TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ OFDMA TRONG hệ THỐNG LTE

OFDMA MỤC LỤC TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ OFDMA 1. MỞ ĐẦU Đối với việc truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến, người ta đã quyết định dùng một phương thức truyền mới trong LTE, phương thức này hoàn toàn khác biệt với giải pháp CDMA của UMTS. Thay vì dùng một kênh truyền tải qua một dải tần rộng, người ta đã quyết định dùng một phương thức truyền gọi là Orthogonal Frequency Division Multiple Access (Đa Truy cập Phân Tần Trực giao), viết tắt là OFDMA. Bởi vì nhiều bit được vận chuyển song song với nhau, nên tốc độ truyền trên mỗi kênh truyền tải con có thể thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền dữ liệu tổng cộng, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của việc suy giảm đa đường dẫn (multipath fading) do thời điểm đến nơi khác biệt đôi chút của tín hiệu từ các hướng khác nhau. Lý do thứ hai để giải pháp này được chọn là, tác dụng của suy hao đa đường dẫn và sự phân tán độ trễ sẽ trở nên độc lập với lượng dải tần được dùng cho kênh. Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút. Việc truyền OFDMA phải Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 1 OFDMA chịu một PAPR (Peak to Average Power Ratio _ tỷ lệ công suất đỉnh so với trung bình) cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE. Do đó , 3GPP đã chọn phương thức SC-FDMA cho hướng lên với PAPR thấp. 2. Khái niệm về OFDMA OFDM (Orthorgonal Frequency Division Multiplexing) được giới thiệu và ứng dụng như một sơ đồ điều chế hay một phần của kỹ thuật đa truy nhập bằng cách áp dụng việc trải mã trên miền tần số khi tạo nên hệ thống MC-CDMA. Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 1.1 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn, khác với những người còn lại. f a d a d a d a d a d a d a c e a c e a c e a c e a c e a c e b e g b e g b e g b e g b e g b e g b f g b f g b f g b f g b f g b f g t Hình 1.1 Ví dụ của biểu đồ số thời gian và OFDMA Thí dụ cụ thể này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian. 2.1 OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình 1.2. Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 2 OFDMA f a b c c b a b c b a c a t Hình 1.2. Ví dụ của biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi người sử dụng làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi người sử dụng dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị phađinh sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các người dùng khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và phađinh thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào phađinh và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 1.3 cho N sóng mang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. a f e d c b b a f e d c c b a f e d d c b a f e e d c b a f Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 3 OFDMA f e d c b a Hình 1.3. Ví dụ của 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 2.2 Truyền dữ liệu hướng xuống OFDM Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nghệ OFDM. Như đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lí do khác nhau. Vì thời gian kí tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity). Mặc dù trên lí thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz.Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc chống lại fading lựa chọn tần số (Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn) sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing). 2.2.1 Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDMA 2.2.1.1 OFDM Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là được dựa trên OFDM truyền thống .OFDM cũng được sử dụng trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB. OFDM có một số lợi ích như độ bền của nó với phađing đa đường và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nó. Ngoài ra OFDM còn có một số lợi ích khác như: - OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang con để truyền đi, mỗi sóng mang con được điều chWế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp. - Hỗ trợ truyền dẫn broadcast/multicast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc + Một số đặc điểm cơ bản của OFDM: - Sử dụng một lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu. - Dạng xung đơn giản như trong hình 1.4a . Điều này đáp ứng phổ dạng sa ở mỗi sóng mang , như minh họa trong hình 1.4 b. Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 4 OFDMA - Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con ∆ f =1/Tu ( hình 1.5), với Tu là thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng mang con. Khoảng cách sóng mang bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con. Hình 1.4 : Dạng xung và phổ của mỗi sóng mang con cho truyền OFDM cơ bản Hình 1.5 : Khoảng cách giữa các sóng mang con OFDM Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ có thể được thêm vào mỗi ký hiệu để chống lại nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ. Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà được chèn vào trước mỗi ký hiệu OFDM. Trong thực tế, tín hiệu OFDM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng IFFT ( biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo ). IFFT chuyển đổi số lượng N các ký hiệu dữ liệu phức được sử dụng như các phễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian. N điểm IFFT được minh họa như trong hình 1.6, nơi mà có a(mN+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n, trong khoảng thời gian mTu < t ≤ (m+1)Tu. Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 5 OFDMA Hình 1.6 : Tạo ra ký hiệu OFDM có sử dụng gói IFFT Vector Sm được xác định là ký hiệu OFDM có ích. Nó là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sóng mang con được điều chế băng hẹp. Vì vậy, từ một dòng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn được điều chế một cách độc lập, một dạng sóng bao gồm N các sóng mang con trực giao được hình thành. Hình 1.3 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng như là phiễu miền tần số cho IFFT. N điểm các khối miền thời gian thu được từ IFFT sau đó được xếp theo thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian. Điều này không được biểu diễn trong hình 1.7, nó là một quá trình chèn vào tiền tố vòng. Hình 1.7 : Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM Tài nguyên vật lý trong truyền OFDM thường được minh họa như một lưới thời gian tần số như hình 1.8 với mỗi cột tương ứng với một symbol OFDM và mỗi hàngtương ứng với một sóng mang con OFDM. Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 6 OFDMA Hình 1.8 : Lưới thời gian tần số OFDM 2.2.1.2 OFDMA Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có. Hình 1.9 : Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA Mỗi người sử dụng được ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể. Như một nguyên tắc cơ bản của E-UTRAN, các kênh dữ liệu là các kênh chia sẻ. Ví dụ, đối với mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms, một quyết định lịch biểu mới được lấy về trong đó người sử dụng được gán với các nguồn tài nguyên thời gian / tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải. 2.2.1.2.1 Các tham số của OFDMA: + Cấu trúc khung: có 2 loại cấu trúc khung cấu trúc loại 1 cho chế độ FDD, cấu trúc loại 2 cho chế độ TDD. + Đối với kiểu cấu trúc khung loại 1, khung vô tuyến 10ms được chia thành 20 khe có kích thước như nhau là 0,5ms. Một khung con bao gồm có 2 khe liên tiếp, nên một khung vô tuyến chứa 10 khung con. Điều này được minh họa như trong hình 1.10( Ts là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tương ứng với 30,72MHz). Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 7 OFDMA Hình 1.10 : Cấu trúc khung loại 1 Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vô tuyến 10ms bao gồm hai nửa-khung với mỗi nửa chiều dài 5ms. Mỗi nửa-khung được chia thành 5 khung con với mỗi khung con 1ms, như được thể hiện trong hình 1.11. Các khung con đặc biệt bao gồm có ba trường là DwPTS ( khe thời gian dẫn hướng đường xuống ), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS ( khe thời gian dẫn hướng đường lên ). Các trường này đã được biết đến từ TD-SCDMA và được duy trì trong LTE TDD. DwPTS, GP và UpPTS có chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1ms. Hình 1.11 : Cấu trúc khung loại 2 2.2.1.2.2 Cấu trúc lưới tài nguyên: Hình 1.12 : Lưới tài nguyên đường xuống Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 8 OFDMA Các sóng mang con trong LTE có một khoảng cách cố định f = 15kHz trong miền tần số, 12 sóng mang con hình thành một khối tài nguyên. Kích thước khối tài nguyên là như nhau với tất cả các băng thông. Số lượng các khối tài nguyên ứng với băng thông được liệt kê như trong bảng 1.1. Bảng 1.1 : Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau 2.2.1.2.3 Tiền tố vòng CP: Với mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố vòng (CP) được nối thêm như là khoảng thời gian bảo vệ. Một khe đường xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, điều này tùy thuộc vào tiền tố vòng được cấu hình là mở rộng hay bình thường. Tiền tố vòng dài có thể bao phủ các kích thước ô lớn hơn với sự lan truyền trễ cao hơn của các kênh vô tuyến. Các chiều dài tiền tố vòng được lấy mẫu ( đơn vị đo bằng μs ) và được tóm tắt trong bảng 1.2 Bảng 1.2: Tham số cấu trúc đường xuống (FDD&TDD) 2.3 Truyền dữ liệu hướng xuống: Dữ liệu được cấp phát tới UE theo các khối tài nguyên, ví dụ , một UE có thể được cấp phát các bội số nguyên của một khối tài nguyên trong miền tần số. Các khối tài nguyên không cần phải liền kề với nhau. Trong miền thời gian, quyết định lập biểu có thể bị biến đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms. Quyết định lập biểu được thực hiện trong các trạm gốc (eNodeB). Các thuật toán lập biểu có tính đến tình trạng chất lượng liên kết vô tuyến của những người sử Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 9 OFDMA dụng khác nhau, tình trạng can nhiễu tổng thể, chất lượng của các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ ưu tiên, v.v. Hình 1.13 cho thấy một ví dụ cho việc cấp phát dữ liệu người dùng hướng xuống cho những người sử dụng khác nhau ( giả sử có 6 UE ). Dữ liệu người dùng được mang trên kênh chia sẻ đường xuống vật lý ( PDSCH). Hình 1.13: Ghép kênh thời gian-tần số OFDMA Về nguyên tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, các sóng mang con trực giao với nhau. Trong LTE khoảng cách sóng mang con là 15kHz bất kể băng thông hệ thống là bao nhiêu. Các sóng mang con khác nhau là trực giao với nhau. Máy phát của một hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo ra tín hiệu. Dữ liệu nguồn được cung cấp tới bộ chuyển đổi nối tiếp- song song và sau đó tiếp tục vào khối IFFT. Mỗi đầu vào của khối IFFT tương ứng là biểu diễn đầu vào cho một sóng mang con riêng (hoặc thành phần tần số cụ thể của tín hiệu miền thời gian )và có thể được điều chế độc lập với các sóng mang con khác. Tiếp sau khối IFFT là được thêm vào tiền tố vòng mở rộng, như thể hiện trong hình 1.14. Nguyễn Văn Dũng - Nguyễn Thu Hà – KTĐT K19Page 10 . tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PARP ở hệ thống truy nhập đường xuống SC-FDMA và hệ thống truy nhập đường lên OFDMA. Tìm hiểu và mô phỏng về hệ thống. kênh thời gian-tần số OFDMA Về nguyên tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, các sóng mang con trực giao với nhau. Trong LTE khoảng cách sóng