Để tóm tắt về luồng dữ liệu đường xuống xuyên qua tất cả các lớp giao thức, ví dụ (hình 3.10) cho ba gói IP, hai gói trên một tải tin vô tuyến và một gói trên một tải tin vô tuyến khác. Luồng dữ liệu cho truyền dẫn đường lên là tương tự. PDCP sẽ thực hiện (tùy chọn) việc nén tiêu đề IP, sau đó mã hóa. Một tiêu đề PDCP được thêm vào, mang theo thông tin cần thiết cho việc giải mã ở thiết bị đầu cuối di động. Đầu ra PDCP được cung cấp tới RLC. Giao thức RLC thực hiện việc hợp đoạn hoặc phân đoạn các PDCP SDUs và thêm vào một tiêu đề RLC. Tiêu đề này được sử dụng cho việc phân phối theo trình tự (trên mỗi kênh logic) tại đầu cuối di động và việc nhận dạng RLC PDUs trong trường hợp cần truyền lại. Các RLC PDUs được chuyển tiếp tới lớp MAC, lớp này có được số lượng các RLC PDUs, sau đó kết hợp chúng lại vào trong 1 MAC SDU và đính kèm một tiêu đề MAC để tạo thành một khối truyền tải. Kích thước khối truyền tải phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu tức thời được lựa chọn bởi cơ chế thích ứng đường truyền. Do đó, cơ chế thích ứng đường truyền tác động đến cả hai tiến trình xử lý MAC và RLC. Cuối cùng, lớp vật lý sẽ đính thêm 1 mã CRC vào khối truyền tải với mục đích phát hiện lỗi, thực hiện mã hóa và điều chế, sau đó là phát đi tín hiệu thành quả vào không gian.
Hình 3.9: Một ví dụ về luồng dữ liệu LTE 3.6 Kết luận chương 3.
Chương này tìm hiểu kiến trúc giao diện vô tuyến LTE. Mô tả các lớp giao thức bên trên lớp vật lý, sự tương tác giữa chúng, và sự giao tiếp với lớp vật lý. Biết cơ chế và cách thức làm việc điều khiển liên kết vô tuyến cũng như điều khiển truy nhập môi trường và các trạng thái của LTE
CHƯƠNG 4 LỚP VẬT LÝ LTE
Trong phần này, chúng ta thảo luận về các nguyên tắc thiết kế chính của lớp vật lý LTE, dẫn đến quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến mới (RRM) cơ hội đáng kể khác với những ứng dụng trong GSM và WCDMA / HSPA. LTE chính là sự tối ưu cho người sử dụng chủ yếu làm chậm chuyển động trong một vùng phủ sóng rộng. Những nguyên tắc hàng đầu là để giải quyết vấn đề nhiễu tốc độ dữ liệu cao trong vùng giới hạn phạm vi tốc độ dữ liệu cao của WCDMA /HSPA. Đường xuống WCDMA / HSPA lý tưởng cung cấp truyền dẫn trực giao của mã kênh trạm. Tuy nhiên trong thực tế, tính trực giao là một phần mất sau khi truyền lan nhiều đường. Đường lên WCDMA / HSPA được thiết kế để được trong tế bào không trực giao. LTE giữ trong tế bào trực giao cho cả đường xuống và đường lên ngay trong một môi trường truyền lan nhiều đường, bởi vì sự tán sắc phân tán được chứa trong các phần mở rộng tín hiệu của những ký hiệu nhận dạng. Đối với điều này, thiết kế đa truy nhập là cơ sở trong tế bào trực giao và mở rộng tín hiệu tuần hoàn, cụ thể cho phép xử lý miền tần số, cân bằng tần số tên miền là quan trọng đối với tính hiệu quả và chính xác. Thiết kế này cho phép tiếp tục sử dụng các kỹ thuật tiên tiến multiantenna vì xử lý không gian có thể được thực hiện một cách chọn lọc tần số.
Hình 4.1: Cấu trúc miền thời gian LTE
Hình trên nêu tả về cấu trúc miền thời gian bậc cao trong truyền dẫn LTE với mỗi khung vô tuyến có chiều dài Tframe= 10ms gồm có 10 khung sườn phụ có kích thước bằng nhau với độ dài mỗi khung sườn phụ là Tsubframe= 1ms. Để cũng cấp sự xác nhận về thời gian nhất và chính xác, mỗi khoảng thời gian khác nhau bên trong kỹ thuật truy nhập này có thể được trình bày thành nhiều đơn vị thời gian cơ bản Ts= 1/30720000. Khoảng thời gian được mô tả trong hình 4.1 vì vậy có thể được diễn đạt thành Tframe=307200.Ts và Tsubframe=30720.Ts
Trong cũng một song mang, các khung sườn phụ khác nhau trong một khung có thể sử dụng cho truyền dẫn đường lên và đường xuống. Hình 4.2a với trường hợp FDD hoạt động trong phổ theo cặp, tất cả các sóng mang được sử dụng cho truyền dẫn đường xuống hoặc đường lên ( một song mang đường xuống hoặc đường lên). Đối với trường hợp hoạt động của TDD trong phổ không theo cặp ( hình 4.2b), với mỗi khung sườn phụ thứ nhất và thứ sáu (khung sườn phụ thứ 0 và thứ 5) luôn luôn được chỉ định truyền dẫn đường xuống trong khi những khung sườn phụ còn lại có thể chỉ định một các linh hoạt cho cả truyền dẫn đường lên và đường xuống. Lý do lựa chọn hai khung sườn phụ cho truyền dẫn đường xuống vì nó chứa các tín hiệu đồng bộ LTE. Các tín hiệu đồng bộ được truyền đi trên đường xuống của mỗi tế bào được dung vào mục đích dò tìm tế bào khởi tạo cũng như tế bào lân cận. Nguyên lý dò tìm được trình bày trong chương 5.
Trong hình 4.2, việc hoạt động một các linh hoạt các khung sườn phụ trong TDD cho phép tồn tại tính không đối xứng khác nhau về mặt tài nguyên vô tuyến ( các khung sườn phụ) được ấn định cho đường lên và đường xuống một các phân biệt. Do việc ấn định khung sườn phụ phải giống các tết bào lân cận để tránh nhiễu nghiêm trọng xẩy ra giữa truyền dẫn đường lên và đường xuống giữa các tế bào, tính không đối xứng giữa đường lên/xuống không thể thay đổi tự động, ví dụ trên nền tảng khung liên tiếp. Tuy nhiên, nó có thể thay đổi trên một nền tảng chậm hơn để thích nghi với các đặc tính lưu lượng khác nhau như
sự thay đổi và sự khác nhau trong lưu lượng bất đối xứng đường lên/xuống.
Hình 4.2: Các ví dụ về việc chỉ định khung phụ đường lên/đường xuống trong trường hợp TDD và sự so sánh với FDD
Trong hình 4.1 đôi khi được xem như cấu trúc khung sườn phụ tổng quá hay cấu trúc khung dạng 1 LTE. Nó được áp dụng cho cả FDD và TDD. Ngoài cấu trúc khung tổng quát khi LTE hoạt động với TDD thì còn có một cấu trúc khung thay thế cấu trúc khung dạng 2, nó được thiết kế dành riêng cho việc cùng tồn tại với những hệ thống dựa trên tiêu chuẩn 3GPP TD-SCDMA hiện thời.
4.2 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống 4.2.1 Tài nguyên vật lý đường xuống
Trong chương 2, truyền dẫn đường xuống LTE dựa trên việc ghép kênh phân chia tần số trực giao. Theo như hình vẽ thì tài nguyên vật lý đường xuống LTE có thể được xem như một mạng lưới tài nguyên thời gian-tần số (hình 4.3), nơi mà mỗi phần tử tài nguyên tương ứng với một sóng mang OFDM trong suốt một khoảng ký tự OFDM (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 Δf = 15 kHz. Giả thiết một thực thi đầu phát/đầu thu dựa trên FFT điều này tương ứng với một tần số lấy mẫu fs = 15000 . NFFT, 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 với NFFT = 2048. Điều quan trọng cần phải hiểu là mặc dù đơn vị thời gian Ts được giới thiệu trong đặc tính truy nhập vô tuyến LTE chỉ như một công cụ để xác định những khoảng thời gian khác nhau và nó không 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 15MHz và cao hơn. Tuy nhiên, đối với những băng thông 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= Δf. NFFT sẽ là một bội số hoặc ước
số của tốc độ chip WCDMA/HSPA fcr = 3.84 MHz. Các thiết bị đầu cuối đa chế độ WCDMA/HSPA khi đó có thể được triển khai dễ dàng với một mạch đồng hồ đơn Ngoài khoảng cách sóng mang phụ 15 kHz, một khoảng cách sóng mang phụ rút gọn Δflow=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 dựa trên MBSFN mà sẽ được nói trong phần 4.2.6.
Hình 4.4: Cấu trúc miền tần số đường xuống LTE
Hình 4.4, trong miền tần số, các sóng mang phụ đường xuống được tập hợp lại vào trong những khối tài nguyên, 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. Ngoài ra, còn có một sóng mang phụ DC không sử dụng nằm ở giữa phổ tần đường xuống. Nguyên nhân tại sao sóng mang phụ DC không được sử dụng cho bất cứ truyền dẫn nào là vì nó có thể trùng với tần số bộ tạo dao động nội hạt 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, ví dụ, do bộ dao động nội bị rò điện.
Tổng số sóng mang phụ trên một sóng mang đường xuống, bao gồm sóng mang phụ DC, vì vậy bằng Nsc = 12. NRB + 1 (NRB là số lượng các khối tài nguyên). Đặc điểm kỹ thuật lớp vật lý LTE cho phép một sóng mang đường xuống có thể gồm bất cứ số lượng khối tài nguyên nào, 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. Như đã được bàn đến trong chương 2, điều này mang lại một mức độ rất cao về tính linh hoạt trong băng thông/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 vô 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 mô tả 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=0.5ms (15360.Ts). Mỗi khe lại bao gồm một số lượng các ký hiệu OFDM kèm theo tiền tố chu trình .
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.
Một khoảng cách sóng mang phụ Δf =15 kHz tương ứng với một thời gian ký hiệu hữu dụng Tu=1/ Δf ≈ 66.7μs (2048.Ts). Theo đó toàn bộ thời gian ký hiệu OFDM là tổng của thời gian ký hiệu hữu dụng và chiều dài tiền tố chu trình
TCP. Trong hình 4.5, LTE xác định hai chiều dài 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 (hình 4.5). Lưu ý 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 đơn giảnchỉ 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. Nguyên nhân của việc xác định hai chiều dài tiền tố chu trình cho LTE bao gồm hai phần:
1. 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 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 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 không bù đắp được sự tổn thất về mặt năng lượng tín hiệu thu được.
2. Trong trường hợp truyền dẫn multicast/broadcast dựa trên MBSFN, tiền tố chu trình không chỉ bao phủ phần chính của phân tán thời gian kênh thật sự mà còn 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 việc sử dụng chủ yếu tiền tố chu trình mở rộng LTE là trong truyền dẫn dựa trên MBSFN. Cần chú ý 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, 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 (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 nguyên.
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.
4.2.2 Các tín hiệu tham khảo đường xuống.
Để thực hiện giải điều chế đường xuống một cách nhất quán, thiết bị đầu cuối di động cần phải đánh giá kênh truyền đường xuống. Một phương pháp đơn
giản cho phép đánh giá kênh truyền trong truyền dẫn OFDM là chèn thêm những ký hiệu tham khảo 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. Trong hình 4.7, các ký hiệu tham khảo đường xuống được chèn vào bên trong những ký hiệu OFDM thứ nhất và