Một kênh vô tuyến luôn luôn chịu đựng một mức độ lựa chọn tần số nào đó, nghĩa là chất lƣợng kênh sẽ thay đổi trong miền tần số. Trong trƣờng hợp đơn sóng mang băng rộng, ví dụ nhƣ sóng mang WCDMA, mỗi symbol điều chế đƣợc truyền trên toàn bộ băng thông tín hiệu. Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp truyền đơn sóng mang băng rộng trên một kênh lựa chọn tần số cao (hình 2.28), mỗi symbol điều chế đƣợc truyền trên cả những băng tần với chất lƣợng tƣơng đối tốt (cƣờng độ tín hiệu tƣơng đối cao) và những băng tần với chất lƣợng kém (cƣờng độ tín hiệu thấp). Truyền thông tin qua nhiều băng tần nhƣ vậy với chất lƣợng kênh tức thời khác nhau đƣợc gọi là tính đa dạng tần số.
Hình 2.28: Truyền đơn sóng mang băng rộng và OFDM qua kênh lựa chọn tần số
Mặt khác, trong trƣờng hợp truyền OFDM, mỗi symbol điều chế bị giới hạn trong băng thông tƣơng đối hẹp. Vì vậy, truyền OFDM trên một kênh lựa chọn tần số, những symbol điều chế bị giới hạn hoàn toàn trong băng thông tần số, với cƣờng độ tín hiệu tức thời rất thấp nhƣ minh họa trong hình 2.28b. Nhƣ vậy, những symbol điều chế riêng lẻ sẽ không trải qua bất kỳ sự đa dạng tần số đáng kể, thậm chí nếu kênh lựa chọn tần số cao trên toàn bộ băng thông truyền OFDM. Kết quả là hiệu suất tốc độ lỗi cơ bản của truyền OFDM qua một kênh lựa chọn tần số không đáng kể và ít hơn nhiều tốc độ lỗi cơ bản khi truyền đơn sóng mang băng rộng.
Tuy nhiên, trong thực tế, mã kênh đƣợc sử dụng trong phần lớn các trƣờng hợp thông tin số, và đặc biệt trong thông tin di động. Mã kênh nghĩa là mỗi bit thông tin đƣợc truyền sẽ đƣợc biểu diễn bằng vài hoặc nhiều bit mã. Nếu những bit mã này sau đó đƣợc ánh xạ đến một nhóm sóng mang con OFDM, và đƣợc phân phối trên toàn bộ băng thông truyền OFDM, những sóng mang con hay những bit mã sẽ không trải qua bất kì sự đa dạng tần số nào. Sự phân chia những bit mã trên miền tần số, nhƣ minh họa trong hình 2.29 còn đƣợc gọi là xen tần số (frequency interleaving). Do đó, ngƣợc với truyền đơn sóng mang băng rộng, mã kênh (kết hợp với xen tần số) là một thành phần thiết yếu để truyền OFDM không trải qua sự đa dạng tần số trên một kênh lựa chọn tần số.
Hình 2.29: Mã kênh kết hợp với xen tần số trong truyền OFDM 2.5.8 Lựa chọn những thông số cơ bản của OFDM
Nếu OFDM đƣợc sử dụng nhƣ là kế hoạch truyền trong hệ thống thông tin di động, những thông số cơ bản sau của OFDM cần quyết định:
Khoảng cách sóng mang con f.
Số sóng mang con N , cùng với khoảng cách sóng mang con xác định tổng băng c
thông truyền của tín hiệu OFDM.
Chiều dài CP TCP. Cùng với khoảng cách sóng mang con f=1/Tu, chiều dài CP xác định tổng thời gian symbol OFDM T=TCP+Tuhoặc tƣơng đƣơng với tốc độ symbol OFDM.
2.5.8.1 Khoảng cách sóng mang con OFDM
Có hai yếu tố tác động đến sự lựa chọn khoảng cách sóng mang con OFDM: Khoảng cách sóng mang con OFDM phải nhỏ đến mức có thể (T lớn đến mức có u
thể).
Khoảng cách sóng mang con quá nhỏ làm tăng tính nhạy cảm của truyền OFDM với trải Doppler và những sự sai lệch tần số khác.
Một yêu cầu để giữ đƣợc tính trực giao của sóng mang con OFDM tại đầu thu là kênh tức thời không thay đổi đáng kể trong thời gian giải điều chế tích phân
tƣơng quan T . Trong những trƣờng hợp kênh thay đổi nhƣ thế, ví dụ vì trải u
Doppler cao, tính trực giao giữa những sóng mang con sẽ bị mất vì nhiễu giữa các sóng mang. Một lƣợng nhiễu xuyên sóng mang có thể đƣợc chấp nhận, phụ thuộc vào dịch vụ cung cấp và phạm vi tín hiệu nhận đƣợc dù sao cũng bị hƣ hại bởi nhiễu và những yếu tố làm suy hao khác. Ví dụ, tại cạnh cell của những cell lớn, tỷ số tín hiệu trên nhiễu dù sao cũng tƣơng đối thấp, kết quả là tốc độ dữ liệu đạt đƣợc tƣơng đối thấp. Nhƣng khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao, nhƣ trong những cell nhỏ với lƣu lƣợng thấp hoặc gần trạm gốc, những nơi tốc độ dữ liệu đƣợc cung cấp cao, cùng một lƣợng nhiễu xuyên sóng mang có thể có tác động xấu hơn.
Ngoài trải Doppler, nhiễu xuyên sóng mang cũng có thể do những sự sai lệch của máy phát và máy thu, nhƣ lỗi tần số hoặc nhiễu pha.
2.5.8.2 Số sóng mang con
Khi khoảng cách sóng mang con đƣợc chọn dựa trên môi trƣờng, có thể xảy ra trải Doppler và phân tán thời gian…số sóng mang con có thể đƣợc xác định dựa trên lƣợng phổ có thể dùng đƣợc và sự phát ngoài băng có thể chấp nhận đƣợc.
Băng thông cơ bản của một tín hiệu OFDM bằng Nc.f, nghĩa là số sóng mang con nhân với khoảng cách sóng mang con. Tuy nhiên, nhƣ trên hình 2.30, phổ của tín hiệu OFDM giảm một cách chậm chạp bên ngoài băng thông OFDM cơ bản, và đặc biệt chậm hơn nhiều so với tín hiệu WCDMA. Nguyên nhân của truyền ngoài băng của tín hiệu OFDM là sử dụng dạng xung hình chữ nhật (hình 2.16), dẫn đến những búp sóng phụ của mỗi sóng mang con giảm tƣơng đối chậm. Tuy nhiên, trong thực tế, bộ lọc hoặc cửa sổ miền thời gian đƣợc sử dụng để triệt phần chính của truyền ngoài băng OFDM. Do đó, trong thực tế, 10% băng thông đƣợc sử dụng làm băng bảo vệ cho một tín hiệu OFDM, nghĩa là khi cấp phát phổ 5MHz, băng thông OFDM cơ bản là Nc.f khoảng 4.5MHz. Giả sử một khoảng cách sóng mang con 15kHz đƣợc chọn cho LTE, điều này tƣơng ứng với khoảng 300 sóng mang con ở 5MHz.
Hình 2.30: Phổ của tín hiệu OFDM 5MHz và phổ WCDMA 2.5.8.3 Chiều dài cyclic prefix
Theo nguyên tắc, chiều dài T của CP nên bao phủ chiều dài tối đa của phân CP
tán thời gian có thể xảy ra. Tuy nhiên, khi tăng chiều dài của CP thì làm giảm công suất, nên có một sự cân bằng giữa công suất bị mất vì CP và tín hiệu bị sai lệch vì phân tán thời gian không đƣợc bao phủ bởi CP. Điều này có nghĩa là mặc dù lƣợng phân tán thời gian tăng với kích thƣớc cell, nhƣng khi vƣợt qua một kích thƣớc cell nào đó, thƣờng không có lý do gì để tăng CP hơn nữa vì công suất mất đi tƣơng ứng có tác động xấu hơn khi so sánh với tín hiệu bị sai lệch vì phần dƣ phân tán thời gian không đƣợc bao phủ bởi CP.
CP dài hơn có thể cần thiết trong truyền đa cell sử dụng SFN (Single- Frequency Network). Vì vậy, để có thể tối ƣu hiệu suất trong những môi trƣờng khác nhau, một vài hệ thống dựa trên OFDM hỗ trợ nhiều chiều dài CP. Chiều dài CP khác nhau có thể đƣợc sử dụng trong những hoàn cảnh truyền khác nhau: CP ngắn hơn ở môi trƣờng cell nhỏ để giảm đến mức tối thiểu phần đầu CP, CP dài hơn trong những môi trƣờng với phân tán thời gian quá lớn, đặc biệt trong hoạt động SFN.
2.5.9 Sự biến đổi công suất truyền tức thời
Một trong những hạn chế của truyền đa sóng mang là sự biến đổi lớn trong công suất truyền tức thời, nghĩa là giảm hiệu quả bộ khuếch đại công suất và tiêu thụ năng lƣợng ở đầu cuối di động cao hơn, hoặc là công suất ngõ ra bộ khuếch đại công suất phải đƣợc giảm. Là một kiểu truyền đa sóng mang, OFDM cũng có cùng hạn chế đó.
Tuy nhiên, nhiều phƣơng pháp khác nhau đã đƣợc giới thiệu để giảm công suất đỉnh lớn của tín hiệu OFDM.
2.5.10 OFDM nhƣ là kế hoạch đa truy nhập và ghép kênh
Khi sóng mang con OFDM đƣợc truyền từ cùng máy phát đến một máy thu nào đó, nghĩa là:
Truyền hƣớng xuống của tất cả những sóng mang đến một đầu cuối di động. Truyền hƣớng lên của tất cả những sóng mang đi từ một đầu cuối di động.
Hình 2.31: Kế hoạch đa truy nhập/đa ghép kênh người dùng
Tuy nhiên, OFDM có thể đƣợc sử dụng nhƣ là kế hoạch đa truy nhập hay ghép kênh ngƣời dùng, cho phép truyền nhận đồng thời với nhiều đầu cuối di động phân biệt tần số (hình 2.31).
Ở hƣớng xuống, OFDM nhƣ là một kế hoạch ghép kênh ngƣời dùng, nghĩa là mỗi khoảng thời gian symbol OFDM, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm sóng mang có thể dùng đƣợc sử dụng để truyền cho nhiều đầu cuối di động khác nhau (hình 2.31a).
Tƣơng tự, ở hƣớng lên, OFDM nhƣ là một kế hoạch đa truy nhập, nghĩa là ở mỗi khoảng thời gian symbol OFDM, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhóm sóng mang đƣợc sử dụng cho truyền từ những đầu cuối di động khác nhau (hình 2.31b).
Hình 2.32: Phân chia ghép kênh người dùng
Trong trƣờng hợp này, thuật ngữ OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) đƣợc sử dụng. Hình 2.32 giả sử rằng những sóng mang con kề nhau đƣợc sử dụng cho truyền đến/từ cùng đầu cuối di động. Tuy nhiên, sự phân phát sóng mang con đến/từ một đầu cuối di động trong miền tần số cũng có thể thực hiện đƣợc nhƣ minh họa trong hình 2.32. Ƣu điểm của việc phân chia đa truy nhập nhƣ thế này là khả năng chống lại đa dạng tần số vì mỗi quá trình truyền đƣợc trải trên băng thông rộng hơn.
2.5.11 Truyền broadcast/multicast đa cell và OFDM
Hình 2.33: Kế hoạch truyền Broadcast
Cung cấp những dịch vụ broadcast/multicast trong hệ thống thông tin di động nghĩa là cùng thông tin đƣợc cung cấp cùng lúc cho nhiều đầu cuối di động, thƣờng đƣợc phân phát trên một khu vực rộng tƣơng ứng với lƣợng lớn các cell nhƣ trong hình 2.33. Thông tin broadcast/multicast có thể là một đoạn bản tin TV, thông tin về điều kiện thời tiết địa phƣơng, thông tin thị trƣờng chứng khoán, hay là bất kỳ loại thông tin nào, mà trong một thời gian ngắn là tâm điểm chú ý của nhiều ngƣời.
Khi cùng thông tin đƣợc cung cấp cho nhiều đầu cuối di động trong một cell, truyền vô tuyến broadcast cho tất cả những đầu cuối di động trong cell (hình 2.34a) thƣờng có lợi hơn là cung cấp thông tin bằng cách truyền riêng lẻ cho mỗi đầu cuối di động (truyền unicast, hình 2.34b).
Hình 2.34: Truyền Broadcast và Unicast
Tuy nhiên, truyền broadcast nhƣ hình 2.34a phải định kích thƣớc để bao phủ những đầu cuối di động trong tình trạng xấu nhất, kể cả những đầu cuối di động ở vùng biên cell, điều này tƣơng đối tốn kém trong điều kiện nhờ vào công suất truyền cần thiết của trạm gốc để cung cấp một tốc độ dữ liệu dịch vụ broadcast nào đó. Hoặc là đƣa vào bảng miêu tả tỷ số tín hiệu trên nhiễu bị giới hạn mà có thể đạt đƣợc tại cạnh cell, tốc độ dữ liệu broadcast có thể đạt đƣợc tƣơng đối bị giới hạn, đặc biệt với cell lớn. Một cách để tăng tốc độ dữ liệu broadcast là giảm kích thƣớc cell, do đó tăng công suất nhận ở cạnh cell. Tuy nhiên, điều này sẽ tăng số cell để bao phủ một khu vực nào đó và làm tăng chi phí triển khai.
Cung cấp dịch vụ broadcast/multicast trong một mạng thông tin di động nghĩa là thông tin giống nhau đƣợc cung cấp trên một lƣợng lớn các cell. Trong trƣờng hợp nhƣ thế, tài nguyên (công suất truyền hƣớng xuống) cần cung cấp một tốc độ dữ liệu nào đó có thể giảm đáng kể nếu những đầu cuối di động tại cạnh cell có thể tận dụng công suất nhận đƣợc từ nhiều cell khi phát hiện, giải mã dữ liệu broadcast.
Đặc biệt, có thể đạt đƣợc độ lợi lớn nếu đầu cuối di động có thể nhận đồng thời truyền broadcast từ nhiều cell trƣớc khi giải mã. Sự kết hợp mềm nhƣ thế của truyền broadcast/multicast từ nhiều cell đã đƣợc chấp nhận trong WCDMA MBMS.
Hình 2.35: Sự tương đương giữa truyền đồng thời và truyền đa tuyến
Trong LTE, truyền broadcast/multicast nhận đƣợc từ nhiều cell sẽ xuất hiện nhƣ một quá trình truyền đơn lẻ bị tác động rất xấu của truyền đa tuyến nhƣ minh họa trên hình 2.35. Cung cấp các dịch vụ broadcast/multicast, thỉnh thoảng đƣợc xem nhƣ là hoạt động mạng đơn tần SFN (Single-Frequency Network).
Nếu truyền broadcast dựa trên OFDM với CP bao phủ khoảng thời gian phân tán, tốc độ dữ liệu có thể đạt đƣợc chỉ bị giới hạn bởi nhiễu, nghĩa là trong những cell nhỏ hơn, tốc độ dữ liệu broadcast có thể rất cao. Hơn nữa, đầu thu OFDM không cần nhận dạng rõ ràng các cell trong kết nối mềm. Đúng hơn là tất các quá trình truyền đến trong phạm vi của CP sẽ tự động đƣợc giữ lại bởi đầu thu.
2.6 Truyền dữ liệu hƣớng lên
OFDM đƣợc xem là phƣơng án tối ƣu cho hƣớng DL nhƣng hƣớng UL thì chƣa đƣợc thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỉ lệ công suất đỉnh trung bình (PARP-Peak-to-Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hƣởng đến việc truyền tín hiệu của hƣớng UL. Do đó, hƣớng UL của chế độ FDD và TDD sẽ sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kì. Các tín hiệu SC FDMA có tín hiệu PARP - tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những lí do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PARP giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lí tín hiệu của SC FDMA vẫn có một số điểm tƣơng đồng với - OFDMA, do đó, tham số hƣớng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC- FDMA đƣợc tạo ra bằng kĩ thuật trải phổ DFT-OFDM (DFT-s-OFDM).
Hình 2.36 Sơ đồ khối DFT -s-OFDM
E-UTRA hƣớng UL cũng sử dụng các kĩ thuật điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM. Với DFT OFDM, việc biến đổi Fourier rời rạc (DFT-s- -Discrete Fourier Transform) kích thƣớc M-point FFT đƣợc áp dụng đầu tiên trong khối các kí hiệu điều chế. DFT chuyển đổi các kí hiệu điều chế thành miến tần số. Kết quả sẽ đƣợc ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp có sẵn. Hƣớng UL chỉ cho phép định vị truyền dẫn trên các Sub-carrier liên tục. Trƣớc khi đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp, N point IFFT đƣợc thêm vào một chu kì (chèn CP).-
Việc ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp đƣợc phân ra hai trƣờng hợp
LFDMA (Localized Mode): Mỗi thuê bao sẽ sử dụng các sóng mang kế cận nhau để phát đi các kí tự của nó.
IFDMA(Distributed Mode): Các kí tự của mỗi thuê bao đƣợc phân bố đều
trên các sóng mang.
Hình 2.37 chỉ ra cách sắp xếp trong miền tần số. Có 3 thuê bao, mỗi thuê bao phát kí tự trên 4 sóng mang con trong hệ thống 12 sóng mang con. Trong IFDMA, thuê bao dùng sóng mang thứ 0, 3, 6, 9. Đối với LFDMA, thuê bao dùng sóng mang thứ 0, 1, 2, 3.
Hình 2.37 Phương pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao (3 thuê bao, 12 sóng mang con, 4 sóng mang cho mỗi thuê bao)
Do đó, việc xử lí DFT có sự khác biệt cơ bản giữa tín hiệu SC-FDMA và OFDMA. Điều này sinh ra thuật ngữ “DFT spread OFDM”. Trong tín hiệu SC FDMA, mỗi - - Sub-carrier sử dụng để truyền tải thông tin có chứa tất cả các kí hiệu điều chế, do đó, chuỗi dữ liệu đầu vào phải đƣợc trải phổ bằng biến đổi DFT trên các Sub-carrier có sẵn. Ngƣợc lại, mỗi Sub-carrier của tín hiệu OFDMA chỉ mang thông tin có liên quan đến các kí hiệu điều chế cụ thể.
2.7 MIMO
MIMO là một kỹ thuật đổi mới quan trọng của LTE, đƣợc sử dụng để cải thiện hiệu suất c a hủ ệ thống. Kỹ thuật cho phép LTE cải thi n ệ hơn về dung lƣợng và hiệu qu ả
sử d ng ph . Mụ ổ ặc dù, sử ụng MIMO làm cho hệ thống ph c t d ứ ạp hơn về quá trình
xử lý tín hiệu và yêu cầu số lƣợng anten, nhƣng nó có thể tăng tốc độ dữ liệu lên mức cao, cho phép hiệu quả sử dụng phổ tần. MIMO là một kỹ thuật không thể