2.1.1 Tổng quan nguyên lý OFDM
Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng. Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số. Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu. Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn. Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh.
Sau đây là một số đặc trưng quan trọng của hệ thống OFDM
Sử dụng nhiều sóng mang băng hẹp, chẳng hạn như đối với hệ thống MC- WCMDA băng thông 20MHz sử dụng 4 sóng mang với mỗi sóng mang có băng tần là 5MHz. thì đối với hệ thống OFDM có cùng băng tần như vậy
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 47 thì có thể lên tới 2048 sóng mang con với băng thông sóng mang con là 15MHz
Các sóng mang con trực giao nhau, mật độ phổ công suất các sóng mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau. Vì thế không cần đoạn băng bảo vệ so với FDMA.
2.1.2 Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE
Như đã trình bày OFDM là một giải pháp tốt cho đề kháng đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường. Khả năng đề kháng này do OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao. Tuy nhiên OFDM có các nhược điểm:
PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của kí tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy để không làm méo tín hiệu phát. Bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Điều này dẫn tới chi phí máy cầm tay.
Nhạy cảm cao với dịch tần số, do các sóng mang trong miền tần số trực giao nhau nên chỉ một ảnh hưởng nhỏ như dịch Doppler cũng có thể gây nên các sóng mang chồng lấn nên nhau gây nhiễu ICI.
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 48 Hình 2.1 Lỗi ICI trong OFDM
Vì các sóng mang được điều chế và mã hóa và phát đi một cách độc lập. Các sóng mang con này do bị ảnh hưởng của pha đinh nên bị suy giảm rất nhiều. Nên trong OFDM cần có các lược đồ điều chế và mã hóa thích ứng để tránh hiện tượng phổ rỗng, nếu không sẽ không thể khôi phục được dữ liệu trên sóng mang đó.
Để khắc phục các nhược điểm trên, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi SC-FDMA và áp dụng trên đường lên cho LTE. Giống như OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA sử dụng các tần số trực giao (các sóng mang con) khác nhau để phát đi các kí hiệu khác nhau. Tuy nhiên các kí hiệu được sắp xếp lên các sóng mang con và được phát đi lần lượt chứ không phải song song. Vì thế không như OFDMA, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn có với các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA. Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau. Có thể nói SC-FDMA là một lược đồ truyền dẫn lý tưởng cho các hệ thống băng thông rộng trong tương lai.
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 49 SC-FDMA là một trường hợp cải tiến của hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC\FDE để thực hiện truy nhập đa người dùng trong đường lên của LTE. Chèn CP Xóa CP Kênh DFT N điểm Bộ cân bằng IDFT N điểm Tách sóng Chèn CP Xóa CP Kênh DFT N điểm Bộ cân bằng IDFT N điểm Tách sóng SC/FDE OFDM
Hình 2.2 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM
Với các kênh đa đường băng rộng, các bộ cân bằng miền thời gian là không thực tế do đáp ứng xung trong miền thời gian rất dài. Bộ cân bằng miền tần số FDE là thực tế hơn. FDE có tác dụng chống lại pha đinh chọn lọc tần số trong miền tần số. Sau khi các tín hiệu được truyền qua kênh tới bộ thu thực hiện cân bằng miền tần số, sau đó các tín hiệu sẽ qua bộ DFT để chuyển sang miền thời gian và thực hiện tách sóng
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 50 DFT Bộ cân bằng SC/FDE OFDM IDFT Tách sóng DFT Bộ cân bằng Bộ cân bằng Bộ cân bằng Tách sóng Tách sóng Tách sóng Thời gian Kí hiệu SC/FDE Kí hiệu OFDM
Hình 2.3 Sự khác nhau giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM trong tiến trình tách sóng và kí hiệu điều chế.
Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng, đối với OFDM thực hiện tách sóng trên một sóng mang trong miền tần số, trong khi đó SC\FDE thực hiện tách sóng sóng mang trong miền thời gian sau khi đã qua bộ IDFT. Bởi vì sự khác nhau này OFDM nhạy cảm hơn đối với phổ rỗng và nó yêu cầu việc điều khiển tốc độ/công suất hoặc mã hóa kênh để khắc phục hiện tượng phổ rỗng này.
2.1.3 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 2.1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 2.1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA
Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA và OFDMA tương ứng được cho Hình 2.4 với các kí hiệu được sử dụng:
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 51 Xn: Mẫu thứ n (n = 0,1,2,…,N-1) trong miền tần số của tín hiệu đầu ra của DFT. Xi: Sóng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) được điều chế trong miền tần số tại đầu vào bộ IFFT.
xi: Sóng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) của tín hiệu OFDM trong miền thời gian tại đầu vào bộ IFFT.
xi,k(m): Mẫu thứ m (m = 0,1,2,…,N-1) của tín hiệu OFDM tại đầu ra của bộ biến đổi từ song song vào nối tiếp tại thời điểm k, với k là một số nguyên có giá trị từ tới
Sắp xếp sóng mang DFT P điểm CP/PSChèn Kênh IDFT N điểm SC-FDMA DAC / RF Giải săp xếp sóng mang/ Cân bằng IDFT
P điểm N điểmDFT CP/PSXóa
RF/ ADC Tách sóng {x }p {X }n {X }i {x }i P P N>P N mod s T Tsmod TFFT Tsmod. /P N TFFT Ánh xạ Sóng mang Chèn CP/PS Kênh IDFT M điểm OFDMA DAC / RF Giải ánh xạ sóng mang/ Cân bằng Xóa CP/PS DFT M điểm RF/ ADC Tách sóng
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 52
a. Máy phát SC-FDMA
Bộ phát của một hệ thống SC-FDMA chuyển các tín hiệu nhị phân đầu vào thành một chuỗi các sóng mang điều chế. Xử lý tín hiệu được thực hiện theo từng khối kí hiệu điều chế. Mỗi khối bao gồm P kí hiệu trong đó mỗi kí hiệu có độ dài là Tsmod. Do đó một khối có khoảng thời gian là P.Tsmod. Tại đầu vào bộ điều chế băng gốc biến đổi đầu vào nhị phân thành một chuỗi nhiều mức các số phức và nhóm chúng thành các khối kí hiệu {x }p (p = 0, 1, …, P-1) có khuôn dạng của một trong các sơ đồ điều chế BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM. Bước thứ nhất trong quá trình điều chế DFT- OFDM là thực hiện biến đổi Furier rời rạc (DFT) kích thước P để tạo ra thể hiện miền tần số {X }n của các kí hiệu đầu vào, trong đó n = 0, 1,…, P-1 và P<N. Sau đó tập sóng mang con được điều chế kết hợp với N-P các sóng mang con rỗng để tạo ra tập các sóng mang con được điều chế trong miền tần số {X }i với i = 0,1,…N-1 đưa lên đầu vào bộ IFFT. Sau đầu ra bộ IFFT ta được tập các sóng mang con được điều chế {x }i
trong miền thời gian tại đầu ra IFFT. Khi này mỗi {x }i với i = 0,1,…,N-1 điều chế một tần số. Sau bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) ta được được các mẫu tín hiệu x(m). Sau đó các tín hiệu này điều chế trên một sóng mang và được phát đi lần lượt.
Giống như OFDM, giá trị của N là một lũy thừa cơ số hai (N=2k trong đó k là một số nguyên) để có thể xử lý FFT theo cơ số hai với độ phức tạp thấp và P=N/Q là một ước số nguyên của N và Q được gọi là hệ số trải rộng băng tần của chuỗi kí hiệu. Nếu tất cả các đầu cuối đều phát P kí hiệu trên một khối thì hệ thống có thể xử lí đồng thời Q cuộc truyền dẫn mà không bị nhiễu đồng kênh (CCI).
Máy phát thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu nữa trước khi phát. Quá trình thứ nhất đó là chèn tập kí hiệu với tên gọi là CP với mục đích là đóng vai trò là thời gian kí hiệu để bào vệ hiện tượng nhiễu giữa các khối (IBI) do truyền đa đường. CP được tạo ra bởi việc copy phần cuối khối và đặt vào phần đầu khối để tạo ra tính liên tục của kí hiệu. Việc sử dụng CP có hai lý do, thứ nhất là đóng vai trò là khoảng bảo
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 53 vệ giữa hai khối liền kề. CP có độ dài lớn hơn trải trễ cực đại kênh gây ra để tránh nhiễu IBI.
Ý nghĩa của việc chèn CP được giải thích dưới Hình 2.5. Kênh tán thời do pha đing đa đường một phần tính trực giao giữa các sóng mang con bị mất đi phần đầu kí hiệu SC-FDMA đến sau sẽ chồng lấn lên phần cuối kí hiệu SC-FDMA đến trước. Hậu quả tạo ra nhiễu giữa các kí hiệu ISI và cả nhiễu giữa các sóng mang ICI.
IFFT N điểm Chèn CP FFT T N mẫu Copy và chèn FFT CP T T N + V mẫu
t Khoảng thời gian để lấy tích phân Tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Furier t
Tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ
0 X 1 X 1 P X CP T TFFT
Hình 2.5 Minh họa việc chèn CP
Nhược điểm của chèn CP chính là mất đi một phần công suất khi giải điều chế SC-FDMA. Ngoài ra việc chèn CP cũng gây ra mất băng thông vì tốc độ kí hiệu SC- FDMA giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không đổi.
Một cách khác để giảm CP là giảm khoảng các giữa các sóng mang f tương ứng với tăng TFFT. Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhảy cảm của việc truyền dẫn SC- FDMA với sự thay đổi nhanh của kênh do trải Doppler cao và các kiểu sai số tần số khác
Thứ hai, ý nghĩa việc chèn CP là nó chuyển đổi tích chập tuyến tính rời rạc thời gian và tích chập dịch vòng thời gian rời rạc. Vì thế số liệu được phát qua kênh có thể
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 54 được mô hình như tích chập dịch vòng giữa đáp ứng xung kim và khối dữ liệu được truyền, mà trong miền tần số là nhân theo từng điểm của các mẫu DFT. Khi này để loại bỏ méo kênh, tại máy thu ta chỉ cần chia DFT của tín hiệu thu cho DFT của đáp ứng xung kim theo từng điểm hoặc cũng có thể sử dụng kỹ thuật cân bằng miền tần số phức tạp hơn.
Quá trình thứ hai của máy phát là nó thực hiện hoạt động lọc tuyến tính được đề cập tới như là tạo dạng xung để giảm năng lượng tín hiệu ngoài băng. Một trong các bộ lọc dạng xung được sử dụng thông dụng là bộ lọc Raised-cosin.
Từ hình vẽ trên ta có thể thấy rằng sự khác nhau giữa OFDM và SC-FDMA chỉ khác nhau ở chỗ là SC-FDMA sử dụng thêm bộ DFT tại phía phát trước khi sắp xếp các kí hiệu lên các sóng mang và bộ IDFT tại phía thu trước khi tách sóng các sóng mang. Chính vì thế đôi khi SC-FDMA còn được gọi là DFTspread -OFDM (OFDM được trải phổ bằng DFT) hay điều chế OFDM được mã hóa trước (precoding - OFDM).
Như vậy trong hệ thống SC-FDMA các kí hiệu dữ liệu miền thời gian được truyền sang miền tần số với DFT trước khi thông qua điều chế OFDM. Sự trực giao các người dùng trong miền tần số tương tự như trường hợp OFDMA. Song trong miền thời gian các kí hiệu được xắp sếp lên trên một khung và được truyền liên tiếp trong miền thời gian. Tức là trong miền thời gian sẽ là một kí hiệu được phát đi thay vì các kí hiệu được truyền song song như OFDMA.
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 55 DFT N điểm Sắp xếp sóng mang IDFT M điểm Chèn CP/ PS DAC/ RF
Miền thời gian Miền tần số Miền thời gian
Đơn sóng mang
Hình 2.6. Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA
Nếu kích thước P của DFT bằng kích thước N của IFFT thì các khối DFT và IFFT sẽ loại trừ nhau. Tuy nhiên nếu P<N và các đầu vào IFFT còn lại được đặt bằng không thì tín hiệu đầu ra IFFT sẽ là một tín hiệu có thuộc tính „đơn sóng mang‟, nghĩa là một tín hiệu có thay đổi công suất ít và băng thông phụ thuộc vào P. Nếu coi rằng tần số lấy mẫu tại đầu ra của IFFT là fS thì băng thông chuẩn của tín hiệu phát sẽ là B = (P/N).fS. Vì thế nếu thay đổi kích thước P của khối, thì băng thông tức thời của tín hiệu phát sẽ không thay đổi. Điều này là một lợi ích to lớn khi đó ta có thể ấn định băng thông một cách linh hoạt. Ngoài ra bằng cách dịch chuyển các đầu vào IFFT theo cách sắp xếp đầu ra DFT, ta có thể dịch tín hiệu phát trong miền tần số. Để nhận được mức độ linh hoạt cao theo băng thông tức thời được xác định theo kích thước P của khối DFT, thông thường ta không thể đảm bảo P=2k với k là một số nguyên. Tuy nhiên chừng nào P có thể biểu diễn là tích các số nguyên tố nhỏ. DFT vẫn có thể xử lý FFT không theo cơ số 2 với độ phức tạp thấp. Ví dụ như P=144 có thể được thực hiện bằng cách kết hợp xử lý FFT theo cơ số 2 và cơ số 3 (32.24).
Lợi ích đầu tiên SC-FDMA so với OFDM và cũng là quan trọng nhất chính là PAPR thấp hơn khá nhiều, khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất của bộ khuyếch đại công suất và từ đó tăng vùng phủ. Hình 2.7 cho thấy sự khác nhau PAPR của hai lược đồ truyền dẫn trên.
Học viên thực hiện: Vũ Huy Cƣờng 56 SC-FDMA OFDMA Băng thông: 5MHz Hệ số : 0.3 Điều chế: QPSK Sóng mang con: 128
Hình 2.7 PAPR của SC-FDMA và OFDMA
SC-FDMA OFDMA QPSK 64-QAM Băng thông: 5MHz Hệ số : 0.3 Sóng mang con: 128
Hình 2.8 PAPR với các kiểu điều chế khác nhau
Trong Hình 2.8. ta thấy PAPR của tín hiệu SC-FDMA với kiểu điều chế QPSK và 64-QAM là rất khác nhau trong khi đó với OFDMA thì tương đối không biến đổi. Điều này được giải thích như sau: do các sóng mang của tín hiệu OFDM được điều