CƠ SỞ VÀ GIỚI THIỆU LTE
Các đặc điểm và công nghệ trong LTE
Phỏng thường được dùng để so sánh hiệu suất của các kỹ thuật khác nhau trong WGS, đặc biệt tập trung vào các lớp vật lý của giao diện không gian và yêu cầu thực hiện Điều này cần đạt được sự đồng thuận về các giả định mô phỏng được sử dụng để so sánh, bao gồm việc hiểu và xác định các khả năng hữu ích cho nhà khai thác mạng.
TSG RAN Radio Access Network
TSG SA Service and System Aspects
TSG CT Core Network (CN) and Terminals
RAN WG1 Radio Layer 2 (Physical Layer)
RAN WG2 Radio Layer 2 and 3
RAN WG3 RAN interfaces and
RAN WG4 Radio Performance and Protocol Aspects
RAN WG5 Mobile Terminal Conformance Tests
CT WG1 Layer 3 protocols (Terminal-CN)
CT WG3 Interworking with external networks
CT WG6 Smart Card Application Aspects
Hình thức bỏ phiếu hiếm khi xảy ra trong 3GPP, giúp ngăn chặn sự chia rẽ và tình trạng bế tắc trong quá trình tiêu chuẩn hóa Quá trình chuẩn hóa LTE được khởi xướng tại hội thảo ở Toronto vào tháng 11 năm 2004, nơi các công ty trong ngành truyền thông di động trình bày tầm nhìn về sự phát triển kỹ thuật tương lai, đồng thời đề xuất các công nghệ phù hợp để đáp ứng yêu cầu của 3GPP.
1.2 Các đặc điểm và côn n tron LTE
1.2.1 Các đặc điểm nổi bật
LTE, viết tắt của Long Term Evolution (Tiến hóa lâu dài), là một công nghệ tiên tiến được phát triển từ các hệ thống GSM/UMTS như WCDMA và HSPA, nhằm cung cấp truy cập băng rộng di động hiệu quả.
Công nghệ 4G thế hệ mới mang đến tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz, cho phép tốc độ tải xuống đạt 100 Mbps và tải lên đạt 50 Mbps.
Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của người dùng trên 1MHz trong mạng HSDPA Rel 6 cho phép tốc độ tải xuống nhanh gấp 3 đến 4 lần và tốc độ tải lên nhanh gấp 2 đến 3 lần so với các công nghệ trước đó.
Hoạt động tối ưu của thiết bị diễn ra khi tốc độ di chuyển của thuê bao từ 0 đến 15 km/h Thiết bị vẫn hoạt động hiệu quả ở tốc độ từ 15 đến 120 km/h và duy trì kết nối ổn định khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 đến 350 km/h, thậm chí có thể lên tới 500 km/h tùy thuộc vào băng tần sử dụng.
Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của LTE
Song công FDD, TDD, bán song công FDD
Di động 350km/h Đa truy nhập Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA
MIMO Đường xuống: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4 Đường lên: 1 x 2, 1 x 4
Tốc độ dữ liệu tối đa trong băng tần 20MHz đạt 173 mb/s và 326 mb/s cho các cấu hình MIMO 2 x 2 và 4 x 4, trong khi tốc độ đường lên là 86 mb/s với cấu hình 1 x 2 anten Công nghệ điều chế sử dụng QPSK, 16QAM và 64QAM.
Mã hóa kênh Mã tubo
Lập biểu chính xác kênh, liên kết thích ứng, điều khiển công suất, ICIC và ARQ hỗn hợp
Các chỉ tiêu cần đảm bảo trong bán kính phủ sóng 5km, giảm dần trong phạm vi đến 30km, và không hạn chế từ 30 đến 100 km Độ rộng băng thông linh hoạt cho phép hoạt động với các băng tần 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và xuống Hệ thống hỗ trợ cả hai trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc khác nhau Để đạt được các mục tiêu này, sẽ áp dụng nhiều kỹ thuật mới.
Kỹ thuật OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) cho đường xuống và SC-FDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) cho đường lên giúp tối ưu hóa tốc độ bit bằng cách gán các kênh con khác nhau cho người dùng dựa trên điều kiện kênh Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng phân tập theo không gian để nâng cao hiệu suất phổ tần Ngoài ra, hệ thống này hoạt động hoàn toàn trên nền tảng IP và hỗ trợ cả chế độ FDD và TDD.
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của LTE đƣợc tóm tắt trong bảng 1.1
1.2.2 Các công nghệ trong LTE
Việc thực hiện các yêu cầu trong thiết kế giao diện vô tuyến LTE phụ thuộc vào những tiến bộ trong công nghệ vô tuyến di động Ba công nghệ cơ bản đã hình thành gồm công nghệ đa sóng mang, công nghệ đa anten, và ứng dụng chuyển mạch gói sang giao diện vô tuyến Các công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và khả năng kết nối của mạng LTE.
Công nghệ đa sóng mang được áp dụng trong LTE với thiết kế lớn đầu tiên Sau khi khởi tạo đề án, phương pháp OFDMA được chọn cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên, như thể hiện trong hình 1.3 Quyết định này được thực hiện vào tháng 12 năm 2005, đánh dấu một bước tiến mới với sự linh hoạt trong hệ thống.
OFDMA mở rộng công nghệ đa sóng mang, cung cấp chương trình đa truy nhập linh hoạt Bằng cách chia nhỏ băng thông OFDM để truyền tín hiệu qua nhiều sóng mang con hẹp, OFDMA sắp xếp các sóng mang con trực giao, cho phép mỗi sóng mang mang thông tin kênh độc lập Việc chia nhỏ băng thông này không chỉ tối ưu hóa việc chia sẻ sóng mang con cho nhiều người dùng mà còn mang lại sự linh hoạt có thể áp dụng trong nhiều tình huống khác nhau.
Băng thông phổ khác nhau có thể đƣợc sử dụng mà không thay đổi các thông số
22 hệ thống cơ bản, thiết kế thiết bị
Các tài nguyên truyền dẫn của băng thông có thể được giao cho nhiều người sử dụng khác nhau và lập lịch tự do trong miền tần số
Tái sử dụng phân đoạn tần số và phối hợp nhiễu giữa các tế bào đƣợc đặt ra
Hình 1.3 Miền tần số của công nghệ đa truy nhập trong LTE
Trong những năm gần đây, OFDM đã đạt được những đặc điểm nổi bật nhờ vào việc triển khai kỹ thuật âm thanh số và các hệ thống quảng bá truyền hình như DAB, DVB và DMB Những đặc điểm này đã làm nổi bật nhiều lợi thế quan trọng của OFDM.
Các kênh vô tuyến phân tán đang được phát triển mạnh mẽ nhờ vào việc chia tín hiệu truyền dẫn băng rộng thành nhiều kênh hẹp Điều này giúp hạn chế nhiễu ISI một cách hiệu quả trong khoảng thời gian bảo vệ tại đầu vào của mỗi biểu tượng.
Sự phức tạp ít trong máy thu bằng cách triển khai miền tần số cân bằng
Sự kết hợp đơn giản các tín hiệu từ nhiều máy phát trong các mạng quảng bá
Mặc dù thiết kế bộ phát OFDM tốn kém do tỷ lệ điện năng trung bình đỉnh (PAPR) cao, yêu cầu một bộ khuếch đại năng lượng tuyến tính RF, nhưng điều này vẫn phù hợp với việc sử dụng OFDM cho đường xuống, mang lại nhiều lợi ích.
23 hiệu quả cao, chi phí thực hiện thấp và có sự ƣu tiên cho các trạm gốc thấp hơn so với các thiết bị đầu cuối di động
Việc sử dụng công nghệ đa anten cho phép khai thác các miền tần số, không gian ở một chiều hướng mới
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE
Công nghệ OFDMA đa truy nhập cho đường xuống
2.4 Côn n OFDMA đ truy n ập c o đườn xuốn
Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD dựa trên công nghệ OFDM truyền thống, trong đó phổ tần được chia thành nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp OFDM không chỉ được ứng dụng trong E-UTRAN mà còn trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB Công nghệ này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng chống lại hiện tượng phađing đa đường và kiến trúc thu nhận hiệu quả Hình 2.1 minh họa một tín hiệu OFDM.
Trong E-UTRAN, 31 tín hiệu với băng thông 5MHz được sử dụng, với nguyên tắc tương tự cho các băng thông khác Các ký hiệu dữ liệu được điều chế độc lập và truyền qua nhiều sóng mang con trực giao gần nhau Các phương án điều chế cho đường xuống bao gồm QPSK, 16 QAM và 64 QAM.
Hình 2.1 Biểu diễn tần số - thời gian của một tín hiệu OFDM
Trong miền thời gian, để giảm thiểu nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ, khoảng bảo vệ được thêm vào mỗi ký hiệu Tại E-UTRAN, khoảng bảo vệ này là một tiền tố vòng được chèn trước mỗi ký hiệu OFDM Tín hiệu OFDM thực tế được tạo ra thông qua IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo), chuyển đổi N ký hiệu dữ liệu phức thành tín hiệu miền thời gian N điểm IFFT được minh họa trong hình 2.2, trong đó a(mN+n) đại diện cho ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n trong khoảng thời gian mT u < t < (m+1)T u.
Vector SM được xác định là ký hiệu OFDM có ích, biểu thị sự chồng chất theo thời gian của N sóng mang con đã được điều chế băng hẹp Từ một dòng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn được điều chế độc lập, tạo ra một dạng sóng bao gồm N sóng mang con trực giao.
Hình 2.3 minh họa quá trình ánh xạ từ luồng nối tiếp các ký hiệu QAM sang N luồng song song, sử dụng phiễu miền tần số cho IFFT Sau khi thực hiện IFFT, N điểm trong khối miền thời gian sẽ được sắp xếp theo thứ tự để tạo ra tín hiệu miền thời gian, mặc dù quá trình này không được thể hiện trong hình 2.3.
32 chèn vào tiền tố vòng a(mN+0) a(mN+1) a(mN+2) a(mN+N-1)
Hình 2.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT
OFDMA, khác với OFDM, cho phép nhiều người dùng truy cập vào băng thông có sẵn bằng cách gán cho mỗi người dùng một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể Theo nguyên tắc cơ bản của E-UTRAN, các kênh dữ liệu được chia sẻ giữa các người dùng Chẳng hạn, trong mỗi khoảng thời gian truyền 1ms, một quyết định lịch biểu mới được thực hiện, trong đó người dùng được phân bổ các nguồn tài nguyên thời gian/tần số trong suốt thời gian truyền tải.
E-UTRAN có hai loại cấu trúc khung: loại 1 cho chế độ FDD và loại 2 cho chế độ TDD Cấu trúc khung loại 1 chia khung vô tuyến 10ms thành 20 khe 0,5ms Mỗi khung con bao gồm 2 khe liên tiếp, dẫn đến một khung vô tuyến chứa 10 khung con Hình 2.4 minh họa điều này, với Ts là đơn vị thời gian cơ bản tương ứng với 30,72MHz.
Một khung vô tuyến, T f = 307200 T s = 10ms
Cấu trúc khung loại 2 bao gồm khung vô tuyến 10ms, được chia thành hai nửa-khung, mỗi nửa dài 5ms Mỗi nửa-khung lại được phân chia thành 5 khung con, với mỗi khung con có độ dài 1ms, như thể hiện trong hình 2.5.
Cấu trúc khung loại 2 bao gồm các khung con không đặc biệt với chiều dài 0,5ms cho mỗi khung Trong khi đó, các khung con đặc biệt gồm ba trường: DwPTS (khe thời gian dẫn hướng đường xuống), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS (khe thời gian dẫn hướng đường lên) Những trường này đã được áp dụng từ TD-SCDMA và tiếp tục được duy trì trong LTE TDD, với chiều dài cấu hình riêng cho từng trường và tổng chiều dài là 1ms.
Trong LTE, các sóng mang con có khoảng cách cố định là f = 15kHz, với 12 sóng mang con tạo thành một khối tài nguyên Kích thước khối tài nguyên này là đồng nhất cho tất cả các băng thông Số lượng khối tài nguyên tương ứng với từng băng thông được trình bày chi tiết trong bảng 2.2.
Khối tài nguyên (12 sóng mang con trong miền tần số, 1 khe trong miền thời gian
Các sóng mang con (đánh số với chỉ số K)
I = 0 Các ký hiệu OFDM (đánh số với chỉ số I)
1 khung con = 1ms = 14 ký hiệu OFDM
(tiền tố vòng thông thường)
1 khe = 0,5ms = 7 ký hiệu OFDM
Hình 2.6 Cấu trúc lưới tài nguyên đường xuống cho FDD và TDD
Bảng 2.2 Số lƣợng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau
Số lƣợng các khối tài nguyên
Mỗi ký hiệu OFDM được kết hợp với một tiền tố vòng (CP) để tạo ra khoảng thời gian bảo vệ Một khe đường xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, tùy thuộc vào việc tiền tố vòng được cấu hình là mở rộng hay bình thường.
35 tố vòng dài có khả năng bao phủ các kích thước ô lớn hơn, đồng thời cho phép sự lan truyền trễ cao hơn của các kênh vụ tuyến Các chiều dài tiền tố vũng được lấy mẫu và được tóm tắt trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống (FDD và TDD)
Kích thước khối tài nguyên N SC RB
Số lƣợng các ký hiệu N Symbol
Chiều dài tiền tố vòng trong các mẩu
Chiều dài tiền tố vũng ở às
Tiền tố vòng bình thường
160 cho ký hiệu đầu tiên
5,2às cho ký hiệu đầu tiên 4,7às cho cỏc ký hiệu khác
Tiền tố vòng mở rộng
2.4.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống
Dữ liệu được phân bổ cho UE theo các khối tài nguyên, cho phép cấp phát các bội số nguyên của khối tài nguyên trong miền tần số, mà không cần phải liền kề Trong miền thời gian, quyết định lập biểu có thể thay đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền 1ms và được thực hiện bởi các trạm gốc (eNodeB) Các thuật toán lập biểu xem xét tình trạng chất lượng liên kết vô tuyến của từng người dùng, tình trạng can nhiễu tổng thể, chất lượng dịch vụ yêu cầu và các dịch vụ ưu tiên.
Hình 2.7 minh họa ví dụ về việc cấp phát dữ liệu người dùng theo hướng xuống cho 6 người sử dụng khác nhau Dữ liệu này được truyền tải qua kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH).
Trong hệ thống OFDMA, nguyên tắc chính là sử dụng băng tần hẹp với các sóng mang con trực giao Đối với LTE, khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, không phụ thuộc vào băng thông của hệ thống Các sóng mang con này đảm bảo tính trực giao với nhau.
Công nghệ SC-FDMA đa truy nhập cho đường lên
các hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang, nhƣ GSM và CDMA, với khả năng chống được đa đường và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA
Trong hướng phát triển của 3GPP, SC-FDMA (đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang) được sử dụng cho đường lên, hợp lệ cho cả chế độ FDD và TDD với tiền tố vòng SC-FDMA có đặc tính PAPR tốt hơn so với OFDMA, là lý do chính để lựa chọn phương thức này cho truy nhập đường lên LTE, giúp giảm chi phí cho các bộ khuyếch đại công suất ở UE Mặc dù xử lý tín hiệu SC-FDMA có nhiều điểm tương đồng với OFDMA, các tham số của đường xuống và đường lên vẫn có thể được cân đối DFT-trải-OFDM (DFTS-OFDM) đã được chọn cho E-UTRAN, với nguyên tắc được minh họa trong hình 2.9.
Chuyển đổi nối tiếp – song song
Thêm tiền tố chu kỳ (CP)
Bộ chuyển đổi từ song song - nối tiếp (P/S) Ánh xạ bit tới chòm điểm Ánh xạ bit tới chòm điểm Ánh xạ bit tới chòm điểm
0 0 0 Luồng bit vào m1 bit m2 bit mM bit
Sơ đồ khối DFT-S-OFDM cho thấy quá trình áp dụng DFT kích thước M lên một khối các ký hiệu điều chế M Các phương thức điều chế như QPSK, 16QAM và 64QAM được sử dụng trong hệ thống này để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Có 39 phương án điều chế đường lên E-UTRA, cho phép tùy chọn cho UE DFT chuyển đổi các ký hiệu điều chế sang miền tần số và ánh xạ kết quả vào các sóng mang con có sẵn Trong đường lên E-UTRAN, chỉ cho phép truyền dẫn tập trung trên các sóng mang con liên tiếp N điểm IFFT, nơi N->M, được thực hiện như trong OFDM, sau đó thêm tiền tố vòng và chuyển đổi từ song song sang nối tiếp.
Sự khác biệt chính giữa SC-FDMA và OFDMA nằm ở việc xử lý DFT, được gọi là “DFT-trải-OFDM” Trong tín hiệu SC-FDMA, mỗi sóng mang con sử dụng để truyền thông tin bao gồm tất cả các ký hiệu điều chế, nhờ vào việc dòng dữ liệu đầu vào được lan truyền qua biến đổi DFT Ngược lại, trong OFDMA, mỗi sóng mang con chỉ chứa thông tin của các ký hiệu điều chế cụ thể.
2.5.2 Các tham số SC-FDMA
(12 sóng mang con trong miền tần số, 1 khe trong miền thời gian
C ác s ó n g m an g c o n ( đá nh s ố vớ i c hỉ s ố K )
I = 0 Các ký hiệu SC- FDMA (đánh số với chỉ số I)
1 khung con = 1ms = 14 ký hiệu SC-FDMA (tiền tố vòng thông thường)
1 khe = 0,5ms = 7 ký hiệu SC-FDMA
Hình 2.10 Lưới tài nguyên đường lên
Cấu trúc lưới tài nguyên đường lên trong LTE tương tự như đường xuống, với khung loại 1 bao gồm 20 khe, mỗi khe dài 0,5ms và một khung con có hai khe Cấu trúc khe đường lên được minh họa trong hình 2.4.
Cấu trúc khung loại 2 bao gồm mười khung con, trong đó có một hoặc hai khung đặc biệt như DwPTS, GP và UpPTS Mỗi khe trong cấu trúc này chứa 7 ký hiệu SC-FDMA với cấu hình tiền tố vòng bình thường và 6 ký hiệu SC-FDMA với cấu hình tiền tố vòng mở rộng Thông tin chi tiết về các tham số này được trình bày trong bảng 2.4 Đặc biệt, ký hiệu SC-FDMA số 3 (ký hiệu thứ 4 trong một khe) đảm nhận vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu chuẩn cho giải điều chế kênh.
Bảng 2.4 Các tham số cấu trúc khung đường lên (FDD và TDD)
Cấu hình Số lƣợng các ký hiệu N Symbol DL
Chiều dài tiền tố vòng trong các mẩu
Chiều dài tiền tố vũng ở às
Tiền tố vòng bình thường
160 cho ký hiệu đầu tiên
5,2às cho ký hiệu đầu tiên
4,7às cho cỏc ký hiệu khác
Tiền tố vòng mở rộng
2.5.3 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên
Lập kế hoạch nguồn tài nguyên hướng lên do eNodeB thực hiện, trong đó eNodeB cấp phát các tài nguyên thời gian và tần số cho các UE Các UE sẽ thông báo về các dạng truyền tải mà chúng sử dụng Quyết định lập lịch biểu có thể dựa trên các thông số QoS, tình trạng bộ nhớ đệm của UE, chất lượng kênh đường lên, khả năng của UE và các đo đạc khoảng cách của UE.
Trong quá trình truyền tải, dữ liệu được phân phối theo bội số của một khối tài nguyên Kích thước của khối tài nguyên trong miền tần số bao gồm 12 sóng mang con.
Trong quá trình thiết kế DFT cho tín hiệu hướng lên, chỉ các bội số 2, 3 và 5 được phép sử dụng, khác với đường xuống Các UE trong LTE luôn được gán các khối tài nguyên liên tiếp trong đường lên Thời gian truyền dẫn hướng lên cũng là 1ms, tương tự như đường xuống, và dữ liệu người dùng được truyền tải qua kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH).
Việc sử dụng nhảy tần hướng lên trên PUSCH giúp khai thác hiệu quả tác dụng của sự phân tán tần số và giảm thiểu nhiễu thông qua việc lấy trung bình.
Việc cấp phát tài nguyên đường lên và thông tin nhảy tần từ trợ cấp lập lịch biểu hướng lên được thực hiện trước bốn khung con DCI dạng 0 được sử dụng trên PDCCH để truyền tải trợ cấp lập lịch biểu hướng lên, trong khi điều chế ánh xạ sóng mang con DFT đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Loại bỏ CP Làm cân FFT bằng
Tần số Tổng băng thông vô tuyến (ví dụ 20MHz)
Việc phát tín hiệu trong miền tần số, như thể hiện trong hình 2.11, cho thấy OFDMA có ưu điểm về dạng sóng phổ tốt hơn so với việc phát tín hiệu trong miền thời gian với điều chế QAM thông thường Điều này giúp giảm thiểu nhu cầu về băng tần bảo vệ giữa các người dùng khác nhau, tương tự như nguyên lý hoạt động của OFDMA Hệ thống OFDMA cũng sử dụng một tiền tố vòng được thêm vào theo định kỳ, nhưng không phải sau mỗi ký hiệu, do tốc độ ký hiệu trong miền thời gian nhanh hơn.
OFDMA giúp ngăn ngừa nhiễu liên ký tự và đơn giản hóa thiết kế máy thu Mặc dù máy thu vẫn phải xử lý nhiễu liên ký tự, tiền tố vòng hiện tại sẽ hạn chế nhiễu giữa các ký hiệu, nhưng vẫn có khả năng xảy ra nhiễu giữa các tiền tố vòng Do đó, máy thu cần thực hiện bộ cân bằng cho một nhóm ký hiệu cho đến khi đạt được tiền tố vòng, từ đó ngăn chặn sự lan truyền của nhiễu liên ký tự.
LTE hỗ trợ nhảy tần bên trong và nhảy liên khung con, với cấu hình được thiết lập cho mỗi ô bởi các lớp cao hơn Hệ thống cho phép tùy chọn nhảy cả hai loại hoặc chỉ nhảy liên khung con.
Kênh điều khiển hướng lên PUCCH
Kênh điều khiển hướng lên vật lý (PUCCH) truyền tải thông tin điều khiển hướng lên (UCI), bao gồm thông tin ACK/NAK cho việc nhận gói dữ liệu, chỉ số chất lượng kênh (CQI), thông tin ma trận tiền mã hóa (PMI), chỉ số bậc (RI) cho MIMO và yêu cầu lập kế hoạch (SR) PUCCH được cấu hình bởi các lớp cao hơn và sử dụng một vùng tần số riêng trong hướng lên Các khối tài nguyên PUCCH được phân bổ ở cả hai biên của băng thông đường lên, với tần số nhảy liên khe được áp dụng cho PUCCH.
2.5.4 So sánh OFDMA và SC-FDMA
Lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng tốc độ
Cả đường xuống và đường lên trong hệ thống truyền thông đều được điều khiển chặt chẽ bởi lập biểu, trong đó có sự xem xét đến điều kiện kênh HSPA đã khai thác điều này, cho phép bộ lập biểu đường xuống phát đến người sử dụng với điều kiện kênh tốt nhất để đạt tốc độ dữ liệu tối đa Mặc dù HSUPA cũng thực hiện điều này cho đường lên, LTE đã mở rộng khả năng truy cập không chỉ trong miền thời gian mà còn trong miền tần số, nhờ vào việc sử dụng OFDM cho đường xuống và DFTS-OFDM cho đường lên Lập biểu trong LTE có thể xem xét các thay đổi điều kiện kênh trong cả hai miền thời gian và tần số.
Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số rất quan trọng, đặc biệt ở tốc độ dữ liệu thấp hoặc khi kênh thay đổi chậm Việc lập biểu này dựa trên sự thay đổi chất lượng kênh nhằm tối ưu hóa dung lượng hệ thống Đối với các dịch vụ yêu cầu độ trễ thấp hoặc thời gian thực, bộ lập biểu có thể buộc phải phục vụ người dùng ngay cả khi chất lượng kênh không tốt Trong trường hợp này, việc khai thác sự thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ giúp nâng cao hiệu suất hệ thống tổng thể Đặc biệt, trong công nghệ LTE, quyết định lập biểu được thực hiện mỗi 1ms với miền tần số 180KHz, cho phép bộ lập biểu theo kịp các thay đổi kênh một cách nhanh chóng.
Việc lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống được thể hiện ở cả miền thời gian và miền tần số Mỗi thiết bị đầu cuối báo cáo đánh giá chất lượng kênh tức thời cho trạm gốc bằng cách đo tín hiệu tham khảo phát từ trạm Những đánh giá này giúp bộ lập biểu đường xuống xác định lượng tài nguyên cấp phát cho người dùng, đảm bảo chất lượng kênh truyền dẫn Thiết bị đầu cuối có thể được chỉ định một tổ hợp các khối tài nguyên rộng 180KHz trong khoảng thời gian lập biểu 1ms.
2.6.2 Lập biểu đường lên Đường lên của LTE dựa trên cơ sở phân cách trực giao giữa những người sử
Bộ lập biểu đường lên có nhiệm vụ phân phối tài nguyên về thời gian và tần số cho các người dùng khác nhau, kết hợp giữa TDMA và FDMA Quyết định phân bố tài nguyên được đưa ra sau 1ms, nhằm kiểm soát các thiết bị đầu cuối được phép truyền trong phạm vi một ô trong khoảng thời gian xác định Nó cũng quyết định tài nguyên tần số và tốc độ dữ liệu được sử dụng trong quá trình truyền dẫn Lưu ý rằng, chỉ một miền tần số kề nhau có thể được cấp cho các thiết bị đầu cuối trong đường lên do việc sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang trong LTE.
Trong quá trình lập biểu đường lên, trạng thái kênh truyền cần được chú ý đặc biệt Tuy nhiên, việc thu thập thông tin về trạng thái này không hề đơn giản Do đó, cần thiết phải bổ sung các phương tiện nhằm đạt được phân tập đường lên, đặc biệt trong trường hợp không sử dụng lập biểu đường lên phụ thuộc vào kênh.
2.6.3 HAQR với kết hợp mềm
Kỹ thuật HAQR nhanh kết hợp mềm được áp dụng cho LTE, tương tự như HSPA, cho phép thiết bị yêu cầu truyền lại nhanh chóng các khối dữ liệu bị lỗi và điều chỉnh tốc độ truyền Các giao thức sử dụng trong HAQR cũng giống như HSPA, với phương pháp nhiều STOP and Wait HAQR song song Việc yêu cầu truyền lại nhanh sau mỗi gói giúp giảm thiểu tác động tiêu cực lên trải nghiệm người dùng do lỗi gói tin Sự dư thừa gia tăng được sử dụng như một chiến lược kết hợp mềm, cho phép máy thu lưu trữ các bít mềm để thực hiện kết hợp giữa các lần truyền.
Kỹ thuật đa ăng ten giúp mở rộng vùng phủ sóng và nâng cao khả năng của lớp vật lý Việc tích hợp nhiều ăng ten vào một hệ thống vô tuyến cho phép cải thiện hiệu suất, nhờ vào việc các tín hiệu phát ra có các đường dẫn vật lý khác nhau.
Có ba loại chính của kỹ thuật đa ăng ten Đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng sự phân tập đường dẫn, trong đó một sóng bức xạ có thể bị mất do fading, trong khi một sóng khác vẫn duy trì tín hiệu Thứ hai, nó áp dụng kỹ thuật hướng búp sóng để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
Kỹ thuật đa anten MIMO
Beamforming là kỹ thuật điều khiển mối tương quan pha của tín hiệu phát ra từ các ăng ten, giúp năng lượng truyền đi một cách tự nhiên Một phương pháp khác là phân tách không gian, sử dụng sự khác biệt đường dẫn giữa các ăng ten thông qua ghép kênh không gian và tạo chùm tia, được gọi là kỹ thuật MIMO (đa đầu vào đa đầu ra) Hình 2.14 minh họa bốn cách sử dụng kênh vô tuyến, với các ví dụ đơn giản chỉ sử dụng một hoặc hai ăng ten.
Hình 2.14 Các chế độ truy nhập kênh vô tuyến
2.7.1 SISO (1 đầu vào 1 đầu ra)
Chế độ truy nhập kênh vô tuyến đơn giản nhất là SISO (1 đầu vào 1 đầu ra), sử dụng một ăng ten phát và một ăng ten thu Đây là hình thức truyền thông mặc định từ khi bắt đầu truyền vô tuyến và là cơ sở để so sánh tất cả các kỹ thuật đa ăng ten.
2.7.2 SIMO (1 đầu vào nhiều đầu ra)
Chế độ thứ hai, được thể hiện trong hình 2.14, là đầu vào nhiều đầu ra (SIMO), trong đó một máy phát kết nối với hai hoặc nhiều máy thu SIMO, thường được gọi là phân tập thu, rất phù hợp cho các điều kiện tín hiệu-nhiễu (SNR) thấp Khi sử dụng hai máy thu, chế độ này có thể đạt được độ lợi lý thuyết lên đến 3dB mà không làm thay đổi tốc độ dữ liệu, nhờ đó cải thiện vùng phủ sóng ở biên ô do sự giảm SNR.
2.7.3 MISO (nhiều đầu vào 1 đầu ra)
Chế độ nhiều đầu vào một đầu ra (MISO) sử dụng hai hoặc nhiều máy phát và một máy thu, thường được gọi là phân tập phát Trong MISO, cùng một dữ liệu được gửi từ các ăng ten phát, cho phép máy thu nhận biết từng máy phát riêng biệt Phân tập phát giúp tăng cường tín hiệu trong môi trường có hiện tượng phading và cải thiện hiệu suất trong điều kiện SNR thấp Mặc dù MISO không làm tăng tốc độ dữ liệu, nhưng nó hỗ trợ duy trì tốc độ dữ liệu tương tự với mức năng lượng tiêu thụ thấp hơn Hơn nữa, phân tập phát có thể được tối ưu hóa thông qua phản hồi vòng đóng từ máy thu, giúp điều chỉnh pha và công suất cho từng ăng ten phát.
2.7.4 MIMO (nhiều đầu vào nhiều đầu ra)
Phương thức truyền MIMO, như thể hiện trong hình 2.14, yêu cầu ít nhất hai máy phát và hai máy thu, giúp tăng cường công suất phổ bằng cách phát nhiều luồng dữ liệu đồng thời trong cùng một tần số và thời gian Hệ thống MIMO cần có số lượng máy thu tương đương với số luồng phát, và cần phân biệt giữa số luồng dữ liệu và số ăng ten phát Trong trường hợp MISO, có hai máy phát nhưng chỉ một luồng dữ liệu, trong khi SIMO không chuyển đổi thành MIMO mặc dù có hai ăng ten phát và hai ăng ten thu Việc có nhiều ăng ten phát hơn số luồng dữ liệu không đảm bảo hiệu suất tối ưu, vì nếu N luồng dữ liệu được truyền từ ít hơn N ăng ten, có thể dẫn đến sự chồng chéo và nhiễu Tuy nhiên, với việc tách biệt N luồng qua ít nhất N ăng ten và N máy thu, có thể tái tạo đầy đủ dữ liệu ban đầu nếu tương quan đường dẫn và nhiễu trong kênh vô tuyến đủ thấp.
Một yếu tố quan trọng cho hoạt động MIMO là việc truyền từ mỗi ăng ten phải
MIMO (Multiple Input Multiple Output) sử dụng 49 tín hiệu nhận dạng duy nhất để mỗi máy thu có thể xác định các kết hợp trong việc truyền tín hiệu Việc nhận dạng này thường dựa vào các tín hiệu chỉ đạo, sử dụng các mẫu trực giao cho từng ăng ten Sự phân tập không gian trong kênh vô tuyến cho phép MIMO tăng tốc độ dữ liệu hiệu quả Hình thức cơ bản nhất của MIMO là gán một dòng dữ liệu cho mỗi ăng ten, như được thể hiện trong hình 2.15.
Hình 2.15 mô tả hệ thống MIMO 2x2 không có tiền mã hóa, trong đó một luồng dữ liệu duy nhất được gán cho từng ăng ten, được gọi là ánh xạ trực tiếp Kênh truyền sau đó được trộn lẫn, khiến mỗi ăng ten nhận một sự kết hợp của các luồng dữ liệu Quá trình giải mã tín hiệu tại bên nhận là một thách thức, đòi hỏi phân tích các mẫu nhận dạng từ từng máy phát để xác định sự kết hợp của từng luồng truyền Để tái tạo dữ liệu gốc, hệ thống áp dụng bộ lọc nghịch đảo và tổng hợp các luồng nhận được.
Một dạng tiên tiến hơn của MIMO sử dụng tiền mã hóa đặc biệt để tối ưu hóa việc truyền dẫn qua nhiều ăng ten phát Để kỹ thuật này hoạt động hiệu quả, máy phát cần hiểu rõ các điều kiện kênh truyền, và trong chế độ FDD, thông tin phản hồi từ UE phải được cung cấp trong thời gian thực Điều này làm cho việc tối ưu hóa hệ thống trở nên phức tạp nhưng có thể mang lại hiệu suất cao hơn Ngược lại, trong hệ thống TDD, tiền mã hóa không yêu cầu phản hồi vì máy phát có khả năng xác định độc lập các điều kiện kênh truyền thông qua phân tích tín hiệu nhận được.
MIMO mang lại nhiều lợi ích lý thuyết, phụ thuộc vào số lượng ăng ten truyền và nhận, điều kiện lan truyền vô tuyến, khả năng thích nghi của máy phát với điều kiện thay đổi, và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) Trong điều kiện lý tưởng, các đường dẫn trong kênh truyền vô tuyến hoàn toàn không tương quan, tương tự như các kết nối cáp vật lý không có xuyên âm giữa máy phát và máy thu Tuy nhiên, những điều kiện này khó có thể đạt được trong không gian tự do Giới hạn lý tưởng của MIMO cho một hệ thống 2x2 với hai luồng dữ liệu đồng thời có thể tăng gấp đôi công suất và tốc độ dữ liệu MIMO hoạt động hiệu quả nhất trong điều kiện SNR cao và có tầm nhìn tối thiểu, do đó rất phù hợp với môi trường trong nhà, nơi có thể tạo ra mức độ cao của đa đường và giảm thiểu tầm nhìn.
