4.3.1 Tài nguyên vật lý đường lên
Như được đề cập trong phần tổng quan được cung cấp trong chương 2, truyền dẫn đường lên LTE dựa trên kỹ thuật gọi là truyền dẫn DFTS-OFDM. Như được biết, DFTS-OFDM là một scheme truyền dẫn “đơn sóng mang” PAR mức 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 4.24 Kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM
Hình 4.24 tóm tắt lại kiến trúc cơ bản của truyền dẫn DFTS-OFDM với DFT kích thước M thích hợp với một khối gồm có M ký tự điều chế. Đầu ra của DFT sau đó được ánh xạ đến đầu vào có chọn lọc của một IFFT kích thước N. Kích thước DFT xác định băng thông tức thời của tín hiệu được truyền dẫn trong khi phép ánh xạ tần số xác định vị trí của tín hiệu được truyền dẫn trong toàn bộ phổ đường lên có hiệu lực. Cuối cùng, một tiền tố tuần hoàn (cyclic prefix) được chèn vào cho mỗi khối xử lý. Như được thảo luận trong chương trước, việc sử dụng tiền tố tuần hoàn trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang cho phép ứng dụng một cách dễ dàng kỹ thuật cân bằng miền tần số hiệu suất cao có độ phức tạp thấp tại phía thu.
Như được thảo luận trong chương trước, trong trường hợp chung, cả truyền dẫn DFTS-OFDM tập trung và phân tán đều có thể sử dụng được. Tuy nhiên, truyền dẫn đường lên LTE bị hạn chế với truyền dẫn tập trung, chẳng hạn phép ánh xạ tần số của hình 4.24 ánh xạ đầu ra của DFT đến đầu vào liên tục của IFFT.
Từ quan điểm thực thi DFT, DFT kích thước M sẽ bị ép buộc với số lượng là hai. Tuy nhiên, việc ép buộc như vậy thì xung đột trực tiếp với sự mong muốn để có độ linh động cao về mặt số lượng tài nguyên (băng thông truyền dẫn tức thời) có thể được ấn định tự động đến các đầu cuối di động khác nhau. Từ quan điểm sự linh động, tất cả các giá trị có thể của M phần nào được cho phép. Với LTE, đường giữa (middle-way) đã được chấp nhận ở nơi mà kích thước DFT bị giới hạn với các tích của các số nguyên 2, 3, và 5. Vì thế, cho ví dụ, với kích thước DFT là 15, 16, và 18 thì được cho phép nhưng M=17 thì không được cho phép. Trong cách này, DFT có thể được thực thi như sự kết hợp của các DFT cơ số 2, 3 và 5 có độ phức tạp tương đối thấp.
Như được đề cập trong chương trước, và được thể hiện rõ ràng trong hình 4.24, DFTS-OFDM cũng có thể được xem như truyền dẫn OFDM thông thường kết hợp với DFT dựa trên mã hoá trước. Do đó, người ta có thể thường nói đến khoảng cách sóng mang con trong trường hợp truyền dẫn DFTS-OFDM. Hơn nữa,
tương tự với OFDM, tài nguyên vật lý DFTS-OFDM có thể được xem như một mạng lưới thời gian-tần số với sự ràng buộc bổ sung, đó là tài nguyên thời gian- tần số tổng cộng được ấn định đến các đầu cuối di động phải luôn luôn bao gồm các sóng mang con liên tục.
Các thông số cơ bản của scheme truyền dẫn đường lên LTE đã được lựa chọn để căn chỉnh, càng nhiều càng tốt, với các thông số tương ứng của đường xuống LTE dựa trên OFDM. Do đó, như được mô tả trong hình 4.25, khoảng cách sóng mang con DFTS-OFDM đường lên tương đương với Δf=15 KHz và các khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con được cũng được xác định cho đường lên. Tuy nhiên, ngược với đường xuống, đường lên không có các DC-carrier không dùng được. Nguyên nhân là sự có mặt của DC-carrier ở trung tâm của phổ tần sẽ làm nó không có khả năng cấp phát toàn bộ băng thông hệ thống đến một đầu cuối di động đơn và vẫn giữ thuộc tính đơn sóng mang PAR thấp của truyền dẫn đường lên. Cũng vậy, do DTF dựa trên mã hoá trước, tác động của bất kỳ nhiễu DC sẽ được trải ra trên khối M các ký tự điều chế và do đó sẽ ít gây hại so với truyền dẫn OFDM thông thường.
Hình 4.25 Kiến trúc miền tần số đường lên LTE
Vì vậy, tổng số sóng mang con đường lên là NSC = 12 . NRB. Tương tự như đường xuống, với đường lên, chuẩn lớp vật lý LTE cũng cho phép độ linh hoạt rất cao về mặt băng thông hệ thống tổng cộng bằng cách cho phép bất kỳ số lượng khối tài nguyên đường lên nào trong khoảng từ 6 khối tài nguyên và cao hơn. Tuy nhiên, cũng tương tự như đường xuống, sẽ có hạn chế là các yêu cầu tần số vô tuyến chỉ được chỉ định, ít nhất là lúc đầu, cho một tập hợp các băng thông đường lên giới hạn.
Cũng về mặt kiến trúc miền thời gian được làm chi tiết hơn, đường lên LTE rất giống với đường xuống, như có thể được nhìn thấy trong hình 4.26. Mỗi khung con đường lên 1ms bao gồm hai khe có độ dài bằng nhau Tslot=0.5 ms. Mỗi khe sau đó bao gồm một số lượng các khối DFT kèm theo cả tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix - CP). Cũng tương tự đường xuống, hai độ dài tiền tố tuần hoàn
được định nghĩa cho đường lên, tiền tố tuần hoàn thông thường và tiền tố tuần hoàn mở rộng.
Hình 4.26 Khung con đường lên LTE và cấu trúc khe. Một khung con 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 4.27 Cấp phát tài nguyên đường lên LTE
Ngược với đường xuống, các khối tài nguyên đường lên được ấn định đến một đầu cuối di động phải luôn luôn được liên tiếp nhau trong miền tần số, như được minh hoạ trong hình 4.27. Chú ý rằng, tương tự như đường xuống, khối tài nguyên đường lên được định nghĩa như 12 sóng mang con DFTS-OFDM trong suốt một khe 0.5 ms. Tại cùng một thời điểm, scheduling đường lên được thực hiện trên cơ sở một khung con 1 ms. Do đó, tương tự như đường xuống, ấn định tài nguyên đường lên được thực hiện dưới dạng các cặp khối tài nguyên liên tục trong miền thời gian.
Trong hình 4.27, tài nguyên đường lên được ấn định tương ứng với tập hợp các sóng mang con giống nhau trong cả hai khe. Nói một cách khác, việc nhảy tần số liên khe (inter-slot) có thể được ứng dụng cho đường lên LTE. Nhảy tần số liên khe ngụ ý rằng tài nguyên vật lý được sử dụng cho truyền dẫn đường lên trong hai khe của khung con không chiếm giữ các tập hợp các sóng mang con giống nhau như được minh hoạ trong hình 4.28. Chú ý rằng, khi băng thông truyền dẫn RF đầu cuối di động bao phủ toàn bộ phổ đường lên, nhảy tần số đường lên là một hoạt động băng gốc thuần tuý, đơn giản chỉ là sự biến đổi phép ánh xạ DFT thành IFFT của quá trình DFTS-OFDM trong hình 4.24.
Có ít nhất hai lợi ích tiềm tàng của việc nhảy tần số đường lên:
• Nhảy tần số cung cấp phân tập tần số bổ sung, giả thiết là các bước nhảy có bậc (order) bằng hoặc lớn hơn băng thông kết hợp kênh.
• Nhảy tần cung cấp phân tập nhiễu (lấy trung bình nhiễu), giả định rằng mô hình nhảy tần thì khác nhau ở các cell lân cận.
Hình 4.28 Nhảy tần đường lên 4.3.2 Tín hiệu tham khảo đường lên
Tương tự đường xuống, tín hiệu tham khảo cho đánh giá kênh cũng cần thiết cho đường lên LTE để cho phép giải điều chế kết hợp ở trạm gốc. Do sự khác nhau giữa các scheme truyền dẫn đường xuống và đường lên LTE (tương ứng với OFDM và SC-FDMA dựa trên DFTS-OFDM) và sự quan trọng của biến đổi công suất thấp cho truyền dẫn đường lên, nguyên lý của các tín hiệu tham khảo đường lên thì khác với của đường xuống. Về bản chất, việc để tần số các tín hiệu tham khảo được ghép với dữ liệu truyền dẫn từ cùng một đầu cuối di động là không thể đối với đường lên. Thay vào đó, tín hiệu tham khảo đường lên được ghép kênh thời gian với dữ liệu đường lên. Đặc biệt hơn, như được minh hoạ trong hình 4.29, tín hiệu tham khảo đường lên được phát trong khối thứ tư của mỗi khe đường lên và với một băng thông tức thời bằng với băng thông của truyền dẫn dữ liệu. Chú ý rằng, trong trường hợp chung, nhảy tần số đường lên có thể được ứng dụng, ý nói rằng hai khe trong hình 4.29 được phát trên các tần số khác nhau, về bản chất có lẽ phân biệt nhau. Trong trường hợp này, phép nội suy giữa hai khối tín hiệu tham
khảo của một khung con có thể không có khả năng như một kênh, do sự phân biệt tần số, về bản chất có thể khác nhau giữa hai khối.
Một cách để thực thi tín hiệu tham khảo đường lên là tạo ra tín hiệu tham khảo miền tần số XRS(k) với độ dài MRS tương ứng với băng thông được ấn định (số lượng sóng mang con DFTS-OFDM được ấn định hoặc, tương đương với kích thước DFT tức thời) và đưa đến đầu vào của một IFFT, như được minh hoạ trong hình 4.30. Việc chèn tiền tố tuần hoàn sau đó được thực hiện chính xác như đối với các khối đường lên khác. Theo nhiều ý nghĩa, điều này có thể được xem như việc xác định tín hiệu tham khảo đường lên như là một tín hiệu OFDM. Tuy nhiên, người ta có thể mô tả tương đương tín hiệu tham khảo giống như một tín hiệu DFTS-OFDM bằng cách đơn giản lấy IDFT kích thước MRS của chuỗi XRS(k) miền tần số. Chuỗi kết quả sau đó có thể đưa đến quá trình xử lý DFTS-OFDM được phác thảo trong hình 4.24.
Hình 4.29 Tín hiệu tham khảo đường lên được chèn vào trong khối thứ tư của mỗi khe thời gian đường lên. Giả sử là tiền tố tuần hoàn thông thường, tức là
bảy khối trên một khe và không có nhảy tần.
Các tín hiệu tham khảo nên có những thuộc tính như sau:
• Biên độ không đổi hoặc hầu như không đổi trên tuyến với những đặc tính cơ bản của scheme truyền dẫn đường lên LTE (đơn sóng mang PAR thấp).
• Thuộc tính tự tương quan miền thời gian tốt để cho phép đánh giá kênh đường lên chính xác.
Các chuỗi với thuộc tính này thỉnh thoảng được xem như các chuỗi CAZAC (Constant-Amplitude Zero-Auto-Correlation).
Một bộ chuỗi với thuộc tính CAZAC là bộ chuỗi Zadoff-Chu. Trong miền tần số, chuỗi Zadoff-Chu độ dài Mzc có thể được biểu thị như:
X(u)ZC(k) = e -jπu MZC ) 1 (k+ k (4.1) Với là chỉ số của chuỗi Zadoff-Chu trong bộ chuỗi Zadoff-Chu độ dài MZC Số lượng chuỗi Zadoff-Chu hiệu lực đưa ra một độ dài chuỗi nào đó, đó là số giá trị có thể được của chỉ số u trong (4.1), bằng với số lượng số nguyên có liên quan chủ yếu đến độ dài MZC. Điều này có nghĩa rằng, để có số lượng chuỗi Zadoff-Chu lớn nhất và do đó cuối cùng là số lượng tín hiệu tham khảo đường lên có hiệu lực sẽ lớn nhất. Chuỗi Zadoff-Chu có độ dài tốt nhất thì được ưa chuộng hơn. Tại cùng một thời điểm, độ dài MRS của tín hiệu tham khảo đường lên miền tần số nên được bằng với băng thông được ấn định, tức là bội số của 12 (kích thước khối tài nguyên) thì hiển nhiên không phải một số tốt nhất. Do đó, chuỗi Zadoff-Chu có độ dài tốt nhất không thể được sử dụng một cách trực tiếp như tín hiệu tham khảo đường lên LTE. Thay vào đó tín hiệu tham khảo đường lên được chuyển hóa từ chuỗi Zadoff-Chu có độ dài tốt nhất.
Hai phương pháp để lấy tín hiệu tham khảo đường lên độ dài MRS từ chuỗi Zadoff-Chu độ dài tốt nhất đã được định nghĩa trong chuẩn lớp vật lý LTE:
1. Phương pháp 1 (sự cắt cụt - truncation): Chuỗi Zadoff-Chu có độ dài
MZC, trong đó MZC là “số tốt nhất nhỏ nhất” lớn hơn hoặc bằng MRS, bị chặt cụt thành độ dài MRS.
2. Phương pháp 2 (mở rộng theo chu kỳ): Chuỗi Zadoff-Chu độ dài MZC, trong đó MZC là “số tốt nhất lớn nhất” nhỏ hơn hoặc bằng MRS, được mở rộng một cách tuần hoàn đến độ dài MRS.
Hình 4.31 Phương pháp tạo ra tín hiệu tham khảo đường lên từ chuỗi Zadoff- Chu độ dài tốt nhất. Chú ý rằng trong trường hợp chung, có nhiều hơn một ký
tự có thể bị cắt cụt (phương pháp 1) hoặc được mở rộng theo chu kỳ (phương pháp 2).
Hai phương pháp này được minh họa trong hình 4.31. Cần lưu ý rằng hình này giả sử không phải trường hợp nào cũng cắt cụt hoặc mở rộng theo chu kỳ của một ký tự đơn. Cho ví dụ, nếu độ dài chuỗi tham khảo MRS=96, tương ứng với 8 khối tài nguyên, được mong muốn, phương pháp 1 có thể sử dụng chuỗi Zadoff-Chu có độ dài NZC=97 (một số tốt nhất) như một điểm bắt đầu. Tuy nhiên, số tốt nhất lớn nhất nhỏ hơn hoặc bằng 96 là 89, ý nói rằng phương pháp 2 sẽ cần sử dụng chuỗi Zadoff-Chu độ dài NZC=89 như điểm bắt đầu và áp dụng việc mở rộng chu kỳ 7 ký tự để đạt đến tín hiệu tham khảo có độ dài 96 được mong muốn.
Rõ ràng, cả hai phương pháp này đều giảm quy mô thuộc tính CAZAC của tín hiệu tham khảo đường lên. Phương pháp tối ưu về mặt duy trì tốt nhất thuộc tính CAZAC trong số những thứ khác phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu tham khảo MRS hướng tới. Do đó, cả hai phương pháp đều có ý nghĩa và có thể được sử dụng, phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu tham khảo được mong muốn hoặc tương đương với kích thước tài nguyên được ấn định.
4.3.2.1 Nhiều tín hiệu tham khảo
Trong trường hợp điển hình, một đầu cuối di động đơn sẽ phát trong một tài nguyên được cho trước (một tập hợp sóng mang con nào đó trong suốt một khung nào đó) trong một cell. Tuy nhiên, trong các cell lân cận, thường có truyền dẫn đường lên đồng thời trong cùng tài nguyên. Trong trường hợp đó, điều quan trọng là để tránh tình huống mà ở đó hai đầu cuối di động trong các cell lân cận sử dụng tín hiệu tham khảo đường lên giống nhau, khi đó sẽ kéo theo một nguy cơ tiềm năng của nhiễu cao giữa các truyền dẫn tín hiệu tham khảo. Do đó, trong các cell lân cận, các tín hiệu tham khảo đường lên nên được dựa trên các chuỗi Zadoff-Chu khác nhau (từ các bộ chuỗi Zadoff-Chu giống nhau), tức là các
giá trị khác nhau cho chỉ số u trong công thức (4.1). Để tránh việc lập kế hoạch cell quá phức tạp, điều quan trọng là số lượng các tín hiệu tham khảo đường lên có độ dài nào đó không được quá nhỏ. Đây là nguyên nhân tại sao tín hiệu tham khảo đường lên được dựa trên các chuỗi Zadoff-Chu độ dài tốt nhất, tối đa hóa số lượng chuỗi với một độ dài chuỗi cho trước.
Một cách khác để tạo ra nhiều tín hiệu tham khảo đường lên là dựa vào thuộc tính tự tương quan zero của các chuỗi Zadoff-Chu. Thuộc tính này ngụ ý rằng việc dịch theo chu kỳ một chuỗi Zadoff-Chu thì trực giao với chính nó. Do đó, nhiều tín hiệu tham khảo đường lên có thể được tạo ra bằng cách dịch theo chu kỳ tín hiệu tham khảo cơ bản giống nhau. Phương pháp này có thể được sử dụng khi hai cell được đồng bộ với nhau và thường trong trường hợp các cell thuộc về cùng eNodeB. Phương pháp cũng có thể được sử dụng nếu có hai đầu cuối di động phát trên cùng tài nguyên trong cùng một cell, nó có thể xảy ra trong trường hợp đường lên SDMA.
4.3.2.2 Tín hiệu tham khảo cho việc dò kênh
Hoạch định (scheduling) phụ thuộc kênh truyền đường xuống, trong cả miền thời gian và miền tần số là một công nghệ LTE chủ chốt. Như được thảo luận trong chương trước,