Tìm hiểu SC FDE và SC FDMA

Tìm hiểu SC FDE và SC FDMA

TIỂU LUẬN MẠNG KHÔNG DÂY

TÌM HIỂU SC-FDE & SC-FDMA

Giáo viên hướng dẫn : ThS Đặng Thanh Bình Sinh viên thực hiện : 12018285 Huỳnh Ngọc Hảo

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm ……

Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM, nhóm

em được những thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Thông Tin đã truyền đạt, chỉ bảo nhiệt tình những kiến thức nền tảng và chuyên môn trong chuyên ngành và giúp cho chúng em rèn luyện tinh thần, nhanh chóng hòa nhập với môi trường làm việc sau khi

ra trường, là nền tảng vững chắc giúp chúng em thành công trong sự nghiệp sau này

Do thời gian làm Tiểu luận có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của quí thầy cô để bài báo Tiểu luận được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành các Thầy Đặng Thanh Bình đã giúp chúng em hoàn thành tiểu luận này Kính chúc các thầy sức khỏe, hạnh phúc và vững bước trên con đường sự nghiệp trồng người vinh quang

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 03 năm 2014

Nhóm sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

1 Tổng quan kỹ thuật điều chế OFDM 6

1.1 Các ưu điểm của OFDM 7

1.2 Các nhược điểm của OFDM 7

2 Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số SC-FDE 8

2.1 Cân bằng miền tần số 8

2.2 So sánh với OFDM 10

3 FDMA đơn sóng mang 11

3.1 Xử lí tín hiệu SC-FDMA 11

3.1.1 Xử lí bên gửi 11

3.1.2 Xử lý phía bên nhận 15

3.2 Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang 23

3.2.1 SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA) 25

3.2.2 SC-FDMA phân bố (DFDMA) 26

4 Lập lịch phụ thuộc kênh truyền (Channel-Dependent Scheduling – CDS) 27

4.1 Hiệu suất SC-FDMA 28

4.2 Lập lịch cấp phát sóng mang con 28

4.3 Kết quả lịch biểu 29

5 Hệ thống MIMO SC-FDMA 29

6 Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu SC-FDMA 29

7 Kết luận và hướng phát triển 29

7.1 Kết luận 29

7.2 Hướng phát triển 30

Tài liệu tham khảo 31

1 Tổng quan kỹ thuật điều chế OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonalfrequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ [1] Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện

ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT[2] Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM) Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

Hình 1: So sánh giữa FDMA và OFDM

a) Phổ FDMA và b) Phổ OFDM

1.1 Các ưu điểm của OFDM

Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các kí hiệu(ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của

sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

1.2 Các nhược điểm của OFDM

Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở máy phát và máy thu

Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doopler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

2 Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số SC-FDE (Single Carrier modulation with Frequency Domain Equalization)

2.1 Cân bằng miền tần số

Hình 1

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 (Frequency Domain Equalization: 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 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 Discrete Fourier Transform (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

ký hiệu điều chế thành các khối và thêm vào tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix: CP) vào đầu mỗi khối CP là bản sao của phần cuối cùng của các khối 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

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

Tại máy thu, OFDM thực hiện tách dữ liệu trên từng sóng mang con trong miền tấn số trong khi SC/FDE thực hiện tách dữ liệu trong miền thời gian sau khi thêm thuật toán IDFT 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 Hệ thống có độ rộng băng tần BsHz 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 tấn 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

3 FDMA đơn sóng mang

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) là các bản chỉnh sửa của các kỹ thuật OFDM và SC/FDE đã được giới thiệu ở trên Khác với kĩ thuật ở trên, kỹ thuật đa truy cập được giới thiệu trong phần này truyền các tín hiệu khác nhau một cách đồng thời Tất cả các kỹ thuật phân chia theo tần số trực giao sử dụng một bộ rời rạc các sóng mang con trực giao được cấp phát trên một băng thông hệ thống Chúng bao gồm các biến đổi rời rạc để chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và tần số

Để truyền các tín hiệu khác nhau một cách đồng thời, các kỹ thuật đa truy cập

sẽ gắn các tín hiệu vào các bộ sóng mang con tách biệt nhau Vì các kênh băng rộng phải chịu Fading chọn lọc tần số, các kỹ thuật FDMA có thể sử dụng lập lịch phụ thuộc kênh (Channel-dependent scheduling) để có thể phân tập người dùng, và bởi vì đặc tính Fading của các thiết bị đầu cuối ở những vị trí khác nhau độc lập thống kê với nhau, các kỹ thuật lập lịch có thể gắn mỗi đầu cuối với những sóng mang con có đặc tính truyền phù hợp tại vị trí của thiết bị

3.1 Xử lí tín hiệu SC-FDMA

3.1.1 Xử lí bên gửi

Time-Variant Multipath Propagation

Hình 3 Thời gian biến thể lan truyền đa tuyến

Thời gian biến thể đáp ứng xung kênh

3.1.1.1 OFDM cơ bản (I)

Hình 4 Đơn sóng mang so với đa sóng mang

3.1.1.2 OFDM cơ bản (II)

Hình 5 Sóng mang con trực giao

3.1.1.1 OFDM cơ bản (III)

Các bước xử lý

Hình 6 Hiệu quả thực hiện được bằng cách của một biến đổi Fourier rời rạc nghịch đảo

3.1.1.4 OFDM cơ bản (IV)

Chèn tiền tố tuần hoàn

Hình 7 Chèn tiền tố tuần hoàn

Một bản sao của đuôi tín hiệu (chiều dài T) được chèn vào bắt đầu của mỗi mẫu tín hiệu OFDM

Hấp thụ các thành phần đa đường

3.1.1.5 OFDM cơ bản (V)

Hình 8 Đại diện thời gian miền tần số OFDM

Thiết kế hệ thống OFDM

Không xung đột bên trong mã symbol(inter-sumbol)

Bảo vệ khoảng thời gian lớn hơn sự chậm trễ lan truyền Td: GTc = Tg > Td

G chiều dài chu kì trong số các chip

Số lượng N sóng mang con

3.1.2 Xử lý phía bên nhận

Giảm chu kì và tiến hành DFT

Kênh phân vùng trong N tần số song song các kênh ngang

Cân bằng đơn giản – tăng độ phức tạp với N log (N)

Hình 9 Xử lý bên nhận

3.1.2.1 OFDMA (I)

Hình 10 Mạng lưới thời gian-tần số trực giao

3.1.2.2 OFDMA (II)

Time division multiple access (TDMA)

Hình 11 Phân chia thời gian theo đa truy cập

Frequency division multiple access (FDMA)

Hình 12 Phân chia tần số đa truy cập

Hình 13 Các tham số LTE (Downlink)

Hình 14 Mạng lưới tài nguyên LTE (Downlink)

Hình 15 Tài nguyên khối LTE (Downlink)

3.1.2.3 OFDMA (III)

Hình 16 Kênh tần số có chọn lọc thời gian biến thể

Hình 17 Mô hình thời gian tần số

Tái sử dụng tần số mềm (I)

- Tại ranh giới các ô tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SIR) là xấp xỉ 0 dB do tái sử dụng tần số 1

- DS-CDMA sử dụng bàn giao mềm tại ranh giới di động

- Giao diện không khí OFDM dựa cho phép tái sử dụng tần số mềm cho người sử dụng tại ranh giới di động

- Đơn sóng mang / frequecy phân chia nhiều truy cập (SC / FDMA) được

sử dụng cho các đường lên trong LTE

So sánh OFDMA so với SC / FDM

Hình 19 So sánh OFDMA so với SC / FDM

SC / FDMA phân tán so với vị trí

Hình 20 SC / FDMA phân tán so với vị trí

SC / FDMA

Hình 21 Cấu trúc bên gửi và bên nhận của hệ thống SC/FDMA và OFDMA Các bước xử lý

Hình 22 Quá trình xử lý

1.1

Hình 23 So sánh PAPR(Peak To Average Power Ratio)

3.2 Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang

Trong các ứng dụng thông tin di động, OFDMA có ưu điểm quan trọng là không ảnh hưởng bởi truyền dẫn đa đường Khả năng này đạt được là nhờ sử dụng OFDM phát thông tin trên N sóng mang con hoạt động tại tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc

độ bit của thông tin cần truyền, tuy nhiên có nhược điểm là Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) cao Một nhược điểm nữa của OFDM trong hệ thống thông tin di động

là cần dịch các tần số hoa tiêu đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hoại tính trực giao của các cuộc truyền dẫn OFDMA, nghĩa là xảy ra nhiễu đa truy nhập

Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã đề xuất sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên trong truyền dẫn DFTS-OFDM và được gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang Single Carrier Frequency Division Multiple

Access (SC-FDMA) và được áp dụng cho LTE Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã đề xuất sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên trong truyền dẫn DFTS-OFDM và được gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) và được áp dụng cho LTE thích ứng miền tần số phức tại tại BTS

a) ấn định băng thông bằng nhau; b) ấn định băng thông khác nhau

Hình 24 Mô tả nguyên lý hoạt động của SC-FDMA

Hình 24 Mô tả trường hợp đa truy nhập của 2 đầu cuối được ấn định băng thông bằng nhau (P1=P2), còn hình 2b mô tả trường hợp đa truy nhập của 2 đầu cuối được ấn định băng thông khác nhau (P1#P2) Bằng các dịch các đầu ra của DFT đến các đầu vào thích hợp của IFFT, hệ thống có thể phát tín hiệu vào đúng vị trí miền tấn số được quy định theo lập biểu

OFDMA truyền song song, SC-FDMA truyền nối tiếp

Hình 25 Thí dụ minh họa sự khác nhau trong việc truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian đối với OFDMA và SC-FDMA

Hình 25 cho thấy sự khác nhau trong quá trình truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian.Trên hình này ta giả thiết rằng, mỗi người sử dụng được 4 sóng mang con (P=4) với băng thông bằng 15KHz, trong đó mỗi ký hiệu OFDMA hoặc SCFDMA truyền 4 ký hiệu số liệu được điều biến QPSK cho mỗi người sử dụng Hình 3 cho thấy với OFDMA, 4 ký hiệu số liệu này được truyền đồng thời với băng con cho mỗi

ký hiệu bằng 15KHz trong khoảng thời gian hiệu dụng TFFT của 1 ký hiệu OFDMA, còn đối với SC-FDMA 4 ký hiệu số liệu này được truyền lần lượt trong khoảng thời gian bằng 1/P (1/4) thời gian hiệu dụng ký hiệu SC-FDMA với băng thông bằng P x 15KHz = 4 x 15KHz cho mỗi ký hiệu

Giống như OFDMA, thông lượng SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp xếp các ký hiệu thông tin lên các sóng mang con Có 2 cách phân bố sóng mang con giữa các máy đầu cuối như sau:

3.2.1 SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA)

SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA: Locallized SC-FDMA) hay còn gọi là DFTS-OFDMA khoanh vùng (locallized DFTS-OFDMA): mỗi đầu cuối sử dụng 1