3.5.1 Sự suy giảm tớn hiệu
Sự suy giảm tớn hiệu là sự suy hao mức cụng suất tớn hiệu trong quỏ trỡnh truyền từ điểm này đến điểm khỏc. Điều này cú thể là do đƣờng truyền dài, do cỏc tũa nhà cao tầng, do thời tiết và hiệu ứng đa đƣờng. Hỡnh 3.11 cho thấy một số nguyờn nhõn làm suy giảm tớn hiệu. Bất kỡ một vật cản nào trờn đƣờng truyền đều cú thể làm suy giảm tớn hiệu.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 3 Kỹ thuật ghộp kờnh OFDM
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 43
3.5.2 Hiệu ứng đa đƣờng 3.5.2.1 Rayleigh fading 3.5.2.1 Rayleigh fading
Trong đƣờng truyền vụ tuyến, tớn hiệu RF từ mỏy phỏt cú thể bị phản xạ từ cỏc vật cản nhƣ đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tớn hiệu đến mỏy thu (hiệu ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa cỏc tớn hiệu đến mỏy thu làm cho biờn độ tớn hiệu thu bị suy giảm. Hỡnh 3.12 chỉ ra một số trƣờng hợp mà tớn hiệu đa đƣờng cú thể xảy ra.
Hỡnh 3.12 Tớn hiệu đa đƣờng
Mối quan hệ về pha giữa cỏc tớn hiệu phản xạ cú thể là nguyờn nhõn gõy ra nhiễu cú cấu trỳc hay khụng cú cấu trỳc. Điều này đƣợc tớnh trờn cỏc khoảng cỏch rất ngắn (thụng thƣờng là một nửa khoảng cỏch súng mang), vỡ vậy ở đõy gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tớn hiệu cú thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trờn một khoảng cỏch ngắn.
3.5.2.2 Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đƣờng truyền vụ tuyến nào, đỏp ứng phổ khụng bằng phẳng do cú súng phản xạ đến đầu vào mỏy thu. Sự phản xạ cú thể dẫn đến tớn hiệu đa đƣờng của cụng suất tớn hiệu tƣơng tự nhƣ tớn hiệu trực tiếp gõy suy giảm cụng suất tớn hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tớn hiệu cú thể bị mất trờn đƣờng truyền băng hẹp nếu khụng cú đỏp ứng tần số xảy ra trờn kờnh truyền.Cú thể khắc phục bằng hai cỏch :
Truyền tớn hiệu băng rộng hoặc sử dụng phƣơng phỏp trải phổ nhƣ CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
Phõn toàn bộ băng tần thành nhiều kờnh băng hẹp, mỗi kờnh cú một súng mang, mỗi súng mang này trực giao với cỏc súng mang khỏc (tớn hiệu OFDM). Tớn
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 3 Kỹ thuật ghộp kờnh OFDM
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 44
hiệu ban đầu đƣợc trải trờn băng thụng rộng, khụng cú phổ xảy ra tại tất cả tần số súng mang. Kết quả là chỉ cú một vài tần số súng mang bị mất. Thụng tin trong cỏc súng mang bị mất cú thể khụi phục bằng cỏch sử dụng cỏc kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC.
3.5.2.3 Trải trễ đa đƣờng
Tớn hiệu vụ tuyến thu đƣợc từ mỏy phỏt bao gồm tớn hiệu trực tiếp và tớn hiệu phản xạ từ cỏc vật cản nhƣ cỏc tũa nhà, đồi nỳi…Tớn hiệu phản xạ đến mỏy thu chậm hơn so với tớn hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tớn hiệu đi thằng và tớn hiệu phản xạ cuối cựng đến đầu vào mỏy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ cú thể dẫn đến nhiễu liờn ký tự ISI. Điều này do tớn hiệu đa đƣờng bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nú cú thể gõy ra lỗi nghiờm trọng ở cỏc hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghộp kờnh phõn chia theo thời gian TDM.
Hỡnh 3.13 Trải trễ đa đƣờng 3.5.3 Hiệu ứng dịch tần Doppler
Khi nguồn tớn hiệu và bờn thu chuyển động tƣơng đối với nhau, tần số tớn hiệu thu khụng giống bờn phớa phỏt. Khi chỳng di chuyển cựng chiều (hƣớng về nhau) thỡ tần số nhận đƣợc lớn hơn tần số tớn hiệu phỏt, và ngƣợc lại khi chỳng di chuyển ra xa nhau thỡ tần số tớn hiệu thu đƣợc là giảm xuống. Đõy gọi là hiệu ứng Doppler.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 3 Kỹ thuật ghộp kờnh OFDM
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 45
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tựy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phỏt và nguồn thu và cả tốc độ truyền súng. Độ dịch Doppler cú thể đƣợc tớnh theo cụng thức:
c f
f o
(3.25)
Trong đú f là khoảng thay đổi tần số của tần số tớn hiệu tại mỏy thu
là tốc độ thay đổi khỏc nhau giữa tần số tớn hiệu và mỏy phỏt
o
f là tần số tớn hiệu, c là tốc độ ỏnh sỏng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu nhƣ kỹ thuật truyền súng lại nhiễu với dịch tần số súng mang (nhƣ OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tƣơng đối giữa thu và phỏt cao nhƣ trong trƣờng hợp vệ tinh quay quanh trỏi đất quỹ đạo thấp.
3.5.4 Tạp õm Gausơ trắng cộng (AWGN)
Nhiễu tồn tại trong tất cả cỏc hệ thống truyền dẫn. Cỏc nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ cỏc bộ khuếch đại bờn thu, và nhiễu liờn ụ (inter-cellular interference). Cỏc loại nhiễu này cú thể gõy ra nhiễu liờn kớ tự ISI, nhiễu liờn súng mang ICI và nhiễu liờn điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tựy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải đƣợc lựa chọn.
Hầu hết cỏc loại nhiễu trong cỏc hệ thống cú thể đƣợc mụ phỏng một cỏch chớnh xỏc bằng nhiễu trắng cộng. Hay núi cỏch khỏc tạp õm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này cú mật độ phổ cụng suất là đồng đều trong cả băng thụng và biờn độ tuõn theo phõn bố Gaussian. Theo phƣơng thức tỏc động thỡ nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kờnh truyền phổ biến là kờnh truyền chịu tỏc động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của cỏc hạt tải điện gõy ra) là loại nhiễu tiờu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tỏc động đến kờnh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số súng mang phụ là rất lớn thỡ hầu hết cỏc thành phần nhiễu khỏc cũng cú thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tỏc động trờn từng kờnh con vỡ xột trờn từng kờnh con riờng lẻ thỡ đặc điểm của cỏc loại nhiễu này thỏa món cỏc điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 3 Kỹ thuật ghộp kờnh OFDM
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 46
3.6 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDM 3.6.1 Ƣu điểm 3.6.1 Ƣu điểm
Nhờ tớnh trực giao cỏc súng mang con khụng bị xuyờn nhiễu bởi cỏc súng mang con khỏc.
Bằng cỏch ỏp dụng kĩ thuật đa súng mang dựa trờn FFT/IFFT hệ thống OFDM đạt đƣợc hiệu quả khụng phải bằng việc lọc dải thụng mà bằng cụng việc xử lớ băng gốc.
Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nờn thời gian symbol tăng lờn do đú sự phõn tỏn theo thời gian gõy bởi trải trễ do truyền dẫn đa đƣờng giảm xuống.
Tối ƣu hiệu quả phổ tần do cho phộp chồng phổ giữa cỏc súng mang con. Hạn chế đƣợc ảnh hƣởng của fading bằng cỏch chia kờnh fading chọn lọc tần số thành cỏc kờnh con phẳng tƣơng ứng với cỏc tần số súng mang OFDM khỏc nhau.
Kĩ thuật OFDM cú ƣu điểm nổi bật là khắc phục hiện tƣợng khụng cú đƣờng dẫn thẳng bằng tớn hiệu đa đƣờng dẫn.
Hệ thống OFDM cú thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyờn kớ hiệu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kờnh.
Phự hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hƣởng của sự phõn tập về tần số đối với chất lƣợng của hệ thống đƣợc giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn súng mang.
Cấu trỳc bộ thu đơn giản.
3.6.2 Nhƣợc điểm
Hệ thống OFDM sẽ tạo ra cỏc tớn hiệu trờn nhiều súng mang, cỏc bộ khuếch đại cụng suất phỏt cao cần độ tuyến tớnh, cỏc bộ khuếch đại cụng suất thu nhiễu thấp đũi hỏi dải động của tớn hiệu lớn nờn tỷ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiờm trọng của OFDM nếu dựng bộ khuếch đại cụng suất hoạt động ở miền bóo hoà để khuếch đại tớn hiệu OFDM. Nếu tớn hiệu OFDM cú tỷ số PAPR lớn thỡ sẽ gõy nờn nhiễu xuyờn điều chế.
OFDM nhạy với dịch tần và sự trƣợt của súng mang hơn cỏc hệ thống đơn súng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong cỏc hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống súng mang đơn.
Đƣờng bao biờn độ của tớn hiệu phỏt khụng bằng phẳng, gõy mộo phi tuyến ở cỏc bộ khuếch đại cụng suất ở mỏy phỏt và mỏy thu.
Sử dụng chuỗi bảo vệ gõy giảm một phần hiệu suất sử dụng đƣờng truyền, do bản thõn chuỗi bảo vệ khụng mang thụng tin cú ớch.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 3 Kỹ thuật ghộp kờnh OFDM
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 47
3.7 Kết luận
Chƣơng này đa trỡnh bày những thụng số kỹ thuật cơ bản về OFDM. Đó giới thiệu những kỹ thuật điều chế trong OFDM và mụ tả toỏn học về nguyờn lý ghộp kờnh đa súng mang phõn chia theo tần số trực giao. Trỡnh bày những ảnh hƣởng về do đƣờng truyền, do hệ thống tới cụng nghệ. Bờn cạnh đú cũng trỡnh bày những ƣu nhƣợc điểm của cụng nghệ.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 48
CHƢƠNG 4 TRUY NHẬP Vễ TUYẾN TRONG LTE
4.1 Giới thiệu
OFDMA và SC-FDMA là hai phƣơng phỏp đa truy nhập đƣợc phỏt triển trờn nền tảng hệ thống OFDM và SC/FDE. Cụng nghệ đa truy nhập phõn chia theo tần số trực giao sẽ tạo súng mang trực giao trờn hệ thống băng tần. Cụng nghệ này sẽ chuyển đổi tớn hiệu qua lại giữa miền tần số và miền thời gian. Để truyền tải đồng thời, cỏc cụng nghệ đa truy nhập sẽ gỏn tớn hiệu vào cỏc súng mang đó đƣợc định trƣớc. Bởi vỡ kờnh truyền băng rộng dựa trờn sự chọn lọc tần số, trong cụng nghệ FDMA cũng sử dụng kờnh truyền cú lập lịch trƣớc để đạt đƣợc phõn tập ở phớa ngƣời dựng và do hệ số Fading phớa thiết bị đầu cuổi ở từng vựng là khỏc nhau, nờn quỏ trỡnh lập lịch sẽ gỏn cho mỗi thiết bị đầu cuối một súng mang để thuận tiện cho việc truyền tải tới cỏc thiết bị đầu cuối ở cỏc vựng khỏc nhau.
Trong hệ thống tế bào của Wimax sử dụng OFDMA để truyền tải tớn hiệu ở cả hai phớa từ trạm gốc và cả từ thiết bị đầu cuối di động. Trong khi đú, 3GPP thỡ sử dụng OFDMA để truyền tải đƣờng xuống và SC-FDMA truyền tải đƣờng lờn trong hệ thống tế bào của LTE với mục đớch đạt hiệu quả cụng suất cao hơn cho thiết bị đầu cuối di động. Lý do mà 3GPP sử dụng SC-FDMA cho đƣờng lờn là vỡ khi sử dụng OFDMA cho đƣờng lờn thỡ tỉ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh (PAPR) cao nờn sẽ làm tăng giỏ thành và làm giảm hiệu quả cụng suất của bộ khuếch đại cụng suất của phớa truyền tải. Với PAPR thấp, bộ khuếch đại cụng suất ở thiết bị đầu cuối di động sử dụng SC-FDMA cú thể đơn giản hơn và hiểu quả cụng suất tốt hơn so với việc sử dụng OFDMA. Mặt khỏc, với việc truyền tớn hiệu với tốc độ cao, thỡ bộ cõn bằng trong miền tần số của một liờn kết SC-FDMA phức tạp hơn so với bộ cõn bằng của OFDMA. Nhƣng do chỉ sử dụng SC-FDMA ở đƣờng lờn trong LTE nờn bộ cõn bằng phức tạp chỉ yờu cầu đặt ở cỏc trạm gốc mà khụng phải ở cỏc trạm đầu cuối di động.
4.2 Cỏc chế độ truy nhập vụ tuyến
Giao diện khụng gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song cụng phõn chia theo tần số (FDD) và song cụng phõn chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ cú một cấu trỳc khung riờng. Chế độ bỏn song cụng FDD cho phộp chia sẻ phần cứng giữa đƣờng lờn và đƣờng xuống vỡ đƣờng lờn và đƣờng xuống khụng bao giờ sử dụng đồng thời. Kỹ thuật này đƣợc sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phộp tiết kiệm chi phớ trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu.
Giao diện khụng gian LTE cũng hỗ trợ phỏt đa phƣơng tiện và cỏc dịch vụ phỏt quảng bỏ đa điểm (MBMS). Một cụng nghệ tƣơng đối mới cho nội dung phỏt súng nhƣ truyền hỡnh kỹ thuật số tới UE bằng cỏch sử dụng cỏc kết nối điểm- đa điểm. Cỏc thụng số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiờn đƣợc xuất hiện trong UMTS phiờn bản 6.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 49
LTE xỏc định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phỏt triển (eMBMS), mà nú sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phỏt quảng bỏ / đa điểm(MBSFN), bằng cỏch sử dụng một dạng súng đồng bộ thời gian chung mà cú thể truyền tới đa ụ trong một khoảng thời gian nhất định. MBSFN cho phộp kết hợp qua vụ tuyến của truyền đa ụ tới UE, sử dụng tiền tố vũng (CP) để bảo vệ cỏc sự sai khỏc do trễ khi truyền tải, để cỏc UE truyền tải nhƣ là từ một tế bào lớn duy nhất. Cụng nghệ này giỳp cho LTE cú hiệu suất cao cho truyền tải MBMS.
LTE hỗ trợ thị trƣờng khụng dõy quốc tế , cỏc quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn cú. Để đạt đƣợc điều này cỏc thụng số kỹ thuật bao gồm băng thụng kờnh biến đổi cú thể lựa chọn từ 1,4 tới 20MHz. Với khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con là 15kHz. Nếu eMBMS mới đƣợc sử dụng , cũng cú thể khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con là 7,5kHz. Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con là một hằng số và nú khụng phụ thuộc vào băng thụng của kờnh. 3GPP đó xỏc định giao diện vụ tuyến của LTE là băng thụng khụng thể biết, nú cho phộp giao diện vụ tuyến thớch ứng với băng thụng kờnh khỏc nhau với ảnh hƣởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống.
Giỏ trị nhỏ nhất của tài nguyờn cú thể đƣợc phõn bố ở đƣờng lờn và đƣờng xuống đƣợc gọi là một khối tài nguyờn (RB). Một RB cú độ rộng là 180kHz và kộo dài trong một khe thời gian là 0,5ms. Với LTE tiờu chuẩn thỡ một RB bao gồm 12 súng mang con với khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con là 15kHz, và cho eMBMS với tựy chọn khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con là 7,5kHz và một RB gồm 24 súng mang con cho 0,5ms.
4.3 Cấu trỳc khối phỏt và khối thu của OFDMA và SC-FDMA
Nhƣ đó giới thiệu OFDMA và SC-FDMA phỏt triển dựa trờn kỹ thuật OFDM và SC/FDE nờn về cấu trỳc khối thu phỏt cũng khỏ tƣơng đồng với cấu trỳc khối thu phỏt của OFDM. Cấu trỳc khối thu phỏt của OFDMA và SC-FDMA cũng cú những khối chung chức năng giống nhau. Sự khỏc nhau giữa SC-FDMA và OFDMA là khối DFT (Discrete Fourier Transform: Biến đổi Fourier rời rạc) ở phớa phỏt và khối IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform : Biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc) ở phớa thu.
4.4 Đa truy nhập phõn chia theo tần số trực giao OFDMA 4.4.1 Cỏc khối xử lý tớn hiệu trong OFMDA 4.4.1 Cỏc khối xử lý tớn hiệu trong OFMDA
Về nguyờn tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, cỏc súng mang con trực giao với nhau. Trong LTE khoảng cỏch súng mang con là 15kHz bất kể băng thụng hệ thống là bao nhiờu. Cỏc súng mang con khỏc nhau là trực giao với nhau. Tớn hiệu sau khi đƣợc điều chế cơ bản sẽ đƣợc đƣa vào bộ chuyển đổi nối tiếp song song sau đú sẽ đƣợc ỏnh xạ lờn cỏc súng mang. Sau khi ỏnh xạ lờn cỏc súng mang sẽ chuyển tới khối biến đổi IFFT để tạo ra cỏc súng mang trực giao với nhau. Mỗi đầu vào của khối IFFT tƣơng ứng là biểu diễn đầu vào cho một súng mang con riờng (hoặc
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 50
thành phần tần số cụ thể của tớn hiệu miền thời gian )và cú thể đƣợc điều chế độc lập