Việc phát triển WCDMA tiếp tục trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà thiết kế hệ thống tế bào. Mọi công cụ đã biết đều được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu người dùng. HOM đã được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thông cho phép. Ghép kênh không gian MIMO được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thôn g cho phép. Băng thông cũng được tăng lên dưới dạng các sóng mang kết hợp để tăng tốc độ dữ liệu, tuy nhiên hiệu quả phổ vẫn không thay đổi. Hệ thống WCDMA gốc đã sử dụng máy thu RAKE hoạt động tốt hơn khi mức tăng xử lý lớn hơn thay vì nhỏ hơn. Hệ số mở rộng băng thơng (hoạt động truyền tín hiệu) cùng với tốc độ dữ liệu người dùng cao như mong muốn đã hạn chế hệ thống WCDMA thông thường phát triển thêm.
1.2.5 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư
Hệ thống tế bào số thế hệ thứ tư (4G) này được tạo ra để hỗ trợ dung lượng hệ thống và sự mong muốn về tốc độ dữ liệu. Đòi hỏi nhiều tốc độ dữ liệu cao hơn để cho phép truy cập Internet và ứng dụng video di động. Sự phát triển dài hạn (LTE) còn được gọi là 4G và chỉ hỗ trợ kết nối mạng dựa trên PS. Tiêu chuẩn cũng đang phát triển để sử dụng các tùy chọn phổ được cấp phép, phổ không được cấp phép và phổ được chia sẻ với tất cả mục tiêu chung là tăng tốc độ dữ liệu người dùng, tăng dung lượng hệ thống, giảm độ trễ và cải thiện trải nghiệm của người dùng. ITU xác định các mục tiêu 4G dưới dạng các yêu cầu IMT-2010.
Tại thời điểm mà mạng tế bào phát triển, ngành công nghiệp đã hội tụ một tiêu chuẩn duy nhất là LTE. Hệ thống tế bào LTE dựa trên OFDMA trong đó TTI đã giảm từ 2 ms (được sử dụng trong hệ thống tế bào 3G) xuống còn 1 ms. Việc giảm TTI này đã cải thiện hiệu suất bằng cách có thể thích ứng nhanh hơn với việc thay đổi các điều kiện kênh, do đó có thể sử dụng nhiều thuật tốn để lập lịch hiệu quả hơn. Việc giảm TTI cũng làm giảm độ trễ từ đầu đến cuối. Các tùy chọn băng thông tần số cũng đã tăng: 1.4, 3, 5, 10, 15 và 20 MHz để cung cấp các triển khai băng thông linh hoạt. Để hỗ trợ hiệu quả cho đa truy cập FDMA, OFDMA (thông qua biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và các hoạt động biến đổi Fourier nhanh FFT) đã được sử dụng để chia dải tần số thành các kênh phụ (hoặc sóng mang con) với khoảng cách 15 kHz. Để giữ độ phức tạp xử lý tín hiệu thu ở mức tối thiểu để khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây. Để cung cấp dịch vụ tốc độ dữ liệu cao hơn, sự hỗ trợ của MIMO là bắt buộc để làm phù hợp nhiều lớp thông qua ghép kênh không gian.
Với hệ thống TDMA, tốc độ dữ liệu tăng (hoặc giảm thời gian symbol) đã khiến máy thu sử dụng bộ cân bằng để loại bỏ nhiễu xuyên kênh (ISI). Tốc độ dữ liệu cao hơn, điều chế bậc cao hơn và độ trễ lan truyền dài hơn gây ra độ phức tạp của bộ cân bằng tăng đáng kể. Với hệ thống WCDMA, tốc độ dữ liệu
tăng (hoặc giảm thời gian chip) buộc máy thu phải sử dụng sự phân tán thời gian của kênh không dây nhưng yêu cầu mức tăng xử lý lớn để chống lại ISI. Với WCDMA, động lực là có băng thơng truyền lớn hơn băng thơng kết hợp của kênh không dây; tuy nhiên điều ngược lại vẫn đúng đối với OFDM.
OFDM giải quyết nhu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn bằng cách tạo ra nhiều kênh băng hẹp, trong đó mỗi kênh băng hẹp có thể coi là bị nhiễu san phẳng tần số. Điều này cho phép xử lý tín hiệu ở miền tần số, biến OFDM thành một kỹ thuật đa sóng mang rất hiệu quả để giảm thiểu môi trường pha đinh chọn lọc tần số.
Hình 1.12. Sự biểu diễn thời gian/tần số của tín hiệu OFDM cho LTE.
Trong OFDMA, các người dùng được ghép kênh ở cả miền tần số và thời gian, Hình 1.12. Trên giao diện vơ tuyến LTE, thành phần của sự phân bổ là một khối tài nguyên vật lý (PRB). Mỗi PRB gồm 12 sóng mang con với 7 symbol OFDM tương đương với 84 symbol điều chế. Phân bổ tối thiểu cho một UE riêng lẻ trong một khung con (1 ms) là 2 PRB với một PRB trong mỗi khe của khung con. Do đó một UE sẽ nhận được tổng cộng 2 PRB/khung con tương đương với 168 symbol điều chế/khung con. Lưu ý rằng không phải tất cả 168 symbol điều chế này có thể được sử dụng để truyền thơng tin người dùng, nhưng một số symbol điều chế này được sử dụng để đồng bộ hoặc làm hoa tiêu cho sự đánh giá kênh. Mỗi PRB chứa 12 sóng mang con, do đó có băng thơng 12×15 kHz = 180 kHz. Hình 1.12 thể hiện 2 PRB (2 × 7symbol × 12 sóng mang con). Giả sử điều chế QPSK có bốn symbol khác nhau được biểu thị bằng bốn màu
khác nhau. Mỗi màu đại diện cho một phần tử tài nguyên (RE) và mang hai bit với điều chế QPSK.
Một sơ đồ khối cung cấp một ví dụ về việc tạo dạng sóng OFDMA được thể hiện trong Hình 1.13. Chúng ta cũng nêu ra các điểm khác nhau trên chuỗi xử lý có thể ảnh hưởng thường xuyên đến hiệu suất hệ thống. Số lượng sóng mang con (SC) có tác động trực tiếp đến tốc độ dữ liệu và dung lượng người dùng của hệ thống. Từ góc độ hệ thống, giá trị này phải càng lớn càng tốt, tuy nhiên băng thông chiếm dụng cần phải được kiểm sốt thơng qua chức năng định hình phổ. Cơng suất đỉnh của symbol OFDM trên cơng suất trung bình cũng tác động đến băng thơng chiếm dụng và tác động đến việc đáp ứng các yêu cầu tuyến tính để giảm thiểu bất kỳ sự tăng phổ. Ngoài ra việc bổ sung của tiền tố tuần hoàn (CP) sẽ loại bỏ ISI khỏi kênh không dây.
Khoảng thời gian CP phải đủ lớn để vượt quá độ dài của phân tán thời gian kênh không dây, nhưng cũng phải nhỏ nhất để có thể tối đa hóa thơng tin dữ liệu người dùng trong suốt thời gian của khung con.
Hình 1.13. Sự hình thành dạng sóng OFDMA với k sóng mang con.
Có một số nhược điểm nhất định của OFDM cần được khắc phục trong các hệ thống trong tương lai, chẳng hạn như:
Chi phí CP: Nhu cầu cho việc thêm CP gây ra độ dư cho việc truyền và do đó dẫn đến mất hiệu quả phổ. Tổn thất này lớn hơn khi sử dụng CP dài hoặc khi khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ.
Độ nhạy đối với lệch tần số và thời gian: Để giữ tính trực giao trong OFDM, máy phát và máy thu phải có cùng tần số tham chiếu. Bất kỳ lệch tần số nào làm hỏng
tính trực giao, gây rị rỉ sóng mang con được gọi là nhiễu sóng mang con (ICI).
Phát xạ ngồi băng tần cao (OOB): OFDM giả định xung hình chữ nhật trong miền thời gian tương đương với hàm sinc trong miền tần số có băng thơng vơ
hạn về mặt lý thuyết và gây ra sự phát xạ (OOB) tương đối cao. Việc thiếu tạo dạng phổ (hoặc lọc hoặc xử lý cửa sổ) đang tạo ra các thùy bên phổ lớn trong phổ truyền.
Tỷ lệ cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình (PAPR) cao: Đường bao của dạng sóng OFDM có sự thay đổi lớn gây ra sự cố khi gặp thiết bị phi tuyến như bộ khuếch đại công suất phát. PAPR cao trong OFDM so với kỹ thuật truyền sóng mang đơn là do sự kết hợp của nhiều sóng mang con riêng lẻ với các pha
khác nhau có thể dẫn đến PAPR cao khi được kết hợp lại.