2.3.1. Nguyên lý của OFDM
Kỹ thuật truyền OFDM được xem như là một loại của truyền đa sóng mang. Sau đây là 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 cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu. Ví dụ, nếu một hệ thống MC-WCDMA (WCDMA đa sóng mang) băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz, thì với băng thông như vậy OFDM có thể sử dụng 2048 sóng mang với băng thông sóng mang con 15MHz [1].
• Các sóng mang con trực giao với nhau và nó được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa hai sóng mang con ∆f =1/TFFT,
với TFFT thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng mang con như trên hình 2.1 [1].
Ta ký hiệu N là tổng của sóng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và P là số sóng mang con mà một máy phát trong hệ thống có thể sử dụng, thì sơ đồ khối của hệ thống OFDM được biểu diễn trên hình 2.2 [1].
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM (gồm cả thu và phát) [1]
• Nguyên lý hoạt động của máy phát
- Các khối chức năng
Trong máy phát gồm các khối chức năng chủ yếu sau: Bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/P), bộ biến đổi Fourier ngược (IFFT), bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S), bộ chèn CP, bộ biến đổi số - tương tự (DAC), Sau đó tín hiệu ra x(t) được truyền qua kênh đến máy thu.
- Tóm tắt nguyên lý hoạt động
Trong máy phát, các khối ký hiệu điều biến (thường sử dụng QPSK hay xQAM) gồm P ký hiệu điều biến, được ký hiệu là X0, X1,...,Xp-1,được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/P) để nhận được P luồng song song X0,
X1,...,Xp-1, với độ dài ký hiệu mỗi luồng bằng TFFT (TFFT là độ dài hiệu dụng của một ký hiệu OFDM). Mỗi ký hiệu điều biến Xi (i=0,1,...,P -1) có giá trị phức thể hiện phổ rời rạc của sóng mang con thứ i trong số N sóng mang con của hệ thống. Các sóng mang con điều biến X0, X1,...,Xp-1, được kết hợp với N-
P sóng mang con rỗng để tạo nên tập { }xi , (i = 0,1,…,N-1) giá trị phức và được đưa lên N đầu vào của bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform). IFFT cho ra N sóng mang con trong miền thời gian
{ }xi , (i = 0,1,…,N-1). Các sóng mang con{ }xi này là những mẫu rời rạc với tần số lấy mẫu: FFT s T N f N f = .∆ = (2.1)
Trong đó ∆f là khoảng cách giữa các sóng mang con, và chu kỳ lấy
mẫu: N T f T FFT s s = 1 = (2.2)
Tín hiệu ra của IFFT là các mẫu rời rạc, sóng mang con thứ i tại một thời điểm k trong miền thời gian được xác định:
∑− = = 1 0 2 , , . N m m N i j k i k i X e x π (2.3)
Ở đây i = 0,1,…,N-1, k là một số nguyên nằm trong miền -∞÷+∞, ký
hiệu cho sóng mang con thứ i của ký hiệu OFDM tại thời điểm k; Xi,k là giá trị phức của tín hiệu được điều biến thông thường (QPSK hay xQAM) của sóng mang con thứ i, tại thời điểm k; m = 0,1,…,N-1 là mẫu thứ m của tín hiệu được lấy mẫu với thời gian lấy mẫu TS = TTFF/N tương ứng và tần số lấy mẫu
fs = N/TFFT.
Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) trong miền thời gian tại thời điểm k được xác định:
∑ ∑− ∑ ∑ = − = − = − = = = 1 0 1 0 1 0 1 0 2 , 2 , . . N i N m P i N m m N i j k i m N i j k i k X e X e x π π (2.4)
Tín hiệu đầu ra của bộ P/S sẽ đưa vào bộ chèn CP (Cyclic Prefix) để thực hiện chèn thêm V mẫu (độ dài TCP) vào đầu ký hiệu OFDM để đạt được độ dài ký hiệu T = TFFT +TCP, trong đó TFFT là độ dài hiệu dụng và TCP là
khoảng thời gian bảo vệ để chống nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) gây ra do phading đa đường và V mẫu được chèn là V mẫu được copy từ các mẫu cuối cùng của tín hiệu xk ở liền trước mẫu đang xét. Thông thường TCP được chọn bằng thời gian trễ trội cực đại (trễ của đường truyền đến muộn nhất còn được xét so với trễ của đường truyền đến sớm nhất). Bộ biến đổi số sang tương tự (DAC) sẽ cho ra tín hiệu tương tự trong miền thời gian.
( ) ( ) = − − = ∑ 0 2 1 0 , k t T i j N i k i k FFT e X t x π ≠ + ≤ ≤ −TCP t kT TFFT kT (2.5) Hay: ( ) ( ) = − − = ∑ 0 2 1 0 , k t T i j p i k i k FFT e X t x π ≠ + ≤ ≤ −TCP t kT TFFT kT (2.6)
Ý nghĩa của việc chèn CP được giải thích như trên hình 2.3. Trong trường hợp kênh tán thời do bị phading đa đường gây ra, một phần tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ bị phá hủy. Từ hình 2.3 ta thấy rằng, phần cuối của ký hiệu OFDM phát trước đó đến trễ thời gian τ sẽ chồng lên phần đầu của ký hiệu OFDM phát tiếp sau. Như vậy, trong trường hợp này có tương quan trong bộ giải điều biến cho ký hiệu được xét (ký hiệu sau) do chồng lấn của một phần ký hiệu trước đó (hình 2.3-a). Vì thế phân tích tín hiệu đi thẳng từ máy phát đến máy thu luôn luôn có chứa tín hiệu (nhiễu) phản xạ của ký tự trước đó. Hậu quả không chỉ xảy ra nhiễu giữa các ký hiệu ISI, mà còn xuất hiện nhiễu giữa những sóng mang con (ICI), đây là nhiễu giữa những sóng mang con trong kênh vô tuyến.
Nguyên nhân gây ra tán thời là do đáp ứng tần số của kênh phading chọn lọc tần số, vì thế tính trực giao giữa các sóng mang không chỉ được đảm bảo bởi phân cách giữa chúng trong miền tần số mà còn bởi cấu trúc đặc thù của miền tần số đối với từng sóng mang, thậm chí nếu kênh miền tần số
không thay đổi đối với búp phổ chính của một sóng mang con OFDM và chỉ có búp phổ bên (phụ) bị hỏng do tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến, thì điều này cũng dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con cùng với nhiễu giữa chúng. Do búp bên của mỗi sóng mang con OFDM lớn, nên dù lượng tán thời đã bị hạn chế (tương ứng với tính chọn lọc tần số của kênh vô tuyến thấp) vẫn có thể gây ra nhiễu giữa các sóng mang con.
Hình 2.3. Giải thích ý nghĩa chèn CP [1]
Để giải quyết vấn đề này và làm cho OFDM có khả năng chống tán thời gian trên kênh vô tuyến, chèn CP được thực hiện. Chèn CP làm tăng độ dài ký hiệu OFDM từ giá trị hiệu dụng TFFT lên T = TFFT +Tcp, nghĩa là tương ứng với việc giảm tốc độ ký hiệu OFDM. Từ hình 2.3-b cho thấy tương quan vẫn được thực hiện trên đoạn thời gian TFFT = 1/∆f , nghĩa là tính trực giao của
sóng mang được đảm bảo ngay cả trong trường hợp kênh tán thời gian. Nhược điểm của chèn CP là chỉ một phần TFFT /( TFFT+ TCP) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải mã điều biến OFDM sử dụng, nghĩa là
mất một phần công suất khi giải điều biến OFDM. Bên cạnh việc mất công suất chèn CP còn gây ra mất băng thông do tốc độ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không giảm. Có một cách để giảm CP là giảm khoảng cách giữa các sóng mang ∆f, tương ứng với tăng TFFT. Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhạy cảm của truyền dẫn OFDM với sự thay đổi nhanh của kênh trải Doppler cao và các kiểu sai số tần số khác.
Rõ ràng không thể bao phủ toàn bộ độ dài của tán thời gian kênh. Như vậy cần có sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu do ISI, ICI mà phần dư tán thời do CP không phủ hết gây ra, nghĩa là luôn tồn tại một TCP tối ưu [1].
• Nguyên lý hoạt động của máy thu
- Các khối chức năng
Từ hình 2.2 ta thấy phần máy thu gồm các khối cơ bản sau: Bộ biến đổi tương tự số (ADC), bộ loại (khử) chèn CP, bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/P), bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT), bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S). Như vậy sau tín hiệu đầu vào máy thu y(t) sẽ nhận được đầu ra dãy tín hiệuXP−1,K,X0.
- Tóm tắt nguyên lý hoạt động
Từ sơ đồ khối trên ta thấy, ta có thể tóm tắt như sau về nguyên lý hoạt động của máy thu: tín hiệu nhận được tại đầu ra của kênh (đầu vào máy thu) có dạng tương tự y(t), tín hiệu này qua bộ biến đổi tương tự số (ADC) để trở lại dạng rời rạc, tín hiệu này đi qua bộ loại chèn CP để nhận được ở đầu ra tín hiệu y(m). Tín hiệu y(m) được đưa qua bộ biến đổi nối tiếp vào song song (S/P) để nhận được đầu ra, tín hiệu song song y0, y1,...,yN-1, tín hiệu này được đưa qua bộ FFT (N điểm) để nhận được đầu ra các tín hiệu song song X0,
X1,...,XP-1,...,XN-1. Các tín hiệu từ X0, X1, ...,XP-1 được đưa qua bộ biến đổi song song vào nối tiếp để nhận lại chuỗi tín hiệu XP-1 ,...,X0 (với giả thiết hệ thống lý tưởng) [1].
2.3.2. Công nghệ OFDM cho đường xuống
Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN ở chế độ FDD và TDD được dựa trên OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thành nhiều sóng mang, được gọi là sóng mang con. Mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp. OFDM có một số lợi ích như độ bền của nó với pha đinh đa đường và kến trúc thu nhận hiệu quả của nó. Hình 2.4 cho thấy minh họa của một tín hiệu OFDM. Trong hình này một tín hiệu với băng thông 5MHz được biểu thị, nhưng nguyên tắc là tương tự như các băng thông E-UTRAN khác. Các ký hiệu dữ liệu được điều chế một cách độc lập và được truyền qua một số lượng lớn các sóng mang con trực giao đặt gần nhau. Trong E-UTRAN các phương pháp được sử dụng để đều chế cho đường xuống là QPSK, 16QAM, và 64QAM là sẵn có [5].
Hình 2.4. Biểu diễn tần số/ thời gian của một tín hiệu OFDM [5]
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 phiễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian. N điểm IFFT được minh họa
như trong hình 2.5, 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 [5].
Hình 2.5. Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT [5]
Vecto 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. Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có. 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 sẽ. 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 [5].
2.3.3. Kỹ thuật OFDMA
OFDMA là một biến thể của ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. OFDM sử dụng một số lượng lớn các sóng mang phụ dải hẹp hoặc âm thanh cho việc truyền dẫn nhiều sóng mang. Với tín hiệu OFDM có tiêu chuẩn rất hẹp, thiết bị đầu cuối truyền dẫn có thể bị hiện tượng phađing băng hẹp và can nhiễu. Trái với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép
truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có. Đó là lý do tại sao 3GPP đã chọn OFDMA cho đường xuống, trong đó kết hợp yếu tố của đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA). OFDMA cho phép các nhóm nhỏ của sóng mang con được cấp phát dao động giữa những người dùng khác nhau trên băng tần này như trong hình 2.6 [6].
Hình 2.6. Cấp phát sóng mang con cho OFDM và OFDMA
Kết quả là một hệ thống lớn với công suất tăng lên. Điều này do hiệu quả sử dụng ghép kênh người dùng cấp độ thấp, và khả năng lập lịch trình cho người sử dụng bởi tần số, đồng thời làm giảm phadinh đa đường.
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 lân cận rộng như FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau [6].
Ưu điểm cơ bản của OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS- CDMA…và tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào.
2.3.4. Cấu trúc khung LTE trong miền thời gian và tần số.
Một cấu trúc khung chung được định nghĩa cho cả hai chế độ FDD và TDD của E-UTRAN còn được gọi là cấu trúc khung kiểu 1. Ngoài ra, đối với LTE hoạt động với TDD còn có cấu trúc khung kiểu 2. Cấu trúc này được thiết kế cho đồng tồn tại với các hệ thống được xây dựng trên cơ sở 3GPP TD- SCDMA. Nhưng ở đây ta chỉ xét cấu trúc khung kiểu 1 [2].
Đối với kiểu cấu trúc khung kiểu 1, cấu trúc miền thời gian mức cao cho truyến dẫn LTE với mỗi khung vô tuyến dài Tf =10ms bao gồm 10 khung con (khung phụ) dài bằng nhau Tsubframe= 1ms, mỗi khung con gồm 2 khe dài bằng nhau Tslot = 0,5ms. Ta có thể biểu diễn các khoảng thời gian khác nhau trong quy định truy nhập vô tuyến LTE là các bội số của một đơn vị thời gian gốc Ts (Ts là thể hiện của đơn vị thời gian gốc tương ứng với tần số là 30,72MHz). Các đoạn thời gian được biểu diễn trên hình 2.7 với Tf = 307200
Ts và Tsubframe = 30720 Ts.
Hình 2.7. Cấu trúc khung miền thời gian LTE [2]
Trong hình 2.8 thể hiện cấu trúc của lưới tài nguyên đường xuống cho cả FDD và TDD. 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 2.1
Bảng 2.1. Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau FDD và TDD
Băng thông kênh
(MHz) 1,4 3 5 10 15 20 Số lượng các khối
tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2.8. Lưới tài nguyên đường xuống [6]
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 bình thường hay mở rộng [6].
Trong một sóng mang con, các khung con khác nhau của một khung có thể được sử dụng hoặc cho đường xuống hoặc cho đường lên. Như trên hình