cỏc ký hiệu trong miền thời gian sau khi thực hiện IDFT X l%l( =0,1,...,N−1). Ta biểu diễn tớn hiệu phỏt băng thụng phức của SC-FDMA là x t( ) cho một khối dữ liệu như sau:
( ) 1 ( ) 0 c N j t n n x t eω − x p t nT = = ∑% − % (1.13) Trong đú ωc là tần số súng mang của hệ thống, p t( ) là xung băng tần cơ sở và T% là chu kỳ của ký hiệu được phỏt x%n. Ta định nghĩa PAPR cho tớn hiệu phỏt x t( ) như sau:
( ) ( ) ( )( ) 2 0 2 0 max 1 t NT NT x t x t PAPR x t x t dt NT ≤ ≤ = = ∫ % % %
Công suất đỉnh của
Công suất trung b ì nh của (1.14)
Nếu khụng định dạng xung, việc lấy mẫu ký hiệu sẽ cho cựng một giỏ trị PAPR như với trường hợp liờn tục vỡ tớn hiệu SC-FDMA được điều chế trờn một súng mang đơn. Do đú, ta cú thể biểu diễn PAPR với trường hợp khụng định dạng xung như sau:
2 0,1,..., 1 1 2 0 max 1 n n N N n n x PAPR x N = − − = = ∑ % % (1.15) Thể hiện trực quan cỏc đặc tớnh cụng suất đỉnh của tớn hiệu SC-FDMA và so sỏnh nú với OFDMA sẽ được trỡnh bày ở chuwong trỡnh và cỏc kết quả mụ phỏng trong chương 4.
1.4. Tổng kết
Trong chương này, ta đó trỡnh bày về kỹ thuật SC-FDMA. OFDM và SC/FDE là hai kỹ thuật xử lý tớn hiệu trong miền tần số khỏ giống nhau về cỏc thành phần cấu trỳc nhưng hoạt động lại khỏc nhau, SC/FDE cú thờm cỏc bộ cõn bằng kờnh ở phớa thu. Về mặt cấu trỳc hệ thống, SC-FDMA khỏc với OFDMA là cú thờm khối DFT ở phớa phỏt và IDFT ở phớa thu. SC-FDMA cú hai mụ hỡnh sắp xếp súng mang con là FDMA cục bộ (L- FDMA) và FDMA phõn tỏn (D-FDMA) với trường hợp đặc biệt là FDMA đan xen (IFDMA). Ưu điểm của SC-FDMA là cú tỷ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh (PAPR) thấp hơn so với OFDMA. Đõy cũng là lý do chớnh để SC-FDMA được lựa chọn là cụng nghệ đa truy nhập ở đường lờn trong hệ thống 3GPP-LTE.
CHƯƠNG 2
SC-FDMA TRONG 3GPP LTE
2.1. Giới thiệu chung
Đa truy nhập phõn chia theo tần số đơn súng mang (SC-FDMA) được chấp nhận bởi dự ỏn đối tỏc 3G (3GPP) [7] cho truyền dẫn đường lờn trong cụng nghệ được chuẩn húa cho sự phỏt triển dài hạn (LTE) của cỏc hệ thống tế bào. 3GPP phỏt hành cỏc tiờu chuẩn cho cỏc hệ thống tế bào được xõy dựng dựa trờn GSM là hệ thống tế bào thế hệ thứ hai đó được chấp nhận bởi hàng trăm cỏc cụng ty đang hoạt động và được sử dụng bởi hàng tỷ người trờn thế giới. Thành cụng của thế hệ thứ ba so với GSM thường được núi đến là truy nhập vụ tuyến mặt đất toàn cầu (UTRA) và dựa trờn đa truy nhập phõn chia theo mó băng rộng (W-CDMA) cho truyền dẫn vụ tuyến băng tần 5MHz. Cụng nghệ LTE cũn được gọi là UTRA tăng cường (E-UTRA). LTE sử dụng ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao (OFDM) ở đường xuống và SC-FDMA cho đường lờn. LTE chỉ định cỏc độ rộng băng tần truyền dẫn trong khoảng từ 1,4MHz đến 20MHz. Sự lựa chọn cỏc cụng nghệ truyền dẫn này đặt cỏc hoạt động phức tạp của việc cõn bằng trong miền tần số (trong SC-FDMA) và cỏc bộ khuếch đại cụng suất tuyến tớnh (trong OFDMA) được thực hiện tại trạm gốc. Cả UTRA và E-UTRA đều được cỏc nhập vào nhiều tiờu chuẩn mạng lừi mà ban đầu được lập lờn cho GSM.
Trong chương này, phần 2.2 sẽ trỡnh bày khỏi quỏt về hệ thống 3GPP LTE. Phần 2.3 sẽ đề cập đến lớp vật lý và cỏc kờnh ở giao diện vụ tuyến của LTE. Cấu trỳc trong miền thời gian và tần số của đường lờn sẽ được trỡnh bày trong phần 2.4 bao gồm cấu trỳc khe thời gian, khung và khối tài nguyờn. Phần 2.5 mụ tả cỏc bước xử lý kờnh đường lờn cơ sở và cấu trỳc của cỏc tớn hiệu tham chiếu (hoa tiờu) sẽ được núi đến trong phần 2.6.
2.2. Khỏi quỏt về 3GPP LTE
2.2.1. Cỏc thế hệ mạng thụng tin di dộng
Cỏc hệ thống thế hệ thứ nhất được giới thiệu vào đầu những năm 1980 được đặc trưng bởi truyền dẫn thoại tương tự. Cụng nghệ thế hệ thứ hai được triển khai vào những năm 1990, truyền tải cỏc tớn hiệu thoại dưới khuụn dạng số. Trước khi cỏc hệ thống thế hệ thứ hai được thương mại húa, cỏc cụng nghệ hướng đến thế hệ thứ ba đó được chỳ ý với cỏc mục tiờu nõng cao tốc độ dữ liệu, hiệu quả sử dụng phổ lớn hơn và bổ sung cỏc dịch vụ thụng tin bờn cạnh dịch vụ thoại. Năm 1985, Hiệp hội Viễn thụng Quốc tế (ITU) đó
khởi động cỏc nghiờn cứu về cỏc hệ thống viễn thụng mặt đất cụng cộng trong tương lai [7]. Mười lăm năm sau, tiờu chuẩn IMT-2000 (Viễn thụng di động quốc tế 2000), ITU đưa ra một tập cỏc khuyến nghị chấp thuận năm cụng nghệ là nền tảng của cỏc hệ thống truyền thụng di động 3G. Năm 2008, cỏc cụng ty hoạt động trong lĩnh vực thụng tin di động tế bào đó triển khai hai trong số những cụng nghệ đú, đú là đa truy nhập phõn chia theo mó băng rộng (WCDMA) và CDMA2000. Trong lỳc ấy, nền cụng nghiệp viễn thụng đó chỳ ý đến cỏc cụng nghệ trờn 3G và coi SC-FDMA như là một ứng cử viờn hàng đầu cho “sự phỏt triển dài hạn” (LTE) của truyền dẫn vụ tuyến từ cỏc thiết bị di động đến cỏc trạm gốc.
Trờn khớa cạnh cụng nghệ, cỏc thế hệ mạng tế bào đó thành cụng đang hướng đến việc phỏt cỏc tớn hiệu trờn cỏc băng tần vụ tuyến rộng và rộng hơn. Cỏc tớn hiệu vụ tuyến của cỏc hệ thống thế hệ đầu tiờn chiếm cỏc độ rộng băng tần là 25 và 30KHz sử dụng cỏc khuụn dạng điều chế khụng tương thớch với nhau. Hai hệ thống thế hệ thứ hai đó được triển khai rộng rói là GSM và CDMA tương ứng chiếm cỏc độ rộng băng tần là 200KHz và 1,25MHz. Cỏc hệ thống WCDMA thế hệ thứ ba phỏt cỏc tớn hiệu trong độ rộng băng tần là 5MHz. Với cỏc hệ thống di động tế bào kế tiếp, OFDM và SC-FDMA là cỏc cụng nghệ được chỳ ý ở dải băng tần là 20MHz.
2.2.2. Cỏc tiờu chuẩn chung
Cỏc cụng nghệ được triển khai trong cỏc hệ thống tế bào phải cú những đặc điểm kỹ thuật tương thớch với nhau, hay núi cỏch khỏc là cú cựng những tiờu chuẩn kỹ thuật chung. Mục đớch của điều này là để đảm bảo rằng cỏc phần tử của hai mạng khỏc nhau cú thể cựng hoạt động một cỏch chớnh xỏc. Ngoài hai thành phần là cỏc thiết bị di động đầu cuối và cỏc trạm gốc thỡ cỏc phần tử giống nhau của cỏc mạng bao gồm cỏc trung tõm chuyển mạch di động, cỏc bộ ghi định vị thường trỳ và tạm trỳ.
Hỡnh 2.1 chỉ ra cỏc phần tử và giao diện mạng của một hệ thống 3G [8]. Cỏc phần tử được nhúm vào 4 nhúm chớnh được bao bởi cỏc khối nột đứt. Mạng lừi (CN) nằm ở phớa trờn của hỡnh vẽ. Dưới mạng lừi là mạng truy nhập vụ tuyến với ba tập cỏc phần tử; một hệ thống trạm gốc (BSS) trao đổi cỏc tớn hiệu vụ tuyến với cỏc trạm di động (MS) để truyền cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh và một hệ thống mạng vụ tuyến (PNS) tương ứng troa đổi cỏc tớn hiệu vụ tuyến với cỏc MS để truyền cỏc dịch vụ chuyển mạch gúi. Cú loại giao diện vụ tuyến là giao diện Um được dựng cho cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh mang cỏc tớn hiệu giữa cỏc trạm di động với cỏc trạm phỏt đỏp gốc (BTS) và giao diện Uu được
dựng cho cỏc dịch vụ chuyển mạch gúi mang cỏc tớn hiệu giữa cỏc trạm di động với một hệ thống trạm gốc.
Hỡnh 2.1: Cấu hỡnh cơ bản của một mạng di động mặt đất cụng cộng (PLMN) hỗ trợ cỏc dịch vụ chuyển mạch kờnh (CS) và chuyển mạch gúi (PS)
2.2.3. Cỏc hệ thống khụng dõy di động tiờn tiến dựa trờn FDMA
Ba tổ chức tiờu chuẩn là IEEE, 3GPP và 3GPP2 đó phỏt triển cỏc hệ thống WiMAX, 3GPP LTE và UMB (siờu băng rộng di động) tương ứng, đõy được coi như cỏc hệ thống băng rộng di động tiờn tiến sử dụng cụng nghệ phõn chia theo tần số. Tổ chức 3GPP được coi là tổ chức của dự ỏn đối tỏc 3G nguyờn thủy, được coi là thế hệ sau của GSM. Cỏc cụng nghệ được chuẩn húa bởi 3GPP dựa trờn kỹ thuật đa truy nhập phõn chia theo mó băng rộng (WCDMA). 3GPP sử dụng hai thuật ngữ khỏc nhau là: UMTS (Hệ thống viễn thụng di động toàn cầu) ỏp dụng cho toàn bộ cỏc mạng tế bào bao gồm hàng trăm đặc tớnh kỹ thuật của 3GPP; và UTRAN (Mạng truy nhập vụ tuyến mặt đất toàn cầu) để chỉ tập hợp cỏc phần tử mạng và cỏc giao diện của chỳng được sử dụng để truyền dẫn giữa cỏc thiết bị đầu cuối di động và hạ tầng mạng. Một dự ỏn khỏc là 3GPP2 được coi là phiờn bản tiờn tiến của hệ thống tế bào CDMA nguyờn thủy. Cỏc cụng nghệ được chuẩn húa bởi 3GPP2 dựa trờn hệ thống CDMA2000.
2.2.3.1. IEEE 802.16e – WiMAX
Cỏc đặc tớnh cơ bản của chuẩn WiMAX di động dựa trờn chuẩn 802.11e:
Tốc độ lờn tới 63Mb/s ở đường xuống và lờn tới 28Mb/s ở đường lờn ở dải tần là 10MHz.
Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) IP đầu cuối đến đầu cuối.
Mụ hỡnh chuyển giao tối ưu và trễ thấp.
Điều chế và mó húa thớch ứng (AMC).
Yờu cầu lặp lại tự động lai ghộp (HARQ) và hồi tiếp kờnh nhanh.
Cỏc cụng nghệ anten thụng minh: định dạng bỳp súng, mó húa khụng gian-thời gian và ghộp kờnh khụng gian.
Dịch vụ quảng bỏ và multicast (MBS).
2.2.3.2. 3GPP2 UMB
Tiờu chuẩn UMB được 3GPP2 phỏt hành vào thỏng 4/2007 dựa trờn CDMA2000 1xEV-DO Rev. C, IEEE 802.20 và cỏc cụng nghệ FLASH-OFDM của Qualcomm với cỏc đặc tớnh cơ bản:
Giao diện vụ tuyến dựa trờn OFDMA.
Cụng nghệ MIMO và đa truy nhập phõn chia theo khụng gian (SDMA).
Cải thiện cỏc kỹ thuật quản lý xuyờn nhiễu.
Tốc độ dữ liệu đỉnh lờn đến 280Mb/s ở đường xuống và 68Mb/s ở đường lờn.
Trễ đầu cuối đến đầu cuối trung bỡnh trong mạng là 16,8ms.
Hỗ trợ đến 500 người sử dụng VoIP đồng thời (phõn bổ FDD 10MHz).
Kiến trỳc IP phẳng hoặc phõn cấp cú khả năng mở rộng.
Phõn bổ phổ đa dạng: cú khả năng mở rộng, khụng liờn tục, phõn bổ kờnh động và hỗ trợ cỏc kờnh cú độ rộng 1,25MHz, 5MHz, 10MHz và 20MHz.
Tiờu thụ cụng suất thấp và cải thiện tuổi thọ của nguồn.
2.2.3.3. 3GPP LTE
Tốc độ lờn đến 100Mb/s ở đường xuống 20MHz (5b/s/Hz) và lờn đến 50Mb/s ở đường lờn 20MHz (2,5b/s/Hz).
Dung lượng mặt phẳng điều khiển: ớt nhất hỗ trợ 500 người sử dụng trong trạng thỏi hoạt động cho băng tần lờn đến 5MHz.
Trễ mặt phẳng người sử dụng: nhỏ hơn 5ms trong điều kiện khụng tải (nghĩa là một người dựng với một luồng dữ liệu) cho một gúi IP nhỏ.
Tớnh di động: E-UTRAN cú thể được tối ưu với cỏc tốc độ di động thấp, từ 0-15 km/h. Cỏc tốc độ di động cao hơn giữa 15 và 20 km/h cú thể được hỗ trợ với hiệu năng cao. Cỏc kết nối cú thể được duy trỡ tại tốc độ 120-350 km/h (hoặc thậm chớ lờn đến 500 km/h tựy thuộc vào băng tần số).
Độ phủ: thụng lượng, hiệu suất sử dụng phổ và cỏc đớch di động cú thể hỗ trợ với cỏc cell 5 km và cú suy giảm nhẹ với cỏc cell 30 km. Cỏc cell lờn đến 100 km cú thể khụng được hỗ trợ.
Cỏc dịch vụ multicast quảng bỏ đa phương tiện mở rộng (E-MBMS).
Sự đa dạng phổ: E-UTRA cú thể hoạt động với cỏc độ rộng băng tần khỏc nhau bao gồm 1,25 MHz, 1,6 MHz, 2,5 Mhz, 5 Mhz, 10 MHz, 15 Mhz và 20 Mhz ở cả đường lờn và đường xuống.
Kiến trỳc: kiến trỳc E-UTRAN đơn dựa trờn gúi với cỏc điều khoản hỗ trợ cỏc hệ thống hỗ trợ cỏc luồng lưu lượng thoại và thời gian thực và hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối.
Quản lý tài nguyờn vụ tuyến: hỗ trợ tăng cường QoS từ đầu cuối đến đầu cuối, hỗ trợ hiệu quả truyền dẫn ở cỏc lớp cao hơn, hỗ trợ chức năng chia tải và quản lý chớnh sỏch qua cỏc cụng nghệ truy nhập vụ tuyến khỏc nhau.
2.2.3.4. Tổng hợp và so sỏnh giữa WiMAX di động, LTE và UMB
Cỏc hệ thống trờn 3G trong tương lai đó được nờu ở trờn cú cỏc tớnh năng chung như sau:
Băng tần truyền dẫn lờn đến 20 MHz.
Giao diện vụ tuyến đa súng mang để chống lại fading chọn lọc tần số và hiệu quả sử dụng phổ tần tăng lờn.
Cỏc kỹ thuật đa anten tiờn tiến: cỏc kỹ thuật MIMO đa dạng được tớch hợp vào hệ thống để tăng hiệu quả sử dụng phổ và làm cho liờn kết trở nờn tin cậy hơn.
Lập lịch tài nguyờn thời gian-tần số nhanh.
Kiến trỳc mạng IP phẳng: giảm tiờu đề do việc loại bỏ cỏc lớp mạng.
Cỏc dịch vụ đa phương tiện quảng bỏ và multicast.
Bảng 2.1 so sỏnh giao diện vụ tuyến giữa ba hệ thống sau 3G.
2.2.4. Cỏc đặc tả kỹ thuật của 3GPP
Cỏc ứng dụng của SC-FDMA trong E-UTRA xuất hiện trong cỏc đặc tả kỹ thuật (TS) và bỏo cỏo kỹ thuật (TR) được phỏt hành bởi 3GPP. Cỏc tài liệu này được đỏnh số bắt đầu bởi số 36. Bảng 2.2 cho biết nội dung của cỏc đặc tả kỹ thuật.
Bảng 2.1: Tổng hợp và so sỏnh giữa WiMAX di động, LTE và UMB
WiMAX di động 3GPP LTE 3GPP2 UMB
Độ rộng băng tần kờnh 5; 7; 8,75; và 10 MHz 1,4; 3; 5; 10; 15 và 20 MHz 1,25; 2,5; 5; 10 và 20 MHz
Ghộp kờnh DL OFDM OFDM OFDM
Đa truy nhập UL OFDMA SC-FDMA OFDMA và CDMA
Song cụng TDD FDD và TDD FDD và TDD
Sắp xếp súng mang con Cục bộ và phõn tỏn Cục bộ Cục bộ và phõn tỏn
Nhảy súng mang con Cú Cú Cú
Điều chế dữ liệu QPSK, 16-QAM và 64-QAM QPSK, 16-QAM và 64-QAM QPSK, 8-PSK, 16-QAM và 64-QAM
Khoảng cỏch cỏc súng
mang con 10,94 KHz 15 KHz 9,6 KHz
Kớch thước FFT (băng
tần 5 MHz) 512 512 512
Mó húa kờnh Mó xoắn và mó turbo xoắn: mó turbo khối và
mó LDPC
Mó xoắn và mó turbo Mó xoắn, mó turbo và
mó LDPC
húa khụng gian- thời gian và ghộp kờnh khụng gian
tiền mó húa đa lớp, mó khối khụng gian-thời gian/ tần số, phõn tập phỏt chuyển mạch và phõn tập trễ vũng
tiền mó húa đa lớp, phõn tập phỏt khụng gian-thời gian, đa truy nhập phõn chia theo khụng gian và định dạng bỳp súng
Bảng 2.2: Cỏc đặc tả kỹ thuật của LTE
Chỉ số đặc tả Nội dung
TS 36.1xx Cỏc yờu cầu thiết bị: Cỏc đầu cuối, cỏc trạm gốc và cỏc bộ lặp
TS 36.2xx Lớp vật lý
TS 36.3xx Lớp 2 và lớp 3: Điều khiển truy nhập mụi trường, điều khiển liờn kết vụ tuyến và
điều khiển tài nguyờn vụ tuyến
TS 36.4xx Mạng truy nhập vụ tuyờn mặt đất UMTS (UTRAN) bao gồm cỏc trạm gốc và cỏc
thực thể quản lý di động
TS 36.5xx Kiểm tra tớnh tương thớch
Cỏc đặc tả ký thuật lớp vật lý bao gồm một tài liệu chung (TS 36.201) và bốn tài liệu (từ TS 36.211 đến TS 36.214) với nội dung được tổng hợp trong phần 5 của tài liệu chung TS 36.201 như sau:
TS 36.201: Lớp vật lý – Mụ tả chung [9] - Nội dung của cỏc tài liệu về lớp 1 (TS 36.2xx). - Mụ tả chung về lớp 1 của LTE.
TS 36.211: Cỏc kờnh vật lý và điều chế [10]
- Định nghĩa cỏc kờnh vật lý đường lờn và đường xuống.
- Cấu trỳc của cỏc kờnh vật lý, khuụn dạng khung, cỏc phần tử tài nguyờn vụ tuyến. - Điều chế (BPSK, QPSK,…).
- Kờnh chia sẻ vật lý đường lờn và đường xuống. - Cỏc tớn hiệu tham chiếu đường lờn và đường xuống. - Kờnh truy nhập ngẫu nhiờn.
- Cỏc tớn hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp. - Tạo tớn hiệu OFDM ở đường xuống.