ORTHOGONAL chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthonomal basis) {Фi(t)/i= 0,1…} có tính chất sau:
Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc vuông) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
2.2.2 Bảo vệ chống lại S
Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang. Nếu chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc đúng và như vậy điểm không null sẽ không đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference). Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo. Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ, pha của tải phụ ở điểm đầu symbol. Nó dẫn đến sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao. Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ trạng thái đúng của symbol. Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI. Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vô tuyến.
Hình 2.5: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
2.3 Công nghệ OFDMA [5]
Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con được gán tới những người dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2. Những nhóm sóng mang con này được xem như các kênh con. OFDMA mở rộng được cho phép các kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh dải thông thấp hơn.
Hình 2.6: Các kênh con trong OFDMA.
Để giảm bớt fading lựa chọn tần số, các sóng mang của một trong các kênh con được trải rộng theo phổ kênh. Hình 6 miêu tả nguyên lý của sự phân chia thành các kênh con. Khoảng sóng mang có thể dùng được được phân thành một số nhóm liên tiếp. Mỗi nhóm chứa một số các sóng mang liên tiếp NE, sau đó loại trừ các kênh con pilot được gán ban đầu. Một kênh con có một thành phần
từ mỗi nhóm được định vị qua một quá trình giả ngẫu nhiên dựa vào sự hoán vị, vì vậy NG là số thành phần kênh con. Với N = 2048, đường xuống NG = 48 và NE =32, đường lên NG = 53 và NE =32.
2.2.4 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và phân kênh con
Cấu trúc ký hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 2.7: Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu.
Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.
Sóng mang con Null không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo vệ và các sóng mang DC.
Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập con gọi là các kênh con. Lớp vật lý OFDMA 802.16e hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Đơn vị tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằng 48 tone dữ liệu (sóng mang con). Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con, phân tập và liền kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.
... ... ... Sóng mang con dữ liệu Sóng mang con DC Sóng mang con hoa tiêu
Sóng mang con bảo vệ
Hình 2.7: Cấu trúc sóng mang con OFDMA
Với DL PUSC mỗi cặp ký hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì ký hiệu, có cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các ký hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như trong hình 2.8
Các kí hiệu chẵn Các kí hiệu lẻ
Sóng mang con dữ liệu Sóng mang con hoa tiêu
Hình 2.8: Kênh con phân tập tần số DL
Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con hoa tiêu. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu diễn trong hình 2.7. Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.
Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có dạng như hình 2.8.
Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe. Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3 ký hiệu OFDM.
Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh con hoán vị liền kề bao gồm DL AMC, UL AMC và có cấu trúc tương tự. Một bin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một ký hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho hoa tiêu. Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số ký hiệu liền kề. Vì vậy, các tổ hợp được phép là [(6 bin, 1 ký hiệu), (3 bin, 2 ký hiệu), (2 bin, 3 ký hiệu), (1 bin, 6 ký hiệu)]. Hoán vị AMC cho phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con có đáp ứng tần số tốt nhất.
Kí hiệu 0 Kí hiệu 1 Kí hiệu 2
Sóng mang con hoa tiêu Sóng mang con dữ liệu
Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di động còn hoán vị sóng mang con liền kề phù hợp trong các môi trường cố định hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép nhà thiết kế hệ thống cân bằng tính di động cho thông lượng.
2.5 So sánh quy hoạch và tái sử dụng tần số có tính toán tới các loại nhiễu
Để tối đa hoá khả năng bao phủ và khả năng sử dụng lại tần số đồng thời giảm thiểu độ nhiễu, hệ thống không dây bao phủ vùng phục vụ với nhiều cell, được chia nhỏ thành nhiều sector. Do Một số thuê bao có thể được định vị tại các ranh giới giữa các cell hoặc các sector và thường nhận được các tín hiệu từ nhiều nguồn – do đó nó tạo ra nhiễu - mỗi sector được ấn định một kênh tần số khác nhau. Khi đó, để phù hợp với quy mô phủ sóng vô tuyến tại một khu vực, mỗi kênh tần số được sử dụng lại với một sự phân chia về mặt không gian để tối đa hoá việc sử dụng của dải quang phổ bị hạn chế trong khi vẫn giảm thiểu hiện tượng tự nhiễu từ cùng kênh được sử dụng lại trong mạng. Điều này thường liên quan tới hiện tượng nhiễu cùng kênh (CCI).
Chức năng sử dụng lại, là thước đo một dải tần cung cấp được sử dụng lại linh hoạt như thế nào, được thể hiện như một phần nhỏ của sector hoặc cell hoạt động với cùng một kênh tần số. Các hệ số sử dụng lại điển hình đối với các hệ thống cellular truyền thống là hệ số 3 hoặc 7 - tuỳ theo nhu cầu 3-7 kênh tần số khác nhau để triển khai một mô hình mạng cellular cụ thể.
Mô hình tái sử dụng tần số được chỉ ra trong hình 2.10:
Hình 2.10: Mô hình tái sử dụng tần số
a) - 3 tần số ( Hệ thống Digital ) b) - 7 tần số ( Analog FDMA ) c) - OFDMA và CDMA
Mục đích khác được sử dụng trong cả 2 Công nghệ CDMA và OFDMA là sử dụng tất cả các kênh tần số trong mỗi sector sẵn có và sử dụng biều đồ điều chế như OFDMA hoặc CDMA, để xử lý nhiễu tại mức độ cao từ các sector hoặc các cell kế cận.
Mẫu sử dụng lại tần số kênh con được cấu hình để người dùng gần trạm gốc (là vùng trung tâm của cell, nơi ít bị ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh) hoạt động trong khu vực tất cả các kênh con sẵn có, có nghĩa là được hoạt động trên tất cả các kênh con sẵn có. Còn đối với người dùng ở đường biên mỗi cell chỉ hoạt động trên vùng chỉ có một phần của tất cả các kênh con sẵn có.
Sự phân đoạn kênh các kênh con được cấp phát sao cho các đường biên của các cell liền kế sẽ hoạt động trên các tập hợp các kênh con khác nhau.Sự phân đoạn tái sử dụng tần số trong Mobile wimax dựa trên ưu điểm là các user phát trên các kênh con mà không phát trên toàn bộ kênh như 3G.
Trong hình dưới: F1, F2 và F3 biểu thị các tập kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số.Còn F = F1 + F2 + F3 là toàn bộ các kênh con được cấp cho người sử dụng ở trung tâm của cell.
Hình 2.11 thể hiện phân đoạn tần số trong 1 cell.
Hình 2.11: Phân đoạn tần số trong một cell
Với cấu hình như vậy, một mẫu sử dụng lại tần số đủ tải sẽ được duy trì cho người dùng ở trung tâm để tối đa hiệu suất phổ và sử dụng lại tần số một phần được hực hiện cho các thuê bao ở đường biên để đảm bảo thông lượng và chất lượng kết nối. Kế hoạch sử dụng lại kênh con có thể được tối ưu theo cell trên
cơ sở tải mạng và tình trạng nhiễu khung. Do vậy tất cả các cell có thể hoạt động trên cùng kênh tần số mà không cần hoạch định tần số.
Quá trình này liên quan tới việc khi có một hệ số sử dụng lại của 1 - đôi khi được gọi là "reuse-1" hoặc "universal frequency reuse" - và rất phổ biến với các nhà cung cấp dịch vụ mạng ngày nay bởi vì từ khi nó sẽ giảm thiểu các nhu cầu đối với việc hoạch định vô tuyến của mạng cụ thể.
Phân chia trực giao trong cell đảm bảo rằng hiện tượng nhiễu giữa các sector gần nhau là rất ít hoặc không xảy ra, trong khi hiện tượng định vị các sóng mang con giữa các cell đảm bảo rằng hiện tượng chồng chéo giữa các sóng mang con được sử dụng trong các thuê bao cụ thể tại các cell liền kề là rất ít. Điều này làm giảm khả năng nhiễu giữa các cell và cho phép các kết nối vô tuyến hoạt động với hiệu quả điều chế cao hơn, dẫn đến thông lượng dữ liệu cao hơn. Hình 2.12 thể hiện phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell.
Hình 2.12: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell
C ƯƠ 3: MỘ GIẢ P P CẢ P Â P AO OA [6]
Như đã trình bày trong chương 2, kỹ thuật thông tin di động sử dụng trong 4G có lõi chung là sử dụng công nghệ OFDMA cho đa người dùng đường xuống và SC-OFDM cho đường lên. Mỗi người dùng được phân một kênh con gồm một nhóm sóng mang con. Kỹ thuật này đảm bảo tính trực giao giữa người dùng trong một cell nên chống nhiễu tốt trong cell. Để đảm bảo chống nhiễu người dùng giữa các cell lân cận (do lặp lại tần số), chuẩn LTE nêu ra sự hoán vị các sóng mang con trong việc thiết lập kênh con phân cho những người dùng trong các cell lân cận phải khác nhau. Bản chất vấn đề là làm sao nhiễu cùng kênh lên một người dùng ở cell này phải đến từ nhiều người dùng khác nhau ở cell lân cận (chứ không phải từ 1 người dùng cell bên cạnh). Mà từ nhiều người dùng khác nhau ở cell bên cạnh có nghĩa là nhiễu đến từ nhiều khoảng cách khác nhau chứ không tập trung ở một khoảng cách. Kỹ thuật này gọi là phân tập giao thoa (chính xác có thể gọi là phân tán giao thoa) được áp dụng cho cả đường lên và đường xuống là giảm độ thăng giáng nhiễu tập trung lên một người dùng. Chương này trình bày 1 giải pháp [6] kiểm soát sự giao hoán này thông qua chỉ số đo nhiễu giao thoa, đối tượng nghiên cứu nghiên cứu ở đây không phải hệ LTE mà là hệ 802.16e, song về cấu trúc OFDMA vẫn có ý nghĩa tương đương.
3.1 Mô hình phân tập giao thoa
Mô hình 1 người dùng trong tế bào 1 và chịu nhiễu đồng kênh hướng lên từ các người dùng cell lân cận, minh họa trong hình 3.1.
Để hiểu cơ chế phân tập nhiễu một cách đơn giản ta xét 3 sóng mang con thuộc kênh con 1 trong tế bào 1. Trong tế bào 2, các sóng mang con giống nhau là 1 phần của các kênh con khác nhau được sử dụng bởi những người dùng khác nhau của tế bào 2 có vị trí khác nhau đối với trạm cơ sở tế bào 1. Các sóng mang con chung trong 2 kênh con được tô hình oval dọc. Chiều cao của các mũi tên minh họa công suất thu của các sóng mang con này tại trạm cơ sở tế bào 1, tức là công suất nhiễu giao thoa được nhìn thấy ở trạm cơ sở 1 (hình minh họa 3.2).
Hình 3.2: Minh họa sự đa dạng can thiệp vào hệ thống nhiều ô
Cần chú ý rằng sự khác nhau về chiều cao của các mũi tên sóng mang con có thể phụ thuộc vào những vị trí khác nhau của những người sử dụng. Trong hình minh họa 3.2, chúng tôi đã minh họa những vị trí đại diện của 3 sóng mang con tạo nên kênh con 1 trong tế bào 2. Một cách hiệu quả, tỷ số tín hiệu/nhiễu+tạp âm (SINR) bị chọn lọc tần số do điều kiện đa đường và các điều kiện nhiễu thay đổi của các sóng mang con trong một kênh con.
3.2 Đánh giá phân tập nhiễu giao thoa
Chúng ta xét 1 hệ thống 802.16e với băng thông 5 MHz và 512 sóng mang con. Dưới điều kiện này, có tất cả 15 kênh con trong đường xuống và và 17 kênh con đường lên. Một kênh con thông thường gồm 24 sóng mang con có vị trí phân tán trong không gian tần số. Tế bào được chia thành 3 sector (0,1,2). Mỗi sector chứa 5 kênh con hướng xuống bằng nhau (DL). Còn ở kênh hướng lên (UL),
sector đánh số 0, 1 và 2 được phân 6, 6 và 5 kênh con. Ảnh hưởng phân tập nhiễu giao thoa đường xuống cho các kênh con khác nhau trong 1 tế bào tham chiếu cụ thể.
Kênh tham khảo
Số sóng mang con góp phần can thiệp kênh tham khảo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 5 0 1 1 1 3 0 3 1 2 3 1 1 0 2 2 2 2 0 2 2 2 5 1 1 0 2 2 1 2 0 3 1 2 4 0 1 1 2 4 1 1 0 2 1 1 3 4 1 1 1 3 0 1 1 1 5 2 3 0 3 2 0 5 0 0 0 1 5 1 4 2 2 2 1 0 0 2 4
Bảng 3.1: Đa dạng nhiễu của hệ thống 802.16e dựa trên tuyến xuống
Trong bảng này, chúng ta xem xét 5 kênh con trong 1 sector của tế bào tham chiếu với những giá cụ thể và chúng ta xét những tế bào lân cận dùng lại cùng tần số mang.
Trong mỗi kênh con có 24 sóng mang con và trong những tế bào bên cạnh, những sóng mang con này lại được phân cho những kênh con khác nhau. Trong bảng 3.1, trong mỗi hàng, sự phân tán của 24 sóng mang con trên 15 kênh con trong các tế bào bên cạnh được thể hiện. Có thể thấy từ bảng 3.1, đối với mỗi