Kĩ thuật điều chế FDMA, ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G

Kĩ thuật điều chế FDMA, ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G Chương 1: Tông quan Chương 2: Kĩ thuật điều chế FDMA Chương 3: So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM Chương 4: Mô phỏng bằng Matlab Kĩ thuật điều chế FDMA đã được 3GPP LTE nghiên cứu và triển khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống. Trong điều chế FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như OFDMA.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế

1.1.1 Thế hệ di động 1G

1.1.2 Thế hệ 2G

1.1.3 Thế hệ 2,5G

1.1.4 Thế hệ 3G

1.1.5 Thế hệ 4G

1.1.6 Tổng quan về SC-FDMA

1.1.7 Tổng quan về OFDM

1.2. Các tổ chức chuẩn hóa di đông 3GPP và 3GPP2

1.3. Các hệ thống di động không dây tiên tiến dựa trên FDMA

1.4. Tổng quan về công nghệ LTE

1.5. Kĩ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng

1.6. Tóm tắt

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA

2.1. Sơ lược về kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)

2.1.1. Đặc tính kênh, ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế FDMA

2.1.2. Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số

2.2. Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)

2.2.1. Xử lí tín hiệu SC-FDMA

2.2.2. Mapping sóng mang con

2.2.3. So sánh các kĩ thuật mapping sóng mang con

2.2.4. Xử lí đường lên cơ bản

2.2.5. Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot)

2.3. Lập lịch phụ thuộc kênh truyền

2.3.1. Đo lường hiệu suất FDMA

2.3.2. Cấp phát sóng mang con với scheduling

2.3.3. Kết luận về scheduling

2.4. MIMO SC-FDMA

2.4.1. Phân tập và ghép kênh không gian trong các hệ thống MIMO

2.4.2. SC-FDMA phân tập không gian

2.5. Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu SC-FDMA

2.5.1. Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu đơn sóng mang

2.5.2. Giảm biên độ bằng cách cắt bớt biên độ symbol (clipping)

2.6. Tóm tắt

CHƯƠNG 3: SO SÁNH KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA VÀ OFDM

3.1. Sơ lược về kĩ thuật điều chế OFDM

3.1.1. Phương pháp điều chế đơn sóng mang

3.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

3.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

3.2. So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM

3.3. Ứng dụng kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM

3.3.1. Giới thiệu ứng dụng

3.3.2. Ứng dụng mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

3.3.2.1. Giới thiệu mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)

3.3.2.2. Sự khác biệt giữa 3G và 4G

3.3.3. Truyền dữ liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM

3.3.3.1. Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM

3.3.3.2. Truyền dữ liệu hướng xuống

3.3.4. Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA

3.3.4.1. Lý do sử dụng SC-FDMA

3.3.4.2. SC-FDMA

3.3.4.3. Các tham số của SC-FDMA

3.3.4.4. Truyền dẫn dữ liệu hướng lên

3.3.5. Dịch vụ mạng 4G (LTE cung cấp) và mạng 4G tại Việt Nam

3.4. Kết luận chương

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG MATLAB

4.1. Các thông số

4.2. Mô phỏng SC/FDE

4.3. Mô phỏng SC-FDMA

4.4. Mô tả tỉ số công suất đỉnh trên trung bình của SC-FDMA

4.5. Tóm tắt

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận

Hướng phát triển đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu Để đáp ứng

về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới.Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường

khác nhau tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giáthành dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụhiện tại và tương lai OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G vớitốc độ truyền dẫn cao, là một giải pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn vàtính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số đã được 3GPP LTE

sử dụng truyền dẫn trên đường xuống Tuy nhiên OFDM có nhược điểm rấtlớn đó là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ khuyếch đạicông suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối cao

Kĩ thuật điều chế FDMA đã được 3GPP LTE nghiên cứu và triểnkhai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống Trongđiều chế FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song songnhư OFDMA Vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giángcủa đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Do đó các tín hiệu điều chếFDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và

độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA, khi PAPR thấp làm tănghiệu suất bộ khuyếch đại công suất điều này dẫn tới tăng vùng phủ và chiphí máy đầu cuối giảm thấp Hơn nữa điều chế FDMA có nhiều kiểu sắpxếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điềukiện truyền dẫn khác nhau

Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu

của mình là “Kĩ thuật điều chế FDMA Ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G” làm chủ đề nghiên cứu Theo đó, đề tài tiến hành

nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương như sau:

Chương 1: Tông quan

Chương 2: Kĩ thuật điều chế FDMA

Chương 3: So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM

Chương 4: Mô phỏng bằng Matlab

Do hạn chế về thời gian, kiến thức cũng như tài liệu tham khảo nên

đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của quý thầy, cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện và phong phú hơn

Để có được đồ án này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong trường Đại học Quy nhơn nói chung, khoa Công kỹ thuật & công nghệ nói riêng những người đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong 4 năm học vừa qua

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Lê Đức Phục,

bộ môn Điện Tử - Viễn Thông, khoa kỹ thuật & công nghệ, trường Đạihọc Quy nhơn đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp cho em nhiềukiến thức cũng như tài liệu quý trong suốt quá trình làm đồ án

Bình Định, ngày , tháng 12, năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Huy

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT

Trong chưa đầy ba thập kỉ, điện thoại di động đã biến đổi mạnh mẽ từcác mạch điện trong phòng thí nghiệm thành các sản phẩm điện tử phổ biếntrên toàn thế giới Điện thoại di động đã tích hợp một loạt các thiết bị khácnhư máy nhắn tin, máy ảnh, quay phim, máy nghe nhạc, chơi game, trìnhduyệt web… Mặc dù điện thoại cố định đã xuất hiện hơn 1 thế kỷ, tuy nhiên

số lượng điện thoại di động đã vượt qua điện thoại cố định chỉ trong vòngvài năm và đang trên đà tiếp tục phát triển lớn mạnh Với hàng trăm triệungười dùng ở những quốc gia đang phát triển, truyền thông di động đã trởthành một thành phần thiết yếu của cuộc sống

1.1. Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế

1.1.1. Thế hệ di động đầu tiên (1G)

Được giới thiệu vào đầu thập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương

tự (Analog) Tất cả các hệ thống thuộc thế hệ di động này đều sử dụng kiểu

đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division MultipleAccess)

1.1.2. Thế hệ thứ hai (2G)

Được triển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số Hệ thống2G đã đạt được những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kếtnối thuê bao trên toàn thế giới

Là một mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyểnmạch - mạch là chủ yếu Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần sốFDMA hoặc đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA

1.1.3. Thế hệ 2,5G

Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G vàthực sự nó là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên Hệthống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm

là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn

Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên3G từ 2G, nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổimột cách đột biến

1.1.4. Thế hệ thứ ba (3G)

Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyềnthông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trênnền chuẩn CDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cungcấp một băng tần theo yêu cầu do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc

độ khác nhau

Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chungduy nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps Mặc dù được tínhtoàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rấtlớn

Mạng lõi hòan toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là

sử dụng phương thức chuyển mạch gói

1.1.6. Tổng quan về SC-FDMA

Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), là một kỹ thuật mới cho các hệthống truyền thông di động trong tương lai Sự phát triển của kĩ thuật điềuchế FDMA đại diện cho sự tiến hóa nhanh chóng của các công nghệ diđộng Mặc dù sự tiến bộ về kỹ thuật vẫn đang tiếp diễn và các hệ thốngthương mại vẫn đều đặn thực hiện những cải tiến mới, những tiến bộ quantrọng thường đánh dấu cho sự chuyển đổi từ một thế hệ công nghệ nàysang thế hệ khác Thế hệ di động đầu tiên (1G), được giới thiệu vào đầuthập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương tự Thế hệ thứ hai (2G), đượctriển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số Hệ thống 2G đã đạtđược những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kết nối thuêbao trên toàn thế giới

-Ngay cả trước khi hệ thống thế hệ thứ hai đầu tiên được đưa ra thịtrường, các nhà nghiên cứu đã quan tâm tới công nghệ thế hệ thứ ba (3G)với tốc độ cao hơn, hiệu suất phổ tốt hơn, và các dịch vụ thông tin cùng vớithoại thông thường Năm 2000, dưới tên gọi IMT-2000 (InternationalMobile Telecommunication-2000),ITU(International TelecommunicationUnion) đã đưa ra một bộ tiêu chuẩn, gồm 5 kỹ thuật cơ bản của hệ thốngtruyền thông di động 3G Năm 2008, các công ty cung cấp mạng di động đãtriển khai hai trong số những kỹ thuật này,đó là W-CDMA (Wideband CodeDivision Multiple Access) và CDMA2000 khi đã có những điều kiện thíchhợp Trong khi đó, các nhà nghiên cứu và kinh doanh đã bắt đầu quan tâmtới kĩ thuật điều chế FDMA như là một lựa chọn hàng đầu cho "bước tiếnhóa dài hạn - long term evolution" (LTE) trong truyền thông từ thiết bị di

động đến trạm gốc Có thể xem công nghệ LTE được triển khai vào khoảngnăm 2010

Các thế hệ điện thoại liên tiếp đã được tích hợp để truyền trong các dảitần rộng hơn Tín hiệu của hệ thống 1G hoạt động ở băng thông 25 và 30KHz sử dụng nhiều kiểu điều chế tần số khác nhau Mặc dù có nhiều hệthống 2G hoạt động ở những băng hẹp như nhau, hai hệ thống được triểnkhai rộng rãi nhất là GSM và CDMA, chiếm giữ băng thông 200 KHz và1,25 MHz Thế hệ thứ 3 - hệ thống W-CDMA truyền tín hiệu trong dải 5MHz OFDM và SC-FDMA là những kỹ thuật điều chế được sử dụng chocác dải tín hiệu 20MHz trong các thế hệ di động kế tiếp

1.1.7. Tổng quan về OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) làmột trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đócác sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóngmang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phụclại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM cóhiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Nhờ đó OFDM là dòng chia tốc độ dữ liệu cao thành các dòng chia

có tốc độ dữ liệu thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang, ta thấyrằng, trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể choOFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùytheo tỉ số tín hiệu trên tạp SNR của sóng mang đó

Kĩ thuật OFDM do R.W Chang phát mình năm 1966 ở Mỹ Trải qua

40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học này đã đượcthực hiện khắp nơi trên toàn thế giới, người ta đã chứng minh được điều

chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và DFT, nhờ đó làmcho kĩ thuật điều chế OFDM ngày càng rộng rãi.

Về lĩnh vực truyền sóng thì tốc đường xuống trong OFDM đối với 3G là14Mbps còn với 4G là 100Mbps đến 1Gbps

1.2 Các tổ chức chuẩn hóa di động 3GPP và 3GPP2

Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (Third Generation Partnership Project 3GPP) là một sự hợp tác giữa các hiệp hội viễn thông, nhằm tạo ra một tiêuchuẩn kỹ thuật cho hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 3 (3G) áp dụngtoàn cầu nằm trong dự án Viễn thông di động quốc tế 2000 của ITU Cácchỉ tiêu kỹ thuật của 3GPP được dựa trên GSM (Global System for Mobilecommunications)

-Các kỹ thuật 3G chuẩn hóa bởi 3GPP thường được gọi chung là CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) 3GPP sử dụng haicụm từ để mô tả các đặc điểm kỹ thuật của nó: UMTS (Universal MobileTelecommunications System) áp dụng cho toàn bộ mạng di động, chứahàng trăm đặc điểm kỹ thuật của 3GPP và UTRAN (Universal TerrestrialRadio Access Network) là tập hợp các thành phần mạng và giao diện củachúng, sử dụng cho truyền thông giữa thiết bị đầu cuối di động và hạ tầngmạng Một dự án khác, 3GPP2, liên quan đến những bản cải tiến của hệthống di động CDMA đầu tiên Các kỹ thuật được chuẩn hóa bởi 3GPP2thường được gọi chung là CDMA2000 Các kỹ thuật trong W-CDMA vàCDMA2000 xuất hiện trong tất cả các phương diện của một mạng di động

W-Một bộ tiêu chuẩn được ban hành được gọi là một Release Mỗi

Release bao gồm tất cả các thành phần không đổi của các tiêu chuẩn trước

đó mà vẫn còn hiệu quả và các thành mới được thêm vào hoặc đã được sửa

đổi Release 5 của W-CDMA được đưa ra năm 2002, Release 6 năm 2005 vàRelease 7 năm 2007 Vào năm 2008, các tiêu chuẩn LTE đã được hoàn thànhtrong bản Release 8 Hai cải tiến trong Release 5 là High Speed DownlinkPacker Access (HSDPA) và IP Multimedia Subsystem (IMS) TrongRelease 6, với High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), MultimediaBroadcast/ Multicast Service (MBMS), và Wireless LAN/cellularinteraction, và trong Release 7 là Multiple Input Multiple Output (MIMO)cùng với điều chế bậc cao Release 8 tập trung vào Long Term Evolution(LTE) của W-CDMA Mục tiêu của LTE là tăng tốc độ dữ liệu lên đến

100 Mbps trong khu vực có tính di động cao và lên tới 1 Gbps trong môitrường ít biến đổi

1.3 Các hệ thống không dây di động tiên tiến dựa trên FDMA

Ba tổ chức chuẩn hóa IEEE, 3GPP và 3GPP2 đã tiến hành nghiêncứu về các hệ thống băng rộng di động tiên tiến sử dụng kỹ thuật truyềnphân chia theo tần số Dưới đây là những đặc điểm chính của MobileWiMAX (phát triển bởi IEEE), Ultra Mobile Broadband (phát triển bởi3GPP2) và 3GPP Long Term Evolution (LTE) Điều chế FDMA, chủ đề của

đề tài này, là một thành phần của LTE

Bảng 1.1: So sánh các giao diện không gian của ba hệ thống trên 3G

Băng thông kênh 5; 7; 8,75 và 10

Đa truy cập đường

Mapping sóng

mang con Phân phối và cục bộ Cục bộ Phân phối và cục bộ Điều chế dữ liệu QPSK, 16-QAM,64-QAM QPSK, 16-QAM,64-QAM QPSK, 8-PSK,16-QAM, 64-

QAM Khoảng cách sóng

mã hóa LDPC

Mã hóa nhân chập và nhân chập turbo

Mã hóa nhân chập, nhân chập turbo và

mã hóa LDPC

MIMO

Beamforming, mã hóa thời gian- không gian và ghép kênh không gian

Ghép kênh không gian mã hóa nhiều lớp, mã hóa khối tần số/thời gian- không gian, phân tán truyền, phân tán trễ tuần hoàn

Ghép kênh không gian mã hóa nhiều lớp, phân tán truyền không gian- thời gian, đa truy cập phân chia theo không gian, beamformingCác hệ thống trên có những đặc điểm chung sau:

Băng thông truyền lên đến 20MHz

− Giao diện không gian đa sóng mang để chống lại fading chọn lọc tần

số và để tăng hiệu suất phổ: OFDM/OFDMA và các dạng biến đổicủa nó là kĩ thuật điều chế và đa truy cập cơ bản

− Kĩ thuật đa anten tiên tiến: nhiều kĩ thuật MIMO được tích hợp vào

hệ thống để tăng hiệu suất phổ và tăng độ tin cậy

− Lập lịch tài nguyên tần số - thời gian nhanh

− Làm phẳng tất cả các kiến trúc mạng IP: giảm phí tổn mạng bằngcách loại trừ các lớp mạng

− Dịch vụ đa phương tiện multicast và broadcast

1.4 Tổng quan về công nghệ LTE.

Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sauR6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu của LTE nhằmgiảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng vàgiảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giaodiện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khaithác hệ thống, đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đườnglên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích vớicác mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác

Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên cứu của LTE và SAEnhư sau:

• Về phần vô tuyến (LTE):

− cải thiện hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng,giảm độ trể

− Đơn giản hóa mạng vô tuyến

− Hổ trợ hiệu quả các dịch vụ gói như: MBMS, IMS

• Về phần mạng (SAE):

− Đơn giản mạng lõi

− Tối ưu hóa lưu lượng IP và các dịch vụ

− Đơn giản hỗ trợ và chuyển giao đến các công nghệ khôngphải 3GPP

1.5 Kỹ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng

Trong truyền thông, ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là một

kĩ thuật phân chia tổng băng thông có sẵn thành một nhóm các dải tần sốcon không chồng lấn, mỗi dải này sẽ mang một tín hiệu phân biệt Điều nàycho phép mang nhiều tín hiệu hơn Các hệ thống FDM hiện đại thường sửdụng các phương pháp điều chế giúp ghép vài tín hiệu có thể cùng đượctruyền thông qua mỗi kênh tần số

Hình 1.1: Ghép kênh phân chia theo tần số

Phân chia theo tần số là một kỹ thuật hoàn thiện, và do đó hệ thống diđộng đầu tiên sử dụng nó để phân chia các cuộc hội thoại analog khác nhau:ghép kênh phân chia theo tần số trong hướng gửi đi (đường xuống) và đa truycập phân chia theo tần số trong hướng ngược lại (đường lên) Hệ thống thế

hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã hoặc kết hợp giữa phân chiatheo thời gian/tần số để truyền thoại và các tín hiệu khác ở dạng số Mặc dùhai hệ thống 3G dựa trên kỹ thuật phân chia theo mã, tất cả các hệ thống băngrộng tiên tiến lại trở về sử dụng phân chia theo tần số Kỹ thuật phân chiatheo tần số thích hợp với việc truyền thông qua các đối tượng kênh truyền

di động có fading chọn lọc tần số do truyền đa đường Kỹ thuật phân chiatheo tần số trực giao, hiệu quả trong việc truyền một tín hiệu dữ liệu tốc độcao như là tập hợp một số lượng lớn các tín hiệu tốc độ thấp, mỗi tín hiệuchiếm một dải tần số hẹp, được sử dụng trong audio số và truyền hình số,Wireless MAN và Wireless LAN Với cùng lý do, kỹ thuật phân chia theotần số thích hợp với LTE trong mạng di động Trong việc thiết lập cácchuẩn cho LTE, 3GPP nhận ra rằng OFDMA đặt thêm gánh nặng cho thiết bịđầu cuối di động Do đó, có thể xem SC-FDMA như là một sự thay thế choOFDMA với thời lượng pin kéo dài hơn cho các thiết bị di động đầu cuốinhờ đặc tính công suất đỉnh thấp

1.6 Tóm tắt

Chương này đã giới thiệu khái quát về các thế hệ di động từ 1G đến4G cùng với các đặc trưng kỹ thuật của nó Các tổ chức 3GPP và 3GPP2cùng với các hệ thống di động do các tổ chức đó chuẩn hóa cũng đã được nêu

ra và so sánh với nhau Cuối cùng là sơ lược về LTE và kỹ thuật ghép kênhtheo tần số và lý do lựa chọn SC-FDMA cho truyền đường lên trong LTE -chủ đề chính của đề tài này

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA

2.1. Sơ lược kĩ thuật điều chế FDMA.

2.1.1. Đặc tính kênh và ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế FDMA

Khi truyền đường lên trong hệ thống di động cần đạt được một số mụctiêu như hiệu suất phổ, lưu lượng cao, trễ thấp và thời lượng pin của thiết bị

di động kéo dài Thách thức đối với thiết kế một hệ thống là tối ưu nhữnggiá trị này với sự có mặt của suy hao trong kênh truyền Để tăng hiệu suấtphổ và tăng tốc độ truyền, các thế hệ di động liên tiếp đã chuyển tín hiệu tớibăng thông ngày càng cao Các kỹ thuật phát triển bởi 3GPP cho LTE sửdụng tín hiệu với băng thông cao khoảng 20 MHz

Một điểm yếu của vô tuyến là sự suy yếu tín hiệu tác động lớn đến việc thiết kế và hiệu suất của các kỹ thuật truyền băng rộng bao gồm cả SC-FDMA

Sơ lược về một số tác nhân gây suy yếu chính:

• Doppler

• Can nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference - ISI)

• Fading phẳng và fading chọn lọc tần

số

• Can nhiễu đồng kênh

• Can nhiễu kênh kế cận

• Méo dạng phi tuyến

• Dịch tần số

3GPP sử dụng OFDM cho truyền đường xuống và điều chế FDMA(SC-FDMA) trong truyền đường lên cho LTE OFDM là một hệ thống đasóng mang, nó ghép dữ liệu trên nhiều sóng mang và truyền chúng mộtcách song song OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao chồng lấn lênnhau trong miền tần số, vì vậy hiệu suất phổ của nó rất cao so với FDMthông thường, và thường yêu cầu có khoảng bảo vệ giữa các dải con kế cận

Các sóng mang

Hình 2.1: Các sóng mang con trực giao trong OFDM

Hình 2.2: Xử lý tín hiệu OFDM cơ bản

Ý tưởng cơ bản của OFDM là chia các tín hiệu tốc độ cao thànhnhiều tín hiệu chậm hơn và truyền mỗi tín hiệu chậm hơn đó trong một dảitần số phân biệt Các tín hiệu này được ghép tần số để tạo nên một dạngsóng Nếu có đủ các tín hiệu băng hẹp tốc độ chậm, khoảng symbol trongmỗi một dạng sóng sẽ đủ dài để loại trừ can nhiễu liên ký tự

Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) và biến đổingược của nó (Inverse DFT) là các kỹ thuật xử lý tín hiệu chính yếu củaOFDM Thông thường thì chúng hay được biết đến là biến đổi Fouriernhanh (Fast Fourier Transform) và biến đổi ngược (Inverse FFT)

Hình 2.3 cho thấy các thành phần cơ bản của một bộ phát và thuOFDM sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số Đầu vào bộ điều chế OFDM làlối ra của một bộ mã hóa kênh đã được mã hóa sửa sai và kiểm tra dư thừa(CRC) Bộ điều chế dải gốc, thường là QAM, biến đổi tín hiệu vào nhị phânthành một chuỗi các symbol điều chế có giá trị phức nhiều mức Một bộ xử

lý tín hiệu sau đó thực hiện biến đổi IDFT trên một chuỗi N symbol để tạo ra

một symbol OFDM

N mẫu dải con có được từ biến đổi IDFT được truyền liên tục qua

một kênh truyền fading và bộ thu thực hiện một biến đổi DFT để phục hồi

N symbol trong miền tần số từ tín hiệu nhận được trong miền thời gian Các

hoạt động biến đổi ngược sẽ bù méo dạng tuyến tính gây ra bởi truyền đađường Cuối cùng, một bộ tách sóng (giải điều chế) tạo ra một tín hiệu tươngđương với tín hiệu gốc vào bộ truyền OFDM

Để giảm can nhiễu giữa các symbol liên tiếp, khoảng thời gian symbolcủa mỗi dải con (sub-band),τsub giây, thường lớn hơn trải trễ tối đa củakênh:τsub>τmax Khoảng thời gian symbol dải con tỷ lệ với số dải con: τsub =

N.τmod, vớiτmod giây là khoảng thời gian của một symbol Do đó, số lượng

dải con tối thiểu là N>τmax/τmod

Trên thực tế, trải trễ của kênh truyền vẫn có thể tạo ra can nhiễu giữacác symbol OFDM liên tiếp nhau Để giảm loại ISI này, OFDM sử dụng

"khoảng bảo vệ - guard time",τg giây, giữa các symbol kế tiếp nhau,vớiτg≥τmax Khoảng bảo vệ này tương đương với khoảng thời gian truyền

của G mẫu điều chế và trong suốt khoảng bảo vệ, tại phần đầu của mỗi symbol OFDM, bộ phát sẽ tạo ra lại G tín hiệu điều chế được biến đổi cuối cùng tạo ra bởi bộ xử lý IDFT G mẫu điều chế này được truyền trong suốt

khoảng bảo vệ và được gọi là cyclic prefix (CP).

Hình 2.3: Các thành phần của bộ phát OFDM

Hình 2.4 biểu diễn việc xử lý tín hiệu của một bộ phát OFDM Cùngvới các thành phần hệ thống OFDM trong Hình 2.3, nó còn có mã hóakênh, cyclic prefix và khuếch đại công suất cùng với một bộ lọc nắn dạngxung Bộ lọc này sẽ làm suy giảm năng lượng tín hiệu nằm ngoài băng thôngOFDM Các thành phần của một bộ thu OFDM sẽ thực hiện các hoạt độngngược lại ở bộ phát

2.1.2. Điều chế đơn sóng mang với 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 một bộ lọc biến đổi ngược những méodạng tuyến tính tạo ra bởi kênh truyền đa đường Biến đổi Fourier, sẽchuyển 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 tínhvới 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

Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số (SC/FDE) là một

kỹ thuật thiết thực cho việc làm giảm ảnh hưởng của fading chọn tần số.Hiệu suất truyền của nó tương tự như OFDM với độ phức tạp tươngđương, ngay cả cho đáp ứng xung kênh truyền dài

Một bộ điều chế SC/FDE truyền các symbol được điều chế một cáchliên tục Nó chia chuỗi các symbol điều chế thành các khối (block) và thêmmột cyclic prefix (CP) vào phần đầu của mỗi khối Cũng như trong OFDM,

CP làm giảm can nhiễu liên khối

Như trong Hình 2.6, một bộ thu SC/FDE biến đổi các tín hiệu nhận đượcsang miền tần số bằng cách áp dụng một biến đổi DFT và thực hiện cânbằng Hầu hết các kỹ thuật cân bằng thông dụng, như bộ cân bằng lỗi bìnhphương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean Square Error - MMSE), cânbằng 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 lạimiền thời gian và một bộ tách sóng sẽ phục hồi các symbol ban đầu Ngượclại, OFDM sử dụng một bộ tách sóng riêng biệt cho mỗi sóng mang con

Hình 2.4: Sơ đồ khối của hệ thống SC/FDE và OFDM

Hình 2.5: Bộ thu OFDM và SC/FDE

2.2. Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa truy cậpphân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) là các bản chỉnh sửa củacác kỹ thuật OFDM và SC/FDE đã được giới thiệu ở trên Khác với các kỹthuật ở trên, kỹ thuật đa truy cập được giới thiệu trong phần này truyền cáctín hiệu khác nhau một cách đồng thời Tất cả cả kỹ thuật phân chia theotần số trực giao sử dụng một bộ rời rạc các sóng mang con trực giao đượccấp phát trên một băng thông hệ thống Chúng bao gồm các biến đổi rời rạc

để chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và tần số

Để truyền các tín hiệu khác nhau một cách đồng thời, các kỹ thuật đatruy cập sẽ gán các tín hiệu vào các bộ sóng mang con tách biệt lẫn nhau

Vì các kênh băng rộng phải chịu fading chọn tần số, các kỹ thuật FDMA cóthể sử dụng lập lịch phụ thuộc kênh (channel-dependent scheduling) để cóthể phân tập người dùng, và bởi vì những đặc tính fading của các thiết bị đầucuối ở những vị trí khác nhau độc lập thống kê với nhau, các kỹ thuật lậplịch có thể gán mỗi đầu cuối với những sóng mang con có đặc tính truyềnphù hợp tại vị trí của thiết bị

2.2.1 Xử lý tín hiệu SC-FDMA

Hình 2.6: Cấu trúc bộ phát và thu của hệ thống SC-FDMA/OFDMA

Hình 2.7 cho thấy một bộ phát SC-FDMA gửi đi một khối dữ liệutới một bộ thu Đầu vào của bộ phát và đầu ra của bộ thu là các symbolđiều chế phức Các hệ thống trên thực tế phải linh động thích ứng kỹ thuậtđiều chế với chất lượng kênh truyền, sử dụng BPSK ở những kênh truyềnyếu và 64-QAM trong những kênh truyền mạnh Các khối dữ liệu bao gồm

M symbol điều chế phức được tạo ra ở tốc độ Rsource symbol/s Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) M điểm tạo ra M symbol trong miền tần số và điều chế vào N sóng mang con trực giao trải trên một băng thông:

Với f0 là khoảng cách các sóng mang con Tốc độ truyền của

kênh là:

(symbol / s) (1)

Nếu Q là hệ số trải băng thông, nghĩa là :

Q = = (2)

thì hệ thống SC-FDMA có thể xử lý Q tín hiệu nguồn trực giao với mỗi nguồn chiếm một bộ M sóng mang con trực giao khác nhau Ta biễu diễn

xm (m = 0, 1, …, M - 1) đại diện cho các symbol nguồn được điều chế và Xk (k =

0, 1, …, M - 1) đại diện cho M mẫu DFT của xm Yl (l = 0, 1, …, N - 1) đại diện cho các mẫu miền tần số sau khi mapping sóng mang con và yn (n = 0,

1, …, N - 1) đại diện cho các symbol kênh truyền miền thời gian được truyền

đi có được từ biến đổi IDFT của Yl Khối Mapping sóng mang con sẽ gán

các symbol cần điều chế trong miền tần số vào các sóng mang con Biến

đổi IDFT tạo ra biểu diễn trong miền thời gian, yn, của N symbol sóng mang con Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp sắp đặt y0, y1, …, yN-1vào một chuỗi thời gian thích hợp cho điều chế một

sóng mang tần số vô tuyến và truyền đến đầu thu

Hình 2 7: Quá trình tạo ra các symbol SC-FDMA

Hình 2.8: Bộ lọc Raised-cosin

Bộ truyền trong Hình 2.7 thực hiện hai hoạt động xử lý tín hiệu kháctrước khi truyền Nó thêm một nhóm các symbol được gọi là cyclic prefix

để cung cấp khoảng bảo vệ nhằm tránh can nhiễu liên khối (IBI) do truyền

đa đường Bộ truyền cũng thực hiện hoạt động lọc tuyến tính gọi là nắndạng xung để giảm năng lượng tín hiệu ngoài dải Bộ nắn dạng xungthường được sử dụng là lọc raised-cosin

Hệ số uốn roll-offα từ 0 - 1 điều khiển số lượng phát xạ ngoại dải Với α =

0, bộ lọc là một lọc dải lý tưởng loại bỏ hoàn toàn phát xạ ngoại dải Khi α tăng,phát xạ ngoại dải sẽ tăng theo Trong miền thời gian, búp sóng của đáp ứng xunglọc tăng khi α giảm và điều này sẽ làm tăng công suất đỉnh của tín hiệu truyền saukhi nắn dạng xung Do đó, cần lựa chọn hệ số uốn thích hợp để có hiệu quảtốt nhất

Khối DFT biến đổi tín hiệu nhận được về miền tần số để khôi phục N sóng mang con Hoạt động de-mapping sẽ tách M mẫu của tín hiệu gốc

trong miền tần số Vì SC-FDMA sử dụng điều chế đơn sóng mang, trênthực tế nó sẽ gặp phải méo dạng tuyến tính, thường được gọi là ISI Bộ cânbằng miền tần số sẽ giúp loại bỏ ISI Khối IDFT trong bộ thu biến đổi các

symbol đã được cân bằng tạo ra chuỗi M tín hiệu điều chế đã nhận được

Hình 2.9: Cấu trúc bộ thu SC-FDMA với Q thiết bị đầu cuối

2.2.2 Mapping sóng mang con

Có hai phương pháp cơ bản để gán M symbol cần điều chế miền tần

số vào các sóng mang con: mapping sóng mang con distributed (phân phối)

và mapping sóng mang con localized (cục bộ) Trong mapping localized, các symbol được gán vào M sóng mang con liền kề nhau Trong mapping

distributed, các symbol được phân cách một khoảng bằng nhau trên toàn bộbăng thông kênh Trong cả hai phương pháp, IDFT trong bộ phát sẽ gán

các biên độ zero cho N - M sóng mang con không bị chiếm giữ Ta có thể

gọi mapping sóng mang con localized của SC-FDMA là localized FDMA(LFDMA) và gọi mapping distributed là distributed FDMA (DFDMA)

Trường hợp N = Q M cho distributed với khoảng cách đều nhau giữa các sóng mang con bị chiếm giữ là Interleaved FDMA (IFDMA) IFDMA là

một trường hợp đặc biệt của SC-FDMA và nó rất hiệu quả ở chỗ bộ phát cóthể điều chế tín hiệu hoàn toàn trong miền thời gian mà không cần sử dụng

DFT và IDFT

Hình 2.10: Các phương pháp mapping sóng mang con

Hình 2.12 minh họa cho ví dụ của các phương pháp mapping với M

= 4 symbol/block, N = 12 sóng mang con, Q = N/M = 3 đầu cuối:

• Trong localized, bốn symbol điều chế sẽ chiếm giữ các sóng

mang con 0, 1, 2, và 3: Y0 = X0, Y1 = X1, Y2 = X2, Y3 = X3, và Yi

= 0 với i 0, 1, 2, 3

• Trong distributed các symbol điều chế được cách đều nhau

trêntoàn bộ các sóng mang con, Y0 = X0, Y2 = X1, Y4 = X2, Y6 = X3

• Với interleaved, Y0 = X0, Y3 = X1, Y6 = X2, Y9 = X3

Hình 2.11: Ví dụ về các kỹ thuật mapping sóng mang con khác nhau.

Hình 2.12: Các phương pháp phân bổ sóng mang con cho nhiều người dùng

Dưới góc nhìn phân bổ tài nguyên, các phương pháp mapping sóng

mang con được chia nhỏ hơn thành các phương pháp static scheduling - lập lịch tĩnh và channel-dependent scheduling - lập lịch phụ thuộc kênh (CDS).

CDS cấp phát các sóng mang con cho các người dùng theo đáp ứng kênhcủa mỗi người dùng Đối với cả hai phương pháp, mapping distributedcung cấp sự phân tập tần số vì các tín hiệu truyền được trải ra trên toàn bộbăng thông, việc này giúp cải thiện hiệu suất Ngược lại, CDS với localizedmapping cung cấp sự phân tập người dùng

2.2.3 So sánh các kỹ thuật mapping sóng mang con

Hình 2.14 biễu diễn các mẫu trong miền thời gian cho mỗi phươngpháp mapping sóng mang con đã giới thiệu Tín hiệu IFDMA duy trì cácsymbol thời gian đầu vào trong mỗi mẫu trong khi LFDMA và DFDMA cócác mẫu thời gian phức tạp hơn do tổng các tích phức các symbol đầu vào.Điều này có nghĩa là tín hiệu LFDMA và DFDMA sẽ có công suất đỉnh caohơn

Hình 2.15 là một ví dụ về biên độ của các mẫu cho mỗi mapping

sóng mang con với N = 64 sóng mang con, M = 16 sóng mang con/block,

Q = 4 là hệ số dàn trải cho IFDMA với bốn đầu cuối, và ̃ = 3 là hệ số dàn

trải cho DFDMA với ba đầu cuối Với IFDMA, ta có thể thấy biên độ giữnguyên nhờ tính chất đường bao không đổi của QPSK Với LFDMA vàDFDMA, ta có thể thấy dao động nhiều hơn và đỉnh cao hơn

là trọng số phức

Hình 2.13: Các kỹ thuật mapping sóng mang con khác nhau

Hình 2.14: Biên độ của các mẫu SC-FDMA và OFDMA có đầu vào điều chế

Hình 2.15: Xử lý kênh vật lý đường lên cơ bản

LTE phân định hai kỹ thuật mã hóa kênh tốc độ 1/3: mã hóa nhânchập tail-biting và mã turbo Mỗi bộ mã hóa tạo ra ba chuỗi bit phân biệt,tương đương với tốc độ mã 1/3 Các chuỗi bit được đan xen không cùng nhau

và được đưa vào một bộ đệm thích ứng tốc độ vòng Các bit lối ra của bộđệm vòng được trộn với một chuỗi Gold độ dài 33 Phụ thuộc vào chấtlượng kênh, có thể sử dụng điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Các symbol lối ra của hoạt động mapping điều chế tương đương vớitín hiệu lối vào của Hình 2.22

Hoạt động tạo tín hiệu SC-FDMA tương đương với chuỗi 4 hoạtđộng trong Hình 2.22: IDFT, chuyển đổi song song sang nối tiếp, thêmcyclic prefix/nắn dạng xung, và biến đổi số sang tương tự Kết quả là một

tín hiệu lên tục, sl(t) Khoảng thời gian của sl(t)là khoảng thời gian của một

thành phần tài nguyên: 0,5/6 ms hoặc 0,5/7 ms, phụ thuộc vào việc truyền

sử dụng cyclic prefix mở rộng (6 thành phần tài nguyên/time slot) hay bình

thường (7 thành phần tài nguyên/time slot) Chỉ số l trong sl(t) là chỉ số

thời gian của thành phần tài nguyên: Với một cyclic prefix bình thường 0 ≤

l≤ 6 và với một cyclic prefix mở rộng 0 ≤ l≤ 5 Biến đổi tiền mã hóa tương đươngvới hoạt động DFT trong Hình 2.22

Cuối cùng, sl(t) được điều chế sóng với mang tần số vô tuyến (fc Hz)

được cấp phát cho đầu cuối di động Hình 2.23 biểu diễn một bộ ghép cânbằng cho biến đổi này Lọc RF theo sau biến đổi lên tương đương với nắndạng xung trong Hình 2.22

Hình 2.16: Bộ phát SC-FDMA chung

Hình 2.17: Điều chế sóng mang và biến đổi lên

Hình 2.18: Điều chế SC-FDMA sử dụng DFT và IDFT

Hình 2.24 minh họa việc sử dụng một biến đổi Fourier rời rạc DFT vàbiến đổi ngược của nó IDFT để thực hiện ba hoạt động điều chế SC-FDMA(biến đổi tiền mã hóa, mapping thành phần tài nguyên, và tạo tín hiệu SC-FDMA) trong Hình 2.21

2.2.6 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot)

Hình 2.19: FDM và CDM cho ba người dùng đồng thời với 12 sóng mang con

Cùng với thông tin người dùng và thông tin điều khiển mạng, LTEđường lên truyền các tín hiệu tham chiếu giải điều chế đã biết trước đểthuận tiện cho việc đồng bộ giải điều chế tại trạm gốc và các tín hiệu thamchiếu thăm dò để thuận tiện cho lập lịch phụ thuộc kênh truyền (CDS)

Tính trực giao giữa các tín hiệu tham chiếu đường lên từ các đầu cuốikhác nhau có thể đạt được bằng cách ghép kênh phân chia theo tần số, theo

mã hoặc theo thời gian Với FDM, mỗi tín hiệu tham chiếu đường lên đượctruyền qua một bộ riêng biệt các sóng mang con Giải pháp này đạt đượctính trực giao của tín hiệu trong miền tần số Với CDM, tín hiệu tham chiếuđược đặt trực giao trong miền tần số với các tín hiệu được truyền qua một bộcác sóng mang con chung

LTE đường lên sử dụng FDM cho truyền các tín hiệu tham chiếu giảiđiều chế với anten đơn và CDM cho truyền MIMO nhiều người dùng

Hình 2.25 minh họa cho một ví dụ cho tín hiệu tham chiếu FDM vàCDM

2.3. Lập lịch phụ thuộc kênh truyền (Channel-Dependent Scheduling - CDS)

Hình 2.26 cho thấy đáp ứng tần số của các kênh truyền cấp phát chohai đầu cuối Độ lợi kênh truyền của hai đầu cuối (User 1 và User 2) hầunhư khác nhau trong phần lớn dải tần Khi đầu cuối chuyển động, đáp ứngtần số thay đổi Vì vậy, một hệ thống thực tiễn sẽ phải giám sát một cáchđịnh kỳ đáp ứng tần số của mỗi đầu cuối và tạo ra một schedule mới phùhợp với đáp ứng tần số hiện tại của tất cả các đầu cuối chia sẻ dải tần

CDS là một dạng của mapping sóng mang con có thể được sử dụngtrong các ứng dụng SC-FDMA và OFDMA Ý tưởng của CDS là sắp đặtviệc truyền của mỗi đầu cuối với một bộ các sóng mang con với đặc tínhtruyền thích hợp

Trong thực tế, điều này đòi hỏi một bộ scheduler tại trạm gốc để đolường các đặc tính kênh và yêu cầu truyền của mỗi đầu cuối Scheduler sau

đó thực hiện thuật toán tối ưu để cấp phát sóng mang con cho mỗi đầu cuối.Cuối cùng, trạm gốc truyền sự cấp phát này tới các đầu cuối Hình 2.27 làmột sơ đồ khối của một hệ thống SC-FDMA nhấn mạnh hoạt độngscheduling tại trạm gốc

Hình 2.28 cho thấy kết quả của một thuật toán scheduling áp dụngcho Hình 2.26 Trong thuật toán này, các sóng mang con phải được cấp

trong các "chunk" (khoanh) thay vì riêng biệt nhau Mỗi chunk là một bộ 16

sóng mang con liên tục Thuật toán cấp phát mỗi chunk cho đầu cuối với độlợi kênh trung bình cao hơn so với 16 sóng mang con trong chunk Giá trịtrung bình được biểu diễn bởi độ cao của thanh nằm ngang trong Hình2.28 Với cặp đáp ứng tần số này, thuật toán đã cấp phát 9 chunk cho User 1

và 7 chunk khác cho User 2

Hình 2.20: Đáp ứng xung kênh truyền của hai đầu cuối khác nhau

Các thuật toán scheduling bị ràng buộc để thích ứng với một trongcác hướng: LFDMA - các sóng mang con trong một schedule liên tục vớinhau; hoặc DFDMA với các sóng mang con được cấp phát trong cáckhoảng bằng nhau qua băng thông kênh Hệ thống LTE chuẩn hóa bởi3GPP, yêu cầu ứng dụng của các thuật toán scheduling LFDMA

Một định nghĩa của scheduling là "phân bổ các tài nguyên kênhtruyền, tốc độ, và công suất một cách tối ưu đến nhiều kết nối với những yêucầu chất lượng dịch vụ khác nhau" Với định nghĩa này, các hệ thống SC-FDMA đầu tiên cấp phát các tài nguyên kênh tới các đầu cuối trong phạm vimapping sóng mang con Sau đó áp dụng điều chế và mã hóa thích ứng(Adaptive Modulation and Coding) cho truyền trên các sóng mang con đãđược cấp phát, cùng với giới hạn công suất của các đầu cuối chia sẻ dảitruyền

• Bộ lập lịch sau đó sẽ cấp phát một tập N sóng mang tới mỗi đầu cuối

và truyền cấp phát khối sóng mang này và chòm sao điều chế tới mỗingười sử dụng

Hình 2.22: Cấp phát các chunk cho hai đầu cuối

Chất lượng tín hiệu có thể được xem như tỷ lệ lỗi bit BER hay tỷ lệlỗi frame FER, trực tiếp ảnh hưởng đến lưu lượng của một kết nối Hình2.29 cho thấy lưu lượng là một hàm của tỷ số SNR cho 8 kỹ thuật điều chế

khác nhau: BPSK với B = 1 bit/symbol, QPSK với B = 2 bit/symbol, QAM với B = 3, 4, …, 8 bit/symbol

Bảng 2.1: Khoảng tỷ lệ SNR với mỗi kỹ thuật điều chế

Hình 2.23: Lưu lượng của các kỹ thuật điều chế truyền B bit/symbol

Trong Hình 2.29, các đường cong lưu lượng tăng theo tỷ số SNR vàđạt mức tối đa tương đương với truyền không có lỗi Tuy nhiên, tại tỷ số

SNR thấp, lưu lượng biến đổi ngược với B vì một kỹ thuật điều chế với một

số bit/symbol lớn có tỷ lệ lỗi frame cao hơn so với một kỹ thuật với sốbit/symbol thấp hơn Kết quả là, tại mỗi tỷ số SNR, sẽ có một kỹ thuật điềuchế cho lưu lượng cao hơn những kỹ thuật khác Bảng 2.2 cho thấy kỹthuật điều chế tối ưu (trong 8 kỹ thuật) tương ứng với tỷ số SNR Một hệthống thực hiện điều chế tương thích sẽ đo lường một cách định kỳ tỷ sốSNR của các sóng mang con được cấp cho một đầu cuối và xác định kỹ thuậtđiều chế thích hợp cho mỗi đường truyền

2.3.1 Đo lường hiệu suất SC-FDMA

Hai nguồn tài nguyên quan trọng của hệ thống di động là băng thôngkênh và năng lượng pin của thiết bị đầu cuối Do đó, chất lượng của một kỹthuật scheduling cho truyền đường lên có thể được xem như số lượng thông

tin truyền tải được từ đầu cuối đến một trạm gốc, công suất tiêu thụ bởi đầucuối, và băng thông thời gian chiếm giữ của kênh truyền

Mapping sóng mang con phụ thuộc kênh truyền có thể sử dụng băngthông và công suất dành cho truyền thông tin người dùng Ngoài ra, đầucuối sử dụng năng lượng pin và băng thông hệ thống để truyền các tín hiệutham chiếu thăm dò kênh truyền để cho phép trạm gốc có thể đo lường chấtlượng kênh Việc đo lường này giúp đưa ra một trạng thái lý tưởng mà khi

đó trạm gốc biết được độ lợi kênh của tất cả đầu cuối cho tất cả sóng mangcon có sẵn Tuy nhiên, cách này sẽ rất tốn kém về mặt băng thông hệ thống vànăng lượng của đầu cuối Trên thực tế, phải xác định có bao nhiêu sóng mangcon sử dụng cho thăm dò kênh và mức độ thường xuyên thực hiện truyềnthăm dò kênh Khi thực hiện điều này, hệ thống chấp nhận một sự đánh đổigiữa lưu lượng và chất lượng kênh tại trạm gốc

2.3.2 Cấp phát sóng mang con với scheduling

Các hệ thống thực tế cấp các sóng mang con ở dạng chunk (khoanh).Cùng với việc đơn giản hóa nhiệm vụ scheduling, truyền dựa trên cácchunk còn giúp cải thiện hiệu suất của DFT trong bộ phát và IDFT trong bộthu Một chunk bao gồm các sóng mang con liên tục trong LFDMA, vàtrong IFDMA một chunk bao gồm các sóng mang con cách đều nhau trêntoàn dải tín hiệu Hệ thống LTE sử dụng LFDMA với 12 sóng mangcon/chunk

Cùng với việc cấp phát các sóng mang con cho đầu cuối, scheduling

sẽ chỉ định tốc độ và điều khiển công suất Để giới hạn độ phức tạp củathuật toán và gánh nặng cho tài nguyên báo hiệu, sẽ tốt hơn nếu cấp tốc tộ

và công suất cân bằng nhau cho tất cả các sóng mang con trong một chunk.Tuy nhiên, có thể lựa chọn tốc độ và công suất độc lập hoặc phụ thuộckênh truyền để đạt được hiệu quả tốt nhất