ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG SCFDMA

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá các phương pháp ước lượngkênh truyền trong SC-FDMA.Trong chương này, em sẽ mô phỏng hệthống SC-FDMA bằng chương trình Matlab, chương trình sẽ đánh giá cáct

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chépcủa bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịumọi hình thức kỷ luật của Khoa.

Sinh viên thực hiện đồ án

Các từ viết tắt 6

1.1 Giới thiệu chương 12

1.2 Tổng quan về công nghệ LTE 13

1.2.1 Giới thiệu về LTE 13

1.2.2 Kiến trúc phân lớp 13

1.2.2.1 Lớp vật lý 13

1.2.2.2 Lớp MAC 14

1.2.2.3 Lớp RLC 14

1.2.2.4 Lớp PDCP 15

1.2.2.5 Lớp RRC 15

1.2.3 Hệ thống kênh truyền trong LTE 15

1.3 Kết luận chương 16

Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến 17 2.1 Giới thiệu chương 17

2.2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến 17

2.2.1 Vấn đề suy hao 17

2.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 18

2.2.4 Hiện tượng multipath 19

2.2.5 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số 19

2.3 Các dạng kênh truyền 21

2.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 21

2.3.2 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi do trải Doppler gây ra 22

2.3.3 Kênh truyền phân bố Rayleigh và Ricean 22

2.4 Kết luận chương 24

Chương 3: Tổng quan về SC-FDMA 25 3.1 Giới thiệu chương 25

3.2 Xử lý tín hiệu trong SC-FDMA 26

3.3 Sắp xếp sóng mang con 30

3.4 Biểu diễn các ký hiệu trong miền thời gian 32

3.4.1 Các ký hiệu miền thời gian của LFDMA 32

3.4.2 Các ký hiệu miền thời gian của DFDMA 33

3.4.3 Các ký hiệu miền thời gian của IFDMA 34

3.5 Kết luận chương 35

Chương 4: Các kỹ thuật ước lượng kênh trong LTE uplink 37 4.1 Giới thiệu chương 37

4.2 Phân loại ước lượng kênh truyền 37

4.2.1 Ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot (Pilot-Aided Channel Estimation - PACE) 38

4.2.2 Ước lượng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Esti-mation - DDCE) 38

4.2.3 Ước lượng kênh bằng phương pháp mù (Blind/Semi-Blind Channel Estimation -BCE) 38

4.3.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào 39

4.3.2 Sắp xếp các pilot 39

4.3.2.1 Sắp xếp pilot dạng khối (Block Type) 40

4.3.2.2 Sắp xếp pilot dạng lược (Comb Type) 41

4.3.2.3 Sắp xếp pilot dạng lưới (Lattice Type) 42

4.3.2.4 Tín hiệu pilot trong SC-FDMA 42

4.4 Ước lượng kênh truyền trong SC-FDMA 44

4.4.1 Ước lượng kênh bằng phương pháp LS (The least-square) 44 4.4.2 Ước lượng kênh bằng phương pháp MMSE (minimum-mean-square-error ) 45

4.4.3 Các kỹ thuật nội suy 47

4.4.3.1 Nội suy theo khối 47

4.4.3.2 Nội suy tuyến tính 47

4.4.3.3 Nội suy bậc hai 48

4.5 Cân bằng kênh cho hệ thống SC-FDMA 48

4.5.1 Bộ cân bằng ZF (Zero-Forcing) 49

4.5.2 Bộ cân bằng MMSE 50

4.6 Kết luận chương 52

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá các kỹ thuật ước lượng kênh truyền 53 5.1 Giới thiệu chương 53

5.2 Quá trình mô phỏng 53

5.2.1 Các thông số và sơ đồ mô phỏng 53

5.2.2 Lưu đồ thuật toán 54

5.3 Kết quả mô phỏng 56

5.4 Kết luận chương 60

Phụ lục 64

E

F

G

GSM/UMTS

I

L

M

P

S

SC/FDE Single Carrier/Frequency Domain Equalizer

SC-FDMA Single Carrier-Frequency Division Multiple Access

U

W

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các thiết bịtrong thông tin di động ngày càng hiện đại, và ngày càng nhiều chức nănghơn Điều đó đòi hỏi thông tin di động cũng phải luôn đổi mới để đáp ứngnhu cầu người dùng, với sự phát triển mạnh mẽ của của công nghệ thôngtin di động cũng đã đáp ứng phần nào nhu cầu thông tin hiện tại.

Ngày nay, công nghệ 3G đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới và vàtrong nước, kỹ thuật LTE (Long Term Evolution) được lựa chọn sẽ là bướctiếp theo của thế hệ di động 3G, với các ưu điểm vượt trội về tốc độ truyềntải dữ liệu, LTE hứa hẹn sẽ đem lại cho người sử dụng các dịch vụ truycập số liệu tốc độ và chất lượng cao

Kỹ thuật LTE được triển khai cho một số nhà khai thác mạng trên thếgiới và đã được đưa vào thử nghiệm tại một số khu vực của Việt Nam.Trong khi WINMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE, sử dụng côngnghệ OFDMA cho cả đường lên (uplink) và đường xuống (downlink) thìLTE lại chỉ sử dụng OFDMA cho đường xuống và sử dụng kỹ thuật đaphân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier FrequencyDivision Multiple Access) cho đường lên Một trong những lý do chính đểchọn SC-FDMA cho LTE uplink chính là công nghệ SC-FDMA có tỷ lệcông suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA

Trong hệ thống vô tuyến, ước lượng kênh truyền đóng vai trò rất quantrọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu thu qua đó đảm bảo dunglượng cho hệ thống Để tìm hiểu sâu hơn vấn đề trên, em chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

TRONG LTE UPLINK”.

Đồ án này được trình bày 5 chương gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE Chươngnày sẽ tập trung giới thiệu tổng quan về kiến trúc phân lớp giao diện vôtuyến và hệ thống kênh truyền trong công nghệ LTE

Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênhtruyền sóng vô tuyến Nội dung chương này sẽ tập trung trình bày các

mô hình kênh truyền, so sánh ưu nhược điểm của từng mô hình Tìm hiểucác đặc tính của kênh truyền và các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vôtuyến

Chương 3: Tổng quan về SC-FDMA Trong chương này, em sẽ trìnhbày chi tiết về công nghệ SC-FDMA, xử lý tín hiệu trong SC-FDMA, rút

ra được sự khác biệt của công nghệ này với OFDMA, từ đó giải thích lý

do SC-FDMA được lựa chọn cho đường lên của LTE

Chương 4: Các kỹ thuật ước lượng kênh trong LTE uplink Trongchương này, một số kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong SC-FDMA sẽđược đề cập đến Trong đồ án này, hai kỹ thuật ước lượng được sử dụng làLSE và MMSE Ngoài ra, các kỹ thuật cân bằng ZF và MMSE cũng được

đề cập tới trong chương

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá các phương pháp ước lượngkênh truyền trong SC-FDMA.Trong chương này, em sẽ mô phỏng hệthống SC-FDMA bằng chương trình Matlab, chương trình sẽ đánh giá cácthông số MSE và BER của tín hiệu thu khi có ước lượng và không có ướclượng Chương trình cũng so sánh chất lượng của các loại ước lượng, cácloại cân bằng khác nhau

Nhờ được sự quan tâm hướng dẫn nhiệt tình và cung cấp các tài liệucần thiết của thầy giáo TS Nguyễn Lê Hùng và những thầy cô giáo trong

bộ môn, cũng như sự nổ lực của bản thân, đồ án đã được em hoàn thànhđúng thời gian quy định Tuy nhiên, do thời gian gấp rút cộng thêm trình

độ bản thân em còn nhiều yếu kém mà đồ án còn nhiều hạn chế, chươngtrình mô phỏng còn đơn giản, phần lý thuyết của đồ án không tránh khỏinhững sai sót Kính mong quý thầy cô giáo thông cảm và có những ý kiếnđóng góp chỉnh sữa để em hoàn thiện đồ án, cũng như cải thiện kiến thứccủa bản thân.

Em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Lê Hùng,cũng như sự giúp đỡ của những thầy cô giáo trong bộ môn, các bạn đãgiúp em rất nhiều để em hoàn thiện đồ án này

thông tin di động LTE

1.1 Giới thiệu chương

3GPP là tổ chức chuẩn hóa được thành lập vào năm 1998, bởi Châu

Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Mỹ và Hàn Quốc nhằm mục đích phát triểncông nghệ di động thế hệ thứ 3, WCDMA dựa vào FDD và TD-CDMAdựa vào TDD Nhằm mục đích tích hợp hệ thống di động trong tương lai,một kế hoạch phát triển và cải tiến mạng di động 3G được thực hiện năm

2004, kết quả là sự ra đời của hệ thống thông tin di động LTE

LTE (Long Term Evolution) là bước tiếp theo cần hướng tới của hệthống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và làmột trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G 3GPPLTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là côngnghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPPLTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễdàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và cácmạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA

Chương này sẽ tập trung vào giới thiệu tổng quan về hệ thống LTE,kiến trúc phân lớp và quá trình xử lý tín hiệu trong đường uplink

1.2 Tổng quan về công nghệ LTE

1.2.1 Giới thiệu về LTE

LTE có một hệ thống kiến trúc mềm dẻo với mạng lõi cải tiến hơn rấtnhiều so với mạng 3G, với giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDMA

có đáp ứng băng thông lớn và linh hoạt, băng thông hoạt động từ 1,25Mhzđến 20Mhz cho cả TDD và FDD, kết hợp công nghệ MIMO đem lại thônglượng lớn gấp hàng chục lần 3G

1.2.2 Kiến trúc phân lớp

Kiến trúc giao diện vô tuyến của LTE được chia ra làm hai phần, phầnngười dùng và phần điều khiển Phần điều khiển thực hiện công việc thiếtlập kết nối và báo hiệu Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử

Chức năng chính của lớp vật lý là mã hóa và giải mã, điều chế và giảiđiều chế, ánh xa đa anten trước khi truyền ra giao diện vô tuyến

Hình 1: Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần điều khiển

1.2.2.2 Lớp MAC

Nhiệm vụ chính của lớp MAC là điều khiển vận chuyển, phần quantrọng nhất của lớp MAC là quản lý ưu tiên, lập lịch, cấp phát tài nguyêncho kênh vật lý Ngoài ra, lớp này còn có nhiệm vụ xử lý xung đột, nhậndạng UE, chức năng điều khiển lại HARQ

1.2.2.3 Lớp RLC

Bằng cách sử dụng HARQ, RLC có thể nâng cao kênh vô tuyến, khi đókhung dữ liệu được đánh số thứ tự và nhận báo cáo trạng thái từ UE đểkích hoạt việc truyền lại Lớp RLC còn có chức năng phân đoạn và tái tạo

dữ liệu của lớp trên thành các chuỗi dữ liệu phù hợp với kênh truyền dẫntheo kích thước khối vận chuyển nhất định và theo sự điều khiển của bộlập lịch

Hình 2: Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần người dùng

1.2.2.4 Lớp PDCP

ENodeB nhận dữ liệu từ mạng lõi ở dạng gói IP Để giảm số bit truyềntrên giao diện vô tuyến, eNodeB sử dụng giao thức PDCP để nén IP theochuẩn ROHC (Obust Header Compression; RFC 3095) và mã hóa dữ liệ

đi Tại đầu thu, PDCP thực hiện giải nén và giải mã để có dữ liệu banđầu

1.2.2.5 Lớp RRC

RRC có chức năng quản lý tín hiệu điều khiển truy nhập cho EUTRANbao gồm: quản lý bảo mật và QoS, thiết lập, quản lý, giải phóng kết nốiRRC và quản lý di động, cung cấp thông điệp cần thiết cho quản lý kênh,điều khiển đo lường và báo cáo

1.2.3 Hệ thống kênh truyền trong LTE

Hệ thống kênh truyền trong LTE được phân làm ba loại:

- Kênh logic: là kênh truyền giữa lớp RLC và lớp MAC, có nhiều loạikênh logic khác nhau, được phân chia theo kiểu dữ liệu truyền đi trong

Hình 3: Hệ thống kênh truyền trong LTE

kênh đó Những kiểu dữ liệu này có thể là tín hiệu điều khiển hoặc làtín hiệu dữ liệu người dùng

- Kênh vận chuyển: là kênh truyền giữa lớp MAC và lớp vật lý,

- Kênh vật lý: là kênh cuối cùng để truyền dữ liệu qua giao diện vật lý,

nó xác định chính xác các đặc tính vật lý của kênh truyền (tần số, sốsóng mang con, )

1.3 Kết luận chương

Với những cải tiến so với hệ thống 3G, LTE hứa hẹn sẽ là hệ thống 4Gvới chất lượng và tốc độ vượt bậc so với 3G Việc nghiên cứu về LTE sẽ làvấn đề cần thiết để hiểu sâu hơn về công nghệ này, góp phần bắt kịp với

sự phát triển công nghệ của thế giới

một số đặc tính của kênh truyền

sóng vô tuyến

2.1 Giới thiệu chương

Trong thông tin di động, vấn đề kênh truyền luôn là điều cần được quantâm nhất Khác với kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể đoántrước được, kênh truyền vô tuyến hoàn toàn ngẫu nhiên, bản chất củakênh truyền vô tuyến biến đổi phức tạp, tín hiệu truyền đi bị ảnh hưởngliên tục làm khó khăn trong việc thu phát tín hiệu Có nhiều yếu tố ảnhhưởng đến tín hiệu được truyền đi trong kênh truyền vô tuyến: vấn đề suyhao, nhiễu trên kênh truyền, các vật cản, các vấn đề về Fading, hiệu ứngDoppler

Để có thể đạt được hiệu suất cao nhất trong việc thu phát tín hiệu vôtuyến, cần có những hiểu biết về kênh truyền, nắm vững được những đặctính của nó nhằm tạo ra những thuật toán, giải thuật hạn chế ảnh hưởngkhông mong muốn

2.2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.2.1 Vấn đề suy hao

Trong suốt quá trình truyền đi của tín hiệu trong môi trường vô tuyến,tín hiệu sẽ bị suy giảm liên tục theo khoảng cách đường truyền Sóng củatín hiệu sẽ bi lan tỏa ra môi trường nên mật độ công suất cũng giảm đi

nhanh chóng Trong không gian tự do, cường độ điện trường sẽ bị suy giảm

tỷ lệ với bình phương khoảng cách, nguyên nhân là do sóng vô tuyến lantỏa ra môi trường dưới dạng hình cầu nên công suất cũng suy giảm tỷ lệvới diện tích bề mặt hình cầu (4πR)

Công suất tín hiệu thu được theo công suất phát được biểu diễn bởibiểu thức:

PR = PTGTGR( λ

4πR)

2

PR, Pt : công suất tín hiệu thu được và phát đi

GR, GT : độ lợi của anten thu và phát

λ : bước sóng của sóng mang

R : khoảng cách truyền

2.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Nếu chỉ có sự anh hưởng của suy hao trên đường truyền, công suất tínhiệu nhận được sẽ bằng nhau tại các điểm cách máy phát cùng một khoảngcách Trên thực tế điều này không xảy ra, vì ngoài ảnh hưởng của suy haođường truyền còn các yếu tố ảnh hưởng khác Các vật chắn trên đườngtruyền như các tòa nhà, cây cối làm sóng điện từ bị phản xạ nhiều đườngkhác nhau, nhiễu trên những đường đến cũng khác nhau làm công suấtđến cũng khác nhau Việc công suất nhận được khác nhau trong cùng mộtkhoảng cách đó còn gọi là Shadowing Vấn đề Shadowing sẽ gây ảnh hưởngchậm khi người dùng đi từ vị trí này sang vị trí khác Vì do ảnh hưởngchậm nên Shadowing còn được gọi là Slow fading

2.2.3 Hiệu ứng Doppler

Khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, tần số thuđược sẽ thay đổi tăng lên hay giảm đi tùy thuộc vào sự di chuyển hướngvào nhau hay ra xa nhau giữa máy phát và máy thu Hiện tượng này được

gọi là hiệu ứng Doppler (Đặt tên theo nhà khoa học Christian AndreasDoppler).

Hiệu ứng Doppler làm cho phổ tần số bên thu bị lệch so với tần số trungtâm một khoảng, gọi là "tần số Doppler"

2.2.4 Hiện tượng multipath

Trong môi trường không gian tự do có rất nhiều vật cản như cây cối,các tòa nhà và nhiều vật thể khác Khi sóng vô tuyến gặp các vật cản này

sẽ bi phản xạ, tán xạ hoặc khúc xa ra nhiều đường khác nhau Vì thế trênthực tế, sóng vô tuyến không thể đi trực tiếp từ máy phát tới máy thu,

mà đó là chồng chập của các tín hiệu từ nhiều đường khác nhau Các tínhiệu này các biên độ và pha khác nhau, độ trễ (delay) cũng khác nhau và

bị ảnh hưởng của nhiễu cũng khác nhau Hiện tượng trên thường được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Tuỳ thuộc vào phacủa từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lạihoặc bị hư hỏng hoàn toàn

2.2.5 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số

Trong môi trường vô tuyến, tín hiệu truyền đi luôn bi tác động của cácvật cản trên đường đi, do sóng tín hiệu mang những tính chất vật lý như

Hình 4: Hiện tượng multipath

phản xạ, nhiễu xạ nên tín hiệu sẽ được truyền đi trên nhiều đường khácnhau, những tín hiệu này sẽ bị tác động nhiễu khác nhau, có biên độ vàpha khác nhau và đến máy thu tại các thời điểm khác nhau, nên khi tổnghợp lại gây ra sự thay đổi liên tục, hiện tượng này gọi là Fading

- Fading phẳng(Flat fading): hiện tượng này xảy ra khi băng thôngcủa kênh truyền lớn hơn bằng tần của tín hiệu Trên một dải băngtần nhất định, ảnh hưởng của fading lên các tần số khác nhau là nhưnhau Do đó, việc tính toán độ dự trữ fading đơn giản hơn, ta chỉ cần

bù thêm công suất phát cho cả băng tần

Đối với các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần hẹp thường bịảnh hưởng của fading phẳng

- Fading lựa chọn tần số(selective fading): hiện tượng này thườngxảy ra khi băng thông của kênh truyền nhỏ hơn băng tần của tín hiệu

Do đó, các hệ thống vừa và nhỏ thường bị ảnh hưởng bởi loại fadingnày Fading lựa chọn tần số tác động gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI).Người ta dùng nhiều biện pháp để làm hạn chế sự ảnh hưởng của fading:

- Phân tập(diversity): theo không gian và thời gian

- Sử dụng các mạch san bằng thích nghi

- Sử dụng mã sữa lỗi để giảm BER.

Nếu ∆fc nhỏ hơn nhiều so với bằng thông của tín hiệu được truyền

Hình 5: Kênh truyền chọn lọc tần số

đi, thì một khoảng tần số tín hiệu sẽ có một đáp ứng kênh truyền khácnhau, gây ra sự suy hao và méo tín hiệu trầm trọng ở đầu thu, dạng kênhtruyền này được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

Nếu ∆fc lớn hơn so với băng thông của tín hiệu, có nghĩa là toàn bộbăng thông của tín hiệu nằm trong khoảng tần số ∆fc này, thì tín hiệutruyền đi sẽ có đáp ứng kênh gần bằng nhau, điều này rất thuận lợi choviệc khôi phục tín hiệu gốc Dạng kênh truyền này được gọi là kênh tuyềnkhông chọn lọc tần số

Hình 6: Kênh truyền không chọn lọc tần số

2.3.2 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi dotrải Doppler gây ra

Trên đường truyền của sóng vô tuyến luôn có sự hiện diện của các vậtcản, những vật cản này gây ra sự phản xạ, tán xạ làm tín hiệu thay đổi

về biên độ và pha Ngoài ra, những tính chất của kênh truyền và vị trí vậntốc của vật cản cũng bị thay đổi liên tục theo thời gian, vì vậy mọi kênhtruyền đều có đáp ứng thay đổi theo thời gian

Tuy nhiên, tồn tại một khoảng thời gian (τc) mà đáp ứng thời gian thayđổi rất ít, có thể cho là đáp ứng kênh bằng nhau, khoảng (τc) đó thườngđược gọi là Coherent time

Nếu τc nhỏ hơn nhiều so với thời gian truyền một ký tự (τsymbol), dạngkênh truyền đó được gọi là kênh truyền biến đổi nhanh theo thời gian(kênh truyền chọn lọc thời gian) Nếu τc lớn hơn nhiều so với τsymbol, dạngkênh truyền đó được gọi là kênh truyền biến đổi chậm (kênh truyền khôngchọn lọc thời gian)

2.3.3 Kênh truyền phân bố Rayleigh và Ricean

Tín hiệu truyền đi trong môi trường vô tuyến luôn bị phản xạ nhiềuđường khác nhau, tuy nhiên, trong thực tế tín hiệu vẫn được truyền theomột đường thẳng từ máy phát đến máy thu Đường truyền thẳng đó còn

được gọi là LOS (Light of Sight) Tùy vào địa hình truyền tin mà sẽ có tồntại đường LOS hoặc không có LOS.

Trường hợp không có đường LOS giữa máy phát mà máy thu, máy thuchỉ tổng hợp được tín hiệu từ các đường phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ khácnhau đến nó Bằng thực nghiệm và lý thuyết, người ta đã chứng minhđược đường bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh,kênh truyền như vậy gọi là kênh Rayleigh fading Ngược lại, trường hợp

có đường LOS, thông tin chính mà máy thu nhận được nằm trên đườngLOS này, các thành phần khác không quan trọng và không gậy ảnh hưởngnhiều, khi này đường bao của tín hiệu có phân bố Rice, nên kênh truyềnđược gọi là Ricean fading

Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh là:

f (x; σ) = x

σ2e−x2/(2σ2), x ≥ 0 (1)

Hình 7: Phân bố Rayleigh

Hàm phân bố xác suất của phân bố Rice là:

f (x | ν, σ) = x

σ2 exp



−(x2 + ν2)2σ2

3.1 Giới thiệu chương

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 sửacủa các kỹ thuật OFDM và SC/FDE Tất cả các 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 rờirạc để chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và tần số

Với ưu điểm là có tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) nhỏ hơnnhiều so với OFDMA, kỹ thuật SC-FDMA được sử dụng trong đường ULcủa hệ thống LTE để các bộ khuếch đại ở các thiết bị đầu cuối đơn giản

và đạt hiệu suất cao hơn, giảm chi phí các thiết bị đầu cuối

Hình 9: PAPR của OFDM và SC-FDMA

Tuy nhiên, với những ưu điểm về PAPR thì kỹ thuật SC-FDMA cũng

có những nhược điểm, với tốc độ dữ liệu cao bộ cân bằng trong miền tần

số của SC-FDMA có độ phức tạp lớn hơn nhiều đối với OFDMA

3.2 Xử lý tín hiệu trong SC-FDMA

Hình 10: Cấu trúc máy phát và máy thu của hệ thống SC-FDMA

Trên hình 3.1 là cấu trúc máy phát và máy thu của hệ thống SC-FDMA.Trong đó, một bộ phát gửi một khối dữ liệu tới bộ thu Tín hiệu đầu vàocủa máy phát và đầu ra của máy thu là các ký tự đã được điều chế dướidạng phức Trên thực tế ứng với chất lượng kênh truyền khác nhau màngười ta có các loại điều chế thích hợp Kênh truyền càng mạnh thì sửdụng kiểu điều chế càng phức tạp, ứng với kênh truyền kém sử dụng điềuchế BPSK, với kênh truyền mạnh chọn kiểu điều chế 64-QAM Các khối

dữ liệu bao gồm M ký tự điều chế dạng phức được đưa qua bộ biến đổiFourier rời rạc (DFT) M điểm tạo ra M ký tự trong miền tần số và điềuchế trên N sóng con trực giao trải lên toàn bộ băng thông:

sau khi được điều chế dưới dạng phức và đưa qua bộ DFT (M điểm) ta

sẽ thu được M điểm trong miền tần số, M điểm này được khối subcarriermapping gán vào N sóng mang con (N>M) Khối IDFT tạo ra một biểudiễn trong miền thời gian của N ký tự sóng mang con

Ta biểu diễn các tín hiệu nhận được ở các khối như sau:

xm (m = 0, 1, , M − 1): là các ký tự sau khi được điều chế dạngphức

Xk (k = 0, 1, , M − 1): biểu diễn trên miền tần số của xm sau khiqua bộ DFT

Yl (l = 0, 1, , N − 1): biểu diễn trên miền tần số của các ký tự saukhi được sắp xếp lên sóng mang con

yn (n = 0, 1, , N − 1): biểu diễn trên các ký tự phát trong miền thờigian, được tạo ra bởi bộ IDFT

Trước khi các ký tự được truyền đi, nó phải được thực hiện chèn mộttập ký tự để tạo khoảng bảo vệ ngăn nhiễu xuyên khối (IBI) do truyền đađường gây ra gọi là cyclic prefix(CP)

Hình 11: Quá trình chèn cyclic prefix(CP)

Hình 3.3 mô tả quá trình chèn CP vào ký tự trước khi truyền Trong

đó, một phần cuối của ký tự sẽ được sao chép và dán vào phần đầu của

ký tự này

Khoảng CP được chèn vào sẽ tạo ra khoảng bảo vệ giữa hai khối liêntiếp, việc này giúp tránh được nhiễu liên khối (IBI) CP phải có độ dàilớn hơn trải trễ cực đại gây ra nhiễu liên khối Việc CP là bản copy phầncuối của khối cũng làm biến đổi tích chập tuyến tính trong miền thời gianrời rạc sang chập vòng trong miền thời gian rời rạc Vì thế số liệu đượcphát qua kênh có thể mô hình là phép tích chập vòng giữa đáp ứng xung

và khối dữ liệu được truyền, mà trong miền tần số chính là phép DFT.Tuy nhiên, việc chèn CP cũng gây mất một phần công suất khi giảiđiều chế, gây mất một phần băng thông vì tốc độ tín hiệu giảm trong khibăng tần tín hiệu không đổi

Ngoài ra, máy phát còn thực hiện lọc tuyến tính (pulse shaping) đểgiảm năng lượng tín hiệu ngoài dải băng thông Việc lọc tuyến tính nàycòn được gọi là nắn dạng xung, thường được thực hiện nhờ bộ lọc raised-cosin Bộ lọc này được biểu diễn trong miền thời gian và tần số như sau:

2{1 + cos[πT

α (|f | −

1 − α2T )]} ,

1 − α2T ≤ |f | ≤ 1 + α

so với 1/2T Với α = 0, bộ lọc này là một bộ lọc thông dải lí tưởng α

càng tăng, khoảng tần số ngoài băng tăng Trong miền thời gian, các búpsóng phụ của đáp ứng xung tăng khi α giảm và điều này sẽ làm tăng công

suất đỉnh của tín hiệu phát sau khi qua bộ lọc Do đó việc lựa chọn hệ sốroll-off phải cân bằng được giữa hai mục đích là phát xạ ngoài băng thấp

và PAPR thấp

Hình 12: Bộ lọc raised-cosin trong miền tần số

Hình 13: Bộ lọc raised-cosin trong miền thời gian

Ở phía máy phát sẽ thực hiện ngược lại với máy thu để nhận lại tínhiệu ban đầu Bộ DFT biến đổi tín hiệu về miền tần số nhằm khôi phục Nsóng mang con, khối demapping tách M mẫu của tín hiệu gốc từ N sóngmang con trong miền tần số, sau đó thực hiện cân bằng và chuyển sangmiền thời gian để được tín hiệu gốc ban đầu

3.3 Sắp xếp sóng mang con

Việc gán M ký tự lên N sóng mang con sẽ dựa trên hai phương pháp cơbản: sắp xếp sóng mang con phân tán (Distributed) và sắp xếp sóng mangcon tập trung (Localized) Quá trình sắp xếp sóng mang con phân tán sẽgán M ký tự phân cách nhau một khoảng bằng nhau trên toàn bộ băngthông, còn với sắp xếp sóng mang con tập trung, M ký tự sẽ được gán cho

M sóng mang con lân cận nhau Ở cả hai chế độ sẽ có N − M sóng mangcon không bị chiếm giữ, máy phát sẽ gán biên độ 0 cho những sóng mangcon này

Hình 14: Hai phương pháp sắp xếp sóng mang con cơ bản

Chế độ sắp xếp sóng mang con phân tán thường được gọi là DFDMA

và chế độ sắp xếp sóng mang con tập trung thường được gọi là LFDMA.Một trường hơp đặc biệt của chế độ phân tán khi N = Q × M được gọi

là IFDMA, ở chế độ này sẽ rất hiệu quả khi máy phát có thể điều chế tínhiệu một cách nghiêm ngặt trong miền thời gian mà không cần sử dụngđến DFT và IDFT

Ví dụ về các phương pháp sắp xếp sóng mang con, với M = 4, N = 12,

Q = N/M = 3:

Hình 15: Ví dụ các phương pháp sắp xếp sóng mang con

Hình 16: Phân bổ sóng mang

Dựa trên việc phân bố tài nguyên trong sắp xếp sóng mang con màngười ta còn phân loại các phương pháp sắp xếp thành hai loại: phươngpháp lập lịch tĩnh (static scheduling) và phương pháp lập lịch kênh độclập (channel-dependent scheduling - CDS) Phương pháp CDS sẽ cấp phátsóng mang con cho người dùng dựa theo đáp ứng kênh của người dùng đó

3.4 Biểu diễn các ký hiệu trong miền thời gian

3.4.1 Các ký hiệu miền thời gian của LFDMA

Các ký hiệu của LFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau:

Thay vào trên ta được:

cp,m khác nhau

3.4.2 Các ký hiệu miền thời gian của DFDMA

Các ký hiệu của LFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau:

3.4.3 Các ký hiệu miền thời gian của IFDMA

Xét trường hợp, sóng mang con cấp cho đầu cuối là sóng mang con thứ

r, các ký tự trong miền thời gian của IFDMA sẽ được biểu diễn như sau:

3.5 Kết luận chương

Với ưu điểm vượt trội của SC-FDMA so với OFDMA là có đặc tínhcông suất đỉnh tốt hơn do cấu trúc đơn sóng mang SC-FDMA là một sự

thay thế tốt cho OFDMA để áp dụng trong đường uplink của LTE, việcnày sẽ mang lại hiệu suất cao cho các thiết bị đầu cuối cũng như hạ giáthành cho các sản phẩm người dùng.

kênh trong LTE uplink

4.1 Giới thiệu chương

Vấn đề kênh truyền luôn là điều được chú ý nhất trong việc truyềntín hiệu vô tuyến Đặc tính của kênh truyền vô tuyến rất phức tạp, kênhtruyền có thể thay đổi liên tục làm thay đổi hoàn toàn tín hiệu được phát

đi Có nhiều phương pháp nhằm hạn chế mức thấp nhất ảnh hưởng củakênh truyền đến thu phát tín nhiệu như: các phương pháp điều chế, lậplịch, xử lý tín hiệu trong miền tần số và thời gian Tuy nhiên, để có đượctín hiệu thu tốt nhất thì điều quan trọng là phải biết được các thông sốgần đúng nhất về kênh truyền mà tín hiệu đi qua, có nghĩa là ước lượnggần đúng đáp ứng của kênh truyền Vì vậy, những phương pháp ước lượngkênh truyền được đề cập nhằm giải quyết vấn đề trên

Chương này sẽ tập trung giới thiệu về ước lượng kênh truyền trong hệthống SC-FDMA, tìm hiểu về các kỹ thuật ước lượng kênh, phân loại ướclượng kênh, cũng như cách thức để thực hiện ước lượng kênh truyền Ngoài

ra, chương còn trình bày những phương pháp cân bằng trong hệ thống FDMA Cuối cùng, chương này em sẽ đi sâu vào tìm hiểu phương phápước lượng kênh bằng pilot, hai loại ước lượng được lựa chọn trình bày là

SC-LS (the least-square ) và MMSE (minimum-mean-square-error )

4.2 Phân loại ước lượng kênh truyền

Các kỹ thuật ước lượng kênh được chia làm 3 loại chính:

4.2.1 Ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot (Pilot-Aided ChannelEstimation - PACE)

Tại máy phát thực hiện chèn các ký tự pilot (còn được gọi là chuỗi huấnluyện) vào chuỗi ký tự thông tin theo một quy tắc nhất định trong miềntần số hoặc thời gian Máy thu sẽ lấy mẫu tương ứng với các điểm chènpilot để đánh giá kênh truyền tại các điểm đó, từ đó nội suy ra cho cácđiểm còn lại

4.2.2 Ước lượng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel timation - DDCE)

Es-Phương pháp này cũng sẽ chèn tín hiệu pilot vào tín hiệu thông tinnhững ít hơn, nó chỉ được chèn vào đầu của mỗi khung Máy thu sẽ dựavào tín hiệu pilot nhận được để xác định thông tin kênh truyền tạm thời.Việc xử lý những tín hiệu thông tin ban đầu sẽ dựa vào thông tin kênhtruyền tạm thời đó, sau đó thông tin về tín hiệu vừa được xử lý sẽ thamgia vào việc xử lý tín hiệu kế tiếp, phương pháp trên gọi là đệ quy Tuynhiên, quá trình sẽ bị lặp lại nhiều lần làm giảm tốc độ chung và khó thựchiện đối với thời gian thực khi mà khung dữ liệu quá lớn

4.2.3 Ước lượng kênh bằng phương pháp mù (Blind/Semi-BlindChannel Estimation -BCE)

Phương pháp này không dựa vào việc chèn những thông tin đã biết bênphát mà chỉ dựa vào những thông tin thu được Vì vậy, phương pháp nàycho tốc độ truyền tin lớn, những tốc độ xử lý tại máy thu thấp và chấtlượng thấp hơn hai phương pháp ở trên