CÁC THỦ TỤC TRUY NHẬP LTE
3.2.1 Bước 1: Sự truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên
Bước thứ nhất trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên là sự truyền dẫn của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên. Mục đích chính của phần mở đầu là để chỉ cho mạng biết sự hiện diện của một sự thử truy nhập ngẫu nhiên và để thu được sự đồng bộ thời gian đường lên bên trong một phần nhỏ của tiếp đầu chu trình đường lên.
Tổng quát chung, các sự truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên có thể là trực giao hoặc không trực giao với dữ liệu người dùng.
Trong WCDMA, phần mở đầu (preamble) là không trực giao với sự truyền dẫn dữ liệu đường lên. Điều này cung cấp lợi ích là không phải phân chia một cách bán tĩnh (semi-statically) bất cứ tài nguyên nào cho truy nhập ngẫu nhiên. Tuy nhiên, để giám sát nhiễu truy nhập ngẫu nhiên tới dữ liệu thì công suất phát của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên nhất thiết phải được giám sát một cách cẩn thận. Trong WCDMA, điều này
được giải quyết thông qua việc sử dụng một thủ tục dốc công suất (power- ramping procedure), trong đó đầu cuối tăng công suất của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên một cách từ từ cho đến khi nó được phát hiện thành công tại trạm gốc. Mặc dù đây là sự giải quyết phù hợp cho vấn đề nhiễu, song thủ tục dốc đưa vào một sự trễ trong toàn bộ thủ tục truy nhập ngẫu nhiên. Vì vậy, từ viễn cảnh trễ thì một thủ tục truy nhập ngẫu nhiên không yêu cầu dốc công suất là có ích.
Hình 3.4 Minh hoạ nguyên lý truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu
nhiên.
Trong LTE, sự truyền dẫn của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên có thể được thực hiện trực giao với các sự truyền dẫn dữ liệu người dùng đường lên và như một hệ quả thì dốc công suất là không cần thiết (mặc dù các đặc tính kỹ thuật cho phép đối với sườn dốc). Tính trực giao giữa dữ liệu người dùng được phát từ các đầu cuối khác nhau và các sự thử truy nhập ngẫu nhiên đạt được trong cả miền thời gian lẫn miền tần số. Mạng quảng bá thông tin tới tất cả các đầu cuối bằng các tài nguyên thời gian-tần số mà sự truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên được cho phép. Để tránh nhiễu giữa dữ liệu và các phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên, mạng tránh lập lịch trình bất cứ các sự truyền dẫn đường lên nào trong các tài nguyên thời gian-tần số đó. Điều này được minh hoạ trong hình 3.4. Vì đơn vị thời gian cơ bản cho sự truyền dẫn dữ liệu trong LTE là 1 ms nên
một khung con được dành riêng cho các sự truyền dẫn phần mở đầu. Bên trong các tài nguyên giành riêng này thì phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên được phát.
Trong miền tần số, phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên có một dải thông tương ứng với sáu khối tài nguyên (1.08 Mhz). Điều này tương ứng phù hợp với dải thông nhỏ nhất mà LTE có thể hoạt động cái mà là sáu khối tài nguyên. Vì vậy, cấu trúc phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên như thế, được sử dụng mà không cần quan tâm đến dải thông truyền dẫn trong tế bào. Đối với sự triển khai bằng cách dùng các sự phân chia phổ lớn hơn thì nhiều khối tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên có thể được định nghĩa trong miền tần số, dẫn đến dung lượng truy nhập ngẫu nhiên được tăng lên.
Một đầu cuối thực hiện một sự thử truy nhập ngẫu nhiên đã thu được sự đồng bộ đường xuống từ thủ tục tìm kiếm cell trước khi phát phần mở đầu. Tuy nhiên thời gian đường lên vẫn chưa được thiết lập. Sự bắt đầu của một khung đường lên ở đầu cuối được định nghĩa liên quan tới sự bắt đầu của khung đường xuống ở đầu cuối. Do có trễ đường truyền giữa trạm gốc và đầu cuối nên sự truyền dẫn đường lên bị trễ có liên quan tới thời gian truyền dẫn đường xuống ở trạm gốc. Vì vậy, khi khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối không được biết thì sẽ có một thời gian đường lên không chắc chắn tương ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối lên tới 6.7µs/km. Để huỷ bỏ sự không chắc chắn và để tránh nhiễu ở
các khung con tiếp theo mà không được sử dụng cho truy nhập ngẫu nhiên thì một thời gian bảo vệ (guard time) được sử dụng, tức là độ dài của phần mở đầu thực tế ngắn hơn 1 ms.
Hình 3.5Thời gian phần mở đầu tại eNodeB đối với những người dùng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau.
Hình 3.5 minh hoạ độ dài phần mở đầu và thời gian bảo vệ. Cùng với độ dài phần mở đầu LTE khoảng chừng xấp xỉ 0.9 ms thì có thời gian bảo vệ 0.1 ms cho phép đối với các kích thước tế bào lên tới 15 km. Trong các tế bào lớn hơn, trong đó sự không chắc chắn về thời gian có thể lớn hơn thời gian bảo vệ cơ bản thì thời gian bảo vệ thêm vào có thể được tạo ra bằng cách không lập lịch trình bất cứ những sự truyền dẫn đường lên nào trong khung con theo sau tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Phần mở đầu được dựa trên cơ sở Zadoff-Chu (ZC), các chuỗi và các chuỗi dịch chu kỳ của cái đó. Các chuỗi ZC cũng được sử dụng cho việc tạo các tín hiệu chuẩn đường lên. Từ mỗi chuỗi ZC gốc X(u)
ZC (k), thu được m – 1 chuỗi được dịch có tính chu kỳ với mỗi chu kỳ dịch bằng [MZC /m] , trong đó MZC là độ dài của chuỗi ZC gốc.
Các chuỗi ZC được dịch có tính chu kỳ có một vài đặc tính hấp dẫn. Biên độ của các chuỗi là không đổi cái mà đảm bảo hiệu quả sử dụng bộ khuếch đại công suất và duy trì các đặc tính PAR của đường lên đơn sóng mang thấp. Các chuỗi này cũng có khái niệm sự tương quan tự động chu kỳ (cycle auto-correlation), cái mà là quan trọng để đạt được một sự đánh giá thời gian chính xác tại eNodeB. Cuối cùng, sự tương quan chéo giữa các phần mở đầu khác nhau dựa vào chu kỳ dịch của chuỗi ZC bằng 0 tại
máy thu với điều kiện là sự dịch chu kỳ thời gian N/m đã sử dụng khi tạo các phần mở đầu là lớn hơn thời gian truyền khứ hồi cực đại cộng với trải trễ cực đại của kênh. Vì vậy, nhờ có đặc tính tương quan chéo lý tưởng nên không có nhiễu nội tế bào từ nhiều sự thử truy nhập ngẫu nhiên bằng cách dùng các phần mở đầu được lấy từ chuỗi gốc ZC đó.
Việc tạo phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên được minh hoạ trong hình 3.6. Mặc dù hình minh hoạ việc tạo trong miền thời gian nhưng việc tạo trong miền tần số có thể thực hiện tương đương và được sử dụng trong một sự bổ xung. Ngoài ra, để cho phép cho quá trình xử lý miền tần số tại trạm gốc, một tiếp đầu chu trình được đưa vào trong sự tạo phần mở đầu.
Hình 3.6Tạo phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên.
Các chuỗi phần mở đầu được phân chia thành các nhóm bao gồm 64 chuỗi cho mỗi nhóm. Như ở phần cấu hình hệ thống, mỗi cell được cấp phát một nhóm như thế nhờ việc định nghĩa một hoặc một vài chuỗi ZC gốc và chu kỳ dịch cần thiết để tạo tập của các phần mở đầu. Số lượng các nhóm đủ lớn để tránh gây khó khăn cho sự lập lịch chuỗi giữa các tế bào. Khi thực hiện một sự thử truy nhập ngẫu nhiên, đầu cuối lựa chọn một chuỗi ngẫu nhiên từ tập các chuỗi đã cấp phát cho tế bào mà đầu cuối đang thử để truy nhập. Với điều kiện là không có đầu cuối khác đang thực hiện sự thử truy nhập bằng cách dùng cùng chuỗi này tại cùng thời điểm thì không có các xung đột xảy ra và việc thử truy nhập này với một khả năng xảy ra cao sẽ được phát hiện bởi mạng.
Hình 3.7Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số.
Quá trình xử lý trạm gốc là sự thực hiện riêng, nhưng nhờ vào tiếp đầu chu trình đã chứa trong phần mở đầu mà quá trình xử lý miền tần số có thể ít phức tạp. Ví dụ về cái này được trình bày trong hình 3.7. Các mẫu trên một cửa sổ được dồn lại và biến đổi nó thành sự biểu diễn trên trên miền tần số bằng cách sử dụng một FFT. Độ dài cửa sổ này bằng 0.8 ms, cái mà bằng với độ dài của chuỗi ZC không có tiếp đầu chu trình. Điều này cho phép để xử lý các sự không chắc chắn về thời gian lên tới 0.1 ms và phù hợp với thời gian bảo vệ đã định nghĩa.
Đầu ra của FFT, kết quả của tín hiệu thu được trên miền tần số được nhân với kết quả của chuỗi ZC gốc trên miền tần số liên hợp phức và các kết quả được đưa qua một IFFT. Nhờ vào khả năng quan sát các đầu ra IFFT, nó có thể phát hiện các dịch chuyển của chuỗi ZC gốc đã được phát và độ trễ của nó. Về cơ bản, một đỉnh của đầu ra IFFT trong khoảng thời
gian i tương ứng với chuỗi đã dịch theo chu kỳ thứ i và độ trễ được cho bởi vị trí của đỉnh bên trong khoảng thời gian đó. Sự thực hiện trên miền tần số này có khả năng tính toán và cho phép phát hiện nhiều sự thử truy nhập ngẫu nhiên bằng cách dùng các chuỗi tuần hoàn khác nhau được tạo từ cùng chuỗi ZC gốc, trong trường hợp nhiều sự thử truy nhập sẽ đơn giản là có một đỉnh trong mỗi khoảng thời gian tương ứng.