KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG

KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG MỤC LỤC 1. Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 4 2. Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số 6 a) Cân bằng miền tần số 6 b) So sánh với OFDM 8 3. FDMA đơn sóng mang 9 3.1 Xử lí tín hiệu SC-FDMA 10 3.2 Mapping sóng mang con 13 3.3 So sánh các kỹ thuật mapping sóng mang con. 15 3.4 SC-FDMA và OFDMA 16 3.5 Xử lý đường lên cơ bản 19 3.6. Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot) 21 4. Lập lịch phụ thuộc kênh truyền (Channel-Dependent Scheduling – CDS) 22 4.1 Đo lường hiệu suất SC-FDMA 24 4.2 Cấp phát sóng mang con với scheduling 25 4.3 Kết luận về Scheduling 25 5. MIMO SC-FDMA 26 5.1 Phân tập không gian và ghép kênh không gian trong các hệ thông MIMO 26 5.2 SC-FDMA phân tập không gian 27 6. Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu SC-FDMA 27 6.1 Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu đơn sóng mang 28 6.2 Giảm công suất đỉnh bằng cách bớt biên độ symbol (clipping) 29 7. Kết luận và hướng phát triển 30 7.1 Kết luận 30 7.2 Hướng phát triển 31 Tài Liệu Tham Khảo 32 3 1. Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Hình 1: So sánh giữa FDMA và OFDM Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. 4 a) Tín hiệu OFDM b) Phổ OFDM Hình 2: Tín hiệu và phổ OFDM 5 Các ƣu và nhƣợc điểm của kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây : • Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền. • OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng. • Cấu trúc máy thu đơn giản. Tuy nhiên, bên cạnh đó OFDM cũng có một số nhược điểm sau : • Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ. • Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu. • Tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (Peak to Average Power Ratio - PAPR) cao. 2. Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số a) Cân bằng miền tần số Một bộ cân bằng sẽ bù méo dạng tuyến tính gây ra bởi kênh truyền đa đường. Đối với các kênh đa đường băng rộng, cân bằng trong miền tần số (Frequency Domain Equalization) là một lựa chọn phù hợp. Cân bằng kênh về cơ bản về một bộ lọc biến đổi ngược những méo dạng tuyến tính tạo ra bởi kênh truyền đa đường. Biến đổi Fourier sẽ chuyển đổi tín hiệu trong miền thời gian sang miền tần số. Sử dụng DFT, cân bằng trong miền tần số có thể dễ dàng được thực hiện sử dụng các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hiện đại. Vì kích thước DFT không tăng tuyến tính với độ dài đáp ứng kênh, nên độ phức tạp của FDE thấp hơn nhiều so với bộ cân bằng tương đương trong miền thời gian cho các kênh băng rộng. 6 Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số (SC/FDE) là một kĩ thuật thiết thực cho việc làm giảm ảnh hưởng của Fading chọn lọc tần số. Hiệu suất truyền của nó tương tự như OFDM với độ phức tạp tương đương, ngay cả cho đáp ứng xung kênh truyền dài. Một bộ điều chế SC/FDE truyền các symbol được điều chế một cách liên tục. Nó chia chuỗi các symbol điều chế thành các khối (block) và thêm một cyclic prefix (CP) vào phần đầu của mỗi khối. Cũng như trong OFDM, CP làm giảm can nhiễu liên khối. Như trong hình 4, một bộ thu SC/FDE biến đổi các tín hiệu nhận được sang miền tần số bằng cách áp dụng biến đổi DFT và thực hiện cân bằng. Hầu hết các kĩ thuật cân bằng thông dụng, như bộ cân bằng lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean Square Eror – MMSE), cân bằng phản hồi quyết định và cân bằng nhanh đều có thể áp dụng cho FDE. Sau khi cân bằng, một bộ IDFT sẽ biến đổi tín hiệu đơn sóng mang trở lại miền thời gian và một bộ tách sóng sẽ phục hồi các symbol ban đầu. Ngược lại, OFDM sử dụng một bộ tách sóng riêng biệt cho mỗi sóng mang con. Hình 3: Sơ đồ khối của hệ thống SC/FDE và OFDM 7 Hình 4: Bộ thu OFDM và SC/FDE b) So sánh với OFDM OFDM và SC/FDE tương tự nhau về nhiều mặt. tuy nhiên, có vài điểm khác biệt về bản chất của bộ cân bằng. SC/FDE sử dụng cả DFT và IDFT ở đầu thu, trong khi OFDM có IDFT ở đầu phát và IDFT ở đầu thu. Ở đầu thu, OFDM thực hiện tách dữ liệu trên mỗi sóng mang con trên miền tần số trong khi SC/FDE thực hiện tách dữ liệu trong miền thời gian sau khi thêm vào biến đổi IDFT. Sự khác biệt này có ý nghĩa là OFDM nhạy hơn với phổ cân bằng không và nó yêu cầu mã hóa kênh hoặc điều khiển công suất /tốc độ để khắc phục điểm yếu này. Cùng với đó, khoảng thời gian này các symbol đã điều chế sẽ mở rộng ra trong trường hợp OFDM truyền song song các khối dữ liệu trong khi kéo dài chu kỳ thời gian. Băng thông hệ thống BS(Hz) được chia thành những sóng mang con có băng thông nhỏ hơn và dữ liệu độc lập được truyền trên mỗi sóng mang con.

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỀ TÀI KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG Giảng viên hướng dẫn: TRƯƠNG TẤN QUANG Thực hiện: Nhóm Godlike Danh sách nhóm: Họ tên MSSV Lê Đình Huy 1020077 Nguyễn Hoàng Phúc 1020156 Nguyễn Văn Phúc 1020158 Trần Ngọc Huân 1020171 Lê Minh Tâm 1020187 Hoàng Thanh Tân 1020190 Hồng Văn Nhật Tân 1020191 Vũ Đình Thành 1020204 Võ Cự Thân 1020213 Trần Đức Thiện 1020215 MỤC LỤC Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM Điều chế đơn sóng mang với cân miền tần số a) Cân miền tần số b) So sánh với OFDM FDMA đơn sóng mang 3.1 Xử lí tín hiệu SC-FDMA 10 3.2 Mapping sóng mang 13 3.3 So sánh kỹ thuật mapping sóng mang 15 3.4 SC-FDMA OFDMA 16 3.5 Xử lý đường lên 19 3.6 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot) 21 Lập lịch phụ thuộc kênh truyền (Channel-Dependent Scheduling – CDS) 22 4.1 Đo lường hiệu suất SC-FDMA 24 4.2 Cấp phát sóng mang với scheduling 25 4.3 Kết luận Scheduling 25 MIMO SC-FDMA 26 5.1 Phân tập không gian ghép kênh không gian hệ thông MIMO 26 5.2 SC-FDMA phân tập không gian 27 Đặc tính cơng suất đỉnh tín hiệu SC-FDMA 27 6.1 Đặc tính cơng suất đỉnh tín hiệu đơn sóng mang 28 6.2 Giảm công suất đỉnh cách bớt biên độ symbol (clipping) 29 Kết luận hướng phát triển 30 7.1 Kết luận 30 7.2 Hướng phát triển 31 Tài Liệu Tham Khảo 32 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM Kỹ thuật điều chế OFDM, bản, trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế FDM, chia luồng liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp vùng tần số sử dụng, sóng mang (hay sóng mang phụ sub-carrier) trực giao với Do vậy, phổ tín hiệu sóng mang phụ phép chồng lấn lên mà phía đầu thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kĩ thuật điều chế thơng thường Hình 1: So sánh FDMA OFDM Số lượng sóng mang phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ rộng kênh mức độ nhiễu Con số tương ứng với kích thước FFT a) Tín hiệu OFDM b) Phổ OFDM Hình 2: Tín hiệu phổ OFDM Các ƣu nhƣợc điểm kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM cịn có số ưu điểm sau :  Hệ thống OFDM loại bỏ tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn độ trễ truyền dẫn lớn kênh truyền  OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng  Cấu trúc máy thu đơn giản Tuy nhiên, bên cạnh OFDM có số nhược điểm sau :  Do yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ nên hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) dịch thời ( time offset) sai số đồng  Đường bao biên độ tín hiệu phía phát khơng phẳng, gây méo phi tuyến khuếch đại công suất đầu phát đầu thu  Tỷ lệ công suất đỉnh công suất trung bình (Peak to Average Power Ratio PAPR) cao Điều chế đơn sóng mang với cân miền tần số a) Cân miền tần số Một cân bù méo dạng tuyến tính gây kênh truyền đa đường Đối với kênh đa đường băng rộng, cân miền tần số (Frequency Domain Equalization) lựa chọn phù hợp Cân kênh về lọc biến đổi ngược méo dạng tuyến tính tạo kênh truyền đa đường Biến đổi Fourier chuyển đổi tín hiệu miền thời gian sang miền tần số Sử dụng DFT, cân miền tần số dễ dàng thực sử dụng xử lý tín hiệu số (DSP) đại Vì kích thước DFT khơng tăng tuyến tính với độ dài đáp ứng kênh, nên độ phức tạp FDE thấp nhiều so với cân tương đương miền thời gian cho kênh băng rộng Điều chế đơn sóng mang với cân miền tần số (SC/FDE) kĩ thuật thiết thực cho việc làm giảm ảnh hưởng Fading chọn lọc tần số Hiệu suất truyền tương tự OFDM với độ phức tạp tương đương, cho đáp ứng xung kênh truyền dài Một điều chế SC/FDE truyền symbol điều chế cách liên tục Nó chia chuỗi symbol điều chế thành khối (block) thêm cyclic prefix (CP) vào phần đầu khối Cũng OFDM, CP làm giảm can nhiễu liên khối Như hình 4, thu SC/FDE biến đổi tín hiệu nhận sang miền tần số cách áp dụng biến đổi DFT thực cân Hầu hết kĩ thuật cân thông dụng, cân lỗi bình phương trung bình nhỏ (Minimum Mean Square Eror – MMSE), cân phản hồi định cân nhanh áp dụng cho FDE Sau cân bằng, IDFT biến đổi tín hiệu đơn sóng mang trở lại miền thời gian tách sóng phục hồi symbol ban đầu Ngược lại, OFDM sử dụng tách sóng riêng biệt cho sóng mang Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống SC/FDE OFDM Hình 4: Bộ thu OFDM SC/FDE b) So sánh với OFDM OFDM SC/FDE tương tự nhiều mặt nhiên, có vài điểm khác biệt chất cân SC/FDE sử dụng DFT IDFT đầu thu, OFDM có IDFT đầu phát IDFT đầu thu Ở đầu thu, OFDM thực tách liệu sóng mang miền tần số SC/FDE thực tách liệu miền thời gian sau thêm vào biến đổi IDFT Sự khác biệt có ý nghĩa OFDM nhạy với phổ cân khơng u cầu mã hóa kênh điều khiển công suất /tốc độ để khắc phục điểm yếu Cùng với đó, khoảng thời gian symbol điều chế mở rộng trường hợp OFDM truyền song song khối liệu kéo dài chu kỳ thời gian Băng thông hệ thống BS(Hz) chia thành sóng mang có băng thơng nhỏ liệu độc lập truyền sóng mang Bảng 1: So sánh OFDM SC/FDE OFDM SC/FDE Thực DFT/IDFT sử dụng cyclic prefix Điểm giống Cân miền tần số Ít phức tạp cân miền thời gian thông thường Điểm khác Truyền đa sóng mang Truyền đơn sóng mang Truyền song song liệu Truyền nối tiếp liệu có có tốc độ symbol thấp tốc độ symbol cao Tỷ số PAPR cao Tỷ số PAPR thấp Nhạy với dịch tần số Ít nhạy với dịch tần số Nhạy với phổ trống Thích ứng với phổ trống Tương thích với chọn tần Tương tích với chọn tần số có khả tải bit/ số khơng có khả tải cơng suất bit/ cơng suất Tóm lại, SC/FDE có ưu điểm so với OFDM sau: - PAPR thấp điều chế đơn sóng mang đầu phát - Có thể thích ứng với phổ khơng - Ít nhạy với dịch tần số sóng mang - Độ phức tạp thấp truyền, thuận lợi cho thiết bị truyền di động truyền thông đường lên FDMA đơn sóng mang Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang ( SC-FDMA) chỉnh sửa kỹ thuật OFDM SC/FDE giới thiệu Khác với kĩ thuật trên, kỹ thuật đa truy cập giới thiệu phần truyền tín hiệu khác cách đồng thời Tất kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao sử dụng rời rạc sóng mang trực giao cấp phát băng thông hệ thống Chúng bao gồm biến đổi rời rạc để chuyển tín hiệu miền thời gian tần số Để truyền tín hiệu khác cách đồng thời, kỹ thuật đa truy cập gắn tín hiệu vào sóng mang tách biệt Vì kênh băng rộng phải chịu Fading chọn lọc tần số, kỹ thuật FDMA sử dụng lập lịch phụ thuộc kênh ( Channel-dependent scheduling) để phân tập người dùng, đặc tính Fading thiết bị đầu cuối vị trí khác độc lập thống kê với nhau, kỹ thuật lập lịch gắn đầu cuối với sóng mang có đặc tính truyền phù hợp vị trí thiết bị 3.1 Xử lí tín hiệu SC-FDMA Hình 5: Cấu trúc phát thu hệ thống SC-FDMA/OFDMA Hình cho thấy phát SC-FDMA gửi khối liệu tới thu Đầu vào phát đầu thu symbol điều chế phức Các hệ thống thực tế phải linh động thích ứng kỹ thuật điều chế với chất lượng kênh truyền, sử dụng BPSK kênh truyền yếu 64-QAM kênh truyền mạnh Các khối liệu bao gồm M symbol điều chế phức tạo tốc độ 10 Hình 14: OFDMA SC-FDMA – tách sóng cân Hình 14 cho thấy OFDMA thực cân tách liệu phân biệt cho sóng mang Ngược lại, SC-FDMA thực cân tồn băng thơng kênh Sau sử dụng IDFT để chuyển tín hiệu từ đầu cuối miền thời gian trước tách symbol điều chế Biến đổi IDFT trước tách sóng cần thiết ngoại trừ IFDMA, tín hiệu truyền bao gồm tổng tích tất symbol khối nói trước IDFT khơi phục symbol gốc từ tín hiệu tổng hợp Vì SC-FDMA dàn trải cách có hiệu symbol điều chế lên tồn băng thơng kênh, nhạy cảm với fading chọn lọc tần số OFDMA – truyền symbol điều chế dải hẹp Vậy lại gọi kỹ thuật đa truy cập “Đơn sóng mang” “FDMA”? Có thể thấy Hình 15, symbol SC-FDMA truyền liên tục sóng mang đơn ngược với truyền song song OFDM/OFDMA nhiều sóng mang Cùng với đó, người dùng ghép kênh tách sóng trực giao với miền tần số, điều làm cho SC-FDMA trở thành phần FDMA 18 Hình 15: Tại lại gọi “ Single Carier” “FDMA” 3.5 Xử lý đƣờng lên Hình 16: Xử lý kênh vật lý đường lên LTE phân định hai kỹ thuật mã hóa kênh tốc độ 1/3: mã hóa nhân chập tailbiting mã turbo Mỗi mã hóa tạo ba chuỗi bit phân biệt, tương đương với tốc 19 độ mã 1/3 Các chuỗi bit đan xen không đưa vào đệm thích ứng tốc độ vòng Các bit lối đệm vòng trộn với chuỗi Gold độ dài 33 Phụ thuộc vào chất lượng kênh, sử dụng điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Các symbol lối hoạt động mapping điều chế tương đương với tín hiệu lối vào Hình 17 Hoạt động tạo tín hiệu SC-FDMA tương đương với chuỗi hoạt động Hình 17: IDFT, chuyển đổi song song sang nối tiếp, thêm cyclic prefix/ nắn dạng xung, biến đổi số sang tương tự Kết tín hiệu lên tục s l(t) Khoảng thời gian sl(t) khoảng thời gian thành phần tài nguyên: 0,5/6 ms 0,5/7 ms phụ thuộc vào việc truyền sử dụng cyclic prefix mở rộng (6 thành phần tài nguyên/time slot) Chỉ số l sl(t) số thời gian thành phần tài nguyên: Với cyclic prefix bình thường 0≤ l ≤6 với cyclic prefix mở rộng 0≤ l ≤5 Biến đỏi tiền mã hóa tương đương với hoạt động DFT Hình 17 Cuối cùng, sl(t) điều chế sóng với mang tần số vô tuyến (f c Hz) cấp phát cho đầu cuối di động Lọc RF theo sau biến đổi lên tương đương với nắn dạng xung Hình 17 Hình 17: Bộ phát SC-FDMA chung 20