2.3.1 Kênh vật lý
Các kênh vật lý sửdụng cho dữliệu người dùng bao gồm:
PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : phụtải có ích (payload) PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : PUSCH được dùng để mang dữ
liệu người dùng. Các tài nguyên cho PUSCH được chỉ định trên mộtsubframe cơ bản bởi việc lập biểu đường lên. Các sóng mang được chỉ định
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
subframekhác. PUSCH có thể dùng các kiểu điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM.
PUCCH(Physical Uplink Control Channel): có chức năng lập biểu,ACK/NAK.
PDCCH(Physical Downlink Control Channel): lập biểu, ACK/NAK.
PBCH(Physical Broadcast Channel): mang các thông tin đặc trưng của cell.
2.3.2 Kênh logic
Được định nghĩa bởi thông tin nó mang bao gồm:
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) : Được sửdụng để truyền thông tin điều khiển hệ thống từ mạng đến tất cả máy di động trong cell. Trước khi truynhập hệ thống, đầu cuối di động phải đọc thông tin phát trên BCCH để biết
được hệ thống được lập cấu hình như thế nào, chẳng hạn băng thông hệthống.
Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH) : được sử dụng để tìm gọi các đầu cuối diđộng vì mạng không thểbiết được vịtrí của chúngởcấp độô và vì thếcần phát các bản tin tìm gọi trong nhiều ô (vùng định vị).
Kênh điều khiển riêng (DCCH) : được sử dụng để truyền thông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động. Kênh này được sử dụng cho cấu hình riêng của các đầu cuối di động chẳng hạn các bản tin chuyển giao khác nhau. Kênh điều khiển đa phương (MCCH) : được sửdụng đểtruyền thông tin cần
thiết để thu kênh MTCH.
Kênh lưu lượng riêng (DTCH): được sử dụng để truyền số liệu của người sửdụng đến/từ một đầu cuối di động. Đây là kiểu logic được sử dụng để truyền
tất cảsốliệu đường lên của người dùng và sốliệu đường xuống của người dùng không phải MBMS.
Kênh lưu lượng đa phương (MTCH):Được sử dụng để phát các dịch vụMBMS.
2.3.3 Kênh truyền tải
Kênh quảng bá (BCH): có khuôn dạng truyền tải cố định do chuẩn cung cấp. Nó được sửdụng đểphát thông tin trên kênh logic.
Kênh tìm gọi (PCH): được sử dụng để phát thông tin tìm gọi trên kênhPCCH, PCH hỗtrợ thu không liên tục (DRX) để cho phép đầu cuối tiết kiệm
công suấtắc quy bằng cách ngủvà chỉ thức đểthu PCH tại các thời điểm quy định trước.
Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH) : là kênh truyền tải để phát số liệuđường xuống trong LTE. Nó hỗtrợ các chức năng của LTE như thích ứng tốc độ động và lập biểu phụthuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số. Nó cũng hổtrợ DRX đểgiảm tiêu thụcông suất của đầu cuối di động mà vẫn đảm bảo cảm giác luôn kết nối giống như cơ chếCPC trong HSPA. DL-DCH TTI là 1ms.
Kênh đa phương (MCH) : được sửdụng đểhỗtrợ MBMS. Nó được đặctrưng
bởi khuôn dạng truyền tải bán tĩnh và lập biểu bán tĩnh. Trong trường hợp phát đa ô sửdụng MBSFN, lập biểu và lập cấu hình khuôn dạng truyền tải được điều phối giữa các ô tham gia phát MBSFN.
2.4 Giao thức của LTE (LTE Protocols)
Ở LTE chức năng của RLC đã được chuyển vào eNodeB, cũng như chứcnăngcủa PDCP với mã hóa và chèn tiêuđề. Vì vậy, các giao thức liên quan của lớpvô tuyến được chia trước đây ở UTRAN là giữa NodeB và RNC bây giờ chuyểnthành giữa UE và eNodeB.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-6: Giao thức của UTRAN
Hình 2-7: Giao thức của E-UTRAN
Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-6: Giao thức của UTRAN
Hình 2-7: Giao thức của E-UTRAN
Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-6: Giao thức của UTRAN
Hình 2-7: Giao thức của E-UTRAN
Giao thức của E-UTRAN phát triển thêm của UTRAN bằng cách thêm L1 và MAC mới.
Hình 2-8: Phân phối chứcnăng của các lớp MAC, RLC, PDCP
Chức năng của MAC(Medium Access Control) bao gồm: Lập biểu
Điều khiển ưu tiên (Priority handling)
Ghép nhiều kênh logic khác nhau trên một kênh truyền đơn RLC, cũng như trong WCDMA có chức năng sau:
- Truyền lại trong trường hợp giao nhận ở các lớp thấp (MAC và L1) bị hỏng, tương tự trong trường hợpở chế độACK của RLC ởUTRAN
- Phân đoạn đểphù hợp cho các giao thức đơn vịdữliệu - Cung cấp các kênh vật lý cho các lớp cao hơn
Chức năng của PDCP bao gồm: Mã hóa (ciphering). Chèn tiêu đề.
Trong suốt năm 2006, PDCP vẫn được giả sử trong mạng lõi, nhưng quyếtđịnh hiện tại là đưa PDCP vào eNodeB bao gồm mã hóa. Điều này làm cho chứcnăng vôtuyến của LTE tương tự như của HPSA cải tiến.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Trong giao diện điều khiển, chức năng của giao thức RRC thì cũng giốngnhư bên UTRAN. Giao thức RRC cấu hình các thông số kết nối, điều khiển báo cáođo lường thiết bị đầu cuối, các lệnh chuyển giao…Mã ASN1 được sử dụng choRRC của LTE, nó dãn cách sựkhác biệt giữa các phiên bảnở đường tương thích lùi.
Giao thức RRC sẽ bao gồm ít trạng thái hơn EUTRAN. Chỉ có trạng thái “tích cực”hay “rỗi” được dự đoán bởi vìđặc tính linh động của sự phân bố nguồn tài nguyên.
Các trạng thái của RRC trong LTE là:
RRC-rỗi: thiết bị sẽ quan sát bản tin paging và sử dụng cell cho di động. Không có RRC nào lưu trữtrong bất kỳeNodeB cá nhân nào. UE chỉ có duy nhất một ID nhận dạng nóởtrong vùng di chuyển.
RRC-kết nối: biết vịtrí của UEởcell nào và dữliệu được phát và nhận. Kết nối RRC tồn tại đến một eNodeB. Điều khiển chuyển giao bởi mạng được sửdụng cho di động.
2.5 Một số đặc tính của kênh truyền
Ta tìm hiểu một số đặc tính của kênh truyền ảnh hưởng đến việc truyền tínhiệu, các đặc tính này bao gồm trải trễ, fading, dịch tần Doppler, ảnh hưởng củadịch tần Doppler đối với tín hiệu OFDM, nhiễu MAI, và cách khắc phục nhiễuMAI.
2.5.1 Trải trễ đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phảnxạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảngdài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảngtrải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệuthu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trảitrễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.Đối với LTE, sửdụng kỹthuật OFDM đã tránhđược nhiễu xuyên ký tự ISI.
2.5.2 Các loại fading
Fading là sựbiến đổi cường độtín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu docó sự thay đổi không đồng đều vềchỉ sốkhúc xạcủa khí quyển, các phản xạcủa đấtvà nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.
a) Rayleigh fading
Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (MultipathSignal) và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuântheo phân bốRayleigh.
b) Fading chọn lọc tần sốvà fading phẳng
Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xemnhư là phẳng.Nếu trải trễthời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp Wc(Hz) xấp
xỉbằng: Wc 1/ 2D
Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số. Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thayđổi phụthuộc tần số.
2.6 Các kỹthuật sửdụng trong LTE
LTE sử dụng kỹ thuật OFDMA cho truy cập đường xuống và SC-FDMA chotruy cập đường lên. Kết hợp đồng thời với MIMO, các kỹ thuật về lập biểu, thíchứng đường truyền và yêu cầu tự động phát lại lai ghép.
2.6.1 Kỹthuật truy cập phân chia theo tần sốtrực giao OFDM
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-10: Nguyên lý của FDMA
Hình 2-11: Nguyên lýđa sóng mang
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phươngpháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trongvùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub- carrier)trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phépchồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớnhơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 2-12: So sánh phổtần của OFDM với FDMA
Hình2-13: Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM
LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưuđiểm sau:
OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độdài chuỗi bảo vệ(guard interval) lớn hơn độ trễtruyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữliệu từ nối tiếp sang song song nênthời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễdo truyền dẫn đa đường giảm xuống.
Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọctần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần sốsóng mangOFDM khác nhau.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số(frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiềuso với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Cấu trúc máy thu đơn giản.
Thíchứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số. Tương thích với các bộthu và các anten tiên tiến.
Hình 2-14: Các song mang giao với nhau
Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cầndịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá hỏngtính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất nhạycảm với dịch tần.ỞLTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối vớikhoảng cách này là khoảng cách đủlớn đối với dịch tần Doppler.
Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữamiền thời gian và miền tần số.
Hình 2-15: Biến đổi FFT
Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể là512 hoặc 1024...Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điềuchế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộbiến đổiIFFT. Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thànhphần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chếđộc lập với các sóng mang khác. Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu đượcchèn thêm tiền tốvòng (CP) và phátđi. Ởbộ thu ta làm ngược lại.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Mục đích của việc chèn thêm tiền tốvòng là có khả năng làm giảm hay loạitrừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference). Một mẫu tín hiệu có độ dàilà TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độdài TGở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệunhư hình vẽsau:
Hình 2-17: Chuỗi bảo vệGI
Do đó, GI cònđược gọi là Cyclic Prefix (CP). Sựsao chép này có tác dụngchống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệuứng phân tập đa đường.
Nguyên tắc này giải thích như sau: Giảsử máy phát đi một khoảng tínhiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệunày có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệuứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽtớimáy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo đườngthứ nhất không có trễ, các đường thứhai và thứ ba đều bịtrễmột khoảng thời gianso với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả cáctuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chínhlà hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sửdụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽdễ dàngloại bỏhiện tượng này. Trong trường hợp TG≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bịchồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có íchvẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộgiải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết đ cho hệ thống OFDM không bịảnh hưởng bởi ISI là: TG≥τ MAXvới τMAX là trễtruyền dẫn tối đa của kênh
a ) Không có GI
b) Có GI
Hình 2-18: Tác dụng của chuỗi bảo vệ
OFDM lượng tửhóa trong miền tần sốdựa trên ước lượng đáp ứng tần sốcủa kênh. Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vàochiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tửWCDMA. Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổkhác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệutham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau.
LTE sửdụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần sốtrực giao là côngnghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đangười dùng của mô hìnhđiều chếsốOFDM
Kỹthuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truycập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con(subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm.Ởcác thời điểm khác nhau,nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép truyềndữliệu tốc độ thấp
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
từnhiều người sửdụng.
Hình 2-19: Sóng mang con OFDMA
Hình 2-20: OFDM và OFDMA
Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio framecó chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms,và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms.
Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mởrộng.
Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựavào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block).Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot vàkhoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tốithiểu của nó là 180 KHz. Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên(RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tựOFDM. Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thôngthường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mởrộng.
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộthờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộthờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-23: Cấu trúc bốtrí tín hiệu tham khảo
Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ