Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC FDMA dùng trong công nghệ di động LTE 4g

Theo chu kỳ phát triển của mạng di dộng thì mạng di động thế hệ thứ 4 đã ra đời. Với mục tiêu làm sao để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng không dây, từ khoảng năm 2009 các nhà mạng lớn trên thế giới đã triển khai xây dựng hệ thống thử nghiệm rồi tiến hành thương mại hóa và đó là 4G (4th Generation – Thế hệ di động thứ 4).Xuất phát từ sự tò mò, mong muốn tìm hiểu về thế hệ di động thứ 4 mới mẻ này em đã quyết định chọn LTE4G để tìm hiểu với tên đề tài là “ Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SCFDMA trong công nghệ di động LTE4G“ . Mục đích hướng đến ở đề tài này là tìm hiểu, phân tích về 2 kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE4G qua đó đánh giá về khả năng phát triển của LTE4G cũng như 4G trong tương lai.Nội dung đồ án gồm 4 chương :Chương 1: Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE4G.Trong chương này sẽ giới thiệu các công nghệ di động trong lịch sử từ GSM 2G đến CDMA 3G và cuối cùng là LTE4G hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE4GỞ chương 2 sẽ tìm hiểu kỹ về 2 kỹ thuật trong công nghệ LTE4G đó là OFDMA và SCFDMA.Chương 3: So sánh kỹ thuật OFDMA và SCFDMA, đánh giá PAPR trong truyền dẫn OFDMA và SCFDMATrong chương này sẽ đánh giá ưu nhược điểm của từng kỹ thuật và đưa ra sự lựa chọn hợp lý cho đường lên và đường xuống. Nguyên nhân cần giảm PAPR trong thực tế.Chương 4 : Mô phỏng PAPR trong hệ thống LTE4G Ở chương này sẽ thực hiện mô phỏng PAPR và ý nghĩa của nó, từ đó khẳng định lại việc chọn lựa 2 kỹ thuật dùng trong tuyến xuống và tuyến lên là phù hợp.

LỜI CAM ĐOAN -

Tôi xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu và so sánh hai

kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA dùng trong công nghệ di động LTE-4G “ do tôi

thực hiện, không phải là bản sao của bất kỳ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Đồ án này là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướngdẫn

MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT……… 4

CÁC TỪ VIẾT TẮT

3G - Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

3 GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3

4G – 4th Generation Thế hệ thứ 4

A

AS - Access Slot Khe truy nhập

B

BER - Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BCH - Broadcast Channel Kênh quảng bá

BMC - Broadcast/Multicast Control Điều khiển quảng bá / đa phương

BS - Base Station Trạm gốc

BSC - Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS - Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CDMA - Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CN - Core Network Mạng lõi

D

DC - Delicated Control Điều khiển riêng

DCH - Delicated Channel Kênh riêng

F

FER - Frame Error Rate Tỷ số khung lỗi

FDD - Fequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số

FDMA - Frequency Division Đa truy cập phân chia theo Multiple Access tần số

G

GPRS - General Packet Radio Service Dịch vụ chuyển mạch gói vô tuyến

GoS - Grade of Service Cấp độ phục vụ

GSM - Global System of Mobile Hệ thống thông tin di động Communication toàn cầu

H

HC - Handover Control Điều khiển chuyển giao

HDLA - History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc

HLR - Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

I

IMT-2000 - International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu 2000

ISDN - Integated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ

ITU - International Telecomunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

L

LC - Load Control Điều khiển tải

M

MAC - Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

ME - Mobile Equipment Thiết bị nhận dạng thuê bao

MM - Mobility Management Quản lý di động

MSC - Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di dộng

QI - Quality Indicator Chỉ số chất lượng

QoS - Quality of Service Chất lượng dịch vụ

không dây, từ khoảng năm 2009 các nhà mạng lớn trên thế giới đã triển khai xây dựng hệ thống thử nghiệm rồi tiến hành thương mại hóa và đó là 4G (4th Generation– Thế hệ di động thứ 4).

Xuất phát từ sự tò mò, mong muốn tìm hiểu về thế hệ di động thứ 4 mới mẻ

này em đã quyết định chọn LTE-4G để tìm hiểu với tên đề tài là “ Nghiên cứu và so sánh hai kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA trong công nghệ di động LTE-4G“

Mục đích hướng đến ở đề tài này là tìm hiểu, phân tích về 2 kỹ thuật nổi bậtđược sử dụng trong LTE-4G qua đó đánh giá về khả năng phát triển của LTE-4Gcũng như 4G trong tương lai

Nội dung đồ án gồm 4 chương :

Chương 1: Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về LTE-4G.

Trong chương này sẽ giới thiệu các công nghệ di động trong lịch sử từGSM 2G đến CDMA 3G và cuối cùng là LTE-4G hiện nay đang được ứng dụngrộng rãi trong thực tế

Chương 2 : Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong 4G

LTE-Ở chương 2 sẽ tìm hiểu kỹ về 2 kỹ thuật trong công nghệ LTE-4G đó làOFDMA và SC-FDMA

Chương 3: So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA, đánh giá PAPR trong truyền dẫn OFDMA và SC-FDMA

Trong chương này sẽ đánh giá ưu nhược điểm của từng kỹ thuật và đưa ra sựlựa chọn hợp lý cho đường lên và đường xuống Nguyên nhân cần giảm PAPRtrong thực tế

Chương 4 : Mô phỏng PAPR trong hệ thống LTE-4G

Ở chương này sẽ thực hiện mô phỏng PAPR và ý nghĩa của nó, từ đó khẳngđịnh lại việc chọn lựa 2 kỹ thuật dùng trong tuyến xuống và tuyến lên là phù hợp

Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song thời gian làm đồ

án có hạn, vấn đề mới nên không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sựgóp ý của quý thầy cô Qua đây, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn VănCường đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-4G

1.1 Giới thiệu chương

Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn lànhu cầu cần thiết và đóng một vai trò quan trọng trong đời sống xã hội Để đáp ứngnhu cầu này, khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin đã đưa ra nhiều hình thứcliên lạc ngày càng tiện nghi hơn, chất lượng tốt hơn Các công nghệ di động lần lượt

ra đời với mục đích nâng cao hơn nữa chất lượng và giá thành dịch vụ như tốc độ,khả năng kết nối, liên kết, khả năng bảo mật, dung lượng truyền… Do vậy lần lượtxuất hiện các kỹ thuật như 1G 2G 3G 4G Các kỹ thuật này khác nhau cũng chỉ làkhác ở chỗ công nghệ mà kỹ thuật đó sử dụng

Ở nước ta, thông tin di động xuất hiện vào năm 1992 với khoảng trên dưới

5000 thuê bao Cùng với sự ra đời của Mobifone năm 1993 liên doanh giữa bưuchính viễn thông VNPT và tập đoàn COMVIK (Thuỵ Điển ) Tiếp theo là sự ra đờicủa Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm

1996 Năm 2002, công ty viễn thông của Hàn Quốc cũng đầu tư Sfone vào nước ta.Tháng 6/2004 công ty viễn thông quân đội Viettel ra đời Sự cạnh tranh của các nhàmạng đã góp phần ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ và giá thành sản phẩm ởnước ta

Trong chương này sẽ giới thiệu lịch sử của các mạng thông tin di động từ1G đến 4G và tổng quan về hệ thống LTE 4G

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin di động

Hình 1.1 Các hệ thống thông tin di động

1.2.1 Thế hệ 1G (First Generation)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân

số FDM để truyền thông tin qua sóng vô tuyến Nhược điểm của các hệ thống này làchất lượng thấp, bảo mật thấp vùng phủ sóng hẹp, dịch vụ đơn thuần là thoại và dung lượngnhỏ Các hệ thống điển hình của kỹ thuật này như:

- NMT (Nordic Mobile Telephone): sử dụng băng tần 450Mhz triển khai tại các nướcBắc Âu vào năm 1981

- TACS (Total Access Communication System): của Anh vào năm 1985

- AMPS (Advance Mobile Phone System): sử dụng băng tần 800MHz tại Bắc Mỹ năm1978

1.2.2 Thế hệ 2G (Second Generation)

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng chuyển mạch số, dùng kỹthuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM Các hệ thống này có nhiều ưu điểmhơn so với hệ thống 1G như sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, chất lượngthoại tốt, hỗ trợ các dịch vụ số liệu, đảm bảo an toàn thông tin, cho phép chuyểnmạng quốc tế Công nghệ 2G được sử dụng ở hầu hết trên thế giới hiện nay Trong

thời gian sắp tới, công nghệ 2G vân tiếp tục được sử dụng trước khi bị 3G thay thếhoàn toàn Các hệ thống điển hình của kỹ thuật 2G như:

- GSM (Global System for Mobile Phone) sử dụng phương thức truy cậpTDMA tại châu Âu

- D-AMPS (IS-136-Digital Advance Mobile Phone System) sử dụng phươngthức truy cập TDMA được triển khai tại Mỹ

- IS-95 (CDMA One) sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khaitại Mỹ và Hàn Quốc

- PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng phương thức truy cập TDMAđược triển khai tại Nhật Bản

1.2.3 Thế hệ 3G (Third Generation)

Công nghệ chuẩn di động thế hệ thứ 3 này mang lại rất nhiều lợi ích so vớicác thế hệ trước, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại như email, dữ liệu,hình ảnh…với tốc độ cao cho cả thuê bao cố định và di động ở tốc độ khác nhau,tăng hiệu quả sự dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Hệ thống 3G cung cấp cảchuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Một số kỹ thuật dùng trong công nghệ 3G(tất cả đều dựa trên CDMA) bao gồm: UMTS, CDMA2000 và TD-SCDMA

- UMTS: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA Kỹ thuật này được đa sốcác nhà cung cấp dịch vụ mạng chọn lựa để đi lên 3G Tốc độ truyền tải tối đa là1920Kbps nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ gần 384Kbps Do vậy, nhằm cải tiếntốc độ của 3G, 2 kỹ thuật ra đời đó là HSUPA và HSDPA gọi chung là HSPA haycòn gọi là công nghệ 3,5G

+ HSDPA: Tăng tốc độ downlink lên 14,4Mbps theo lý thuyết nhưngthực tế chỉ đạt 1,8Mbps

+ HSUPA: Tăng tốc độ uplink lên đến 5,8Mbps theo lý thuyết và tăngQoS

- CDMA2000: Bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio TransmissionTechnology), CDMA2000 (Evolution -Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV(Evolution -Data and Voice)

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

+ CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận là một công nghệ 3G.Tốc độ có thể đạt đến 307Kbps

+ CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt

và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho downlink và 153Kbps cho uplink

- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China CommunicationsStandards TD-SCDMA dùng song công TDD TD-SCDMA có thể hoạt động trênmột dãi tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps)

1.2.4 Thế hệ 4G

Khi nhìn vào tương lai, nhất là với nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụngdịch vụ thông tin di dộng thì 3G sẽ dần không đủ sức đáp ứng các yêu cầu sử dụngnhư:

- Nội dung đa phương tiện: Trước đây, nội dung web chỉ là văn bản nhưnggiờ đây, nội dung đồ hoạ ngày càng trở nên phổ biến Một hình ảnh hay một video

có thể mang lại trải nghiệm gấp nhiều lần so với việc đọc văn bản nhưng đồng thời

nó cũng tăng dung lượng dữ liệu cần truyền trên mỗi trang web Nhu cầu tải xuốnghình ảnh, phim phổ biến hơn bao giờ hết đã đặt ra một yêu cầu lớn hơn nữa trongviệc tăng băng thông hệ thống

- Các mạng xã hội: Trước đây các blog chỉ dùng chia sẻ ý tưởng nên dướidạng vản bản là chủ yếu Ngày nay, các trang mạng xã hội đã dần định hình lại việc

sử dụng internet, con người không chỉ tiêu thụ nội dung mà còn chia sẻ ý tưởng,hình ảnh, phim ảnh của họ với người khác

- Dịch vụ voice IP: Thế giới thoại trên đường dây cố dịnh ngày càng mất dầnthị hiếu người dùng do tính cố định, ngày nay các phương thức thoại trên nền tảng

IP có thể thực hiện được qua các mạng DSL hay TV cáp

- Sự cạnh tranh thay thế đường dây cố định: Các nhà cung cấp dịch vụ thoại

cố định có doanh thu ngày càng giảm do cước thuê bao ngày cảng giảm trong khi sốlượng thông thoại ngày một cao Do đó các nhà cung cấp đưa ra các dịch vụ để dữchân người dùng như TV cáp, truy cập internet cho PC thông qua dây thoại Vậynên muốn cạnh tranh, họ phải tăng băng thông trên mạng của mình

- Với các nhu cầu cấp thiết như trên, LTE-4G đã ra đời.

Sự phát triển của LTE 4G thể hiện như bảng dưới

Hình 1.2 Sự phát triển của LTE Advance/IMT Advance

Một số đặc điểm của LTE-4G:

- Tốc độ dữ liệu đỉnh: 1 Gbps cho đường xuống và 500 Mbps cho đường lên

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

Tại Việt Nam theo dự đoán của giới truyền thông thì phải tới năm 2018 thế

hệ di động thứ 4 mới được triển khai, cung cấp dịch vụ

Hình 1.3 Tốc độ bit và sự phát triển di động đến IMT-Advanced

1.3 Tổng quan về Long Term Evolution ( LTE-4G) :

1.3.1 Giới thiệu chung:

Dựa trên tiền đề là LTE, 3GPP đã đưa ra công nghệ LTE-4G tập trung vàodung lượng, tốc độ bít cao hơn và hạ giá thành sản phẩm Do vậy ITU đã công nhậnLTE-4G đạt tiêu chuẩn 4G Với khả năng hoàn toàn có thể tương thích với các thế

hệ trước cùng với sự ủng hộ của các nhà khai thác mạng trên thế giới, LTE-4G đãnhanh chóng chiếm ưu thế trong việc mở rộng quy mô mạng hiện nay

Đặc điểm của LTE-4G:

- Tăng tốc độ dữ liệu DL 3 Gbps, UL 1.5 Gbps

- Hiệu quả sử dụng phổ cao hơn 16bps/Hz in R8 to 30 bps/Hz in R10

- Tăng số lượng thuê bao sử dụng đồng thời

1.3.2 Yêu cầu thiết kế của LTE-4G :

1.3.2.1 Các thông số chính của LTE-4G yêu cầu:

3 Hiệu quả phổ (peak) Lên tới 100MHz

4 Thời gian chờ < 50ms khi chuyển từ trạng thái

rỗi sang trạng thái kết nối

Và < 5ms cho mỗi chuyển mạch

gói riêng lẻ

5 Hiệu suất phổ downlink (peak) 30bps/Hz (8X8)

6 Hiệu suất phổ uplink (peak) 15bps/Hz (4X4)

7 Hiệu suất phổ downlink trung bình 2.6 bps/Hz (4X2)

8 Hiệu suất phổ uplink trung bình 2.0 bps/Hz (2X4)

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

thông báo QoS khác nhau

- GW: tất cả các gói IP người dùng được chuyển đi thông qua GW,

S-GW như một trạm di động địa phương cung cấp các thông báo dữ liệu khi UE dichuyển giữa các eNodeB Nó cũng giữ lại thông tin về các thông báo khi UE trongtình trạng rỗi và làm bộ đệm tạm thời cho dữ liệu hướng xuống trong khi MME bắtđầu nhắn tin thông báo thiết lập lại đến UE Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện cácchức năng điều khiển trong mạng khách như là thu thập thông tin để tính cước (ví

dụ như lưu lượng dữ liệu gửi và nhận từ người dùng) Nó cũng cung cấp các trạm diđộng để kết nối liên mạng với các kĩ thuật khác của 3GPP như GPRS và UMTS

- PCRF: chịu trách nhiệm việc điều khiển chính sách ra quyết định cũng nhưđiều khiển các thực thể trong PCEF (Policy Control Enforcement Function) thườngtrú trong P-GW PCRF cấp phép cho QoS quyết định cách thức một dòng dữ liệuhoạt động trong PCEF và đảm bảo phù hợp thuê bao người dùng

- MME: điều khiển các Node xử lí tín hiệu giữa UE và CN Giao thức giữa

UE và CN là Non-Access Stratum (NAS)

- Chức năng chính của MME: cung cấp chức năng điều khiển phẳng cho tínhlưu động giữa LTE-4G và mạng truy nhập 2G/3G Trạng thái UE rỗi theo dõi khảnăng liên lạc (bao gồm điều kiển và thực hiện các chuyển tiếp tìm gọi)

- Theo dõi quản lý danh sách vùng Kiểm tra tính xác thực của UE đến trạmtrên dịch vụ của nhà cung cấp PLMN và giám sát việc thi hành sự giới hạnRoaming cho UE

- Lựa chọn GW (sự lựa chọn Serving GW và PDN GW) Lựa chọn MMEcho Handover khi thay đổi MME Lựa chọn SGSN cho Handover tới các mạng 2G,3G,3GPP

Nó chịu trách nhiệm chứng thực các user (bằng cách tương tác với HSS HomeSubscriber Service) MME là điểm cuối cùng trong mạng để thực hiện việc dịchmật mã, bảo vệ toàn diện cho báo hiệu NAS và vận hành quản lý khoá bảo mật

- eNodeB (eNB): Là một trạm gốc BTS được tăng cường giao diện LTE-4G

và chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

1.3.3 Các kỹ thuật nổi bật được sử dụng trong LTE-4G :

- Kỹ thuật đa truy cập phân tần trực giao: (Orthogonal frequency-divisionmultiple access OFDMA): Đây là một biến thể của kỹ thuật OFDM được ứng dụngtrong truy cập downlink với ưu điểm và lưu lượng cao và cung cấp đồng thời nhiềuUser

- Kỹ thuật đa truy cập phân chia tần số sóng mang đơn : (Single CarrierFrequency Division Multiple Access - SC-FDMA ): Đây là kỹ thuật được ứng dụngcho truy cập uplink nhằm giảm thiểu PAPR và tiết kiệm năng lượng cho các UE

- Kỹ thuật MIMO tiên tiến (Multi Input - Multi Output Advanced )

- Tăng cường truyền dẫn nhiều anten (Enhanced Multi-antennaTransmission)

1.3.3.1 Giới thiệu về OFDMA

- Kỹ thuật này được xem là phiên bản triển khai đa người dùng của OFDM.Cách thức đa truy cập đạt được trong OFDMA là nhờ việc phân bổ nhiều sóngmang con cho từng người dùng riêng biệt Kỹ thuật này được phát minh ra rất sớm,tuy nhiên do bị giới hạn về công nghệ phần cứng cho nên đến thế hệ tiền 4G mớiđược sử dụng

- Ưu điểm như: Sử dụng phổ hiệu quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đađường (ISI), khả năng chống fading lựa chọn tần số Cho phép truyền dữ liệu tốc độcao trên nhiều sóng mang tần số thấp, hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

- Nhược điểm: OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler, một sai lệchnhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Các sóng mang phụchỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Tỷ số côngsuất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

1.3.3.2 Giới thiệu về SC-FDMA

Trong thực tế, các thiết bị đầu cuối bị giới hạn về công suất nên không thể sửdụng được OFDMA và chỉ số PAPR cao Do vậy, kỹ thuật sóng SC-FDMA sử dụngtrong tuyến xuống nhằm hạ PAPR cùng với việc tiêu thụ ít năng lượng trên các thiết

bị đầu cuối

Chương 1: Tổng quan các hệ thống thông tin di động và LTE-4G

1.4 Tổng kết chương

Trong chương thứ nhất này đã trình bày lịch sử phát triển của ngành thôngtin di động từ 1G đến 4G và giới thiệu sơ lược về công nghệ LTE-4G Đây là mộtcông nghệ mới và có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ trước, xứngđáng là công nghệ dẫn đầu trong nền thông tin di động tương lai Qua đó, đã giớithiệu sơ lược về các kỹ thuật dùng trong LTE-4G

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG VÀ ĐƯỜNG

LÊN TRONG LTE-4G 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ đi sâu vào hai kỹ thuật là OFDMA và SC-FDMA đượcdùng trong LTE-4G Hai kỹ thuật này lần lượt sẽ được dùng trong đường xuống vàđường lên, lý do chọn lựa OFDMA cho đường xuống, SC-FDMA cho đường lên.Nội dung chương sẽ trình bày, phân tích cách thức hoạt động cũng như ưu nhượcđiểm từng kỹ thuật và ứng dụng kỹ thuật này vào trong LTE-4G

2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống

2.2.1Giới thiệu chung về OFDMA

Kỹ thuật OFDMA thực chất là một biến thể của kỹ thuật OFDM OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là đa truy cập phân chia theo tần

số trực giao OFDMA như là một kế hoạch ghép kênh người dùng, nghĩa là mỗikhoảng thời gian symbol OFDMA, những nhóm nhỏ khác nhau của toàn bộ nhómsóng mang có thể dùng được sử dụng để truyền cho nhiều đầu cuối di động khácnhau Tức là thay vì dùng một kênh để truyền tải thông tin thì OFDMA dùng nhiềusóng mang con trực giao để truyền song song Vì vậy tín hiệu được chia thành nhiềuluồng tốc độ thấp hơn, mỗi luồng tương ứng cho một sóng mang con

Hình 2.1 Các sóng mang con trực giao trong miền tần số

OFDMA là phương thức truyền đa truy cập Trong một khe thời gian, có thểtruyền nhiều sóng mang con phục vụ cho nhiều users khác nhau, mỗi user sẽ dùngmột hoặc nhiều sóng mang con trong chùm sóng mang con đó, do vậy sẽ có tín hiệu

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

điều khiển để thông báo cho các UE biết cần thu bộ phận nào và bỏ qua bộ phậnnào

Nhờ chia nhỏ khối lượng thông tin nên tốc độ trên mỗi kênh con thấp hơnnhiều so với tốc độ trên đường tổng cộng, do vậy có thể tránh được hiện tượngnhiễu đa đường (multipath fading) trong thực tế

2.2.1.1 Sơ đồ và chức năng các khối :

Hình 2.2 Mô hình hệ thống OFDMA

Hình 2.3 Chèn CP tại bộ IFT và phát đi

- Khối S/P : Series to parallet sẽ chuyển đổi chuỗi bit vào nối tiếp thành songsong, mục đích là để chia nhỏ luồng dữ liệu

- Khối Modulation : Khối này điều chế dữ liệu vào thành các giá trị phức ởđầu ra Có thể sử dụng kiểu điều chế QAM hoặc QPSK

- Bộ IFFT : Chuyển đổi tín hiệu sang miền thời gian

- Khối chèn khoảng bảo vệ (Add cyclic prefix): Do trong thực tế, tín hiệu

truyền đi có thể phản xạ qua nhiều vật cản trong không gian sẽ tạo ra nhiều phiênbản tương tự nhau với độ trê khác nhau Khối này sẽ tạo ra khoảng bảo vệ bằngcách cắt đoạn cuối của symbol trước dán vào phần đầu của symbol tiếp theo

- Khối P/S : Khối này chuyển các tín hiệu đầu ra bộ IFFT từ song song sangnối tiếp

- Khối DAC : Khối này chuyển tín hiệu số thành tương tự để tạo thành tínhiệu liên tục với đường bao như hình dưới

- Bộ khuếch đại : Khuêch đại tín hiệu lên tần số cao để truyền đi trong khônggian

Hình 2.4 Hình bao biễu tín hiệu OFDMA

2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA

- Đầu tiên chuỗi bit vào sẽ được chia nhỏ ra thành từng đoạn nhỏ nhờ bộchuyển đổi nối tiếp sang song song Tiếp theo, bộ điều chế sẽ tiến hành điều chếtừng đoạn bit đã cắt bằng QAM hoặc QPSK thành tín hiệu phức có dạng a+bi

- Như vậy từng tín hiệu phức a1+b1i, a2+b2i, a3+b3i, …., an+bni sẽ được đưavào khối IFFT chuyển đổi sang miền thời gian theo công thức sau:

Với k = 0, 1, 2, …., N-1 [1]

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Hình 2.5 Mô tả truyền dữ liệu giữa các khối trong OFDMA

- Như vậy, đầu ra bộ IFFT sẽ là tín hiệu rời rạc theo thời gian Ak

[1]

- Tín hiệu y(n) này sẽ được chèn khoảng bảo vệ CP để tăng khoảng cách antoàn và đưa vào bộ DAC để lấy biên tín hiệu tạo thành tín hiệu liên tục theo thờigian

[1]

- Tất cả các quá trình trên được thực hiện trên băng gốc (sau khi điều chếQAM hoặc PSK) tuy nhiên khi truyền trong thực tế cần truyền ở tần số cao Do vậytín hiệu sẽ được điều chế và khuếch đại trước khi truyền đi

- Tại đầu thu thực hiện ngược lại, tín hiệu được hạ tầng rồi biến đổi sang tínhiệu số rời rạc nhờ bộ ADC Sau khi loại bỏ CP tín hiệu tiếp tục đưa vào bộ FFT đểchuyển lại sang miền tần số gồm cả thông tin về biên độ và pha để phục vụ cho việcgiải điều chế Sau giải điều chế, chuỗi bit sẽ được chuyển song song sang nối tiếpnhờ bộ P/S tạo thành chuỗi bit ban đầu

2.2.2 Các đặc trưng của kỹ thuật OFDMA

2.2.2.1 Sử dụng FFT/IFFT

Kỹ thuật OFDMA trong thực tế đã được phát minh từ rất sớm, khoảng thậpniên 70 nhưng do giới hạn về phân cứng nên chưa được triển khai Theo lý thuyếtthì kỹ thuật này chia nhỏ luồng dữ liệu thành nhiều chuỗi ngắn hơn và được truyển

đi nhờ vô số sóng mang con trực giao Lúc này, từng chuỗi bit sau khi được điềuchế QAM hoặc PSK sẽ được nhân với sóng mang con, các chuỗi bit sau khi đượcnhân với sóng mang sẽ qua bộ cộng lại thành tín hiệu tổng rồi truyền đi

Rõ ràng với cách làm này thì số lượng các bộ điều chế sóng sẽ rất lớn khôngkhả thi trong thực tế Nhờ có sự phát triển của DSP hiện nay, người ta đã áp dụngthuật toán IDFT/DFT đóng vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế

Công thức biến đổi DFT

Với k = 0, 1, 2, …., N-1 [1]

Để giảm thiểu thời gian tính toán DFT, thuật toán FFT ra đời nhằm giúp việctính toán DFT nhanh gọn hơn Vì thời gian tính toán chủ yếu là thời gian thực hiệnphép nhân phức nên chỉ cần giảm số lượng phép nhân, và giải pháp là sử dụng thuậttoán FFT

Ta có tín hiệu qua bộ điều chế sẽ có dạng phức trong miền tần số, có thể biểudiễn tín hiệu theo đồ thị tần số biên độ Bộ IFFT biến đổi đầu vào sang miền thờigian và chuyển song song sang nối tiếp Như vậy, bộ IFFT đã làm công việc nhântừng chuỗi tín hiệu vào sóng mang rồi tổng hợp lại giống như từng phần cứng riêngbiệt theo nguyên tắc của OFDMA

Đầu thu thực hiện tương tự, bộ FFT sẽ chuyển đổi tín hiệu từ miền thời giansang tần số, có thể biểu diễn theo biểu đồ tần số biên độ như lúc ở máy phát Ứngvới từng sóng mang con, bộ detect sẽ suy ra được các bit ban đầu

2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu

Tín hiệu được truyền đi trong môi trường có nhiều vật cản nên sẽ xảy rahiện tượng phản xạ lên các vật thể tạo ra nhiều phiên bản của tín hiệu với độ trễkhác nhau Do đó, các tín hiệu đến sau sẽ gây ảnh hưởng lên các tín hiệu đến trước.Hiện tượng này gọi là nhiễu liên ký tự ISI (inter symbol interfere)

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Hình 2.6 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền

Vì sự phản xạ trên đường truyền này nên các tia phản xạ sẽ đi quãng đường dài hơn tia truyền trực tiếp Tại đầu thu, tín hiệu phản xạ này sẽ đến sau các tín hiệutruyền trực tiếp gây nên hiện tượng chồng lấn trong vùng ISI

Độ trễ được tính theo công thức: [2]

Vì khoảng thời gian truyền của một mẫu tín hiệu rất nhỏ nên chỉ cần một sự sai lệch nhỏ về khoảng thời gian trễ sẽ gây ra sai lệch thông tin

Hình 2.7 Ảnh hưởng của ISI

Để hạn chế nhiễu liên ký tự này, người ta chèn thêm một khoảng bảo vệ giữacác mẫu tín hiệu để đảm bảo tín hiệu không bị chồng lấn lên nhau bằng cách dời tínhiệu tiếp theo ra xa tín hiệu trước nó một khoảng trễ Việc làm này giúp an toànthông tin tuy nhiên lại làm cho thông tin truyền không được liên tục vì ta không thểchèn một khoảng trống vào đó (để chèn khoảng trống chỉ có thể tắt hệ thống truyền,

điều này không tốt cho bộ khuếch đại) Do vậy người ta chèn khoảng bảo vệ bằngcách cắt đi những bit cuối của tín hiệu sau dán vào đầu của nó.

Hình 2.8 Khoảng bảo vệ CP được chèn vào giữa 2 symbol

- Lý do chèn khoảng bảo vệ bằng cách này vì nó đem lại nhiều ưu điểm

+ Giúp hệ thống liên tục, không ảnh hưởng bộ khuếch đại+ Việc so khớp phần cuối của mẫu với phần đầu của nó (phần đầu làphần CP được thêm) giúp hệ thống dễ dàng nhận biết được điểm bắt đầu vàkết thúc của một mẫu tín hiệu

- Tuy nhiên việc chèn CP cũng có thể gây tốn dung lượng đường truyền, tacần tính toán chọn độ dài CP cho hợp lý để không làm giảm hiệu suất hệ thốngnhưng CP cũng phải đủ dài để loại bỏ được ISI (4,7~16,7)

- Ở phía máy thu, CP sẽ được loại bỏ trước khi giải điều chế

2.2.2.3 Ưu nhược điểm của điều chế QAM và PSK trong OFDMA

PSK(Phase Shift Keying): Là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng tần gốc

Hình 2.9 Biểu đồ vector

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Ưu điểm: Điều chế PSK có độ thay đổi biên độ bằng 0 cho nên khuếch đại trước khi truyền

dễ dàng, thích hợp truyền trong môi trường không yêu cầu công suất cao như thông tin di động

Nhược điểm: Khi số lương bit truyền trên mỗi mẫu lớn thì ta cần chia biểu đồ vector thành nhiều điểm làm cho khoảng cách giữa các điểm nhỏ dễ gây nhiễu Cho nên để đảm bảo an toàn thông tin thì cần áp dụng các thuật toán mã hoá hoặc tăng công suất truyền.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Là phương thức điều chế kết hợpgiữa điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK Trong phương thức điều chế này,

ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha 1 góc 90 độ Tín hiệu tổng của 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừađiều pha

Hình 2.10 Biểu đồ không gian tín hiệu

Ưu điểm: Tuỳ vào số lượng bit điều chế, có nhiều biểu đồ không gian tínhiệu 4 điểm, 16 điểm … Nên khoảng cách hình học lớn, ít bị can nhiễu so với điềuchế PSK

Nhược điểm: Do có biên độ thay đổi nên cần công suất truyền lớn Mà khicông suất truyền lớn sẽ gây ra PAPR lớn Thực tế tín hiệu được điểu chế rất nhiềuđiểm trên mặt phẳng vector nên tốc độ truyền bằng QAM sẽ rất lớn

2.3 Kỹ thuật đa truy cập đường lên

2.3.1 Giới Thiệu về SC-FDMA

Trong khi tuyến xuống người ta dùng kỹ thuật OFDMA thể hiện được nhiều

ưu điểm như tăng băng thông hệ thống, hiệu quả sử dụng phổ tăng, giảm fading lựachọn tần số… thì nó lại làm cho chỉ số PAPR lớn Khi chỉ số PAPR lớn thì yêu cầu

hệ thống phải phát ở công suất lớn và bộ khuếch đại phải làm việc tuyến tính trên

tất cả các vùng khuếch đại Điều này làm tăng giá cả hệ thống và khó khăn trongthực tế do các thiết bị đầu cuối vốn không dồi dào về năng lượng, nhất là với cácthuê bao di động Do vậy, để hạn chế nhược điểm trên, kỹ thuật SC FDMA (SingleCarrier Frequency Division Multiple Access - đa truy cập phân chia tần số sóngmang đơn ) đã được đề xuất dùng cho đa truy cập đường lên.

2.3.2 Phương Thức Truyền SC-FDMA

2.3.2.1 Cấu Trúc Hệ Thống

Kỹ thuật SC FDMA tương tự như kỹ thuật OFDMA, có đều trong SCFDMA dùng sóng mang đơn để điều chế và giai đoạn đính kèm sóng mang đượcthực hiện trong miền tần số nên sẽ có thêm bộ DFT trước khối ánh xạ sóng mangcon

Hình 2.11 Mô hình hệ thống SC-FDMA sử dụng cho đường lên

2.3.2.1.1 Các khối chức năng trong hệ thống SC-FDMA

- Khối S/P: Chuyển tín hiệu đầu vào thành từng cụm song song đưa vào từng

khối để chuẩn bị biến đổ Fourier.

- Khối DFT: Thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào sang miền tần sốtrước khi thực hiện ánh xạ sóng mang con

- Khối Subcarrier Mapping: Ánh xạ sóng mang con vào các mẫu tại đầu racủa khối DFT để truyền đi Có 2 kiểu ánh xạ sóng mang con: Kiểu Localized hoặc

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Distributed

- Khối IDFT: Thực hiện biến đổi tín hiệu sang miền thời gian

- Khối Add CP: Thêm vào các khoảng bảo vệ để chống nhiễu liên ký tự ISI

- Khối DAC/RF: Chuyển tín hiệu rời rạc thành liên tục và khuếch đại đểtruyền trong không gian

2.3.2.1.2 Đường đi của tín hiệu qua các khối trong SC-FDMA

Hình 2.12 Đường đi của dữ liệu trong SC-FDMA

- Trước tiên, chuỗi bit ở đầu vào sẽ được chia nhỏ ra thành từng block m bitnhờ khối S/P, độ lớn của mỗi block này phụ thuộc vào số điểm của chòm sao trêngiản đồ vector ánh xạ Ví dụng điều chế 16-QAM thì mỗi block sẽ là 4 bit

- Sau đó, từng block m bit sẽ được ánh xạ bit lên chòm sao, đầu ra của mỗiblock m bit sẽ có dạng phức a+bi nên đầu ra của khối ánh xạ sẽ là a1+b1i, a2+b2i,a3+b3i, …., an+bni

- Từng đại diện của đầu ra a+bi sẽ được đưa vào khối DFT M điểm để thựchiện biến đổi Fourier chuyển sang miền tần số Sau đó, từng đầu ra x(k) này sẽ đượcánh xạ sóng mang con, số lượng sóng mang con ở đây nhiều hơn số lượng đầu racủa biến đổi Fourier N điểm Như vậy, mỗi sóng mang con sẽ ánh xạ lên 1 đầu ra, Nđầu ra sẽ được ánh xạ bởi N sóng mang con

- N sóng mang con này được đưa vào bộ IFFT N điểm (N>M) để biến đổiFourier ngược sang miền thời gian Đồng thời, các chuỗi bit bảo vệ CP sẽ đượcthêm vào nhằm chống chịu nhiễu ISI (nhiễu liên ký tự).

- Cuối cùng, mỗi sóng mang con này sẽ được chuyển sang nối tiếp thành mộtchuỗi tín hiệu dài đơn sóng mang để truyền đi (đây là lý do của tên gọi điều chế đơnsóng mang)

- Tại đầu thu, công việc thực hiện ngược lại Tín hiệu thu được loại bớt CP

và chuyển sang song song từng block

- Khối DFT biến đổi tín hiệu trở lại miền tần số Tại đây, thực hiện giải ánh

xạ sóng mang con rồi cân bằng trong miền tần số

- Biến đổi Fourier ngược để suy ra lại các tín hiệu phức của từng block mđiểm và từ từng tín hiệu phức đó, dựa vào biểu đồ vector để tìm ra từng cụm bit.Các cụm bit này được chuyển từ song song sang nối tiếp để tạo ra lại một chuỗi dàibit thông tin ban đầu

2.3.2.2 Các Đặc Trưng Của SC-FDMA

2.3.2.2.1 Ánh xạ sóng mang con

Khác với OFDMA, việc ánh xạ sóng mang được thực hiện trong miền thờigian thì trong SC FDMA việc ánh xạ sóng mang lại được thực hiện trong miền tầnsố

Khi truyền dẫn đơn sóng mang sẽ có ưu điểm là sóng mang đó không phải là tổngcủa nhiều sóng mang, do đó kỹ thuật SC FDMA giúp giảm PAPR

Việc ánh xạ sóng mang có 2 kiểu được thực hiện trong miền tần số:

+ Ánh xạ tập trung (Localized)+ Ánh xạ phân tán (Distributed)

* Ánh xạ tập trung - LFDMA (Localized Mode): Mỗi thuê bao sẽ

sử dụng các sóng mang kế cận nhau để phát đi các kí tự của nó

* Ánh xạ phân tán - IFDMA(Distributed Mode): Các kí tự của mỗithuê bao được phân bố đều trên các sóng mang

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

Hình 2.13 Phương pháp phân phối sóng mang con

Ví dụ ta cần phân phối sóng mang cho 3 user thì trong kiểu ánh xạ phân tán,user 2 sẽ được phát trên sóng mang thứ 1, 4, 7, 10 Còn trong kiểu ánh xạ tập trung,user sẽ được phát liên tiếp trên sóng mang 4, 5, 6, 7

Hình 2.14 Ánh xạ tập trung và ánh xạ phân tán

Nhìn vào sơ đồ ta thấy: Đối với ánh xạ tập trung, các sóng mang con liêntiếp bị chiếm bởi các kết quả đầu ra của bộ DFT, còn lại sẽ bằng không Trong khiánh xạ phân tán, các sóng mang con bị chiếm bởi các kết quả đầu ra một cách táchbạch, còn lại sẽ bằng không Nếu các sóng mang được phân bổ không liến tiếp màcách đều nhau gọi là Interleaved FDMA

Hình 2.15 Sự khác nhau của sóng mang trong miền thời gian và tần số

Để ý thấy mặc dù trong miền tần số, các sóng mang con được phân bổ có thể khác nhau nhưng trong miền thời gian chúng lại được phân bổ tương tự nhau

Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập đường xuống và đường lên trong LTE-4G

CHƯƠNG 3: SO SÁNH KỸ THUẬT OFDMA VÀ SC FDMA,

ĐÁNH GIÁ PAPR TRONG TRUYỀN DẪN OFDMA VÀ SC-FDMA 3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ so sánh ưu nhược điểm của 2 kỹ thuật OFDMA vàSCFDMA, lý do chọn lựa OFDMA cho tuyến lên và SC-FDMA cho tuyến xuống.Trình bày về PAPR, sự cần thiết phải giảm PAPR trong thực tế So sánh PAPRtrong 2 kỹ thuật OFDMA và SC FDMA

3.2So Sánh OFDMA và SC-FDMA

Cả hai kỹ thuật OFDMA và SC FDMA đều phân chia luồng dữ liệu lớnthành nhiều luồng dữ liệu nhỏ hơn để truyền Tuy nhiên trong OFDMA, ta chỉ sửdụng bộ IFFT ở phía máy phát và ánh xạ sóng mang con được thực hiện trong miềnthời gian Khác với OFDMA, ta dùng cả 2 bộ FFT và IFFT, việc ánh xạ sóng mangcon được thực hiện trong miền tần số

Các luồng dữ liệu trong kỹ thuật OFDMA được truyền song song trong.Ngược lại, trong kỹ thuật SC FDMA các luồng dữ liệu được chuyển thành nối tiếp

và truyền lần lượt theo thời gian

Hình 3.1 Các sóng mang con theo các phương pháp điều chế

Trong OFDMA:

• Xét theo tần số: Mỗi mẫu tín hiệu được truyền trên một sóng mang con, 4 mẫu được

Chương 3: So sánh kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA, đánh giá PAPR trong truyền dẫn OFDMA và SC-FDMA

truyền trên 4 sóng mang con riêng biệt, mỗi sóng mang con có độ rộng là 15kHz,như vậy tổng băng thông là 60kHz

• Xét theo thời gian: Trong cùng một khe thời gian, mỗi cụm 4 sóng mang con nàyđược truyền đồng thời Mỗi cụm này lại được phân tách nhau khoảng 66,7 đóng vaitrò CP bảo vệ tín hiệu không bị chồng lấn

Vì OFDMA truyền riêng từng sóng mang con cho từng mẫu dữ liệu nên ởphía máy thu sẽ sử dụng nhiều bộ cân bằng tần số Còn trong SC FDMA, vì chỉ cómột luồng tín hiệu nên chỉ cần dùng một bộ cân bằng tần số

3.3 Ưu điểm,nhược điểm của kỹ thuật OFDMA

3.3.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDMA

Kỹ thuật OFDMA giúp nâng cao dung lượng truyền dẫn đáng kể bằng cáchchia luồng dữ liệu dung lượng lớn thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp, thay vìdùng một kênh truyền trên một giải tần rộng, OFDMA sử dụng nhiều sóng mangcon trực giao Chính vì vậy có thể tiết kiệm được băng thông, sử dụng phổ tần hiệuquả Các mẫu tín hiệu được chèn CP đủ lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất nên đảmbảo chống chiụ được nhiễu phân tập đa đường ISI

Đối với hệ thống cũ, tín hiệu truyền trên một luồng có thể gây ra fading do

sự phản xạ đa đường nên khi tổng hợp sẽ có các tín hiệu đồng pha hoặc ngược phalàm biên độ thăng giáng nhiều Tuy nhiên trong OFDMA đã khắc phục được điềunày, OFDMA chia kênh fading chọn lọc tần số thành nhiều kênh con fading phẳngứng với các sóng mang con khác nhau Việc này được thực hiện là nhờ phép biếnđổi IFFT và FFT