Trong chương này trước hết ta sẽ xét nguyên lý OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống của LTE. OFDM đã được tiếp nhận là sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE và cũng được sử dụng cho các công nghệ không dây băng rộng khác như WiMAX và các công nghệ truyền hình quảng bá DVB.
Chương OFDMA SC-FDMA LTE Chương OFDMA VÀ SC-FDMA CỦA LTE 3.1 MỞ ĐẦU Trong chương trước hết ta xét nguyên lý OFDM ứng dụng mô hình lớp vật lý OFDMA đường xuống LTE OFDM tiếp nhận sơ đồ truyền dẫn đường xuống cho LTE sử dụng cho công nghệ không dây băng rộng khác WiMAX công nghệ truyền hình quảng bá DVB Nhược điểm điều chế OFDM phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác thay đổi công suất tức thời tín hiệu phát lớn dẫn đến tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power) lớn Điều làm giảm hiệu suất khuyếch đại công suất tăng giá thành khuyếch đại công suất Nhược điểm quan trọng đường lên MS phải tiêu thụ công suất thấp có giá thành hạ Nhiều phương pháp đề xuất để giảm PAPR tín hiệu OFDM, Tuy nhiên hầu hết phương pháp đảm bảo giảm PAPR mức độ không cao Ngoài phương pháp đòi hỏi tính toán phức tạp giảm hiệu đường truyền Truyền dẫn đơn sóng mang băng rộng giải pháp truyền dẫn đa sóng mang phù hợp cho đương lên nghĩa cho máy phát MS Tuy nhiên cần nghiên cứu xử lý méo dạng sóng tín hiệu xẩy môi trường thông tin di động phađinh chọn lọc tần số LTE sử dụng dạng điều chế cải tiến OFDM có tên gọi DFTS-OFDM ( DFT Sprread OFDM: OFDM trải phổ DFT) Đây công nghệ đầy hứa hẹn cho thông tin đường lên tốc độ cao hệ thống thông tin di động tương lai DFTS-OFDM có hiệu thông lượng độ phức tạp tương tự OFDM Ưu điểm của DFTS-OFDM tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) thấp OFDM DFTS-OFDM LTE sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên với tên gọi SC-FDMA Chương xét nguyên lý DFTS-OFDM SC-FDMA ứng dụng LTE 3.2 TÓM TẮT NGUYÊN LÝ OFDM Truyền dẫn OFDM kiểu truyền dẫn đa sóng mang Sau số đặc trưng quan trọng cuả OFDM: √ Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp Chẳng hạn hệ thống MCWCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng sóng mang với sóng mang có băng tần 5MHz, với băng thông 57 Chương OFDMA SC-FDMA LTE √ OFDM sử dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang 15MHz Các sóng mang trực giao với khỏang cách hai sóng mang liền kề đại lượng nghịch đảo thời gian ký hiệu điều chế sóng mang (hình 3.1) Vì sóng mang OFDM đặt gần so với FDMA Hình 3.1 Ký hiệu điều chế phổ tín hiệu OFDM Ta ký hiệu N tổng số sóng mang hệ thống truyền dẫn OFDM P số sóng mang mà máy phát hệ thống sử dụng Sơ đồ khối phát thu hệ thống OFDM cho hình 3.2 Hoạt động hệ thống OFDM hình 3.2 sau Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 3.2.1 Máy phát 58 Chương OFDMA SC-FDMA LTE Các khối ký hiệu điều chế thông thường (QPSK hay 16- QAM chẳng hạn) gồm P ký hiệu điều chế (ký hiệu X , X , , X P −1 ) đưa qua biến đổi nối tiếp vào song song (S/P) để P luồng song song với độ dài ký hiệu luồng TFFT, TFFT gọi độ dài hiệu dụng ký hiệu OFDM Mỗi ký hiệu điều chế Xi (i=0,1,…,P-1) có giá trị phức thể phổ rời rạc sóng mang thứ i số N sóng mang hệ thống Các sóng mang điều chế X , X , , X P −1 kết hợp với N-P sóng mang rỗng (bằng không) để tạo nên tập {Xi} (i=0,1,…, N-1) giá trị phức đưa lên N đầu vào biến đổi fourier nhanh ngược (IFFT) IFFTcho N sóng mang miền thời gian {xi} (i=0,1,…, N-1) Các sóng mang miền thời gian thể mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu f s=N∆f= N T , ∆f ta FFT khoảng cách sóng mang Ts = TFFT = chu kỳ lấy mẫu Tín hiệu fs N đầu IFFT biểu diễn dang mẫu rời rạc Sóng mang thứ i thời điểm k miền thời gian xác định sau: xi,k = N- å m =0 X i,k e j2 p i m N (3.1) i (i=0,1,…,N-1), k (k số nguyên nằm khỏang từ - đến ) ký hiệu cho sóng mang thứ i ký hiệu OFDM thứ k tương ứng; X i,k giá trị phức tín hiệu điều chế thông thường thứ i thời điểm k; m (m=0,1, …,N) mẫu thứ m tín hiệu lấy mẫu với thời gian lấy mẫu T s=TFFT/N tương ứng với tần số lấy mẫu fs= N/TFFT Tín hiệu đầu biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) miền thời gian thời điểm k xác định sau: N- N- xk = å i=0 å m X i ,k e j2 p i m N P- N- =å i=0 å m X i ,k e j2 p i m N (3.2) Đối với OFDM ta biểu diễn tín hiệu phát miền tần số sau: T T ù Xk = é ëX 0,k X1,k L X P- 1,k 0û , [.] phép chuyển vị, P số ký hiệu điều chế thông thường khối k số số không N-P Tín hiệu miền thời gian nhận đựơc cách nhân tín hiệu miền tần số với ma trận sau: 59 Chương OFDMA SC-FDMA LTE é1 ê j2 p ê eN ê1 ê j4 p ê eN xk = ê êM M ê ê êM M ê j2( N- 1)p ê ê1 e N ë e L j4 p N j8p N e j6 p N j12 p N L e j2( N- 1) p N j4( N- 1) p N e M e M L e O M M M O e j4( N- 1) p N e j6( N- 1) p N L e M j2( N- 1)( N- 1) p N ù ú ú ú ú ú úX ú k ú ú ú ú ú ú û (3.3) hàng ma trận (3.3) thể sóng mang thời điểm lấy mẫu m Bộ chèn CP (Cyclic Prefix) thực chèn V mẫu (độ dài T CP) ký hiệu OFDM vào đầu ký hiệu để độ dài ký hiệu bằng: T=T FFT+TCP, TFFT độ dài hiệu dụng T CP khoảng thời gian bảo vệ để chống ISI (nhiễu ký hiệu) gây phađinh đa đường V mẫu chèn V mẫu copy từ mẫu cuối tín hiệu xk Thông thường TCP chọn thời gian trễ trội cực đại (trễ đường truyền đến muộn xét so với trễ đường đến sớm nhất) Khi m phương trình (3.3) là: m=0,1,…, N1,…, N+V-1) tổng số mẫu đầu CP N+V Ta biểu diễn tín hiệu sau chèn CP miền thời gian miền tần số hình 3.3 Hình 3.3 Trình bầy OFDM (sau chèn CP) miền thời gian tần số Bộ biến đổi số vào tương tự (DAC) cho ta tín hiệu tương tự có dạng sau: 60 Chương OFDMA SC-FDMA LTE N-1 i X exp j2π (t kT) i,k ∑ ÷ , T FFT i=0 x k (t) = kT - TCP ≤ t ≤ kT + TFFT 0, nÕu kh¸c (3.4) P-1 n ∑ X i,k exp j2π T ÷(t - kT) , FFT i=0 x k (t) = kT - TCP ≤ t ≤ kT + TFFT 0, nÕu kh¸c (3.5) Hay Ý nghĩa việc chèn CP giải thích hình 3.4 Trong trường hợp kênh tán thời bị phađinh đa đường phần tính trực giao sóng mang bị đi: phần cuối ký hiệu OFDM phát trước đến trễ τ chồng lấn lên phần đầu ký hiệu OFDM phát sau Trong trường trường hợp khoảng thời gian tương quan giải điều chế cho ký hiệu xét chồng lấn phần lên ký hiệu trứơc (hình 3.4a) Vì tích phân tín hiệu thẳng chứa nhiễu cuả tín hiệu phản xạ từ ký hiệu trước Hậu không xẩy nhiễu ký hiệu (ISI) mà nhiễu sóng mang (ICI: Inter Channel Interference) 61 Chương OFDMA SC-FDMA LTE Hình 3.4 Giải thích ý nghĩa chèn CP a) không chèn CP, b) chèn CP Một cách khác để giải thích nhiễu sóng mang kênh vô tuyến phađinh tán thời sau Nguyên nhân tán thời kênh đáp ứng tần số kênh phađinh chọn lọc tần số Vì tính trực giao sóng mang không đảm bảo phân cách chúng miền tần số mà cấu trúc đặc thù miền tần số sóng mang: chí kênh miền tần số không đổi búp phổ cuả sóng mang OFDM có búp phổ bên bị hỏng tính chọn lọc tần số kênh vô tuyến, điều dẫn đến tính trực giao sóng với nhiễu sóng mang Do búp bên sóng mang OFDM lớn, nên dù lượng tán thời bị hạn chế (tương ứng với tính chọn lọc tần số kênh vô tuyến thấp) xẩy nhiễu sóng mang Để giải vấn đề làm cho OFDM có khả thực chống tán thời kênh vô tuyến, chèn CP (Cyclic Prefix: tiền tố chu trình) thực Chèn CP tăng độ dài ký hiệu OFDM từ T FFT lên TFFT+TCP TCP độ dài CP tương ứng với việc giảm tốc độ ký hiệu OFDM Từ hình 3.4b ta thấy tương quan thực đoạn thời gian T FFT=1/f tính trực giao sóng mang đảm bảo trường hợp kênh tán thời chừng đoạn tán thời ngắn độ dài CP 62 Chương OFDMA SC-FDMA LTE Nhược điểm chèn tiền tố CP phầnT FFT/(TFFT+TCP) công suất tín hiệu thu phần thực tế giải điều chế OFDM sử dụng điều có nghĩa phần công suất giải điều chế OFDM Ngoài việc công suất, chèn CP gây băng thông tốc độ ký hiệu OFDM giảm độ rộng băng tần tín hiệu không giảm Một cách khác để giảm CP giảm khoảng cách sóng mang f tương ứng với tăng TFFT Tuy nhiên cách làm tăng độ nhạy cảm truyền dẫn OFDM với thay đổi nhanh kênh kho trải Doppler cao kiểu sai số tần số khác Cấn lưu ý CP bao phủ toàn độ dài tán thời kênh Nói chung cần có cân nhắc công suất CP hỏng tín hiệu (do ISI ICI) mà phần dư tán thời CP không phủ hết gây Điều có nghĩa tồn điểm tối ưu cho độ dài CP mà việc tăng không ảnh hưởng xấu đến công suất dẫn đến giảm kích thước ô ngược lại việc giảm không làm ảnh hưởng xấu đến hỏng tín hiệu 3.2.2 Máy thu Tín hiệu đầu vào máy thu (đầu kênh) có dạng sau: y(t)= x(t)⊗h(t)+η(t) (3.6) h(t) độ lợi kênh η(t) tạp âm Gauss trắng cộng ⊗ ký hiệu cho tích chập Bộ biến đổi từ tương tự vào số (ADC) biến đổi y(t) vào số, loại bỏ CP loại CP Qua trình loại CP đựơc thực tích chập vòng Dưới ta giải thích nguyên lý tích chập vòng Ta biểu diễn ký hiệu OFDM bao gồm CP rời rạc miền thời gian dạng vectơ sau: x = [ x N-v-1 , xN − v , , xN −1 x0 , x1 , , xN −1 ] 44 4 43 44 43 (3.7) Trong xm ký hiệu cho mẫu m tín hiệu OFDM ytong miền thời gian Nếu không xét tạp âm, tín hiệu đầu kênh y = x ⊗ h , h vectơ có độ dài v+1 để biểu thị đáp ứng kênh xung kim thời gian ký hiệu OFDM Hình 3.5 giải thích trình tích chập dịch vòng đáp ứng kênh xung kim h x đầu vào cho hai mẫu y CP Sè liÖu gèc 63 Chương OFDMA SC-FDMA LTE Hình 3.5 Minh họa trình tích chập quay vòng đáp ứng kênh xung kim h xCP Dựa phân tích trên, ta biểu diễn tín hiệu đầu kênh sau tích chập vòng cho mẫu hữu ích sau: y0 = h0 x0 + h1 xN −1 + + hv xN −v y1 = h0 x1 + h1 x0 + + hv xN −v +1 M y N −1 = h0 xN −1 + h1 xN −2 + + hv xN −v −1 (3.8) Sau tích chập vòng giữ lại tnàh phần vế trái hệ phương trình (3.8) ta loại bỏ CP Ta biểu diễn lại phương trình (3.8) dạng ma trận quay vòng sau x0 x y= M xN −1 = Xh + η xN −1 x0 M xN − xN − v h0 xN −1 xN −v +1 M M M hv xN −v −1 xN −2 +h M (3.9) Sau loại bỏ CP, V mẫu CP bị loại bỏ N mẫu lại mẫu tín hiệu hữu ích Bộ biến đổi nối tiếp vào song song cho N luồng song song , ứng với N sóng mang thu tín hiệu thu miền thời gian: { yi (m)} (i=0,1, ,N-1) dạng mẫu rời rạc m (m=0,1 ,N-1) Các sóng mang đưa lên biến đổi FFT để chuyển đổi từ miền thời gian vào miền tần số Sau FFT máy thu lấy P sóng mang cần thu thu miền tần số { X%i } (i=0,1, …, P-1), sóng mang xác định sau: P- N- %= X å k å i=0 m =0 yi,k (m)e - j2 p m i N (3.10) i (i=0,1,…,P-1), yi ,k (m) ký hiệu cho mẫu m miền thời gian ký hiệu điều chế thông thường thứ i khối P ký hiệu phát đầu cuả kênh, k (k số nguyên nằm khỏang từ - đến ) khối thứ k tương ứng; X%k giá trị phức tín hiệu thu miền tần số khối ký hiệu k; m 64 Chương OFDMA SC-FDMA LTE (m=0,1,…,N-1) mẫu thứ m tín hiệu lấy mẫu miền thời gian với thời gian lấy mẫu Ts=TFFT/N tương ứng với tần số lấy mẫu fs= N/TFFT Tín hiệu đầu biến đổi nối tiếp vào song song chuỗi nối tiếp ký hiệu thu khối k biểu diễn dạng vectơ sau: % = X% , X% , , X% X k P −1, k 0,k 1,k (3.11) Tổng quát ta biểu diễn toàn bước xử lý tín hiệu hệ thống thông tin OFDM với tín hiệu dạng vectơ hình 3.6 Hình 3.6 Hệ thống thông tin OFDM băng gốc với tín hiệu dạng vectơ Truyền dẫn OFDM biễu diễn không gian hai chiều: tần số- thời gian hình 3.7 Hình 3.7 Biểu diễn tín hiệu truyền dẫn OFDM không gian hai chiều (tần số-thời gian) 65 Chương OFDMA SC-FDMA LTE 3.3 ƯỚC TÍNH KÊNH VÀ CÁC KÝ HIỆU THAM KHẢO Kênh OFDM bao gồm tổ hợp điều chế OFDM (xử lý IFFT), kênh vô tuyến tán thời giải điều chế OFDM (xử lý FFT) mô tả dạng kênh miền tần số hình 3.8 Nếu coi CP đủ lớn ( tích chập kênh vô tuyến tán thời khoảng thời gian lấy tích phân T FFT giải điều chế coi tích chập dịch vòng tuyến tính), nhánh kênh miền tần số H 0,…, HP-1 rút trực tiếp từ đáp ứng kênh xung kim hình 3.8 (hình vẽ phía dưới) Hình 3.8 Mô hình kênh OFDM miền tần số Để khôi phục lại ký hiệu phát cho trình xử lý (chẳng hạn tách ký hiệu số liệu giải mã kênh), máy thu phải nhân X%i với phức liên hợp Hi: H i* (hình 3.9) Quá trình thường gọi cân nhánh áp dụng cho sóng mang thu Để thực điều này, máy thu phải ước tính nhánh kênh miền tần số H0,H1,…,HP-1 66 Chương OFDMA SC-FDMA LTE X n : Mẫu n (n=0,1,…,P-1) miền tần số tín hiệu đầu DFT Xi: Sóng mang thứ i (i=0,1,…,N-1) điều chế miền tần số đầu vào IFFT xi: Sóng mang thứ i (i=0,1,…,N-1) tín hiệu OFDM miền thời gian đầu IFFT xi,k (m): Mẫu m (m=0,1,…, N-1) tín hiệu OFDM đầu biến đổi từ song song vào nối tiếp (PS) thời điểm k (k số nguyên nằm khỏang từ - đến ) P/S: Biến đổi song song nối tiếp P: Số ký hiệu điều chế đưa lên DFT N: Tổng số sóng mang FFT Tu, TFFT : Các độ dài ký hiệu người sử dụng độ dài hiệu dụng ký hiệu OFDM Hình 3.18 Cấu trúc máy phát máy thu hệ thống: a) DFTS-OFDM, b)OFDM 3.9.2 Máy phát DFTS OFDM Máy phát DFTS-OFDM biến đổi tín hiệu nhị phân thành dẫy sóng mang điều chế Để thực thao tác xử lý tín hiệu hình 3.18 Xử lý tín hiệu thực theo khối ký hiệu điều chế Mỗi khối có bao gồm P ký hiệu ký hiệu có độ dài T smod Vậy khối khoảng thời gian Tsmod.P Tại đầu vào máy phát, điều chế băng gốc biến đổi đầu vào nhị phân thành thành chuỗi nhiều mức số phức nhóm chúng 77 Chương OFDMA SC-FDMA LTE thành khối ký hiệu { x p } (p=0,1,…,P-1) có khuôn dạng số sơ đồ điều chế sau: BPSK, QPSK, 16QAM 64QAM, P số sóng mang mà hệ thống OFDM dành cho máy đầu cuối Hệ thống thực thích ứng điều chế tốc độ bit truyền dẫn phù hợp với điều kiện kênh thời máy đầu cuối Bước thứ trình điều chế DSTF-OFDM thực biến đổi Fourier rời rạc (DFT: Discrete Fourier Transform) kích thước P để tạo thể miền tần số { X n } ký hiệu đầu vào, n=0,1,…, P-1 P