2. TỔ CHỨC CỦA LUẬN VĂN
2.4.1.1Các kỹ thuật ña truy nhập (Multiple Access Techniques)
Để ñạt tốc ñộ truyền dẫn sấp xỉ 100Mbps ở môi trường ngoài trời và 2Gbps ở môi trường trong nhà, và ñể truy cập vô tuyến tương thích với hệ thống mạng có kiến trúc phân cấp dựa trên nền IP, các công nghệ truyền dẫn sau ñã ñược nghiên cứu và phát triển:
- Ghép kênh phân chia theo mã và tần số trưc giao có hệ số trải phổ thay ñổi: VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing).
- Đa truy nhập phân chia theo mã ña sóng mang có lựa chọn sóng mang con: SGS – MC – CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access).
- Đa truy nhập phân chi theo tần số trực giao: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access).
- Đa truy nhập phân chia theo tần số ñan xen: IFDMA (Interleaved Frequency Division Multi Access).
VSF – OFCDM (Variable Spreading Factor – Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing):
VSF – OFCDM là một hệ thống truy cập vô tuyến có thể cung cấp trông lượng lớn, tốc ñộ cao trong nhiều môi trường và ñiều kiện lan truyền khác nhau qua một vùng phủ sóng rộng. Để triển khai ñược truyền dẫn dung lượng lớn, hệ thống này sử dụng hệ số trải phổ hai chiều thay ñổi thích hợp trong miền thời gian và tần số tùy thuộc vào cấu hình ô, ñiều kiện lan truyền, tải trên kênh.Công nghệ này vượt trội hơn công nghệ OFCDM dựa theo tốc ñộ kí hiệu thấp MC-CDMA sử dụng nhiều sóng mang con trong cùng giao diện vô tuyến.
Ưu thế của VSF-OFCDM là khả năng ñạt ñược hiệu quả sử dụng phổ tần cao, truyền dẫn dung lượng lớn, tốc ñộ cao nhờ việc kế thừa hệ số trải phổ tối ưu tùy thuộc ñiều kiện lan truyền cụ thể trong cả môi trường nhiều tế bào và môi trường tế bào ñôc lập, sử dụng cùng giao diện vô tuyến. Đặc tính truyền dẫn của VSF-OFCDM ñã ñược thử nghiệm cả môi trường trong nhà và ngoài trời. báo cáo thử nghiệm cho kết quả 100Mbps ở môi trường ngoại ô, khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di ñộng là 80m – 100m, tần số sóng mang 4,635GHz, băng thông 101,5MHz, số sóng mang con 768, hệ số trải phổ thời gian 16, tốc ñộ di chuyển của thiết bị di ñộng 30km/h, ñiều chế 16QAM.
SCS-MC-CDMA (Subcarrier Selecting Multi Carrier Code Division Multi Access).
SCS-MC-CDMA là một lược ñồ truy cập vô tuyến dựa trên công nghệ MC- CDMA, là phương pháp truyền dẫn kí hiệu trải phổ sử dụng nhiều sóng mang con trực giao trong miền tần số. Lợi dụng ñặc tính của MC-CDMA là sử dụng nhiều sóng mang con, SCS-MC-CDMA gán nhiều sóng mang con cho mỗi người sử dụng tùy theo tốc ñộ dữ liệu của người dùng ñó.
Bộ thu không yêu cầu xử lý tín hiệu tốc ñộ cao ñể ñiều chế tất cả tốc ñộ sóng mang con, nhưng truyền thông vẫn ñược thực thi bằng khả năng xử lý tín hiệu dựa vào số sóng mạng conñược lựa chọn nhờ bộ lọc lựa chọn sóng mang con. SCS-MC- CDMA có thể thay ñổi tốc ñộ dữ liệu tối ña gán cho một người sử dụng tùy theo khoảng cách trạm gốc và thiết bị di ñộng bằng việc ñiều chỉnh số sóng mang và công suất phát cho mỗi sóng mang con.
SCS-MC-CDMA gián số sóng mang con dựa theo tốc ñộ dữ liệu của người sử dụng. Hơn nữa, tính trực giao giữa các sóng mang con ñược ñảm bảo, nên cấu hình của máy phát không có gì khác biệt với máy phát của các hệ thống MC- CDMA. Trong hệ thống SCS-MC-CMDA, máy thu sử dụng bộ lọc lựa chọn sóng mang con nên hệ thống sẽ cung cấp tốc ñộ dữ liệu cho người dùng một cách linh ñộng. Thậm trí trong các hệ thống sử dụng băng tần lớn, không cần phải thực hiện xử lý tín hiệu và công suất phat tương ứng với tốc ñộ dữ liệu của người sử dụng. Do ñó, với hệ thống này có thể giảm ñược tải cho xử lý tín hiệu và công suất tiêu thụ của thiết bị ñầu cuối so với các hệ thông khác sử dụng cả băng tần.
SCS-MC-CMDA có thể thực hiện giải ñiều chế bằng khả năng sử lý tín hiệu tương ứng với tốc ñộ dữ liệu người sử dụng do ñó có thể phát triển một cách linh ñộng các thiết bị ñầu cuối giá rẻ có khả năng xử lý thấp, công suất tiêu thụ thấp, thiết bị ñầu cuối ñắt tiền có khả năng xử lý cao, công suất tiêu thụ cao tùy theo sở thích, yêu cầu dịch vụ của người dùng.
SCS-MC-CMDA có thể ñiều khiển tốc ñộ dữ liệu tối ña và khoảng cách truyền dẫn bằng việc ñiều chỉnh số sóng mang con và công suất phát cho mỗi sóng mang con. Nói cách khác, cấu trúc tế bào hiệu quả nhất (best-effort) có thể ñược triển khai. Cấu trúc này cho phép tăng tốc ñộ dữ liệu khi thiết bị ñầu cuối gần trạm
gốc hơn và giảm khi thiết bị ñầu cuối xa biên của tế bào. Nếu cấu trúc này ñược chấp nhận thì nó có thể ñáp ứng ñược cho nhiều người sử dụng có yêu cầu dịch vụ khác nhau và ñạt ñược hiệu quả sử dụng phổ tần cao bằng việc linh ñộng thay ñổi số sóng mang con và gán mã tương ứng số người dùng trong té bào, và thay ñổi tốc ñộ dữ liệu, khoảng cách liên lạc của mỗi người sử dụng.
Hình 2.10: Cấu trúc tế bào tối ưu của SCS-MC-CMDA
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multi Access):
Hệ thống OFDM ñạt ñược khả năng dung lỗi (chống nhiễu) ña ñường rất tốt và thực hiên ñược truyền dẫn dữ liệu tốc ñộ cao trong môi trường chuyển ñộng, nhưng hệ thống này thường ñược sử dụng kết hợp với các hệ thống ña truy nhập khác như FDMA, TDMA, OFDMA là một phương thức triển khai ña truy cập trong ñó tất cả người dùng chia sẻ tất cả các sóng mang con. Một số sóng mang con tùy ý ñược ñặt cho các kênh con và mỗi người dùng ở những khe thời gian tùy ý.
Hình 2.11: Phân bổ kênh con
Nhờ việc phân bổ sóng mang con cho mỗi người sử dụng, hệ thống OFDMA ñạt ñược hiệu quả sử dụng phổ tần cao ở môi trường ngoại ô tế bào và dung lượng của toàn hệ thống có thể mở rộng. Truy nhiên, hệ thống này cũng có nhiều nhược ñiểm:
- Mào ñầu mở rộng cho thông tin ñiều khiển truyền dẫn trở lên rất phức tạp
- Để tăng dung lượng hệ thống thì ñiều kiện kênh phải ñược biết dựa trên
cơ sở thời gian thực và phải thực hiện ñược sự sắp xếp phân bổ kênh một cách chính xác cao.
- Do số lượng sóng mang con lơn (1024 ñến 2048) và FFT/IFFT có tỉ lệ lớn nên ảnh hưởng không tốt ñến kích thước của mạch ñiện và công suất tiêu thụ.
- Hệ thống yêu cầu về sự ñồng bộ về ñịnh thời có ñộ chính xác cao ñể ñảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con.
2.4.1.2 Các kỹ thuật ñiều chế/ giải ñiều hiệu suất cao
Kỹ thuật ñiều chế/ giải ñiều chế thích nghi hiệu suất cao kế thừa từ kỹ thuật
ñiều chế biên ñộ cầu phương ña mức của hệ thống truyền dẫn vô tuyến tốc ñộ cao
cho phép sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số. Nhờ cọ sự truyền thông thích nghi theo môi trường kênh mà hiệu quả sử dụng phổ tần và chất lượng truyền thông ñược cải tiến. Các kỹ thuật này gồm: các kỹ thuật ñiều chế, kỹ thuật lập mã, kỹ thuật ñiều khiển thích nghi, kỹ thuật ñánh giá kênh.
Ở phần này trình bày hai kỹ thuật sau:
+ Kỹ thuật ñiều chế/ giải ñiều chế thích nghi sóng mang con. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Kỹ thuật ñiều chế thích nghi OFDM tốc ñộ lập mã có thể thay ñổi.
- Kỹ thuật ñiều chế/ giải ñiều chế thích nghi sóng mang con ( Subcarrier Adaptive Modulation/Demodulation Techniques)
Kỹ thuật ñiều chế/ giải ñiều chế thích nghi là kỹ thuật có khuynh hướng cải thiện dung lượng hệ thống và thông lượng dưới môi trường lan truyền có sự thay ñổi là hằng số trong các hệ thống thông tin di ñộng mặt ñất.
Kỹ thuật ñiều chế thích nghi sử dụng nhiều mức ñiều chế và tốc ñộ lập mã làm tham số ñã ñược triển khai trong hệ thống 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và ñã nâng cao ñược tổng thông lượng.
Điều chế thích nghi sóng mang con thực thi tối ưu hóa ñiều chế cho mỗi sơn vị sóng mang con và mỗi ñơn vị khối (gồm một số sóng mang con) trong các hệ thống gồm nhiều sóng mang con như OFDM.
Hình 2.12: Điều chế thích nghi sóng mang con
Ưu ñiểm của kỹ thuật này là: Băng thông sử dụng cho mỗi người dùng tăng trong hệ thống di ñộng 4G do ñó sự khác nhau về công suất thu trên mỗi sóng mang con gây ra từ fading lựa chọn tần số trở thành một lợi thế.
Ngoài ra, nhờ sự lựa chọn tốc ñộ ñiều chế tối ưu cho mỗi sóng mang con mà số bit ñược truyền trong một gói OFDM sẽ tăng so với các hệ thống khác sử dụng lược ñồ ñiều chế ñơn giản cho tất cả các sóng mang con. Và các sóng mang con có tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal-to-Noise Ratio) cao sẽ không ñược sử dụng ñể truyền dữ liệu, các sóng mang con có tôc ñộ lỗi cao sẽ không ñược sử dụng ñể truyền dữ liệu, các sóng mang con có tốc ñộ lỗi cao sẽ bị loại bỏ, do ñó nâng cao ñược thông lượng.
Tuy nhiên, kỹ thuật này cải thiện thông lượng nếu ñiều chế thích nghi ñược ñiều khiển một cách chính xác theo các ñiều kiện kênh. Để ñạt ñược ñiều này, các dặc trưng của kênh và thu tín hiệu phải ñược hiểu kỹ lưỡng. Trong các hệ thống thực, ñặc biệt trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số (FDD systems) ñiều ñó là thách thức lớn.
- Kỹ thuật ñiều chế thích nghi OFDM tốc ñộ lập mã có thể thay ñổi ( Variable Coding Rate OFDM Adaptive Modulation)
Đâu là lược ñồ thực hiện một cách hiệu quả phương thức ñiều chế thích nghi OFDM có ñiều khiển công suất phát ña mức (OFDM AMS/MTPC), tham số ñiều chế và công suất phát cho sóng mang con OFDM ñược thiết lập một cách thích hợp theo SINR (tỉ số tín hiệu/nhiễu + tạp âm) thu ñược. Điều này yêu cầu sự thông báo về sự biến ñổi kênh fading và sự tăng giảm mức nhiễu trong các ñơn vị sóng mang con. Tuy nhiên nó cũng gây ra kết quả là có số lượng thông tin thông báo.
Hình 2.13: Lươc ñồñiều chế OFDM tốc ñộ lập mã có thể biến ñổi
Lược ñồ giới thiệu ở phần này không thực hiện ñiều khiển công suất phát (TPC: Transmit Power Control) trên mỗi sóng mang con cơ sở mà thực hiện phân bố công suất này ñồng ñều trên tất cả các sóng mang con. Sau ñó tùy theo tỉ số SỈN thu ño ñược, các tham số ñiều chế có thể phân phối tốc ñộ truyền dẫn tối ña ñược lựa chọn cho mỗi sóng mang con. Tuy nhiên, công suất phát thiết lập bởi TPC sử dụng giá trị trung bình cho tất cả sóng mang con, do ñó chênh lệch giữa tỉ số SINR ñánh giá ñược và SINR yêu cầu của các tham số ñiều chế lớn hơn. Do ñó, các tham số ñiều chế tăng lên. Cả hai lược ñồ ở hình 2.13 ñều ñặt các tham số ñiều chế tối ưu theo tỉ số SINR thu ño ñược cho mỗi sóng mang con. Sự chênh lẹch giữa tỉ số SINR yêu cầu và tỷ số SINR thu ño ñược bằng với công suất phát vượt mức. Hình bên trái
có công suất phát vượt mức lớn hơn do sự hạn chế của tập các tham số ñiều chế. Hình bên phải có thể không quan tâm ñến công suất phát vượt mức vì nhiều tập tham số ñiều chế hơn ñược sử dụng. Bảng 3.2 cho thấy sự ước lượng các tham số lập mã và ñiều chế, bảng 3.3 trình bày các tham số mô phỏng.
r=1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 7/8 64QAM - • • - - - - 16QAM • ° • ° - ° ° QPSK • ° • - ° - - BPSK • - ° - - - - 1/2-rate BPSK • - - - - Bảng 2.1: Các tham số lập mã và ñiều chế
Tập tham số sử dụng trong OFDM AMS/MTPC (set 1) ñược chỉ ra bằng các dấu chấm màu ñen, còn tập thêm vào trong lược ñồ ñề xuất thể hiện bằng dấu chấm màu trắng.
Kỹ thuật này cho phép ñạt ñược sự nâng caohieeuj quả truyền dẫn vì tập tham số lập mã và ñiều chế tối ưu ñược lựa chọn cho mỗi sóng mang tùy theo SINR giữa tế bào nhiễu và tế bào thu. Ngoài ra, vì TPC không ñược thiết lập bởi mỗi sóng mang con nhưng thay vào ñó là một giá trị trung bình cho tất cả sóng mang con, ñiều ñó có thể thông báo mức nhiễu.
Sysbol rate 200ksps Num. of subcarriers 128
Channel model 8 spike Rayleigh model
Target QoS BER 10-5
Frame length Tf 0.13msec
Cell Radius 100m
Cell model 3 sector cell sites wrapping
Max. Tx Power 30 dBm
Bảng 2.2: Tham số mô phỏng 2.4.1.3 Kỹ thuật ña sóng mang
Kỹ thuật ña sóng mang là kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu bằng cách phân chia chúng cho nhiều sóng mang. Một trong những kỹ thuật ñó sử dụng các sóng mang trực giao ñược gọi là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Kỹ thuật ña sóng mang kết hợp OFDM với CDMA ñược gọi là MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) hay OFCDM (Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing). Phương thức truyền tín hiệu DS-CDMA song song trên nhiều băng tần ñược gọi là MC/DS-CDMA ñể phân biệt với các phương thức trên. Khi tín hiệu trực giao giữa các sóng mang không còn ñược duy trì thì các ñặc trưng của hệ thống ña sóng mang bị suy thoái.
Khi sóng mang ñược sử dụng, những kỹ thuật này có khả năng dung lỗi cao chóng lại fading lựa chọn tần số, và OFDM cho hiệu quả sử dụng phổ tần cao vì các sóng mang con trực giao với nhau.
Kỹ thuật MC-CDMA ñược phát minh ñể ứng dụng cho các hệ thống thông tin tế bào trong khi vẫn duy trì các ưu ñiểm của OFDM. Kỹ thuật này có thể cho tốc
ñộ truyền dẫn hơn 100Mbps trong môi trường chuyển ñộng, do ñó cho phép các dịch vụ ña phương tiện: gửi, nhận các hình anh video ñộ phân giải cao.
Ở phần này trình bày một số kỹ thuật ña sóng mang OFDM nhảy tần FHOFDM (Frequency Hopping OFDM). Kỹ thuật ña sóng mang có công suất ñỉnh cao, và hai kỹ thuật sau giải quyết vấn ñề này: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Phương thức giảm công suất ñỉnh cho OFDM sử dụng phương pháp ñảo ngược các bit chẵn lẻ thích nghi.
- Giảm công suất ñỉnh cho tín hiệu OFDM dựa vào việc cắt bớt là lọc.
Kỹ thuật ña sóng mang OFDM nhảy tần FH-OFDM (Frequency Hopping OFDM)
FH-OFDM là kỹ thuật ngẫu nhiên hóa sự phân bổ tài nguyên vô tuyến nhờ thực hiện nhảy tần ở các ñơn vị sóng mang con hoặc kênh con. Kỹ thuật này triển khai sự sử dụng lại 1-cell bằng việc kế thừa các mẫu tần số khác nhau cho mỗi trạm gốc.
Ưu ñiểm của FH-OFDM là làm cho nhiễu xuyên tế bào ñược xem như nhiễu trắng sinh bởi sự nhảy tầng, và triển khai sử dụng lại một cell mà không yêu cầu xử lý phức tạp nào như là sự gán kênh ñộng – DCA (Dynamic Channel Assignment).
Ngoài ra, bằng việc tạo ra một số sóng mang con ñược phân bổ thay ñổi theo tải lưu lượng mà ñạt ñược hiệu quả của tải phân ñoạn, tương tự như CDMA.
Phương thức giảm công suất ñỉnh cho OFDM sử dụng phương pháp ñảo ngược các bit chẵn lẻ thích nghi
Các tín hiệu ña sóng mang (ñại diện là OFDM) có tỷ số công suất ñỉnh trên trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) cao gây ra sự phát xạ phổ tần ngoài băng, có kết quả từ suy hao không tuyến tính của bộ khuếch ñại công suất phát.
Kỹ thuật ñảo ngược một cách thích nghi các bit kiểm tra tổng thể các từ mã của tín hiệu OFDM mã hóa khối ñể khử công suất ñỉnh này. Cấu hình hệ thống ñược trình bày ở hình 3.15.
Hình 2.15 Cấu hình hệ thống
Sóng mang con ñược phân bổ có phần kiểm tra từ mã ñược phân chia thành