Phân bổ tài nguyên ở đường lên trong hệ thống LTE

Nội dung của đề tài Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SCFDMA SCFDMA trong 3GPP LTE Thuật toán phân bổ tài nguyên ở đường lên trong hệ thống LTE Chương trình và kết quả mô phỏng

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ thứ ba

A

ADC Analog-to-Digital Conversion Chuyển đổi tương tự-số

AMC Adaptive Modulation and Coding Điều chế & mã hóa thích ứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

B

BCCH Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá

BIP Binary-Integer Program Chương trình số nguyên nhị phânBMNS Block Allocation for Minimum Number of Subchannels Gán khối với số lượng kênh con nhỏ nhấtBPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BTS Base Transceiver Station Trạm phát đáp gốc

C

CAZAC Constant Amplitude Zero Auto-Correlation Tự tương quan không biên độ không đổiCCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung

CCDF Complementary Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy bù

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CQI Channel Quality Indicator Chỉ định chất lượng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

D

DAC Digital-to-Analog Conversion Chuyển đổi số-tương tự

DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng

DFDMA Distributed Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số phân tánDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

E

E-MBMS Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service Dịch vụ quảng bá/multicast đa phương tiện tiên tiến

E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access Đa truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng đa truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

G

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

I

IBI Inter-Block Interference Nhiễu xuyên khối

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngượcIEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ sư điện, điện tử

IFDMA Interleave Distributed Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số đan xenIMT-2000 International Mobile Telecommunications-2000 Viễn thông di động quốc tế - 2000

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế

L

LFDMA Localized Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số cục bộ (tập trung)

M

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trườngMBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service Dịch vụ quảng bá/multicast đa phương tiệnMBS Multicast and Broadcast Service Dịch vụ quảng bá và multicastMCCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển Multicast

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MMSE Minimum Mean Squared Error Lỗi trung bình quân phương nhỏ nhấtMTCH Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng multicast

MUI Maximum Ultility Increase Tăng có ích lớn nhất

O

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

P

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bìnhPBCH Physical Broadcast Channel Kênh quảng bá vật lý

PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel Kênh chỉ định khuôn dạng điều khiển vật lý

PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển đường xuống vật lýPDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lýPLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộngPMCH Physical Multicast Channel Kênh multicast vật lý

PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý

PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển đường lên vật lýPUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý

QPSK Quaternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

R

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

S

SC/FDE Single Carrier with Frequency Domain Equalization Đơn sóng mang / Cân bằng trong miền tần sốSC-

CFDMA Single Carrier Code-Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số mã hóa đơn sóng mangSC-

FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mangSDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia không gian

SIM Subscriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gianTDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian

TSG Technical Specification Group Nhóm đặc tả kỹ thuật

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn

U

UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

UMB Ultra Mobile Broadband Siêu băng rộng di động

UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UpPTS Uplink Pilot Time Slot Khe thời gian hoa tiêu đường

xuốngUSIM UMTS Subscriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao UMTSUTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống điều chế đa sóng mang tổng quát 2

Hình 1.2: Phổ tín hiệu OFDM 2

Hình 1.3: Đáp ứng của kênh và các sóng mang con trong miền tần số 3

Hình 1.4: Xử lý tín hiệu OFDM 3

Hình 1.5: Các thành phần của máy phát OFDM 4

Hình 1.6: Ý tưởng cơ bản của FDE 5

Hình 1.7: Sơ đồ khối của các hệ thống SC/FDE và OFDM 6

Hình 1.8: Tiền tố tuần hoàn (CP) 7

Hình 1.9: Máy thu OFDM và SC/FDE 8

Hình 1.10: So sánh các ký hiệu OFDM và SC/FDE 8

Hình 1.11: Cấu trúc máy phát và máy thu của hệ thống SC-FDMA và OFDM 10

Hình 1.12: Quá trình tạo các ký hiệu phát SC-FDMA 11

Hình 1.13: Bộ lọc cosin tăng và căn bậc hai cosin tăng 12

Hình 1.14: Cấu trúc máy thu SC-FDMA cho một hệ thống truy nhập đa người dùng 13

Hình 1.15: Các chế độ sắp xếp các sóng mang con ( phân tán và tập trung) 14

Hình 1.16: Các mô hình sắp xếp các sóng mang con 15

Hình 1.17: Các phương pháp phân bổ các sóng mang con đa người sử dụng 15

Hình 1.18: Sắp xếp các sóng mang con cho đa người dùng 17

Hình 1.19: Sắp xếp các sóng mang con LFDMA cho đa người dùng 19

Hình 1.20: Sắp xếp các sóng mang con DFDMA cho đa người dùng 20

Hình 1.21: Các ký hiệu trong miền thời gian của các mô hình sắp xếp sóng mang con 21

Hình 1.22: Biểu diễn về thời gian và băng tần các ký hiệu được điều chế từ các đầu cuối 22

Hình 1.23: OFDMA nén độ rộng băng tần truyền dẫn và mở rộng thời gian ký hiệu 23

Hình 1.24: SC-FDMA mở rộng băng tần truyền dẫn và nén thời gian ký hiệu 23

Hình 1.25: OFDMA và SC-FDMA; tách sóng và cân bằng 23

Hình 2.1: Cấu hình cơ bản của một mạng di động mặt đất công cộng (PLMN) hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) 29

Hình 2.2: Kiến trúc giao thức của 3GPP LTE 35

Hình 2.3: Các kênh đường xuống 37

Hình 2.4: Các kênh đường lên 38

Hình 2.5: Cấu trúc khung cho truyền dẫn FDD (cấu trúc khung kiểu 1) 40

Hình 2.6: Cấu trúc khung cho truyền dẫn TDD (cấu trúc khung kiểu 2) 40

Hình 2.7: Lưới tài nguyên đường lên 41

Hình 2.8: Sự sắp xếp của một khối tài nguyên vật lý trong miền tần số 43

Hình 2.9: Xử lý kênh vật lý đường lên cơ sở 44

Hình 2.10: Máy phát SC-FDMA tổng quát 44

Hình 2.11: Điều chế sóng mang và nâng tần 46

Hình 2.12: Điều chế SC-FDMA sử dụng DFT và IDFT 46

Hình 2.13: Cấu trúc khe thời gian của kênh PUSCH trong miền tần số với cấu hình truyền dẫn 5MHz (tiền tố tuần hoàn thông thường) 47

Hình 2.14: Cấu trúc khe thời gian đường lên của kênh PUSCH trong miền thời gian với cấu hình truyền dẫn 5MHz (tiền tố tuần hoàn thông thường) 47

Hình 2.15: Các tín hiệu tham chiếu FDM và CDM cho 3 người sử dụng với 12 sóng mang con 48 Hình 4.1: Lưu đồ mô phỏng kỹ thuật SC/FDE 61

Hình 4.2: Lưu đồ mô phỏng kỹ thuật OFDM 61

Hình 4.3: Đáp ứng kênh trong miền tần số của hai mô hình kênh ITU PedA và ITU VehA 61

Hình 4.4: Kết quả mô phỏng tỷ số lỗi ký hiệu của hệ thống SC/FDE trong các mô hình kênh khác nhau và sử dụng các phương pháp cân bằng kênh khác nhau 63

Hình 4.5: Kết qủa mô phỏng so sánh tỷ số lỗi ký hiệu giữa hai hệ thống SC/FDE và OFDM 63

Hình 4.6: Lưu đồ mô phỏng hệ thống SC-FDMA 64

Hình 4.7: Minh họa băng con cục bộ cho kênh ITU PedA 65

Hình 4.8: Kết quả mô phỏng so sánh tỷ số lỗi ký hiệu giữa hai mô hình sắp xếp sóng mang con 65 Hình 4.9: Lưu đồ mô phỏng đặc tính công suất đỉnh (PAPR) của tín hiệu SC-FDMA 66

Hình 4.10: Lưu đồ mô phỏng đặc tính công suất đỉnh (PAPR) của tín hiệu OFDMA 66

Hình 4.11: Kết quả mô phỏng CCDF của PAPR cho các mô hình SC-FDMA ((a) không định dạng xung, (b) định dạng xung RC) và OFDMA 67

Hình 4.12: Kết quả mô phỏng CCDF của PAPR cho mô hình LFDMA và OFDMA 67

Hình 4.13: Phân bố tích lũy tốc độ tổng và thời gian tính toán trung bình trong các thuật toán phân bổ tài nguyên 69

Hình 4.14: Phân bố tích lũy số sóng mang con sử dụng và thời gian tính toán trung bình trong các thuật toán phân bổ tài nguyên 69

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tổng hợp và so sánh giữa WiMAX di động, LTE và UMB 32

Bảng 2.2: Các đặc tả kỹ thuật của LTE 33

Bảng 2.3: Các kênh vật lý 35

Bảng 2.4: Các kênh truyền tải 36

Bảng 2.5: Các kênh logic 36

Bảng 2.6: Các ký hiệu với lớp vật lý đường lên 39

Bảng 2.7: Tiền tố tuần hoàn thông thường và tiền tố tuần hoàn mở rộng 42

Bảng 2.8: Các đặc tính của khối tài nguyên 42

Bảng 3.1: Thuật toán Greedy cho bài toán tối đa hóa tốc độ tổng (MUI) 55

Bảng 3.2: Thuật toán Greedy cho bài toán tối thiểu hóa số kênh con sử dụng (BMNS) 58

Bảng 4.1: Lý lịch trễ công suất của hai mô hình kênh ITU PedA và ITU VehA 60

Bảng 4.2: Các thông số thực hiện mô phỏng 62

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thông tin di động đang phát triển rất mạnh mẽ và không ngừng được cải tiến nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin phong phú và đa dạng của con người Các thế hệ mạng thông tin di động đầu tiên được thương mại hóa vào những năm 1980 sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Truyền dẫn số xuất hiện đầu tiên vào những năm 1990 với phần lớn các hệ thống được triển khai đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và một số khác dựa vào phân chia theo mã (CDMA) Công nghệ thế hệ thứ ba bắt đầu từ năm 2000 sử dụng phân chia theo mã, trong khi các thế hệ mạng thông tin di dộng tiếp theo đang có xu hướng trở về các kỹ thuật phân chia theo tần số.

Hiện tại có hai xu hướng sử dụng công nghệ FDMA đang cạnh tranh nhau để giành được chỗ đứng trong các mạng thông tin di động tế bào thế hệ kế tiếp Trong khi WiMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE sử dụng công nghệ OFDMA cho truyền dẫn đường lên

và đường xuống thì một công nghệ tiềm tàng khác là LTE (Long Term Evolution-Sự phát triển dài hạn) đươc chuẩn hóa bởi tổ chức hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP) lại chỉ sử dụng OFDMA cho truyền dẫn đường xuống, trong khi đường lên sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) Những thay đổi về mặt thực thi

hệ thống của SC-FDMA so với OFDMA cũng dẫn tới việc phân bổ tài nguyên trong hệ thống cũng bị thay đổi.

Nhận thức rõ những yêu cầu tất yếu trong việc phân bổ tài nguyên trong các mạng thông tin di động, đặc biệt là tính khả thi trong các hệ thống LTE trong tương lai, cùng với kiến thức đã học tập được tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông và những định hướng của thầy giáo Ths Nguyễn Viết Đảm, em đã chọn đề tài cho Đồ án tốt nghiệp Đại học là:

“Phân bổ tài nguyên ở đường lên trong hệ thống LTE”

Đồ án được trình bày qua 4 chương như sau:

Chương 1: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang FDMA) Trong chương này, sẽ trình bày về công nghệ SC-FDMA: xuất phát điểm, ý

(SC-tưởng của kỹ thuật; các khối chức năng thực thi hệ thống, các mô hình; đồng thời so sánh

nó với kỹ thuât OFDMA để giải thích tại sao SC-FDMA được lựa chọn cho truyền dẫn đường lên trong các hệ thống LTE.

Chương 2: SC-FDMA trong 3GPP LTE Chương này đi sâu vào các đặc điểm kỹ

thuật của SC-FDMA trong đường lên các hệ thống LTE được đưa ra bởi tổ chức 3GPP Khái quát về các kênh vật lý, cấu trúc về mặt thời gian và tần số ở đường lên và quá trình

xử lý tín hiệu sẽ được trình bày trong chương này.

Chương 3: Thuật toán phân bổ tài nguyên ở đường lên trong hệ thống LTE

Trong chương này, sẽ trình bày về ba bài toán phân bổ tài nguyên trong đường lên hệ thống LTE Sẽ có hai cách tiếp cận trong chương này, đó công thức hóa bài toán về dạng chương trình số nguyên nhị phân sẵn có và đề xuất các thuật toán cận tối ưu cho việc phân bổ tài nguyên.

Chương 4: Chương trình và kết quả mô phỏng Chương này sẽ đưa ra các mô hình

thực hiện mô phỏng cho hệ thống SC-FDMA và chop các thuật toán phân bổ tài nguyên ở đường lên trong các hệ thống LTE Các kết quả mô phỏng cũng được đưa ra nhằm rút ra những đánh giá, kết luận.

Được sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ths Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung ở mức độ nhất định Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không chắn khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn sinh viên đóng góp kiến chỉnh sửa và hướng phát triển tiếp theo để đồ án hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong

bộ môn vô tuyến và các bạn đã giúp đỡ tận tình trong thời gian học tập và thực hiện đồ

CHƯƠNG 1

ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ

ĐƠN SÓNG MANG (SC-FDMA)

1.1 Giới thiệu chung

Phân chia theo tần số là một công nghệ vô tuyến được các hệ thống thông tin di động

tế bào đầu tiên sử dụng để phân chia các tín hiệu truyền dẫn thoại khác nhau: ghép kênh phân chia theo tần số ở đường xuống và đa truy nhập phân chia theo tần số ở đường lên Các hệ thống thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ phân chia theo mã hoặc lai ghép giữa phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số để truyền tải các tín hiệu thoại và các tín hiệu khác ở dạng số Mặc dù hai hệ thống thế hệ thứ 3 là WCDMA và CDMA2000 đều dựa trên các công nghệ phân chia theo mã nhưng tất cả các hệ thống băng rộng sau này đều chuyển về công nghệ phân chia theo tần số Các công nghệ phân chia theo tần số rất thích hợp với các kênh vô tuyến di động chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số gây ra bởi truyền sóng đa đường Các kỹ thuật phân chia tần số trực giao hiệu quả khi truyền các tín hiệu dữ liệu tốc độ cao dưới dạng một số lượng lớn các tín hiệu có tốc độ thấp, mỗi tín hiệu tốc độ thấp chiếm một dải băng tần hẹp đã được triển khai trong các hệ thống truyền hình và truyền thanh quảng bá, các mạng đô thị không dây và các mạng cục bộ không dây Trong việc thiết lập các tiêu chuẩn cho LTE, 3GPP chỉ định OFDMA là công nghệ chủ đạo được sử dụng Từ quan điểm của việc thực thi hệ thống, công nghệ SC-FDMA có thể được coi như là một sự điều chỉnh của OFDMA để nâng cao tuổi thọ nguồn tại các thiết bị đầu cuối di động do các đặc tính công suất đỉnh thấp

Trong chương này, phần 1.2 sẽ trình bày về hai kỹ thuật xử lý tín hiệu trong miền tần số là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và truyền dẫn đơn sóng mang với cân bằng trong miền tần số (SC/FDE) Phần 1.3 sẽ trình bày chi tiết về công nghệ SC-FDMA, đồng thời so sánh ưu điểm nổi trội của nó so với OFDMA để giải thích vì sao SC-FDMA được chọn là công nghệ đa truy nhập ở đường lên trong các hệ thống 3GPP LTE

1.2 Kỹ thuật phân chia theo tần số trong các hệ thống không dây băng rộng

1.2.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA là một hệ thống đa sóng mang có sơ đồn tổng quát được chỉ ra trong hình 1.1 Nó ghép dữ liệu trên nhiều sóng mang và phát chúng song song với nhau OFDM sử

Hình 1.1: Hệ thống điều chế đa sóng mang tổng quát

dụng các sóng mang con trực giao và chồng lấn lên nhau trong miền tần số Hình 1.2 cho thấy phổ của 5 tín hiệu trực giao với độ phân biệt tần số nhỏ nhất Mỗi tín hiệu là không đổi trên một chu kỳ ký hiệu và phổ của nó có dạng sin x x( ) Do sử dụng các sóng mang con trực giao và chồng lấn lên nhau nên hiệu suất sử dụng phổ là rất cao khi so sánh với các hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) thông thường mà đòi hỏi thêm các khoảng băng bảo vệ giữa các băng tần con

1.2.1.1 Quá trình xử lý tín hiệu

Ý tưởng cơ bản của OFDM là chia luồng tín hiệu số tốc độ cao thành nhiều tín hiệu

có tốc độ thấp hơn và phát mỗi tín hiệu có tốc độ thấp hơn này trên một băng tần riêng biệt Các tín hiệu có tốc độ chậm hơn được ghép kênh theo tần số để tạo một dạng sóng, Nếu có các tín hiệu băng hẹp có tốc độ đủ thấp thì khoảng thời gian ký hiệu sẽ đủ dài để triệt bỏ nhiễu xuyên ký hiệu Mặc dù fading nhanh là fading chọn lọc tần số xảy ra trên toàn bộ băng tần tín hiệu OFDM nhưng khi xét trong mỗi dải băng hẹp của các tín hiệu có tốc độ thấp thì có thể coi fading là phẳng như trong hình 1.3

Hình 1.2: Phổ tín hiệu OFDM

Hình 1.3: Đáp ứng của kênh và các sóng mang con trong miền tần số

Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và phép biến đổi ngược của nó (IDFT) là các kỹ thuật

xử lý tín hiệu trung tâm trong việc thực thi OFDM Thông thường thì ta sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) và biến đổi FFT ngược (IFFT) do tính hiệu quả của chúng Hình 1.4 minh họa các phần tử cơ bản của một máy phát và máy thu OFDM Đầu vào nhị phân của bộ điều chế OFDM là đầu ra của bộ mã hóa kênh được đưa vào mã sửa lỗi và

mã dư thừa kiểm tra vòng tín hiệu thông tin được phát Thông thường, bộ điều chế số băng tần cơ sở là điều chế biên độ cầu phương (QAM) biến đổi các tín hiệu nhị phân đầu vào thành một chuỗi các ký hiệu điều chế nhiều mức có giá trị phức Một bộ xử lý thực hiện thuật toán IDFT trên một chuỗi gồm N ký hiệu điều chế để tạo ra một ký hiệu OFDM bao gồm N băng tần con

Hình 1.4: Xử lý tín hiệu OFDM

Hình 1.5: Các thành phần của máy phát OFDM

Các mẫu N băng con nhận được từ IDFT được phát liên tiếp qua kênh fading và máy thu thực hiện DFT để khôi phục lại N ký hiệu điều chế trong miền thời gian từ tín hiệu thu trong miền tần số Thuật toán cân bằng kênh sẽ bù lại méo tuyến tính gây ra do truyền sóng đa đường Cuối cùng là một bộ tách sóng (bộ giải điều chế) sẽ cho ra một tín hiệu nhị phân tương ứng với đầu vào ban đầu của máy phát OFDM Để triệt nhiễu giữa các ký hiệu điều chế kế tiếp nhau, chu kỳ của ký hiệu trong mỗi băng con τsub(s) phải lớn

hơn trải trễ lớn nhất của kênh: τsub >τmax Do chu kỳ ký hiệu của các băng con là đều nhau

nên τsub = ×N τmod, với τmod(s) là chu kỳ của một ký hiệu điều chế nên số lượng băng tần

con nhỏ nhất là N >τmax τmod Với một kênh có trải trễ rms lớn nhất là 10 sµ và một mô

hình truyền dẫn với chu kỳ ký hiệu điều chế là 0,13 sµ (được sử dụng trong kênh 5MHz

của 3GPP LTE) thì N >76 băng tần con LTE sử dụng 512 sóng mang con trong kênh 5MHz Do đó hệ thống có thể hoạt động mà không có nhiễu xuyên ký hiệu trong kênh với thời gian của tuyến lên đến 512 0,13 66,7 s× = µ .

Mặc dù hoạt động của hệ thống trong hình 1.4 triệt được nhiễu xuyên ký hiệu từ các tín hiệu có tốc độ thấp trong các dải băng tần khác nhau nhưng trải trễ của kênh vẫn có thể gây xuyên nhiễu giữa các ký hiệu OFDM kế tiếp nhau Để giảm kiểu nhiễu xuyên ký hiệu này, hệ thống OFDM đưa ra một khoảng thời gian bảo vệ là τg(s) giữa các ký hiệu

OFDM kế tiếp nhau Để đạt được hiệu quả thì cần phải có τg ≥τmax Khoảng thời gian bảo

vệ này tương ứng với khoảng thời gian truyền dẫn của G mẫu điều chế và trong khoảng thời gian bảo vệ, tại điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu OFDM, máy phát thực hiện việc tạo lại

G tín hiệu điều chế được chuyển đổi tạo ra bởi bộ xử lý IDFT G mẫu điều chế được phát trong khoảng thời gian bảo vệ được gọi là tiền tố tuần hoàn (CP) của ký hiệu OFDM Như trên hình 1.4, có một bộ cân bằng trong miền tần số hoạt động trên các ký hiệu đầu

ra của mỗi băng tần con Do chu kỳ ký hiệu của một hệ thống OFDM là dài nên việc việc cân bằng kênh là đơn giản

Hình 1.5 là bức tranh hoàn chỉnh hơn về các hoạt động xử lý tín hiệu được đặt tại máy phát OFDM Thêm vào các phần tử trung tâm của hệ thống OFDM trong hình 1.4 là các khối mã hóa kênh, chèn tiền tố tuần hoàn, bộ lọc định dạng xung (cửa sổ) cũng như

bộ khuếch đại công suất Bộ lọc định dạng xung làm suy hao năng lượng của tín hiệu bên ngoài băng tần OFDM danh định Trong các thiết bị thực tế, hầu hết các khối trong hình 1.4 và 1.5 là số Việc chuyển đổi số - tương tự và điều chế tần số vô tuyến được đặt sau khối định dạng xung trong hình 1.5.

1.2.1.2 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điển cơ bản của OFDM trong các hệ thống vô tuyến băng rộng là giảm đáng kể nhiễu xuyên ký hiệu OFDM còn có các ưu điểm sau đây:

 Với trải trễ của một kênh cho trước, độ phức tạp của máy thu là thấp hơn một hệ thống đơn sóng mang với một bộ cân bằng trong miền thời gian

 Hiệu suất sử dụng phổ cao do nó sử dụng các sóng mang con trực giao và chồng lần lên nhau trong miền tần số

 Điều chế và giải điều chế thực hiện nhờ các thuật toán tương ứng là IDFT và DFT, và biến đổi Fourier nhanh (FFT) có thể được áp dụng để tăng hiệu quả xử

lý của toàn bộ hệ thống

 Dung lượng có thể được tăng một cách đáng kể bằng cách thích ứng tốc độ dữ liệu trên các sóng mang con phù hợp với tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của các sóng mang con riêng biệt

Nhược điểm cơ bản của OFDM là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao Tín hiệu phát đi là tổng của tất cả các sóng mang con được điều chế và biên

độ đỉnh có giá trị cao là hiện tượng không tránh được do có thể có nhiều sóng mang con đồng pha trong các chuỗi đầu ra So sánh với các kỹ thuật truyền dẫn trong miền tần số, OFDM cũng nhạy cảm hơn với dịch tần số

1.2.2 Điều chế đơn sóng mang / Cân bằng trong miền tần số

1.2.2.1 Cân bằng trong miền tần số

Hình 1.6: Ý tưởng cơ bản của FDE

Một bộ cân bằng sẽ bù lại phần méo tuyến tính gây ra do truyền sóng đa đường Với các kênh băng rộng, các bộ cân bằng trong miền thời gian thông thường là không thể thực hiện do đáp ứng xung kim của kênh rất dài trong miền thời gian Cân bằng trong miền tần

số (FDE) là khả thi hơn trong trường hợp này

Cân bằng kênh thông thường là việc lọc nghịch đảo méo tuyến tính gây ra do truyền sóng đa đường Với một hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, việc lọc tuyến tính là một phép tích chập trong miền thời gian và là phép nhân trong miền tần số Biến đổi Fourier biến đổi các tín hiệu trong miền thời gian sang miền tần số mà có thể thực hiện cân bằng bằng cách chia cho một ước tính đáp ứng tần số của kênh Hình 1.6 chỉ ra phép toán cơ bản của việc cân bằng trong miền thời gian (tích chập) và cân bằng trong miền tần

số (phép nhân)

Sử dụng DFT, việc cân bằng trong miền tần số có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số hiện đại Do kích thước DFT không tăng tuyến tính theo độ dài của đáp ứng kênh nên độ phức tạp của FDE thấp hơn so với bộ cân bằng trong miền tần số cho các kênh băng rộng

Điều chế đơn sóng mang với cân bằng trong miền tần số (SC/FDE) là một kỹ thuật khả thi để giảm nhẹ hiệu ứng fading chọn lọc tần số Nó tạo ra hiệu năng giống như OFDM với cùng một độ phức tạp, kể cả với các đáp ứng xung kim của kênh dài Hình 1.7

là các sơ đồ khối của máy thu SC/FDE và OFDM Ta có thể thấy cả hai hệ thống đều sử dụng những thành phần giống nhau và chỉ khác nhau ở vị trí của hai khối IDFT Do đó, cả hai hệ thống có cùng một mức hiệu năng và hiệu suất sử dụng phổ tần

Hình 1.7: Sơ đồ khối của các hệ thống SC/FDE và OFDM

Hình 1.8: Tiền tố tuần hoàn (CP)

Một bộ điều chế SC/FDE phát các ký hiệu điều chế liên tiếp nhau Nó chia chuỗi các

ký hiệu điều chế thành các khối và thêm vào tiền tố tuần hoàn (CP) vào đầu mỗi khối CP

là bản sao của phần cuối cùng của các khối như trong hình 1.8 Như trong OFDM, CP giúp tránh nhiễu xuyên khối Nó cũng đảm bảo rằng tích chập của đáp ứng xung kim của kênh với các ký hiệu điều chế có dạng tích chập vòng Điều này thích hợp với việc xử lý tín hiệu được thực hiện bởi kênh với việc xử lý tín hiệu được thực hiện bởi FDE do phép nhân trong miền DFT tương đương với tích chập vòng trong miền thời gian

Bài toán dung hòa việc xử lý tín hiệu tại máy thu với việc chuyển đổi tín hiệu gây ra bởi kênh là một bài toán tổng quát cho việc cân bằng trong miền tần số sử dụng các phép biến đổi rời rạc Khi tín hiệu được truyền qua kênh, nó được nhân tích chập tuyến tính với đáp ứng xung kim của kênh Do một bộ cân bằng kênh luôn cố gắng thực hiện nghịch đảo lại đáp ứng xung kim của kênh, nó nên thực hiện cùng một kiểu tích chập giống như kênh, hoặc tích chập tuyến tính, hoặc tích chập vòng Cách để giải quyết bài toán này là thêm một CP ở máy phát để làm cho việc lọc kênh giống như một phép tích chập vòng và thích hợp nó với FDE dựa trên DFT

Như trong hình 1.7, một máy thu SC/FDE chuyển đổi tín hiệu thu được sang miền tần số bằng cách sử dụng thuật toán DFT Sau khi thực hiện cân bằng trong miền tần số, thuật toán IDFT chuyển đổi tín hiệu đơn sóng mang sang miền thời gian và bộ tách sóng thực hiện khôi phục các ký hiệu điều chế ban đầu Ngược lại, OFDM sử dung một bộ tách sóng riêng biệt cho từng sóng mang con

1.2.2.2 So sánh với OFDM

OFDM và SC/FDE khá giống nhau về các phần tử trong hệ thống Tuy nhiên, các điểm khác biệt cơ bản giữa chúng là ở các bộ cân bằng SC/FDE thực hiện cả hai thuật toán DFT và IDFT ở máy thu, trong khi OFDM thực hiện IDFT ở máy phát và DFT ở máy thu

Tại máy thu, OFDM thực hiện tách dữ liệu trên từng sóng mang con trong miền tần

số trong khi SC/FDE thực hiện tách dữ liệu trong miền thời gian sau khi thêm thuật toán IDFT như trong hình 1.9

Hình 1.9: Máy thu OFDM và SC/FDE

Chu kỳ của các ký hiệu điều chế trong miền thời gian được mở rộng trong trường hợp của OFDM khi truyền dẫn đồng thời các khối dữ liệu trong suốt chu kỳ thời gian được giãn ra, như trong hình 1.10 Hệ thống có độ rộng băng tần B sHz được chia thành nhiều sóng mang có độ rộng băng tần nhỏ hơn và dữ liệu độc lập được truyền tải trên mỗi sóng mang con

SC/FDE có những ưu điểm vượt trội hơn so với OFDM như sau:

 PAPR thấp hơn do điều chế đơn sóng mang tại máy phát;

 Ít nhạy cảm với dịch tần số sóng mang;

 Độ phức tạp thấp tại máy phát, tạo nhiều thuận lợi cho các thiết bị đầu cuối di động trong truyền thông đường lên

Hình 1.10: So sánh các ký hiệu OFDM và SC/FDE

1.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA)

1.3.1 Giới thiệu

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) là phiên bản thay đổi của các mô hình OFDM và SC/FDE Khác nhau là, các công nghệ đa truy nhập trình bày trong phần này truyền nhiều tín hiệu một cách đồng thời Tất cả các kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao đều phân

bổ một tập rời rạc các sóng mang con phân tán trên độ rộng băng tần của hệ thống Tất cả chúng đều bao gồm các biến đổi để chuyển tín hiệu giữa miền thời gian và miền tần số

Để truyền nhiều tín hiệu đồng thời, các công nghệ đa truy nhập gán các tín hiệu vào các tập sóng mang con loại trừ lẫn nhau Bởi vì các kênh băng rộng chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số nên các kỹ thuật FDMA có thể triển khai lập lịch phụ thuộc vào kênh để có được phân tập đa người dùng và bởi vì các đặc tính của fading tại các thiết bị đầu cuối tại các vị trí khác nhau là độc lập thống kê nên các kỹ thuật lập lịch có thể gán mỗi thiết bị đầu cuối với các sóng mang con với các đặc tính truyền dẫn thuận tiện tại vị trí của các thiết bị đầu cuối

Hệ thống WiMAX sử dụng OFDMA cho truyền dẫn tín hiệu từ cả trạm gốc và từ các thiết bị đầu cuối di dộng Ngược lại, 3GPP quy định sử dụng OFDMA cho truyền dẫn đường xuống và SC-FDMA cho truyền dẫn đường lên cho sự phát triển dài hạn (LTE) của các hệ thống thông tin di động tế bào để có được sự hiệu quả về mặt công suất ở phía thiết bị đầu cuối Dự đoán trước về các phiên bản trong tương lai của các hệ thống CDMA hiện tại, dự án hợp tác 3GPP2 đưa ra phương án SC-FDMA sử dụng trải mã cho đường lên của kỹ thuật siêu băng rộng di động (UMB) Một nhược điểm của OFDMA là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao làm tăng chi phí và giảm hiệu quả sử dụng công suất của các bộ khuếch đại phía phát Với PAPR thấp hơn, các bộ khuếch đại công suất tại các thiết bị đầu cuối di động sử dụng SC-FDMA có thể đơn giản và hiệu quả hơn về mặt công suất khi sử dụng OFDMA Trái lại, với một tốc độ dữ liệu cao, bộ cân bằng trong miền tần số của một liên kết SC-FDMA lại phức tạp hơn bộ cân bằng OFDMA Với truyền dẫn SC-FDMA được sử dụng ở đường lên LTE, các bộ cân bằng phức tạp chỉ cần có ở các trạm gốc mà không cần thiết phải có ở các thiết bị đầu cuối di động

Trong phần này, ta sẽ giới thiệu về quá trình xử lý tín hiệu SC-FDMA Phần 3.3 sẽ nói về ba phương pháp gán các thiết bị di động đầu cuối với các sóng mang con: FDMA cục bộ (LFDMA), FDMA phân tán (DFDMA) và FDMA đan xen (IFDMA), đặc biệt là

Hình 1.11: Cấu trúc máy phát và máy thu của hệ thống SC-FDMA và OFDM

trường hợp FDMA phân tán Phần 1.3.4 trình bày về tín hiệu SC-FDMA biểu diễn trong miền tần số Phần 1.3.5 và 1.3.6 trình bày mối quan hệ giữa SC-FDMA với OFDMA và CDMA chuỗi trực tiếp với sự cân bằng trong miền tần số

1.3.2 Xử lý tín hiệu SC-FDMA

Hình 1.11 biểu diễn một máy phát SC-FDMA gửi một khối dữ liệu đến một máy thu Đầu vào của máy phát và đầu ra của máy thu là các ký hiệu điều chế dạng phức Các hệ thống thực tế tự động sử dụng các kỹ thuật điều chế tương ứng với chất lượng kênh, sẽ sử dụng khóa dịch pha nhị phân (BPSK) với các kênh chất lượng kém và sử dụng điều chế biên độ cầu phương lên đến 64 mức với các kênh chất lượng tốt Khối dữ liệu bao gồm

M ký hiệu điều chế phức được tạo ra với tốc độ R source ký hiệu/s Hình 1.12 thể hiện chi tiết về ba thành phần trung tâm của máy phát trong hình 1.11 Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) M điểm tạo ra M ký hiệu trong miền tần số là M mẫu điều chế đầu ra của N

sóng mang con trải trên độ rộng băng tần:

Hình 1.12: Quá trình tạo các ký hiệu phát SC-FDMA

Nếu Q là hệ số trải trên độ rộng băng tần, nghĩa là:

channel source

biểu diễn các ký hiệu nguồn đã được điều chế và X k k( =0,1, ,M −1) biểu diễn M mẫu

DFT của x m Y l l( =0,1, ,N−1) biểu diễn các mẫu trong miền tần số sau khi sắp xếp các

sóng mang con và y n n( =0,1, ,N−1) biểu diễn các ký hiệu kênh trong miền tần số được

phát nhận được từ DFT nghịch (IDFT) của Y l Khối sắp xếp sóng mang con trong hình 1.11 và 1.12 gán các ký hiệu điều chế trong miền tần số vào các sóng mang con Quá trình sắp xếp này đôi khi còn được gọi là quá trình lập lịch Do các thiết bị đầu cuối phân tán trong không gian có các kênh fading độc lập nên SC-FDMA và OFDMA có lợi ích trong việc lập lịch phụ thuộc vào kênh Biến đổi nghịch IDFT trong hình 1.11 và 1.12 cho ta sự biểu diễn trong miền tần số, y n của N ký hiệu sóng mang con Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp đặt y y0, , ,1 y N−1 vào chuỗi thời gian thích hợp với việc điều chế sóng mang

ở tần số vô tuyến và việc truyền dẫn đến máy thu

Máy phát trong hình 1.11 thực hiện hai quá trình xử lý tín hiệu khác trước khi truyền dẫn Nó chèn một tâp các ký hiệu gọi là tiền tố vòng (CP) tạo ra một khoảng thời gian bảo

vệ giúp tránh được xuyên nhiễu giữa các khối (IBI) gây ra do hiện tượng truyền sóng đa đường Máy phát cũng thực hiện việc lọc tuyến tính (hay còn gọi là định dạng xung) để giảm năng lượng tín hiệu ngoài dải băng tần Tiền tố tuần hoàn là một bản sao phần cuối cùng của khối Nó được chèn vào phần bắt đầu của mỗi khối với hai lý do Thứ nhất, CP như một khoảng bảo vệ giữa hai khối liên tiếp Nếu độ dài của CP dài hơn trải trễ lớn nhất của kênh (hay độ dài đáp ứng xung kim của kênh) thì sẽ không có IBI Thứ hai, do CP là bản sao phần cuối cùng của khối, nó sẽ chuyển đổi tích chập tuyến tính trong miền thời

gian rời rạc sang tích chập vòng sang miền thời gian rời rạc Do đó, dữ liệu được phát qua kênh có thể được lập mô hình là tích chập vòng giữa đáp ứng xung kim của kênh và khối

dữ liệu được phát mà trong miền tần số là phép nhân của DFT các mẫu tần số Sau đó, để loại bỏ méo của kênh, DFT của tín hiệu thu được có thể đơn giản được chia chọn lọc điểm cho dáp ứng xung kim của kênh

Ta xét xung cosin tăng (RC) và xung căn bậc hai cosin tăng (RRC) là các xung định dạng được sử dụng rộng rãi trong truyền thông không dây Biểu diễn trong miền tần số và trong miền thời gian của hai xung này như sau:

trong đó T là chu kỳ của ký hiệu và α là hệ số dốc.

Hình 1.13 là biểu diễn trong miền tần số và miền thời gian của bộ lọc cosin tăng Hệ

số dốc α nằm trong khoảng từ 0 đến 1 và điều khiển lượng công suất phát xạ ngoài băng

Khi α tăng thì lượng phát xạ ngoài băng cũng tăng Trong miền thời gian, số lượng các

búp sóng phụ hai bên tăng khi α giảm và điều này làm tăng công suất đỉnh của tín hiệu

phát sau khi định dạng xung Do đó, việc chọn hệ số dốc cần phải có sự dung hòa giữa mục đích phát xạ ngoài băng thấp và tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp

Ta sẽ đề cập các đặc tính công suất đỉnh của việc định dạng xung trong phần 1.3.8

Khối DFT tại máy thu trong hình 1.11 biến đổi tín hiệu thu được về miền tần số để khôi phục N sóng mang con Việc giải sắp xếp thực hiện tách M mẫu trong miền tần số của mỗi tín hiệu nguồn Bởi vì SC-FDMA sử dụng điều chế đơn sóng mang nên sẽ xuất hiện méo tuyến tính mà thể hiện của nó là nhiễu xuyên ký tự (ISI) Bộ cân bằng trong miền tần số sẽ triệt bỏ ISI Khối IDFT tại máy thu như trong hình 1.11 biến đổi các ký hiệu đã được cân bằng trở lại miền thời gian, sau đó sẽ có một bộ tách sóng làm nhiệm vụ nhận lần lượt M ký hiệu điều chế Hình 1.14 chỉ ra rằng SC-FDMA là hợp nhất của quá trình xử lý các phần tử trong OFDMA và cộng thêm khối DFT ở đầu vào của máy phát và tương ứng là khối IDFT ở đầu ra của máy thu Vì máy phát SC-FDMA có nhiệm vụ mở rộng độ rộng băng tần của tín hiệu để bao phủ độ rộng băng tần của kênh nên SC-FDMA đôi khi còn được gọi là OFDMA trải bởi DFT

Hình 1.14: Cấu trúc máy thu SC-FDMA cho một hệ thống truy nhập đa người dùng

Hình 1.15: Các chế độ sắp xếp các sóng mang con ( phân tán và tập trung)

1.3.3 Sắp xếp các sóng mang con

Hình 1.15 chỉ ra hai phương pháp để gán M ký hiệu được điều chế trong miền tần

số vào các sóng mang con: sắp xếp sóng mang con phân tán và sắp xếp sóng mang con tập trung (cục bộ) Trong chế độ sắp xếp các sóng mang con tập trung, các ký hiệu điều chế được gán cho M sóng mang con lân cận Trong chế độ phân tán, các ký hiệu được định vị đều trên toàn bộ băng tần truyền dẫn của kênh Trong cả hai chế độ thì khối IDFT tại máy phát sẽ gán biên độ bằng 0 cho N M− sóng mang con không bị chiếm Ta gọi chế

độ sắp xếp các sóng mang con tập trung của SC-FDMA là FDMA tập trung (LFDMA) và chế độ sắp xếp các sóng mang con phân tán của SC-FDMA là FDMA phân tán (DFDMA) Trường hợp N Q M= × cho chế độ phân tán với các khoảng cách đều nhau

giữa các sóng mang con bị chiếm thường được gọi là FDMA đan xen (IFDMA) [2], [3] IFDMA là trường hợp đặc biệt của SC-FDMA và nó rất hiệu dụng khi máy phát có thể điều chế tín hiệu một cách nghiêm ngặt trong miền thời gian mà không cần sử dụng DFT

và IDFT Trong 1.3.4, ta sẽ chỉ ra trường hợp với IFDMA, việc kết hợp DFT và IDFT sẽ rút gọn về một phép nhân phức đơn giản, tương đương với việc quay pha của mỗi ký hiệu được điều chế tại đầu vào của máy phát

Hình 1.16 minh họa ba ví dụ về các ký hiệu phát SC-FDMA trong miền tần số với 4

M = ký hiệu trên một khối, N =12 sóng mang con và Q N M= =3 thiết bị đầu cuối Trong chế độ tập trung, bốn ký hiệu điều chế chiếm các sóng mang con 0,1,2 và 3:

Hình 1.16: Các mô hình sắp xếp các sóng mang con

nhau trên tất cả các sóng mang con thì Y0 =X Y0, 2 =X Y1; 4 =X Y2; 6 =X3 và trong chế độ đan

số kênh của mỗi người sử dụng Với cả hai phương pháp lập lịch, việc sắp xếp các sóng mang con phân tán sẽ dẫn đến việc phân tập tần số vì tín hiệu phát đi được trải trên toàn

bộ độ rộng băng tần Với việc sắp xếp phân tán, CDS sẽ giúp cải thiện hiệu năng Với việc sắp xếp các sóng mang con tập trung, CDS tạo ra phân tập đa người dùng đáng kể

Hình 1.17: Các phương pháp phân bổ các sóng mang con đa người sử dụng

1.3.4 Biểu diễn trong miền thời gian của tín hiệu SC-FDMA

Với IFDMA, LFDMA và DFDMA thì các phép toán trong hình 1.12 có thể được xem như là một phép toán tuyến tính trên chuỗi các ký hiệu điều chế

{x m m: =0,1, 2, ,M−1} Do đó, mỗi thành phần ở chuỗi đầu ra {y n n: =0,1, 2, ,N−1} là

một tổng theo trọng số của các thành phần chuỗi đầu vào, trong đó các trọng số là các số phức Trong trường hợp IFDMA, các trọng số đều bằng 0, ngoại trừ một thành phần đầu

ra Tập hợp các phép toán sẽ đơn giản hóa thành việc nhân mỗi ký hiệu đầu vào với một

số phức có biên độ đơn vị và lặp lại chuỗi đầu vào với đúng Q lần quay pha, với Q là hệ

1.3.4.1 Các ký hiệu trong miền thời gian của IFDMA

Với IFDMA, việc kết hợp hai khối DFT và IDFT ở máy phát như trong hình 1.11 và 1.12 sẽ được đơn giản hóa các phép toán xử lý tín hiệu bằng việc nhân mỗi ký hiệu đầu vào với một số phức có biên độ đơn vị và lặp lại chuỗi đầu vào với đúng Q lần quay pha, với Q là hệ số mở rộng băng tần Phép nhân này tương đương với việc quay pha mỗi ký hiệu điều chế phức của khối truyền dẫn Để kiểm tra điều này là đúng, ta chú ý đến hai tính chất của DFT và IDFT: (a) Các mẫu cách đều nhau một khoảng cách khác không trong một miền nào đó sẽ tương ứng với một chuỗi có chu kỳ trong một miền khác; và (b) dịch đi một khoảng r trong miền tần số tương ứng với một phép quay pha mỗi mẫu trong miền thời gian Việc quay pha được thực hiện bằng cách nhân mỗi mẫu với

exp 2j πrn N , với N là số điểm của biến đổi ngược, r là khoảng dịch trong miền tần số

và n là số mẫu đầu ra trong miền thời gian Phần dưới đây sẽ trình bày một cách chi tiết bằng toán học tính chất này Hình 1.18 minh họa cho ví dụ của ta với M =4 ký hiệu/khối,

12

N = sóng mang con và Q=3 thiết bị đầu cuối.

Cho một tín hiệu đầu vào, {Y l l: =0,1, ,N−1} là phổ của chuỗi SC-FDMA được

phát biểu thị một khối dữ liệu {x m m: =0,1, 2, ,M −1} Với IFDMA, phổ của M thành

phần

Hình 1.18: Sắp xếp các sóng mang con cho đa người dùng

cách đều nhau một khoảng cách khác 0, với các mẫu lân cận được phân cách bởi Q−1mẫu trong miền tần số Tín hiệu tương ứng trong miền thời gian { y n n: =0,1, 2, ,N−1} là

tuần hoàn với Q bản sao phân bố tại các thời điểm n=0,1, 2, ,M − =1( N Q−1) và quay

pha tương ứng bởi phép nhân với exp 2( j πrn N) Xét một tín hiệu đầu vào {x m m: =0,1, 2, ,M−1} chiếm các sóng mang con l=0, , 2 , ,(Q Q M −1).Q Tín hiệu được

phát tuần hoàn trong miền thời gian tương ứng với phổ của tín hiệu này có chuỗi

{x Q x Q0 , 1 , ,x M−1 Q} được lặp lại Q lần (góc quay là 0 radian) Bây giờ ta xét tín hiệu

từ một thiết bị đầu cuối khác {u m:m=0,1, 2, ,M −1} được điều chế ở tập sóng mang con

cách đều nhau tiếp theo n=1,Q+1, 2Q+1, , (M −1).Q+1 Phổ của tín hiệu này

{V l l: =0,1, 2, ,N−1} cũng giống với phổ Y l nhưng bị dịch di một sóng mang con Sự dịch này trong miền thời gian tương ứng với việc nhân thêm trong miền thời gian

= 

 nÕu kh¸c (1.6)với 0 ≤ ≤ −l N 1 và N Q M= Đặt n M q m= + (0≤ ≤ −q Q 1,0≤ ≤m M −1) thì:

Các ký hiệu trong miền thời gian cuối cùng { }y n là sự lặp lại các ký hiệu đầu vào

{ }x m với hệ số mở rộng là 1 Q trong miền thời gian như đã trình bày ở trên

Nếu việc phân bổ sóng mang con bắt đầu từ sóng mang con thứ r (0< ≤ −r Q 1) thì:

0,

l Q r l

= 

 nÕu kh¸c (1.8)Tương ứng với biểu thức (1.7), các ký hiệu trong miền thời gian { }y n có thể được viết lại như sau:

Như biểu thức (1.9), sẽ có thêm một lần quay pha là exp 2( j πrn N) để ký hiệu cho

sự sớm pha hơn khi việc phân bổ các sóng mang con bắt đầu từ sóng mang thứ r, bao

Hình 1.19: Sắp xếp các sóng mang con LFDMA cho đa người dùng

gồm cả sóng mang 0 Việc quay pha này cũng được đưa vào các mô hình sắp xếp các sóng mang con khác

1.3.4.2 Các ký hiệu trong miền thời gian của LFDMA

Hình 1.19 là ví dụ về mô hình sắp xếp các sóng mang con LFDMA Trong ví dụ này, các ký hiệu điều chế chiếm 12 sóng mang con { }Y l

Các mẫu trong miền thời gian của tín hiệu LFDMA được trình bày như trong phụ lục

A của [2]:

( mod )

1 2

2 0

m p q j

1.3.4.3 Các ký hiệu trong miền thời gian của DFDMA

Hình 1.20 là một mô hình sắp xếp các sóng mang con DFDMA Trong đó, các ký hiệu điều chế chiếm 12 sóng mang con { }Y l Các mẫu trong miền thời gian của tín hiệu DFDMA được trình bày như trong phụ lục A của [2]:

Hình 1.20: Sắp xếp các sóng mang con DFDMA cho đa người dùng

( )( mod ) (mod )

1 2

2 0

p Q

Qm p Qq j

Trong đó Q%(1≤ ≤Q Q% ) là hệ số trải thực Các mẫu trong miền thời gian của DFDMA

có cấu trúc giống như trong LFDMA

Hình 1.21: Các ký hiệu trong miền thời gian của các mô hình sắp xếp sóng mang con

1.3.4.4 So sánh các mô hình sắp xếp sóng mang con

Hình 1.21 chỉ ra các mẫu trong miền thời gian cho mỗi mô hình sắp xếp các sóng mang con trình bày trên đây Tín hiệu IFDMA tiếp tục duy trì các ký hiệu trong miền thời gian đầu vào tại mỗi mẫu trong khi LFDMA và DFDMA có các ký hiệu trong miền thời gian phức tạp do là tổng có trọng số phức của các ký hiệu đầu vào Điều này dẫn đến công suất đỉnh sẽ cao hơn với các tín hiệu LFDMA và DFDMA, ta sẽ phân tích chi tiết tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong phần mô phỏng ở chương 4

1.3.5 SC-FDMA và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)

Phần 1.2.2 đã trình bày mối qua hệ giữa truyền dẫn đơn sóng mang và OFDM cho truyền dẫn một tín hiệu chiếm toàn bộ độ rộng băng tần của hệ thống Có một mối liên hệ tương tự giữa OFDMA và SC-FDMA cho truyền dẫn một tín hiệu độc lập từ các thiết bị đầu cuối di động đến một trạm gốc Hình 1.11 đã chỉ ra các máy phát và máy thu SC-FDMA và OFDMA thực hiện nhiều chức năng xử lý tín hiệu chung Hai kỹ thuật này đều

 sử dụng một tiền tố tuần hoàn để tránh nhiễu xuyên khối.

Tuy nhiên, những sự khác biệt lại hướng đến hiệu năng Điểm khác nhau hiển nhiên

là OFDMA phát một tín hiệu đa sóng mang còn SC-FDMA phát một tín hiệu đơn sóng mang Do đó, SC-FDMA có công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA

Trong miền thời gian, khoảng thời gian của một ký hiệu được điều chế được mở rộng trong trường hợp của OFDMA Nếu có M ký hiệu trong một khối và N sóng mang con trải trên trên độ rộng băng tần của hệ thống, cả SC-FDMA và OFDMA đều có thể phát các tín hiệu từ Q N M= thiết bị đầu cuối đồng thời Hình 1.23 chỉ ra rằng nếu khoảng thời gian của các ký hiệu được điều chế là T(s), thì khoảng thời gian của ký hiệu OFDMA là M T× (s), ở đây M =4, N = 12 và Q=3 Sự mở rộng về mặt thời gian này sẽ làm giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), đây cũng là ưu điểm chính của OFDMA Ngược lại,SC-FDMA lại nén các ký hiệu được điều chế trong miền thời gian Khoảng thời gian của các ký hiệu SC-FDMA là T Q(s) như trong một hệ thống TDMA SC-FDMA sử dụng việc cân bằng trong miền tần số tại trạm gốc để triệt ISI

Hình 1.22 biểu diễn một khối gồm M =4 ký hiệu được điều chế có khoảng thời gian

là T(s) từ Q=3 thiết bị đầu cuối chiếm một độ rộng băng tần là B SourceHz Hình 1.23 biểu diễn tín hiệu OFDMA với N = 12 sóng mang con, mỗi sóng mang con có độ rộng

Hình 1.22: Biểu diễn về thời gian và băng tần các ký hiệu được điều chế từ các đầu cuối

Hình 1.23: OFDMA nén độ rộng băng tần truyền dẫn và mở rộng thời gian ký hiệu

Hình 1.24: SC-FDMA mở rộng băng tần truyền dẫn và nén thời gian ký hiệu

Hình 1.25: OFDMA và SC-FDMA; tách sóng và cân bằng

băng tần là B Source 4Hz Mỗi sóng mang con mang một ký hiệu được điều chế trong 4T

(s) Hình 1.24 biểu diễn một tín hiệu SC-FDMA theo mô hình IFDMA Ở đó, mỗi ký hiệu

được điều chế chiếm toàn bộ băng tần truyền dẫn B channel =3B SourceHz, tương ứng là khoảng

thời gian ký hiệu giảm xuống còn T 3(s)

Hình 1.25 chỉ ra việc OFDM thực hiện cân bằng và tách sóng riêng biệt cho mỗi sóng mang con Ngược lại, SC-FDMA thực hiên cân bằng trên toàn bộ độ rộng băng tần của kênh Sau đó, nó sử dụng IDFT để biến đổi tín hiệu từ một thiết bị đầu cuối sang miền thời gian trước khi đưa đến tách sóng các ký hiệu được điều chế IDFT thực hiện trước khi tách sóng là cần thiết vì ngoại trừ với IFDMA thì các tín hiệu được phát là tổng có trọng số của tất cả các ký hiệu trong một khối, như đã nói trong phần 1.3.4 IDFT lấy ra các ký hiệu ban đầu từ một tín hiệu phức tạp Vì SC-FDMA trải mỗi ký hiệu được điều chế trên toàn bộ băng tần truyền dẫn của kênh có hiệu quả, nó ít nhạy với fading chọn lọc tần số hơn OFDMA nên nó được dùng để phát các ký hiệu được điều chế trong các băng nhỏ hẹp

1.3.6 Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu SC-FDMA

1.3.6.1 Định nghĩa tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) là một số đo hiệu năng dùng

để chỉ hiệu quả sử dụng công suất tại máy phát Trong trường hợp một bộ khuếch đại công suất lý tưởng mà ta có thể đạt được khuếch đại tuyến tính tới gần điểm bão hòa, ta sẽ đạt được hiệu quả sử dụng công suất lớn nhất khi các bộ khuếch đại hoạt động tại điểm bão hòa Một giá trị dương của PAPR theo dB có nghĩa là ta cần lùi công suất để bộ khuếch đại công suất hoạt động ở vùng tuyến tính Ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa PAPR và hiệu suất sử dụng công suất như sau:

20 max 10

PAPR

η η= × − (1.12)

Với η là hiệu suất sử dụng công suất và ηmax là hiệu suất sử dụng công suất lớn nhất

Với bộ khuếch đại làm việc ở chế độ A thì ηmax là 50% và ở chế độ B là 78,5% Từ (1.12)

ta thấy rõ PAPR cao sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng công suất phát

1.3.6.2 PAPR của tín hiệu SC-FDMA

Ta sẽ phân tích PAPR của tín hiệu SC-FDMA cho mỗi chế độ sắp xếp các sóng mang con Để đưa ra biểu thức của PAPR, ta quay trở lại hình 1.12

Đặt x m m( =0,1, ,M −1) là các ký hiệu dữ liệu được điều chế, X k k( =0,1, ,M −1) là

các mẫu trong miền tần số sau khi thực hiện DFT x m m( =0,1, ,M −1), X l%l( =0,1, ,N−1)

là các mẫu trong miền tần số sau khi sắp xếp các sóng mang con và x n%n( =0,1, ,N−1) là các ký hiệu trong miền thời gian sau khi thực hiện IDFT X l%l( =0,1, ,N−1) Ta biểu diễn tín hiệu phát băng thông phức của SC-FDMA là x t( ) cho một khối dữ liệu như sau:

x t eω − x p t nT

=

= ∑% − % (1.13)Trong đó ωc là tần số sóng mang của hệ thống, p t( ) là xung băng tần cơ sở và T% là chu kỳ của ký hiệu được phát x% n Ta định nghĩa PAPR cho tín hiệu phát x t( ) như sau:

( )

2 0

2 0

max1

t NT NT

x t

x t PAPR

x t

x t dt NT

Nếu không định dạng xung, việc lấy mẫu ký hiệu sẽ cho cùng một giá trị PAPR như với trường hợp liên tục vì tín hiệu SC-FDMA được điều chế trên một sóng mang đơn Do

đó, ta có thể biểu diễn PAPR với trường hợp không định dạng xung như sau:

2 0,1, , 1 1 2 0

max1

n

n N N n n

x PAPR

x N

Trong chương này, ta đã trình bày về kỹ thuật SC-FDMA OFDM và SC/FDE là hai

kỹ thuật xử lý tín hiệu trong miền tần số khá giống nhau về các thành phần cấu trúc nhưng hoạt động lại khác nhau, SC/FDE có thêm các bộ cân bằng kênh ở phía thu Về mặt cấu trúc hệ thống, SC-FDMA khác với OFDMA là có thêm khối DFT ở phía phát và IDFT ở phía thu SC-FDMA có hai mô hình sắp xếp sóng mang con là FDMA cục bộ (L-FDMA) và FDMA phân tán (D-FDMA) với trường hợp đặc biệt là FDMA đan xen (IFDMA) Ưu điểm của SC-FDMA là có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn so với OFDMA Đây cũng là lý do chính để SC-FDMA được lựa chọn

là công nghệ đa truy nhập ở đường lên trong hệ thống 3GPP-LTE

CHƯƠNG 2 SC-FDMA TRONG 3GPP LTE

2.1 Giới thiệu chung

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) được chấp nhận bởi

dự án đối tác 3G (3GPP) [7] cho truyền dẫn đường lên trong công nghệ được chuẩn hóa cho sự phát triển dài hạn (LTE) của các hệ thống tế bào 3GPP phát hành các tiêu chuẩn cho các hệ thống tế bào được xây dựng dựa trên GSM là hệ thống tế bào thế hệ thứ hai đã được chấp nhận bởi hàng trăm các công ty đang hoạt động và được sử dụng bởi hàng tỷ người trên thế giới Thành công của thế hệ thứ ba so với GSM thường được nói đến là truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu (UTRA) và dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) cho truyền dẫn vô tuyến băng tần 5MHz Công nghệ LTE còn được gọi là UTRA tăng cường (E-UTRA) LTE sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ở đường xuống và SC-FDMA cho đường lên LTE chỉ định các độ rộng băng tần truyền dẫn trong khoảng từ 1,4MHz đến 20MHz Sự lựa chọn các công nghệ truyền dẫn này đặt các hoạt động phức tạp của việc cân bằng trong miền tần số (trong SC-FDMA) và các bộ khuếch đại công suất tuyến tính (trong OFDMA) được thực hiện tại trạm gốc Cả UTRA và E-UTRA đều được các nhập vào nhiều tiêu chuẩn mạng lõi mà ban đầu được lập lên cho GSM

Trong chương này, phần 2.2 sẽ trình bày khái quát về hệ thống 3GPP LTE Phần 2.3

sẽ đề cập đến lớp vật lý và các kênh ở giao diện vô tuyến của LTE Cấu trúc trong miền thời gian và tần số của đường lên sẽ được trình bày trong phần 2.4 bao gồm cấu trúc khe thời gian, khung và khối tài nguyên Phần 2.5 mô tả các bước xử lý kênh đường lên cơ sở

và cấu trúc của các tín hiệu tham chiếu (hoa tiêu) sẽ được nói đến trong phần 2.6

2.2 Khái quát về 3GPP LTE

2.2.1 Các thế hệ mạng thông tin di dộng

Các hệ thống thế hệ thứ nhất được giới thiệu vào đầu những năm 1980 được đặc trưng bởi truyền dẫn thoại tương tự Công nghệ thế hệ thứ hai được triển khai vào những năm 1990, truyền tải các tín hiệu thoại dưới khuôn dạng số Trước khi các hệ thống thế hệ thứ hai được thương mại hóa, các công nghệ hướng đến thế hệ thứ ba đã được chú ý với các mục tiêu nâng cao tốc độ dữ liệu, hiệu quả sử dụng phổ lớn hơn và bổ sung các dịch

vụ thông tin bên cạnh dịch vụ thoại Năm 1985, Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU) đã

khởi động các nghiên cứu về các hệ thống viễn thông mặt đất công cộng trong tương lai [7] Mười lăm năm sau, tiêu chuẩn IMT-2000 (Viễn thông di động quốc tế 2000), ITU đưa ra một tập các khuyến nghị chấp thuận năm công nghệ là nền tảng của các hệ thống truyền thông di động 3G Năm 2008, các công ty hoạt động trong lĩnh vực thông tin di động tế bào đã triển khai hai trong số những công nghệ đó, đó là đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA) và CDMA2000 Trong lúc ấy, nền công nghiệp viễn thông

đã chú ý đến các công nghệ trên 3G và coi SC-FDMA như là một ứng cử viên hàng đầu cho “sự phát triển dài hạn” (LTE) của truyền dẫn vô tuyến từ các thiết bị di động đến các trạm gốc

Trên khía cạnh công nghệ, các thế hệ mạng tế bào đã thành công đang hướng đến việc phát các tín hiệu trên các băng tần vô tuyến rộng và rộng hơn Các tín hiệu vô tuyến của các hệ thống thế hệ đầu tiên chiếm các độ rộng băng tần là 25 và 30KHz sử dụng các khuôn dạng điều chế không tương thích với nhau Hai hệ thống thế hệ thứ hai đã được triển khai rộng rãi là GSM và CDMA tương ứng chiếm các độ rộng băng tần là 200KHz

và 1,25MHz Các hệ thống WCDMA thế hệ thứ ba phát các tín hiệu trong độ rộng băng tần là 5MHz Với các hệ thống di động tế bào kế tiếp, OFDM và SC-FDMA là các công nghệ được chú ý ở dải băng tần là 20MHz

2.2.2 Các tiêu chuẩn chung

Các công nghệ được triển khai trong các hệ thống tế bào phải có những đặc điểm kỹ thuật tương thích với nhau, hay nói cách khác là có cùng những tiêu chuẩn kỹ thuật chung Mục đích của điều này là để đảm bảo rằng các phần tử của hai mạng khác nhau có thể cùng hoạt động một cách chính xác Ngoài hai thành phần là các thiết bị di động đầu cuối và các trạm gốc thì các phần tử giống nhau của các mạng bao gồm các trung tâm chuyển mạch di động, các bộ ghi định vị thường trú và tạm trú

Hình 2.1 chỉ ra các phần tử và giao diện mạng của một hệ thống 3G [8] Các phần tử được nhóm vào 4 nhóm chính được bao bởi các khối nét đứt Mạng lõi (CN) nằm ở phía trên của hình vẽ Dưới mạng lõi là mạng truy nhập vô tuyến với ba tập các phần tử; một

hệ thống trạm gốc (BSS) trao đổi các tín hiệu vô tuyến với các trạm di động (MS) để truyền các dịch vụ chuyển mạch kênh và một hệ thống mạng vô tuyến (PNS) tương ứng troa đổi các tín hiệu vô tuyến với các MS để truyền các dịch vụ chuyển mạch gói Có loại giao diện vô tuyến là giao diện Um được dùng cho các dịch vụ chuyển mạch kênh mang các tín hiệu giữa các trạm di động với các trạm phát đáp gốc (BTS) và giao diện Uu được