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 với cỏc súng mang con khỏc. Sau khối IFFT, tớn hiệu sẽ đƣợc đƣa vào khối tiền tố vũng mở rộng.
Mục đớch của việc thờm tiền tố vũng mở rộng là để trỏnh đƣợc nhiễu liờn ký tự. khi mỏy phỏt thờm vào một tiền tố vũng mở rộng dài hơn so với đỏp ứng xung kờnh thỡ sự ảnh hƣởng của ký hiệu trƣớc đõy cú thể đƣợc loại bỏ bằng cỏch bỏ qua ( gỡ bỏ ) tiền tố vũng mở rộng ở phớa thu. Một sự điển hỡnh của giải phỏp thu là cõn bằng miền tần số, trong đú về cơ bản là sự tỏc động trở lại kờnh với mỗi súng mang con. Bộ cõn bằng miền tần số trong OFDMA chỉ đơn giản là nhõn mỗi súng mang con( với phộp nhõn giỏ trị phức) dựa trờn đỏp ứng tần số kờnh đó ƣớc tớnh ( điều chỉnh biờn độ và pha của mỗi súng mang con đó biết ) của kờnh.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 51
Hỡnh 4.2 Mụ hỡnh khối phỏt khối thu của OFDMA
Tham số Giỏ trị Băng tần truyền tải (MHz) 1.25 2.5 5 10 15 20 Khoảng cỏch súng mang 15kHz Số điểm IFFT 128 256 512 1024 1536 2048 Mẫu tần số 1.92 MHz (1/2x3.8 4 MHz) 3.84 MHz 7.68 MHz (2x3.84 MHz) 15.36 MHz (4x3.84 MHz) 23.04 MHz 30.72 MHz Số súng mang con 76 151 301 601 901 1201 Số ký tự
OFDM/khe 7 ký tự với tiền tố vũng bỡnh thƣờng và 6 ký tự với tiền tố vũng mở rộng Độ rộng tiền tố vũng (às/mẫu ) Bỡnh thƣờn g (4.69/9) x 6, (5.21/10) x 1 (4.69/18)x6 , (5.21/10) x 1 (4.69/36)x 6 (5.21/40) x 1 (4.69/72)x 6 (5.21/80) x 1 (4.69/108)x 6 (5.21/120)x 1 (4.69/144) x 6 (5.21/160)x 1 Mở rộng 16.67/32 16.67/64 16.67/128 16.67/256 16.67/512 16.67/1024
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 52
OFDMA là cụng nghệ đa súng mang phỏt triển từ cụng nghệ OFDM. OFDMA hỗ trợ cỏc nhiệm vụ của cỏc súng mang con đối với cỏc thuờ bao nhất định. Mỗi một nhúm súng mang con đƣợc biểu thị nhƣ một kờnh con (subchannel) và mỗi thuờ bao đƣợc chỉ định một hoặc nhiều kờnh con để truyền dựa trờn mỗi yờu cầu cụ thể lƣu lƣợng của mỗi thuờ bao.
Hỡnh 4.3 OFDM và OFDMA
Dữ liệu đƣợc cấp phỏt tới UE theo cỏc khối tài nguyờn, vớ dụ , một UE cú thể đƣợc cấp phỏt cỏc bội số nguyờn của một khối tài nguyờn trong miền tần số. Cỏc khối tài nguyờn khụng cần phải liền kề với nhau. Trong miền thời gian, quyết định lập biểu cú thể bị biến đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms. Quyết định lập biểu đƣợc thực hiện trong cỏc trạm gốc (eNodeB). Cỏc thuật toỏn lập biểu cú tớnh đến tỡnh trạng chất lƣợng liờn kết vụ tuyến của những ngƣời sử dụng khỏc nhau, tỡnh trạng can nhiễu tổng thể, chất lƣợng của cỏc dịch vụ yờu cầu, cỏc dịch vụ ƣu tiờn, ..v.v. Hỡnh 4.4 cho thấy một vớ dụ cho việc cấp phỏt dữ liệu ngƣời dựng hƣớng xuống cho những ngƣời sử dụng khỏc nhau ( giả sử cú 6 UE ).
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 53
Hỡnh 4.4 Cấp phỏt tài nguyờn trong OFDM 4.4.2 Cấu trỳc khung trong OFDMA
Cú hai loại cấu trỳc khung đƣợc định nghĩa cho E-UTRAN: cấu trỳc khung loại 1 cho chế độ FDD, cấu trỳc khung loại 2 cho chế độ TDD.
Đối với kiểu cấu trỳc khung loại 1, khung vụ tuyến 10ms đƣợc chia thành 20 khe cú kớch thƣớc nhƣ nhau là 0,5ms. Một khung con bao gồm cú 2 khe liờn tiếp, nờn một khung vụ tuyến chứa 10 khung con. Điều này đƣợc minh họa nhƣ trong hỡnh 4.5
Hỡnh 4.5 Cấu trỳc khung loại 1
Đối với cấu trỳc khung loại 2, khung vụ tuyến 10ms bao gồm hai nửa-khung với mỗi nửa chiều dài 5ms. Mỗi nửa-khung được chia thành 5 khung con với mỗi
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 54
Hỡnh 4.6 Cấu trỳc khung loại 2
Tất cả cỏc khung con mà khụng phải là khung con đặc biệt đƣợc định nghĩa là hai khe cú chiều dài 0,5ms cho mỗi khung con. Cỏc khung con đặc biệt bao gồm cú ba trƣờng là DwPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng xuống ), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS ( khe thời gian dẫn hƣớng đƣờng lờn ). DwPTS, GP và UpPTS cú chiều dài cấu hỡnh riờng và chiều dài tổng cộng là 1ms.
Tớn hiệu dẫn đƣờng là mẫu tớn hiệu đƣợc biết trƣớc ở phớa phỏt và phớa thu, đƣợc phỏt kốm với tớn hiệu cú ớch nhằm khụi phục kờnh truyền và đồng bộ hệ thống.
Hỡnh 4.7 Mẫu tớn hiệu dẫn đƣờng trong OFDMA
Súng mang con dữ liệu (Data) cho truyền dữ liệu.
Súng mang con dẫn đƣờng (Pilot) cho mục đớch ƣớc lƣợng và đồng bộ.
Phớa mỏy thu sẽ thực hiện ngƣợc lại so với mỏy phỏt. Để khụi phục tớn hiệu phỏt thỡ hàm truyền phải đƣợc khụi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đƣờng đi kốm. Tớn hiệu nhận đƣợc sau khi giải điều chế OFDM đƣợc chia làm hai luồng tớn hiệu. Luồng thứ nhất là tớn hiệu cú ớch đƣợc đƣa đến bộ cõn bằng kờnh. Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đƣờng đƣợc đƣa vào bộ khụi phục kờnh truyền, sau đú lại đƣợc đƣa đến bộ cõn bằng kờnh để khụi phục lại tớn hiệu ban đầu.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 55
Cấu trỳc cụm đƣợc miờu tả ở hỡnh 4.8. Cấu trỳc cụm bao gồm 1 kờnh con trong miền tần số và n kớ hiệu OFDM trong miền thời gian, chứa N súng mang. Mỗi súng mang cú thể đƣợc điều chế khỏc nhau.
Hỡnh 4.8 Cấu trỳc cụm trong OFDMA 4.4.3 Kờnh vật lý đƣờng xuống
Mục đớch chớnh của kờnh truyền vật lý là truyền tải thụng tin trong cỏc khối của LTE. Kờnh vật lý mụ tả những đặc tớnh của kờnh truyền tải. Đƣờng xuống của LTE cú ba loại kờnh vật lý khỏc nhau:
Kờnh vật lý chia sẻ đƣờng xuống (PDSCH)
PDSCH thiết kế cho kờnh truyền tốc độ cao để truyền tải đa phƣơng tiện và dữ liệu. Hệ thống trong PDSCH là điều chế QPSK, 16-QAM, và 64 QAM.
Kờnh vật lý điều khiển đƣờng xuống (PDCCH)
PDCCH dựng để điều khiển thụng tin tớn hiệu. Nú đƣợc ỏnh xạ vào ba ký tự đầu