Công nghệ OFDMA và ứng dụng trong hệ thống LTE

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Trang 2

GVHD: TS.Nguyễn Cảnh Minh

Trang 3

truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhậntùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể.

OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năngchia tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhómcủa các sóng mang không kề nhau, mà những user khác nhau được chỉ định cácsóng mang khác nhau Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mangOFDM để cho nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm

OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyềnbằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một ngườidùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con chomột người dùng cũng khác nhau

Hình 1.1 Khác biệt của OFDM và OFDMA

Từ hình 1.5 trên ta thấy điểm khác nhau là OFDMA chia các subcarrierthành từng nhóm gọi là subchannel (màu sắc khác nhau) Và mỗi mộtsubchannel sẽ dành riêng cho 1 người dùng user

Trong OFDMA, mỗi người được cấp phát một tần số sóng mang con(kênh tần số) trong tổng số sóng mang con khả dụng của hệ thống Về mặt này

ta thấy OFDMA giống như FDMA, tuy nhiên nhờ sử dụng các sóng mang contrực giao với nhau nên mật độ phổ công suất của các kênh song mang con này

Trang 4

có thể chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau Chính vì vậy mà takhông cần có các đoạn băng bảo vệ giữa các kênh (hay nói chính xác hơn là chỉcần các đoạn băng bảo vệ khá hẹp) và nhờ đó tăng được dung lượng hệ thốngOFDMA so với FDMA.

1.2 Ưu nhược - điểm của OFDMA

OFMDA là phương pháp đa truy nhập dựa trên nền OFDM nên nó mangnhững đặc tính của OFDM đó là:

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóngmang con

- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng bănghẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những

hệ thống sóng mang đơn

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang(ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗisymbol

- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thểkhôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số củacác kênh

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênhthích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timingoffsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

- Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các

hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao làmột bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suấthoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệuOFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều

Trang 5

này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và

từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuấthiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thốngđơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạphơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu chocác sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạtđộng của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số

là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM

 Những đặc điểm vượt trội hơn của OFDMA

- Băng thông rông và linh hoạt hơn (từ 1.25MHz – 20MHz)

- Tốc độ truyển dẫn cao hơn

- Nhờ có tính trực giao mà tiết kiệm bằng thông hơn rất nhiều

- Ảnh hưởng của truyền tin hiệu đa đ

2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

OFDMA là mở rộng về mặt logic của OFDM trong đó đầu cuối xa sửdụng tập hợp con của các sóng mang phụ để mang dữ liệu Toàn bộ sóng mangphụ được thiết lập thông qua OFDM, nhưng tập hợp con của các sóng mang phụđược xác lập với mỗi sử dụng có thể phân bố ngẫu nhiên trong số toàn bộ cácsóng mang phụ Điều này tương tự như FDMA nếu một dữ liệu sử dụng đượcphân chia nhỏ hơn trong số nhiều sóng mang phụ, tuy nhiên do quan hệ trực giaocủa các sóng mang trong OFDM, nên nó dễ dàng lọc ra sóng mang phụ, vì vậybăng tần phòng vệ và bộ lọc không yêu cầu khắt khe như FDMA Với OFDMA,nhiều tần số được thiết lập nhờ điều chế OFDM bằng chuỗi nhảy tần sử dụng đểphân biệt tín hiệu của các đầu cuối xa khác nhau Khái niệm đa truy nhập có thể

mở rộng hơn để phân chia nhỏ hơn phổ tần số về mặt thời gian Các đầu cuối xariêng biệt được ấn định TS như trong TDMA trong khoảng thời gian cho phéptruy nhập các sóng mang phụ để truyền dữ liệu thông qua một chuỗi nhảy mã

Trang 6

duy nhất Cũng như hệ thống nhảy tần bất kỳ, các mẫu nhảy tần có thể trực giaovới nhau, cho N tần số trong hệ thống, có thể xây dựng được N mẫu nhảy tầntrực giao Bởi vì tất cả các sóng mang phụ đã sử dụng trên một trạm trung tâm đểliên lạc với các đầu cuối xa khác nhau là trực giao với nhau, cho nên nhiễu giữacác ô mạng được đánh giá về vấn đề méo pha/tần số từ đa đường

Ở máy phát, một số sóng mang con OFDM được cấp cho một người sửdụng theo cách liên tục hoặc ghép xen Với cách OFDMA khối, cách này đơngiản nhưng thông lượng giảm do pha đinh kênh Với cách OFDMA ghép xen,cách này thu được phân tập kênh nhưng cần đồng bộ nghiêm ngặt Số liệu người

sử dụng được điều chế với sơ đồ điều chế băng gốc Các kí hiệu điều chế bănggốc được cấp các sóng mang con nhờ sử dụng bản đồ cấp phát được cấp phát bởi

sơ đồ định vị sóng mang con Sau đó, kí hiệu OFDMA được truyền đi Ở phíathu, số liệu của người sử dụng thứ ui thu được bằng sự nhận biết cấp phát sóngmang con Sơ đồ khối cụ thể của hệ thống OFDMA sẽ được trình bày trong phần

về SC-FDMA

Với OFDM chuẩn, truyền dẫn UE cụ thể rất hẹp có thể chịu pha định bănghẹp và can nhiễu Đó lí do tại sao 3GPP chọn OFDMA cho đường xuống, có thểhợp tác với các thành phần của TDMA OFDMA cho phép một tập sóng mangcon được cấp động giữa những người sử dụng khác nhau trên kênh Kết quả là

hệ thống trở nên mạnh mẽ hơn và dung lượng tăng lên

Trang 7

Hình 2.2 Cấp phát sóng mang con ở OFDM và OFDMA

Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật đa truy nhập OFDMA được ứng dụng như thế nào trong đường xuống LTE thì chúng ta sẽ tìm hiểu sơ đồ truyền dẫn đường xuống

3 Sơ đồ truyền dẫn đường xuống OFDMA

3.1 Tài nguyên vật lý đường xuống

Công nghệ đa truy nhập đường xuống trong LTE dựa trên OFDM Tàinguyên vật lý đường xuống của LTE có thể xem như là lưới tần số - thờigian (hình 3.7) trong đó mỗi phần tử tài nguyên tương ứng với một sóngmang con OFDM trong khoảng thời gian một ký hiệu

Trang 8

Hình 3.3 Tài nguyên vật lý đường xuống của LTE

Đối với đường xuống LTE, khoảng cách giữa các sóng mang được chọnvới f = 15kHz Với thực hiện máy phát/máy thu dựa trên FFT, tốc độ lấymẫu tương ứng sẽ là fs = 15000.N, trong đó N là kích thước FFT Vì thế đơn

vị thời gian Ts được định nghĩa trong mục trước có thể coi là thời gian lấymẫu của thực hiện máy phát, máy thu dựa trên FFT với N = 2048 cần nhấnmạnh rằng mặc dù đơn vị thời gian Ts được đưa vào chuẩn truy nhập vô tuyếnchỉ để làm công cụ cho định nghĩa các khoảng thời gian khác nhau và khôngđặt ra bất cứ quy định nào đối với thực hiện máy phát và (hoặc) máy thu,nghĩa là tốc độ lấy mẫu Trong thực tế, một thực hiện máy phát/máy thu với

N = 2048 và tốc độ lấy mẫu tương ứng fs = 30,72MHz sẽ thích hợp cho cácbăng thông LTE rộng hơn có giá trị 15MHz và cao hơn Tuy nhiên đối vớicác băng thông truyền dẫn nhỏ hơn, kích thước FFT nhỏ hơn và tốc độ lẩymẫu tương ứng thấp hơn cũng có thể sử dụng rất thích hợp Ví dụ, đối vớitruyền dẫn băng thông 5MHz, kích thước FFT N = 512 và tốc độ lấy mẫutương ứng fs = 7.68MHz có thể là đủ

Lý do tiếp nhận khoảng cách giữa các sóng mang con bằng 15kHz choLTE là để đơn giản hóa thực hiện các đầu cuối đa chế độ LTE Sử dụng kíchthước FFT lũy thừa hai và khoảng cách giữa các sóng mang con f = 15kHz,

Trang 9

tốc độ lấy mẫu fs = f.N sẽ là bội hoặc ước số của tốc độ chip WCDMA/HSPA1^= 3.84Mchip/s.

Ngoài khoảng cách giữa các sóng mang con 15MHz, khoảng cách giữacác sóng mang con rút ngắn flh = 7,5kHz cũng được định nghĩa cho LTE Mụcđích sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang con rút ngắn là để thực hiệncác truyền dẫn đa phương/quảng bá dựa trên MBSFN Trong mục còn lại củamục này và các chương sau ta sẽ coi ràng khoảng cách giữa các sóng mangcon là 15kHz nếu không có giải thích gì thêm

Từ minh họa trên hình 3.8, trong miền tần số các sóng mang con đượcnhóm thành các khối tài nguyên tương ứng với băng thông khối tài nguyênchuẩn 180kHz Ngoài ra sóng mang con DC (một chiều) tại tâm của phổđường xuống sẽ không được sử dụng Sở dĩ không sử dụng sóng mang con

DC là vì nó có thể trùng với tần số của bộ dao động nội tại máy phát trạmgốc và (hoặc) máy thu đầu cuối di động Hậu quả là có thể bị nhiễu cao do rò

bộ dao động nội

Tổng số các sóng mang con trên một sóng mang đường xuống, kể cả sóngmang con DC, vì thế sẽ bằng Nsc= 12.NRB+1, trong đó NRB là số lượng cáckhối tài nguyên Đặc tả lớp vật lý LTE cho phép đường xuống có thể có sốlượng khối tài nguyên bất kỳ trong dải từ 6 khối tài nguyên cho đến hơn 100khối tài nguyên Điều này tương ứng với băng thông truyền dẫn trong dải từ1MHz đến 20MHz với tính hạt mịn Điều này đảm bảo tính linh hoạt băngthông/phổ của LTE rất cao, ít nhất là từ góc độ đặc tả lớp vật lý Tuy nhiêncác yêu cầu tần số vô tuyến cùa LTE chỉ được đặc tả cho tập có hạn các băngthông tương ứng với tập có hạn số lượng các khối tài nguyên NRB Hình 3.8minh họa cấu trúc miền thời gian - tần số đường xuống LTE

Trang 10

Hình 3.4 Cấu trúc miền thời gian – tần số đường xuống của LTE

TCP = 160.Ts (ký hiệu OFDM thứ nhất),

144.Ts (các ký hiệu OFDM còn lại)

TCP = 512.Ts

Hình 3.5 Cấu trúc khung con và khe đường xuống

Hình 3.3 cho thấy cấu trúc miền thời gian cho truyền dẫn đường

Trang 11

xuống của LTE Mỗi khung con 1ms gồm hai khe đồng kích thước có độ dài

Tslot = 0,5ms (15360.Ts) mỗi khe gồm một số ký hiệu OFDM Một khungbao gồm hai khe đồng kích thước Mỗi khe gồm 7 hoặc 6 ký hiệu OFDMtrong trường hợp CP bình thường và trong trường hợp CP mở rộng

Theo như trên , ta có khoảng cách giữa các song mang con tương ứngvới thời gian hiệu dụng của ký hiệu TFFT = 1/ (2046.Ts) Tổng thời gian của

ký hiệu OFDM khi này sẽ là tổng thời gian hiệu dụng của ký hiệu và độ dàitiền tố chu trình TCP Như thấy trên hình 3.8, LTE định nghĩa hai độ dài CP,

CP bình thường và CP mờ rộng cho các trường hợp bảy và sáu ký hiệu trênmột khe Các độ dài chính xác cùa CP được biểu diễn theo đơn vị thời gian

cơ sở Ts và được cho trên hình 3.9 Cần lưu ý rằng trong trường hợp CP bìnhthường, độ dài CP cho ký hiệu OFDM đầu tiên của khe hơi lớn hơn so với độdài CP của các ký hiệu OFDM còn lại Lý do là để lấp đầy khe 0,5ms vì sốđơn vị thời gian Ts trên khe (15360) không chia hết cho 7

Có hai lý do cho việc quy định hai độ dài CP Độ dài CP lớn hơn (đòihỏi chi phí nhiều hơn) có lợi trong các môi trường trải trễ lớn, chẳng hạntrong các ô rất lớn cần lưu ý rằng mặc dù độ dài CP lớn hơn không nhất thiết

có lợi trong trường hợp các ô lớn, thậm chí trải trễ rất lớn trong các trườnghợp này Khi trong trong các c lớn, hiệu năng đường truyền bị giới hạn bởi tạp

âm chứ không phải méo tín hiệu do trải thời dư vì độ dài CP không đủ lớn,nên độ bền vững bổ sung cho trải thời kênh vô tuyến mà CP dài hơn đem lại

có thể không bù lại được tổn hao năng lượng của tín hiệu thu

Như ta thấy trong phần OFDM, trong trường hợp phát đa phương/quảng

bá dựa trên MBSFN, CP không chì phủ hết phần lớn tán thời thực tế mà cảphần chính của sự khác nhau về định thời giữa các truyền dẫn thu được từ các

ô tham gia vào phát MBSFN Vì thế thông thường trong trường hợp khai thác

Trang 12

MBSFN tiền tố chu trình mở rộng là cần thiết.

Như vậy ứng dụng chủ yếu của CP mở rộng của LTE có lẽ là phátMBSFN Cần lưu ý rằng các độ dài CP khác nhau có thể được sử dụng chocác khung con khác nhau trong một khung Ví dụ, phát đa phương/quảng bádựa trên MBSFN có thể giới hạn trong một số khung nhất định và chỉ trongcác khung con này cần sử dụng CP dài mở rộng

Khi xét đến cấu trúc miền thời gian đường xuống, các khối tài nguyên nóitrên bao gồm 12 sóng mang con trong thời gian 0,5ms (hình 3.9) Vì thế mỗikhối chứa 12x7 = 84 phần tử trong trường hợp CP bình thường và 12x6 = 72trong trường hợp CP mở rộng Có nghĩa là trường hợp CP bình thường gồm 7

ký hiệu OFDM trong một khe tương ứng với 84 phần tử tài nguyên Trongtrường hợp CP mở rộng, một khối tài nguyên gồm 6 ký hiệu OFDM trongmột khe tương đương với 72 phần tử tài nguyên

Hình 3.6 Một khối tài nguyên

3.2 Các tín hiệu tham khảo đường xuống

Chức năng của tín hiệu tham khảo đường xuống như sau:

- Đo chất lượng kênh đường xuống

Trang 13

- Ước tính kênh đường xuống để giải điều chế tại UE.

- Tìm ô và bắt ban đầu

Để thực hiện giải điều chế nhất quán đường xuống, đầu cuối di động cầnước tính kênh đường xuống Như đã xét trong chương 3, cách trực tiếp để ướctính kênh đường xuống trong trường hợp truyền dẫn OFDM là chèn các kýhiệu tham khảo biết trước vào lưới thời gian-tần số Trong LTE, các tín hiệu

tham khảo này được gọi chung là các tín hiệu tham khảo đường xuống.

Khoảng dịch giữa ký hiệu tham khảo thứ nhất và thứ hai là ba sóng mangnhư trên hình 3.11 Như vậy trong mồi khối tài nguyên với 12 sóng mangtrong một khe sẽ có bốn ký hiệu tham khảo Điều này đúng cho tất cả cáckhung con trừ các khung con được sử dụng cho truyền dẫn dựa trênMBSFN

Để ước tính kênh trên toàn bộ lưới thời gian-tần số đồng thời giảm tạp âmtrong ước tính kênh, đầu cuối di động phải thực hiện nội suy/lấy trung bìnhtrên nhiều ký hiệu tham khảo Vì thế, khi ước tính kênh cho một khối tàinguyên, đầu cuối di động có thể không chỉ sử dụng các ký hiệu tham khảotrong khối tài nguyên này, mà còn cả các khối tài nguyên lân cận trong miềntần số, cũng như các ký hiệu tham khảo của các khe/các khung con được thutrước đó Tuy nhiên phạm vi các khối tài nguyên trong miền tần sô và (hoặc)trong miên thời gian mà đầu cuối di dộng có thể thực hiện trung bình hóa phụthuộc vào đặc tính kênh Trong trường hợp độ chọn lọc tân sô của kênh cao,khả năng trung bình hóa trong miền tần sô bị hạn chê Tương tự, khả năngtrung bình hoá trong miền thời gian (khả năng sử dụng các ký hiệu tham khảotrong các khe/các khung con được thu trước đó) cũng bị hạn chế trong trườnghợp các thay đôi kênh nhanh, chăng hạn do tốc độ chuyển động của đầu cuối

di động cao Cũng cần lưu ý rằng trong trường hợp TDD, khả năng trung bìnhhóa theo thời gian có thể bị hạn chế và các khung con trước có thể khôngđược ấn dịnh cho đường xuống Dưới đây là hình 3.11 minh họa các ký hiệu

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,06 MB