Toàn bộ thủ tục truy cập ngẫu nhiên được minh hoạ trong Hình 5.3, bao gồm bốn bước:
1) Bước đầu tiên bao gồm việc truyền dẫn phần mở đầu (Preamble) truy cập ngẫu nhiên, cho phép eNodeB đánh giá định thời truyền dẫn của đầu cuối. Đồng bộ đường lên thì cần thiết khi đầu cuối không thể phát bất kỳ dữ liệu đường lên nào. 2) Bước thứ hai bao gồm: mạng phát một lệnh định thời sớm (A Timing Advance Command) để điều chỉnh định thời phát đầu cuối, dựa trên các phép đo định thời
ở bước đầu tiên. Ngoài việc thiết lập đồng bộ đường lên, bước thứ hai cũng ấn định nguồn tài nguyên đường lên đến đầu cuối để được sử dụng trong bước thứ ba của thủ tục truy cập ngẫu nhiên.
3) Bước thứ ba bao gồm việc truyền dẫn nhận dạng đầu cuối di động đến mạng bằng cách sử dụng UL-SCH tương tự với dữ liệu được hoạch định (Scheduled) thơng thường. Nội dung chính xác của báo hiệu này phụ thuộc vào trạng thái của đầu cuối, dù nó có được biết trước đó đối với mạng hay không.
4) Bước thứ tư và cũng là bước cuối cùng bao gồm việc truyền dẫn một thông điệp giải quyết tranh chấp (A Contention-Resolution Message) từ mạng đến đầu cuối trên kênh DL-SCH. Bước này cũng giải quyết bất cứ sự tranh chấp nào xảy ra do nhiều đầu cuối tìm cách truy cập vào hệ thống sử dụng nguồn tài nguyên truy cập ngẫu nhiên giống nhau.
Chỉ có bước đầu tiên sử dụng quy trình lớp vật lý được thiết kế riêng cho truy cập ngẫu nhiên. Ba bước cuối cùng đều sử dụng quy trình lớp vật lý giống như được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu đường lên và đường xuống thông thường. Trong phần tiếp theo, những bước này sẽ được mô tả chi tiết hơn.
5.2.1. Bước 1: Truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên
Bước đầu tiên trong thủ tục truy cập ngẫu nhiên là truyền dẫn một Preamble truy cập ngẫu nhiên. Mục đích chính của Preamble là để chỉ thị cho mạng sự có mặt của một thử nghiệm (Attempt) truy cập ngẫu nhiên và thu được đồng bộ thời gian đường lên trong một phần của tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix) đường lên.
Nhìn chung, truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên có thể là trực giao hoặc không trực giao đối với dữ liệu người dùng. Trong WCDMA, Preamble thì khơng trực giao đối với truyền dẫn dữ liệu đường lên. Điều này đem lại lợi ích trong việc không phải cấp phát bất cứ nguồn tài nguyên nào cho truy cập ngẫu nhiên một cách bán tĩnh. Tuy nhiên, để kiểm soát nhiễu giữa truy cập ngẫu nhiên với dữ liệu, công suất phát của Preamble truy cập ngẫu nhiên phải được điều khiển một cách cẩn thận. Trong WCDMA, điều này được giải quyết nhờ thủ tục biến đổi công suất (Power Ramping), khi đó đầu cuối sẽ gia tăng từ từ công suất của Preamble truy cập ngẫu nhiên đến khi
nó được dị tìm thành cơng tại trạm gốc. Mặc dù đây là giải pháp phù hợp với vấn đề nhiễu, nhưng thủ tục ramping lại gây ra trễ trong tồn bộ thủ tục truy cập ngẫu nhiên. Do đó, từ trễ này mà thủ tục truy cập ngẫu nhiên khơng địi hỏi biến đổi công suất lại trở nên có lợi.
Trong LTE, việc truyền dẫn của Preamble truy cập ngẫu nhiên có thể được thực hiện trực giao với các truyền dẫn dữ liệu người dùng đường lên và như vậy, thủ tục biến đổi công suất là không cần thiết (mặc dù các đặc tính kỹ thuật cho phép Ramping). Trực giao giữa dữ liệu người dùng được phát từ các đầu cuối khác nhau và các thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên đều thực thiện được ở cả miền thời gian và tần số. Mạng sẽ phát quảng bá tới tất cả các đầu cuối thông tin về việc: trong tài nguyên thời gian tần số nào thì truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên được cho phép. Để tránh nhiễu giữa dữ liệu và các Preamble truy cập ngẫu nhiên, mạng sẽ tránh sắp xếp bất kỳ truyền dẫn đường lên nào ở nguồn tài nguyên thời gian và tần số đó. Điều này được minh hoạ trong Hình 5.4. Từ đơn vị thời gian cơ bản cho truyền dẫn dữ liệu trong LTE là 1 ms, một khung phụ sẽ được dành riêng cho truyền dẫn Preamble. Trong các tài nguyên được dành riêng, Preamble truy cập ngẫu nhiên sẽ được phát đi.
Hình 5.4: Minh họa nguyên lý của truyền dẫn Preamble truy cập ngẫu nhiên.
Trong miền tần số, Preamble truy cập ngẫu nhiên có một băng thơng tương ứng với sáu khối tài nguyên (1.08 MHz). Điều này khá phù hợp với băng thơng nhỏ nhất mà LTE có thể hoạt động, sáu khối tài nguyên này đã được thảo luận trong chương 4. Do đó, cấu trúc Preamble truy cập ngẫu nhiên giống nhau có thể được sử dụng, khơng kể đến băng thông truyền dẫn trong Cell. Với những triển khai sử dụng các phân bố
phổ lớn hơn, nhiều nguồn tài nguyên truy cập ngẫu nhiên có thể được xác định trong miền tần số, mang lại sự gia tăng về dung lượng truy cập ngẫu nhiên.
Trước khi truyền dẫn Preamble, đầu cuối thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên đã thu được đồng bộ đường xuống từ thủ tục dị tìm Cell. Tuy nhiên định thời đường lên thì chưa được thiết lập. Bắt đầu của một khung đường lên ở đầu cuối được xác định có liên quan với bắt đầu của khung đường xuống ở đầu cuối. Do trễ truyền giữa trạm gốc và đầu cuối, truyền dẫn đường lên do đó sẽ bị trễ tương đối với định thời truyền dẫn đường xuống ở trạm gốc. Do đó, khi khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối không được biết, sẽ có một sự khơng chắc chắn trong định thời đường lên tương ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và đầu cuối, lên tới 6.7 µs/km. Để tính tốn cho sự khơng chắc chắn này và để tránh nhiễu với các khung phụ tiếp theo mà không được sử dụng cho truy cập ngẫu nhiên, một khoảng thời gian bảo vệ sẽ được sử dụng, nghĩa độ dài của Preamble thực tế sẽ ngắn hơn 1ms. Hình 5.5 minh hoạ độ dài Preamble và khoảng thời gian bảo vệ. Với độ dài Preamble LTE xấp xỉ 0.9 ms, 0.1 ms thời gian bảo vệ cho phép kích thước Cell lên đến 15 km. Ở các Cell lớn hơn, sự không chắc chắn về định thời có thể lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ cơ bản, khoảng thời gian bảo vệ bổ sung có thể được tạo ra bằng cách khơng sắp xếp (Scheduling) bất cứ truyền dẫn đường lên trong khung phụ theo sau tài nguyên truy cập ngẫu nhiên.
Preamble được dựa trên Zadoff-Chu (ZC), chuỗi [131] và chuỗi dịch tuần hồn của nó. Các chuỗi Zadoff-Chu cũng được sử dụng cho việc tạo ra tín hiệu tham khảo như được mô tả trong Chương 4, ở đó đã mơ tả cấu trúc của các chuỗi này. Từ mỗi chuỗi Zadoff-Chu gốc X(u)
ZC(k), chuỗi dịch tuần hoàn m-1 được tạo ra bằng cách dịch
Hình 5.5: Định thời Preamble ở eNodeB cho người sử dụng truy cập ngẫu nhiên
khác nhau.
Hình 5.6: Việc phát Preamble truy cập ngẫu nhiên.
Chuỗi ZC dịch tuần hồn sở hữu nhiều thuộc tính hấp dẫn. Biên độ của chuỗi là khơng đổi, điều đó đảm bảo việc sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả và duy trì thuộc tính PAR thấp của đường lên đơn sóng mang. Các chuỗi cũng có sự tự tương quan tuần hồn lý tưởng (Auto-Correlation), điều này thì quan trọng cho việc thu đánh giá định thời chính xác ở eNodeB. Cuối cùng, sự tương quan chéo giữa các Preamble khác nhau dựa trên sự dịch chuyển tuần hoàn [N/m] được sử dụng khi phát các Preamble lớn hơn thời gian truyền khứ hồi lớn nhất cộng với trễ truyền lớn nhất của kênh. Vì vậy, nhờ thuộc tính tương quan chéo lý tưởng, mà khơng có nhiễu bên trong Cell do nhiều thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên sử dụng các Preamble được lấy từ chuỗi gốc Zadoff-Chu giống nhau.
Việc sinh ra Preamble truy cập ngẫu nhiên được minh hoạ trong Hình 5.6. Mặc dù Hình này minh hoạ việc phát trong miền thời gian, nhưng việc phát trong miền tần số có thể được sử dụng như nhau trong một sự thực thi. Hơn nữa, để cho phép việc xử lý miền tần số ở trạm gốc (được thảo luận nhiều hơn bên dưới), một tiền tố tuần hoàn được bao gồm trong việc tạo ra Preamble.
Hình 5.7: Việc dị tìm Preamle truy cập ngẫu nhiên trong miền tần số.
Các chuỗi Preamble được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm là 64 chuỗi. Như một phần của cấu hình hệ thống, mỗi Cell được chỉ định một nhóm bằng cách xác định một hoặc nhiều chuỗi Zadoff-Chu gốc và các dịch chuyển tuần hoàn được yêu cầu để tạo ra tập hợp các Preamble. Số lượng nhóm cần đủ lớn để tránh sự cần thiết cho việc lập kế hoạch chuỗi cẩn thận giữa các Cell.
Khi thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên, đầu cuối lựa chọn một chuỗi ngẫu nhiên từ bộ chuỗi được cấp phát đến Cell mà đầu cuối đang cố gắng truy cập. Chỉ cần khơng có đầu cuối nào khác thực hiện một thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên bằng cách sử dụng cùng một chuỗi tại cùng một thời điểm thì sẽ khơng có xung đột xảy ra và sự thử nghiệm sẽ được phát hiện bởi mạng với một khả năng rất cao.
Xử lý trạm gốc là một đặc điểm thực thi, nhưng nhờ tiền tố tuần hoàn nằm trong Preamble, việc xử lý miền tần số sẽ có độ phức tạp thấp hơn. Một ví dụ về điều này sẽ
được chỉ ra trong Hình 5.7. Các mẫu trên một cửa sổ được thu thập và chuyển đổi nó thành biểu diễn trong miền tần số bằng cách sử dụng FFT. Độ dài cửa sổ là 0.8 ms, nó bằng với độ dài của chuỗi ZC khơng có tiền tố tuần hồn. Điều này cho phép xử lý sự không chắc chắn về định thời lên đến 0.1 ms và nó phù hợp với khoảng thời gian bảo vệ được xác định.
Đầu ra của FFT, biểu diễn tín hiệu thu được trong miền tần số, được nhân với biểu diễn miền tần số liên hợp phức tạp (The Complex-Conjugate Frequency-Domain Representation) của chuỗi Zadoff-Chu gốc và kết quả sẽ được đưa qua một IFFT. Bằng cách quan sát đầu ra IFFT, nó có khả năng phát hiện ra sự dịch chuyển của chuỗi Zadoff-Chu gốc nào đã được phát đi và độ trễ của nó. Về cơ bản, đỉnh của đầu ra IFFT trong khoảng i tương ứng với chuỗi được dịch tuần hoàn thứ i và độ trễ được cho bởi vị trí của đỉnh trong khoảng. Việc thực thi miền tần số này thì hiệu quả về mặt tính tốn và cho phép phát hiện ra nhiều thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên sử dụng các chuỗi dịch tuần hoàn khác nhau được tạo ra từ cùng một chuỗi Zadoff-Chu gốc; trong trường hợp có nhiều sự thử nghiệm thì sẽ chỉ có một đỉnh trong mỗi khoảng tương ứng.
5.2.2. Bước 2: Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên
Trong đáp ứng cho thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên được phát hiện, mạng sẽ phát một thông điệp trên DL-SCH, như bước thứ hai của thủ tục truy cập ngẫu nhiên, bao gồm:
- Chỉ số (Index) của chuỗi Preamble truy cập ngẫu nhiên mà mạng tìm thấy và nhờ đó việc đáp ứng có hiệu lực.
- Điều chỉnh định thời được tính tốn bởi đầu thu Preamble truy cập ngẫu nhiên. - Một chấp hận hoạch định, chỉ ra các nguồn tài nguyên mà đầu cuối sẽ sử dụng
cho việc truyền dẫn thông điệp trong bước thứ ba.
- Một nhận dạng tạm thời được sử dụng những thông tin liên lạc khác giữa đầu cuối và mạng.
Trong trường hợp mạng phát hiện ra có nhiều thử nghiệm truy cập ngẫu nhiên (từ các đầu cuối khác nhau), các thông điệp đáp ứng riêng biệt của nhiều đầu cuối di động có thể được kết hợp trong một truyền dẫn duy nhất. Do đó, các thông điệp đáp ứng
được sắp xếp trên DL-SCH và được biểu thị trên một kênh điều khiển L1/L2 bằng cách sử dụng một nhận dạng được dành riêng cho đáp ứng truy cập ngẫu nhiên. Tất cả các đầu cuối đã phát Preamble sẽ giám sát các kênh điều khiển L1/L2 để đáp ứng truy cập ngẫu nhiên. Trong đặc tính kỹ thuật, định thời của thơng điệp đáp ứng thì khơng cố định - để có thể đáp ứng cho nhiều truy cập đồng thời một cách đầy đủ. Nó cũng một vài độ linh hoạt trong sự thực thi trạm gốc.
Khi các đầu cuối thực hiện truy cập ngẫu nhiên ở nguồn tài nguyên giống nhau sử dụng Preamble khác nhau, sẽ khơng có xung đột xuất hiện và từ báo hiệu đường xuống nó sẽ đưa đến các đầu cuối thơng tin có liên quan. Tuy nhiên, vẫn có một khả năng chắc chắn của sự tranh chấp, đó là khi nhiều đầu cuối sử dụng Preamble truy cập ngẫu nhiên ở cùng thời điểm. Trong trường hợp này, nhiều đầu cuối sẽ phản ứng lại trên thông điệp đáp ứng giống nhau và tranh chấp xuất hiện. Việc giải quyết các tranh chấp này là một phần của bước tiếp theo như được thảo luận bên dưới. Tranh chấp cũng là một trong những nguyên nhân tại sao Hybrid ARQ thì khơng được sử dụng cho truyền dẫn đáp ứng truy cập ngẫu nhiên. Khi một đầu cuối thu một đáp ứng truy cập ngẫu nhiên được dự định cho các đầu cuối khác thì sẽ bị sai về định thời đường lên. Nếu Hybrid ARQ được sử dụng, định thời của ACK/NAK cho một đầu cuối như vậy sẽ khơng đúng và có thể gây nhiễu loạn báo hiệu điều khiển đường lên từ những người sử dụng khác.
Trong lúc thu nhận đáp ứng truy cập ngẫu nhiên trong bước hai, đầu cuối sẽ điều chỉnh định thời truyền dẫn đường lên của nó và tiếp tục đến bước thứ ba.
5.2.3. Bước 3: Nhận dạng đầu cuối
Sau bước thứ hai, đường lên của đầu cuối được đồng bộ thời gian. Tuy nhiên, trước khi dữ liệu người dùng có thể được phát đến/từ đầu cuối, một nhận dạng duy nhất trong Cell (C-RNTI) phải được ấn định đến đầu cuối. Phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối, cũng có thể cần đến việc trao đổi thơng điệp bổ sung.
Trong bước thứ ba, đầu cuối phát các thông điệp cần thiết đến mạng sử dụng các nguồn tài nguyên được ấn định trong đáp ứng truy cập ngẫu nhiên ở bước hai. Việc truyền các thông điệp đường lên với cùng cách giống như khi dữ liệu đường lên được hoạch định thay vì gắn nó với Preamble ở bước thứ nhất sẽ có lợi hơn do nhiều nguyên
nhân. Đầu tiên là lượng thông tin được phát trong sự vắng mặt đồng bộ đường lên nên được giảm thiểu khi nhu cầu cho một khoảng thời gian bảo vệ lớn để tạo ra truyền dẫn như vậy sẽ liên quan đến chi phí. Thứ hai, việc sử dụng sơ đồ phát đường lên thông thường cho truyền dẫn thông điệp cho phép điều chỉnh đến sơ đồ điều chế và kích thước cho phép (Grant Size), chẳng hạn, các điều kiện vô tuyến khác nhau. Cuối cùng, nó cho phép sử dụng Hybrid ARQ với sự kết hợp mềm cho thông điệp đường lên. Một khía cạnh quan trọng sau cùng, nhất là trong viễn cảnh giới hạn về vùng phủ sóng, khi nó cho phép sử dụng một hoặc nhiều sự truyền lại để tập hợp đủ năng lượng cho báo hiệu đường lên để đảm bảo khả năng đủ lớn của truyền dẫn thành công. Chú ý rằng truyền lại RLC không được sử dụng cho báo hiệu RRC đường lên trong bước ba.
Một phần quan trọng của thông điệp đường lên bao gồm một nhận dạng đầu cuối vì nhận dạng này sẽ được sử dụng như một phần của cơ chế giải quyết tranh chấp trong bước bốn. Khi trường hợp đầu cuối ở trong trạng thái LTE_ACTIVE, nghĩa là nó được kết nối đến một Cell được nhận biết và do đó có một C-RNTI được ấn định, C- RNTI này được sử dụng như nhận dạng đầu cuối trong thông điệp đường lên. Mặc khác, một nhận dạng đầu cuối mạng lõi được sử dụng và mạng truy cập vô tuyến cần bao hàm (Involve) mạng lõi trước khi đáp ứng thông điệp đường lên trong bước 3.
5.2.4. Bước 4: Giải quyết tranh chấp