Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-10: Nguyên lý của FDMA
Hình 2-11: Nguyên lýđa sóng mang
Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phươngpháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trongvùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub- carrier)trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phépchồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớnhơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 2-12: So sánh phổtần của OFDM với FDMA
Hình2-13: Tần số-thời gian của tín hiệu OFDM
LTE sử dụng OFDM trong kỹ thuật truy cập đường xuống vì nó có các ưuđiểm sau:
OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độdài chuỗi bảo vệ(guard interval) lớn hơn độ trễtruyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữliệu từ nối tiếp sang song song nênthời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễdo truyền dẫn đa đường giảm xuống.
Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọctần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần sốsóng mangOFDM khác nhau.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng của sự phân tập về tần số(frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm thiểu nhiềuso với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Cấu trúc máy thu đơn giản.
Thíchứng đường truyền và lập biểu trong miền tần số. Tương thích với các bộthu và các anten tiên tiến.
Hình 2-14: Các song mang giao với nhau
Một vấn đề gặp phải ở OFDM trong các hệ thống thông tin di động là cầndịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời. Dịch tần phá hỏngtính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập. Vì vậy nó rất nhạycảm với dịch tần.ỞLTE chọn khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, đối vớikhoảng cách này là khoảng cách đủlớn đối với dịch tần Doppler.
Để điều chế tín hiệu OFDM sử dụng biến đổi FFT và IFFT cho biến đổi giữamiền thời gian và miền tần số.
Hình 2-15: Biến đổi FFT
Chiều dài biến đổi FFT là 2n với n là số nguyên. Với LTE chiều dài có thể là512 hoặc 1024...Ta sử dụng biến đổi IFFT khi phát đi, nguồn dữ liệu sau khi điềuchế được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song. Sau đó được đưa đến bộbiến đổiIFFT. Mỗi ngõ vào của IFFT tương ứng với từng sóng mang con riêng biệt (thànhphần tần số riêng biệt của tín hiệu miền thời gian) và mỗi sóng mang được điều chếđộc lập với các sóng mang khác. Sau khi được biến đổi IFFT xong, tín hiệu đượcchèn thêm tiền tốvòng (CP) và phátđi. Ởbộ thu ta làm ngược lại.
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Mục đích của việc chèn thêm tiền tốvòng là có khả năng làm giảm hay loạitrừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference). Một mẫu tín hiệu có độ dàilà TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độdài TGở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệunhư hình vẽsau:
Hình 2-17: Chuỗi bảo vệGI
Do đó, GI cònđược gọi là Cyclic Prefix (CP). Sựsao chép này có tác dụngchống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệuứng phân tập đa đường.
Nguyên tắc này giải thích như sau: Giảsử máy phát đi một khoảng tínhiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệunày có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệuứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽtớimáy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ, hình a, tín hiệu theo đườngthứ nhất không có trễ, các đường thứhai và thứ ba đều bịtrễmột khoảng thời gianso với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả cáctuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chínhlà hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sửdụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽdễ dàngloại bỏhiện tượng này. Trong trường hợp TG≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bịchồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có íchvẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ loại bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộgiải điều chế OFDM. Do đó, điều kiện cần thiết đ cho hệ thống OFDM không bịảnh hưởng bởi ISI là: TG≥τ MAXvới τMAX là trễtruyền dẫn tối đa của kênh
a ) Không có GI
b) Có GI
Hình 2-18: Tác dụng của chuỗi bảo vệ
OFDM lượng tửhóa trong miền tần sốdựa trên ước lượng đáp ứng tần sốcủa kênh. Do đó nó hoạt động đơn giản hơn WCDMA và nó không phụ thuộc vàochiều dài của kênh (chiều dài của đa đường trong các chip) như khi lượng tửWCDMA. Trong WCDMA các cell khác nhau được phân biệt bởi các mã trải phổkhác nhau nhưng trong OFDM trải phổ không có giá trị, nó sử dụng các ký hiệutham khảo riêng biệt giữa các cell hoặc giữa các anten khác nhau.
LTE sửdụng OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)cho tuyến lên. OFDMA gọi là Đa truy nhập phân chia theo tần sốtrực giao là côngnghệ đa truy cập phân chia theo sóng mang, là một dạng nâng cao, là phiên bản đangười dùng của mô hìnhđiều chếsốOFDM
Kỹthuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truycập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con(subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm.Ởcác thời điểm khác nhau,nhóm sóng mang con cho 1 người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép truyềndữliệu tốc độ thấp
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
từnhiều người sửdụng.
Hình 2-19: Sóng mang con OFDMA
Hình 2-20: OFDM và OFDMA
Tài nguyên thời gian - tần số được chia nhỏ theo cấu trúc sau : 1 radio framecó chiều dài là 10ms, trong đó chia thành nhiều subframe nhỏ có chiều dài là 1ms,và mỗi subframe nhỏ lại được chia thành 2 slot với chiều dài của mỗi slot là 0.5ms.
Mỗi slot sẽ bao gồm 7 ký tự OFDM trong trường hợp chiều dài CP thông thường và6 ký tự OFDM trong trường hợp CP mởrộng.
Trong OFDMA, việc chỉ định số sóng mang con cho người dùng không dựavào từng sóng mang con riêng lẻ mà dựa vào các khối tài nguyên (Resource Block).Mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang con cho khoảng thời gian 1 slot vàkhoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz dẫn đến kết quả băng thông tốithiểu của nó là 180 KHz. Đơn vị nhỏ nhất của tài nguyên là thành phần tài nguyên(RE), nó bao gồm một sóng mang con đối với khoảng thời gian của một ký tựOFDM. Một RB bao gồm 84 RE (tức 7 x12) trong trường hợp chiều dài CP thôngthường và 72 RE (6x12) trong trường hợp chiều dài CP mởrộng.
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộ thờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộthờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Hình 2-21: Chỉ định tài nguyên của OFDMA trong LTE Bảng 2-4: Sốkhối tài nguyên theo băng thông kênh truyền
Băng thông kênh truyền (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Sốkhối tài nguyên 6 15 25 50 75 100
Hình 2-22: Cấu trúc của một khối tài nguyên
Tín hiệu tham khảo (RS): LTE sử dụng các tín hiệu tham khảo đặc biệt đểdễ dàng ước lượng dịch sóng mang, ước lượng kênh truyền, đồng bộthờigian…Các tín hiệu tham khảo được bố trí như hình sau:
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-23: Cấu trúc bốtrí tín hiệu tham khảo
Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ nămcủa mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe. Tín hiệu tham khảo cũngđược sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệutham khảo (RSRP).
Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau:
Hình 2-24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-23: Cấu trúc bốtrí tín hiệu tham khảo
Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ nămcủa mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe. Tín hiệu tham khảo cũngđược sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệutham khảo (RSRP).
Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau:
Hình 2-24: Đặc tính đường bao của tín hiệu OFDM
Tìm hiểu mạng LTE và mô phỏng quá trình chuyển giao trên Omnet++
Hình 2-23: Cấu trúc bốtrí tín hiệu tham khảo
Các tín hiệu tham khảo này được phát ở ký tự OFDM thứ nhất và thứ nămcủa mỗi slot và ở sóng mang thứ sáu của mỗi subframe. Tín hiệu tham khảo cũngđược sử dụng để ước lượng tổn hao đường truyền sử dụng công suất thu tín hiệutham khảo (RSRP).
Nhược điểm của OFDM là gì? Ta xét các hình sau:
Hình 2-25:PAPR cho các tín hiệu khác nhau
Từcác hình trên ta thấy, dạng sóng OFDM thểhiện sự thăng giáng đườngbao rất lớn dẫn đến PAPR cao. Tín hiệu với PAPR cao đòi hỏi các bộ khuếch đạicông suất có tính tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu. Để đạt được mứcđộ tuyến tính này, bộ khuếch đại phải làm việc ở chế độ công tác với độ lùi (so vớiđiểm bão hòa cao). Điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng công suất (tỷ số công suấtphát với công suất tiêu thụ một chiều) thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với cácthiết bị cầm tay. Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụngphương pháp đa truy nhập đường lên sửdụng DTFS-OFDM với tên gọi là SC- FDMA và áp dụng cho LTE.