1. 4.1 Kiến trúc truy nhập vô tuyến E-UTRAN
2.4 SC-FDMA và OFDMA
Lược đồ khối của bộ phát OFDMA và SC-FDMA cho thấy chúng có nhiều điểm chung. Điểm khác biệt duy nhất giữa chúng là sự hiện diện của khối DFT trong lược đồ khối SC-FDMA. Vì lý do này mà SC-FDMA đôi khi còn được gọi là DFTS-OFDMA. Các điểm giống nhau khác giữa hai khối bao gồm: xử lí và điều chế dữ liệu dựa trên khối, phân chia băng thông truyền dẫn thành các băng con hẹp hơn, xử lí cân bằng miền tần số. Và sử dụng CP chèn vào mỗi kí hiệu để tránh nhiễu ISI.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 27
Hình 2.16: Khác nhau trong phát các ký hiệu phát giữa SC-FDMA và OFDMA
Theo điều kiện phát hiện dữ liệu tại bộ thu, OFDMA thực hiện chúng trên mỗi sóng mang trong khi đó SC-FDMA thực hiện chúng sau khi hoạt động của IDFT, bởi vì sự khác nhau này, OFDMA là nhạy cảm hơn đối với hiện tượng phổ rỗng trong phổ kênh và nó yêu cầu điều khiển công suất/ tốc độ hoặc mã hóa kênh để chống lại hiện tượng phổ rỗng đó. Hơn nữa, trong OFDMA các ký hiệu được sắp xếp lên sóng mang được truyền dẫn song song với chu kì thời gian được kéo dài ra trong khi đó các kí hiệu điều chế SC-FDMA được nén thành các chíp nhỏ hơn với truyền dẫn nối tiếp các khối dữ liệu, điều này thật sự giống như hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA). Ngoài ra, SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau.
Dựa trên hệ thống này ta có ví dụ minh họa so sánh giữa SC-FDMA và OFDMA giả sử với kiểu điều chế QPSK, ta có thể biểu diễn các kí hiệu được phát như sau.
Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 28
Tóm lại SC-FDMA có các ưu điểm so với OFDM: PAPR thấp hơn do truyền dẫn đơn sóng mang.
Do truyền dẫn đơn sóng mang nên nó tránh được hiện tượng phổ rỗng.
Độ nhạy cảm dịch tần số thấp hơn.
Độ phức tạp tại bộ phát thấp hơn cụ thể hơn chính là các đầu cuối di động sẽ có
lợi hơn về tính đơn giản vi mạch trong thông tin di động do đó chi phí thiết bị đầu cuối tương đối thấp.
2.5. SC-FDMA và DS-CDMA/FDE
Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA: Direct Sequence CDMA) với FDE là một kỹ thuật thay thế cho máy thu Rake thông thường được sử dụng trong hệ thống DS-CDMA với bộ cân bằng miền tần số. Một máy thu Rake bao gồm các bộ hiệu chỉnh, mỗi bộ hiệu chỉnh một thành phần tín hiệu đa đường. Số tín hiệu đa đường tăng thì chọn lọc tần số trong kênh cũng tăng và độ phức tạp của máy thu Rake cũng tăng lên và cần nhiều các bộ hiệu chỉnh hơn. Việc sử dụng FDE thay vì máy thu Rake có thể làm giảm bớt vấn đề phức tạp trong hệ thống DS-CDMA. Lược đồ khối của hệ thống DS-CDMA với FDE có thể được cho như hình vẽ dưới đây.
Hình 2.18: Hệ thống DS-CDMA với bộ cân bằng miền tần số
Máy phát DS-CDMA/FDE tương tự như hệ thống DS-CDMA thông thường tuy nhiên có một khối khác đó là khối chèn CP. FDE trong bộ thu sẽ loại bỏ méo kênh từ các kí hiệu chíp được thu để khôi phục các kí hiệu chíp không bị nhiễu ISI. Với hệ số trải phổ nhỏ, hiệu năng liên kết của máy thu Rake giảm đáng kể cho nhiễu đa liên đường và FDE sẽ có hiệu năng tốt hơn. Với hệ số trải phổ lớn, cả hai sẽ cho cùng hiệu năng. SC-FDMA tương tự như DS-CDMA/FDE:
Cả hai đều trải phổ khối dữ liệu băng hẹp vào băng rộng hơn.
Đều đạt được độ lợi xử lí hoặc độ lợi trải phổ khi trải phổ.
Chúng đều duy trì PAPR thấp do truyền dẫn đơn sóng mang.
Một đực biệt nữa giữa DS-CDMA trực giao và IFDMA là được trao đổi vai trò chuỗi trải phổ và dữ liệu, điều chế DS-CDMA trở thành điều chế IFDMA. Một ví dụ được minh họa trong hình dưới. Chúng ta có thể thấy rằng kết quả trải phổ với việc hoán đổi vai trò là theo dạng các kí hiệu điều chế IFDMA. Một ưu điểm của SC-FDMA so với DS-CDMA/ FDE là có khả năng lập lịch phụ thuộc kênh để lợi dụng chọn lọc tần số của kênh.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 29 0 x x1 x2 x3 0 x x0 x0 x0 x1 x1 x1 x1 x2 x2 x2 x2 x3 x3 x3 x3 0 x x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3 0 x x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3 x0 x1 x2 x3
Hình 2.19: Trải phổ với vai trong chuỗi dữ liệu và trao đổi chuỗi kí hiệu để trải phổ
với (1, 1, 1, 1) với kích cỡ khối là 4
2.6. SC-CFDMA
2.6.1. Lập lịch phụ thuộc kênh
Như đã nói ở chương trước, lập lịch là một trong các yếu tố quan trọng, quyết định dung lượng và chất lượng trong LTE. Trong LTE bộ lập lịch lập lịch cả trong miền thời gian và tần số. Nếu lập lịch trong miền thời gian, tất cả các tài nguyên được dành cho tới một người sử dụng trong mỗi khoảng thời gian lập lịch. Trong miền tần số và thời gian, mỗi khoảng thời gian lập lịch nhiều người sử dụng được cấp phát tài nguyên. Từ quan điểm cấp phát tài nguyên, việc cấp phát tài nguyên tới các người sử dụng có thể dựa trên các điều kiện kênh hoặc không dựa trên các điều kiện kênh. Có hai phương pháp cấp phát tài nguyên:
Phương quay vòng (Round Robin - RR) cấp phát tài nguyên tới người sử dụng
mà người sử dụng đó đã chờ lâu nhất để phát sau khi đã đăng nhập vào mạng mà không cần quan tâm tới điều kiện kênh của người sử dụng đó.
Phương pháp CDS dựa trên các điều kiện kênh, CDS cấp phát tài nguyên tới các
người sử dụng có chất lương kênh tốt nhất.
Có thể thấy rằng nếu điều kiện kênh không thay đổi hoặc thay đổi ít, phương pháp RR là thích hợp. Đối với điều kiện kênh thay đổi CDS là thích hợp hơn cả. Tuy nhiên thực tế, CDS được sử dụng nhiều hơn do các đầu cuối di chuyển trong môi trường di động.
Trong hình vẽ dưới thể hiện hệ thống có K người sử dụng với chức năng truyền kênh độc lập lẫn nhau. Để cung cấp cho đầu cuối với thông tin kênh, đầu cuối sẽ phát các tín hiệu trên các sóng mang trong khoảng thời gian toàn bộ băng tần. Dựa trên các thông tin này, bộ
Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 30
lập lịch tại trạm gốc tìm một tập người sử dụng có tổng số dung lượng cực đại. Sau đó nó sẽ quyết định chòm sao điều chế dựa trên SNR của các khối sóng mang được cấp phát tới người sử dụng. Bộ lập lịch sau đó sẽ cấp phát một tập N sóng mang tới mỗi đầu cuối và truyền cấp phát khối sóng mang này và chòm sao điều chế tới mỗi người sử dụng.
Hình 2.20: Lập lịch hệ thống SC-FDMA
2.6.2. SC-CFDMA
Chúng ta có thể thấy rằng cơ chế lập lịch RR có ưu điểm là đơn giản, dễ triển khai và không tính toán nên không yêu cầu tiêu đề trong việc truyền tải, nó không quan tâm tới điều kiện kênh, đơn giản nó chỉ dành tài nguyên cho người sử dụng nào đã đăng nhập vào mạng thành công và có thời gian chờ lâu nhất để truyền dữ liệu. Như vậy cơ chế RR có thể đạt thông lượng cao đặc biệt trong trường hợp đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp (điều kiện kênh thay đổi chậm) và sẽ giảm dần khi đầu cuối di chuyển với tốc độ cao. Từ hình 2.12 có thể thấy với kiểu sắp xếp sóng mang IFDMA sẽ cho thông lượng cao hơn khi đầu cuối di chuyển tốc độ cao so với LFDMA do IFDMA có khả năng đề kháng phađinh tốt hơn LFDMA.
Ngược lại khi người sử dụng di chuyển với tốc độ thấp với cơ chế CDS thì kiểu sắp xếp sóng mang LFDMA sẽ cho thông lượng cao hơn kiểu sắp xếp sóng mang IFDMA do LFDMA cho phép đạt được phân tập người sử dụng khi xảy ra phađinh chọn lọc tần số nếu nó ấn định cho từng người sử dụng phần băng tần trong đó người sử dụng này có đặc trưng truyền dẫn tốt nhất (độ lợi kênh cao).
Do đó, khi nhiều người sử dụng di chuyển với tốc độ thấp và tốc độ cao tại cùng thời
điểm, chúng ta có thể kết hợp hai phương pháp sắp xếp sóng mang trên để đạt được thông
lượng cao hơn.
SC-FDMA không thể thực hiện được với cả hai kiểu sắp sếp trên khi các sóng mang không bị chồng lên nhau để duy trì tính trực giao giữa các người sử dụng. Kỹ thuật sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp trực giao điều chế SC-CFDMA, với phương pháp này cả hai kiểu sắp xếp sóng mang sẽ đồng tồn tại với các sóng mang được chồng lên nhau.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 31
Hình 2.21: Kiểu sắp xếp sóng mang lai SC-CFDMA
Ngoài ưu điểm trên phương pháp sắp xếp lai còn có ưu điểm là tận dụng được băng
thông. Kiểu lược đồ đa truy nhập trên được gọi là đa truy nhập phân chia tần số mã đơn sóng mang SC-CFDMA như hình sau thể hiện lược đồ khối truy nhập của hệ thống SC-CFDMA. Hình 2.23 thể hiện sự so sánh SC-FDMA và SC-CFDMA với các sóng mang là như nhau của các người sử dụng.
Hình 2.22: Hệ thống SC-CFDMA
Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 32
Dựa vào hình có thể thấy phương pháp SC-CFDMA có ưu điểm rất lớn đó là tiết kiệm được băng tần hệ thống. Bên trái là với kiểu sắp xếp sóng mang DFDMA trong đó cần tới bốn sóng mang để cấp phát cho bốn đầu cuối. Trong khi đó bên phải là kiểu SC-CFDMA chỉ cần hai sóng mang được trải chuỗi trực tiếp để cấp phát cho bốn đầu cuối.
Hình 2.24: Thông lượng theo tốc độ di chuyển và kiểu sắp xếp sóng mang
Hình 2.25: Thông lượng người sử dụng theo các kiểu sắp xếp khác nhau
Hình trên ta thấy rằng thông lượng người sử dụng trong trường hợp đầu cuối di động với tốc độ thấp và cao được cải thiện hơn với cơ chế sắp xếp sóng mang lai SC-CFDMA.
2.7. Tổng kết chương
SC-FDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mới mà hiện tại đang được triển khai trên
đường lên LTE. Trong chương II đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý hệ thống SC-FDMA, phân
tích với các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau đó là IFDMA, DFDMA và LFDMA. Nghiên
cứu các đặc tính PAPR của tín hiệu SC-FDMA với tạo dạng phổ, so sánh giữa các sơ đồ
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 33
CHƯƠNG III
TRIỂN KHAI SC-FDMA TRONG 3GPP LTE