1. 1 Hệ thống thông tin di độngthế hệ 1 (1G)
2.6.1 Kỹ thuật truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM [1]
Hình 2.9 : Truyền đơn sóng mang
Hình 2.10 : Nguyên lý của FDMA
Hình 2.11 : Nguyên lý đa sóng mang
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 2.12 : So sánh phổ tần của OFDM với FDMA
Hình 2.13 : Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM
LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưu điểm sau:
- OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
- Thực hiện việc chuyển 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 trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống.
- Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
- OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
- Cấu trúc máy thu đơn giản.
- Thích ứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số.
- Tương thích với các bộ thu và các anten tiên tiến.
Hình 2.14 : Các sóng mang trực giao với nhau
Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá hỏng tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất nhạy cảm với dịch tần. Ở LTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối với khoảng cách này là khoảng cách đủ lớn đối với dịch tần Doppler.
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữa miền thời gian và miền tần số.
Hình 2.15 : Biến đổi FFT
Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể là 512 hoặc 1024...Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điều chế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộ biến đổi IFFT. Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thành phần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chế độc lập với các sóng mang khác. Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu được chèn thêm tiền tố vòng (CP) và phát đi. Ở bộ thu ta làm ngược lại.
Hình 2.16 : Thu phát OFDM
Mục đích của việc chèn thêm tiền tố vòng là có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference). Một mẫu tín hiệu có độ dài
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:
Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường.
Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là: TG ≥τ MAX với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh.
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan a ) Không có GI
b) Có GI
Hình 2.18 Tác dụng của chuỗi bảo vệ
OFDM lượng tử hóa trong miền tần số dựa trên ước lượng đáp ứng tần số của kênh. Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vào chiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tử WCDMA. Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổ khác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệu tham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau.
LTE sử dụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao là công nghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế số OFDM
Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác nhau,
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng.
Hình 2.19 Sóng mang con OFDMA
Hình 2.20 OFDM và OFDMA
Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio frame có chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms, và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms. Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mở rộng.
Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựa vào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block). Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot và khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tối thiểu của nó là 180 KHz. Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên (RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tự OFDM. Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thông thường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mở rộng.
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan
Hình 2.21 : Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE
Bảng 2.5 : Số khối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz)
1.4 3 5 10 15 20
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Hình 2.22 : Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS) : LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt để dễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thời gian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Hình 2.23 : Cấu trúc bố trí tín hiệu tham khảo
Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ năm của mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe. Tín hiệu tham khảo cũng được sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệu tham khảo (RSRP).
Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau
Chương 2 : Cấu trúc mạng 4G LTE và các vấn đề liên quan Hình 2.25: PAPR cho các tín hiệu khác nhau
Từ các hình trên ta thấy, dạng sóng OFDM thể hiện sự thăng giáng đường bao rất lớn dẫn đến PAPR cao. Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu. Để đạt được mức độ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so với điểm bão hòa cao). Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suất phát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay. Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DTFS-OFDM với tên gọi là SC- FDMA và áp dụng cho LTE.