1.2 Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong 4G và 5G
1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Cơng nghệ OFDM được hình thành lần đầu tiên vào những năm 1960 và 1970 trong quá trình nghiên cứu để giảm thiểu giao thoa giữa các ký hiệu hoặc nhiễu ISI do đa đường [13].
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 14
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho các sóng mang con song song, tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường đường xuống.
Tính trực giao của hệ thống OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) dựa trên nguyên tắc trực giao của tín hiệu của tín hiệu sin [14].
Một hệ thống được hình thành bởi các thành phần:
, , ……, (1.1)
Hệ thống này trực giao trong [a,b] nếu:
∫
Đồng thời phải xác minh rằng:
∫
∫
Bằng cách này, chúng ta có một hệ thống được tạo bởi các hàm lượng giác là một hệ trực giao trong khoảng độ dài 2 bất kỳ:
1, , , , ,…….., , (1.5) Sử dụng hệ thống này, chúng ta có thể gửi từng ký hiệu ở một tần số sóng mang khác nhau mà khơng bị nhiễu giữa chúng.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 15
Trong hình 1.16, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T, và số chu kỳ của các sóng mang con kế cận hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Hình 1.16 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM đáp ứng tần số là sinc hay . Hình 1.17 mơ tả phổ của ký tự OFDM có 7 sóng mang con là tổng hợp của 7 hàm sinc.
Hình 1.17 Phổ tín hiệu OFDM với 7 sóng mang
Vì một kênh mang nhiều sóng mang nên mỗi sóng mang chỉ cần bằng thơng hẹp nên chống được fading và trải trễ.
Hệ thống OFDM băng gốc
Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 16
Nguyên lý làm việc:
Phía phát
Sơ đồ hệ thống OFDM được thể hiện trong Hình 1.18. Đầu tiên, dịng dữ liệu nhị phân đầu vào đi qua bộ sắp xếp. Sau đó đi qua bộ Chuyển đổi nối tiếp và song song (S/P: Serial/Parallel), dòng dữ liệu tốc độ cao này sẽ được chia thành dòng dữ liệu song song và được mã hóa sử dụng thuật toán FEC (Forward Error Correcting). Dữ liệu sau khi mã hóa sẽ được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Các tín hiệu dẫn đường pilot (Pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu. Đầu vào của khối IFFT là những ký tự hỗn hợp. Khối này thực hiện chức năng biến đổi các mẫu trong miền thời gian thành các kênh nhánh tương ứng trong miền tần số.
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.
Trong q trình truyền, sẽ có các nguồn nhiễu như nhiễu Gaussian trắng cộng AWGN gây ảnh hưởng lên các kênh.
Phía thu
Ở phía thu tín hiệu được truyền xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng mang con sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). 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.
Đánh giá về kỹ thuật OFDM
Ưu điểm:
Sử dụng dải tần hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang.
Hạn chế ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
Dễ dàng thích ứng với các điều kiện kênh khắc nghiệt mà không cần cân bằng miền thời gian phức tạp.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 17
Nếu độ dài của chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh thì hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference- ISI).
Bộ thu có cấu trúc đơn giản.
Nhược điểm:
Công suất đỉnh cao hơn cơng suất trung bình gây lên nhiễu xuyên điều chế.
Làm giảm hiệu suất đường truyền, do chuỗi bảo vệ không mang thơng tin có ích.
Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM Zero Tail
Để khắc phục những thiếu sót trong kỹ thuật OFDM, kỹ thuật OFDM Zero Tail được đề xuất để sử dụng hiệu quả băng thông và công suất. Sơ đồ khối cơ bản của OFDM Zero Tail được thể hiện trong Hình 1.19. Hệ thống tuân theo cùng một sơ đồ và chuyển qua các kênh giống như trước đây, nhưng thay đổi đáng kể trong việc truyền và nhận.
Hình 1.19 Sơ đồ khối cơ bản của OFDM – ZT
Hệ thống OFDM Zero Tail: Phía phát:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 18
Hình 1.20 Phía phát của OFDM – ZT
Tín hiệu OFDM trong trường hợp này được tạo bởi các bước tương tự như hệ thống trước đó. Sự khác biệt giữa chúng là xử lý trong miền thời gian của các ký hiệu OFDM. Các tiền tố tuần hoàn CP được thay thế bằng đuôi không (Zero Tail), tức là thêm đuôi các số không vào mỗi ký hiệu OFDM. Kỹ thuật này làm giảm sự lãng phí cơng suất và sử dụng băng thông hiệu quả [15].
Ký hiệu OFDM + CP có thể biểu diễn như sau:
CP N CP N CP N
Ký hiệu OFDM + Zaro Tail có thể biểu diễn như sau:
N ZT N ZT N ZT
Sơ đồ hệ thống OFDM Zero Tail được mơ tả như trong Hình 1.20. Hệ thống mới này, vẫn dựa trên nguyên tắc trực giao của tín hiệu hình sin như trong kỹ thuật OFDM để tạo thành một hệ trực giao trong khoảng độ dài 2 bất kỳ và các ký hiệu có thể được truyền mà không gây nhiễu với nhau. Dữ liệu truyền đi phải được điều chế trước. Ở đây điều chế QAM được sử dụng để tạo thành hai vector thông tin đồng pha và vng góc độc lập với nhau.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 19
Hình 1.21 Cấu trúc phía thu của OFDM – ZT
Cấu trúc phía thu của OFDM Zero Tail được mơ tả trong Hình 1.21. Khi ký hiệu OFDM Zero Tail đi qua kênh đa đường, tích chập bị ảnh hưởng bởi các thành phần khơng theo chu kỳ của tín hiệu mới. Phía thu khơng thể được thực hiện nếu chỉ nhìn N mẫu thời gian của ký hiệu phía thu bởi vì phần đi số khơng mang thơng tin về kết quả tích chập. Để xem xét thơng tin đi khơng này, giá trị của các mẫu của nó được thêm vào các mẫu ký hiệu đầu tiên. Quá trình này được gọi là chồng chéo – thêm tích chập khối được minh họa trong Hình 1.22, và các mẫu ký hiệu OFDM có thể được phục hồi và các mẫu bổ sung cũng được loại bỏ.
Hình 1.22 Sơ đồ minh họa phương pháp chồng chéo – thêm
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
1.3 Lưới tài nguyên vô tuyến cho hệ thống thông tin di động 5G
Lưới tài nguyên cho NR được xác định như trong Hình 1.28. Nếu chỉ nhìn qua hình ảnh, nó sẽ gần giống với lưới tài nguyên LTE. Nhưng khoảng cách sóng mang con, số lượng ký hiệu OFDM trong khung vô tuyến thay đổi trong NR tùy thuộc vào băng tần sử dụng.
Resource Element (Phần tử tài nguyên): là đơn vị nhỏ nhất của lưới tài nguyên
được tạo thành từ một sóng mang con trong miền tần số và một ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
Resource Block (Khối tài nguyên - RB): được định nghĩa là 12 số sóng mang
con liên tiếp trong miền tần số.
Resource Grid (Lưới tài nguyên): là sự kết hợp của các sóng mang con và các ký hiệu OFDM. Được xác định cho từng sóng mang và cổng anten. Một tập hợp các lưới tài nguyên được xác định cho mỗi đường lên, đường xuống và liên kết phụ.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 25
1.4 Kết luận chương 1
Nội dung chương 1 nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin di động 5G bao gồm các công nghệ lõi sử dụng trong 5G, kiến trúc mạng di động 5G, kiến trúc mạng 5GC, RAN Evolution. Tìm hiểu các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong 4G và 5G như OFDM, OFDM Zero Tail1, DFT-s-OFDM. Từ đó thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống. Phần cuối của chương tìm hiểu về lưới tài ngun vơ tuyến cho hệ thống thông tin di động 5G, số lượng RBs khác nhau với mỗi băng thông kênh và SCS khác nhau.