Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE

Chia sẻ: Đinh Trọng Thông | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

613
lượt xem 101
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong chương này trước hết ta sẽ xét nguyên lý OFDM và ứng dụng của.nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE. OFDM đã được.tiếp nhận là sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE và cũng được sử dụng cho.các công nghệ không dây băng rộng khác như WiMAX và các công nghệ truyền hình quảng bá DVB..

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE

Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Chương 3 OFDMA VÀ SC-FDMA CỦA LTE 3.1. MỞ ĐẦU Trong chương này trước hết ta sẽ xét nguyên lý OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE. OFDM đã được tiếp nhận là sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE và cũng được sử dụng cho các công nghệ không dây băng rộng khác như WiMAX và các công nghệ truyền hình quảng bá DVB. Nhược điểm của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác là sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power) rất lớn. Điều này làm giảm hiệu suất của bộ khuyếch đại công suất và tăng giá thành bộ khuyếch đại công suất. Nhược điểm này rất quan trọng đối với đường lên vì các MS phải tiêu thụ công suất thấp và có giá thành hạ. Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm PAPR của tín hiệu OFDM, Tuy nhiên hầu hết các phương pháp này chỉ đảm bảo giảm PAPR ở mức độ không cao. Ngoài ra các phương pháp này đòi hỏi tính toán phức tạp và giảm hiệu năng đường truyền. Truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng là một giải pháp truyền dẫn đa sóng mang phù hợp cho đương lên nghĩa là cho máy phát của MS. Tuy nhiên cần nghiên cứu xử lý méo dạng sóng tín hiệu xẩy ra trong môi trường thông tin di động do phađinh chọn lọc tần số. LTE sử dụng một dạng điều chế cải tiến của OFDM có tên gọi là DFTS-OFDM ( DFT Sprread OFDM: OFDM trải phổ bằng DFT). Đây một công nghệ đầy hứa hẹn cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống thông tin di động tương lai. DFTS-OFDM có hiệu quả thông lượng và độ phức tạp tương tự như OFDM. Ưu điểm chính của của DFTS-OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) thấp hơn OFDM. DFTS-OFDM. LTE sử dụng DFTS- OFDM cho đa truy nhập đường lên với tên gọi là SC-FDMA. Chương này xét nguyên lý của DFTS-OFDM và SC-FDMA ứng dụng trong LTE. 3.2 . TÓM TẮT NGUYÊN LÝ OFDM Truyền dẫn OFDM là một kiểu truyền dẫn đa sóng mang. Sau đây là một số đặc trưng quan trọng cuả OFDM: √ Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp. Chẳng hạn nếu một hệ thống MC- WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz, thì với băng thông như 57
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE vậy OFDM có thể sử dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz √ Các sóng mang con trực giao với nhau và khỏang cách giữa hai sóng mang con liền kề bằng đại lượng nghịch đảo của thời gian ký hiệu điều chế sóng mang con (hình 3.1). Vì thế các sóng mang con của OFDM được đặt gần nhau hơn so với FDMA a) Ký hiệu điều chế b) Sắp x ếp các sóng mang con ∆f TFFT=1/Df Thờ i gian Tần s ố Hình 3.1. Ký hiệu điều chế và phổ của tín hiệu OFDM Ta ký hiệu N là tổng số sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng. Sơ đồ khối phát thu của hệ thống OFDM được cho trên hình 3.2. Hoạt đ ộng của hệ thống OFDM trên hình 3.2 như sau. X0 x0 X1 x1 X 0 , X 1 ,..., X P −1 S/P x(t) IFFT x(m) X P −1 N P/S Chèn CP DAC điểm 0 xN −1 0 Kênh X0 ' y0 X 1' y1 X P −1 ,..., X1' , X 0 ' ' P/S FFT Loại bỏ y(t) ' X P −1 N S/P ADC CP điểm Không s ử dụng y N −1 Hình 3.2. Sơ đồ khối của một hệ thống OFDM 3.2.1. Máy phát 58
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Các khối ký hiệu điều chế thông thường (QPSK hay 16- QAM chẳng hạn) gồm P ký hiệu điều chế (ký hiệu là X 0 , X 1 ,..., X P −1 ) được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/P) để được P luồng song song với độ dài ký hiệu c ủa mỗi luồng bằng TFFT, trong đó TFFT được gọi là độ dài hiệu dụng của một ký hiệu OFDM. Mỗi ký hiệu điều chế Xi (i=0,1,…,P-1) có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong số N sóng mang con của hệ thống. Các sóng mang con được điều chế X 0 , X 1 ,..., X P −1 được kết hợp với N-P sóng mang con rỗng (bằng không) để tạo nên tập {Xi} (i=0,1,…, N-1) giá trị phức và được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi fourier nhanh ngược (IFFT). IFFTcho ra N sóng mang con trong miền thời gian {x i} (i=0,1,…, N-1). Các sóng mang con trong miền thời gian này được thể hiện ở các mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu 1 fs=N∆f= N . T , trong đó ∆f ta khoảng cách giữa các sóng mang con và FFT 1 TFFT Ts = = là chu kỳ lấy mẫu. Tín hiệu đầu ra IFFT được biểu diễn ở dang fs N các mẫu rời rạc. Sóng mang con thứ i tại thời điểm k trong miền thời gian được xác định như sau: N- 1 i j2 p m xi,k = ￥ Xi ,k e N (3.1) m =0 trong đó i (i=0,1,…,N-1), k (k là một số nguyên nằm trong khỏang từ - ￥ đến ￥) ký hiệu cho sóng mang con thứ i của ký hiệu OFDM thứ k tương ứng; X i,k giá trị phức của tín hiệu được điều chế thông thường thứ i tại thời điểm k; m (m=0,1, …,N) là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu với thời gian lấy mẫu T s=TFFT/N tương ứng với tần số lấy mẫu fs= N/TFFT. Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) trong miền thời gian tại thời điểm k được xác định như sau: N- 1 N- 1 i P- 1 N - 1 i j2 p m j2 p m x k = ��Xi ,k e N = ��Xi ,k e N (3.2) i =0 m i= 0 m Đối với OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu phát trong miền tần số như sau: T Xk = �0,k X1,k L X P- 1,k 0...0�, trong đó [.]T là phép chuyển vị, P là số ký X � � hiệu điều chế thông thường trong khối k và số số không bằng N-P. Tín hiệu trong miền thời gian nhận đựơc bằng cách nhân tín hiệu trong miền tần số với ma trận sau: 59
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE � 1 1 1 1 L 1 � � j2 p j4 p j6 p j2( N- 1) p � � � � eN 1 e N e N L e N � � j4 p j8p j12 p j4( N- 1) p � � � xk = � e 1 e e L e N N N N � X (3.3) � M M M M O M �k � � � � � M M M M O M � � j2( N- 1)p j4( N- 1) p j6( N- 1) p j2( N- 1)( N- 1) p � � � �e 1 e e L e N N N N � trong đó hàng của ma trận trong (3.3) thể hiện các sóng mang con tại thời điểm lấy mẫu m. Bộ chèn CP (Cyclic Prefix) thực hiện chèn V mẫu (độ dài TCP) của ký hiệu OFDM vào đầu ký hiệu này để được độ dài ký hiệu bằng: T=T FFT+TCP, trong đó TFFT là độ dài hiệu dụng còn TCP là khoảng thời gian bảo vệ để chống ISI (nhiễu giữa các ký hiệu) gây ra do phađinh đa đường và V mẫu được chèn là V mẫu được copy từ các mẫu cuối cùng của tín hiệu xk. Thông thường TCP được chọn bằng thời gian trễ trội cực đại (trễ của đường truyền đến muộn nhất còn được xét so với trễ của đường đến sớm nhất). Khi này m trong phương trình (3.3) sẽ là: m=0,1,…, N-1,…, N+V-1) và tổng số mẫu đầu ra bộ CP sẽ bằng N+V. Ta có thể biểu diễn tín hiệu sau chèn CP trong miền thời gian và miền tần số như trên hình 3.3. T (Thờ i gian ký hiệu OFDM ) Ts V đi ểm CP C ửa sổ quan trắc N đi ểm Kho ảng cách sóng Thời gian mang con (các mẫu ) 1/TFFT Băng thông tín hi ệ: 1/T s u Tần số (các sóng mang con ) Hình 3.3. Trình bầy OFDM (sau chèn CP) trong miền thời gian và tần số Bộ biến đổi số vào tương tự (DAC) cho ta tín hiệu tương tự có dạng sau: 60
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE N-1 � �i � � X i,k exp � � � - kT) � j2π (t , i=0 � � TFFT � � x k (t) = kT - TCP t kT + TFFT (3.4) 0, n� kh� u c Hay P-1 � �n � � X i,k exp � � � - kT) � j2π (t , i=0 T � � FFT � � x k (t) = kT - TCP t kT + TFFT (3.5) 0, n� kh� u c Ý nghĩa của việc chèn CP được giải thích trên hình 3.4. Trong trường hợp kênh tán thời do bị phađinh đa đường một phần tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ bị mất đi: phần cuối của ký hiệu OFDM phát trước do đến trễ τ sẽ chồng lấn lên phần đầu của ký hiệu OFDM phát sau. Trong trường trường hợp này khoảng thời gian tương quan của bộ giải điều chế cho ký hiệu được xét sẽ chồng lấn một phần lên ký hiệu trứơc đó (hình 3.4a). Vì thế tích phân tín hiệu đi thẳng sẽ chứa nhiễu cuả tín hiệu phản xạ từ ký hiệu trước đó. Hậu quả là không chỉ xẩy ra nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) mà còn cả nhiễu giữa các sóng mang con (ICI: Inter Channel Interference). 61
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE a) Không chèn CP TFFT Tín hiệu đi xk −1 xk xk +1 τ thẳng Tín hiệu phản xạ τ Khoảng thờ i gian để lấy tích b) Chèn CP phân tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Fourier Copy và chèn X0 X1 IFFT (N điểm ) Chèn CP X P −1 TFFT + TGD TFFT (N+L mẫu ) (N mẫu) TCP TFFT Tín hiệu đi thẳng Tín hiệu phản xạ τ Khoảng thờ i gian để lấy tích phân tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Fourier Hình 3.4. Giải thích ý nghĩa chèn CP. a) không chèn CP, b) chèn CP. Một cách khác để giải thích nhiễu giữa các sóng mang con trong kênh vô tuyến phađinh tán thời như sau. Nguyên nhân tán thời của kênh là do đáp ứng tần số của kênh phađinh chọn lọc tần số. Vì thế tính trực giao giữa các sóng mang không chỉ được đảm bảo bởi phân cách giữa chúng trong miền tần số mà còn bởi cấu trúc đặc thù miền tần số của từng sóng mang: thậm chí nếu kênh miền tần số không đổi đối với búp phổ chính cuả một sóng mang con OFDM và chỉ có các búp phổ bên bị hỏng do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến, thì điều này cũng dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng con cùng với nhiễu giữa các sóng mang con. Do các búp bên của mỗi sóng mang con OFDM lớn, nên dù lượng tán thời đã bị hạn chế (tương ứng với tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến thấp) vẫn có thể xẩy ra nhiễu giữa các sóng mang con. Để giải quyết vấn đề này và làm cho OFDM có khả năng thực sự chống tán thời trên kênh vô tuyến, chèn CP (Cyclic Prefix: tiền tố chu trình) đ ược thực hiện. Chèn CP tăng độ dài ký hiệu OFDM từ T FFT lên TFFT+TCP trong đó TCP là độ dài của CP tương ứng với việc giảm tốc độ ký hiệu OFDM. Từ hình 3.4b ta thấy tương quan vẫn được thực hiện trên đoạn thời gian TFFT=1/￥f và tính trực giao sóng mang con sẽ được đảm bảo ngay cả trong trường hợp kênh tán thời chừng nào đoạn tán thời còn ngắn hơn độ dài CP. 62
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Nhược điểm của chèn tiền tố CP là chỉ một phầnTFFT/(TFFT+TCP) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải điều chế OFDM sử dụng và điều này có nghĩa là mất một phần công suất khi giải điều chế OFDM. Ngoài việc mất công suất, chèn CP còn gây ra mất băng thông vì tốc đ ộ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không giảm. Một cách khác để giảm CP là giảm khoảng cách giữa các sóng mang ￥f tương ứng với tăng TFFT. Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhạy cảm của truyền dẫn OFDM với sự thay đổi nhanh của kênh kho trải Doppler cao và các kiểu sai số tần số khác. Cấn lưu ý rằng CP không thể bao phủ toàn bộ độ dài của tán thời kênh. Nói chung cần có một sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu (do ISI và ICI) mà phần dư tán thời do CP không phủ hết gây ra. Điều này có nghĩa rằng tồn tại một điểm tối ưu cho độ dài CP mà việc tăng nó không ảnh hưởng xấu đến mất công suất dẫn đến giảm kích thước ô và ngược l ại việc giảm nó không làm ảnh hưởng xấu đến hỏng tín hiệu. 3.2.2. Máy thu Tín hiệu đầu vào máy thu (đầu ra kênh) có dạng sau: y(t)= x(t)⊗h(t)+η(t) (3.6) trong đó h(t) là độ lợi kênh và η(t) là tạp âm Gauss trắng cộng và ⊗ ký hiệu cho tích chập. Bộ biến đổi từ tương tự vào số (ADC) sẽ biến đổi y(t) vào số, bộ loại bỏ CP sẽ loại CP. Qua trình loại CP đựơc thực hiện bằng tích chập vòng. Dưới đây ta sẽ giải thích nguyên lý tích chập vòng. Ta có thể biểu diễn ký hiệu OFDM bao gồm CP rời rạc trong miền thời gian ở dạng vectơ sau: x = [ x N-v-1 , xN − v ,..., xN −1 x0 , x1 ,..., xN −1 ] 1 4 4 2 4 44 1 4 2 44 4 3 4 3 CP S� � � li ug c (3.7) Trong đó xm ký hiệu cho mẫu m của tín hiệu OFDM ytong miền thời gian. Nếu không xét tạp âm, tín hiệu đầu ra của kênh sẽ là y = x h , trong đó h là vectơ có độ dài v+1 để biểu thị đáp ứng kênh xung kim trong thời gian ký hiệu OFDM. Hình 3.5 giải thích quá trình tích chập dịch vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và x đầu vào cho hai mẫu đầu tiên của y. 63
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE a) Mẫu đầu tiên c ủa tín hiệu đầu ra kênh b) Mẫu thứ hai c ủa tín hiệu đầu ra kênh hv hv −1 h1 h0 hv −1 hv h1 h0 xN −v xN −v +1 xN −1 x0 x1 x2 xN −1 xN −v xN −v +1 xN −v + 2 x0 x1 x2 xN −1 y0 = hv xN −v + hv −1 xL −v +1 + ... + h0 x0 y1 = hv xN −v +1 + hv −1 xN − v + 2 + ... + h1 x0 + h0 x1 Hình 3.5. Minh họa quá trình tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và xCP. Dựa trên các phân tích trên, ta có thể biểu diễn tín hiệu đầu ra kênh sau tích chập vòng cho các mẫu hữu ích như sau: y0 = h0 x0 + h1 xN −1 + ... + hv xN −v y1 = h0 x1 + h1 x0 + ... + hv xN −v +1 (3.8) M y N −1 = h0 xN −1 + h1 xN −2 + ... + hv xN −v −1 Sau tích chập vòng nếu chỉ giữ lại các tnàh phần đầu tiên ở vế trái của hệ phương trình (3.8) ta sẽ loại bỏ được CP. Ta có thể biểu diễn lại phương trình (3.8) ở dạng ma trận quay vòng như sau x �0 xN −1 xN −2 ... xN − v � � h �0 � x x0 xN −1 ... xN −v +1 �� y = �1 � � M +h � (3.9) �M M M M M � � � � hv � � � x �N −1 xN − 2 ... ... xN −v −1 � = Xh + η Sau bộ loại bỏ CP, V mẫu của CP bị loại bỏ và N mẫu còn lại là các mẫu của tín hiệu hữu ích . Bộ biến đổi nối tiếp vào song song cho ra N luồng song song ứng với N sóng mang con thu của tín hiệu thu trong miền thời gian: { yi (m)} , (i=0,1,...,N-1) ở dạng các mẫu rời rạc m (m=0,1...,N-1). Các sóng mang này được đưa lên bộ biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian vào miền tần số. Sau FFT máy thu lấy ra P sóng mang con cần thu thu trong miền tần số { X i } (i=0,1, % …, P-1), mỗi sóng mang con được xác định như sau: P- 1 N - 1 m - j2 p i % Xk = ��y i ,k (m )e N (3.10) i =0 m = 0 trong đó i (i=0,1,…,P-1), yi ,k (m) ký hiệu cho mẫu m trong miền thời gian của ký hiệu điều chế thông thường thứ i trong khối P ký hiệu được phát tại đầu ra cuả kênh, k (k là một số nguyên nằm trong khỏang từ - ￥ đến ￥) là khối thứ k tương % ứng; là X k giá trị phức của tín hiệu thu trong miền tần số trong khối ký hiệu k; 64
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE m (m=0,1,…,N-1) là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu trong miền thời gian với thời gian lấy mẫu Ts=TFFT/N tương ứng với tần số lấy mẫu fs= N/TFFT. Tín hiệu đầu ra bộ biến đổi nối tiếp vào song song sẽ là chuỗi nối tiếp các ký hiệu thu của khối k có thể được biểu diễn ở dạng vectơ sau: % X% % % Xk = � 0,k , X 1,k ,..., X P −1,k � (3.11) � � Tổng quát ta có thể biểu diễn toàn bộ các bước xử lý tín hiệu c ủa một h ệ thống thông tin OFDM với các tín hiệu ở dạng vectơ như trên hình 3.6. Miền thời gian η x C ộng y % X ˆ IFFT X P/S h(n) Loại S/P FFT FEQ X CP CP Tích chập vòng: y = x ⊗ h + η Miền tần số FEQ: B ộ cần bằng miền tần số Hình 3.6. Hệ thống thông tin OFDM băng gốc với các tín hiệu ở dạng vectơ. Truyền dẫn OFDM có thể được biễu diễn trong không gian hai chiều: tần số- thời gian như trên hình 3.7. X i ,k n) co g an N-1 m N-2 ng só tự i ứ th ố (s số 1 n Tầ 0 K-2 K-1 k K+1 K+2 Thờ i gian (s ố thứ t ự ký hiệu OFDM) Hình 3.7. Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM trong không gian hai chiều (tần số-thời gian) 65
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE 3.3. ƯỚC TÍNH KÊNH VÀ CÁC KÝ HIỆU THAM KHẢO Kênh OFDM bao gồm tổ hợp điều chế OFDM (xử lý IFFT), kênh vô tuyến tán thời và giải điều chế OFDM (xử lý FFT) được mô tả ở dạng kênh miền tần số trên hình 3.8. Nếu coi rằng CP đủ lớn ( khi này tích chập kênh vô tuy ến tán thời trong khoảng thời gian lấy tích phân TFFT của bộ giải điều chế có thể coi là tích chập dịch vòng tuyến tính), thì các nhánh kênh miền tần số H0,…, HP-1 có thể được rút ra trực tiếp từ các đáp ứng kênh xung kim như trên hình 3.8 (hình vẽ phía dưới). Máy phát Máy thu X0 % X0 Tạp âm X1 kT % X1 IFFT Chèn Kênh Loại FFT (N điểm ) CP h(t) bỏ CP (N điểm) X P −1 % X P −1 H0 ￥0 % % X i = Hi X i + ￥ i X0 X0 H n : Đáp ứ ng kênh đối v ớ i X n H P −1 η n : Tạp âm tác động lên X n ￥ P−1 % X P −1 X P −1 Hình 3.8. Mô hình kênh OFDM trong miền tần số Để khôi phục lại ký hiệu phát cho quá trình xử lý tiếp theo (chẳng hạn % tách ký hiệu số liệu và giải mã kênh), máy thu phải nhân X i với phức liên hợp * của Hi: H i (hình 3.9). Quá trình này thường được gọi là cân bằng một nhánh và được áp dụng cho từng sóng mang con được thu. Để có thể thực hiện điều này, máy thu phải ước tính các nhánh kênh miền tần số H0,H1,…,HP-1. 66
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Máy thu * H0 ￥0 H 0 % X0 ˆ X0 X0 H P −1 ￥ P−1 * H P −1 % X P −1 ˆ X P −1 X P −1 Hình 3.9. Mô hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một nhánh Các nhánh kênh miền tần số có thể được ước tính gián tiếp bằng cách trước hết ước tính đáp ứng kênh xung kim sau đó tính toán Hk. Tuy nhiên phương pháp nhanh hơn là ước tính các nhánh kênh miền tần số trực tiếp. Trong trường hợp này hệ thống chèn các ký hiệu tham khảo (còn được gọi là các ký hiệu hoa tiêu) tại các khoảng thời gian quy định trong lưới thời gian tần số của OFDM (hình 3.10). Do biết trước được các ký hiệu tham khảo này nên máy thu có thể ước tính kênh miền tần số xung quanh vị trí ký hiệu tham khảo. Các ký hiệu tham khảo phải có mật độ đủ lớn cả trong miền thời gian và miền tần số để có thể đảm bảo các ước tính kênh cho toàn bộ lưới thời gian tần số ngay cả trong trường hợp các kênh vô tuyến bị phađinh chọn lọc tần số và thời gian cao. n số Tầ Ký hiệu tham khảo Thờ i gian Hình 3.10. Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số 3.4. MÃ HÓA KÊNH VÀ PHÂN TẬP TẦN SỐ TRONG TRUYỀN DẪN OFDM Chất lượng kênh vô tuyến bị phađing chọn lọc tần số luôn luôn thay đổi trong miền tần số. Hình 3.11a và b cho thấy sự phụ thuộc của chất l ượng kênh vô tuyến (công suất tín hiệu thu hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm) vào tần s ố cho 67
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE trường hợp đơn sóng mang băng rộng (WCDMA chẳng hạn) (hình 3.11a) và đa sóng mang (OFDM) (hình 3.11b). Trong trường hợp truyền dẫn đơn sóng mang, mỗi ký hiệu điều chế được truyền trên một băng thông rộng, trong đó do ảnh hưởng của pha đinh chọn lọc tần số băng thông này có thể bao gồm cả vùng tần số có chất lượng truyền dẫn cao và vùng tần số có chất lượng truyền dẫn thấp. Việc truyền dẫn thông tin trên một băng tần rộng gồm nhiều dải băng với chất lượng khác nhau này đựơc gọi là phân tập tần số. Trái lại trong trường hợp OFDM, mỗi ký hiệu chỉ được truyền trên một băng thông hẹp. Vì thế một số ký hiệu có thể rơi vào vùng tần số có chất lượng kênh rất thấp. Vì thế từng ký hiệu riêng lẻ thông thường sẽ không nhận đ ược phân tập tần số ngay cả khi kênh mang tính chọn lọc tần số cao. Kết quả là tỷ lệ lỗi bit cơ sở của truyền dẫn OFDM trên kênh chọn lọc tần số tương đối kém và kém hơn nhiều so với tỷ số lỗi bit cơ sở trong trường hợp truy ền dẫn đ ơn sóng mang băng rộng. Tuy nhiên trong thực tế mã hóa kênh được sử dụng trong hầu hết các hệ thống thông tin số nhất là trong trường hợp thông tin di động. Trong mã hóa kênh mỗi bit thông tin được truyền phân tán trên nhiều bit mã. Nếu sau đó các bit mã này thông qua các ký hiệu điều chế được sắp xếp lên các sóng mang con và các sóng mang con này được phân bố hợp lý trên toàn bộ băng thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM (hình 3.11c), thì mỗi bit thông tin sẽ nhận được phân tập tần s ố (nghĩa là mỗi bit này được truyền trên các băng tần có chất lượng khác nhau của kênh) mặc dù các sóng mang con và cả các bit mã không nhận được phân tập tần số. Phân bố các bit mã trong miền tần số như trên hình 3.11c đôi khi đựơc gọi là đan xen tần số. Đan xen tần số trong trường hợp này giống như đan xen trong miền thời gian được sử dụng kết hợp với mã hóa kênh để chống phađinh thay đổi theo thời gian. 68
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE a) Đ ơ n sóng mang băng rộng b) Tín hiệu OFDM Các sóng mang con bị chất lượ ng kênh rất x ấu Công suất Công suất Tần s ố Tần s ố c) Mã hóa kênh k ết hợ p v ớ i v ớ i đan xen t ần s ố để cung b Bit thông tin c ấp phân t ập t ần s ố cho truy ền dẫn OFDM Mã hóa kênh Mã hóa Đan xen Điều chế c1 c2 c3 c4 Các bit mã kênh t ần s ố OFDM Đan xen t ần s ố (s ắp x ếp lên các sóng mang con ) Hình 3.11. Giải thích vai trò của mã hóa kênh trong OFDM: Mã hóa kênh kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số cho truyền dẫn OFDM Như vậy, tương phản với truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng, mã hóa kênh (kết hợp với đan xen tần số) là khâu quan trọng để truyền dẫn OFDM nhận được ích lợi từ phân tập tần số trong kênh chọn lọc tần số. Vì mã hóa kênh thường được sử dụng trong thông tin di động nên đây không phải là nhược điểm quá nghiêm trọng của OFDM, ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng ngay cả khi tỷ lệ mã khá cao hệ thống vẫn nhận được một lượng phân tập tần số sẵn có. 3.5. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ OFDM CƠ SỞ Để sử dụng OFDM cho truyền dẫn trong thông tin dộng, cần lựa chọn các thông số cơ sở dưới đây: √ Khoảng cách giữa các sóng mang con ￥f √ Số sóng mang con N cùng với khoảng cách giữa sóng mang con quy ết định toàn bộ băng thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM √ Độ dài CP: TCP. Cùng với khoảng cách giữa các sóng mang ￥f=1/TFFT, TCP quyết định độ dài ký hiệu OFDM: T=TCP+TFFT, hay tốc độ ký hiệu OFDM 3.5.1. Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 69
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Tồn tại hai tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con: √ Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn càng tốt) đê giảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT+TCP) √ Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền dẫn OFDM đối với trải Doppler Khi truyền qua kênh phađinh vô tuyến, do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao giữa các sóng mang bị mất và nhiễu giữa các sóng mang. Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân tố gây giảm cấp khác. Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp. Vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ sung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua. Tuy nhiên trong các trường hợp tỷ số tạp âm cộng nhiễu cao chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS, khi cần cung cấp các tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng có thể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều. Cần lưu ý rằng ngoài trải Doppler, nhiễu giữa các sóng mang con cũng xẩy ra do hoạt động không chính xác của máy phát và máy thu như: các sai số tần số và tạp âm pha. 3.5.2. Số lượng các sóng mang con Sau khi đã chọn được khoảng cách giữa các sóng mang con theo môi trường (dựa trên cân nhắc giữa trải Doppler và tán thời), số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng và phát xạ ngoài băng. Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P. ￥f, nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con. Tuy nhiên phổ của tín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở (hình 3.12). Lý do gây ra phát xạ ngoài băng lớn là việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến các búp sóng bên giảm tương đối chậm. Tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM. Trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tín hiệu OFDM. Chẳng hạn nếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM P.￥f chỉ có thể vào khoảng 4,5MHz. Giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15kHz, thì điều này tương đương với vào khỏang 300 sóng mang con trong 5MHz. 70
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE 30,0 Mật độ phổ công suất (dBm/30kHz) 20,0 10,0 0,0 -10,0 -20,0 -30,0 -40,0 -50,0 -3,5 -3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Tần s ố (MHz) Hình 3.12. Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở 5MHz. 3.5.3. Độ dài CP Về nguyên tắc, độ dài CP TCP phải bao phủ được độ dài cực đại của tán thời dự tính có thể xẩy ra. Tuy nhiên tăng độ dài CP mà không giảm ￥f dẫn đến tăng chi phí công suất cũng như băng thông. Mất công suất dẫn đến kích thước ô giảm và hệ thống bị hạn chế nhiều hơn bởi công suất, vì thế cần có sự cân đ ối giữa mất công suất cho CP và thiệt hại tín hiệu do tán thời không được CP bao phủ hết. Ngoài ra mặc dù khi kích thước ô tăng tán thời tăng, nhưng khi kích thước ô vượt quá một giá trị nào đó cũng không nên tăng TCP, vì mất công suất có thể gây ảnh hưởng xấu lên tín hiệu nhiều hơn ảnh hưởng của tán thời do không được phủ hết bởi CP. Một lý do để có thể phải sử dụng TCP dài hơn liên quan đến trường hợp truyền dẫn đa ô với việc sử dụng SFN (Single-Frequency Network) mà sẽ xét trong phần sau. Như vậy để tối ưu hiệu năng đối với các môi trường khác nhau, một số hệ thống OFDM hỗ trợ nhiều độ dài CP. Các độ dài CP khác nhau này có thể được sử dụng trong các trường hợp sau: √ CP ngắn hơn trong các môi trường ô nhỏ để giảm thiểu chi phí cho CP √ CP dài hơn trong các môi trường có tán thời rất lớn và đặc biệt trong trường hợp SFN 3.6. ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI MỨC CÔNG SUẤT TỨC THỜI Một trong số các nhược điểm của truyền dẫn OFDM là sự biến động lớn trong công suất phát tức thời dẫn đến giảm hiệu suất bộ khuyếch đại công suất và tiêu thụ công suất của đầu cuối di động cao hơn hoặc phải giảm công suất phát ra dẫn đến giảm cự ly phủ sóng. 71
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giảm giá trị đỉnh của tín hiệu OFDM: √ Dành trước tông. Dành trước một tập sóng mang con không sử dụng cho truyền dẫn số liệu. Các sóng mang con này được điều chế để có thể triệt bỏ các giá trị đỉnh lớn của toàn bộ tín hiệu OFDM và vì thế có thể giảm khoảng lùi của bộ khuyếch đại công suất. Nhược điểm của phương pháp dành trước tông là mất băng thông do không thể sử dụng một số sóng mang con cho truyền dẫn số liệu. Ngoài ra tính toán phương pháp điều chế cho dành trước tông cũng rất phức tạp √ Xáo trộn chọn lọc. Chuỗi bit sau mã hóa kênh được xáo trộn với các mã ngẫu nhiên hóa. Sau đó mỗi chuỗi được xáo trộn được điều chế OFDM, và tín hiệu có công suất đỉnh thấp nhất được chọn để phát. Sau giải điều chế OFDM tại phía thu, giải ngẫu nhiên (giải xáo trộn) và giải mã kênh được thực hiện cho tất cả các chuỗi ngẫu nhiên có thể có. Nhựơc điểm của phương pháp này là tăng độ phức tạp của máy thu vì phải thực hiện nhiều giải mã đồng thời. 3.7. SỬ DỤNG OFDM CHO GHÉP KÊNH VÀ ĐA TRUY NHẬP Hình 3.13 mô tả sử dụng OFDM cho đa truy nhập OFDM để có thể truyền dẫn đồng thời các đến/từ các máy đầu cuối bằng phân chia tần số. Phương pháp này được gọi là ghép kênh các người sử dụng cho đường xuống (từ trạm gốc đến các máy đầu cuối di động) và đa truy nhập cho đường lên (từ các máy đầu cuối di động đến trạm gốc). a) Đ ườ ng xuống b) Đ ườ ng lên Hình 3.13. OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập: a) đường xuống, b) đường lên Trên đường xuống, OFDM được sử dụng làm sơ đồ ghép kênh các người sử dụng. Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ các sóng mang con khả dụng được chia thành các tập con khác nhau và được gán cho các người s ử dụng khác nhau để truyền đến các đầu cuối khác nhau (hình 3.14.a). Tương tự trên đường lên, OFDM được sử dụng làm sơ đ ồ đa truy nhập. Trong khỏng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bô các sóng mang con khả dụng 72
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE được chia thành các tâp con khác nhau và được gán cho các người sử dụng khác nhau để truyền từ các đầu cuối khác nhau đến trạm gốc (hình 3.14b). Sơ đồ đa truy nhập đường lên sử dụng OFDM được gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) đối với đường từ MS đến BS Thông thường thuật ngữ OFDMA được sử dụng cho cả đường xuống và đường lên vì thế trong tài liệu này để đơn giản ta sẽ chỉ sử dụng thuật ngữ này cho các hai đường. Hình 3.13 giả thiết rằng các sóng mang con liên tiếp được sử dụng đ ể truyền đến/từ máy di động đầu cuối. Tuy nhiên các tập con sóng mang con được phân bố trên toàn bộ các sóng mang con khả dụng cũng được sử dụng để truyền đến/từ các máy đầu cuối di động (hình 3.14). Lợi ích của các sơ đồ OFDM phân bố là có thể nhận được phân tập tần số bổ sung trải rộng trên toàn băng thông rộng hơn cho từng đường truyền. b) Đ ườ ng lên a) Đ ườ ng xuống Hình 3.14. Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố Trong trường hợp OFDMA được sử dụng cho đường lên, tín hiệu OFDM phát đi từ các đầu cuối di động khác nhau được ghép kênh theo tần số, điều quan trọng là các truyền dẫn từ các đầu cuối ở các vị trí khác nhau so với tr ạm gốc phải đến trạm gốc một cách đồng bộ theo thời gian. Đặc biệt là sự mất đồng bộ giữa các truyền dẫn từ các đầu cuối di động khác nhau tại trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tính trực giao giưã các sóng mang con thu được từ các đầu cuối di động khác nhau để tránh nhiễu giữa các người sử dụng. Do khác nhau về khoảng cách từ các đầu cuối di động đến trạm gốc và vì thế dẫn đến khác nhau về thời gian truyền lan (sự khác nhau có thể vượt xa độ dài CP), nên cần phải điều khiển định thời phát của từng đầu cuối (hình 3.15). Điều khiển định thời phát nhằm điều chỉnh định thời phát cuả từng đầu cuối di động để đảm bảo rằng các truyền dẫn đường lên được đồng bộ tại trạm gốc. Do thời gian truyền lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ô, điều khiển đinh thời phát phải là một quá trình tích cực liên tục điều chỉnh định thời phát cho từng đầu cuối di động. 73
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE Không đồng Có đồng chỉnh chỉnh thờ i gian thờ i gian UE#1 Phát từ UE UE#2 UE#2 UE#1 Thu tại BS UE#1 τ1 UE#2 τ2 τ 2 −τ1 Hình 3.15. Điều khiển định thời phát đường lên Ngay cả khi điều khiển định thời phát hoàn hảo, vẫn luôn có một lượng nhiễu giữa các sóng mang con do sai số tần số. Trong trường hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ nhiễu này thường tương đối nhỏ. Tuy nhiên điều này chỉ xẩy ra khi coi rằng các sóng mang con khác nhau được thu tại trạm gốc với công suất gần như nhau. Trên đường lên do khoảng cách giữa các đầu cuối di động đến trạm gốc khác nhau vì thế suy hao đường truyền của các đường truyền này cũng có thể rất khác nhau. Nếu hai đầu cuối phát cùng một công suất thì do khoảng cách khác nhau công suất tín hiệu thu tại trạm gốc từ hai đầu cuối này có thể rất khác nhau và vì thế tín hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gây nhiễu đối với tín hiệu thu yếu hơn cho dù vẫn duy trì được trực giao hoàn hảo giữa các sóng mang con. Để tránh điều này cần phải thực hiện điều khiển công suất phát của các đầu cuối ở một mức độ nhất định đối với OFDMA đường lên bằng cách giảm công suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo công suất của các tín hiệu thu gần như nhau. 3.8. PHÁT QUẢNG BÁ VÀ ĐA PHƯƠNG TRONG NHIỀU Ô VÀ OFDM Các dịch vụ quảng/ đa phương trong hệ thống thông tin di động cho phép cung cấp đồng thời thông tin cho nhiều đầu cuối di động. Các dịch vụ này thường được trải rộng trên một vùng rộng lớn chứa nhiều ô như trên hình 3.16a. Thông tin quảng bá/đa phương có thể là một TV clip mới, thông tin về tính hình thời tiết địa phương, thông tin về thị trường chứng khoán tại một thời điểm cho trước và được nhiều người quan tâm. Khi cần cung cấp cùng một thông tin cho nhiều đầu cuối di động trong cùng một ô, tiện lợi nhất là cung cấp thông tin này bằng cách s ử dụng một đường truyền dẫn vô tuyến quảng bá cho toàn ô đồng thời đến tất cả các đ ầu cuối di động liên quan (hình 3.16b), chứ không nên phát thông tin này bằng các đường truyền dẫn riêng cho từng đầu cuối di động (truyền đơn phương, hình 3.16c). 74
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE a) Phát quảng bá đa ô Vùng quảng bá b) Phát quảng bá đơ n ô c) Phát đơ n phươ ng (unicast) Hình 3.13. Phát quảng ba đa ô (a), đơn ô (b) và phát đơn phương (c) Phát quảng bá trên hình 3.16b phải được định cỡ để có thể đạt đến các đầu cuối di động thu yếu nhất bao gồm cả các đầu cuối tại biên ô. Điều này dẫn đến chi phí tài nguyên khá cao (công suất máy phát trạm gốc để có thể đạt được tốc độ số liệu dịch vụ cho trước). Một giải pháp cho vấn đề này là hạn chế tốc độ số liệu quảng bá để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm giới hạn chẳng hạn đối với biên ô và đặc biệt là đối với các ô kích thước lớn. Một giải pháp khác cho phép duy trì tốc độ số liệu quảng bá cao là giảm kích thước ô đ ể tăng công suất thu tại biên ô. Nhưng điều này dẫn đến tăng số lượng ô đ ể đ ảm b ảo vùng quảng bá cho trước và làm tăng giá thành triển khai hệ thống. Trong trường hợp phát quảng bá đa ô, có thể tiết kiệm tài nguyên mà vẫn đảm bảo tốc độ số liệu nếu các đầu cuối di động tại biên ô sử dụng công suất thu từ truyền dẫn quảng bá của nhiều ô khi tách sóng/ giải mã số liệu quảng bá. Vì thế có thể đạt được độ lợi công suất lớn, nếu các đầu cuối có thể thu đ ồng thời và kết hợp các truyền dẫn quảng bá từ nhiều ô trước khi tách tín hiệu và giải mã. Phương pháp này được gọi là kết hợp mềm các truyền dẫn quảng bá/đa phương từ nhiều ô và đã được ứng dụng cho MBMS (Multimedia Broadcast/Mulricast Service: dịch vụ quảng bá/ đa phương đa phương tiện) trong WCDMA. Trong trường hợp WCDMA, mỗi ô phát quảng bá trên đường xuống sử dụng một mã ngẫu nhiên riêng vì thế đầu cuối có thể nhận biết tín hiệu từng ô trong quá trình kết hợp mềm. Mặc dù kết hợp mềm tăng đáng kể công suất thu 75
Chương 3. OFDMA và SC-FDMA của LTE cho các đầu cuối tại biên ô, tuy nhiên truyền dẫn quảng bá từ các ô khác nhau vẫn gây nhiễu cho nhau. Điều này làm hạn chế tỷ số tín hiệu trên nhiễu và vì thế giới hạn tốc độ số liệu. Một giải pháp để loại bỏ nhược điểm nói trên và cải thiện hơn nữa các dịch vụ quảng bá/ đa phương trên mạng thông tin di động là đảm bảo rằng các truyền dẫn quảng bá từ các ô khác nhau hoàn toàn giống nhau và được phát đồng bộ theo thời gian. Trong trường hợp này các truyền dẫn thu được từ các ô khác nhau nhìn từ đầu cuối di động thể hiện như một truyền dẫn duy nhất bị ảnh hưởng của truyền sóng đa đường (hình 3.17). Phát các tín hiệu giống nhau đ ược đồng bộ theo thời gian, đặc biệt là trong trường hợp cung cấp các dịch vụ quảng bá/đa phương đôi khi được gọi là khai thác mạng đơn tần số (SFN: Single Frequency Network). Nhìn từ đầu cuối di động : Tươ ng đươ ng nhau Hình 3.17. Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền sóng đa đường Trong trường hợp truyền dẫn từ nhiều ô giống nhau và được đồng bộ thời gian, “nhiễu giữa các ô” do các truyền dẫn trong các ô lân c ận xét t ừ đ ầu cuối sẽ được thay thế bằng tín hiệu bị hỏng do tán thời. Nếu truy ền dẫn quảng bá sử dụng OFDM với CP bao phủ phần chính của tán thời, thì các tốc độ số liệu quảng bá chỉ bị giới hạn bởi tạp âm và điều này có nghĩa có thể đạt được tốc độ số liệu quảng bá rất cao đặc biệt là trong các ô nhỏ hơn. Ngoài ra khác với kết hợp mềm đa ô của WCDMA MBMS, Máy thu OFDM không cần nhận dạng các ô khi kết hợp mềm, vì tất cả các truyền dẫn nằm trong giới hạn của CP sẽ đ ược máy thu ‘tự động’ thu nhận (giống như trường hợp truyền sóng đa đườmg của một tín hiệu). 3.9. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN DFTS-OFDM 3.9.1. Sơ đồ khối hệ thống DFTS-OFDM Hình 3.18. cho thấy sơ đồ khối của hệ thống DFTS-OFDM và OFDM tương ứng. Trên hình 3.18 và trong các phần sau ta sử dụng các ký hiệu sau đây: 76