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 tiờn của OFDM và đƣợc đặt vào khe đầu tiờn của khung con. PDCCH sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK và mang đỏp ứng NACK/ACK tới kờnh đƣờng lờn. Trong một khung con, cú thể truyền tải nhiều PDCCH.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 56
CCPCH sử dụng để mang thụng tin điều khiển cho mỗi tế bào. Giống nhƣ PDCCH, CCPCH cũng sử dụng điều chế QPSK. CCPCH luụn đƣợc truyền gần súng mang trung tõm ở gần súng mang con DC số 72. Thụng tin điều khiển đƣợc gắn vào cỏc súng mang tƣơng ứng.
4.5 Đa truy nhập phõn chia theo tần số đơn súng mang (SC-FDMA) 4.5.1 xử lý tớn hiệu trong SC-FDMA 4.5.1 xử lý tớn hiệu trong SC-FDMA
Hỡnh 4.1 biểu diễn quỏ trỡnh gửi và nhận một khối dữ liệu của SC-FDMA . Đầu vào bộ phỏt và đầu ra bộ thu đều điều chế ký tự dạng phức. Trong thực tế hệ thống tự động thớch ứng với cỏc cụng nghệ điều chế để phự hợp chất lƣợng kờnh, sử dụng điều chế khúa dịch pha chẵn lẻ (BPSK) trong băng tần thấp, lờn mức 64-QAM trong băng tần cao. Một khối dữ liệu gồm cú M điểm điều chế phức với tốc độ là Rsource ký tự/giõy. Hỡnh 4.9 biểu diễn chi tiết 3 khối cơ bản của bộ phỏt trong hỡnh 4.1 Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) M điểm sẽ đƣợc M ký tự trong miền tần số, điều chế M điểm này ta sẽ đƣợc N súng mang trực giao trải khắp băng tần.
(4.1)
Với f0 Hz là khoảng cỏch giữa cỏc súng mang. Với tốc độ truyền tải:
⁄ (4.2)
Nếu Q biểu thị cho hệ số trải băng tần, cú nghĩa là:
(4.3)
Sau đú, hệ thống SC-FDMA cú thể chuyển thành Q tớn hiệu nguồn trực giao, mỗi tớn hiệu nguồn sẽ chiếm giữ một súng mang con trong M súng mang trực giao.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 57
Trong hỡnh 4.9 biểu diễn quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu của SC-FDMA, biểu diễn chuỗi ký tự đó đƣợc điều chế trƣớc khi đƣa vào khối DFT,
biểu diễn M mẫu thu đƣợc sau khi thực hiện biến đổi DFT của tớn hiệu , Yl (l = 0,1,….,N-1) biểu diễn cỏc mẫu trong miền tần số sau khi ỏnh xạ cỏc giỏ trị tới súng mang và yn ( n = 0,1,…, N-1) biểu diễn ký tự thu đƣợc của kờnh truyền tải trong miền thời gian sau khi thực hiện biến đổi IDFT của Yl. Khối ỏnh xạ súng mang ( subcarrier mapping) trong hỡnh 4.1 và hỡnh 4.9 gỏn ký tự đó điều chế đƣợc trong miền tần số vào súng mang. Quỏ trỡnh ỏnh xạ đụi khi cũn đƣợc gọi là quỏ trỡnh lập lịch. Bởi vỡ sự phõn bố thiết bị đầu cuối ở mỗi khu vực độc lập với fading của kờnh truyền, SC-FDMA và OFDMA cú lợi hơn khi kờnh truyền đƣợc lập lịch. Quỏ trỡnh biến đổi IDFT trong hỡnh 4.1 và hỡnh 4.9 tạo ra yn trong miền tần số biểu diễn cho N ký tự súng mang. Bộ biến đổi nối tiếp song song cỏc điểm từ y0,y1,…,yN-1 trong khoảng thời gian thớch hợp sẽ cho ra tần số súng mang vụ tuyến và truyền tải đến khối thu.
Khối phỏt trong hỡnh 4.1 biểu diễn hai quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu khỏc nhau trƣớc khi truyền. Nú thờm vào chuỗi ký tự tiền tố vũng (CP :Cyclic prefix) để cung cấp thời gian bảo vệ giữa cỏc chuỗi ký tự nhằm mục đớch giảm nhiễu IBI ( inter-block interference) giữa cỏc khối trong quỏ truyền tải đa đƣờng. Khối phỏt cũng thực hiện quỏ trỡnh lọc tuyến tớnh hay cũn gọi là quỏ trỡnh tạo xung nhằm giảm năng lƣợng của tớn hiệu dải ngoài. Tiền tố vũng CP sẽ sao chộp phần cuối của khối ký tự và đặt vào phần bắt đầu của khối với hai mục đớch. Thứ nhất, tiền tố vũng CP hoạt động nhƣ khoảng bảo vệ giữa cỏc khối liờn tiếp nhau. Nếu độ dài của CP dài hơn độ dài tối đa của trễ lan truyền kờnh, hay tƣơng đƣơng, độ dài của đỏp ứng xung kờnh thỡ sẽ khụng xảy ra nhiễu IBI. Thứ hai, khi CP sao chộp lại phần cuối của khối, nú sẽ thực hiện quỏ trỡnh từ tớch chập tuyến tớnh rời rạc theo thời gian thành tớch chập vũng rời rạc theo thời gian. Do đú, khi truyền dữ liệu qua kờnh ta cú thể coi thực hiện phộp toỏn tớch chập vũng giữa đỏp ứng xung kờnh và khối dữ liệu thu đƣợc để khụi phục tớn hiệu gốc, quỏ trỡnh này trong miền tần số là thực hiện nhõn từng điểm với tần số mẫu của DFT. Sau đú, để loại bỏ biến dạng kờnh, quỏ trỡnh biến đổi DFT cho cỏc tớn hiệu thu đƣợc chỉ là thực hiện phộp chia bằng cỏch biến đổi DFT từng điểm đỏp ứng xung kờnh.
Một bộ lọc tạo xung thƣờng hay sử dụng là bộ lọc Cosine nõng (Raised-cosine). Biểu diễn trong miền tần số và miền thời gian của bộ lọc này:
1 0 2 1 1 1 ( ) 1 os 2 2 2 2 1 0 2 f T T T T P f c f f T T T f T (4.4)
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 58
( ) (4.5)
Với T là chu kỳ ký tự và là hệ số uốn.
Hỡnh 4.10 Bộ lọc Cosine nõng (Raised-cosine)
Hỡnh 4.10 biểu diễn đồ thị bộ lọc raised-cosine trong miền tần số và miền thời gian. Hệ số uốn α cú giỏ trị từ 0 đến 1 và điều khiển số lƣợng bức xạ bờn ngoài băng tần. Với α = 0, đõy là bộ lọc lý tƣởng ở dải giữa, nú sẽ chặn tất cả cỏc bức xạ ở bờn ngoài dải. Khi α tăng lờn, thỡ bức xạ bờn ngoài dải cũng tăng. Trong miền thời gian, độ rộng bỳp súng trong bộ lọc đỏp ứng xung tăng lờn khi α giảm điều này làm tăng cụng suất đỉnh của tớn hiệu đƣợc phỏt sau khi tạo xung. Do đú, việc chọn hệ số roll-off cho bộ lọc yờu cầu phải cõn đối giữa mục đớch cú đƣợc bức xạ ngoài băng thấp và tỉ số cụng suất đỉnh trờn cụng suất trung bỡnh thấp.
Quỏ trỡnh biến đổi DFT ở phớa thu trong hỡnh 4.1 sẽ chuyển đổi tớn hiệu nhận về miền tần số để thu lại N súng mang. Thực hiện giải dịnh vị để phõn tập M mẫu trong miền tần số của mỗi nguồn tớn hiệu. Bởi vỡ SC-FDMA sử dụng điều chế đơn súng mang, nờn sẽ gặp nhiều biến dạng tuyến tớnh tƣơng tự nhƣ nhiễu liờn ký tự ISI ( inter- symbol interference). Bộ cõn bằng tần trong miền tần số cú thể loại bỏ ISI. Khối IDFT ở bộ thu trong hỡnh 4.1 chuyển đổi cõn bằng ký tự trở lại miền thời gian để thu lại chuỗi M ký tự đó điều chế.
Hỡnh 4.11 mụ tả bộ thu của SC-FDMA đỏp ứng nhu cầu truy nhập của nhiều ngƣời dựng cựng một lỳc ở đƣờng lờn. Trƣớc khi thực hiện giải điều chế cỏc tớn hiệu cơ bản của SC-FDMA, trạm gốc đó phõn tỏchtớn hiệu của ngƣời sử dụngtrong miền tần số trong suốt quỏ trỡnh giải định vị súng mang.
Hỡnh 4.1 chỉ ra rằng quỏ trỡnh sử lý tớn hiệu của SC-FDMA bao gồm cỏc quỏ trỡnh xử lý nhƣ OFDMA nhƣng thờm vào khối DFT ở đầu vào bộ phỏt và khối IDFT ở đõu ra bộ thu. Bởi vỡ bộ phỏt SC-FDMA mở rộng băng thụng tớn hiệu để mở rộng băng thụng kờnh truyền, do đú SC-FDMA đụi khi cũn gọi là trải DFT- OFDMA.
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 59
Hỡnh 4.11 Cấu trỳc khối thu biểu diễn truy nhập đa ngƣời dựng với Q thiết bị đầu cuối trong đƣờng lờn.
4.5.2 Ánh xạ súng mang
Quỏ trỡnh ỏnh xạ súng mang trong SC-FDMA đƣợc phõn ra làm hai mụ hỡnh, đú là mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang tập trung và mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang phõn tỏn. Quỏ trỡnh ỏnh xạ súng mang nhằm gỏn M ký tự điều chế trong miền tần số vào cỏc súng mang con. Trong mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang tập trung, cỏc ký tự đó điều chế đƣợc gắn vào M súng mang liền nhau. Trong mụ hỡnh phõn tỏn, cỏc ký tự đƣợc sắp xếp cỏch đều nhau trờn toàn bộ độ rộng của kờnh truyền. Trong cả hai mụ hỡnh, giỏ trị 0 cho những súng mang khụng bị chiếm dụng từ N-M.
Ngƣời ta thƣờng gọi mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang tập trung của SC-FDMA là đa truy nhập phõn chia theo tần số tập trung (LFDMA) và mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang