2.2.1. TRẢI TRỄ ĐA ĐƢỜNG
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục. Đối với LTE, sử dụng kỹ thuật OFDM đã tránh được nhiễu xuyên ký tự ISI.
2.2.2. CÁC LOẠI FADING
Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.
2.2.2.1. Rayleigh fading
Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh.
2.2.2.2. Fading chọn lọc tần số và fading phẳng
Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem như là phẳng.
Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.
Trang 24
Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc tần số.
2.2.3. Dịch tần Doppler
Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau : Δf= f0 .(1+v/c) (2.1)
Trong đó, Δf là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số nguồn phát, v là vận tốc tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng. Đối với LTE, để khắc phục hiện tượng dịch tần Doppler, người ta chọn khoảng cách giữa các sóng mang đủ lớn (∆f = 15 Khz).
2.2.4. Nhiễu MAI với LTE
Đối với LTE, ở đường lên sử dụng kỹ thuật SC-FDMA, nó cũng nhạy cảm với dịch tần. Các user khác nhau luôn có dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset). Khi tồn tại nhiều CFO, tính trực giao giữa các sóng mang bị mất. Nhiễu liên sóng mang (ICI : Inter Carrier Interference) và MAI (Multi Access Interference) tạo ra đã làm giảm chất lượng của tín hiệu thu được. Một phương pháp triệt ICI cũng như MAI, là dựa trên các ký hiệu hoa tiêu khối (block type pilots). Các user khác nhau giao tiếp với trạm gốc tại các khe thời gian khác nhau. Phương pháp này lấy trực tiếp thành phần nhiễu bằng cách lợi dụng các ký hiệu hoa tiêu khối, vì vậy nó không cần sử dụng ước lượng CFO nhiều lần. Sau đó, ma trận can nhiễu có thể được khôi phục lại và ảnh hưởng của các CFO có thể được triệt dễ dàng bằng cách sử dụng phương pháp đảo ma trận.
Trang 25
2.3. KẾT LUẬN
Nội dung của chương trình bày các kỹ thuật sử dụng trong công nghệ LTE và các đặc tính kênh truyền. Mạng LTE có ưu điểm vượt trội so với 3G về tốc độ, thời gian trễ nhỏ, hiệu suất sử dụng phổ cao cùng với việc sử dụng băng thông linh hoạt, cấu trúc đơn giản nên giá thành giảm. Để tạo nên các ưu điểm đó, LTE đã phối hợp nhiều kỹ thuật, trong đó, nó sử dụng kỹ thuật OFDMA ở đường xuống. Các sóng mang trực giao với nhau, do đó tiết kiệm băng thông, tăng hiệu suất sử dụng phổ tần và giảm nhiễu ISI. Cùng với các ưu điểm đó thì OFDM có khuyết điểm là sự thăng giáng đường bao lớn dẫn đến PAPR lớn, khi PAPR lớn thì đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu, hiệu suất sử dụng công suất thấp vì thế đặc biệt ảnh hưởng đối với các thiết bị cầm tay. Do đó, LTE sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đường lên. Cùng với các kỹ thuật đó, LTE còn hổ trợ MIMO, MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được yêu cầu về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ. Cùng với các kỹ thuật này, chương 2 còn trình bày về lập biểu phụ thuộc kênh, thích ứng đường truyền, HARQ với kết hợp mềm.
Trang 26
CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA
3.1. HỆ THỐNG ĐƠN SÓNG MANG VỚI BỘ CÂN BẰNG MIỀN TẦN SỐ SC/FDE
Để khắc phục các nhược điểm của kỹ thuật OFDM, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi SC- FDMA và áp dụng trên đường lên cho LTE. Giống như OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA sử dụng các tần số trực giao (các sóng mang con) khác nhau để phát đi các kí hiệu khác nhau. Tuy nhiên các kí hiệu được sắp xếp lên các sóng mang con và được phát đi lần lượt chứ không phải song song. Vì thế không như OFDMA, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó các tín hiệu SC-FDMA có PAPR thấp hơn có với các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA. Hơn nữa SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau.
Với các kênh đa đường băng rộng, các bộ cân bằng miền thời gian là không thực tế do đáp ứng xung trong miền thời gian rất dài. Bộ cân bằng miền tần số FDE là thực tế hơn. FDE có tác dụng chống lại pha đinh chọn lọc tần số trong miền tần số. Sau khi các tín hiệu được truyền qua kênh tới bộ thu thực hiện cân bằng miền tần số, sau đó các tín hiệu sẽ qua bộ DFT để chuyển sang miền thời gian và thực hiện tách song.
DFT Bộ cân bằng SC/FDE OFDM IDFT Táchsóng DFT Bộ cân bằng Bộ cân bằng Bộ cân bằng Tách sóng Tách sóng Tách sóng
Trang 27
Thời gian Kí hiệu SC/FDE
Kí hiệu OFDM
Hình 3.1 Sự khác nhau giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM trong tiến trình tách sóng và kí hiệu điều chế.
3.2. NGUYÊN LÝ TRUYỀN DẪN SC-FDMA
3.2.1. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG SC-FDMA
Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA và OFDMA tương ứng được cho hình 3.2 với các kí hiệu được sử dụng:
xp: Kí hiệu số liệu thứ p (p = 0,1,2,…,P-1) trong khối số liệu đầu vào SC- FDMA.
Xn: Mẫu thứ n (n = 0,1,2,…,N-1) trong miền tần số của tín hiệu đầu ra của DFT. Xi: Sóng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) được điều chế trong miền tần số tại đầu vào bộ IFFT.
xi: Sóng mang con thứ i (i = 0,1,2,…,N-1) của tín hiệu OFDM trong miền thời gian tại đầu vào bộ IFFT.
xi,k(m): Mẫu thứ m (m = 0,1,2,…,N-1) của tín hiệu OFDM tại đầu ra của bộ biến đổi từ song song vào nối tiếp tại thời điểm k, với k là một số nguyên có giá trị từ
Trang 28 Sắp xếp sóng mang DFT P điểm CP/PSChèn Kênh IDFT N điểm SC-FDMA DAC / RF Giải săp xếp sóng mang/ Cân bằng IDFT
P điểm N điểmDFT CP/PSXóa ADCRF/ Tách sóng {x }p {X }n {X }i {x }i P P N>P N mod s T Tsmod TFFTTsmod.P/N TFFT Ánh xạ Sóng mang Chèn CP/PS Kênh IDFT M điểm OFDMA DAC / RF Giải ánh xạ sóng mang/ Cân bằng Xóa CP/PS DFT M điểm RF/ ADC Tách sóng
Hình 3.2. Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA
a. Máy phát SC-FDMA
Hình 3.3. Cấu trúc máy phát SC-FDMA
Bộ phát của một hệ thống SC-FDMA chuyển các tín hiệu nhị phân đầu vào thành một chuỗi các sóng mang điều chế. Xử lý tín hiệu được thực hiện theo từng khối kí hiệu điều chế. Mỗi khối bao gồm P kí hiệu trong đó mỗi kí hiệu có độ dài là Tsmod. Do đó một khối có khoảng thời gian là P.Tsmod. Tại đầu vào bộ điều chế băng gốc biến đổi đầu vào nhị phân thành một chuỗi nhiều mức các số phức và nhóm chúng thành
Trang 29
các khối kí hiệu (p = 0, 1, …, P-1) có khuôn dạng của một trong các sơ đồ điều chế BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM. Bước thứ nhất trong quá trình điều chế DFT- OFDM là thực hiện biến đổi Furier rời rạc (DFT) kích thước P để tạo ra thể hiện miền tần số của các kí hiệu đầu vào, trong đó n = 0, 1,…, P-1 và P<N. Sau đó tập sóng mang con được điều chế kết hợp với N-P các sóng mang con rỗng để tạo ra tập các sóng mang con được điều chế trong miền tần số với i = 0,1,…N-1 đưa lên đầu vào bộ IFFT. Sau đầu ra bộ IFFT ta được tập các sóng mang con được điều chế trong miền thời gian tại đầu ra IFFT. Khi này mỗi với i = 0,1,…,N-1 điều chế một tần số. Sau bộ biến đổi song song vào nối tiếp (P/S) ta được được các mẫu tín hiệu x(m). Sau đó các tín hiệu này điều chế trên một sóng mang và được phát đi lần lượt.
Giống như OFDM, giá trị của N là một lũy thừa cơ số hai (N=2k trong đó k là một số nguyên) để có thể xử lý FFT theo cơ số hai với độ phức tạp thấp và P=N/Q là một ước số nguyên của N và Q được gọi là hệ số trải rộng băng tần của chuỗi kí hiệu. Nếu tất cả các đầu cuối đều phát P kí hiệu trên một khối thì hệ thống có thể xử lí đồng thời Q cuộc truyền dẫn mà không bị nhiễu đồng kênh (CCI).
Máy phát thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu nữa trước khi phát. Quá trình thứ nhất đó là chèn tập kí hiệu với tên gọi là CP với mục đích là đóng vai trò là thời gian kí hiệu để bào vệ hiện tượng nhiễu giữa các khối (IBI) do truyền đa đường. CP được tạo ra bởi việc copy phần cuối khối và đặt vào phần đầu khối để tạo ra tính liên tục của kí hiệu. Việc sử dụng CP có hai lý do, thứ nhất là đóng vai trò là khoảng bảo vệ giữa hai khối liền kề. CP có độ dài lớn hơn trải trễ cực đại kênh gây ra để tránh nhiễu IBI.
Ý nghĩa của việc chèn CP được giải thích dưới hình 3.4 Kênh tán thời do pha đinh đa đường một phần tính trực giao giữa các sóng mang con bị mất đi phần đầu kí hiệu SC-FDMA đến sau sẽ chồng lấn lên phần cuối kí hiệu SC-FDMA đến trước. Hậu quả tạo ra nhiễu giữa các kí hiệu ISI và cả nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Trang 30 IFFT N điểm Chèn CP FFT T N mẫu Copy và chèn FFT CP T T N + V mẫu
t Khoảng thời gian để lấy tích phân Tín hiệu đi thẳng cho biến đổi Furier t
Tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ
0 X 1 X 1 P X CP T TFFT
Hình 3.4. Minh họa việc chèn CP
Nhược điểm của chèn CP chính là mất đi một phần công suất khi giải điều chế SC-FDMA. Ngoài ra việc chèn CP cũng gây ra mất băng thông vì tốc độ kí hiệu SC- FDMA giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không đổi.
Một cách khác để giảm CP là giảm khoảng cách giữa các sóng mang f tương ứng với tăng TFFT. Tuy nhiên cách này làm tăng độ nhảy cảm của việc truyền dẫn SC- FDMA với sự thay đổi nhanh của kênh do trải Doppler cao và các kiểu sai số tần số khác
Thứ hai, việc chèn CP làm chuyển đổi tích chập tuyến tính rời rạc thời gian và tích chập dịch vòng thời gian rời rạc. Vì thế số liệu được phát qua kênh có thể được mô hình như tích chập dịch vòng giữa đáp ứng xung kim và khối dữ liệu được truyền, mà trong miền tần số là nhân theo từng điểm của các mẫu DFT. Khi này để loại bỏ méo kênh, tại máy thu ta chỉ cần chia DFT của tín hiệu thu cho DFT của đáp ứng xung kim theo từng điểm hoặc cũng có thể sử dụng kỹ thuật cân bằng miền tần số phức tạp hơn.
Quá trình thứ hai của máy phát là nó thực hiện hoạt động lọc tuyến tính được đề cập tới như là tạo dạng xung để giảm năng lượng tín hiệu ngoài băng.Một trong các bộ lọc dạng xung được sử dụng thông dụng là bộ lọc Raised-cosin.
Trang 31
Từ hình vẽ trên ta có thể thấy rằng sự khác nhau giữa OFDM và SC-FDMA chỉ khác nhau ở chỗ là SC-FDMA sử dụng thêm bộ DFT tại phía phát trước khi sắp xếp các kí hiệu lên các sóng mang và bộ IDFT tại phía thu trước khi tách sóng các sóng mang.Như vậy trong hệ thống SC-FDMA các kí hiệu dữ liệu miền thời gian được truyền sang miền tần số với DFT trước khi thông qua điều chế OFDM. Sự trực giao các người dùng trong miền tần số tương tự như trường hợp OFDMA
DFT N điểm Sắp xếp sóng mang IDFT M điểm Chèn CP/ PS DAC/ RF
Miền thời gian Miền tần số Miền thời gian
Đơn sóng mang
Hình 3.5 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA
b. Máy thu SC-FDMA
Hình 3.6 Cấu trúc máy thu SC-FDMA
Máy thu SC-FDMA thực hiện các quá trình ngược với máy phát như đã nêu trên. Trước hết xử lý FFT kích thước N được thực hiện, tiếp theo là loại bỏ các mẫu tần
Trang 32
số không liên quan tới tín hiệu cần thu, sau đó các tín hiệu qua bộ cân bằng miền tần số để bù trừ tính chọn lọc tần số của kênh, máy thu SC-FDMA sử dụng bộ cân bằng miền tần số tuyến tính ít phức tạp hơn. Cuối cùng là xử lý DFT ngược kích thước P sau đó thực hiện tách sóng.
3.2.2 SC-FDMA VƠI TẠO DẠNG PHỔ
Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra trong các phần trước là có dạng hình chữ nhật. Để giảm hơn nữa sự biến thiên của tín hiệu SC-FDMA, giảm bức năng lượng tín hiệu ngoài băng, có thể thực hiện tạo dạng phổ thích hợp cho tín hiệu này. Sơ đồ được cho hình 3.7 dưới đây. DFT (P) Trải rộng băng thông P IFFT(N) Chèn CP DAC
Trải rộng băng thông Tạo dạng phổ
Hình 3.7. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA
Sau xử lý DFT kích thước P cho các kí hiệu điều chế, tín hiệu được định kì trải rộng trong miền tần số. Sau đó quá trình tạo dạng phổ được thực hiện bằng cách nhân các mẫu tần số với hàm tạo dạng phổ. Hàm tạo dạng phổ thông thường là hàm Raise- cosin. Miền tần số và miền thời gian của hàm có thể được cho như 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 (3.1)
Trang 33
Miền thời gian:
2 2 2 sin( / ) os( / ) ( ) . / 1 4 / t T c t T P t t T t T (3.2)
T là chu kì kí hiệu còn là hệ số dốc (Rolloff). thay đổi từ 0-1, nó điều khiển sự bức xạ ngoài băng. nếu = 0, không tạo ra bức xạ ngoài băng, nếu tăng bức xạ ngoài băng tăng, trong miền thời gian xung có thùy vùng cao hơn khi tiến gần tới 0 và điều này tăng công suất đỉnh cho phát tín hiệu sau dạng phổ. Sau khi tín hiệu được trải phổ sẽ được đưa lên bộ IFFT. Và chèn thêm CP như đã trình bày ở trên.