2.3 .Sơ đồ đường lờn của E-UTRAN
2.3.1 Nguyờn lý truyền dẫn SC-FDMA
2.3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA
Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA và OFDMA tương ứng được cho Hỡnh 2.15 với cỏc kớ hiệu được sử dụng:
UTRAN
xp: Kớ hiệu số liệu thứ p (p = 0,1,2,…,P-1) trong khối số liệu đầu vào SC- FDMA.
Xn: Mẫu thứ n (n = 0,1,2,…,N-1) trong miền tần số của tớn hiệu đầu ra của DFT.
Xi: Súng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) được điều chế trong miền tần số tại đầu vào bộ IFFT.
xi: Súng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) của tớn hiệu OFDM trong miền thời gian tại đầu vào bộ IFFT.
xi,k(m): Mẫu thứ m (m = 0,1,2,…,N-1) của tớn hiệu OFDM tại đầu ra của bộ biến đổi từ song song vào nối tiếp tại thời điểm k, với k là một số nguyờn cú gớ trị từ
−∞ tới +∞
UTRAN
a. Mỏy phỏt SC-FDMA
Bộ phỏt của một hệ thống SC-FDMA chuyển cỏc tớn hiệu nhị phõn đầu vào thành một chuỗi cỏc súng mang điều chế. Xử lý tớn hiệu được thực hiện theo từng khối kớ hiệu điều chế. Mỗi khối bao gồm P kớ hiệu trong đú mỗi kớ hiệu cú độ dài là Tsmod. Do đú một khối cú khoảng thời gian là P.Tsmod. Tại đầu vào bộ điều chế băng gốc biến đổi đầu vào nhị phõn thành một chuỗi nhiều mức cỏc số phức và nhúm chỳng thành cỏc khối kớ hiệu (p = 0, 1, …, P-1) cú khuụn dạng của một trong cỏc sơ đồ điều chế BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM. Bước thứ nhất trong quỏ trỡnh điều chế DFT- OFDM là thực hiện biến đổi Furier rời rạc (DFT) kớch thước P để tạo ra thể hiện miền tần số của cỏc kớ hiệu đầu vào, trong đú n = 0, 1,…, P-1 và P<N. Sau đú tập súng mang con được điều chế kết hợp với N-P cỏc súng mang con rỗng để tạo ra tập cỏc súng mang con được điều chế trong miền tần số với i = 0,1,…N-1 đưa lờn đầu vào bộ IFFT. Sau đầu ra bộ IFFT ta được tập cỏc súng mang con được điều chế trong miền thời gian tại đầu ra IFFT. Khi này mỗi 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 cỏc mẫu tớn hiệu x(m). Sau đú cỏc tớn hiệu này điều chế trờn một súng mang và được phỏt đi lần lượt.
Giống như OFDM, giỏ trị của N là một lũy thừa cơ số hai (N=2k trong đú k là một số nguyờn) để cú thể xử lý FFT theo cơ số hai với độ phức tạp thấp và P=N/Q là một ước số nguyờn của N và Q được gọi là hệ số trải rộng băng tần của chuỗi kớ hiệu. Nếu tất cả cỏc đầu cuối đều phỏt P kớ hiệu trờn một khối thỡ hệ thống cú thể xử lớ đồng thời Q cuộc truyền dẫn mà khụng bị nhiễu đồng kờnh (CCI).
Mỏy phỏt thực hiện hai quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu nữa trước khi phỏt. Quỏ trỡnh thứ nhất đú là chốn tập kớ hiệu với tờn gọi là CP với mục đớch là đúng vai trũ là thời gian kớ hiệu để bào vệ hiện tượng nhiễu giữa cỏc 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 tớnh liờn tục của kớ hiệu. Việc sử dụng CP cú hai lý do, thứ nhất là đúng vai trũ là khoảng bảo vệ giữa hai khối liền kề. CP cú độ dài lớn hơn trải trễ cực đại kờnh gõy ra để trỏnh nhiễu IBI.
í nghĩa của việc chốn CP được giải thớch dưới Hỡnh 2.16. Kờnh tỏn thời do pha đing đa đường một phần tớnh trực giao giữa cỏc súng mang con bị mất đi phần đầu kớ hiệu SC-FDMA đến sau sẽ chồng lấn lờn phần cuối kớ hiệu SC-FDMA đến trước. Hậu quả tạo ra nhiễu giữa cỏc kớ hiệu ISI và cả nhiễu giữa cỏc súng mang ICI.
UTRAN
Hỡnh 2.16. Minh họa việc chốn CP
Nhược điểm của chốn CP chớnh là mất đi một phần cụng suất khi giải điều chế SC-FDMA. Ngoài ra việc chốn CP cũng gõy ra mất băng thụng vỡ tốc độ kớ hiệu SC- FDMA giảm trong khi độ rộng băng tần của tớn hiệu khụng đổi.
Một cỏch khỏc để giảm CP là giảm khoảng cỏc giữa cỏc súng mang ∆f tương
ứng với tăng TFFT. Tuy nhiờn cỏch này làm tăng độ nhảy cảm của việc truyền dẫn SC- FDMA với sự thay đổi nhanh của kờnh do trải Doppler cao và cỏc kiểu sai số tần số khỏc
Thứ hai, ý nghĩa việc chốn CP là nú chuyển đổi tớch chập tuyến tớnh rời rạc thời gian và tớch chập dịch vũng thời gian rời rạc. Vỡ thế số liệu được phỏt qua kờnh cú thể được mụ hỡnh như tớch chập dịch vũng giữa đỏp ứng xung kim và khối dữ liệu được truyền, mà trong miền tần số là nhõn theo từng điểm của cỏc mẫu DFT. Khi này để loại bỏ mộo kờnh, tại mỏy thu ta chỉ cần chia DFT của tớn hiệu thu cho DFT của đỏp ứng xung kim theo từng điểm hoặc cũng cú thể sử dụng kỹ thuật cõn bằng miền tần số phức tạp hơn.
Quỏ trỡnh thứ hai của mỏy phỏt là nú thực hiện hoạt động lọc tuyến tớnh được đề cập tới như là tạo dạng xung để giảm năng lượng tớn hiệu ngoài băng. Một trong
UTRAN
cỏc bộ lọc dạng xung được sử dụng thụng dụng là bộ lọc Raised-cosin được trỡnh bày chi tiết phần sau.
Từ hỡnh vẽ trờn ta cú thể thấy rằng sự khỏc nhau giữa OFDM và SC-FDMA chỉ khỏc nhau ở chỗ là SC-FDMA sử dụng thờm bộ DFT tại phớa phỏt trước khi sắp xếp cỏc kớ hiệu lờn cỏc súng mang và bộ IDFT tại phớa thu trước khi tỏch súng cỏc súng mang. Chớnh vỡ thế đụi khi SC-FDMA cũn được gọi là DFTspread -OFDM (OFDM được trải phổ bằng DFT) hay điều chế OFDM được mó húa trước (precoding - OFDM).
Như vậy trong hệ thống SC-FDMA cỏc kớ hiệu dữ liệu miền thời gian được truyền sang miền tần số với DFT trước khi thụng qua điều chế OFDM. Sự trực giao cỏc người dựng trong miền tần số tương tự như trường hợp OFDMA. Song trong miền thời gian cỏc kớ hiệu được xắp sếp lờn trờn một khung và được truyền liờn tiếp trong miền thời gian. Tức là trong miền thời gian sẽ là một kớ hiệu được phỏt đi thay vỡ cỏc kớ hiệu được truyền song song như OFDMA.
Hỡnh 2.17. Thuộc tớnh đơn súng mang của SC-FDMA
Nếu kớch thước P của DFT bằng kớch thước N của IFFT thỡ cỏc khối DFT và IFFT sẽ loại trừ nhau. Tuy nhiờn nếu P<N và cỏc đầu vào IFFT cũn lại được đặt bằng khụng thỡ tớn hiệu đầu ra IFFT sẽ là một tớn hiệu cú thuộc tớnh ‘đơn súng mang’, nghĩa là một tớn hiệu cú thay đổi cụng suất ớt và băng thụng phụ thuộc vào P. Nếu coi rằng tần số lấy mẫu tại đầu ra của IFFT là fS thỡ băng thụng chuẩn của tớn hiệu phỏt sẽ là B = (P/N).fS. Vỡ thế nếu thay đổi kớch thước P của khối, thỡ băng thụng tức thời của tớn hiệu phỏt sẽ khụng thay đổi. Điều này là một lợi ớch to lớn khi đú ta cú thể ấn định băng thụng một cỏch linh hoạt. Ngoài ra bằng cỏch dịch chuyển cỏc đầu vào IFFT
UTRAN
theo cỏch sắp xếp đầu ra DFT, ta cú thể dịch tớn hiệu phỏt trong miền tần số. Để nhận được mức độ linh hoạt cao theo băng thụng tức thời được xỏc định theo kớch thước P của khối DFT, thụng thường ta khụng thể đảm bảo P=2k với k là một số nguyờn. Tuy nhiờn chừng nào P cú thể biểu diễn là tớch cỏc số nguyờn tố nhỏ. DFT vẫn cú thể xử lý FFT khụng theo cơ số 2 với độ phức tạp thấp. Vớ dụ như P=144 cú thể được thực hiện bằng cỏch kết hợp xử lý FFT theo cơ số 2 và cơ số 3 (32.24).
Lợi ớch đầu tiờn SC-FDMA so với OFDM và cũng là quan trọng nhất chớnh là PAPR thấp hơn khỏ nhiều, khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất của bộ khuyếch đại cụng suất và từ đú tăng vựng phủ. Hỡnh 2.18 cho thấy sự khỏc nhau PAPR của hai lược đồ truyền dẫn trờn.
UTRAN
Hỡnh 2.19. PAPR với cỏc kiểu điều chế khỏc nhau
Trong Hỡnh 2.19. ta thấy PAPR của tớn hiệu SC-FDMA với kiểu điều chế QPSK và 64-QAM là rất khỏc nhau trong khi đú với OFDMA thỡ tương đối khụng biến đổi. Điều này được giải thớch như sau: do cỏc súng mang của tớn hiệu OFDM được điều chế và phỏt đi độc lập với nhau vỡ thế cụng suất tức thời cú dạng phõn bố gần như dạng hàm mũ do đú phụ thuộc khỏ ớt vào dạng sơ đồ điều chế. Trong khi đú SC-FDMA do thuộc tớnh đơn súng mang cỏc súng mang được phỏt mang lần lượt cỏc kớ hiệu nờn nú phụ thuộc khỏ lớn vào dạng điều chế.
b. Mỏy thu SC-FDMA
Mỏy thu SC-FDMA thực hiện cỏc quỏ trỡnh ngược với mỏy phỏt như đó nờu trờn. Trước hết xử lý FFT kớch thước N được thực hiện, tiếp theo là loại bỏ cỏc mẫu tần số khụng liờn quan tới tớn hiệu cần thu, sau đú cỏc tớn hiệu qua bộ cõn bằng miền tần số để bự trừ tớnh chọn lọc tần số của kờnh, mỏy thu SC-FDMA sử dụng bộ cõn bằng miền tần số tuyến tớnh ớt phức tạp hơn. Cuối cựng là xử lý DFT ngược kớch thước P sau đú thực hiện tỏch súng.
2.3.1.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ
Tớn hiệu SC-FDMA được tạo ra trong cỏc phần trước là cú dạng hỡnh chữ nhật. Để giảm hơn nữa sự biến thiờn của tớn hiệu SC-FDMA, giảm bức năng lượng tớn hiệu ngoài băng, cú thể thực hiện tạo dạng phổ thớch hợp cho tớn hiệu này. Sơ đồ được cho Hỡnh 2.20 dưới đõy.
Hỡnh 2.20. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tớn hiệu SC-FDMA
Sau xử lý DFT kớch thước P cho cỏc kớ hiệu điều chế, tớn hiệu được định kỡ trải rộng trong miền tần số. Sau đú quỏ trỡnh tạo dạng phổ được thực hiện bằng cỏch nhõn
UTRAN
cỏc mẫu tần số với hàm tạo dạng phổ. Hàm tạo dạng phổ thụng thường là hàm Raise- cosin. Miền tần số và miền thời gian của hàm cú thể được cho như sau:
Miền tần số: 1 0 | | 2 1 1 1 ( ) 1 os (| | ) | | 2 2 2 2 1 0 | | 2 T f T T T P f c f f T T T f T α π α α α α α − ≤ ≤ − − + = + − ≤ ≤ + ≥ (2.17)
Miền thời gian:
2 2 2 sin( / ) os( / ) ( ) . / 1 4 / t T c t T P t t T t T π απ π α = − (2.18)
T là chu kỡ kớ hiệu cũn là hệ số dốc (Rolloff). thay đổi từ 0-1, nú điều khiển sự bức xạ ngoài băng. nếu = 0, khụng tạo ra bức xạ ngoài băng, nếu tăng bức xạ ngoài băng tăng, trong miền thời gian xung cú thựy vựng cao hơn khi tiến gần tới 0 và điều này tăng cụng suất đỉnh cho phỏt tớn hiệu sau dạng phổ. Sau khi tớn hiệu được trải phổ sẽ được đưa lờn bộ IFFT. Và chốn thờm CP như đó trỡnh bày ở trờn.
UTRAN
Hỡnh 2.21. Cho thấy tạo dạng phổ cho phộp giảm hơn nữa sự biến đổi cụng suất của tớn hiệu phỏt nhờ vậy đạt đươc hiệu suất của bộ khuyếch đại cụng suất cao hơn. Tuy nhiờn nhược điểm của tạo dạng phổ là giảm hiệu suất sử dụng phổ tần do phổ trở lờn rộng hơn trong khi băng thụng khụng đổi. Vớ dụ như trờn hỡnh vẽ trờn minh họa cho trường hợp hệ số α = 0.15 cú nghĩa băng thụng là tăng thờm 15% so với khụng
tạo dạng phổ. Vỡ thế tạo dạng phổ chỉ ỏp dụng cho cỏc trường hợp bị hạn chế cụng suất khi cụng suõt phỏt chứ khụng phải là do phổ tài nguyờn hiếm. Khi này việc thay đổi cụng suất phỏt nhờ tạo dạng phổ cho phộp cải thiện cự ly đường truyền.
Hỡnh 2.22. Miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-cosin 2.3.2. Sắp xếp cỏc súng mang
Giống như OFDMA, Thụng lượng của SC-FDMA phụ thuộc vào cỏch sắp đặt cỏc ký hiệu thụng tin lờn cỏc súng mang con. Cú hai cỏch sắp xếp cỏc súng mang con giữa cỏc mỏy đầu cuối. Đú là khoanh vựng (LFDMA: Localized SC-FDMA) và phõn bố (DFDMA: Distributed FDMA).
Trong SC-FDMA khoanh vựng (LFDMA: Localized SC-FDMA), mỗi đầu cuối sử dụng một tập súng mang con liền kề để phỏt đi ký hiệu của mỡnh. Vỡ thế băng thụng truyền dẫn LFDMA bằng một phần băng thụng hệ thống.
Trong SC-FDMA phõn bố (DFDMA: Distributed FDMA), cỏc súng mang dành cho một đầu cuối được phõn bố trờn toàn bộ băng tần tớn hiệu. Một phương ỏn của DFDMA được gọi là FDMA đan xen (IFDMA: Interleaved SC-FDMA), trong đú cỏc súng mang con được chiếm cỏch đều nhau trường hợp N = Q.P.
UTRAN
Hỡnh 2.23 cho thấy hai cỏch sắp xếp núi trờn, trong đú cú ba đầu cuối, mỗi đầu cuối phỏt đi cỏc ký hiệu trờn bốn súng mang con trong một hệ thống cú 12 súng mang con. Trờn hỡnh 2.23, trong cỏc sắp xếp IFDMA đầu cuối một sử dụng cỏc súng mang con số 0, 3, 6 và 9 cũn trong cỏc sắp xếp LFDMA đầu cuối một sử dụng cỏc súng mang con số 0, 1, 2, 3.
Hỡnh 2.23. Sắp xếp cỏc súng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA
Hỡnh 2.24. Hai phương phỏp cấp phỏt cho cỏc người dựng (3 người dựng, 12 súng
mang, 4 song mang/ người dựng)
Xột về khả năng đề khỏng đối với lỗi truyền dẫn (điều này ảnh hưởng lờn thụng lượng), SC-FDMA phõn bố cú khả năng đề khỏng pha đinh chọn lọc tần số tốt hơn SC-FDMA khoanh vựng vỡ thụng tin cần truyền được trải rộng trờn toàn bộ băng tần tớn hiệu. Do vậy nú sẽ cung cấp khả năng phõn tập tần số. Trỏi lại LFDMA cho phộp đạt được phõn tập người sử dụng khi xẩy ra pha đinh chọn lọc tần số nếu nú ấn định
UTRAN
cho từng người sử dụng phần băng tần trong đú người sử dụng này cú đặc trưng truyền dẫn tốt nhất (độ lợi kờnh cao).
Một vớ dụ sau trong miền tần số cho N=12 (tổng số súng mang con), Q=3 (hệ số trải phổ băng), P = 4 (kớch thước khối dữ liệu )
Hỡnh 2.25. Minh họa sắp xếp súng mang theo cỏc kiểu sắp xếp của SC-FDMA.
Đối với IFDMA, cỏc kớ hiệu thời gian chỉ là lặp lại của cỏc kớ hiệu đầu vào gốc với quay pha hệ thống được ỏp dụng cho từng kớ hiệu trong miền thơi gian, vỡ thế PAPR của kớ hiệu SC-FDMA giống như trường hợp tớn hiệu đơn súng mang thụng thường. Trong trường hợp LFDMA, tớn hiệu thời gian là cỏc bản sao chớnh xỏc của cỏc kớ hiệu thời gian đầu vào trong P vị trớ mẫu. N-P là tổng cú trọng số của tất cả cỏc kớ hiệu trong khối vào.
2.3.3. Biểu diễn tớn hiệu SC-FDMA miền thời gian2.3.3.1. IFDMA trong miền thời gian 2.3.3.1. IFDMA trong miền thời gian
Ta cú thể biểu diễn tớn hiệu IFDMA trong miền thời gian như sau:
1 2 0 ( ) . i N j m N i i x m − X e π = =∑ (2.19)
UTRAN Trong đú . (0 1) 0 khỏc n i X i Q n n P X = ≤ ≤ − = (2.20) Với m = P.q+p và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.21) Theo như trong vớ dụ trờn ta cú thể cho vớ dụ là N=12 là kớch thước FFT với tổng số 12 súng mang con, và cú ba người sử dụng mỗi người sử dụng dược cấp phỏt bốn súng mang con cho bốn kớ hiệu điều chế đầu vào.
Xi=0 = Xn=0 ; Xi=3 = Xn=1 ; Xi=6 = Xn=2 ; Xi=9 = Xn=3;
1 2 1 2 0 0 ( ) . . i n N j m P j m N P i n i n x m − X e π − X e π = = = ∑ = ∑ (2.22) . 1 2 ( . ) 1 2 2 0 0 . . n n p P j P q p P j nq j P P n n n n X e π X e π π − + − + = = = ∑ = ∑ (2.23) Với q = 0 ta được: 1 2 0 ( ) . n P j p P n p n x m − X e π x = =∑ = (2.24) Từ phương trỡnh (2.24) ta cú thể thấy rằng tớn hiệu sau biến đổi IFFT theo thời gian là khụng khỏc gỡ tớn hiệu đầu vào (xp). Hỡnh 2.26 minh họa việc truyền dẫn cỏc kớ hiệu IFDMA theo thời gian. Từ hỡnh vẽ này ta cú thể thấy rằng cỏc kớ hiệu được