Hoạt động của HSDPA dựa trên việc sử dụng thích ứng đường truyền, lập biểu nhanh và phát lại nhanh lớp vật lý. Tất cả các phương pháp này đều nhằm tăng dung lượng đường xuống. Nó không hỗ trợ chuyển giao mềm và điều khiển công suất như DCH.
Nguyên lý lập biểu được mô tả trên hình 2.2. Nút B đánh giá chất lượng kênh của từng máy di động HSDPA dựa trên hồi tiếp lớp vật lý nhận được từ đường lên. Sau đó lập biểu và thích ứng đường truyền được thưc hiện nhanh tùy thuộc vào giải thuật lập biểu và sơ đồ ưu tiên người sử dụng.
xxxii
Hình 2.2. Nguyên lý lập biểu của nút B HSDPA
Nguyên lý phát lại được cho trên hình 2.3. Trước hết gói cần phát được nạp vào bộ đệm của nút B. Trong trường hợp giải mã phía thu thất bại, nút thực hiện phát lại mà không cần RNC tham gia. Máy di động thực hiện kết hợp các phát lại. Phát theo RNC chỉ thực hiện khi xẩy ra sự cố hoạt động lớp vật lý (lỗi báo hiệu chẳng hạn). Phát lại theo RNC sử dụng chế độ báo nhận RLC, phát lại RLC không thường xuyên xẩy ra.
xxxiii
Hình 2.3. Nguyên lý xử lý phát lại của nút B
2.3. Các giao thức và các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE
2.3.1. Các giao thức trên giao diện vô tuyến
Giao diện vô tuyến được ký hiệu là LTE Uu (hình 2.4). Khác với kiến trúc 3G UMTS, 4G LTE không sử dụng RNC vì thế nó “phẳng” hơn. Các chức năng trước đây của RNC được đặt ngay trong eNodeB để có thể xử lý nhanh hơn các thay đổi trên đừơng truyền vô tuyến nhanh hơn. Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP. Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được ký hiệu là LTE Uu.
Hình 2.4 Kiến trúc mạng 4G LTE
Hình 2.5 cho thấy các ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến trong các UP và CP. Khác với 3G UMTS, LTE không có RNC nên tất cả các giao thức đều được đặt tại eNodeB.
Hình 2.5. Ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến của LTE
xxxiv
2.3.2 Các kênh trên giao diện vô tuyến của 4G LTE
Hình 2.6 cho thấy các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý. Ta thấy cấu trúc các kênh của 4GLTE được đơn giản hóa so với 3G. Trừ các kênh điều khiển RACH và BCH được sắp xếp các kênh vật lý riêng (PRACH/PBCH), tất cả các kênh còn lại đều được sắp xếp lên kênh vật lý chia sẻ: PDSCH/PUSCH.
Các kênh điều khiển trong mặt phẳng CP bao gồm:
√ BCCH (Broadcast Control Channel: kênh điều khiển quảng bá)
√ PCCH (Paging Control Channel: kênh điều khiển tìm gọi)
√ CCCH (Common Control Channel: kênh điều khiển chung)
√ MCCH (Multicast Control Channel: kênh điều khiển đa phương)
√ DCCH (Dedicated Control Channel: kênh điều khiển riêng)
Các kênh lưu lượng trong mặt phẳng UP bao gồm:
√ DTCH (Dedicated Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng)
√ MTCH (Multicast Traffic Channel: kênh lưu lượng riêng)
xxxv
Hình 2.6. Các kênh logic, các kênh truyền tải, các kênh vật lý và sắp xếp các kênh logic lên các kênh truyền tải, các kênh truyền tải lên các kênh vật lý
2.3.3. Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn
Các tài nguyên đường xuống trong LTE có các kích thước thời gian, tần số và không gian. Kích thước không gian được đo bằng ‘lớp’ và đựơc truy nhập bởi nhiều anten phát và nhiều anten thu. Hình 2.7 cho thấy cấu trúc tài nguyên không gian thời gian của LTE cho trường hợp độ dài tiền tố (CP) bình thường.
Hình 2.7 Lưới tài nguyên thời gian-tần số cơ sở của LTE (độ dài CP bình thường)
xxxvi
Trong miền thời gian các tài nguyên được chia nhỏ thành cấu trúc sau: đơn vị lớn nhất của thời gian là khung vô tuyến (Frame) 10ms, đến lượt mình khung vô tuyến lại được chia thành 10 khung con (Subfrane) 1ms và mỗi khung con đựơc chia thành hai khe (Time Slot) 0,5 ms. Mỗi khe bao gồm 7 ký hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP bình thường hoặc 6 ký hiệu OFDM trong trường hợp độ dài CP mở rộng và được lập cấu hình theo đặc điểm của ô.
Trong miền tần số, đơn vị tài nguyên nhỏ nhất là phần tử tài nguyên (RE: Resource Element) gồm một sóng mang con trong thời gian một ký hiệu OFDM. Mỗi sóng mang con có độ rộng băng tần bình thường là 15 kHz. Trong miền tần số, các RE được nhóm thành các đơn vị 12 sóng mang cong mang con có băng tần 180 kHz để tạo nên một khối tài nguyên trong miền tần số.
Trong miền không gian tần số, một đơn vị 12 sóng mang con nói trên trong thời gian một khe độ dài 0,5ms hợp thành một khối tài nguyên (RB: Resource Block) trong lưới tài nguyên không gian-thời gian.
Hình 2.8 thể hiện cấu trúc tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp (đối với đường truyền dẫn từ một anten) cho trường hợp CP bình thường.
xxxvii
Nguyễn Thị Hồng Doanh- D06VT2
Khối tài nguyên
Số ký hiệu, sóng mang OFDM trong một RB
Hình 2.8. Lưới tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp cho trường hợp CP bình thường
Các thông số truyền dẫn OFDM/DFTS-OFDM của LTE được tổng kết trong bảng 2.1
Bảng 2.1 Các thông số truyền dẫn OFDM của LTE
Băng thông kênh [MHz]
1,4 3 5 10 15 20
Số khối tài nguyên (RB) 6 15 25 50 75 100 Số sóng mang con được chiếm 72 180 300 600 900 1200 Kích thước IFFT/FFT 128 256 512 1024 1536 2048 Tần số lấy mẫu [MHz] 1,92 3,84 7,68 15,36 23,04 30,72
Số mẫu trên một khe 960 1920 3840 7680 11520 15360
Số ký hiệu OFDM trên khung con (CP ngắn/dài) 7/6 Độ dài CP* : (x/y) ×z Bình thường (4,7/9)x 6(5,2/10 )x1 (4,7/18)x6 (5,2/20)x1 (4,7/36) x6(5,2/4 0)x1 (4,7/72)x6 (5,2/80)x1 (4,7/108)x6 (5,2/120)x1 (4,7/144)x6 (5,2/160)x1 Mở rộng (16,7/32 ) (16,7/64) (16,7/12 8) (16,7/256) (16,7/384) (16,7/512) Độ dài CP (∆f= Mở rộng (33.33/1024)x3 xxxviii Nguyễn Thị Hồng Doanh- D06VT2
7, 5kHz )
* (x/y)×z: x là độ dài CP (µs), y là số mẫu trong một CP và z là số ký hiệu ký hiệu
OFDM. Các thông số của khối tài nguyên RB được cho trong bảng 2.2
Bảng 2.2 Các thông số của khối tài nguyên (RB) vật lý
Cấu hình RB sc N RB k.h N Đường xuống RB k.h N Đường lên CP bình thường ∆f=15kHz 12 7 7 CP mở rộng ∆f=15kHz 12 6 6 ∆f=7,5kHz 24 3 Không áp dụng
Hình 2.9 cho thấy cấu trúc tài nguyên trong một khe thời gian cho băng thông kênh
20MHz với tần số lấy mẫu fs=30,72MHz và ∆f=15 KHz.
TCP=160.Ts5,2µs (khối DFT thứ nhất), 144.Ts4,7µs (các khối DFT còn lại).
xxxix
TCP-e=512Ts16,7µs (Tcp-e ký hiệu cho thời gian CP mở rộng).
Hình 2.9. Cấu trúc khe: Một khung con bao gồm hai khe độ dài bằng nhau. Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy khối OFDM (đường xuống) hoặc DFTS-OFDM (đường lên) cho trường hợp CP
bình thường và CP mở rộng
2.4. Quy hoạch tần số cho 4G LTE
Bảng 2.3 liệt kê các băng tần hiện thời được quy định cho LTE. Hiện thời có 17 băng cho FDD và 8 băng cho TDD. Mỗi khi có thể, các quy định vô tuyến cho FDD và TDD được duy trì như nhau để đảm bảo sự tương đồng tối đa giữa hai chế độ này.
Nói chung các đặc tả lớp vật lý và rất nhiều các quy định vô tuyến giống nhau đối với các băng tần nói trên, nhưng cũng có một số ngoại lệ đối với các đặc tả vô tuyến của UE. Các quy định vô tuyến đối với eNodeB trong một băng tần được định nghĩa không rõ ràng vì các quy định cho việc thực hiện trạm gốc ít hơn. Nếu xuất hiện nhu cầu, các băng tần khác có thể dễ ràng bổ sung và chỉ ảnh hưởng đến các bộ phận đã đựơc tách riêng của các đặc tả vô tuyến. Ngoài ra các phương án tần số của LTE không phụ thuộc vào nội dung tính năng phát hành của LTE cơ sở (phát hành R8, R9…). Các phương án tần số này sẽ được bổ sung trong chương trình khung của phát hành R9 và vẫn có thể được thực hiện với việc sử dụng các tính năng của R8.
Các băng số 15 và 16 không sử dụng cho LTE vì chúng được sử dụng trong các đặc tả của ETSI.
xl
Bảng 2.3 Các băng tần LTE
Băng LTE
Đường lên Đường xuống Chế độ
song công 1 1920MHz-1980 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD 2 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz FDD 3 1710 MHz – 1785 MHz 1805 MHz – 1880 MHz FDD 4 1710 MHz – 1755 MHz 2110 MHz – 2155 MHz FDD 5 824 MHz – 849 MHz 869 MHz – 894 MHz FDD 6 830 MHz – 840 MHz 875 MHz – 885 MHz FDD 7 2500 MHz – 2570 MHz 2620 MHz – 2690 MHz FDD 8 880 MHz – 915 MHz 925 MHz – 960 MHz FDD 9 1749,9 MHz – 1784,9 Hz 1844,9 MHz – 1879,9 MHz FDD 10 1710 MHz – 1770 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD 11 1427,9 MHz – 1452,9 MHz 1475,9 MHz – 1500,9 MHz FDD 12 698 MHz – 716 MHz 728 MHz – 746 MHz FDD 13 777 MHz – 787 MHz 746 MHz – 756 MHz FDD 14 788 MHz – 798 MHz 758 MHz – 768 MHz FDD 17 704 MHz – 716 MHz 734 MHz – 746 MHz FDD 18 815 MHz – 830 MHz 860 MHz – 875 MHz FDD 19 830 MHz – 845 MHz 875 MHz – 890 MHz FDD … 33 1900 MHz – 1920 MHz 1900 MHz – 1920 MHz TDD xli Nguyễn Thị Hồng Doanh- D06VT2
34 2010 MHz – 2025 MHz 2010 MHz – 2025 MHz TDD 35 1850 MHz – 1910 MHz 1850 MHz – 1910 MHz TDD 36 1930 MHz – 1990 MHz 1930 MHz – 1990 MHz TDD 37 1910 MHz – 1930 MHz 1910 MHz – 1930 MHz TDD 38 2570 MHz – 2620 MHz 2570 MHz – 2620 MHz TDD 39 1880 MHz – 1920 MHz 1880 MHz – 1920 MHz TDD 40 2300 MHz – 2400 MHz 2300 MHz – 2400 MHz TDD
2.5. Tổ chức kênh tần số trong LTE
2.5.1 Băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền dẫn
Độ rộng sóng mang LTE được định nghĩa bằng các khái niệm băng thông kênh (Bchannel)
và cấu hình băng thông truyền dẫn (Bconfig ) như trên hình vẽ 2.10 và quan hệ giữa chúng
được thể hiện trong bảng 2.4
xlii
Hình 2.10. Định nghĩa băng thông kênh Bchannel và cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig
Bảng 2.4 Cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig trong LTE
Băng thông kênh Bchannel, (MHz)
Cấu hình băng thông truyền dẫn, NRB
Cấu hình băng thông truyền dẫn Bconfig, (MHz) 1,4 6 1,08 3 15 2,7 5 25 4,5 10 50 9 15 75 13,5 20 100 18
Băng thông kênh là thông số liên quan đến tần số vô tuyền để quy định phát xạ ngoài băng (OOB: Out of Band), (chẳng hạn mặt nạ phát xạ phổ, tỷ lệ dò kênh lân cận: CLR). Các biên của kênh vô tuyến được định nghĩa là các tần số thấp nhất và cao nhất
của kênh mang được phân cách bởi băng thông kênh: fc±Bchannel .
xliii
2.5.2 Sắp xếp kênh tần số
Các kênh của LTE được sắp xếp theo mành phổ 100 KHz, nghĩa là tần số trung tâm phải là một số nguyên lần 100 kHz. So sánh với UMTS sắp xếp kênh thao mành 200 KHz.
Khoảng cách giữa các sóng mang sẽ phụ thuộc vào kịch bản triển khai, kích thước của khối tần số khả dụng và các băng thông kênh. Khoảng cách kênh chuẩn giữa hai sóng mang LTE được xác định như sau:
Khoảng cách kênh chuẩn= (Bchannel1-Bchannel2)/2 (2.2)
Trong đó Bchannel1 và Bchannel2 là các băng thông của hai sóng mang tương ứng.
Cũng có thể điều chỉnh băng thông chuẩn để tối ưu hiệu năng trong một kịch bản triển khai cụ thể, nghĩa là phối hợp hoạt động với các sóng mang LTE lân cận.
2.6. Điều chế trong 4G LTE
Tập các sơ đồ điều chế được LTE hỗ trợ cho đường xuống và đường lên gồm QPSK, 16QAM và 64QAM, tương ứng với hai, bốn và sáu bit trên một ký hiệu điều chế. Tất cả các sơ đồ điều chế này đều có thể áp dụng cho trường hợp truyền dẫn kênh lưu lượng (DL-SCH). Đối với các kênh truyền tải khác có thể có một số quy định hạn chế. Chẳng hạn, chỉ điều chế QPSK là có thể được áp dụng cho truyền dẫn quảng bá (BCH).
2.6.1. Xử lý kênh truyền tải
2.6.1.1 Xử lý kênh truyền tải đường xuống
Lớp vật lý giao tiếp với các lớp cao hơn đặc biệt là với lớp MAC thông qua các kênh truyền tải. LTE thừa hưởng nguyên lý cơ sở của WCDMA/HSPA rằng số liệu được chuyển đến kênh vật lý trong dạng các khối truyền tải có kích thước nhất định. Về cấu trúc chi tiết kênh truyền tải, LTE tiếp nhận giải pháp giống như HSPA:
√ Trong trường hợp phát một anten, nhiều nhất chỉ có một khối truyền tải với
kích thước động cho từng TTI.
√ Trong trường hợp truyền dẫn nhiều anten, có thể có đến hai khối truyền tải
kích thước động cho từ TTI, trong đó mỗi khối truyền tải tương ứng với một từ mã trong trường hợp ghép kênh không gian đường xuống. Nghĩa là mặc dù LTE hỗ trợ ghép kênh không gian đường xuống với bốn anten, nhưng số từ mã vẫn giới hạn bằng hai.
xliv
Xử lý kênh truyền tải đường xuống, đặc biệt là xử lý DL-SCH với hai chuỗi xử lý riêng biệt, trong đó mỗi chuỗi tương ứng với xử lý một khối truyền tải. Chuỗi xử lý thứ hai tương ứng với khối truyền tải thứ hai chỉ tồn tại trong trường hợp ghép kênh không gian. Trong trường hợp này, hai khối truyền tải có kích thước khác nhau (trong
trường hợp tổng quát) được kết hợp như là một phần của sắp xếp anten ở phần dưới
của hình 2.11
RM: Resource Mapping: sắp xếp tài nguyên
Phần đường đứt nét chỉ có khi sử dụng ghép kênh không gian, trong đó hai khối truyền tải được truyền song song trong một TTI.
Hình 2.11 Xử lý khối truyền tải đường xuống
2.6.1.2 Xử lý kênh truyền tải đường lên
Xử lý kênh truyền tải đường lên được minh họa trên hình 2.12. Vì không có ghép kênh không gian LTE, nên chỉ có một khối truyền tải với kích thước động được phát trong từng TTI.
√ Chèn CRCI. Giống như đường xuống, CRC được tính toán và được gắn vào từng khối truyền tải.
xlv
√ Mã hóa kênh. Mã hóa kênh đường lên sử dụng mã turbo với bộ đan xen nội dựa trên QPP giống như đường xuống.
√ Chức năng HARQ lớp vật lý. Các khía cạnh lớp vật lý của HARQ đường lên LTE cũng giống như chức năng đường xuống tương ứng, nghĩa là chức năng lớp vật lý HARQ lấy ra từ khối các bit ở đầu ra bộ mã hóa kênh tập bit sẽ phát tại mỗi thời điểm phát/phát lại. Lưu ý rằng ở một số khía cạnh, tồn tại một số khác biệt rõ ràng giữa các giao thức HARQ đường xuống và đường lên, như khai thác đồng bộ và không đồng bộ. Tuy nhiên các khác biệt này không được phản ánh trong các khía cạnh lớp vật lý của HARQ.
√ Ngẫu nhiên hóa mức bit. Tương tự như đường xuống, ngẫu nhiên hóa mức
bit cũng có thể được áp dụng cho các bit sau mã hoá trên đường lên LTE. Mục
đích của ngẫu nhiên hóa mức bit đường lên cũng giống như đường xuống là để ngẫu nhiên hóa nhiễu và vì thế đảm bảo đạt được độ lợi xử lý đầy đủ của mã hóa kênh. Để đạt được điều này, ngẫu nhiên hoá đường lên phải đặc thù đầu cuối di động, nghĩa là các đầu cuối di động sử dụng các chuỗi ngẫu nhiên khác nhau.
√ Điều chế số liệu. Tương tự như đường xuống, điều chế số liệu đường lên chuyển đổi một khối các bit nhận được sau mã hóa kênh/ngẫu nhiên hóa vào một khối các ký hiệu điều chế phức. Tập các sơ đồ điều chế được sử dụng cho đường lên LTE cũng giống như đối với đường xuống, QPSK, 16QAM và 64QAM tương ứng với hai, bốn và sáu bit trên một ký hiệu điều chế.
Khối các ký hiệu điều chế sau đó được đưa đến xử lý DFTS-OFDM. Xử lý này đồng thời cũng sắp xếp tín hiệu lên băng tần được ấn định.
xlvi
Hình 2.12. Xử lý kênh truyền tải đường lên
2.7. Báo hiệu điều khiển L1/L2
2.7.1 Báo hiệu điều khiển L1/L2 đường xuống