1.2 Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong 4G và 5G
1.2.3 Kỹ thuật DFT-s-OFDM
DFT-s-OFDM (DFT Spread OFDM: DFT trải phổ bằng OFDM) là một dạng điều chế cải tiến của OFDM. Có hiệu quả thông lượng và độ phức tạp tương tự OFDM nhưng có Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình (PAPR) thấp hơn. Đa truy nhập đường lên sử dụng DFT-s-OFDM được gọi là SC-FDMA, dùng trong hệ thống thông tin di động sau 3G như LTE và WIMAX.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 20
Trong DFT-s-OFDM, DFT được sử dụng để biến đổi ký hiệu dữ liệu miền thời gian thành dữ liệu miền tần số. Sau đó, một đơn vị ánh xạ sóng mang con ánh xạ dữ liệu miền tần số vào vị trí sóng mang con tương ứng. Tương tự như hệ thống OFDM, các sóng mang con trong hệ thống DFT-s-OFDM trực giao với nhau. Mỗi người dùng sử dụng một tập hợp sóng mang con để truyền đi. Tất cả các tín hiệu truyền đi dưới dạng tín hiệu sóng mang đơn có PAPR thấp hơn so với OFDM.
Có hai cách tiếp cận lập lịch miền tần số để phân bổ các sóng mang con: DFT-s- OFDM tập trung và DFT-s-OFDM phân tán dựa trên sự khác nhau của các khối tài nguyên (RB) được ánh xạ [16].
DFT-s-OFDM tập trung: Sau DFT, các tín hiệu được ánh xạ tới một tập
hợp các RB liên tiếp như trong Hình 1.23a. Điều này có thể đơn giản hóa việc phân bổ tài ngun vơ tuyến khi có nhiều người dùng. DFT-s-OFDM tập trung đã được chấp nhận trong đường lên của 3GPP LTE. Tuy nhiên, tính chọn lọc tần số và tính đa dạng của nhiều người dùng khơng được khai thác một cách hiệu quả vì mỗi người dùng bị giới hạn trong một tập hợp RB liên tiếp.
DFT-s-OFDM phân tán: Sau DFT, các tín hiệu được ánh xạ tới nhiều cụm
RB khơng liên tiếp như trong Hình 1.23b. Trong khi vừa làm giảm PAPR, nó cũng có thể khai thác hiệu quả tính chọn lọc tần số và tính đa dạng của nhiều người dùng, đồng thời cung cấp tính linh hoạt cao hơn DFT-s-OFDM tập trung. Tuy nhiên, có thể tăng phát xạ ngồi băng và phân bổ tài nguyên vô tuyến phức tạp hơn nhiều so với DFT-s-OFDM tập trung khi có nhiều người dùng.
Hình 1.23 Sơ đồ minh họa về (a) DFT-s-OFDM tập trung và (b) DFT-s-OFDM phân tán
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 21
Máy phát với một anten và K người dùng được mơ tả trong Hình 1.24. Hệ thống này chuyển đổi tín hiệu đầu vào nhị phân thành một chuỗi các sóng mang con được điều chế. Sau khi qua điều chế (như QPSK hoặc BPSK) dữ liệu nối tiếp được chuyển đổi thành dòng dữ liệu song song. Dữ liệu được xử lý theo khối. Khi đó, có thể truyền khối ký hiệu dữ liệu của M nguồn từ mỗi người dùng [17].
Hình 1.24 Sơ đồ khối của máy phát DFT-s-OFDM
Không giống như hệ thống OFDM thông thường, thực hiện FFT M điểm được áp dụng trước q trình ánh xạ sóng mang con. Phép tốn FFT này biến đổi dữ liệu miền thời gian lên dữ liệu miền tần số. Sau đó, dữ liệu miền tần số được ánh xạ vào các sóng mang con khác nhau. Sau khi thực hiện IFFT KM điểm, tín hiệu được biến đổi thành dữ liệu trong miền thời gian. Tiếp đó các tín hiệu đi qua bộ Chuyển đổi nối tiếp và song song, dòng dữ liệu song song được biến đổi thành các dòng dữ liệu nối tiếp. Để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI, các khoảng bảo vệ được chèn vào. Cuối cùng, các tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh nhờ bộ lọc phía phát.
Ánh xạ sóng mang con:
Trong DFT-s-OFDM phân tán, dữ liệu miền tần số được cấp phát cho toàn bộ băng thơng được cấp pháp. Các sóng mang con bị chiếm giữ được đặt cách đều nhau bằng cách gán số 0 trong các sóng mang con khơng được sử dụng. Q trình ánh xạ sóng mang con phân tán được thể hiện trong Hình 1.25a. Vì tồn bộ băng thơng được sử dụng, chế độ này cung cấp phân tập tần số lớn. Do đó, DFT-s-OFDM phân tán mạnh mẽ và chống lại kênh fading chọn lọc tần số.
Như thể hiện trong Hình 1.25a, các phần tử của dữ liệu miền tần số được ánh xạ vào các sóng mang con theo cơng thức sau:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 22
={
(1.6)
Trong khi đó, ở chế độ ánh xạ sóng mang con tập trung như trong Hình 1.25b, mỗi người dùng sử dụng các sóng mang con liên tiếp để truyền các ký hiệu. Bằng cách chỉ định mỗi người dùng cho sóng mang con trong một phần của băng tần tín hiệu mà người dùng đó có độ lợi kênh cao, chế độ này đạt được sự phân tập đa người dùng.
Q trình ánh xạ sóng mang con tập trung được mơ tả trong Hình 2.25b tn theo cơng thức sau:
={
(1.7)
(a) Ánh xạ sóng mang con DFT-s-OFDM phân tán
(b) Ánh xạ sóng mang con DFT-s-OFDM tập trung
Hình 1.25 Q trình ánh xạ sóng mang con cho DFT-s-OFDM tại phía phát
Phía thu DFT-s-OFDM
Hình 1.26 cho thấy kiến trúc của máy thu DFT-s-OFDM. Quá trình ở phía thu là ngược lại với q trình ở phía phát. Trong giai đoạn đầu tiên, tiền tố tuần hoàn CP bị loại bỏ khỏi tín hiệu nhận được, tiếp theo là chuyển đổi nối tiếp sang song song. Tín hiệu sau đó được tín hiệu trong miền tần số bởi q trình FFT KM điểm.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 23
Hình 1.26 Sơ đồ khối của máy thu DFT-s-OFDM
Sau khi thực hiện biến đổi FFT, q trình ánh xạ sóng mang con được thực hiện. Quy trình ánh xạ sóng mang con phân tán được thể hiện trong Hình 1.27a và Hình 1.27b. Như ngược lại của quá trình ánh xạ, trong chế độ phân tán, ánh xạ sóng mang con tập hợp ký hiệu người dùng tại các chỉ số .
Trong khi, ở chế độ tập trung ký hiệu người dùng sẽ được đặt tại các chỉ số .
(a) Ánh xạ sóng mang con DFT-s-OFDM
phân tán (b) Ánh xạ sóng mang con DFT-s-OFDM tập trung
Hình 1.27 Q trình ánh xạ sóng mang con cho DFT-s-OFDM tại phía thu
Tín hiệu sau q trình ánh xạ sóng mang con tiếp tục thực hiện biến đổi IFFT M điểm, tín hiệu được chuyển sang miền thời gian. Sau đó, tín hiệu tiếp tục đi qua bộ Chuyển đổi nối tiếp và song song. Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 24