∗ PUCCH (Physical Uplink Control Channel): Kênh điều khiển đường lên.
Có chức năng là gửi và nhận Hybrid ARQ.
∗ PUSCH (Physical Uplink Shared Channel): Kênh chia sẻ đường lên. Đây
là kênh vật lý được tìm thấy trên các đường lên LTE là bản sao đường lên của PDSCH.
∗ PRACH) (Physical Random Access Channel): Kênh này được sử dụng
Chương 3. Truy nhập vô tuyến trong công nghệ trong LTE
Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về cấu trúc hệ thống và chức năng các thành phần trong hệ thống LTE.
Trong chương này sẽ giúp chúng ta hiểu được các phương thức truy nhập vô tuyến của mạng.
Công nghệ LTE hỗ trợ truy nhập đường lên và đường xuống theo hai phương thức khác nhau:
Đường lên sử dụng phương thức đa truy nhập sóng đơn SC-FDMA; Đường xuống sử dụng phương thức đa truy nhập sóng mang OFDMA. Ở phía thu và phía phát sử dụng công nghệ MIMO.
Hình 3.1. OFDM và SC-FDMA
3.1 Truy nhập đường xuống
3.1.1. Khái quát về công nghệ OFDM.
Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở
các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
- Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa chúng, làm giảm chất lượng thông tin.
- OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao. Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Như vậy trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Như vậy mỗi sóng mang sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau.
- Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp các dòng dữ liệu thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm:
- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
- Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản . - Hiệu quả sử dụng phổ rất cao.
- Khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây)
- Dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua , không sử dụng).
- Tốc độ truyền tải lên và tải xuống có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng .
- Sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài .
- OFDM cung cấp khả năng truy nhập vào miền tần số, bằng cách thiết lập một độ tự do bổ sung (degree of fredom) cho khối hoạch định phụ thuộc kênh truyền (channel dependent scheduler) so với HSPA.
- 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 phụ để truyền đi. Tuy nhiên chú ý rằng là việc hỗ trợ nhiều phân bố phổ đòi hỏi cần phải có bộ lọc RF linh hoạt (flexible RF filtering) khi đó thì sơ đồ truyền dẫn chính xác là không thích hợp.
Tuy nhiên, việc duy trì cấu trúc xử lý băng tần cơ sở giống nhau (the same base band processing structure), không phụ thuộc băng thông sẽ nới lỏng việc triển khai đầu cuối.
- Hỗ trợ dễ dàng cho việc truyền dẫn broadcast/mulitcast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc.
- Ngoài ra OFDM có thể được sử dụng trong cả hai định dạng FDD và TDD đây là một lợi thế trong việc triển khai mạng sau này.
3.1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM
- Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng
mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống.
- Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
- Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Hình 3.2. So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)
Tần số Ch.1 0 Ch.1
(a)
Tiết kiệm băng thông
Tần số (b)
- Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.
- Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên một số Nn sóng mang con (Nn có thể điều chỉnh được tùy theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như FDM. Các sóng mang con trong OFDM có dải thông nhỏ hơn nhiều so với sóng mang con sử dụng trong kỹ thuật FDM. Nn sóng mang con tạo thành một nhóm và ta gọi là tín hiệu OFDM. Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng mang này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI ( nhiễu xuyên kênh ) do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm. Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
Sơ đồ hệ thống OFDM Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống OFDM Nhị Phâ n D ữ li ệ u + S/P Loại bỏ dải bảo vệ DFT Ước lượng kênh P/s Sắp xếp lại Sắp
xếp S/P Chènpilot IDF
T
Chèn dải
bảo vệ P/S Kênh
AWGN
Dữ Liệu ra
∗ Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Phía phát
- Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song(S/P: Serial/Parrallel).
- Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.
- Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
- Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường.
- Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN.
Phía thu
- Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization).
- Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Hình 3.4. Symbol OFDM với 4 subscriber
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.
- Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.
- Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất.
- Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.
Hình 3.5. Phổ của sóng mang con OFDM
3.1.3 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
Bảng 3.1. Các dạng điều chế được sử dụng trong OFDM
M Dạng điều chế An,Bn
2 BPSK 1, -1
4 QPSK 1, -1
16 16- QAM 1, -1, 3,-3
64 64 QAM 1, -1,3,-3,5,-5,7,-7
Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
3.1.3.1 Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau
Hay
Trong đó, Tb: Độ rộng của 1bit. Eb: Năng lượng của 1 bit.
θ (t): góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế.
θ: góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0.
i = 1: tương ứng với symbol 0 i = 2: tương ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực.
Khi đó
Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N =1) với
hai điểm bản tin (M=2) như hình sau:
Hình 3.6. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK
Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN ), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:
Trong đó, Eb: Năng lượng bit.
N0: Mật độ nhiễu trắng cộng.
3.1.3.2 Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
Eb Eb
S2 S1 F
0 -
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E: năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự. Khai triển s(t) ta được:
Chọn các hàm năng lượng trực trực chuẩn như sau :
Khi đó,
Bảng 3.2. Mối quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian
Cặp bit vào Pha của tín hiệu QPSK
Điểm tín hiệu Si
Tọa độ các điểm bản tin
1 φ φ1 00 4 Π S1 E/2 - E/2 01 4 3Π S2 E/2 - E/2 11 4 5Π S3 - E/2 - E/2 10 4 7Π S4 - E/2 E/2
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào - E còn logic '0' thì biến đổi vào E. Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai tươngứng và được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
3.1.3.3. Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:
Trong đó,
E0: năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
ai , bi: cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc".