2.1Hệ thống truyền dẫn : đường xuống OFDM và đường lên SC-FDMA
5.1 Dị tìm tế bào (cell search)
Dị tìm cell là một thủ tục bằng cách đó đầu cuối tìm được một cell có khả năng kết nối đến. Như một phần của thủ tục dị tìm cell, đầu cuối thu được nhận dạng của cell và đánh giá định thời khung của cell được nhận dạng. Ngồi ra, thủ tục dị tìm cell cũng cung cấp việc đánh giá các thông số cần thiết cho việc tiếp nhận thông tin hệ thống trên kênh quảng bá (broadcast), bao gồm các thơng số cịn lại được yêu cầu cho truy cập hệ thống.
Để tránh việc lập kế hoạch cell bị phức tạp thì số lượng nhận dạng cell lớp vật lý cần phải đủ lớn. Như được đề cập trong chương 4, LTE hỗ trợ 510 nhận dạng cell khác nhau, được chia thành 170 nhóm nhận dạng cell, với ba nhận dạng cho mỗi nhóm.
Để giảm sự phức tạp khi dị tìm cell, dị tìm cell cho LTE thường được thực hiện qua nhiều bước, tương tự như thủ tục dị tìm cell ba bước của WCDMA. Để trợ giúp cho các đầu cuối trong thủ tục này, LTE cung cấp 1 tín hiệu đồng bộ sơ cấp (Primary Synchronization signal) và 1 tín hiệu đồng bộ thứ cấp (secondary synchronization signal) trên đường xuống. Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp là các dãy số đặc biệt, được chèn vào hai ký tự OFDM cuối cùng của khe thời gian đầu tiên của khung phụ (subframe) 0 và 5 như được minh họa trong hình 5.1. Ngồi những tín hiệu đồng bộ, thủ tục dị tìm cell cũng có thể khai thác các tín hiệu tham khảo như một phần trong hoạt động của nó.
5.1.1 Thủ tục dị tìm cell (cell search)
Trong bước đầu tiên của thủ tục dị tìm cell, đầu cuối di động sử dụng tín hiệu đồng bộ sơ cấp để tìm định thời trên một cơ sở 5 ms. Lưu ý rằng tín hiệu đồng bộ sơ cấp được phát hai lần trên mỗi khung. Lý do là để đơn giản hóa việc chuyển giao từ các công nghệ truy cập vô tuyến khác như GSM đến LTE. Do đó, tín hiệu đồng bộ sơ cấp chỉ có thể cung cấp định thời khung với khoảng 5ms khơng rõ ràng.
Việc thực thi của thuật tốn đánh giá là đặc trưng của nhà khai thác, nhưng một khả năng là để thực hiện lọc thích ứng giữa tín hiệu thu được và các chuỗi được dành riêng cho tín hiệu đồng bộ sơ cấp. Khi đầu ra của bộ lọc thích
ứng đạt đến giá trị tối đa của nó, đầu cuối có thể tìm được định thời trên 1 cơ sở 5 ms. Bước đầu tiên của cũng có thể được sử dụng để chặn tần số bộ dao động cục bộ của đầu cuối di động đến tần số sóng mang trạm gốc. Việc chặn tần số dao động cục bộ đến tần số trạm gốc làm nới lỏng các yêu cầu chính xác trên bộ dao động của thiết bị đầu cuối di động, kết quả là giảm được chi phí.
Đối với các nguyên nhân được thảo luận dưới đây, có ba chuỗi khác nhau có thể được sử dụng như tín hiệu đồng bộ sơ cấp. Có một phép ánh xạ (mapping) một - một (one-to-one) giữa mỗi chuỗi trong ba chuỗi này với nhận dạng cell trong cùng 1 nhóm nhận dạng cell. Do đó, sau bước đầu tiên, đầu cuối đã tìm được nhận dạng trong nhóm nhận dạng cell. Hơn nữa, khi có một phép ánh xạ một - một giữa mỗi nhận dạng trong nhóm nhận dạng cell và mỗi chuỗi trong ba chuỗi trực giao được sử dụng khi tạo tín hiệu tham khảo theo như mơ tả trong chương 4, đầu cuối cũng thu được nhận biết từng phần về cấu trúc tín hiệu tham khảo trong bước này. Tuy nhiên, thiết bị đầu cuối vẫn chưa biết được nhóm nhận dạng tế bào sau bước này.
Trong bước tiếp theo, đầu cuối dị tìm nhóm nhận dạng cell và xác định định thời khung. Điều này được thực hiện bởi việc theo dõi các cặp khe thời gian mà ở đó các tín hiệu đồng bộ thứ cấp được phát. Về cơ bản, nếu (s1, s2) là một cặp chuỗi hợp lệ, ở đó s1 và s2 lần lượt tương ứng với tín hiệu đồng bộ thứ cấp trong khung phụ 0 và 5, cặp ngược lại (s2, s1) thì khơng phải là một cặp chuỗi có giá trị. Bằng cách lợi dụng tính chất này, đầu cuối có thể phân giải định thời 5 ms có được từ bước đầu tiên trong thủ tục dị tìm cell và xác định được định thời khung. Hơn nữa, khi sự kết hợp (s1, s2) đại diện cho các nhóm nhận dạng cell, nhóm nhận dạng cell cũng thu được từ bước thứ hai của thủ tục dị tìm cell. Từ nhóm nhận dạng cell, đầu cuối cũng thu được những tin tức về việc chuỗi giả-ngẫu nhiên nào được sử dụng cho việc tạo ra tín hiệu tham khảo trong cell.
Một khi thủ tục dị tìm cell được hồn thành, đầu cuối nhận thông tin hệ thống được quảng bá để có được các thơng số cịn lại, chẳng hạn như băng thông truyền dẫn được sử dụng trong cell.
Hình 5.1 Tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp
5.1.2 Cấu trúc thời gian/tần số của các tín hiệu đồng bộ
Cấu trúc thời gian/tần số tổng quát vừa được mô tả vắn tắt bên trên và được minh họa trong hình 5.1. Như được thấy trong hình, các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp được phát đi trong hai ký tự OFDM đến sau. Cấu trúc này đã được lựa chọn để cho phép xử lý kết hợp tín hiệu đồng bộ thứ cấp ở đầu cuối. Sau bước đầu tiên, tín hiệu đồng bộ sơ cấp được nhận biết và do đó có thể được sử dụng cho việc đánh giá kênh. Việc đánh giá kênh này sau đó có thể được sử dụng cho việc xử lý kết hợp tín hiệu nhận được trước bước thứ hai để cải thiện hiệu suất. Tuy nhiên, sự bố trí của các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp gần nhau cũng ngụ ý rằng đầu cuối ở bước hai cần phải ước lượng được độ dài tiền tố chu trình dù có thể khơng chính xác. Nhưng đây là một hoạt động có độ phức tạp thấp.
Trong nhiều trường hợp, định thời trong nhiều cell được đồng bộ để bắt đầu khung ở các cell lân cận trùng khớp nhau về mặt thời gian. Về mặt này một nguyên nhân là để cho phép hoạt động MBSFN. Tuy nhiên hoạt động đồng bộ cũng hàm ý rằng truyền dẫn của các tín hiệu đồng bộ sơ cấp trong các cell khác nhau xuất hiện ở cùng một thời điểm. Đánh giá kênh truyền dựa trên tín hiệu đồng bộ sơ cấp do đó sẽ phản hồi kênh ghép (composite channel) từ tất cả các cell nếu tín hiệu đồng bộ sơ cấp cùng được sử dụng trong tất cả các cell. Một cách hiển nhiên, việc giải điều chế kết hợp của tín hiệu đồng bộ thứ cấp thì khác nhau ở các cell khác nhau, một đánh giá kênh từ cell có liên quan được u cầu, khơng có đánh giá kênh ghép từ tất cả các cell. Do đó, LTE hỗ trợ nhiều chuỗi cho tín hiệu đồng bộ sơ cấp. Trong trường hợp thu nhận kết hợp trong các cell được triển khai
đồng bộ về thời gian, các cell lân cận có thể sử dụng các chuỗi đồng bộ sơ cấp khác nhau để làm nhẹ bớt vấn đề đánh giá kênh truyền được mô tả ở trên. Hơn nữa, như được mơ tả bên trên, tín hiệu đồng bộ sơ cấp cũng mang theo phần nhận dạng cell.
Hình 5.2 Việc phát tín hiệu đồng bộ trong miền tần số
Từ một phối cảnh TDD (TDD perspective), việc định vị tín hiệu đồng bộ ở đoạn cuối của khe thời gian đầu tiên trong khung phụ (subframe), thay vì khe thứ hai, thì có lợi hơn khi nó mang lại ít hạn chế hơn trong việc tạo ra thời gian bảo vệ giữa đường lên và đường xuống. Nói cách khác, nếu các tín hiệu đồng bộ được đặt trong khe thời gian cuối cùng của khung phụ, sẽ khơng có khả năng để thu được thời gian bảo vệ được yêu cầu cho TDD bởi việc loại bỏ các ký tự OFDM đường xuống như được thảo luận trong chương 4. Cũng cần chú ý rằng, đối với hoạt động TDD, việc xác định các tín hiệu đồng bộ ngụ ý rằng khung phụ 0 và 5 luôn luôn là các khung phụ đường xuống.
Khi bắt đầu thủ tục dị tìm cell, băng thơng cell khơng cần thiết được nhận biết. Về nguyên tắc, việc dị tìm băng thơng truyền dẫn có thể đã là một phần của thủ tục dị tìm cell. Tuy nhiên, điều này sẽ làm phức tạp tồn bộ thủ tục dị tìm cell, nó chỉ thích hợp để duy trì thủ tục dị tìm cell giống nhau mà khơng kể đến tồn bộ băng thơng truyền dẫn cell. Khi đó đầu cuối có thể được thơng báo về băng thơng thực sự trong cell từ kênh quảng bá. Do đó, để duy trì cấu trúc miền tần số giống nhau cho các tín hiệu đồng bộ mà khơng kể đến băng thơng hệ thống cell, các tín hiệu đồng bộ ln ln được phát bằng cách sử dụng 72 sóng mang phụ trung tâm, tương ứng với một băng thơng khoảng 1 MHz. Hình 5.2 minh hoạ việc phát sinh các tín hiệu đồng bộ. 36 sóng mang phụ trên mỗi phía của sóng mang phụ DC trong miền tần số được dành riêng cho tín hiệu đồng bộ. Bằng cách sử dụng một IFFT, tín hiệu miền thời gian tương ứng có thể được tạo ra. Độ lớn của IFFT, cũng như số sóng mang phụ đặt thành 0 trong hình 5.2, phụ thuộc vào băng thơng hệ thống. Các sóng mang phụ khơng được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu đồng bộ thì có thể được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu.
5.1.3 Dị tìm cell ban đầu và kế cận
Việc tìm một cell để kết nối đến sau khi đầu cuối bật nguồn rõ ràng là một việc quan trọng. Tuy nhiên, quan trọng tương đương là khả năng để nhận dạng các cell ứng cử cho sự chuyển giao như một phần của việc hỗ trợ tính di động, khi kết nối đầu cuối được di chuyển từ một cell này đến một cell khác. Hai tình huống này thường được xem như là việc dị tìm cell ban đầu và dị tìm cell kế cận.
Đối với dị tìm cell ban đầu, đầu cuối thường khơng biết tần số sóng mang của các cell mà nó đang tìm. Để xử lý trường hợp này, đầu cuối cần dị tìm tần số sóng mang phù hợp, cơ bản bằng cách lặp lại thủ tục bên trên cho bất kỳ tần số sóng mang có khả năng được đưa ra bởi bộ quét tần số (frenquency raster). Hiển nhiên, điều này có thể thường làm gia tăng thời gian được yêu cầu cho việc dị tìm cell, nhưng các u cầu về thời gian dị tìm cho việc tìm kiếm cell ban đầu thường tương đối là thoải mái. Các phương pháp thực thi đặc biệt cũng có thể được sử dụng để làm giảm thời gian từ lúc bật nguồn đến khi một cell được tìm thấy. Chẳng hạn, đầu cuối có thể sử dụng bất kỳ thơng tin bổ sung mà nó có và bắt đầu dị tìm trên cùng tần số sóng mang mà lần cuối cùng nó được kết nối đến.
Mặt khác, dị tìm cell lân cận có các yêu cầu về thời gian khắt khe hơn. Việc dị tìm cell càng chậm, sẽ làm cho thiết bị đầu cuối càng mất nhiều thời gian hơn trước khi nó được chuyển giao tới một cell có chất lượng vơ tuyến trung bình tốt hơn. Điều này hiển nhiên sẽ làm giảm giá trị toàn bộ hiệu suất phổ của hệ thống. Tuy nhiên, trong trường hợp chuyển giao tần số bên trong (intra-frequency handover), đầu cuối rõ ràng khơng cần tìm tần số sóng mang ở các cell lân cận. Ngồi việc bỏ qua việc dị tìm trên nhiều tần số sóng mang ra, việc dị tìm cell lân cận tần số bên trong có thể sử dụng các thủ tục giống như dị tìm cell ban đầu.
Các phép đo cho mục đích chuyển giao cũng được yêu cầu khi đầu cuối đang nhận dữ liệu đường xuống từ mạng. Do đó, đầu cuối phải có khả năng thực hiện việc dị tìm cell lân cận cả trong những trường hợp này. Với việc dị tìm cell lân cận tần số bên trong, điều này khơng phải là vấn đề chính khi các cell ứng cử lân cận phát tần số giống với tần số mà đầu cuối vừa nhận dữ liệu ở trên. Việc nhận dữ liệu và dị tìm các cell lân cận là những chức năng băng gốc riêng biệt đơn giản, hoạt động trên các tín hiệu thu được giống nhau.
Tuy nhiên, trường hợp chuyển giao tần số bên ngồi thì phức tạp hơn vì việc nhận dữ liệu và dị tìm cell lân cận cần được thực hiện ở các tần số khác nhau. Việc trang bị cho đầu cuối một mạch thu RF riêng biệt cho dị tìm cell lân cận thì khơng phải là 1 giải pháp hấn dẫn nếu xét về mặt độ phức tạp, mặc dù về nguyên lý là có thể. Do đó, các lổ hỗng khi truyền dẫn dữ liệu có thể được tạo ra, trong quá trình đầu cuối điều chỉnh lại đến một tần số khác khi thực hiện các mục đích
đo đạc tần số bên ngồi. Điều này được thực hiện với cách giống như cho HSPA, cụ thể bằng cách tránh scheduling đầu cuối trong một hoặc một nhiều khung phụ đường xuống.