5.2. Truy nhập ngẫu nhiên
5.2.1. Bƣớc 1: Truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên
Bƣớc đầu tiên trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên là việc truyền một phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên. Mục đích chính của phần mở đầu là để chỉ ra với mạng sự hiện diện của một cố gắng truy nhập ngẫu nhiên và để có đƣợc sự đồng bộ thời gian hƣớng lên trong phạm vi một phần nhỏ của tiền tố vòng hƣớng lên.
Nhìn chung, truyền dẫn phẩn mở đầu truy nhập ngẫu nhiên có thể trực giao hoặc khơng trực giao với dữ liệu ngƣời sử dụng. Trong WCDMA phần mở đầu là không trực giao với việc truyền dữ liệu hƣớng lên. Điều này cung cấp lợi ích của việc khơng có sự cấp phát nửa –tĩnh (semi-statically) bất kỳ nguồn tài nguyên cho truy nhập ngẫu nhiên. Tuy nhiên, với việc điều khiển sự nhiễu của truy nhập ngẫu nhiên – tới – dữ liệu, công suất truyền của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên phải đƣợc điều khiển cẩn thận. Trong WCDMA, điều này đƣợc giải quyết thông qua việc sử dụng một thủ tục dốc-công suất( power-ramping), mà thiết bị đầu cuối sẽ tăng dần dần công suất của phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên cho đến khi nó đƣợc phát hiện thành cơng tại trạm gốc. Mặc dù đây là một giải pháp phù hợp với vấn đề nhiễu, thủ tục dốc tạo ra một độ trễ trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên tồn bộ. Do đó, từ quan điểm sự trễ, một thủ tục truy nhập ngẫu nhiên khơng địi hỏi dốc cơng suất là có lợi. Trong LTE, việc truyền tải phần tiêu đề truy nhập ngẫu nhiên có thể đƣợc thực hiện trực giao với truyền dẫn dữ liệu ngƣời dùng hƣớng lên, và kết quả là khơng có sự dốc cơng suất là cần thiết ( mặc dù các thông số kỹ thuật tất cả đều cho phép dốc công suất). Trực giao giữa việc truyền dữ liệu ngƣời dùng từ các thiết bị đầu cuối khác và các cố gắng truy nhập ngẫu nhiên là đạt đƣợc trong cả hai miền thời gian và miền tần số. Mạng thông tin quảng bá tới tất cả các thiết bị đầu cuối mà trong đó việc truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên các tài nguyên thời gian – tần số là đƣợc cho phép. Để tránh can nhiễu giữa dữ liệu và phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên, mạng tránh việc lập lịch biểu truyền dẫn hƣớng lên bất kỳ trong các nguồn tài nguyên thời gian- tần số đó. Điều này đƣợc minh họa trong hình 5.4. Từ những đơn vị thời gian cơ bản cho truyền dữ liệu trong LTE là 1ms, một khung con đƣợc dành riêng cho truyền dẫn phần mở đầu. Trong phạm vi các tài nguyên dành riêng, phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên đƣợc truyền.
Trong miền tần số, phần mở dầu truy nhập ngẫu nhiên có một băng thông tƣơng ứng với sáu khối tài nguyên ( 1,08MHz). Điều này phù hợp với cả băng thông nhỏ nhất mà trong đó LTE có thể hoạt động. Do đó, cấu trúc phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên tƣơng tự nhau có thể đựoc sử dụng, bất kể băng thơng truyền dẫn của ô. Đối với các triển khai sử dụng các cấp phát phổ lớn hơn, nhiều các tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên có thể đƣợc xác định trong miền tần số, cung cấp một khả năng truy nhập ngẫu nhiên tăng lên.
Hình 5.4 Minh họa cơ bản cho truyền dẫn phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên
Một thiết bị đầu cuối thực hiện một cố gắng truy cập ngẫu nhiên, trƣớc khi truyền dẫn phần mở đầu, đạt đƣợc đồng bộ đƣờng xuống từ thủ tục dị tìm ơ. Tuy nhiên, sự định thời đƣờng lên là ( nhƣ đã thảo luận ) chƣa đƣợc thiết lập. Khởi đầu của một khung đƣờng lên tại thiết bị đầu cuối là đƣợc định nghĩa tƣơng đối với sự bắt đầu của khung đƣờng xuống tại thiết bị đầu cuối. Do trễ lan truyền giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối, việc truyền dẫn hƣớng lên do đó sẽ bị chậm trễ tƣơng đối với sự định thời truyền dẫn hƣớng xuống tại trạm gốc. Vì vậy, khi khoảng cách giữa thiết bị đầu cuối và trạm gốc là chƣa biết, sẽ có một sự khơng chắc chắn trong việc định thời hƣớng lên tƣơng ứng với hai lần khoảng cách giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối, lên tới 6,7µs/km. Để tính tốn cho sự không chắc chắn này và để tránh gây nhiễu với các khung con tiếp theo không đƣợc sử dụng, một khoảng thời gian bảo vệ đƣợc sử dụng, mà do đó chiều dài thực tế của phần mở đầu là ngắn hơn 1ms. Đƣợc minh họa trong hình 5.5, độ dài phần mở đầu và khoảng thời gian bảo vệ.
Hình 5.5 Định thời phần mở đầu tại eNodeB cho các người sử dụng truy nhập ngẫu nhiên khác nhau
Với chiều dài phần mở đầu khoảng 0,9ms, có 0,1ms thời gian bảo vệ cho phép kích thƣớc ơ lên tới 15km. Trong các ô lớn hơn mà thời gian định thời là không chắc chắn thì thời gian bảo vệ có thể lớn hơn thời gian bảo vệ cơ bản, thời gian bảo
vệ bổ sung có thể đƣợc tạo ra bằng cách khơng lập lịch biểu mọi truyền dẫn hƣớng lên trong khung con sau nguồn tài nguyên truy nhập ngẫu nhiên.
Các chuỗi phần mở đầu đƣợc chia thành các nhóm của 64 chuỗi trong mỗi nhóm. Nhƣ một phần của cấu hình hệ thống, mỗi ơ đƣợc cấp phát một nhóm nhƣ vậy bằng cách xác định một hoặc một vài chuỗi Zadoff–Chu gốc và sự dịch vòng cần thiết để tạo ra tập các phần mở đầu. Số lƣợng các nhóm là phải đủ lớn để tránh đƣợc sự cần thiết phải lập kế hoạch chuỗi cẩn thận giữa các ô.
Khi thực hiện một cố gắng truy nhập ngẫu nhiên, thiết bị đầu cuối sẽ chọn một chuỗi ngẫu nhiên từ tập các chuỗi đƣợc cấp phát cho các ô mà thiết bị đầu cuối đang cố gắng truy nhập. Một khi khơng có thiết bị đầu cuối nào khác đang thực hiện một cố gắng truy nhập ngẫu nhiên bằng cách sử dụng chuỗi tƣơng tự tại thời điểm tức thời tƣơng tự, khơng có xung đột sảy ra và cố gắng này sẽ có một khả năng cao đƣợc phát hiện bởi mạng.
Xử lý trạm gốc là việc thực hiện riêng, nhƣng nhờ có tiền tố vịng kèm trong phần mở đầu nên việc xử lý trong miền tần số có độ phức tạp thấp. Một ví dụ của quy chế này đƣợc minh họa trong hình 5.6.
Hình 5.6 Sự phát hiện phần mở đầu truy nhập ngẫu nhiên trong miền tần số
Các mẫu trên một cửa sổ đƣợc thu thập và đƣợc chuyển đổi nó thành biểu diễn trên miền tần số bằng cách sử dụng một FFT. Chiều dài của sổ là 0,8ms, tƣơng đƣơng với chiều dài của chuỗi ZC mà khơng có một tiền tố vòng. Điều này cho phép xử lý định thời không chắc chắn lên tới 0,1ms và phù hợp với thừoi gian bảo vệ đƣợc xác định.
Đầu ra của FFT, thể hiện cho tín hiệu nhận đƣợc trong miền tần số, đƣợc nhân lên với sự biểu diễn trong miền tần số liên hợp phức của chuỗi Zadoff–Chu gốc và các kết quả đƣợc cho qua một IFFT. Bằng cách quan sát các đầu ra IFFT, có thể phát
hiện đƣợc những thay đổi của chuỗi Zadoff–Chu gốc đã đƣợc truyền và trễ của nó. Về cơ bản, một đỉnh của IFFT đầu ra trong khoảng i là tƣơng ứng với chuỗi dịch chuyển chu kỳ thứ i và trễ đƣợc đƣa ra bởi vị trí của đỉnh trong khoảng. Điều này thực hiện trong miền tần số đƣợc tính tốn hiệu quả và cho phép phát hiện nhiều cố gắng truy nhập ngẫu nhiên bằng cách sử dụng các chuỗi dịch vòng khác nhau đƣợc tạo ra từ chuỗi Zadoff–Chu gốc; trong trƣờng hợp có nhiều các cố gắng truy nhập sẽ chỉ đơn giản là một đỉnh trong mỗi khoảng tƣơng ứng.