3.2.1. OFDM
Kế hoạch truyền dẫn đƣờng xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là đƣợc dựa trên OFDM truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần cĩ sẵn đƣợc chia thành nhiều sĩng mang, đƣợc gọi là các sĩng mang con. Mỗi sĩng mang con đƣợc điều chế độc lập bởi một dịng dữ liệu tốc độ thấp. OFDM cũng đƣợc sử dụng trong WLAN, WIMAX và các cơng nghệ truyền quảng bá nhƣ DVB. OFDM cĩ một số lợi ích nhƣ độ bền của nĩ với pha đing đa đƣờng và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nĩ. Hình 3.1 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM. Trong hình này một tín hiệu với băng thơng 5MHz đƣợc biểu thị, nhƣng nguyên tắc là tƣơng tự nhƣ cho các băng thơng E-UTRAN khác. Các ký hiệu dữ liệu đƣợc điều chế một cách độc lập và đƣợc truyền qua một số lƣợng lớn của các sĩng mang con trực giao đặt gần nhau. Trong E-UTRAN các phƣơng án điều chế cho đƣờng xuống QPSK, 16 QAM và 64 QAM là sẵn cĩ.
Hình 3.1 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM [1]
Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ cĩ thể đƣợc 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 vịng mà đƣợc chèn vào trƣớc mỗi ký hiệu OFDM. Trong thực tế, tín hiệu OFDM cĩ thể đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng IFFT (biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
IFFT chuyển đổi số lƣợng N các ký hiệu dữ liệu phức đƣợc sử dụng nhƣ các phễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian. N điểm IFFT đƣợc minh họa nhƣ trong hình 3.2, nơi mà cĩ a(mN+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sĩng mang con thứ n, trong khoảng thời gian mTm < t ≤ (m+1)Tm
Hình 3.2 Sự tạo ra ký hiệu OFDM cĩ ích sử dụng IFFT [1]
Vector Sm đƣợc xác định là ký hiệu OFDM cĩ ích. Nĩ là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sĩng mang con đƣợc điều chế băng hẹp. Vì vậy, từ một dịng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn đƣợc điều chế một cách độc lập, một dạng sĩng bao gồm N các sĩng mang con trực giao đƣợc hình thành.
Hình 3.3 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng nhƣ là phiễu miền tần số cho IFFT. N điểm các khối miền thời gian thu đƣợc từ IFFT sau đĩ đƣợc xếp theo thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian. Điều này khơng đƣợc biểu diễn trong hình 3.3, nĩ là một quá trình chèn vào tiền tố vịng.
Hình 3.3 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM [1]
Trái ngƣợc với phƣơng thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều ngƣời sử dụng trên băng thơng sẵn cĩ.
a(mN+0) a(mN+1) a(mN+2) ... ... ... a(mN+N-1) mTM time (m+1)TM IFFT sm(0),sm(1),sm(2),....sm(N-1), Tần số Nguồn Điều chế QAM 1:N N luồng ký hiệu 1/Tu ký hiệu /S IFFT Các ký hiệu OFDM 1/Tu ký hiệu /S N:1 Các ký hiệu OFDM cĩ ích Tốc độ ký hiệu QAM=N/Tu ký hiệu/giây
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.4 Cấp phát sĩng mang con cho OFDM & OFDMA [1]
Mỗi ngƣời sử dụng đƣợc ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể. Nhƣ 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 đƣợc lấy về trong đĩ ngƣời sử dụng đƣợc gán với các nguồn tài nguyên thời gian / tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải.
3.2.2. Các tham số OFDMA [1]
Cĩ hai loại cấu trúc khung đƣợc định nghĩa cho E-UTRAN: Cấu trúc khung loại 1 cho chế độ FDD, cấu trúc khung loại 2 cho chế độ TDD.
+ Đối với kiểu cấu trúc khung loại 1, khung vơ tuyến 10ms đƣợc chia thành 20 khe cĩ kích thƣớc nhƣ nhau là 0,5ms. Một khung con bao gồm cĩ 2 khe liên tiếp, nên một khung vơ tuyến chứa 10 khung con. Điều này đƣợc minh họa nhƣ trong hình 3.5 (Ts là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tƣơng ứng với 30,72MHz).
Hình 3.5 Cấu trúc khung loại 1,
+ Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vơ tuyến 10ms bao gồm hai nửa khung với mỗi nửa chiều dài 5ms. Mỗi nửa khung đƣợc chia thành 5 khung con với mỗi khung con 1ms, nhƣ đƣợc thể hiện trong hình 3.6.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.6 Cấu trúc khung loại 2, [1]
Tất cả các khung con mà khơng phải là khung con đặc biệt đƣợc định nghĩa là hai khe cĩ chiều dài 0,5ms cho mỗi khung con. Các khung con đặc biệt bao gồm cĩ ba trƣờng là DwPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng xuống ), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng lên ). Các trƣờng này đã đƣợc biết đến từ TD-SCDMA và đƣợc duy trì trong LTE TDD. DwPTS, GP và UpPTS cĩ chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1ms. Hình 3.7 thể hiện cấu trúc của lƣới tài nguyên đƣờng xuống cho cả FDD và TDD.
Hình 3.7 Lƣới tài nguyên đƣờng xuống [1]
Các sĩng mang con trong LTE cĩ một khoảng cách cố định f = 15kHz trong miền tần số, 12 sĩng mang con hình thành một khối tài nguyên. Kích thƣớc khối tài nguyên là nhƣ nhau với tất cả các băng thơng. Số lƣợng các khối tài nguyên ứng với băng thơng đƣợc liệt kê nhƣ trong bảng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Bảng 3.1 Số lƣợng các khối tài nguyên cho băng thơng LTE khác nhau
Băng thơng kênh
( MHz) 1,4 3 5 10 15 20
Số lƣợng các khối
tài nguyên 6 15 25 50 75 100
(FDD&TDD) Với mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố vịng (CP) đƣợc nối thêm nhƣ là khoảng thời gian bảo vệ. Một khe đƣờng xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, điều này tùy thuộc vào tiền tố vịng đƣợc cấu hình là mở rộng hay bình thƣờng. Tiền tố vịng dài cĩ thể bao phủ các kích thƣớc ơ lớn hơn với sự lan truyền trễ cao hơn của các kênh vơ tuyến. Các chiều dài tiền tố vịng đƣợc lấy mẫu ( đơn vị đo bằng µs ) và đƣợc tĩm tắt trong bảng.
Bảng 3.2 Tham số cấu trúc khung đƣờng xuống ( FDD & TDD )
Cấu hình Kích thƣớc khối tài nguyên RB N SC Số lƣợng các ký hiệu DL N Symbol
Chiều dài tiền tố vịng trong các mẫu Chiều dài tiền tố vịng ở µs Tiền tố vịng bình thƣờng f= 15kHz 12 7 160 cho ký hiệu đầu tiên 144 cho các ký hiệu khác 5,2µs cho ký hiệu đầu tiên. 4,7µs cho các ký hiệu khác. Tiền tố vịng mở rộng f = 15kHz 12 6 512 16,7µs
3.2.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng xuống [1]
Dữ liệu đƣợc cấp phát tới UE theo các khối tài nguyên, ví dụ, một UE cĩ thể đƣợc cấp phát các bội số nguyên của một khối tài nguyên trong miền tần số. Các khối tài nguyên khơng cần phải liền kề với nhau. Trong miền thời gian, quyết định lập biểu cĩ thể bị biến đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms. Quyết định lập biểu đƣợc thực hiện trong các trạm gốc (eNodeB). Các thuật tốn lập biểu cĩ tính đến tình trạng chất lƣợng liên kết vơ tuyến của những ngƣời sử dụng khác nhau, tình trạng can nhiễu tổng thể, chất lƣợng của các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ ƣu tiên, ..v.v. Hình 3.8 cho thấy một ví dụ cho việc cấp phát dữ liệu ngƣời dùng hƣớng xuống cho những ngƣời sử dụng khác nhau ( giả sử cĩ 6 UE ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Dữ liệu ngƣời dùng đƣợc mang trên kênh chia sẻ đƣờng xuống vật lý ( PDSCH).
Hình 3.8 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA [1]
Về nguyên tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, các sĩng mang con trực giao với nhau. Trong LTE khoảng cách sĩng mang con là 15kHz bất kể băng thơng hệ thống là bao nhiêu. Các sĩng 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 đƣợc cung cấp tới bộ chuyển đổi nối tiếp- song song và sau đĩ tiếp tục vào khối IFFT. Mỗi đầu vào của khối IFFT tƣơng ứng là biểu diễn đầu vào cho một sĩng mang con riêng (hoặc thành phần tần số cụ thể của tín hiệu miền thời gian )và cĩ thể đƣợc điều chế độc lập với các sĩng mang con khác. Tiếp sau khối IFFT là đƣợc thêm vào tiền tố vịng mở rộng, nhƣ thể hiện trong hình 3.9.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.9 Phát và thu OFDMA [1]
Các kênh điều khiển hƣớng xuống :
+ Kênh điều khiển đƣờng xuống vật lý (PDCCH) : nĩ phục vụ cho nhiều mục đích. Chủ yếu nĩ đƣợc sử dụng để chuyển các quyết định lập lịch biểu tới các UE riêng lẻ, tức là nĩ cĩ nhiệm vụ lập lịch biểu cho hƣớng lên và hƣớng xuống. PDCCH đƣợc đặt trong ký hiệu OFDM đầu tiên của một khung con. Đối với cấu trúc khung loại 2, PDCCH cũng cĩ thể đƣợc ánh xạ vào 2 ký hiệu OFDM đầu tiên của trƣờng DwPTS.
+ Một kênh chỉ thị dạng điều khiển vật lý (PCFICH) đƣợc mang trên các phần tử tài nguyên đặc trƣng trong ký hiệu OFDM đầu tiên của khung con đƣợc sử dụng để chỉ ra số lƣợng các ký hiệu OFDM cho PDCCH ( cĩ thể là 1, 2, 3, hoặc 4 ký hiệu ). PCFICH là cần thiết bời vì tải trên PDCCH cĩ thể khác nhau, tùy thuộc vào số lƣợng ngƣời sử dụng trong một ơ và các dạng tín hiệu đƣợc truyền trên PDCCH.
+ Thơng tin đƣợc mang trên PDCCH đƣợc gọi là thơng tin điều khiển đƣờng xuống ( DCI). Tùy thuộc vào mục đích của các thơng điệp điều khiển, các dạng khác nhau của DCI sẽ đƣợc xác định.
3.3. Kỹ thuật đa truy nhập cho đƣờng lên LTE SC-FDMA. [1], [2], [3]
Việc truyền OFDMA phải chịu một tỷ lệ cơng suất đỉnh-đến-trung bình (PAPR) cao, điều này cĩ thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sĩng nhúng trong UE. đĩ là, khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần cĩ một bộ khuếch đại cơng suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng thu đƣợc. Bộ khuếch đại cơng suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lƣợng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên hiệu quả cơng suất càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy. 3GPP đã tìm một phƣơng án truyền dẫn khác cho hƣớng lên LTE. SC-FDMA đƣợc chọn bởi vì nĩ kết hợp các kỹ thuật với PAPR thấp của các hệ thống truyền dẫn đơn sĩng mang, nhƣ GSM và CDMA, với khả năng chống đƣợc đa đƣờng và cấp phát tần số linh hoạt của OFDMA.
3.3.1. SC-FDMA
Trong hƣớng đƣờng lên 3GPP sử dụng SC-FDMA ( đa truy nhập phân chia tần số đơn sĩng mang ) cho đa truy nhập hợp lệ cho cả hai chế độ vận hành FDD và TDD kết hợp với tiền tố vịng. Các tín hiệu SC-FDMA cĩ đặc tính PAPR tốt hơn so với tín
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
hiệu OFDMA. Đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA là phƣơng thức truy nhập đƣờng lên LTE. Các đặc điểm PAPR là quan trọng cho kế hoạch hiệu quả về giá thành của các bộ khuyếch đại cơng suất ở UE. Tuy nhiên, việc sử lý tín hiệu SC-FDMA cĩ một số điểm tƣơng đồng với việc xử lý tín hiệu OFDMA, do đĩ các tham số của đƣờng xuống và đƣờng lên cĩ thể đƣợc cân đối.
Cĩ nhiều cách khác nhau để tạo ra một tín hiệu SC-FDMA. DFT-trải-OFDM ( DFT-S-OFDM) đã đƣợc lựa chọn cho E-UTRAN. Nguyên tắc đƣợc minh họa trong hình 3.10. Với DFT-S-OFDM, một DFT kích thƣớc M trƣớc tiên đƣợc áp dụng tới một khối các ký hiệu điều chế M. QPSK,16QAM và 64QAM đƣợc sử dụng nhƣ là các phƣơng án điều chế đƣờng lên E-UTRAN, sau này đƣợc tùy chọn cho UE. DFT biến đổi các ký hiệu điều chế vào miền tần số. Kết quả đƣợc ánh xạ vào các sĩng mang con cĩ sẵn.
Trong đƣờng lên E-UTRAN, chỉ cĩ truyền dẫn tập trung trên các sĩng mang con liên tiếp là đƣợc cho phép. N điểm IFFT nơi mà N->M sau đĩ đƣợc thực hiện nhƣ trong OFDM, tiếp đĩ là thêm tiền tố vịng và chuyển đổi song song thành nối tiếp.
Xử lý DFT là sự khác biệt cơ bản giữa việc tạo tín hiệu SC-FDMA và OFDMA. Điều này đƣợc thể hiện bằng thuật ngữ “DFT-trải-OFDM”. Trong một tín hiệu SC-FDMA, mỗi sĩng mang con đƣợc sử dụng cho việc truyền dẫn thơng tin bao gồm tất cả các ký hiệu điều chế đƣợc truyền, kể từ khi dịng dữ liệu đầu vào đƣợc lan truyền bởi sự biến đổi DFT qua các sĩng mang con sẵn cĩ. Trái ngƣợc với điều này, mỗi sĩng mang con trong một tín hiệu OFDMA chỉ mang thơng tin liên quan tới các ký hiệu điều chế cụ thể.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.10 Sơ đồ khối DFT-S-OFDM [1]
3.3.2. Các tham số SC-FDMA
Cấu trúc đƣờng lên LTE cũng tƣơng tự nhƣ đƣờng xuống. trong cấu trúc khung loại 1, một khung vơ tuyến đƣờng lên bao gồm 20 khe với mỗi khe cĩ chiều dài 0,5ms, và một khung con cĩ hai khe. Cấu trúc khe đƣờng thể hiện nhƣ hình 3.11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 3.11 Lƣới tài nguyên đƣờng lên [1]
Trong cấu trúc khung loại 2 bao gồm mƣời khung con, nhƣng một hoặc hai trong số đĩ là khung đặc biệt, chúng bao gồm các trƣờng DwPTS, GP và UpPTS. Mỗi khe mang 7 ký hiệu SC-FDMA trong trƣờng hợp cấu hình tiền tố vịng thơng thƣờng, và 6 ký hiệu SC-FDMA trong trƣờng hợp cấu hình tiền tố vịng mở rộng. Ký hiệu SC- FDMA số 3 (ký hiệu thứ 4 trong một khe) mang tín hiệu chuẩn cho việc giải điều chế kênh.
Bảng 3.3 Hiển thị các thơng số cấu hình tổng quan.
Cấu hình Số các ký N UL Symbol Độ dài tiền tố vịng trong các mẫu thử Độ dài tiền tố vịng trong µs Tiền tố vịng bình thƣờng f= 15kHz 7 160 cho ký hiệu đầu tiên 144 cho các ký hiệu khác 5,2µs cho ký hiệu đầu tiên. 4,7µs cho các ký hiệu khác. Tiền tố vịng mở rộng
f = 15kHz 6 512
16,7µs
3.3.3. Truyền dẫn dữ liệu hƣớng lên
Lập kế hoạch nguồn tài nguyên hƣớng lên đƣợc thực hiện bởi eNodeB. eNodeB sẽ cấp các tài nguyên thời gian/tần số nhất định cho các UE và các UE thơng báo về các dạng truyền tải mà nĩ sử dụng. Các quyết định lập lịch biểu cĩ thể dựa trên các thơng số QoS, tình trạng bộ nhớ đệm của UE, các thơng số chất lƣợng kênh đƣờng lên, khả năng của UE, các đo đạc khoảng cách của UE, …v.v.
Xuất phát từ UE việc cấp phát tài nguyên đƣờng lên cũng nhƣ thơng tin nhảy tần từ việc trợ cấp lập lịch biểu hƣớng lên đĩ là đƣợc nhận trƣớc bốn khung con. DCI (thơng tin điều khiển hƣớng xuống ) dạng 0 là đƣợc sử dụng trên PDCCH để vận chuyển trợ cấp lập lịch biểu hƣớng lên.
Việc phát tín hiệu trong miền tần số đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 3.12. Bổ sung thêm cho OFDMA thuộc tính của dạng sĩng phổ tốt hơn trái ngƣợc với việc phát tín hiệu trong miền thời gian với một bộ điều chế QAM thơng thƣờng. Do đĩ nhu cầu về băng tần bảo vệ giữa các ngƣời dùng khác nhau là cĩ thể tránh đƣợc, tƣơng tự nhƣ nguyên lý đƣờng xuống của OFDMA. Nhƣ trong hệ thống OFDMA, một tiền tố vịng cũng đƣợc thêm vào theo định kỳ, nhƣng khơng phải sau mỗi ký hiệu nhƣ là tốc độ ký hiệu là nhanh hơn trong miền thời gian so với trong OFDMA, để cho việc truyền dữ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
liệu cĩ thể ngăn ngừa đƣợc nhiễu liên ký tự và để đơn giản hĩa việc thiết kế máy thu. Máy thu vẫn cần phải đối phĩ với nhiễu liên ký tự nhƣ là tiền tố vịng bây giờ sẽ ngăn cản nhiễu liên ký tự giữa một khối các ký hiệu, do đĩ sẽ vẫn cịn nhiễu liên ký tự giữa các tiền tố vịng. Do đĩ máy thu sẽ chạy bộ cân bằng cho một khối các ký hiệu cho đến khi đạt đƣợc tiền tố vịng mà ngăn chặn sự lan truyền nhiễu liên ký tự sau đĩ.
Hình 3.12 Phát & thu hƣớng lên LTE [1]
LTE hỗ trợ cả hai đĩ là nhảy tần bên trong và liên khung con. Nĩ đƣợc cấu hình