CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN TRUNG BÌNH TRONG SC-FDMA

CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN TRUNG BÌNH TRONG SC-FDMA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÀNH ĐÔ KHOA CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

1

Đồ án tốt nghiệp

HÀ NỘI, NĂM 2014NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên: Nguyễn Đình Sỹ Mã số: 0900895

Lớp: ĐH ĐT - K1 Khóa: 1

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - truyền thông

Tên đề tài: Công suất đỉnh trên trung bình trong SC-FDMA

Nội dung: Đồ án bao gồm tất cả 64 trang được chia làm 3 chương Các chương được sắp xếp như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ LTE

Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA)

Chương 3: Công suất đỉnh trên trung bình trong SC-FDMA

Đồ án sử dụng tất cả 44 hình vẽ

Tài liệu tham khảo:

1) H G Myung and D J Goodman ( 2008), “Single Carrier FDMA: A New Air Interface for Long Term Evolution”, John Wiley & Sons

2) Hyung G Myung (2007), “Single Carrier Orthogonal Multiple Access Technique

for Broadband Wireless Communications”,UMI Dissertation Publishing

Nhận xét:

Ưu

điểm:

2

Đồ án tốt nghiệp

Nhược

điểm:

Kết

luận:

Đánh

giá:

Ngày tháng năm 2014

Người viết nhận xét

(kí và ghi rõ họ tên)

3

Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án “ Công suất đỉnh trên trung bình trong SC-FDMA” làcông trình nghiên cứu và tìm hiểu là của riêng em Các số liệu, kết quả được ghi trongđồ án là trung thực và được lấy từ các tài liệu tham khảo, nếu có gì không đúng em xinchịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2014

4

LỜI CẢM ƠN

Sau 4 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Thành Đô, em xin chânthành cảm ơn các thầy, cô đã tận tình chỉ dẫn, truyền đạt cho em những kiến thức, kinhnghiệm quý báu, làm nền tảng cho công việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.S Lê Thị Ngọc Hà, người đã trực tiếphướng dẫn em thực hiện đề tài, giúp đỡ em từ tài liệu cho đến phương pháp nghiêncứu, cách viết đồ án Đây là những kinh nghiệm vô cùng quý giá đối với em

Xin chân thành cảm ơn những người bạn, những người đã sát cánh cùng emtrong suốt quãng đường đại học

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2014

5

MỤC LỤC

6

FDE Frequency Domain Equalization San bằng trong miền tần số

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theotần số

I

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

IFDMA Interleave Distributed Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theotần số đan xen

7

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình

PDCCH Physical Downlink Control

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di độngtoàn cầu

9

DANH MỤC HÌNH ẢNH

10

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đang phát triển rất mạnh mẽ và không ngừngđược cải tiến nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin phong phú và đa dạng của conngười Hiện tại có hai xu hướng sử dụng công nghệ FDMA đang cạnh tranh nhau đểgiành được chỗ đứng trong các mạng thông tin di động tế bào thế hệ kế tiếp Trong khiWiMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE sử dụng công nghệ OFDMA cho truyềndẫn đường lên và đường xuống thì một công nghệ tiềm tàng khác là LTE (Long TermEvolution-Sự phát triển dài hạn) đươc chuẩn hóa bởi tổ chức hợp tác thế hệ thứ 3(3GPP) lại chỉ sử dụng OFDMA cho truyền dẫn đường xuống, trong khi đường lên sửdụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA).Những thay đổi về mặt thực thi hệ thống của SC-FDMA so với OFDMA cũng dẫn tớiviệc công suất đỉnh thay đổi

Nhận thức rõ những yêu cầu điều khiển giảm công suất trong các mạng thôngtin di động, đặc biệt là tính khả thi trong các hệ thống LTE trong tương lai, cùng vớikiến thức đã học tập được tại Đại Học Thành Đô và những định hướng của cô giáoThs Lê Thị Ngọc Hà, em đã chọn đề tài cho Đồ án tốt nghiệp Đại học là: “Công suấtđỉnh trên trung bình trong SC-FDMA”

Đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ LTE

Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA).

Chương 3: Công suất đỉnh trên trung bình trong SC-FDMA

Được sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong quá trình nghiên cứu vàcung cấp tài liệu của cô giáo Ths Lê Thị Ngọc Hà, đồ án được hoàn thành với nộidung ở mức độ nhất định Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắnkhông chắn khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn sinh viên đónggóp kiến chỉnh sửa và hướng phát triển tiếp theo để đồ án hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2013

Người làm đồ ánSinh viên: Nguyễn Đình Sỹ

11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LTE 1.1 Giới thiệu

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thếhệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tínhcạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự ánnhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọiLong Term Evolution (LTE) Có nhiều tùy chọn để nâng cấp mạng hiện tại lên LTEcho cả các công nghệ 3GPP và phi 3GPP Con đường tiến lên LTE dễ thấy nhất là từGSM lên EDGE, tiếp theo lên WCDMA rồi HSPA và cuối cùng là lên 3GPP LTE

3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin,cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơngiản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ởthiết bị đầu cuối Các mục tiêu của công nghệ này là:

• Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz

- Uplink: 50 Mbps

- Downlink: 100 Mbps

• Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz

so với mạng HSDPA Rel.6

- Uplink: gấp 2 đến 3 lần

- Downlink: gấp 3 đến 4 lần

Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 Km/h Vẫn hoạtđộng tốt với tốc độ từ 15-120 Km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao dichuyển với tốc độ từ 120-350 Km/h (thậm chí 500 Km/h tùy băng tần)

Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5Km, giảm chút íttrong phạm vi đến 30Km Từ 30-100Km thì không hạn chế

Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25MHz, 1.6MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và chiều xuống Hỗ trợ cả hai trườnghợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

12

Hình 1.1: Các hệ thống thông tin di động phát triển lên tới 4G

Hình 1.2: Kiến trúc mạng LTE

13

Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kĩ thuật mới được áp dụng, trong đónổi bật là kĩ thuật vô tuyến OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao), kĩthuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra hệ thống này sẽ chạyhoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả hai chế độ FDD và TDD.

1.2 Khái quát truy nhập vô tuyến LTE

1.2.1 Các sơ đồ truyền dẫn: OFDM đường xuống và SC-FDMA đường lên

Sơ đồ truyền dẫn đường xuống dựa trên cơ sở OFDM OFDM là một sơ đồtruyền dẫn đường xuống hấp dẫn vì một vài lý do Do thời gian symbolOFDM tương đối dài kết hợp với một tiền tố tuần hoàn, OFDM có sức chịu đựng cao

về mặt chống lại độ chọn lọc tần số kênh Mặc dù sự sai lạc tín hiệu do một kênh lựachọn theo tần số về nguyên lý có thể được xử lý bằng cách san bằng ở bên thu, sựphức tạp của việc san bằng bắt đầu trở nên không hấp dẫn để thực thi trong một thiết

bị đầu cuối di động tại các độ rộng băng trên 5 MHz Vì vậy, OFDM cùng với sức chịuđựng vốn có của nó đối với pha đinh chọn lọc theo tần số đã hấp dẫn cho đườngxuống, đặc biệt là khi được kết hợp cùng với sự ghép không gian

Các lợi ích khi dùng OFDM gồm có:

- OFDM cung cấp sự truy nhập tới miền tần số, theo cách đó cho phép thêm độ

tự do cho bộ lập lịch trình phụ thuộc kênh so với HSPA Các sự phân chia dải thôngmềm dẻo được hỗ trợ một cách dễ dàng bởi OFDM, bằng cách biến đổi số lượng cácsóng mang con OFDM được sử dụng cho truyền dẫn Tuy nhiên, chú ý rằng sự hỗ trợ

về các sự phân chia nhiều phổ cũng đòi hỏi việc lọc RF mềm dẻo là việc làm màkhông phù hợp cho sơ đồ truyền dẫn chính xác Tuy nhiên nó lại cho phép duy trì cấutrúc xử lý băng gốc giống nhau, không quan tâm độ rộng của băng thông, làmđơn giản việc thực thi đầu cuối

- Sự truyền dẫn quảng bá/đa trạm trong đó các thông tin giống nhau được phát

từ nhiều trạm gốc, được thực hiện dễ dàng nhờ OFDM

Đối với đường lên LTE, sự truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên cơ sở OFDMtrải DFT (DFTS-OFDM) được sử dụng Việc sử dụng sự điều chế đơn sóng mangtrong đường lên được thúc đẩy nhờ tỷ số công suất đỉnh trên trung bình của tín hiệuđược truyền thấp hơn so với việc truyền dẫn đa sóng mang như là OFDM Tỷ sốcông suất đỉnh trên trung bình của tín hiệu được phát nhỏ hơn sẽ cho phép công suấttruyền dẫn trung bình cao hơn đối với một bộ khuếch đại cho trước Vì vậy, sự truyền

14

dẫn đơn sóng mang cho phép sử dụng bộ khuếch đại công suất hiệu quả hơn,điều này tương đương với vùng phủ sóng tăng Điều này đặc biệt quan trọng đối vớiđầu cuối bị giới hạn công suất Đồng thời, việc san bằng cần thiết để xử lý nhiễu củatín hiệu đơn sóng mang do pha-đinh chọn lọc theo tần số không thành vấn đề trongđường lên do các tài nguyên xử lý tín hiệu tại trạm gốc ít bị hạn chế hơn so với đầucuối di động

Ngược lại với đường lên WCDMA/HSPA là không trực giao và cũng dựa vào

sự truyền dẫn đơn sóng mang thì đường lên trong LTE dựa trên cơ sở phân tách trựcgiao những người sử dụng về thời gian và tần số Sự phân tách người dùng trựcgiao có ích trong nhiều trường hợp vì nó ngăn ngừa nhiễu nội tế bào Tuy nhiên, sựcấp phát một tài nguyên dải thông tức thời rất lớn cho một người dùng đơn lẻ là mộtchiến lược không hiệu quả ở các trường hợp mà trong đó tốc độ dữ liệu chủ yếu bịgiới hạn bởi công suất truyền hơn là dải thông Trong hoàn cảnh như thế, một đầu cuốichỉ được cấp phát một phần của tổng dải thông truyền dẫn và các đầu cuốikhác có thể phát song song trên phần còn lại của phổ Theo cách đó, đường lên LTEnày bao gồm thành phần đa truy nhập miền tần số, kế hoạch truyền dẫn đườnglên LTE đôi khi cũng được gọi là FDMA đơn són mang (SC-FDMA)

1.2.2 Sự lập lịch phụ thuộc kênh và sự thích nghi tốc độ

Điểm chủ yếu của sơ đồ truyền dẫn LTE là việc sử dụng truyền dẫn kênhchung, trong đó nguồn tài nguyên thời gian và tần số được chia sẻ một cách động giữanhững người sử dụng Việc sử dụng truyền dẫn kênh chung thích ứng tốt với các yêucầu nguồn tài nguyên thay đổi một cách nhanh chóng đã được đề ra bởi dữ liệu gói vàcũng cho phép một vài công nghệ then chốt khác được sử dụng bởi LTE Trong mỗikhoảng thời gian ngắn, bộ lập lịch điều khiển để ấn định những người dùng các tàinguyên được chia sẻ này Nó cũng quyết định tốc độ dữ liệu được dùng cho mỗi liênkết, tức là sự thích nghi tốc độ và có thể được xem như một phần của bộ lập lịch trìnhnày Bộ lập lịch là một phần tử chủ chốt và quyết định lớn đến hiệu suất toàn bộ đườngxuống, đặc biệt là trong một mạng tải mức cao Cả sự truyền dẫn theo đường xuốnglẫn đường lên là đối tượng cho sự lập lịch chặt Sự tăng đáng kể dung lượnghệ thống có thể đạt được nếu các điều kiện về kênh được đưa vào tính toán quyết địnhlập lịch, nên được gọi là lập lịch phụ thuộc kênh Điều này đã được khai thác trongHSPA, nơi mà bộ lập lịch đường xuống này phát tới một người dùng khi các điều kiệnkênh thuận lợi để tối đa hoá tốc độ dữ liệu, và ở phạm vi nào đó cũng có khả năng thực

15

hiện đối với đường lên được nâng cao Tuy nhiên, thêm vào miền thời gian này LTEcũng có cả truy nhập tới miền tần số, nhờ có sử dụng OFDM trong đường xuống và

Hình 1.3: Lập lịch phụ thuộc kênh đường xuống trong miền thời gian và tần số

DFTS-OFDM trong đường lên Cho nên, với mỗi miền tần số, bộ lập lịch trình có thểlựa chọn người dùng cùng với các điều kiện kênh tốt nhất Nói cách khác, việc lập lịchtrong LTE không chỉ có thể đưa các sự biến đổi kênh vào tính toán miền thời gian nhưHSPA mà còn trong cả miền tần số Điều này được minh hoạ trong Hình 1.3

Khả năng đối với việc lập lịch phụ thuộc kênh ở miền tần số là có ích nhất tạicác tốc độ đầu cuối thấp, nói cách khác khi kênh này đang thay đổi một cách chậmchạp theo thời gian Việc lập lịch phụ thuộc kênh dựa vào các sự biến đổi chất lượngkênh giữa những người dùng để đạt được việc tăng dung lượng trong hệ thống Đối vớicác dịch vụ nhạy với trễ, một bộ lập lịch miền thời gian duy nhất có thể được bắtbuộc để lập một người dùng cụ thể, bất chấp chất lượng kênh không tại đỉnh của nó.Trong hoàn cảnh như vậy, việc lợi dụng các sự biến đổi chất lượng kênh cả trong miềntần số sẽ giúp cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống Đối với LTE, các quyết định lậplịch biểu có thể được lấy cứ mỗi lần 1 ms và độ chi tiết là 180 kHz Điều này cũng chophép các sự biến đổi kênh tương đối nhanh được theo dõi nhờ bộ lập lịch này

• Lập lịch đường xuống

Ở đường xuống, mỗi đầu cuối thông báo một sự đánh giá về chất lượng kênhtức thời tới trạm gốc Các đánh giá này thu được nhờ phép đo dựa vào một tín hiệuchuẩn được phát bởi trạm gốc và cũng được dùng cho các mục đích điều chế Dựa vào

16

đánh giá chất lượng kênh, bộ lập lịch đường xuống có thể ấn định các nguồn tàinguyên cho những người sử dụng, đưa các chất lượng kênh vào tính toán Về nguyên

lý, một đầu cuối được lập lịch trình có thể được ấn định một bộ bất kỳ của các khối tàinguyên rộng 180 kHz trong mỗi khoảng thời gian lập lịch 1ms

• Lập lịch đường lên

Đường lên LTE được dựa vào sự phân tách trực giao của những người sử dụngvà nó là nhiệm vụ của bộ lập lịch đường lên để ấn định các tài nguyên trong cảmiền thời gian lẫn miền tần số (kết hợp TDMA và FDMA) cho những ngườidùng khác nhau Các quyết định lập lịch được đưa ra một lần cho mỗi ms để điềukhiển các đầu cuối di động mà được phép phát bên trong một tế bào trong mộtkhoảng thời gian đã cho về những tài nguyên tần số truyền dẫn sẽ thực hiện vànhững tốc độ dữ liệu đường lên mà sử dụng Chú ý rằng chỉ một miền tần số kề nhauđược ấn định cho các đầu cuối di động trong đường lên như là hệ quả của việc dùngtruyền dẫn đơn sóng mang trên đường xuống LTE

Các điều kiện kênh có thể được đưa vào trong tính toán trong quá trìnhxử lý lập lịch đường lên giống như việc lập lịch cho đường xuống Tuy nhiên, thôngtin thu được về các điều kiện kênh đường lên này là một nhiệm vụ không quantrọng Vì vậy, các phương pháp khác nhau để đạt được sự phân tập đường lên làđiều quan trọng như một sự bổ xung trong các hoàn cảnh mà sự lập lịch phụ thuộckênh không được sử dụng

Chú ý rằng việc lập toạ độ nhiễu liên tế bào là một chiến lược lập lịch chủ yếu,đưa tình hình trong các tế bào láng giềng vào trong tính toán Do đó, sự lập toạ độnhiễu liên tế bào là một vấn đề bổ xung mở rộng và vừa mới nhìn thấy trong các đặcđiểm kỹ thuật Điều này cũng dẫn đến rằng sự lập toạ độ nhiễu có thể được ứng dụngchỉ cho một tập các tế bào được lựa chọn, phụ thuộc vào các yêu cầu bố trí theo từng

sự triển khai cụ thể

1.2.3 ARQ lai cùng với sự kết hợp mềm

ARQ lai nhanh kết hợp mềm được sử dụng trong LTE với các lý do rất giốngnhư trong HSPA, cụ thể là để cho phép đầu cuối yêu cầu truyền lại một cách nhanhchóng các khối truyền tải thu được bị nhầm và cung cấp một công cụ cho sự thíchnghi tốc độ ngầm Giao thức cơ bản cũng giống với cái đã dùng đối với HSPA-nhiều quá trình xử lý ARQ lai dừng và đợi song song Những sự truyền lại có thể đượcyêu cầu nhanh chóng sau sự truyền mỗi gói Độ dư gia giảm được dùng như chiến lược

17

kết hợp mềm và các bộ đệm các bit mềm máy thu có thể thực hiện sự kết hợp mềmgiữa các lần thử

1.2.4 Hỗ trợ nhiều anten

LTE đã hỗ trợ nhiều anten tại cả ở trạm gốc lẫn đầu cuối như một bộ phậnkhông thể thiếu của đặc tính kỹ thuật Về nhiều khía cạnh việc sử dụng nhiềuanten là kỹ thuật chủ yếu để đạt được các đích hiệu suất LTE lớn Nhiều anten có thểđược sử dụng theo nhiều cách khác nhau cho các mục đích khác nhau:

- Nhiều anten thu có thể được dùng cho phân tập thu Đối với các sự truyền dẫnđường lên, cái này đã được sử dụng trong nhiều hệ thống tế bào cho nhiều năm Tuynhiên, hai anten thu là chuẩn (baseline) cho tất cả các đầu cuối LTE, hiệu suất đườngxuống cũng được cải thiện Cách đơn giản nhất của việc sử dụng nhiều anten thu là sựphân tập thu cổ điển để triệt pha-đing, nhưng các độ tăng ích thêm vào có thể đạt đượctrong kịch bản hạn chế nhiễu nếu các anten cũng được dùng không chỉ cung cấp sựphân tập chống pha-đing mà còn để khử nhiễu

- Nhiều anten phát tại trạm gốc có thể dùng cho phân tập phát và các loại khác vềtạo chùm Mục đích chính của tạo chùm là để cải thiện SNR (Signal-to-Noise Ratio)và/hoặc SIR (Signal-to-Interference Ratio) thu được, cuối cùng là cải thiện dunglượng hệ thống và vùng phủ sóng

- Ghép không gian (Spatial multiplexing), thỉnh thoảng được gọi là MIMO,sử dụng nhiều anten ở cả máy phát lẫn máy thu được hỗ trợ bởi LTE Ghép không giandẫn đến kết quả tốc độ dữ liệu được tăng, cho phép các điều kiện về kênh trong cáctrường hợp bị giới hạn dải thông bằng cách tạo một vài kênh song song

Nhìn chung, các kỹ thuật nhiều anten khác nhau là có ích trong các trườnghợp khác nhau Ví dụ, tại SNR và SIR tương đối thấp như là tải cao hoặc tại rìa tế bàothì việc ghép không gian cho các lợi ích tương đối hạn chế Để thay thế, trong cáctrường hợp như thế nhiều anten tại bên máy phát nên được dùng để tăng SNR/SIRnhờ các phương pháp của tạo chùm Mặt khác, trong các trường hợp mà đã có mộtSNR và SIR tương đối cao, ví dụ trong các tế bào nhỏ, việc tăng chất lượng tín hiệuhơn nữa cung cấp các lợi ích tương đối nhỏ vì các tốc độ dữ liệu có thể đạt được bịgiới hạn bởi dải thông là chính hơn là bị giới hạn bởi SIR/SNR Trong các trường hợp như thế, ghép không gian nên được dùng để khai thác đầy đủ các điều kiện kênhtốt Sơ đồ nhiều anten đã dùng được điều khiển bởi trạm gốc, do vậy có thể chọn một

sơ đồ phù hợp cho mỗi sự truyền dẫn

18

1.2.5 Hỗ trợ đa trạm và quảng bá

Quảng bá nhiều tế bào đưa đến sự truyền dẫn của các thông tin giống nhau từnhiều tế bào Bằng cách khai thác điều này tại đầu cuối, việc sử dụng một cách hiệuquả công suất tín hiệu từ nhiều vị trí tế bào lúc dò tìm có thể đạt được một sự cải thiệnđáng kể về mức độ phủ sóng (hoặc các tốc độ quảng bá cao hơn) Điều này đã đượckhai thác trong WCDMA, trong đó, ở trường hợp quảng bá/đa trạm nhiều tế bào, mộtđầu cuối di động có thể thu các tín hiệu từ nhiều tê bào và kết hợp mềm một cách tíchcực bên trong máy thu

LTE thực hiện điều này một bước xa hơn để cung cấp sự quảng bá nhiềutế bào hiệu quả cao Bằng cách truyền không chỉ các tín hiệu giống nhau từ nhiều vịtrí tế bào (với mã và sự điều chế giống nhau), mà còn đồng bộ hoá thời giantruyền giữa các tế bào, tín hiệu tại các đầu cuối di động sẽ hiện diện đúng như một tínhiệu được phát đi từ một vị trí tế bào đơn lẻ và lệ thuộc vào đường truyền đađường Do sức chịu đựng của OFDM đối với đường truyền đa đường nên sự truyềndẫn nhiều tế bào như vậy cũng được gọi là mạng một tần số đa trạm quảng bá(MBSFN: Multicast-Broadcast Single-Frequency Network) điều này cũng đượcgọi là mạng tần số đơn (SFN: Single Frequency Network) mặc dù trong 3GPP sự viếttắt MBFSN được dùng vì SFN là sự viết tắt của System Frame Number), sauđó sẽ không chỉ cải thiện cường độ tín hiệu thu, mà còn loại trừ nhiễu liên tế bào Vìvậy, cùng với OFDM, năng suất quảng bá/đa trạm nhiều tế bào cuối cùng còn bịhạn chế duy nhất bởi tạp nhiễu và trong trường hợp các tế bào thì hiệu suất có thểđạt cực cao Nên chú ý rằng việc sử dụng truyền dẫn MBSFN cho quảng bá/đa trạmphải đảm bảo sự đồng bộ khắt khe và sự đồng chỉnh thời gian của các tín hiệu đượcphát từ các điểm đặt tế bào khác nhau

1.3 Cấu trúc giao diện vô tuyến LTE

Tương tự với WCDMA/HSPA, cũng như tất cả các hệ thống thông tin hiện đạikhác, quá trình xử lý đối với LTE được kết cấu thành các lớp giao thức khác nhau.Mặc dù một vài lớp tương tự với những cái đã dùng trong WCDMA/HSPA, nhưngcũng có một vài sự khác biệt, ví dụ do các sự khác nhau trong cấu trúc toàn thểgiữa WCDMA/HSPA và LTE Phần này bao gồm sự diễn tả về:

19

• Các lớp mạng phía trên lớp vật lý

• Sự tác động lẫn nhau của chúng Giao diện với lớp vật lý

Trong phần này chỉ nói tới cấu trúc truy nhập vô tuyến LTE gồm có một nútđơn – eNodeB (Evolved-Universal Terrestrial Radio Access NodeB)

Tổng quát chung về cấu trúc giao thức LTE đối với đường xuống đượcminh hoạ trong Hình 1.4 Nhưng không phải tất cả các thực thể đã minh hoạtrong Hình 1.4 có thể ứng dụng ở tất cả các hoàn cảnh Ví dụ, không phải sự lập lịchMAC mà cũng không phải ARQ lai cùng với sự kết hợp mềm được sử dụng cho quảngbá về thông tin hệ thống Hơn nữa, cấu trúc giao thức LTE liên quan tới các sự truyềndẫn theo đường lên là tương tự với cấu trúc đường xuống trong hình 1.4, mặc dù cócác sự khác nhau về việc lựa chọn khuôn dạng truyền tải và sự truyền dẫn nhiều antensẽ được thảo luận

Dữ liệu được truyền theo đường xuống tiến hành dưới dạng các gói IP dựa vàomột trong các dịch vụ mạng SAE (SAE: System Architecture Evolution bearers).Trước khi truyền dẫn qua giao diện vô tuyến, các gói IP đến được cho qua nhiều thựcthể giao thức mạng được diễn tả chi tiết hơn trong các phần sau đây:

- Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP) thực hiện việc nén mào đầu IP để giảmsố lượng bít cần thiết để phát trên giao diện vô tuyến Cơ chế nén mào đầu dựa trên

cơ sở sự nén mào đầu mạnh ROHC (Robust Header Compression)- một thuậttoán nén mào đầu được tiêu chuẩn hoá đã dùng trong WCDMA cũng như một vài cáctiêu chuẩn thông tin di động khác PDCP cũng có trách nhiệm mã mật và bảo vệnguyên vẹn về dữ liệu được phát Tại bên thu, giao thức PDCP thực hiện giải mã mậtvà các hoạt động giải nén tương ứng

Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC: Radio Link Control) có trách nhiệm phânđoạn/móc nối, xử lý truyền lại và phân phát theo chuỗi nối tiếp tới các lớp caohơn Khác với WCDMA, giao thức RLC được đặt trong eNodeB đó chỉ là mộtloại node đơn lẻ trong cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến LTE RLC cung cấp cácdịch vụ cho PDCP dưới dạng các giá mang vô tuyến (radio bearers) Có một thực thểRLC cho mỗi dịch vụ mang vô tuyến đã thiết lập cấu hình cho một đầu cuối

- Điều khiển truy nhập môi trường (MAC: Medium Access Control) điều khiểncác sự truyền lại ARQ lai và lập lịch đường lên và đường xuống Chức nănglập lịch trình được đặt trong eNodeB, cái mà có một thực thể MAC cho mỗi

20

tế bào đối với cả đường lên và đường xuống Thành phần giao thức ARQ laiđược hiện diện trong cả ở đầu phát lẫn thu của giao thức MAC MAC cung cấp cácdịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic.

Hình 1.4: Cấu trúc giao thức LTE

- Lớp vật lý (PHY: Physical Layer) xử lý việc mã hoá/giải mã, điều chế/ giải điềuchế, sự ánh xạ nhiều anten, và các chức năng lớp vật lý điển hình khác Lớp vật lýcung cấp các dịch vụ cho lớp MAC dưới dạng các kênh truyền tải (transport channel)

Các phần sau đây bao gồm sự diễn tả cụ thể hơn về các giao thức RLCvà MAC của LTE

1.3.1 Điều khiển liên kết vô tuyến (RLC)

RLC LTE tương tự với WCDMA/HSPA chịu trách nhiệm về phân chiađoạn (nén mào đầu) các gói IP cũng được biết đến như là RLC-SDUs (RLC-ServiceData Unit ) từ PDCP thành cách đơn vị nhỏ hơn RLC- PDUs (RLC-Protocol

21

Data Unit) Với chú ý là thực thể dữ liệu từ/tới một lớp giao thức cao hơn được biếtđến như một SDU và thực thể tương ứng tới/từ một lớp giao thức thấp hơn biểu thịPDU Nó cũng xử lý việc truyền lại của các PDUs bị thu sai, cũng như việc xoá bỏ bảnsao và móc nối các PDUs thu được Cuối cùng, RLC đảm bảo phân phát nối tiếpcác SDUs cho các lớp phía trên

Cơ chế truyền lại RLC chịu trách nhiệm cho sự phân phát không bị lỗi của dữliệu cho các lớp trên Để làm điều này, một giao thức truyền lại hoạt động giữacác thực thể RLC trong máy thu và máy phát Bằng cách giám sát chuỗi các chữ số đivào, RLC thu có thể nhận ra các PDUs bị lỗi Các thông báo trạng thái được quay trởlại RLC phát, yêu cầu truyền lại các PDUs bị lỗi Dựa vào thông báo các trạng tháithu được, thực thể RLC ở máy phát có thể đưa ra hành động phù hợp và truyền lạiPDUs lỗi nếu được yêu cầu Khi RLC được định cấu hình để yêu cầu các sự truyền lạicác PDUs lỗi như đã mô tả ở trên, nó được nói là hoạt động trong chế độ báo nhận(AM: Acknowledged Mode) Điều này tương tự với cơ chế tương ứng đã dùng trongWCDMA/HSPA AM được dùng điển hình trong các dịch vụ TCP (TransmissionControl Protocol) cơ bản như truyền file trong đó việc phân phát dữ liệu không bị lỗilà điều quan trọng hàng đầu

Tương tự với WCDMA/HSPA, RLC cũng có thể được định cấu hình theo chếđộ không báo nhận (UM: Unacknowledged Mode) và chế độ trong suốt (TM:Transparent Mode) Trong UM, sự phân phát nối tiếp tới các lớp cao hơn được cungcấp nhưng không truyền lại các PDUs lỗi được yêu cầu UM được dùng điển hình chocác dịch vụ như VoIP trong đó sự phân phát không bị lỗi là ít quan trọng đối với thờigian phân phát ngắn TM, mặc dù đã hỗ trợ song chỉ dùng cho các mục đích đặc biệtnhư truy nhập ngẫu nhiên

Hình 1.5: Phân đoạn và nối ghép RLC

22

Mặc dù RLC có thể xử lý các lỗi truyền dẫn do tạp âm, các sự biến đổi kênhkhông dự đoán trước, trong tất cả các trường hợp này được xử lý bởi giao thức ARQlai MAC cơ bản Do đó việc dùng cơ chế truyền lại trong RLC có thể xem nhưkhông cần thiết Tuy nhiên, sẽ dùng các cơ chế truyền lại trong cả RLC và MAC cơbản do có các sự khác nhau về báo hiệu phản hồi Cùng với sự thêm vào việc xử lýtruyền lại và phân phát nối tiếp, RLC cũng đảm nhiệm sự phân đoạn và móc nối nhưđược minh hoạ trong Hình 1.5 Phụ thuộc vào quyết định bộ lập trình thì một số lượngnào đó của dữ liệu được lựa chọn cho việc truyền dẫn từ bộ đệm RLC SDU cònSDUs được phân đoạn/ghép nối để tạo thành RLC PDU Vì vậy, đối với LTEkích thước RLC PDU biến đổi một cách động Đối với các tốc độ dữ liệu cao, mộtkích thước PDU lớn dẫn đến mào đầu nhỏ hơn tương đối Trong khi đó đối với các tốcđộ dữ liệu thấp, một kích thước PDU nhỏ được yêu cầu nếu không thì tải trọng có thểquá lớn Vì các tốc độ dữ liệu LTE có thể từ vài kbit/s đến trên một trăm Mbit/s nêncác kích thước PDU động được thúc đẩy cho LTE Do tất cả RLC, bộ lập trình và các

cơ chế thích nghi tốc độ được đặt trong eNodeB nên các kích thước PDU động được

hỗ trợ một cách dễ dàng đối với LTE

1.3.2 Điều khiển truy nhập môi trường (MAC: Medium Acces Control)

Lớp MAC xử lý việc ghép kênh logic, truyền lại ARQ lai, và lập lịch đườnglên và đường xuống Tương phản với HSPA, cái mà dùng phân tập macro đường lênvà vì vậy định rõ cả tế bào phục vụ lẫn tế bào không phục vụ trong khi LTE chỉđịnh rõ một tế bào phục vụ vì không có phân tập macro đường lên Tế bào phụcvụ là tế bào mà đầu cuối di động được kết nối tới và là tế bào mà chịu trách nhiệm choviệc lập lịch và sự hoạt động ARQ lai

• Các kênh logic và các kênh truyền tải

MAC cung cấp các dịch vụ cho RLC dưới dạng các kênh logic Một kênh logicđược xác định nhờ vào loại thông tin mà nó mang và đã được phân loại trong các kênhđiều khiển, được dùng cho việc truyền dẫn điều khiển và các thông tin về tổ chứccần thiết cho một hệ thống LTE hoạt động, và các kênh lưu lượng dùng cho dữ liệungười dùng Tập các loại kênh logic đã chỉ định cho LTE bao gồm:

- Kênh điều khiển quảng bá (BCCH: Broadcast Control Channel) dùng cho sựtruyền dẫn các thông tin điều khiển hệ thống từ mạng tới tất cả các đầu cuối di độngtrong tế bào Trước khi truy nhập hệ thống, một đầu cuối di động cần đọc thông tin

23

được truyền trên kênh này để tìm hiểu hệ thống này được định cấu hình như thế nào vídụ như dải thông của hệ thống

- Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH: Paging Control Channel) dùng để tìm gọicác đầu cuối di động mà vị trí của nó trên cấp độ tế bào không được nhậnbiết về mạng và vì thế thông báo tìm gọi cần được truyền cho nhiều tế bào

- Kênh điều khiển dành riêng (DCCH: Dedicated Control Channel) dùng để truyềnthông tin điều khiển tới/từ một đầu cuối di động Kênh này được dùng để định cấu hìnhriêng của đầu cuối di động như là các thông báo chuyển giao cuộc gọi khác nhau

- Kênh điều khiển đa trạm (MCCH: Multicast Control channel) dùng cho sựtruyền dẫn thông tin điều khiển cần thiết cho việc thu của MTCH

- Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH: Dedicated Traffic Channel) sử dụng choviệc truyền dẫn dữ liệu người dùng từ/tới một đầu cuối di động Đây là loại kênh logicđược dùng để truyền dẫn cho tất cả dữ liệu người dùng đường lên và dữ liệu người dùngđường xuống mà không phải là MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service)

- Kênh lưu lượng đa trạm (MTCH: Multicast Traffic Channel) được dùng chotruyền dẫn đường xuống của các dịch vụ MBMS Một cấu trúc kênh logic tương

tự được dùng cho WCDMA/HSPA Tuy nhiên, so với WCDMA/HSPA, cấu trúckênh logic LTE này có phần được đơn giản, cùng với việc giảm số lượng các loại kênhlogic Từ lớp vật lý, lớp MAC sử dụng các dịch vụ dưới dạng các kênh truyền tải(transport channel) Một kênh truyền tải được định nghĩa bởi các đặc tính về thông tinđược truyền qua giao diện vô tuyến Dữ liệu trên một kênh truyền tải được sắpxếp thành các khối truyền tải (transport blocks) Trong mỗi khoảng thời gian truyềnTTI (TTI: Transmission Time Interval), tối đa có một khối truyền tải có kích thướcnào đó được truyền qua giao diện vô tuyến khi không có sự ghép không gian Nếucó ghép không gian (‘MIMO’) có thể lên tới hai khối truyền tải cho mỗi TTI

Được kết hợp cùng với mỗi khối truyền tải là một khuôn dạng truyền tải (TF:Transport Format) định rõ khối truyền tải như thế nào sẽ được truyền qua giaodiện vô tuyến Khuôn dạng truyền tải (TF) chứa thông tin về kích thước khối truyềntải, sơ đồ điều chế, và ánh xạ anten Cùng với sự ấn định tài nguyên, kết quả tốc độ mãcó thể suy ra từ khuôn dạng truyền tải (TF) Nhờ sự biến đổi các khuôn dạng truyềntải, lớp MAC có thể thu được các tốc độ dữ liệu khác nhau Vì vậy, điều khiển tốc độcũng được biết đến như là sự lựa chọn dạng truyền tải

• Tập các loại kênh truyền tải đã chỉ định cho LTE gồm có:

24

- Kênh quảng bá (BCH: Broadcast Channel) có một khuôn dạng truyền tải cốđịnh, được cung cấp bởi các đặc điểm kỹ thuật Nó được dùng để truyền dẫn thông tintrên kênh logic BCCH

- Kênh tìm gọi (PCH: Paging channel) được dùng để truyền thông tin tìm gọitrên kênh logic PCCH PCH hỗ trợ sự thu gián đoạn (DRX: DiscontinuousReception) cho phép đầu cuối di động tiết kiệm nguồn pin nhờ vào chế độ ngủ và thứcdậy để thu PCH này chỉ ở các thời điểm đã xác định trước Kênh chia sẻ đường xuống(DL-SCH: Downlink Shared Channel) là kênh truyền tải được dùng cho việc truyềndẫn dữ liệu đường xuống trong LTE Nó hỗ trợ các đặc tính LTE như sự thích nghi tốcđộ động và việc lập lịch phụ thuộc kênh trong miền thời gian và miền tần số, ARQ lai,và ghép không gian Nó cung hỗ trợ DRX để giảm sự tiêu thụ nguồn đầu cuối di động.DL-SCH TTI (DL-SCH Transmision Time Interval) là 1 ms

- Kênh đa phương (MCH: Multicast Channel) được dùng để hỗ trợ MBMS.Nó được đặc trưng bởi một khuôn dạng truyền tải bán tĩnh (semi-static transportformat) và sự lập lịch bán tĩnh (semi-static scheduling) Trong trường hợp truyềndẫn nhiều tế bào bằng cách dùng MBSFN, việc lập lịch và cấu hình khuôn dạng truyềntải được lập toạ độ giữa các tế bào tham gia vào sự truyền dẫn MBSFN đó

- Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH: Uplink Shared Channel) là phần đối xứng vớiDL-SCH

Nhiệm vụ của chức năng MAC là ghép các kênh logic khác nhau và ánh xạ cáckênh logic cho các kênh truyền tải thích hợp MAC trong LTE hỗ trợ việc ghép củaRLC PDUs từ dịch vụ mạng vô tuyến (radio bears) khác nhau thành khối truyền tảigiống nhau Vì có một số sự liên quan giữa loại thông tin và cách nó được phát nên cócác sự giới hạn nào đó trong việc ánh xạ của các kênh logic tới các kênh truyền tải Một

ví dụ về sự ánh xạ các kênh locgíc tới các kênh truyền tải được cho trong Hình 1.6

25

Hình 1.6: Ví dụ về sự ánh xạ của các kênh logic tới các kênh truyền tải

• Việc lập lịch đường lên

Chức năng cơ bản của bộ lập lịch đường lên tương tự như đường xuống, cụ thểlà xác định động, cho mỗi khoảng 1ms, những thiết bị đầu cuối di động nào truyền

dữ liệu trên UL-SCH và trên những tài nguyên đường lên này Việc lập lịch đường lêncũng được sử dụng cho HSPA, nhưng do sự khác nhau của phương đa truy cập đượcsử dụng, nên có một số sự khác nhau quan trọng giữa HSPA và LTE về khía cạnh này

Trong HSPA, chia sẻ tài nguyên đường lên chủ yếu có thể chấp nhận đượcnhiễu tại trạm cơ sở Bộ lập lịch đường lên trong HSPA chỉ đặt giới trên của số lượngcủa nhiễu đường lên cho phép thiết bi di động đầu cuối được tạo ra Căn cứ trên giớihạn này, thiết bị di động đầu cuối lựa chọn độc lập định dạng truyền phù hợp Chiếnlược này rõ ràng có ý nghĩa cho đường lên không trực giao như trường hợpHSPA Thiết bị di động đầu cuối không dùng cho tất cả những tài nguyên như vậybắt buộc truyền tại công suất thấp, do đó giảm bớt nhiễu trong tế bào Do đó, chia sẻnhững tài nguyên không dùng cho một thiết bị di động đầu cuối có thể khai thác theothiết bị di động đầu cuối khác thông qua bộ dồn kênh Từ đó việc định dạng truyềnđược chọn lọc vị trí thiết bị di động đầu cuối cho HSPA đường lên, ngoài dải tín hiệucần từ khai báo nút B lựa chọn gần như được thực hiện

Về phần LTE, đường lên trực giao và chia sẻ tài nguyên được điều khiển bởieNodeB bộ lập lịch cho đơn vị tài nguyên thời gian tần số Việc gán tài nguyên khôngphải hoàn toàn cho thiết bị đầu cuối di động không thể dùng được từng phần cho thiết

bị đầu cuối di động khác Do đó, vì đường lên trực giao, một cách đáng kể có lợi hơntrong việc lựa chọn thiết bị đầu cuối di động cho định dạng truyền được so sánhvới HSPA Bởi vậy, ngoài việc gán những tài nguyên thời gian tần số cho thiết bị đầucuối di động, bộ lập lịch eNodeB chịu trách nhiệm điều khiển định dạng truyền (độ lớntrọng tải, sơ đồ điều chế) của thiết bị đầu cuối di động sẽ được sử dụng Khi người lậplịch biết những định dạng truyền cho thiết bị đầu cuối di động muốn sử dụng khi phát,

ở đó không cần thiết cho điều khiển tín hiệu ngoài dải từ thiết bị đầu cuối di động đếneNodeB Điều này có lợi từ phương diện phủ sóng có tính đến chi phí, mỗi bít của điềukhiển phát thông tin ngoài dải có thể cao hơn một cách đáng kể so với giá thành củatruyền dữ liệu như điều khiển tín hiệu cần thu với độ tin cậy cao hơn Mặc dù việc bộlập lịch eNodeB xác định rõ định dạng truyền tải cho thiết bị đầu cuối di động, cầnphải chỉ dẫn giải quyết việc lập lịch đường lên lấy theo thiết bị đầu cuối di động và

26

không qua vô tuyến truyền thông Như vậy, mặc dù việc người lập lịch eNodeB điềukhiển trọng tải của trạm đầu cuối di động trong việc lập lịch, thiết bị đầu cuốivẫn phải chịu trách nhiệm cho sự lựa chọn từ vô tuyến truyền thông dữ liệu được lấy.Như vậy, thiết bị đầu cuối di động xử lý độc lập dồn kênh logic Điều này được minhhoạ bên phải của Hình 1.7, ở đó người lập lịch điều khiển eNodeB định dạng truyền tảivà điểu khiển thiết bị đầu cuối di động dồn kênh logic Để so sánh, trạng thái đườngxuống tương ứng, ở đó sNodeB điều khiển cho cả hai định dạng truyền tải và dồn kênhlogic, được miêu tả bên trái của hình

Hình 1.7: Lựa chọn phương thức truyền đường xuống và đường lên

Ghép kênh trong thiết bi đầu cuối di động không theo những quy tắc, nhữngtham số của nó có thể định cấu hình bởi tín hiệu RRC từ eNodeB Mỗi dịch vụ mạngđược gán một quyền ưu tiên và ưu tiên tốc độ bít Thiết bị đầu cuối di động sẽ thựchiện ghép kênh ví dụ ấy dịch vụ mạng không thoả mãn thứ tự ưu tiên lên tốc độ bít của

họ Tài nguyên còn lại, nếu có, sau khi thực hiện ưu tiên lên tốc độ dữ liệu dựa vào thứ

tự ưu tiên trong ghép kênh

Để giúp đỡ bộ lập lịch đường lên, thiết bị đầu cuối di động có thể lập lập truyềnthông tin đến eNode B sử dụng tin nhắn MAC Rõ ràng, thông tin có thể được truyềnnếu thiết bị đầu cuối di động nếu có sự đồng ý lập lịch hợp lệ

27

Lập lịch phụ thuộc kênh đặc trưng sử dụng cho đường xuống Về nguyên lý, nócó thể được sử dụng cho cả đường lên Tuy nhiên, đánh giá chất lượng kênh đườnglên không dễ làm giống như đường xuống Điều kiện kênh đường xuống có thể đượcxác định bởi tất cả các thiết bị đầu cuối di động trong một tế bào được quan sát dễdàng khi tham chiếu việc truyền tín hiệu chuẩn về phía eNode B và tất cả những thiết

bị đầu cuối di động có thể chia sẻ giống như tín hiệu tham chiếu tới kết quả đánh giáchất lượng kênh Đánh giá chất lượng kênh đường lên, tuy nhiên, cần tín hiệu chuẩnthăm dò từ mỗi một thiết bị đầu cuối di động cho eNode B muốn đến ước lượng chấtlượng kênh đường lên Như vậy tín hiệu tham chiếu được hỗ trợ bởi LTE Cho nên,biện pháp để cung cấp tính đa dạng đường lên như một sự bổ xung hay khác tới việclập lịch phụ thuộc kênh đường lên trở nên quan trọng

• ARQ lai

ARQ lai LTE cùng với sự kết hợp mềm để chống lại các lỗi truyền dẫn Vìcác sự truyền lại ARQ lai là nhanh nên nhiều dịch vụ cho phép đối với một hoặcnhiều sự truyền lại, theo cách đó hình thành cơ chế điều khiển tốc độ ngầm(vòng kín), tương tự như HSPA, giao thức ARQ lai là bộ phận của lớp MAC, trong khiđó, hoạt động kết hợp mềm được xử lý bởi lớp vật lý

Rõ ràng, ARQ lai không thể ứng dụng được cho tất cả các loại lưu lượng

Ví dụ, các sự truyền dẫn quảng bá trong đó thông tin giống nhau dành cho nhiềungười dùng làm việc không dựa vào ARQ lai Vì thế ARQ chỉ được hỗ trợ cho DL-SCH và UL-SCH

Giao thức ARQ lai LTE bao gồm nhiều quá trình xử lý dừng và đợi song song.Dựa vào sự thu của một khối truyền tải, máy thu thực hiện thử giải mã khối truyền tảinày và thông báo cho máy phát biết về kết quả của hoạt động giải mã thông qua mộtbít ACK/NAK đơn lẻ biểu thị sự giải mã thành công hoặc nếu sự truyền lại của mộtkhối truyền tải được yêu cầu Để tối thiểu hoá mào đầu, một bít ACK/NAK đơn

lẻ được sử dụng Rõ ràng máy thu nhất thiết phải biết được một bít ACK/NAK đãthu được kết hợp với quá trình ARQ lai nào Điều này được giải quyết nhờ sự tính toánthời điểm của ACK/NAK được dùng để kết hợp ACK/NAK này với một quá trìnhARQ nào đó như được minh hoạ trong Hình 1.8 Chú ý rằng, trong trường hợphoạt động TDD, mối quan hệ về thời gian giữa sự thu của dữ liệu theo một quátrình ARQ lai nào đó và sự phát của ACK/NAK cũng bị ảnh hưởng bởi sự phân chiađường lên/đường xuống

28

Ở LTE, một giao thức không đồng bộ là cơ sở cho sự hoạt động ARQ lai đườngxuống Vì vậy, các sự truyền lại đường xuống có thể xảy ra tại bất cứ thời gian nàosau lần truyền đầu tiên và đánh số quá trình xử lý ARQ lai được để chỉ thị quá trình xử

lý đang được chú tâm vào Mặt khác, các sự truyền lại theo đường lên dựa trên cơ sởgiao thức đồng bộ và sự truyền lại xảy ra ở một thời điểm xác định trước sau sự truyềndẫn đầu tiên Hai trường hợp này được minh hoạ trong Hình 1.8

Hình 1.8: Giao thức ARQ lai đồng bộ và không đồng bộ

Ở giao thức ARQ lai không đồng bộ, các sự truyền lại được lập lịch về nguyêntắc cơ bản giống với các sự truyền đầu tiên Mặt khác, trong giao thức đồng bộ, thời

29

điểm cho các sự truyền lại được cố định sau khi việc truyền lần đầu tiên được lập lịch.Tuy nhiên, chú ý rằng bộ lập lịch nhận biết từ thực thể ARQ trong eNodeB một đầucuối di động sẽ thực hiện sự truyền lại hay không

Hình 1.9: Đa xử lý ARQ song song

Việc sử dụng nhiều quá trình ARQ lai song song được minh hoạ trong Hình1.9, đối với mỗi người dùng có thể dẫn đến dữ liệu được phân chia theo cơ chế ARQlai không theo trình tự nào Ví dụ, khối truyền tải 5 trong hình minh hoạ đã được giảimã thành công trước khối truyền tải 3 cái mà đã yêu cầu một sự truyền lại Sau khi giảimã thành công khối truyền tải được phân thành các kênh logic thích hợp và sự sắp xếplại được làm trên mỗi kênh logic bằng cách dùng chuỗi các chữ số này

Cơ chế ARQ lai sẽ sửa các lỗi truyền gây bởi tạp âm hoặc các biến đổi kênhkhông thể dự đoán trước Như đã thảo luận ở trên, thì RLC cũng có khả năng thực hiệnđối với các yêu cầu truyền lại Tuy nhiên, ít khi các sự truyền lại RLC là cần thiết vì cơchế ARQ lai cơ bản có khả năng sửa hầu hết các lỗi truyền dẫn nhưng đôi khi ARQlai có thể không đủ khả năng để cấp phát các khối dữ liệu không có lỗi (error-free) cho RLC do một kẽ hở ở chuỗi của các khối dữ liệu không có lỗi được phân pháttới RLC Điều này xảy ra do báo hiệu hồi tiếp về sai, ví dụ một NAK được diễn dịch

30

không đúng thành một ACK bởi máy phát, gây mất dữ liệu Xác suất để xảy ra điềunày có thể là khoảng 1%; Một xác suất lỗi không quá cao đối với các dịch vụ TCP cơbản (Transmission Control Protocol) là cần thiết cho sự cấp phát các gói TCP hầu nhưkhông có lỗi Một cách cụ thể hơn, đối với các tốc độ dữ liệu vượt quá 100 Mbit/s yêucầu xác suất mất một gói dữ liệu dưới 10 −5

Về cơ bản, TCP coi toàn bộ các lỗi gói là

do sự tắc nghẽn Vì vậy, các lỗi gói khởi sự một quá trình tránh tắc cùng với một sựgiảm tương ứng các tốc độ dữ liệu và để duy trì hiệu suất tốt tại các tốc độ dữ liệu caothì RLC-AM phục vụ nhằm mục đích quan trọng là để bảo đảm phân phát dữ liệukhông có lỗi cho TCP

Vì cơ chế ARQ lai có mục tiêu cho các sự truyền lại rất nhanh nên đòi hỏi gửimột bít thông báo trạng thái ACK/NAK tới máy phát thật nhanh có thể thực hiệnchỉ trên một TTI Mặc dù về nguyên lý có thể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ýcủa thông tin phản hồi ACK/NAK nhưng giá phải trả là cần đến công suất pháttương đối cao Việc giữ sự trả giá này một cách hợp lý đưa đến một tỷ lệ lỗi hồi tiếpkhoảng 1% cái mà quyết định tỷ lệ lỗi ARQ lai còn dư Vì các thông báotrạng thái RLC được truyền ít hơn ACK/NAK ARQ lai một cách đáng kể nên sự trảgiá để đạt được sự tin cậy 10−5 hay thấp hơn là tương đối nhỏ Vì vậy sự kết hợp củaARQ lai và RLC đạt được một sự kết hợp tốt về thời gian khứ hồi nhỏ và một mào đầuhồi tiếp vừa phải trong đó hai thành phần này bổ xung lẫn nhau

Vì RLC và ARQ lai được đặt ở cùng một node nên sự tương tác chặt chẽ giữahai cái này là điều có thể xảy ra Ví dụ nếu cơ chế ARQ lai phát hiện một lỗi khôngthể khôi phục lại được thì việc truyền của một thông báo trạng thái RLC có thể đượckhởi sự ngay lập tức thay vì đợi để truyền một thông báo trạng thái theo định kỳ Điềunày sẽ dẫn đến việc truyền lại RLC của các PDU bị lỗi nhanh hơn Vì vậy, với mức độnào đó thì việc kết hợp của ARQ lai và RLC có thể xem như một cơ chế truyền lại vớihai cơ chế phản hồi trạng thái

1.4 Tổng kết

Trong chương này, đã trình bày một số đặc điểm cở bản của mạng LTE như tốcđộ đỉnh tức thời của uplink và downlink thực tế với băng thông 20MHz, độ dài băngthông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng tần 1.25MHz, 1.6 MHz, 10MHz, 15MHzvà 20MHz cả chiều lên và chiều xuống Con đường tiến lên LTE là từ GSM lên EDGE,tiếp theo lên WCDMA rồi HSPA và cuối cùng là lên 3GPP LTE Đã nêu được nhữngkhái quát truy nhập vô tuyến trong LTE như: đường xuống dùng kỹ thuật OFDMA,

31

đường lên dùng kỹ thuật SC-FDMA, lập lịch đường lên và đường xuống, hỗ trợ đaquảng bá và nhiều anten cùng với ARQ lai kết hợp mềm Cấu trúc giao diện vô tuyếngồm có các giao thức điểu khiển liên kết vô tuyến RLC, điểu khiển truy nhập môi trườngMAC Để hiểu kĩ hơn về đường lên LTE, chương sau em sẽ trình bày về kỹ thuật SC-FDMA với việc ánh xạ sóng mang con, xử lý tín hiệu, so sánh SC-FDMA với OFDMA.

32

Chương 2

KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ ĐƠN SÓNG

MANG (SC-FDMA) 2.1 Giới thiệu

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và đa truy nhập phânchia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) là phiên bản cải biến của OFDM Tất cảcác kỹ thuật phân chia tần số trực giao sử dụng một tập hợp rời rạc các sóng mang contrực giao được phân bố qua độ rộng băng tần hệ thống Bao gồm các biến đổi rời rạcđể chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và miền tần số Để phát đồng thời một vàitín hiệu các kỹ thuật đa truy nhập gán các tín hiệu cho một tập các sóng mang conkhông trùng nhau Vì các kênh băng thông rộng chịu pha-đinh chọn lọc theo tần số,nên các kỹ thuật FDMA có thể sử dụng lập lịch phụ thuộc kênh để nhận được phân tập

đa người dùng, ngoài ra, do đặc tính pha-đinh của các thiết bị đầu cuối tại các vị tríkhác nhau là độc lập thống kê với nhau, nên các kỹ thuật lập lịch có thể gán các sóngmang con cho mỗi thiết bị đầu cuối với đặc tính truyền dẫn thích hợp tại vị trí của thiết

bị đầu cuối

Các hệ thống tế bào WiMAX sử dụng OFDMA để truyền các tín hiệu từ cáctrạm gốc cũng như các thiết bị đầu cuối di động Ngược lại, 3GPP quy định OFDMAcho truyền dẫn đường xuống và SC-FDMA cho truyền dẫn đường lên trong các hệthống tế bào (LTE) làm cho các thiết bị đầu cuối di động trở nên hiệu quả công suất.Việc biết trước phiên bản tương lai của hệ thống CDMA hiện tại, dự án hợp tác 3GPP2đang thực hiện SC-FDMA sử dụng mã trải đối với siêu băng rộng di động (UMB).Một nhược điểm của OFDMA là tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao, điềunày làm tăng giá thành và làm giảm hiệu quả của bộ khuếch đại công suất của máyphát Với PAPR thấp, các bộ khuếch đại công suất tại các thiết bị đầu cuối di động sửdụng SC-FDMA đơn giản hơn và hiệu quả cao hơn so với việc chúng sử dụng truyềndẫn OFDMA Mặt khác, với tốc độ báo hiệu cao, bộ san bằng trên miền tần số củađường truyền SC-FDMA phức tạp hơn nhiều so với bộ san bằng OFDMA Với truyềndẫn SC-FDMA được giới hạn với đường lên LTE, các bộ san bằng phức tạp chỉ đượcyêu cầu tại các trạm gốc mà không yêu cầu ở thiết bị đầu cuối di động

33

2.2 Xử lý tín hiệu SC-FDMA

Hình 2.1 mô tả một máy phát SC-FDMA gửi một khối dữ liệu đến máy thu.Đầu vào của máy phát và đầu ra của máy thu là các symbol điều chế phức Các hệthống thực tế có khả năng thích nghi một cách tự động kỹ thuật điều chế với chấtlượng kênh, bằng sử dụng khóa dịch pha nhị phân (BPSK) trong các kênh chất lượngkém và điều chế biên độ biên độ trực giao 64 mức (64-QAM) trong các kênh chất

lượng tốt Khối dữ liệu bao gồm M symbol điều chế phức được tạo ra với tốc độ

giây symbol

phát trong Hình 2.1 Biến đổi Fourier rời rạc M-điểm (DFT) tạo ra M symbol trên

miền tần số điều chế M sóng mang trong số N sóng mang con trực giao trải trên độ

rộng băng thông :

[ ]Hz f N

W channel = ⋅ 0 (2.1)

Trong đó f0 [Hz] là khoảng cách giữa các sóng mang con Tốc độ kênh truyền dẫn là

[symbol giây]

R M

N

(2.2)Nếu ký hiệu Q là hệ số trải phổ băng thông, có nghĩa là:

M

N R

R Q source channel =

=

(2.3)

Sau đó, hệ thống SC-FDMA có thể điều khiển Q tín hiệu nguồn trực giao với

mỗi nguồn chiếm tập M sóng mang con trực giao khác nhau Trong chú thích của Hình2.2, x m(m=0,1, ,M −1) biểu diễn các symbol nguồn đã được điều chế và

) 1 , ,

34

Hình 2.1: Cấu trúc máy phát và máy thu của các hệ thống SC-FDMA và OFDMA [2]

Bởi vì các thiết bị đầu cuối bị phân tán về mặt không gian có các kênh pha-đinhđộc lập với nhau, SC-FDMA và OFDMA có thể có lợi từ việc lập lịch phụ thuộckênh Biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) trong Hình 2.1 và 2.2 tạo ra việc biểudiễn trên miền thời gian, y n, của N symbol sóng mang con Bộ biến đổi song song nốitiếp bố trí y y0 , , 1 y N−1 phù hợp với việc điều chế sóng mang tần số vô tuyến vàtruyền đến máy thu

Máy phát trong Hình 2.1 thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu khác trước khitruyền dẫn Đó là chèn một tập các symbol được gọi là tiền tố vòng (CP) để cung cấpthời gian bảo vệ để ngăn chặn nhiễu giữa các khối dữ liệu (IBI) do truyền dẫn đađường Máy phát cũng thực hiện hoạt động lọc tuyến tính được gọi là tạo dạng xungđể giảm năng lượng tín hiệu ngoài dải băng Tiền tố vòng là bản sao chép của phầncuối cùng của khối dữ liệu Nó được chèn vào vị trí đầu tiên của mỗi khối dữ liệu vìhai lý do Thứ nhất, CP đóng vai trò như là khoảng thời gian phòng vệ giữa các khốiliền kề Nếu độ dài của CP lợi hơn trải trễ lớn nhất của kênh, hay nói một cách đại kháilà, chiều dài của đáp ứng xung kênh truyền thì không có IBI

35

Hình 2.2: Thế hệ của SC-FDMA truyền symbol, có N sóng mang con trong đó M (<N)

sóng mang con được chiếm bởi các dữ liệu đầu vào [2]

Thứ hai, vì CP là một bản sao của phần cuối cùng của khối dữ liệu nên nóchuyển đổi tích chập tuyến tính trên miền thời gian rời rạc thành tích chập vòng trênmiền thời gian rời rạc Như vậy, việc truyền dữ liệu đã được phát đi thông qua kênhtruyền có thể mô hình hóa như là tích chập vòng giữa đáp ứng xung của kênh và khối

dữ liệu đã được phát đi trên miền tần số là theo từng điểm của các mẫu tần số DFT Dođó, để loại bỏ méo kênh truyền thì DFT của tín hiệu đã nhận được có thể được chiamột cách đơn giản nhờ DFT của đáp ứng xung kênh truyền theo từng điểm Bộ lọc tạodạng xung thông thường là bộ lọc cosin nâng Các biểu diễn trên miền thời gian vàtrên miền tần số của bộ lọc như sau:

,2

1cos

12

,)(

T f

T T

T f

απ

f T

T

f T

T f

2 1

2

1 2

1

2

1 0

α

αα

4 1

) / cos(

/

) / sin(

) (

T t

T t T

t

T t t

p

α

πα π

Hình 2.3: Bộ lọc cosine nâng [1]

Hình 2.3 minh họa về mặt hình học các bộ lọc cosine nâng trên miền tần số vàtrên miền thời gian Hệ số uốn lọc α nằm trong khoảng từ 0 đến 1 và điều khiển lượngbức xạ ngoài dải băng Với α = 0, bộ lọc là một bộ lọc dải thông lý tưởng khử toàn bộbức xạ ngoài dải băng Khi α tăng, bức xạ ngoài dải băng cũng tăng Theo trên miềnthời gian, các búp sóng bên cạnh của đáp ứng xung bộ lọc tăng lên khi α giảm và điềunày làm tăng công suất đỉnh của tín hiệu được phát đi sau khi tạo dạng xung Vì vậy,

sự lựa chọn của hệ số bộ lọc uốn lọc yêu cầu sự dung hòa giữa các mục đích bức xạngoài dải băng thấp và tỷ lệ công suất đỉnh trên trung bình thấp DFT trong máy thu

Hình 2.1 biến đổi tín hiệu thu được ở miền tần số trong chế độ phục hồi N sóng mang

con Việc giải ánh xạ thực hiện tách M mẫu trong miền tần số của mỗi tín hiệu nguồn.Bởi vì SC-FDMA sử dụng điều chế đơn sóng mang, nó gặp phải méo tuyến tính thựcchất được hiện ra như là nhiễu liên symbol (ISI) Bộ san bằng trong miền tần số sẽ triệt

bỏ ISI Khối IDFT tại máy thu như trong Hình 2.1 biến đổi các symbol đã được sanbằng trở lại miền thời gian, sau đó sẽ có một bộ tách sóng làm nhiệm vụ nhận lần lượt

M symbol điều chế

Hình 2.4 minh họa hoạt động máy thu SC-FDMA từ một phối cảnh truy nhập

đa người dùng trong đường lên Trước khi thực hiện quá trình giải điều chế SC-FDMA

cơ bản, trạm gốc phân chia người dùng trong miền tần số trong quá trình giải ánh xạsóng mang con

Hình 2.1 chỉ ra rằng kết hợp SC-FDMA xử lý tín hiệu trong các phần tử củaOFDMA và cộng thêm khối DFT ở đầu vào của máy phát và tương ứng là khối IDFT

37

ở đầu ra của máy thu Vì máy phát SC-FDMA có nhiệm vụ mở rộng băng thông tínhiệu để bao phủ băng thông của kênh, SC-FDMA đôi khi còn được gọi là OFDMAtrải bởi DFT

Hình 2.4: Cấu trúc máy thu SC-FDMA từ một phối cảnh truy nhập đa người dung với

Q thiết bị đầu cuối trong đường lên [2]

2.3 Ánh xạ các sóng mang con

Hình 2.5 mô tả hai phương pháp để gán M symbol được điều chế trong miềntần số tới các sóng mang con: ánh xạ sóng mang con phân tán và ánh xạ sóng mangcon tập trung Trong phương pháp ánh xạ các sóng mang con tập trung, các symbolđiều chế được gán cho M sóng mang con liền kề Trong chế độ phân tán, các symbolđược cách đều trên toàn bộ băng thông kênh Trong cả hai chế độ thì khối IDFT tại

máy phát sẽ gán biên độ bằng 0 cho N M− sóng mang con không bị chiếm đóng Ta

gọi chế độ ánh xạ các sóng mang con tập trung của SC-FDMA là FDMA tập trung(LFDMA) và chế độ ánh xạ các sóng mang con phân tán của SC-FDMA là FDMA

38