Modul ini membahas konsep OFDM/OFDMA dan desain lapisan fisik downlink LTE. Topik utama meliputi konsep OFDM, struktur frame dan grid sumber daya LTE, prosedur lapisan fisik seperti pencarian sel dan sinkronisasi, adaptasi tautan, penjadwalan, dan saluran fisik downlink dan uplink."
2. 2
CONTENTS
Modul-2
OFDM/OFDMA Concept
LTE DL Physical Layer Design
DL Physical Layer Procedures
Cell Search & Synchronization
Link Adaptation
Scheduling
ARQ/HARQ
DL Physical Channels & Signals
UL Physical Channel & Signals
Random Access Procedures
UL Transmission Procedures
3. 3
• Sinyal OFDM dapat mendukung kondisi NLOS
dengan mempertahankan efisiensi spektral yang
tinggi dan memaksimalkan spektrum yang tersedia.
• Mendukung lingkungan propagasi multi-path.
• Scalable bandwidth : menyediakan fleksibilitas dan
potensial mengurangi capital expense.
OFDM Concept
5. 5
OFDM Concept - Multipath Propagation
Sinyal-sinyal multipath datang pada waktu yang berbeda dengan amplitudo dan pergeseran fasa
yang berbeda, yang menyebabkan pelemahan dan penguatan daya sinyal yang diterima.
Propagasi multipath berpengaruh terhadap performansi link dan coverage.
Selubung (envelop) sinyal Rx berfluktuasi secara acak.
9. 9
OFDM mengatasi delay spread, multipath dan ISI secara efisien sehingga dapat meningkatkan
throughput data rate yang lebih tinggi.
Memudahkan ekualisasi kanal terhadap sub-carrier OFDM individual, dibandingkan terhadap
sinyal single-carrier yang memerlukan teknik ekualisasi adaptif lebih kompleks.
OFDM vs Single-Carrier Mode
OFDM Concept
11. 11
OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)
PAPR merupakan ukuran dari fluktuasi tepat sebelum amplifier. PAPR sinyal hasil dari
mapping PSK base band sebesar 0 dB karena semua symbol mempunyai daya yang
sama. Tetapi setelah dilakukan proses IDFT/IFFT, hasil superposisi dari dua atau lebih
subcarrier dapat menghasilkan variasi daya dengan nilai peak yang besar. Hal ini
disebabkan oleh modulasi masing-masing subcarrier dengan frekuensi yang berbeda
sehingga apabila beberapa subcarrier mempunyai fasa yang koheren, akan muncul
amplituda dengan level yang jauh lebih besar dari daya sinyalnya.
12. 12
Nilai PAPR yang besar pada OFDM membutuhkan amplifier dengan dynamic range yang
lebar untuk mengakomodasi amplitudo sinyal. Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan
terjadi distorsi linear yang menyebabkan subcarrier menjadi tidak lagi ortogonal dan pada
akhirnya menurunkan performansi OFDM.
OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)
13. 13
Data Sub-carriers
Membawa simbol BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
Pilot Sub-carriers
Untuk memudahkan estimasi kanal dan demodulasi koheren pada
receiver.
Null Subcarrier
Guard Sub-carriers
DC Sub-carrier
Tipe Sub-Carrier OFDM
17. 17
• Semua subcarrier
dialokasikan untuk satu user
• Misal : 802.16-2004
• Subcarrier dialokasikan
secara fleksibel untuk
banyak user tergantung
pada kondisi radio.
• Misal : 802.16e-2005 dan
802.16m
OFDM & OFDMA
22. 22
Untuk struktur generik, frame radio 10 ms dibagi dalam 20 slot yang sama
berukuran 0.5 ms.
Suatu sub-frame terdiri dari 2 slot berturut-turut, sehingga satu frame radio berisi
10 sub-frame.
Ts menunjukkan unit waktu dasar yang sesuai dengan 30.72 MHz.
Struktur frame tipe-1 dapat digunakan untuk transmisi FDD dan TDD.
Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 1
Tf = 307200 x Ts = 10 ms
Tslot = 15360 x Ts = 0.5 ms
24. 24
Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 2
Struktur frame tipe-2 hanya digunakan untuk transmisi TDD.
Slot 0 dan DwPTS disediakan untuk transmisi DL, sedangkan slot 1 dan UpPTS
disediakan untuk transmisi UL.
28. 28
• Suatu RB (resource block) terdiri dari 12
subcarrier pada suatu durasi slot 0.5 ms.
• Satu subcarrier mempunyai BW 15 kHz,
sehingga menjadi 180 kHz per RB.
LTE Downlink Resource Grid
29. 29
Bandwidth (MHz) 1.25 2.5 5.0 10.0 15.0 20.0
Subcarrier bandwidth (kHz) 15
Physical resource block (PRB)
bandwidth (kHz)
180
Number of available PRBs 6 12 25 50 75 100
Parameters for DL generic frame structure
30. 30
Transmission BW 1.25 MHz 2.5 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz
Sub-frame duration 0.5 ms
Sub-carrier spacing 15 kHz
Sampling frequency
1.92 MHz
(1/2x3.84
MHz)
3.84 MHz
7.68 MHz
(2x3.84
MHz)
15.36 MHz
(4x3.84
MHz)
23.04 MHz
(6x3.84
MHz)
30.72 MHz
(8x3.84
MHz)
FFT size 128 256 512 1024 1536 2048
OFDM sym per slot
(short/long CP)
7/6
CP length
(usec/
samples)
Short
(4.69/9) x 6,
(5.21/10) x 1
(4.69/18) x 6,
(5.21/20) x 1
(4.69/36) x 6,
(5.21/40) x 1
(4.69/72) x 6,
(5.21/80) x 1
(4.69/108) x 6,
(5.21/120) x 1
(4.69/144) x 6,
(5.21/160) x 1
Long (16.67/32) (16.67/64) (16.67/128) (16.67/256) (16.67/384) (16.67/512)
Parameters for DL generic frame structure
33. 33
Cell search and synchronization
Scheduling
Dilakukan di base station (eNodeB)
PDCCH (Phy DL Control Channel) menginformasikan alokasi
time/freq resource dan format transmisi yang digunakan kepada
user.
Scheduler mengevaluasi berbagai tipe informasi (parameter QoS,
pengukuran dari UE, kapabilitas UE, buffer status)
Link Adaptation
Skema modulasi dan coding untuk shared data channel
diadaptasi sesuai dengan kualitas link radio.
Untuk tujuan ini, UE secara teratur melaporkan Channel Quality
Indicator (CQI) ke eNodeB.
Hybrid ARQ (Automatic Repeat Request)
DL Physical Layer Procedures
34. 34
Synchronization & Cell Search
UE yang ingin mengakses suatu sel LTE, terlebih dahulu harus
melakukan prosedur Cell Search.
Cell Search terdiri dari serangkaian tahapan sinkronisasi, dimana UE
menentukan parameter waktu & frekuensi yang diperlukan untuk
mendemodulasi sinyal DL dan untuk mengirimkan sinyal UL dengan
timing yang tepat.
Tiga kebutuhan sinkronisasi utama :
Symbol timing acquisition
Carrier frequency synchronization
Sampling clock synchronization
37. 37
Synchronization Sequence
Dua prosedur cell search dalam LTE :
INITIAL SYNCHRONIZATION
• UE mendeteksi suatu sel LTE dan mendekode semua informasi
yang diperlukan untuk registrasi.
• Diperlukan pada saat UE di-ON-kan atau ketika kehilangan koneksi
dengan serving cell.
NEW CELL IDENTIFICATION
• Dilakukan ketika UE sudah terhubung ke suatu sel LTE dan sedang
dalam proses mendeteksi suatu sel tetangga baru.
• Dalam hal ini UE melaporkan hasil pengukuran yang terkait dengan
sel baru ke serving cell, sebagai persiapan untuk handover.
38. 38
Cell Search procedure
PSS (Primary Synchronization Signal) dan SSS (Secondary Synchronization
Signal) adalah kanal-kanal fisik yang di-broadcast dalam setiap sel.
Pendeteksian dua kanal ini :
• memungkinkan dilakukannya sinkronisasi waktu & frekwensi.
• memberikan identitas phy layer dari sel dan panjang cyclic prefix kepada UE.
• memberitahu UE apakah sel menggunakan FDD atau TDD.
RS : Reference Signal
PBCH : Physical Broadcast Channel
PSS : non-coherent detection
SSS : non-coherent/coherent
detection
41. 41
Reference Signals & Channel Estimation
Berbeda dengan jaringan berorientasi paket, LTE tidak menggunakan PHY
Preamble untuk memfasilitasi estimasi carrier offset, estimasi kanal, sinkronisasi
waktu, dsb.
Sebaliknya LTE menggunakan sinyal referensi khusus yang disisipkan dalam PRB.
Sinyal referensi tsb dikirimkan selama simbol OFDM pertama dan kelima dari
setiap slot untuk short CP, dan simbol OFDM pertama dan ke-empat untuk long CP.
Simbol-simbol referensi dikirimkan setiap selang 6 subcarrier.
Dalam LTE downlink, terdapat 3 tipe RS :
Cell-specific RS
UE-specific RS
MBSFN-specific RS
43. 43
RS-aided Channel Estimation
Problem estimasi kanal berhubungan dengan model kanal yang diasumsikan,
yang ditentukan oleh karakteristik propagasi fisik, termasuk jumlah antena
Tx/Rx, bandwidth transmisi, carrier frequency, konfigurasi sel dan kecepatan
relatif antara eNodeB dan UE.
Kondisi propagasi mencirikan fungsi korelasi kanal dalam 3-dimensi, yaitu :
domain frekwensi, domain waktu dan domain ruang (spatial).
Frequency-Domain Channel Estimation
• menggunakan Linear Interpolation Estimator
• menggunakan IFFT Estimator
Time-Domain Channel Estimation
• menggunakan Finite & Infinite Length MMSE (Min Mean Squared Error)
• menggunakan Normalized Least-Mean-Square
Spatial-Domain Channel Estimation
44. 44
Downlink Physical Channels and Signals
P-SCH and S-SCH
Physical Downlink Shared Channel
Physical Downlink Control Channel
Physical Broadcast Channel
Physical Control Format Indicator Channel
Physical Multicast Channel
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
P-SCH : Primary Synchronization Channel
S-SCH : Secondary Synchronization Channel
47. 47
Channel Coding & Link Adaptation
Prinsip link adaptation menjadi landasan perancangan suatu interface
radio yang efisien untuk trafik data berbasis paket-switched.
Link adaptation dalam LTE dilakukan dengan mengatur laju data
informasi yang dikirim (skema modulasi dan channel coding rate)
secara dinamis, sesuai dengan kualitas radio link.
Link adaptation mempunyai hubungan yang sangat erat dengan
perancangan skema channel coding yang digunakan untuk FEC.
Skema channel coding untuk FEC yang digunakan dalam LTE :
Convolutional Coding
Turbo Coding
LDPC (Low Density Parity Check) coding
Fitur advanced channel coding yang ditambahkan dalam LTE adalah :
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).
49. 49
• Adaptive Modulation & Coding
memastikan error rate tetap
dibawah limit yang dapat
diterima, dengan pengaturan
modulasi dan coding rate
secara dinamis.
• Level modulasi yang lebih
rendah meningkatkan link
budget dan fade margin.
• Perubahan lingkungan
propagasi menyebabkan
perubahan skema modulasi dan
coding.
• Dalam perencanaan kapasitas,
variasi kanal propagasi jangka-
panjang harus diperhitungkan.
Adaptive Modulation
52. 52
• Pada dasarnya merupakan kombinasi dari teknik ARQ dan FEC.
• Terdapat dua tipe : Chase Combining (HARQ Type-I) dan Incremental
Redundancy (HARQ Type-II).
HARQ (Hybrid ARQ)
59. 59
Multi User Scheduling
Scheduler (untuk transmisi unicast) secara dinamis mengontrol resource waktu
dan frekwensi mana yang akan dialokasikan kepada suatu user pada suatu
waktu tertentu.
DL control signalling memberitahu UE, resource dan format transmisi seperti apa
yang sudah dialokasikan.
Scheduler dapat secara dinamis memilih strategi multiplexing terbaik dari
beberapa metode yang ada, misalnya : localized atau distributed allocation.
Scheduling berinteraksi erat dengan link adaptation dan HARQ.
Pertimbangan scheduling antara lain didasarkan pada :
• minimum & maximum data rate
• daya yang tersedia untuk di-share
• Persyaratan target BER
• parameter QoS
• laporan CQI (Channel Quality Indicator)
• kapabilitas UE
61. 61
Packet-scheduling framework
• Packet scheduler adalah entitas
pengendali untuk seluruh proses
scheduling.
• Berkonsultasi dengan modul LA (Link
Adaptation) untuk memperoleh estimasi
data rate yang dapat disuport untuk
user tertentu dalam sel.
• LA dapat menggunakan frequency-
selective CQI feedback dari user, untuk
memastikan estimasi data rate yang
sesuai dengan target BLER tertentu.
• Modul Offset calculation dalam proses link-adaptation dapat
digunakan untuk menstabilkan performansi BLER dalam
kondisi LA yang tidak pasti.
62. 62
LTE Uplink Transmission Scheme
SC-FDMA
Pemilihan OFDMA dianggap optimum untuk memenuhi persyaratan LTE
pada arah downlink, tetapi OFDMA memiliki properti yang kurang
menguntungkan pada arah Uplink.
Hal tsb terutama disebabkan oleh lemahnya peak-to-average power
ratio (PAPR) dari sinyal OFDMA, yang mengakibatkan buruknya coverage
uplink.
Oleh karena itu, skema transmisi Uplink LTE untuk mode FDD maupun
TDD didasarkan pada SC-FDMA, yang mempunyai properti PAPR lebih
baik.
Pemrosesan sinyal SC-FDMA memiliki beberapa kesamaan dengan
pemrosesan sinyal OFDMA, sehingga parameter-parameter DL dan UL
dapat diharmonisasi.
Untuk membangkitkan sinyal SC-FDMA, E-UTRA telah memilih DFT-
spread-OFDM (DFT-s-OFDM).
66. 66
Creating the time-
domain waveform of an
SC-FDMA symbol
Baseband and shifted
frequency domain
representations of an
SC-FDMA symbol
Comparison of how OFDMA and SC-FDMA
transmit a sequence of QPSK data symbols
70. 70
Uplink Physical Channels and Signals
Physical Random Access Channel
Physical Uplink Shared Channel
Physical Uplink Control Channel
PUSCH : used for uplink shared data transmission.
PUCCH : used to carry ACK/NACK, CQI for downlink transmission and
scheduling request for uplink transmission.
71. 71
Uplink Data Transmission
Pada uplink, data dialokasikan dalam beberapa resource block (RB).
Ukuran RB untuk uplink sama dengan yang digunakan untuk downlink,
tetapi untuk menyederhanakan disain DFT dalam pemrosesan sinyal
uplink, tidak semua kelipatan bulat digunakan (hanya kelipatan 2, 3 dan 5).
Interval waktu transmisi uplink adalah 1 ms (sama dengan downlink).
User data dibawa pada Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), yang
ditentukan oleh BW transmisi dan pola frequency hoping.
Physical Uplink Control Channel (PUCCH) membawa informasi kontrol
uplink, seperti : laporan CQI dan informasi ACK/NACK, yang terkait
dengan paket-paket data yang diterima pada arah downlink.
72. 72
Random Access
Suatu LTE UE (User Equipment) hanya dapat di-scheduled untuk
transmisi uplink, apabila uplink transmission timing-nya sinkron.
Oleh karena itu LTE RACH (Random Access Channel) memainkan
peran penting sebagai interface antara non-synchronized UE dan
skema transmisi othogonal pada akses radio uplink LTE.
Prosedur LTE random access mempunyai dua bentuk, yaitu :
contention-based atau contention-free.
Dalam prosedur contention-based, suatu random access preamble
signature dipilih secara acak oleh UE, yang kemungkinan dapat
menyebabkan lebih dari satu UE mengirimkan signature yang sama
secara simultan.
Dalam prosedur contention-free, eNodeB memiliki opsi untuk
mencegah terjadinya contention dengan mengalokasikan suatu
dedicated signature kepada UE.
74. 74
Contention-free Random Access Procedure
Prosedur contention-free
random access dapat
diterapkan dalam hal
diperlukan low latency,
seperti handover dan new
downlink data.
75. 75
UL Transmission Procedures
Uplink scheduling
Dilakukan oleh base station (eNodeB)
PDCCH (Phy DL Control Channel) menginformasikan alokasi time/freq
resource dan format transmisi yang digunakan kepada user.
Scheduler mengevaluasi berbagai tipe informasi (parameter QoS, pengukuran
dari UE, kapabilitas UE, buffer status)
Uplink Adaptation
Untuk keperluan adaptasi uplink, dapat digunakan : transmission power
control, adaptive modulation & channel coding rate, serta adaptive
transmission BW.
Uplink timing control
Diperlukan untuk menyelaraskan waktu transmisi dari UE-UE yang berbeda,
dengan receiver window dari eNodeB.
Hybrid ARQ
