a)đƣờng xuống, b) đƣờng lờn
Trờn đƣờng xuống, OFDM đƣợc sử dụng làm sơ đồ ghộp kờnh cỏc ngƣời sử dụng. Trong thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng đƣợc chia thành cỏc tập con khỏc nhau và đƣợc gỏn cho cỏc ngƣời sử dụng khỏc nhau để truyền đến cỏc đầu cƣới khỏc nhau [5].
Tƣơng tự trờn đƣờng lờn, OFDM đƣợc sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập . Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng đƣợc chia thành cỏc tập con khỏc nhau và đƣợc gỏn cho cỏc ngƣời sử dụng khỏc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nhau để truyền từ cỏc đầu cuối khỏc nhau đến trạm gốc. Sơ đồ đa truy nhập đƣờng lờn sử dụng OFDM đƣợc gọi là đa truy nhập phõn chia theo tần số trực giao (OFDMA) đối với đƣờng từ MS đến BS.
Thụng thƣờng thuật ngữ OFDMA đƣợc sử dụng cho cả đƣờng xuống và đƣờng lờn vỡ thế để đơn giản ta sẽ chỉ sử dụng thuật ngữ này cho cả hai đƣờng. Hỡnh 2.8 giả thiết rằng cỏc súng mang con liờn tiếp đƣợc sử dụng để truyền đến/từ mỏy di động đầu cuối. Tuy nhiờn cỏc tập con súng mang con đƣợc phõn bố trờn toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng cũng đƣợc sử dụng để truyền dẫn đến/từ cỏc mỏy di động đầu cuối (hỡnh 2.9). Lợi ớch của sơ đồ OFDM phõn bố là cú thể nhận đƣợc phõn tập tần số bổ sung trải rộng trờn toàn băng thụng rộng hơn cho từng đƣờng truyền. Hỡnh2. 9: Ghộp kờnh ngƣời sử dụng OFDMA phõn bố
Trong cỏc trƣờng hợp OFDMA đƣợc sử dụng cho cỏc đƣờng lờn, tớn hiệu OFDM phỏt đi từ cỏc đầu cuối di động khỏc nhau đƣợc ghộp kờnh theo tần số, điều quan trọng là cỏc truyền dẫn từ cỏc đầu cuối ở cỏc vị trớ khỏc nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cỏch đồng bộ theo thời gian. Đặc biệt là sự mỏt đồng bộ giữa cỏc truyền đẫn từ cỏc đầu cuối di động khỏc nhau tại cỏc trạm gốc phải nhỏ hơn độ dài CP để đảm bảo tớnh trực giao giữa cỏc súng mang con thu đƣợc từ cỏc đầu cuối di động khỏc nhau để trỏnh nhiễu giữa cỏc ngƣời sử dụng.
Do khỏc nhau về khoảng cỏch từ cỏc đầu cuối di động đến trạm gốc và vỡ thế dẫn đến khỏc nhau về thời gian truyền lan (sự khỏc nhau cú thể vƣợt xa độ dài
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CP), nờn phải định thời phỏt của từng đầu cuối (hỡnh 2.10). Điều khiển định thời phỏt nhằm điều chỉnh định thời phỏt của từng đầu cƣới di động để đảm bảo rằng cỏc truyền dẫn đƣờng lờn đƣợc đồng bộ tại trạm gốc. Do thời gian truyenf lan thay đổi khi đầu cuối di động chuyển động trong ụ, điều khiển định thời phỏt phải là một quỏ trỡnh tớch cực liờn tục điều chỉnh định thời phỏt cho từng đầu cuối di động.
Hỡnh2. 10: Điều khiển định thời phỏt đƣờng lờn
Ngay cả khi điều khiển định thời phỏt hoàn hảo, vẫn luụn cú một lƣợng nhiễu giữa cỏc súng mang con do sai số tần số. Trong trƣờng hợp sai số tần số hợp lý và trải Doppler nhỏ nhiễu này thƣờng tƣơng đối nhỏ. Tuy nhiờn điều này chỉ xảy ra khi coi rằng cỏc súng mang con khỏc nhau đƣợc thu tại trạm gốc với cụng suất gần nhƣ nhau. Trờn đƣờng lờn do khoảng cỏch giữa cỏc đầu cuối di động đến trạm gốc khỏc nhau. Nếu hai đầu cuối phỏt cựng một cụng suất thỡ do khoảng cỏch khac nhau cụng suất tớn hiệu thu tại trạm gốc từ hai đầu cuối này cú thể rất khỏc nhau và vỡ thế tớn hiệu thu từ trạm đầu cuối mạnh hơn sẽ gõy nhiễu với tớn hiệu thu yếu hơn dự vẫn duy trỡ đƣợc trực giao hoàn hảo giữa cỏc súng mang con . Để trỏnh điều này cần phải thực hiện điều khiển cụng suất phỏt của cỏc đầu cuối ở một mức độ nhất định đối với OFDMA đƣờng lờn bằng cỏch giảm cụng suất của đầu cuối ở gần trạm gốc để đảm bảo cụng suất của cỏc tớn hiệu thu gần nhƣ nhau [1],[5].
2.8. Phỏt quảng bỏ và đa phƣơng trong nhiều ụ và OFDM.
Cỏc dịch vụ quảng bỏ / đa phƣơng trong hệ thống thụng tin di động cho phộp cung cấp đồng thời thụng tin cho nhiều đầu cuối di động. Cỏc dịch vụ này thƣờng
UE #1 UE # 2 Khụng đồng chỉnh thời gian Phỏt từ UE UE # 1 UE # 2 Thu tại BS UE # 1 T1 UE # 2 T2 T2 - T1 Cú đồng chỉnh thời gian
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
đƣợc trải rộng trờn một vựng rộng lớn chứa nhiều ụ nhƣ trờn hỡnh 2.11a. Thụng tin quảng bỏ / đa phƣơng cú thể là một TV clip mới, thụng tin về tỡnh hỡnh thời tiết địa phƣơng ...
Khi cần cung cấp cựng một thụng tin cho nhiều đầu cuối di động trong cựng một ụ , tiện lợi nhất là cung cấp thụng tin này bằng cỏch sử dụng một đƣờng truyền dẫn cụ tuyến quảng bỏ cho toàn bộ ụ đồng thời đến tất cả cỏc đầu cuối di động liờn quan (hỡnh 2.11b) chứ khụng nờn phỏt thụng tin này bằng cỏc đƣờng truyền dẫn riờng cho từng đầu cuối di động ( truyền đơn phƣơng hỡnh 2.11c)
Hỡnh2. 11: Phỏt quảng bỏ đa ụ, đơn ụ và phỏt đơn phƣơng.
Phỏt quảng bỏ trờn (hỡnh 2.11) phải đƣợc định cỡ để cú thể đạt đến cỏc đầu cuối di động thu yếu nhất bao gồm cả cỏc đầu cuối tai biờn ụ. Điều này dẫn đến chi phớ
a, Phỏt quảng bỏ đa ụ Vựng quảng bỏ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tài nguyờn khỏ cao (cụng suất mỏy phỏt tram gốc để cú thể đạt đƣợc tốc độ số liệu dịch vụ cho trƣớc). Một giải phỏt cho vấn đề này là hạn chế tốc độ số liệu quảng bỏ để đảm bảo tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm giới hạn, chẳng hạn đối với biờn ụ và đặc biệt là cỏc ụ cú kớch thƣớc lớn . Một giải phỏp khỏc cho phộp duy trỡ tốc độ số liệu quảng bỏ cao là giảm kớch thƣớc ụ để tăng cụng suất thu tại biờn ụ. Nhƣng điều này dẫn đến tăng số lƣợng ụ để đảm bảo vựng quảng bỏ cho trƣớc và làm tăng giỏ thành triển khai hệ thống.
Trong trƣờng hợp phỏt quảng bỏ đa ụ cú thể tiết kiệm tài nguyờn mà vẫn đảm bảo tốc độ số liệu nếu cỏc đầu cuối di động tại biờn ụ sử dụng cụng suất thu từ truyền dẫn quảng bỏ của nhiều ụ khi tỏch / giải mó số liệu quảng bỏ. Vỡ thế cú thể đạt đƣợc độ lợi cụng suất lớn nếu cỏc đầu cuối cú thể thu đồng thời và kết hợp cỏc truyền dẫn quảng bỏ từ nhiều ụ trƣơc khi tỏch tớn hiệu và giải mó. Phƣơng phỏp này đƣợc gọi là kết hợp mềm cỏc truyền dẫn quảng bỏ/đa phƣơng từ nhiều ụ và đó đƣợc sử dụng cho MBMS trong WCDMA.
Trong trƣờng hợp WCDMA, mỗi ụ phỏt quảng bỏ trờn đƣờng xuống sử dụng một mó ngẫu nhiờn riờng vỡ thế đầu cuối cú thể nhận biết tớn hiệu từng ụ trong quỏ trỡnh kết hợp mềm. Mặc dự kết hợp mềm tăng đỏng kể cụng suất thu cho cỏc đầu cuối tại biờn ụ, tuy nhiờn truyền dẫn quảng bỏ từ cỏc ụ khỏc nhau vẫn gõy nhiễu cho nhau. Điều này làm hạn chế tỷ số tớn hiệu trờn nhiễu và vỡ thế giới hạn tốc độ số liệu.
Một giải phỏp để loại bỏ nhƣợc điểm núi trờn và cải thiện hơn nữa cỏc dịch vụ quảng bỏ / đa phƣơng trờn mạng thụng tin di động là đảm bảo rằng cỏc truyền dẫn quảng bỏ từ cỏc ụ khỏc nhau hoàn toàn giống nhau và đƣợc phỏt đồng bộ theo thời gian. Trong trƣờng hợp này cỏc truyền dẫn thu đƣợc từ cỏc ụ khỏc nhau nhỡ từ đầu cuối di động thể hiện nhƣ một truyền dẫn duy nhất bị ảnh hƣởng của truyền súng đa đƣờng (hỡnh 2.12). Phỏt cỏc tớn hiệu giống nhau đƣợc đồng bộ theo thời gian đặc biệt là trong trƣờng hợp cung cấp cỏc dịch vụ quảng bỏ / đa phƣơng đụi khi đƣợc gọi là khai thỏc mạng đơn tần số (SFN).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hỡnh2. 12: Tƣơng đƣơng giữa phỏt quảng bỏ đa ụ đƣợc đồng bộ và truyền dẫn đa đƣờng
Trong trƣờng hợp truyền dẫn từ nhiều ụ khỏc nhau và đƣợc đồn bộ thời gian “nhiễu giữa cỏc ụ” do cỏc truyền dẫn trong cỏc ụ lõn cận xột từ đầu cuối sẽ đƣợc thay thế bằng tớn hiệu bị hỏng do thời tỏn. Nếu truyền dẫn quảng bỏ sử dụng OFDM với CP bao phủ phần chớnh của tỏn thời thỡ cỏc tốc độ số liệu quảng bỏ chỉ bị giới hạnh bởi tạp õm và điều này cú nghĩa cú thể đạt đƣợc tốc độ số liệu quảng bỏ rất cao đặc biệt trong cỏc ụ nhỏ hơn. Ngoài ra khỏc với kết hợp mềm đa ụ của WCDMA MBMS
Mỏy thu OFDM khụng cần nhận dạng cỏc ụ khi kết hợp mềm vỡ tất cả cỏc truyền dẫn nằm trong giới hạn của CP sẽ đƣợc mỏy thu “ tự động “ thu nhận [1].
2.9. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM: 2.9.1.Ƣu điểm: 2.9.1.Ƣu điểm:
Kỹ thuật OFDM cú nhiều ƣu điểm mà cỏc kỹ thuật khỏc khụng cú đƣợc.
OFDM cho phộp truyền thụng tin tốc độ cao bằng cỏch chia kờnh truyền fading chọn lọc tần số thành cỏc kờnh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số súng mang trực giao nờn hiện tƣợng nhiễu liờn súng mang ICI cú thể loại bỏ, do cỏc súng mang phụ trực giao nờn cỏc súng mang này cú thể chồng lấn lờn nhau mà phớa thu vẫn cú thể tỏch ra đƣợc dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thụng hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ cú tớnh chất CP (cylic prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất của kờnh truyền đa đƣờng thỡ hiện tƣợng nhiễu liờn ký tự ISI sẽ đƣợc loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ cú tớnh chất cylic prefix nờn hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cõn bằng miền tần số khỏ đơn giản. IFFT và FFT giỳp giảm thiểu số bộ dao động cũng nhƣ giảm số bộ điều chế và giải điều chế giỳp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phớ thực hiện, hơn nữa tớn hiệu đƣợc điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
OFDM là một kỹ thuật truyền đa súng mang nờn nhƣợc điểm chớnh của kỹ
thuật này là tỷ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh PAPR (Peak- to- Average Power Ratio) lớn. Tỡn hiệu OFDM là tổng hợp tớn hiệu từ cỏc súng mang phụ, nờn khi cỏc súng mang phụ đồng pha, tớn hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng khụng hiệu quả bộ khuếch đại cụng suất lớn HPA (High- Power Amplifier). Một nhƣợc điểm khỏc của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số súng mang trung tõm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT khụng lấy mẫu đỳng tại đỉnh cỏc súng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế cỏc symbol.
2.10. KỸ THUẬT MIMO: 2.10.1. Giới thiệu chung: 2.10.1. Giới thiệu chung:
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một cỏch thể hiện tổng quỏt sự sử dụng nhiều anten ở phớa phỏt và phớa thu. Nhiều anten cú thể đƣợc sử dụng để tăng độ lợi phõn tập và vỡ thế tăng tỷ số súng mang trờn nhiễu tại mỏy thu. Tuy nhiờn thuật ngữ này thƣờng đƣợc sử dụng để biểu thị truyền dẫn nhiều lớp hay nhiều luồng nhƣ là một phƣơng tiện để tăng tốc độ số liệu đến mức cực đại cú thể trong một kờnh cho trƣớc. Vỡ thế MIMO hay ghộp kờnh khụng gian cú thể nhỡn nhận nhƣ là một cụng cụ để cải thiện thụng lƣợng của ngƣời sử dụng đầu cuối giống nhƣ là “một bộ khuếch đại tốc độ số liệu”. Về bản chất, cải thiện thụng lƣợng của ngƣời sử dụng đầu cuối ở một mức độ nhất định sẽ dẫn đến tăng thụng lƣợng hệ thống.
Sử dụng hệ thống MIMO với nhiều antenne ở cả phớa phỏt và phớa thu để cải thiện dung lƣợng và độ của hệ thống mà khụng yờu cầu mở rộng băng tần và cụng suất tớn hiệu. Để hiểu rừ vấn đề này chỳng ta nghiờn cứu mụ hỡnh hệ thống MIMO và thực hiện cỏc phõn tớch toỏn học cần thiết để tớnh toỏn dung lƣợng đạt đƣợc của hệ thống MIMO trong điều kiện kờnh đƣợc biết và khụng đƣợc biết ở phớa phỏt. Nhƣng kết quả này đƣợc xem xột trong cả trƣờng hợp của tham số vật lý lờn dung lƣợng kờnh nhƣ vấn đề tƣơng quan giữa cỏc antenna, vấn đề truyền lan antenna thu.
2.10.2. Ƣu điểm của hệ thống MIMO Hệ thống MIMO cung cấp ƣu điểm sau: Hệ thống MIMO cung cấp ƣu điểm sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Độ lớn dàn: Do sử dụng nhiều antenna, độ lợi dàn antenna tăng vựng phủ súng
cự ly. Điều này cú lợi cho cỏc vựng xa xụi ớt ngƣời, khi cú thể sử dụng ớt BTS hơn. Mặt khỏc cũng cú thể giảm cụng suất phỏt của thiết bị đầu cuối nhờ tăng độ lợi của BTS thu.
- Độ lợi phõn tập: Cụng suất tớn hiệu trong kờnh khụng dõy dao động ngẫu nhiờn (hoặc yếu dần). Phõn tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tớn hiệu trong mụi trƣờng fading bằng cỏch phỏt nhiều bản sao khỏc nhau qua miền thời gian, tần số và khụng gian để phớa thu cú thể thu chớnh xỏc tớn hiệu phỏt. Điều này sẽ làm giảm tỷ lệ lỗi bit. Cú thể sử dụng phõn tập khụng gian (antenna) phõn tập thời gian hay phõn tập tần số. Tuy nhiờn phõn tập khụng gian đƣợc ƣu thớch hơn vỡ nú khụng tiờu tốn thời gian vfa băng thụng truyền dẫn.
- Độ lợi ghộp kờnh khụng gian: Kờnh MIMO đƣa ra sự tăng tuyến tớnh của
dung lƣợng mà khụng tiờu tốn thờm cụng suất băng thụng. Độ lợi này đƣợc thực hiện bằng việc phỏt cỏc tớn hiệu độc lập từ cỏc antenna riờng biệt.
- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kờnh do việc tỏi sử dụng tần số trong kờnh
khụng dõy. Khi đa antenna đƣợc sử dụng, sự phõn biệt giữa cỏc dấu hiệu khụng gian của tớn hiệu mong muốn và tớn hiệu đồng kờnh cú thể đƣợc khai thỏc để giảm giao thoa.
- Kết hợp cụng suất: Trong trƣờng hợp cú M antnena đƣợc thực hiện ở đƣờng xuống và mỗi antnena đƣợc điều khiển bởi một bộ khuếch đại cụng suất với tốc độ tƣơng đƣơng ở trƣờng hợp 1 antenna, hế số kết hợp cụng suất sẽ là 10log10M [1],[4].
2.11. Tổng quan SC-FDMA:
Trong cỏc ứng dụng thụng tin di động OFDMA cú ƣu điểm rất lớn về khả năng đề khỏng đối với ảnh hƣởng của truyền tớn hiệu đa đƣờng. Khả năng đề khỏng này đạt đƣợc nhờ hệ thống OFDM phỏt thụng tin trờn N súng mang con băng hẹp trực giao với mỗi súng mang con hoạt động tại tốc độ bit chỉ bằng 1/N của tốc độ bớt của thụng tin cần truyền. Tuy nhiờn dạng súng của OFDM thể hiện sự thăng giỏng đƣờng bao rất lớn dẫn đến PAPR cao. Tớn hiệu với PAPR cao đũi hỏi cỏc bộ khuếch đại cụng suất cú tuyến tớnh cao để trỏnh làm mộo tớn hiệu. Để đạt đƣợc mức độ tuyến tớnh này bộ khuyếch đại phải làm việc ở chế độ cụng tỏc với độ lựi (so với
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
điểm bóo hũa) cao. Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng cụng suất ( tỷ số giữa cụng suất phỏt với cụng suất tiờu thụ một chiều ) thấp vỡ thế đặc biệt ảnh hƣởng đối với cỏc thiết bị cầm tay. Một vấn đề khỏc gặp phải ở OFDM trong cỏc hệ thống thụng tin di động là cần dịch cỏc tần số tham khảo đối với cỏc đầu cuối phỏt đồng thời. Dịch tần phỏ hoại tớnh trực giao của cỏc cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Để khăc phục nhƣợc điểm này 3GPP đó nghiờn cứu sử dụng phƣơng phỏp đa