1. 4.1 Kiến trúc truy nhập vô tuyến E-UTRAN
3.3.2 Các tín hiệu tham khảo để thăm dò kênh
Lập biểu phụ thuộc kênh là một tính năng quan trọng của LTE. Với đường lên, lập biểu phụ thuộc kênh có thể tăng các tốc độ số liệu khả dụng và giảm nhiễu đến các ô khác. Để thực hiện lập biểu phụ thuộc kênh trong miền thời gian và tần số cần thực hiện các ước tính chất lượng kênh miền thời gian-tần số. Tuy nhiên điều này không thể thực hiện bằng các tín hiệu tham khảo sử dụng cho giải điều chế nhất quán đường lên do chỉ được phát trên băng thông được ấn định động cho từng đầu cuối di động. Vì thế mạng để hỗ trợ lập biểu phụ thuộc kênh đường lên trong miền tần số cần có thêm các tín hiệu tham khảo băng rộng phát trên đường lên LTE. Các tín hiệu này được gọi là các tín hiệu thăm dò kênh để phân biệt với các tín hiệu tham khảo cho giải điều chế nhất quán được minh họa trên hình sau.
Các nguyên lý cơ sở của các tín hiệu thăm dò kênh cũng giống như các nguyên lý của các tín hiệu tham khảo giải điều chế. Các tín hiệu thăm dò kênh được xây dựng trên cơ sở các chuỗi Zadoff-Chu và được phát trong một khối DFTS-OFDM hoàn thiện.
Các tín hiệu thăm dò kênh thường có băng thông rộng hơn, có thể lớn hơn nhiều so với tài nguyên ấn định cho một đầu cuối. Các tín hiệu thăm dò kênh cũng có thể được phát từ
các đầu cuối di động không được ấn định bất kì một tài nguyên nào trên truyền dẫn UL-SCH.
Các tín hiệu thăm dò kênh thường không phát thường xuyên như các tín hiệu tham khảo giải điều chế. Nếu tín hiệu thăm dò kênh được sử dụng trong một ô, mạng chỉ cần ấn định tường minh các khối trong cấu trúc khung con đường lên để truyền dẫn các tín hiệu thăm dò kênh (hình 3.12). Các khối này không được sử dụng để truyền dẫn số liệu.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 41
Hình 3.12: Truyền dẫn các tín hiệu tham khảo thăm dò kênh
Các khối được ấn định để truyền dẫn các tín hiệu tham khảo thăm dò kênh là một tài nguyên chia sẻ, nghĩa là nhiều đầu cuối di động có thể phát các tín hiệu tham khảo trong các tài nguyên máy. Điều này có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau:
Có thể ấn định một khối cho các tín hiệu tham khảo trong mỗi khung. Tuy nhiên mỗi đầu cuối di động chỉ có thể phát một tín hiệu thăm dò kênh chẳng hạn cứ N khung con một lần, nghĩa là N đầu cuối di động có thể chia sẻ tài nguyên này trong miền thời gian.
Có thể phân tán các tín hiệu tham khảo, nghĩa là chỉ truyền dẫn một sóng mang trong số N sóng mang con. Khi này các đầu cuối di động phát trên tập các sóng mang con khác nhau và tài nguyên thăm dò kênh được chia sẻ trong miền tần số. Các tín hiệu có thể phát cùng một tín hiệu tham khảo nhưng với dịch vòng khác
nhau. Các dịch vòng khác nhau của cùng một chuỗi Zadof-Chu đều trực giao nhau với điều kiện là các dịch vòng này phải lớn hơn phân tán thời gian của kênh.
3.4. Xử lí kênh truyền tải đường lên
Trong LTE, vì không có ghép kênh không gian nên chỉ có một khối truyền tải với kích thước động được phát trong mỗi TTI.
- Chèn CRC: Giống như đường xuống, CRC được tính toán và chèn vào khối truyền tải. CRC cho phép phía thu phát hiện lỗi dư trong khối truyền tải đã được mã hóa kênh. Chỉ thị lỗi tương ứng sau đó có thể được sử dụng bởi giao thức HARQ.
- Mã hóa kênh: Trong LTE chỉ có mã hóa Turbo được áp dụng cho truyền dẫn đường lên và xuống. Đây là mã hóa sử dụng các bộ mã hóa thành phần tám trạng thái của WCDMA/HSPA tỉ lệ ½ nghĩa là tổng tỷ lệ mã là 1/3. Tuy nhiên trong LTE, bộ mã đan xen bên trong của bộ mã Turbo WCDMA/HSPA được thay thế bằng đan xen dựa trên QPP (Quadratic Polynomial Permutation – hoán vị đa thức cầu phương) là một đan xen tránh va chạm tối đa, nghĩa là giải mã có thể được thực hiện song song mà không bị va chạm khi truy nhập bộ nhớ của bộ đan xen. Vì LTE hỗ trợ các tốc độ số liệu rất cao, nên sử dụng đan xen QPP cho phép giảm đáng kể độ phức tạp của bộ mã hóa/giải mã Turbo.
Chương 3: Triển khai SC-FDMA trong 3GPP LTE
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 42
Hình 3.13: Các bước xử lý kênh truyền tải đường lên
- Chức năng HARQ của lớp vật lý: chức năng của HARQ lớp vật lý đường lên cũng giống như chức năng đường xuống tương ứng là lấy ra từ các bít được mã hóa sau bộ mã hóa kênh tập các bit sẽ phát trong một TTI cho trước.
Hình 3.14: Chức năng HARQ của lớp vật lý
Nếu tổng số bit sau khi mã hóa kênh lớn hơn số bít có thể được phát, chức năng HARQ sẽ lấy ra tập con của các bít này vì thế tỷ lệ mã lớn hơn reff > 1/3. Trái lại nếu tổng số bít sau mã hóa nhỏ hơn số bít cần phát, chức năng HARQ sẽ lập tất cả hay tập con của các bit sau mã hóa, vì thế tỷ lệ mã hiệu dụng reff < 1/3.
Trong trường hợp phát lại, chức năng HARQ trong trường hợp tổng quát sẽ cho ra tập các bít sau mã hóa khác nhau cần phát, nghĩa là HARQ cho phép kết hợp phần dư tăng.
- Ngẫu nhiên hóa mức bít: Trong quá trình ngẫu nhiên hóa đường lên, các bít sau chức năng HARQ được trộn (thao tác loại hoặc trừ) bởi chuỗi ngẫu nhiên hóa mức bít. Nếu không ngẫu nhiên hóa đường lên, bộ giải mã hóa kênh tại đầu thu có thể (ít nhất về nguyên lý) nhầm lẫn tín hiệu gây nhiễu với tín hiệu đích, vì thế không thể triệt nhiễu. Bằng cách áp dụng các chuỗi ngẫu nhiên hóa cho các ô lân cận, tín hiệu (các tín hiệu) nhiễu sau giải mã ngẫu nhiên bị
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 43
ngẫu nhiên hóa vì thế đảm bảo tận dụng hết độ lợi xử lý do mã hóa kênh cung cấp. Các chuỗi ngẫu nhiên hóa phải khác nhau đối với các đầu cuối di động khác nhau.
- Điều chế số liệu: sau khi ngẫu nhiên hóa, khối các bit nhận được sẽ được chuyển đổi vào một khối các kí hiệu điều chế phức. Tập các các sơ đồ điều chế được sử dụng cho đường lên cũng giống như đối với đường xuống, QPSK, 16QAM và 64QAM tương ứng với hai, bốn và sáu bit trên một ký hiệu điều chế. Đối với các kênh truyền tải khác có thể có một số quy định hạn chế khác. Khối các kí hiệu được điều chế sau đó được đưa tới xử lý DFTs-OFDM.
Hình 3.15: Khối xử lý DFT-OFDM của ký các kí hiệu
Như đã trình bày, cả hai dạng truyền dẫn SC-FDMA phân bố và nội vùng đều được sử dụng, tuy nhiên truyền dẫn đường lên LTE chỉ giới hạn ở dạng truyền dẫn nội vùng, nghĩa là sắp xếp đầu ra của DFT lên các đầu vào liên tiếp của IFFT.
Trong kênh chia sẻ vật lý đường lên PUSCH, kích thước của DFT tương ứng với số lượng sóng mang dự kiến sử dụng cho PUSCH truyền trong một ký hiệu SC-FDMA kích thước N phải giới hạn ở lũy thừa hai, tuy nhiên hạn chế này mâu thuẫn trực tiếp với mong muốn có độ linh hoạt cao để có thể ấn định động tài nguyên (băng thông truyền dẫn tức thời)
cho các đầu cuối di động khác nhau. Từ quan điểm độ linh hoạt cao, trong LTE kích thước
DFT giới hạn ở tích của các số nguyên 2, 3 và 5. Chẳng hạn kích thước DFT là 15, 16 và 18 được phép nhưng N = 17 thì không. Bằng cách này DFT có thể thực hiện bởi các FFT cơ số 2, cơ số 3 và cơ số 5 ít phức tạp.
3.5. Tổng kết chương
Chương III trình bày cấu trúc tổng thể miền thời gian cho truyền dẫn đường lên trong
LTE trên lược đồ truyền dẫn SC-FDMA bao gồm cấu trúc khung, độ dài các khung, các tín
hiệu tham khảo được chèn vào kí hiệu số 4 của mỗi khe thời gian và chúng được tạo ra từ chuỗi Zadoff-Chu và cuối cùng lưới tài nguyên đường lên.
Trong sơ đồ xử lí truyền dẫn đường lên bao gồm các thủ tục như tính toán và chèn CRC vào các gói, mã hóa và cơ chế phát lại HARQ, ngẫu nhiên hóa và điều chế, các kí hiệu điều chế sau đó được đưa tới xử lý DFTs-OFDM và sau đó được phát vào không gian.
Chương 4: Mô phỏng đánh giá SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 44
CHƯƠNG IV
MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ SC-FDMA
4.1. Giới thiệu
Chương trình mô phỏng trong đồ án được viết trên ngôn ngữ Matlab, với các file giao diện cho phép người thực hiện thuận lợi trong sử dụng.
Hình 4.1: Giao diện chương trình mô phỏng
Matlab có ưu điểm nổi trội là khả năng mô phỏng hệ thống động, cho phép thể hiện tín hiệu và hệ thống trong nhiều miền xét (miền thời gian, miền tần số...).
Bài mô phỏng đồ án đi vào nội dung đánh giá các đặc tính của kỹ thuật SC-FDMA qua đó so sánh với kỹ thuật OFDMA. Chương trình mô phỏng bao gồm các nội dung sau:
Thể hiện miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-Cosin được sử dụng để tao dạng xung trong tín hiệu SC-FDMA.
Đánh giá PAPR của tín hiệu SC-FDMA trong các kiểu sắp xếp sóng mang khác
nhau với tín hiệu OFDMA, qua đây cho thấy ảnh hưởng của hệ số Roll-off tới PAPR của tín hiệu SC-FDMA.
Tỷ lệ lỗi ký hiệu SER giữa các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau của tín hiệu SC-FDMA.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 45
4.2. Chương trình mô phỏng
4.2.1. Thể hiện miền tần số và thời gian bộ lọc Raise-cosin.
Hàm lọc Raise-cosin sử dụng trong quá trình tạo dạng phổ tín hiệu. Miền tần số và miền thời gian của hàm có thể được cho theo công thức (2.1) và (2.2) sau:
Miền tần số: 1 0 | | 2 1 1 1 ( ) 1 os (| | ) | | 2 2 2 2 1 0 | | 2 T f T T T P f c f f T T T f T
Miền thời gian:
2 2 2 sin( / ) os( / ) ( ) . / 1 4 / t T c t T P t t T t T
T là chu kì kí hiệu còn là hệ số dốc (Rolloff).
Hình 4.2: Giao diện mô phỏng hàm lọc Raise-cosin.
Hình dưới mô phỏng cho hàm lọc Raise-cosin với lần lượt là 0.2 và 0.9. Trong miền thời gian ta thấy có giá trị gần 0 thì xung có thùy vùng cao hơn và điều này tăng công suất
đỉnh cho phát tín hiệu sau dạng phổ. Nếu = 0, không tạo ra bức xạ ngoài băng, nếu tăng
Chương 4: Mô phỏng đánh giá SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 46
Hình 4.3: Miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-cosin với các hệ số Roll-off khác nhau.
4.2.2. PAPR của tín hiệu SC-FDMA
PAPR là một đặc tính đánh giá hiệu suất công suất sử dụng bộ khuếch đại, ta có biểu thức như sau:
(4.1)
Trong đó là hiệu suất công suất phát và maxhiệu suất công suất cực đại. Do đó khi
PAPR lớn thì hiệu suất công suất sử dụng không cao.
Chúng ta có thể biểu diễn các tín hiệu phát băng tần cơ sở phức của SC-FDMA cho một khối dữ liệu :
(4.2) Trong đó các kí hiệu được sử dụng cho mô phỏng theo chương II:
{xp : p = 0, 1, 2,…, P-1} là các kí hiệu được điều chế.
{Xn: n = 0, 1, 2,…, P-1} là các mẫu miền tần số sau bộ DFT của các tín hiệu {xn : n = 0, 1, 2,…, P-1}.
{Xi: i = 0, 1, 2,…, N-1 } là các kí hiệu miền tần số sau khi sắp xếp các sóng mang. Và {xi: i = 0, 1, 2,…, N-1} là các kí hiệu miền thời gian sau bộ IDFT.
Với c là tần số sóng mang của hệ thống và p(t) là các xung băng tần cơ sở. T là chu kì kí hiệu của kí hiệu phát xi. Chúng ta coi như xung RC (Raise-cosin) được sử dụng tạo dạng xung rộng trong các hệ thống thông tin di động.
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 47
PAPR của tín hiệu phát x(t) như sau: ( ) ( ) p e a k a v er a g e P x t P A P R P x t (4.3)
Nếu tín hiệu không đi qua bộ tạo dạng xung, ta sẽ sử dụng dạng xung hình chữ nhật, tốc độ lấy mẫu kí hiệu sẽ cho cùng PAPR như tín hiệu SC-FDMA đơn trường hợp liên tiếp được điều chế trên một sóng mang. Vì thế, có thể biểu diễn công thức PAPR mà không tạo dạng xung với tốc độ lấy mẫu kí hiệu như sau:
(4.4)
Chương trình mô phỏng CCDF (hàm phân bố tích lũy bù) của PAPR so sánh PAPR của IFDMA, DFDMA và LFDMA với OFDMA. Với các thông số mô phỏng được lựa chọn mặc định trong báo cáo như sau:
Băng thông truyền dẫn của hệ thống là 5MHZ
Kiểu điều chế Q-PSK , 16-QAM và 64-QAM
Không sử dụng tạo dạng xung trong truyền dẫn OFDMA
Số sóng mang con: 512 (số sóng mang con có thể thay đổi được) Mặc định có 16 khối FFT đầu vào
Sử dụng bộ lọc Raise-cosin để tạo dạng xung
Chương 4: Mô phỏng đánh giá SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 48
4.2.2.1. Sơ đồ thuật toán tính PAPR
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 49
Một lợi thế nổi bật của SC-FDMA so với OFDM/OFDMA đó là có PAPR thấp, do đó cải thiện hiệu năng phát và nâng cao hiệu suất biên cell.
SC-FDMA cung cấp hiệu suất và độ phức tạp tương tự như OFDM. Tuy nhiên, lợi thế chính của SC-FDMA là PAPR thấp (hay tỷ lệ công suất trung bình cao) của tín hiệu truyền. PAPR được định nghĩa là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu truyền. Nó là một mối quan tâm chính tại các thiết bị đầu cuối của người dùng. PAPR thấp mang đến lợi ích cho việc truyền tải đường lên. PAPR liên quan đến các hiệu quả khuếch đại công suất ở máy phát, và dung lượng công suất tối đa đạt được khi bộ khuếch đại công suất hoạt động tại điểm bão hòa. PAPR thấp hơn cho phép hoạt động của bộ khuếch đại công suất gần bão hòa dẫn đến hiệu quả cao hơn. Với tín hiệu PAPR cao hơn, khuếch đại hỗ trợ biến dạng tín hiệu, và do đó làm giảm hiệu năng khuếch đai. Ngoài ra, tín hiệu điều chế SC-FDMA còn có thể được áp dụng với một bộ lọc tạo xung để cải thiện hơn nữa PAPR.
4.2.2.2. Mô phỏng PAPR với cùng hệ số Rolloff
Chương 4: Mô phỏng đánh giá SC-FDMA
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 50
Hình 4.8: Kết quả mô phỏng với Roll-off = 0.3, điều chế 16-QAM
SVTH: Lê Thanh Bình LỚP: Đ08VTA1 51
Theo kết quả mô phỏng có thể thấy rằng trong tất cả các trường hợp PAPR của tín hiệu SC-FDMA luôn luôn thấp hơn OFDMA trong đó IFDMA có PAPR là thấp nhất, DFDMA và LFDMA sẽ có mức PAPR tương tự nhau (sẽ được thể hiện rõ khi mô phỏng không tạo dạng xung). Hơn nữa với các kiểu điều chế khác nhau tín hiệu OFDM có PAPR thay đổi rất ít (hầu như không thay đổi). Đối với các tín hiệu SC-FDMA thay đổi khá nhiều. Điều này có thể được giả thích như sau: Các sóng mang OFDM được điều chế và phát đi độc lập nhau vì thế công suất tức thời có dạng phân bố gần như dạng hàm mũ do đó phụ thuộc khá ít vào dạng sơ đồ điều chế. Trong khi đó SC-FDMA do thuộc tính ‘đơn sóng mang’ phụ thuộc khá lớn vào dạng điều chế.
Trong các lược đồ sắp xếp sóng mang, IFDMA có PAPR thấp nhất là do với IFDMA. Các kí hiệu sau khi sắp xếp được phát đi liên tục, liền kề, do vậy công suất đỉnh rất thấp do đó