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 phõn tỏn là đa truy nhập phõn chia theo tần số phõn tỏn(DFDMA).
Trong trƣờng hợp N = Q x M ở mụ hỡnh phõn tỏn cỏc súng mang bị chiếm dụng khoảng cỏch đều nhau trờn toàn bộ băng tần thỡ gọi là đa truy nhập phõn chia theo tần số xếp chồng (IFDMA). IFDMA là trƣờng hợp đặc biệt của SC-FDMA và nú rất hiệu quả trong khối truyền phỏt, nú cú thể điều chế tớn hiệu một cỏch hiệu quả trong miền tần số mà khụng cần khối DFT và IDFT. IFDMA sẽ đƣợc núi tới trong phần sau, đú là
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 60
sự kết hợp DFT và IDFT nhằm giảm một phộp nhõn phức, tƣơng ứng với việc dịch pha của mỗi ký tự điều chế ở đầu ra của khối truyền tải.
Hỡnh 4.12 Mụ hỡnh ỏnh xạ súng mang
Hỡnh 4.13 miờu tả ba vớ dụ của SC-FDMA truyền tải ký tự trong miền tần số với M = 4 ký tự trờn một khối, N = 12 súng mang và Q = N/M = 3 thiết bị đầu cuối. Trong mụ hỡnh tập trung, ký tự điều chế chiếm bốn súng mang 0,1,2,3: Y0 =X0, Y1=X1, Y2 =X2, Y3=X3, Yi = 0 với i ≠ 0,1,2,3. Trong mụ hỡnh phõn tỏn với điều biến ký tự cỏch nhau đều nhau trờn toàn bộ súng mang, Y0 = X0, Y2=X1, Y4=X2, Y6=X3, và trong mụ hỡnh xếp chồng, Y0 = X0, Y3=X1, Y6=X2, Y9=X3.
Hỡnh 4.13 Một vớ dụ về sự khỏc nhau trong hệ thống ỏnh xạ súng mang với M=4, Q=3 và N=12
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 61
Hỡnh 4.14 Phƣơng phỏp cấp phỏt súng mang cho đa ngƣời dựng (3 ngƣời dựng, 12 súng mang, mỗi ngƣời dựng đƣợc cấp phỏt 4 súng mang)
Hỡnh 4.14 biểu diễn IFDMA và LFDMA thể hiện tớn hiệu của ba thiết bị đầu cuối khỏc nhau truy nhập tới trạm gốc và chiếm dụng những súng mang đƣợc thiết lập riờng.
Nhỡn từ gúc phõn bổ tài nguyờn, phƣơng phỏp ỏnh xạ súng mang cú thể chia thành phƣơng phỏp lập lịch tĩnh và phƣơng phỏp lập lịch kờnh phụ thuộc ( CDS). CDS gỏn súng mang tựy theo ngƣời sử dụng nhằm đỏp ứng tần số kờnh của mỗi ngƣời sử dụng. Cả hai phƣơng phỏp lập lịch, ỏnh xạ súng mang phõn tỏn sẽ mang lại sự phõn tập tần số bởi vỡ tớnh hiệu truyền tải đƣợc trải ra trờn toàn bộ băng tần. Với ỏnh xạ phõn tỏn, CDS từng bƣớc cải thiện hiệu suất. Trỏi lại, CDS mang lại lợi ớch tuyệt cho ỏnh xạ súng mang tập trung bởi vỡ nú phõn tập ngƣời sử dụng một cỏch đỏng kể.
4.5.3 Biểu diễn tớn hiệu trong miền thời gian của SC-FDMA
Đối với IFDMA, LFDMA, và DFDMA, quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu cũng là quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu cơ bản của SC-FDMA nhƣ đó biểu diễn ở hỡnh hỡnh 4.9, đõy là một hệ thống tuyến tớnh điều chế chuỗi ký tự { . Do đú mỗi phần tử đầu ra của chuỗi : n = 0,1,2…,N-1} là tổng trọng số của chuỗi đầu vào, cỏc trọng số này là cỏc số phức. Trong trƣờng hợp của IFDMA, tất cả cỏc trọng số này sẽ mang giỏ trị 0 khi chỉ cú một phần tử đầu chuỗi đầu vào. Cỏch thiết lập này nhằm giảm số phộp nhõn của ký tự đầu vào với một số phức với cƣờng độ và khoảng lặp lại chuỗi đầu vào với dịch pha chớnh xỏc là Q lần, Q là hệ số dón nở băng tần.
4.5.3.1 Ký tự trong miền thời gian của IFDMA
Đối với IFDMA, sự kết hợp giữa DFT và IDFT trong khối truyền phỏt ở hỡnh 4.1 và hỡnh 4.9 nhằm rỳt gọn một cỏch đơn giản cỏc quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu của phộp nhõn giữa ký tự đầu vào với số phức cựng cƣờng độ và khoảng lặp lại chuỗi đầu vào với số lần dịch pha chớnh xỏc là Q lần, Q là hệ số dón nở tần số. Mỗi một phộp nhõn sẽ tƣơng ứng với một chuyển đổi của một ký tự điều chế phức trong khối truyền phỏt.
Để xỏc mỡnh điều này, chỳng ta xem xột hai thuộc tớnh của DFT và IDFT: (a) mẫu khỏc 0 cỏch đều nhau trong một miền tƣơng ứng với chuỗi tuần hoàn trong một miền khỏc; (b) sự thay đổi của r trong miền tần số tƣơng ứng với sự dịch pha của mẫu trong miền thời gian. Sự dịch pha đƣợc thực hiện bằng phộp nhõn mỗi mẫu với
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 62
exp(j2πrn/N), với N là số điểm biến đổi IDFT, r là đại lƣợng dịch tần, n là số mẫu đầu ra trong miền thời gian. Phần dƣới sẽ là biểu diễn toỏn học chi tiết cho những đặc tớnh trờn.
Hỡnh 4.15 minh họa cho vớ dụ với M = 4 ký tự trờn một khối, Q = 3 thiết bị đầu cuối, và N = Q ì M = 12 súng mang.
Cho một tớn hiệu đầu vào, {Yl: l = 0,1,2,…, N -1} là phổ biểu diễn của khối dữ liệu { xm: m = 0,1,…, M-1}. Trong IFDMA, phổ của M ký tự khỏc khụng cỏch đều nhau, đƣợc xếp cỏch nhau những khoảng riờng biệt cỏch nhau Q-1 mẫu trong miền tần số. Tƣơng ứng tớn hiệu trong miền thời gian {yn: n = 0,1,2,…,N-1} tuần hoàn với Q lần lặp lại phõn bổ trờn khoảng n = 0,1,2,…, M-1 (= N/Q -1) và dịch pha khoảng
exp(j2πrn/N). Với đầu vào tớn hiệu {xm: m = 0,1,…,M-1} chiếm dụng cỏc súng mang l = 0,Q,2Q,…,(M-1)Q. Chu kỳ truyền tải tớn hiệu tƣơng ứng với việc trải phổ chuỗi tớn hiệu {x0/Q, x1/Q, …, xM-1/Q}, lặp lại Q lần ( dịch từ 0 radian). Bõy giờ xem xột tớn hiệu từ thiết bị đầu cuối khỏc {um: m = 0,1,…,M -1} đƣợc điều chế thiết lập vào những khoảng súng mang cỏch đều nhau n =1, Q+1, 2Q+1,…, (M-1).Q +1. Phổ của tớn hiệu {Vl: l = 0,1,2,…,N-1} giống với phổ của Yl, nhƣng với những thành phần khỏc 0 sẽ dịch một súng mang. Đú là sự dịch chuyển trong miền tần số tƣơng ứng trong miền thời gian là nhõn với exp(j2πrn/N). Do đú chuyển đổi chuỗi về miền tần số sẽ là u0/Q, u1 exp(j2πrn/N)/Q,…, uM-1 exp(j2πrn(M-1)/N)/Q, lặp lại Q lần với độ dịch pha thớch hợp. Nhỡn chung, chỳng ta cú tớn hiệu đầu vào là { xm: m = 0,1,…, M-1} đƣợc điều chế
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 63
vào súng mang n = r, Q + r, 2Q + r,…, (M-1)Q + r, chuyển đổi tớn hiệu { xm: m = 0,1,…, M-1} đƣợc lặp lại Q lần với hệ số dịch pha exp(j2πrn/N).
Hàm toỏn học tƣơng ứng miờu tả Yl trong miền tấn số.
{ (4.6) Với 0 và N Q M Cho n= M . q + m (0 Kh đú (4.7) ∑ ∑ ∑ ∑ ( ∑ )
Kết quả là chuỗi ký tự {yn}thƣờng là sự lặp lại của chuỗi ký tự đầu vào {xm} với hệ số dón nở 1/Q trong miền tần số nhƣ đó miờu tả.
Khi phõn bố súng mang bắt đầu từ súng mang thứ r(0 < r ≤ Q-1), khi đú,
{ ⁄ (4.8)
Kết hợp với cụng thức 4.8, ta cú thể suy ra chuỗi ký tự {yn}
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 64
Từ cụng thức 4.9, ta cú thế thấy sự dịch pha exp(j2πrn/N) nhƣ đó núi trƣớc đú, sự phõn bổ súng mang bắt đầu từ súng mang thứ r thay vỡ súng mang 0. Sự dịch pha này cũng đƣợc ỏp dụng cho cỏc hệ thống ỏnh xạ súng mang khỏc.
4.5.3.2 Ký tự trong miền thời gian của LFDMA
Hỡnh 4.16 biểu diễn cỏch ỏnh xạ súng mang của LFDMA. Nú biểu diễn quỏ trỡnh điều chế chiếm dụng 12 súng mang {Yl}.
Hỡnh 4.16 Mụ tả quỏ trỡnh ỏnh xạ súng mang của LFDMA với M = 4 ký tự / khối, Q = 3 thiết bị đầu cuối, và N = Q ì M = 12 súng mang.
Mẫu tớn hiệu trong miền tần số cú thể biểu diễn nhƣ sau:
{ ( ) ∑ , - (4.10)
Đồ ỏn tốt nghiệp đại học Chƣơng 4 Truy nhập vụ truyến trong LTE
Nguyễn Cụng Long – Lớp D08VT2 Trang 65
4.5.3.3 Ký hiệu trong miền tần số của DFDMA