4.2.1. Tài nguyên vật lý đường xuống
Như đã được đề cập trong phần tổng quan về truy nhập vô tuyến ở chương 2, truyền dẫn đường xuống LTE dựa trên việc ghép kênh phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM). Theo như mô tả thì tài nguyên vật lý đường xuống LTE có thể được xem như một mạng lưới tài nguyên thời gian-tần
số (xem Hình 4.3), nơi mà mỗi phần tử tài nguyên (Resource Element) tương ứng với một sóng mang OFDM trong suốt một khoảng ký tự OFDM (OFDM Symbol Interval) (trong trường hợp truyền dẫn đa anten, sẽ chỉ có một mạng lưới tài nguyên cho một anten).
Hình 4.3: Tài nguyên vật lý đường xuống LTE
Đối với đường xuống LTE, khoảng cách sóng mang OFDM được chọn với
kHz 15 f
. Giả thiết một thực thi đầu phát/đầu thu dựa trên FFT (An FFT-Based Transmitter/Receiver Implementation), điều này tương ứng với một tần số lấy mẫu
FFT s 15000.N
f , với NFFT là kích thước FFT. Đơn vị thời gian Ts được định nghĩa trong phần trước vì vậy có thể được xem như thời gian lấy mẫu của một thực thi đầu phát/đầu thu dựa trên FFT (An FFT-Based Transmitter/Receiver Implementation) với
FFT
N = 2048. Điều quan trọng cần phải hiểu là mặc dù đơn vị thời gian Ts được giới thiệu trong đặc tính truy nhập vơ tuyến LTE chỉ như một công cụ để xác định những khoảng thời gian khác nhau và nó khơng áp đặt bất cứ một ràng buộc về thực thi đầu phát/đầu thu cụ thể nào, chẳng hạn một tần số lấy mẫu xác định. Trong thực tế, một thực thi đầu phát/đầu thu dựa trên FFT với NFFT = 2048 và một tần số lấy mẫu tương ứng fs = 30.72 MHz là thích hợp cho những băng thông truyền dẫn LTE rộng hơn, chẳng hạn những băng thông khoảng 15 MHz và cao hơn. Tuy nhiên, đối với những băng thơng truyền dẫn nhỏ hơn, một kích thước FFT nhỏ hơn và một tần số lấy mẫu nhỏ hơn tương ứng cũng có thể được sử dụng rất tốt. Ví dụ, đối với các băng thông truyền dẫn trong khoảng 5 MHz, một kích thước NFFT= 512 và một tần số lấy mẫu tương ứng fs 7.68 MHz có thể sẽ đủ.
Một lý luận để chấp nhận một khoảng cách sóng mang phụ 15 KHz cho LTE đó là nó có thể đơn giản hóa việc triển khai các thiết bị đầu cuối đa chế độ WCDMA/HSPA/LTE. Giả sử có hai kích thước FFT và một khoảng cách sóng mang phụ Δf = 15 kHz, tần số lấy mẫu fs f.NFFT sẽ là một bội số (Multiple) hoặc ước số (Submultiple) của tốc độ chip WCDMA/HSPA fcr= 3.84 MHz. Các thiết bị đầu cuối đa chế độ WCDMA/HSPA/LTE (Multi Mode WCDMA/HSPA/LTE Terminals) khi đó được triển khai dễ dàng với một mạch đồng hồ đơn (A Single Clock Circuitry).
Ngồi khoảng cách sóng mang phụ 15 kHz, một khoảng cách sóng mang phụ rút gọn fflow=7.5 kHz cũng được xác định cho LTE. Mục tiêu cụ thể của khoảng cách sóng mang phụ rút gọn đó là truyền dẫn Multicast/Broadcast dựa trên MBSFN mà sẽ được thảo luận sâu hơn trong phần 4.2.6. Những thảo luận còn lại trong phần này và những chương tiếp theo sẽ giả thiết khoảng cách sóng mang 15 kHz trừ khi được trình bày rõ ràng theo cách khác.
Hình 4.4: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE.
Như được minh họa trong Hình 4.4, trong miền tần số, các sóng mang phụ đường xuống được tập hợp lại vào trong những khối tài nguyên (Resource Blocks), nơi mà mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang phụ liên tiếp nhau tương ứng với một băng thông khối tài nguyên danh định rộng 180 kHz. Ngồi ra, cịn có một sóng mang phụ DC không sử dụng nằm ở giữa phổ tần đường xuống. Ngun nhân tại sao sóng mang phụ DC khơng được sử dụng cho bất cứ truyền dẫn nào là vì nó có thể trùng với tần số bộ tạo dao động nội (Local Oscillator Frequency) tại đầu phát trạm gốc hoặc
đầu thu của thiết bị đầu cuối di động. Hệ quả là nó có thể phải chịu nhiễu cao không tỷ lệ (It May Be Subject To Unproportionally High Interference), ví dụ, do bộ dao động nội bị rị điện.
Tổng số sóng mang phụ trên một sóng mang đường xuống, bao gồm sóng mang phụ DC, vì vậy bằngNSC 12.NRB1, với NRB là số lượng các khối tài nguyên. Đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý LTE thật ra cho phép một sóng mang đường xuống có thể bao gồm bất cứ số lượng khối tài nguyên nào, trong khoảng từ 6 khối lên tới trên 100 khối tài nguyên. Điều này tương ứng với một băng thông truyền dẫn đường xuống danh định từ khoảng 1 MHz lên tới ít nhất khoảng 20 MHz với một độ chi tiết rất nhuyễn. Điều này mang lại một mức độ rất cao về tính linh hoạt trong băng thơng/phổ tần của LTE, ít nhất từ góc độ đặc tính lớp vật lý. Tuy nhiên, như cũng được đề cập trong chương 2, những yêu cầu về tần số vơ tuyến LTE, ít nhất ngay từ đầu, cũng chỉ được xác định cho một nhóm những băng thông truyền dẫn giới hạn, tương ứng với một nhóm giới hạn các giá trị có thể đối với số lượng của các khối tài nguyên NRB.
Hình 4.5 sẽ phác thảo chi tiết hơn cấu trúc miền thời gian - tần số cho truyền dẫn đường xuống LTE. Mỗi khung phụ 1ms bao gồm hai khe với kích thước bằng nhau có độ dài Tslot= 0.5 ms (15360.Ts). Mỗi khe lại bao gồm một số lượng các ký hiệu OFDM (OFDM Symbols) kèm theo tiền tố chu trình (Cyclic Prefix).
Như đã biết, một khoảng cách sóng mang phụ Δf = 5 kHz tương ứng với một thời gian ký hiệu hữu dụng Tu 1/f 66.7s(2048.Ts). Theo đó tồn bộ thời gian ký hiệu OFDM là tổng của thời gian ký hiệu hữu dụng và chiều dài tiền tố chu trình TCP. Theo như minh họa trong Hình 4.5, LTE xác định hai chiều dài tiền tố chu trình, một tiền tố chu trình bình thường và một tiền tố chu trình mở rộng, tương ứng với 7 và sáu ký hiệu OFDM trên 1 khe. Chiều dài của tiền tố chu trình chính xác, được trình bày qua đơn vị thời gian cơ bản Ts,được đưa ra trong Hình 4.5. Cần phải chú ý rằng, trong trường hợp tiền tố chu trình bình thường, chiều dài tiền tố chu trình cho ký hiệu OFDM đầu tiên của một khe thì lớn hơn một chút, so với những ký hiệu OFDM còn lại. Nguyên nhân của việc này chỉ đơn giản là lấp đầy toàn bộ khe 0.5 ms khi số lượng đơn vị thời gian Ts trên một khe (15360) không chia hết cho 7.
Hình 4.5: Cấu trúc khung phụ và khe thời gian đường xuống LTE. Một khung
phụ bao gồm hai khe thời gian kích thước bằng nhau. Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy ký hiệu OFDM lần lượt tương ứng với trường hợp tiền tố chu trình bình thường và tiền tố chu trình mở rộng.
Nguyên nhân của việc xác định hai chiều dài tiền tố chu trình cho LTE bao gồm hai phần:
a) Một tiền tố chu trình dài hơn, mặc dù là kém hiệu nếu xét về mặt chi phí, nhưng nó lại trở nên có lợi trong một số môi trường đặc biệt khi mà trễ lan truyền là rất rộng, ví dụ trong những tế bào kích thước rất lớn. Một điều quan trọng cần phải nhớ là một tiền tố chu trình dài hơn không phải lúc nào cũng có lợi đối với những tế bào lớn, cho dù trễ lan truyền là rất rộng trong những trường hợp như vậy. Trong những tế bào lớn, nếu hiệu suất đường truyền bị giới hạn bởi nhiễu hơn là bởi sai lệch tín hiệu do phân tán thời gian dư (Residual Time Dispersion) không được bảo vệ bởi tiền tố chu trình, một sức mạnh bổ sung cho phân tán thời
gian kênh vô tuyến, do việc sử dụng một tiền tố chu trình dài hơn, có thể sẽ khơng bù đắp được sự tổn thất về mặt năng lượng tín hiệu thu được.
b) Như đã biết, trong trường hợp truyền dẫn Multicast/Broadcast dựa trên MBSFN, tiền tố chu trình khơng chỉ bao phủ phần chính của phân tán thời gian kênh thật sự mà cịn bao phủ phần chính của sự khác nhau về thời gian giữa những truyền dẫn thu được từ các tế bào liên quan trong việc truyền MBSFN. Trong hoạt động MBSFN, tiền tố chu trình mở rộng vì vậy mà thường được cần đến.
Vì vậy, việc sử dụng chủ yếu tiền tố chu trình mở rộng LTE là trong truyền dẫn dựa trên MBSFN. Cần phải chú ý rằng các chiều dài tiền tố chu trình khác nhau có thể được sử dụng cho nhiều khung phụ khác nhau trong cùng một khung. Theo một ví dụ, truyền dẫn Multicast/Broadcast dựa trên MBSFN có thể bị hạn chế trong những khung phụ nào đó đối với những trường hợp sử dụng tiền tố chu trình mở rộng, cùng việc nó liên kết với mào đầu tiền tố chu trình bổ sung (Additional Cyclic Prefix Overhead), sẽ chỉ được áp dụng với những khung phụ này.
Khi xem xét về cấu trúc miền thời gian đường xuống, các khối tài nguyên được đề cập ở trên bao gồm 12 sóng mang phụ trong suốt một khe thời gian 0.5 ms, như minh họa trong Hình 4.6. Vì vậy mỗi khối tài nguyên bao gồm 12.7 = 84 phần tử tài nguyên đối với trường hợp tiền tố chu trình bình thường và 12.6 = 72 phần tử tài nguyên đối với trường hợp tiền tố chu trình mở rộng.
Hình 4.6: Khối tài nguyên đường xuống dành cho tiền tố chu trình bình thường,
nghĩa là, có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe. Với tiền tố chu trình mở rộng thì có 6 ký hiệu OFDM trên 1 khe và như vậy, tổng cộng có 72 phần tử tài nguyên trong một khối tài ngun.
Hình 4.7: Cấu trúc tín hiệu tham khảo đường xuống LTE dành cho tiền tố chu trình bình thường, nghĩa là có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe. trình bình thường, nghĩa là có 7 ký hiệu OFDM trên 1 khe.
4.2.2. Các tín hiệu tham khảo đường xuống
Để thực hiện giải điều chế đường xuống một cách nhất quán (Downlink Coherent Demodulation), thiết bị đầu cuối di động cần phải đánh giá kênh truyền đường xuống. Như đã đề cập , một phương pháp đơn giản cho phép đánh giá kênh truyền trong truyền dẫn OFDM là chèn thêm những ký hiệu tham khảo (Known Reference Symbols) đã biết vào trong mạng lưới tài nguyên thời gian-tần số OFDM. Trong LTE, những ký hiệu tham khảo này đều được quy thành những tín hiệu tham khảo đường xuống LTE.
Theo minh họa trong Hình 4.7, các ký hiệu tham khảo đường xuống được chèn vào bên trong những ký hiệu OFDM thứ nhất và thứ ba cuối cùng của mỗi khe và với một khoảng cách miền tần số gồm 6 sóng mang phụ. Hơn nữa, có một sự xen kẽ miền tần số (A Frequency Domain Staggering Of Three Subcarriers) gồm 3 sóng mang phụ giữa tín hiệu tham khảo đầu tiên và tín hiệu tham khảo thứ hai. Trong mỗi khối tài nguyên, bao gồm 12 sóng mang phụ trong suốt một khe thời gian, vì vậy mà ở đây có 4 ký hiệu tham khảo. Điều này đúng cho tất cả các khung phụ ngoại trừ những khung phụ được sử dụng cho truyền dẫn dựa trên MBSFN (xem thêm ở phần 4.2.6).
Để đánh giá kênh truyền qua toàn bộ mạng lưới mạng lưới thời gian-tần số cũng như là để làm giảm tạp âm trong những đánh giá kênh truyền, thiết bị đầu cuối di động phải thực hiện phép nội suy/lấy trung bình thơng qua nhiều ký hiệu tham khảo. Vì vậy, khi thực hiện đánh giá kênh truyền cho một khối tài nguyên nào đó, thiết bị đầu cuối di
động có thể khơng chỉ sử dụng những ký hiệu tham khảo trong khối tài ngun đó mà cịn trong những khối tài nguyên lân cận ở miền tần số, cũng như là những ký hiệu tham khảo của những khe thời gian hay khung phụ thu được trước đó. Tuy nhiên, phạm vi để thiết bị đầu cuối di động có thể thực hiện phép tính trung bình qua nhiều khối tài ngun trong miền tần số hay thời gian dựa trên những đặc tính kênh truyền. Trong trường hợp độ chọn lọc tần số kênh truyền cao (High Channel Frequency Selectivity), khả năng thực hiện phép bình quân trong miền tần số là giới hạn. Tương tự, khả năng tính bình qn trong miền thời gian, đó là khả năng sử dụng các ký hiệu tham khảo trong những khe thời gian hay khung phụ thu được trước đó, cũng bị giới hạn trong trường hợp sự biến đổi kênh truyền diễn ra nhanh (Fast Channel Variatons), ví dụ, do vận tốc cao của thiết bị đầu cuối di động. Cũng cần phải chú ý rằng, trong trường hợp TDD, khả năng tính bình qn thời gian có thể bị giới hạn, vì những khung phụ trước đó thậm chí có thể khơng được chỉ định cho truyền dẫn đường xuống.
4.2.2.1. Các chuỗi tín hiệu tham khảo và việc nhận dạng tế bào lớp vật lý (Reference Signals Sequences And Physical Layer Cell Identity)
Nói chung, các giá trị phức hợp (Complex Values) của các ký hiệu tham khảo sẽ thay đổi giữa các vị trí ký hiệu tham khảo khác nhau cũng như giữa những tế bào khác nhau. Vì vậy, tín hiệu tham khảo của một tế bào có thể được xem như là một chuỗi hai chiều, trong đặc điểm kỹ thuật LTE được gọi là một chuỗi tín hiệu tham khảo hai chiều. Tương tự với mã ngẫu nhiên hóa trong WCDMA/HSPA, chuỗi tín hiệu tham khảo LTE có thể được xem như một chỉ thị để nhận dạng tế bào lớp vật lý LTE. Có 510 chuỗi tín hiệu tham khảo được định nghĩa trong đặc điểm kỹ thuật LTE, tương ứng với 510 nhận dạng tế bào khác nhau.
Về mặt chi tiết, mỗi chuỗi tín hiệu tham khảo có thể được xem như sản phẩm của một chuỗi giả ngẫu nhiên hai chiều (A Two Dimensional Pseudo-Random Sequence) và một chuỗi trực giao hai chiều (A Two Dimensional Orthogonal Sequence). Có tổng cộng 170 chuỗi giả ngẫu nhiên được định nghĩa trong đặc điểm kỹ thuật LTE, mỗi chuỗi tương ứng với một trong số 170 nhóm nhận dạng tế bào. Ngồi ra, cịn có 3 chuỗi trực giao được định nghĩa, mỗi chuỗi tương ứng với một nhận dạng tế bào riêng biệt trong mỗi nhóm nhận dạng tế bào. Các chuỗi tín hiệu tham khảo và cấu trúc của
nó là sản phẩm của một chuỗi giả ngẫu nhiên và một chuỗi trực giao có thể được sử dụng như là một phần của việc dị tìm tế bào LTE (xem thêm Chương 5).
Các chuỗi tín hiệu tham khảo thường được áp dụng thích hợp với những tế bào thuộc cùng một eNodeB, những tế bào này được chỉ định càng nhiều càng tốt các nhận dạng tế bào lớp vật lý (Physical Layer Cell Identities) trong cùng một nhóm nhận dạng tế bào, nghĩa là được chỉ định những tín hiệu tham khảo dựa trên cùng một chuỗi giả ngẫu nhiên nhưng khác các chuỗi trực giao. Bằng cách làm như vậy, sự can nhiễu giữa những tín hiệu tham khảo của các tế bào khác nhau của cùng một eNodeB có thể được giảm thiểu.
4.2.2.2. Nhảy tần tín hiệu tham khảo (Reference Signal Frequency Hopping)
Trong cấu trúc tín hiệu tham khảo được phác họa trong Hình 4.7, các vị trí miền tần số của các ký hiệu tham khảo là giống nhau giữa các khung phụ liên tiếp. Tuy nhiên, các vị trí miền tần số của các ký hiệu tham khảo cũng có thể khác nhau giữa những khung phụ liên tiếp, còn được xem như là sự nhảy tần ký hiệu tham khảo.
Trong trường hợp nhảy tần ký hiệu tham khảo, những vị trí liên quan của các ký hiệu tham khảo trong một khung phụ là giống nhau như trong Hình 4.7. Vì vậy, việc nhảy tần có thể được mô tả như việc thêm một chuỗi các độ lệch tần (Frequency Offsets) vào mơ hình mẫu ký hiệu tham khảo cơ bản được phác họa trong Hình 4.7, với độ lệch giống nhau cho tất cả các ký hiệu tham khảo trong một khung phụ, nhưng khác nhau giữa các khung phụ liên tiếp. Vị trí ký hiệu tham khảo p trong khung phụ k vì vậy có thể được trình bày như sau:
- Các ký hiệu tham khảo đầu tiên: p(k) = (p0+6.i+offset(k)) mod 6. - Các ký hiệu tham khảo thứ hai: p(k) = (p0+6.i+3+offset(k)) mod 6.
Với i là một số nguyên. Chuỗi các độ lệch tần hay mơ hình nhảy tần (The Frequency Hopping Pattern) có một chu kỳ với độ dài là 10, nghĩa là mơ hình nhảy tần được lặp lại giữa các khung liên tiếp. Có 170 mơ hình nhảy tần khác nhau được định nghĩa, và mỗi mơ hình tương ứng với một nhóm nhận diện tế bào.