3.3.5.1 Phân tập phát (Transmit Diversity)
Transmit diversity làm gia tăng khả năng thích ứng của kênh truyền dẫn, trong LTE, transmit diversity yêu cầu nhiều phần tử ăng ten ở phía phát và một hoặc nhiều phần tử ăng ten ở phía thu. Trong 3GPP quy định thuật toán transmit diversity dựa trên việc sử dụng 2 hoặc 4 phần tử ăng ten ở phía phát, thuật toán này là chu trình mở và không yêu cầu phản hồi từ phía UE. Thuật toán transmit diversity với 2 phần tử ăng ten còn được gọi là mã hóa khối không gian tần số (Space Frequency Block Code).
Transmit diversity yêu cầu một từ mã (codeword) cho mỗi một subframe. Sau khi codeword được điều chế, phần xử lý ở băng gốc được tiến hành theo hai giai đoạn:
Layer mapping: đưa các symbol đã được điều chế vào số layer với số layer là số phần tử ăng ten (2 hoặc 4). Trong trường hợp có 2 phần tử ăng ten thì các symbol có số thứ tự lẽ sẽ được đưa vào layer 1 và các symbol có số thứ tự chẵn sẽ được đưa vào layer 2 như Hình 3.7 bên dưới.
Precoding: mã hóa và kết hợp các symbol của mỗi layer để tạo ra luồng symbol được truyền bởi mỗi phần tử ăng ten. Đối với trường hợp phía phát có 2
41
phần tử ăng ten, các symbol của mỗi layer sẽ được nhân với 1/ 2, đối với phần tử ăng ten thứ nhất, luồng symbol được tạo ra bởi các tổng các symbol tương ứng từ mỗi layer, đối với phần thử ăng ten thứ hai, luồng symbol được tạo ra bởi cách lấy đối của phần tử ảo của symbol từ layer 1 và đối của phần tử thực từ layer 2.
Thuật toán transmit diversity được sử dụng trong các kênh vật lý PDSCH, PBCH, PCFICH, PDCCH và PHICH, chi tiết có thể tham khảo thêm trong 3GPP TS 36.211, TS 36.213. Modulation Map to Resource elements OFDMA Map to Resource elements OFDMA Code word x x -Im -Re 1 / 2
Layer mapping Precoding
Even
Odd
Hình 3.7 Transmit diversity với 2 layer và 2 phần tử ăng ten
3.3.5.2 Muliple input multiple output
Cấu hình MIMO dựa trên số phần tử ăng ten từ cả phía phát và phía thu. MIMO dựa trên kỹ thuật dồn kênh theo không gian (spatial multiplexing). Trong 3GPP đã chuẩn hóa cấu hình ăng ten như sau đối với MIMO đường xuống:
Ghép kênh theo không gian chu trình đóng (Closed loop spatial multiplexing)
Ghép kênh theo không gian chu trình mở (Open loop spatial multiplexing)
MIMO đa người dùng (Multi-user MIMO)
MIMO có thể truyền 1 hay 2 codeword trong một subframe. Một codeword chính là một transport block đã được xử lý ở lớp vật lý qua các bước như thêm CRC, mã hóa kênh, dung hợp tốc độ (rate matching). Khi 2 codeword được truyền tải không nhất thiết yêu cầu chúng phải có cùng kích thước. Đối với 2x2 MIMO, sử dụng 1 layer để truyền 1 codeword khi chất lượng kênh vô tuyến thấp hoặc là eNode B không có nhiều dữ liệu để phát, sử dụng 2 layer để truyền 2
42
codeword khi chất lược tín hiệu cao, việc truyền tải 2 codeword trong mỗi subframe cho phép lưu lượng mức đích tăng lên gấp đôi.
3.3.5.2.1 Ghép kênh không gian vòng đóng
Ghép kênh không gian vòng đóng dựa trên phản hồi từ phía UE các thông tin:
Chỉ số hạng (Rank indication) – gợi ý số layer
Chỉ số ma trận tiền mã hõa (Precoding matrix indicator)- gợi ý ma trận precoding nào sẽ được sử dụng .
Chỉ số chất lượng kênh (Chanel Quality Indicator)- Gợi ý kích thước của transport block.
Những thông tin này được thông báo tới eNode B qua kênh vật lý PUSCH hoặc PUCCH. ENode B có thể theo không theo các gợi ý từ phía UE. Nếu UE trong vùng phủ tốt và gợi ý sử dụng 2 layer để gia tăng lưu lượng, eNodeB vẫn có thể thiết lập 1 layer nếu nó không có nhiều dữ liệu để truyền trong bộ đệm. Nếu UE thông báo răng CQI thấp tương ứng với kích thước transport block nhỏ nhưng tỷ lệ khối trên lỗi (Block Error Rate) thấp thì eNode B vẫn có thể thiết lập kích thước transport block lớn hơn, eNode B có thể làm ngược lại nếu Block Error Rate (BLER) cao mặc dùng CQI cao.
Bảng 3.4 bên dưới miêu tả số codeword và số layer được hỗ trợ bởi 2x2 closed loop spatial multiplexing, số layer tương đương với số codeword có thể là 1 hay 2.
Số codeword Số layer Số phần tử ăng ten
1 1
2
2 2
Bảng 3.4 Số codeword, layer và phần tử ăng ten trong 2x2 CLSM
Ta có thể minh họa đơn giản khố layermapping và precoding trong trường hợp truyền 1 coderword như Hình 3.8 bên dưới. Layermapping đơn giản truyền 1 codeword thẳng tới khối precoding.
43
Modulation Map to Resource elements OFDMA
Map to Resource elements OFDMA Code word x x 1 / 2
Layer mapping Precoding
L1
1
W
Hình 3.8 2x2 closed loop spatial multiplexing với 1 codeword
Với khối precoding, ăng ten thứ nhất symbol được nhân với 1/ 2, ăng ten thứ 2 symbol được nhaant với 1/ 2 và trọng số precoding (precoding weight). Trong đó giá trị của precoding weight như Bảng 3.5 bên dưới. Giá trị precoding weight trong mỗi subframe lại được truyền xuống UE trong bản tin Dowlink Control Information (DCI) format 2 trên kênh vật lý PDCCH.
Codebook index Precoding weight
0 1
1 -1
2 J
3 -j
Bảng 3.5 Giá trị precoding weight dựa trên codebook index với 1 codeword
Đối với trường hợp sử dụng 2 codeword, layermapping cũng đơn giản truyền trực tiếp 2 codeword đến precoding. Từ precoding, dữ liệu được xử lý như sau:
Với ăng ten thứ nhất, (codeword thứ nhất 1/ 2) + ( codeword thứ hai
1/ 2
)
Với ăng ten thứ hai, (codeword thứ nhất 1/ 2 precoding weight) + ( codeword thứ hai 1/ 2 precoding weight)
44
Modulation Map to Resource
elements OFDMA Map to Resource elements OFDMA Code word x x 1 / 2
Layer mapping Precoding
L1 1 W Modulation Code word L2 x 2 W x
Hình 3.9 Ghép kênh không gian vòng đóng với 2 codeword
Trong trường hợp cóa 2 code word sẽ có 2 precoding weight W1và W2như Bảng 3.6 bên dưới:
Codebook Index Precoding weight 1 Precoding weight 2
1 1 -1
2 j -j
Bảng 3.6 Giá trị precoding weight dựa trên codebook index với 1 codeword
3.3.5.2.2 Ghép kênh không gian vòng mở
Ghép kênh không gian vòng mở dựa trên phản hồi từ UE các thông số:
Chỉ số hạng Rank Indication (RI) – gợi ý số layer
Chỉ số chất lượng kênh Channel Quality Indicator (CQI) – gợi ý kích thước transport block.
Sở dĩ gọi là chu trình mở “open loop” vì không yêu cầu UE phải gửi thông số PMI. 2x2 open loop spatial multiplexing luông truyền 2 codeword mỗi subframe. Trong khi transmit diversity cung cấp giải pháp truyền 2x2 với một codeword. UE có thể chuyển từ 2x2 transmit diversity và 2x2 open loop spatial multiplexing dựa trên điều kiện phủ sóng của eNode B, transmit diversity được dùng để truyền 1 codeword khi chất lượng sóng kém, ngược lại open loop spatial multiplexing được dùng để truyền 2 codeword khi chất lượng sóng cao. Trong 3GPP đã sử dụng phân tập trễ vòng Cyclic Delay Diversity (CDD) như là giải phải pháp cho open loop spatial multiplexing.
45
Open loop spatial multiplexing sử dụng 2 codeword, 2 layer và 2 phần tử ăng ten. Khối layer mapping đơn giản truyền dữ liệu thẳng tới precoding. Kết quả của precoding như sau:
Với ăng ten thứ nhất, (codeword thứ nhất 1/ 2) + ( codeword thứ hai
1/ 2
)
Với ăng ten thứ hai, (codeword thứ nhất 1/ 2 precoding weight) + ( codeword thứ hai 1/ 2 precoding weight)
Modulation Map to Resource
elements OFDMA Map to Resource elements OFDMA Code word x x 1 / 2
Layer mapping Precoding
L1 1 W Modulation Code word L2 x 2 W x
Hình 3.10 Ghép kênh không gian vòng mở với 2 codeword
Để ý là trường hợp này rất giống vớp ghép kênh không gian vòng mở tuy nhiên precoding weight khác, giá trị của precoding weight phụ thuộc vào số thứ tự của symbol.
Precoding weight 1 Precoding weight 2
Symbol lẻ 1 -1
Symbol chẵn -1 1
Bảng 3.7 Precoding trong open loop spatial multiplexing
3.3.5.2.3 Multi-user MIMO
Đối với trường hợp một user, tất cả các layer đều được truyền dữ liệu cho một UE duy nhất. Trong trường hợp multiuser MIMO, mỗi layer được cấu hình để truyền tới các UE khác nhau. Điều này cho phép nhiều UE có thể chia sẻ cùng một nhóm RBs. Khái niệm cở bản của Multi-user MIMo được minh họa như bên dưới. Một nhóm các thông số được sử dụng với mỗi layer để dữ liệu được truyền theo hướng tới UE thích hợp, ví dụ như precoding có thể hiệu quả đối với beamforming. Precoding được sử dùng hoàn toàn cho nhóm codebook như
46
closed loop spatial multiplexing nhưng luôn luôn dự trên một layer. Multiuser MIMO nhằm gia tăng khả năng của tất cả các cell hơn là gia tăng lưu lượng kết nối ở mức đỉnh. DCI format 1D bao gồm power offset hỗ trợ để sử dụng cho multiuser MIMO. Power offset này rất cần thiết để thông báo cho UE tổng công suất được chia sẻ và công suất liên quan đến tín hiệu tham khảo sẽ bị giảm sút. Điều này giúp cho UE trong quá trình giải điều chế.
Beam directed toward UE 1 Beam directed toward UE 2 UE 1 UE 2 eNode B
Hình 3.11 Khái niệm cơ bản về Multi-user MIMO
3.3.5.3 Các chế độ truyền (Tranmission modes)
Trong chuẩn 3GPP TS36.214 quy định có 7 chế độ truyền. Các format DCI được sử dụng bởi eNode B để cấp phát tài nguyên dựa trên chế độ truyền, quy định mối liên quan giữa DCI và transmission mode.
Bảng 3.8 dưới đây mô tả thông tin về các chế độ truyền được sử dụng trong mạng LTE đường xuống.
47 Mode PDSCH Transmission Scheme DCI
format DCI Information
Phản hồi từ UE 1 Single antenna port, port 0 1, 1A Transport Block 1 Information CQI
2 Transmit Diversity 1, 1A Transport Block 1
Information CQI
3 Open Loop Spatial
Multiplexing 2A
Transport Block 1& 2 Information, Precoding Information CQI, RI 4 Closed Loop Spatial Multiplexing 2
Transport Block 1& 2 Information, Precoding Information CQI, RI, PMI 5 Multi-user MIMO 1D Transport Block 1 Information, Precoding Information CQI, PMI 6 Closed Loop Spatial Multiplexing sử dụng 1 layer 1B Transport Block 1 Information, Precoding Information CQI, PMI 7 Single antenna port, port 5 1 Transport Block 1 Information CQI Bảng 3.8 PDSCH transmission modes