms được sử dụng để truyền đa phương. Long CP hỗ trợ việc thực hiện các SFN được quy định cụ thể sử dụng cho truyền dẫn quảng bá.
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE
Hình 2.8: Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường 2.2.3 Tài nguyên vật lý đường lên
Như được đề cập trong mục 2.1, truyền dẫn đường lên LTE dựa trên truyền dẫn DFTS-OFDM. Như được biết, DFTS-OFDM là sơ đồ truyền dẫn “đơn sóng mang” có PAPR thấp, nó cho phép ấn định băng thông linh hoạt và đa truy cập trực giao không chỉ trong miền thời gian mà còn trong cả miền tần số. Do đó, Scheme truyền dẫn đường lên LTE cũng được xem như FDMA đơn sóng mang (SC-FDMA).
Hình 2.9: Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM
Hình 2.9 tóm tắt lại cấu trúc cơ sở của truyền dẫn DFTS-OFDM với DFT kích
thước NTx áp dụng cho NTx ký hiệu điều chế. Đầu ra của DFT sau đó 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 đường lên. Cuối cùng, CP được chèn cho từng khối xử lý. Việc sử dụng CP trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang cho phép sử dụng cân bằng tần số hiệu năng cao với độ phức tạp thấp hơn tại phía thu.
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 đường lên LTE giới hạn ở truyền dẫn khoanh vùng, nghĩa là quá trình sắp xếp tần số (hình 2.9) sẽ sắp xếp đầu ra của DFT đến các đầu vào liên tiếp của IFFT.
Từ quan điểm thực hiện DFT, DFT kích thước NTx phải giới hạn ở lũy thừa hai. 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 cao, phải cho phép tất cả các giá trị có thể có
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE của NTx. Đối với LTE, giải pháp trung gian được tiếp nhận trong đó kích thước DFT giới hạn ở tích của các số nguyên hai, ba và năm. 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, cơ số 3 và cơ số 5 ít phức tạp.
Từ hình 2.9 ta có thể thấy DFTS-OFDM cũng có thể được coi như là truyền dẫn OFDM thông thường kết hợp với tiền mã hoá dựa trên DFT. Do đó, ta cũng có thể nói đến khoảng cách giữa các sóng mang con cho trường hợp này. Ngoài ra giống như OFDM, tài nguyên vật lý của DFTS-OFDM có thể được xem như một mạng lưới thời gian-tần số với hạn chế bổ sung là toàn bộ tài nguyên thời gian-tần số ấn định cho một đầu cuối di động phải luôn luôn bao gồm các sóng mang con liên tiếp.
Các thông số cơ sở của sơ đồ truyền dẫn đường lên LTE được chọn để đồng bộ tốt nhât với các thông số tương ứng của đường xuống LTE dựa trên OFDM. Như được minh họa trong hình 2.10, khoảng cách sóng mang con đường lên DFTS-OFDM bằng Δf=15 KHz và các khối tài nguyên gồm 12 sóng mang con cũng được định nghĩa cho đường lên. Tuy nhiên khác với đường xuống, đối với đường lên không quy định không sử dụng sóng mang con DC. Nguyên 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 với truyền dẫn đường lên. Ngoài ra do tiền mã hóa dựa trên DTF, ảnh hưởng nhiễu DC sẽ trải rộng trên NTx ký hiệu điều chế vì thế nó ít hại hơn so với truyền dẫn OFDM thông thường.
Hình 2.10: Cấu trúc miền tần số của đường lên LTE
Vì thế, tổng số sóng mang con đường lên bằng NSC = 12.NRB. Tương tự như đường xuống, đối với đường lên, đặc tả lớp vật lý LTE cũng cho phép độ linh hoạt tổng băng thông hệ thống rất cao: cho phép bất kỳ số lượng khối tài nguyên nào từ 6 khối tài nguyên trở lên. Tuy nhiên, cũng giống như đường xuống, do các yêu cầu về tần số vô tuyến sẽ có một os giới hạn và trong giai đoạn đầu sẽ chỉ quy định một tập hạn chế các băng thông đường lên.
Ngoài ra về chi tiết cấu trúc thời gian-không gian, đường lên LTE rất giống với đường xuống (hình 2.11). Mỗi khung con 1ms đường lên bao gồm hai khe có độ dài bằng nhau Tslot=0,5 ms. Mỗi khe bao gồm một số khối DFT kể cả CP. Ngoài ra cũng giống như đường xuống, độ dài hai CP được định nghĩa cho đường lên, CP bình thường và CP mở rộng.
Khác với đường xuống, khối tài nguyên đường lên được ấn định cho đầu cuối di động phải luôn luôn liên tiếp trong miền thời gian (hình 2.12). Lưu ý rằng, giống như đường xuống khối tài nguyên đường lên là 12 sóng mang DFTS-OFDM trong một khe
Đồ án tốt nghiệp Chương II: Các kỹ thuật sử dụng trong LTE 0,5ms. Vì thế tương tự như đường xuống, ấn định tài nguyên đường lên trong miền thời gian được thực hiện trong hai khối tài nguyên liên tiếp.
Hình 2.11: Khung con đường lên LTE và cấu trúc khe
Một khung con trong Hình 2.11 bao gồm hai khe kích thước bằng nhau. Mỗi khe bao gồm 6 hoặc 7 khối DFTS-OFDM trong trường hợp tương ứng với tiền tố chu trình bình thường và mở rộng.
Hình 2.12: Ấn định tài nguyên đường lên LTE
Trong hình 2.12, tài nguyên đường lên được ấn định tương ứng với cùng một tập sóng mang con trong hai khe. Một cách khác, nhảy tần giữa hai khe cũng có thể được áp dụng cho đường lên LTE. Nhảy tần giữa các khe có nghĩa là các tài nguyên vật lý được sử dụng cho truyền dẫn đường lên trong hai khe của một khung con không chiếm cùng tập sóng mang con (hình 2.13). Lưu ý rằng vì băng thông truyền dẫn vô tuyến của đầu cuối di động bao phủ toàn bộ phổ đường lên, nên nhảy tần thuần túy là hoạt động băng gốc, đơn giản chỉ là thay đổi sắp xếp DFT đến IFFT của quá trình xử lý DFTS-OFDM trên hình 2.9.
Có ít nhất hai lợi ích tiềm tàng của việc nhảy tần số đường lên: