nghiên cứu giảm PAPR trong hệ thống LTEADVANCED

Đây là kỹthuật mang tính đặc trưng nhất trong LTE-Advanced bởi vì nhờ nó mà LTE-Advanced sẽ đạt được những đặc điểm kỹ thuật vượt bậc như băng thông, tốc độtruyền dữ liệu để phù hợp với

LỜI CAM ĐOAN

Em tên là: Trương Công Tý Lớp : 09DT1 Khoa Điện tử-Viễn thông

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao của bất kì đồ ánnào đã có trước đây Nếu có em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2014

Kí tên

Trương Công Tý

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CDMA Code Division Multiple Access

CoMP Coordinated Multi Point

DFT Discrete Fourier Transform

EDGE Enhanced Data rates for GSM EvolutionESNRC Enhanced Signal to Noise Combining

FDMA Frequency Division Multiple Access

FDD Frequency Division Duplex

FFT Fast Fourier Transform

FSTD Frequency Shift Transmit Diversity

GSM Global System for Mobile communication

HSPA High Speed Packet Access

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IMT International Mobile Telecommunications

IMT-A International Mobile Telecommunications AdvancedITU International Telecommunication Union

LSP Large Scale Parameter

LTE-A Long Term Evolution Advanced

MIMO Multiple Input and Multiple Output

MMSE Minimum Mean Square Error

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR Peak to Average Power Ratio

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SCFDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SCME Spatial Channel Model Extended

SISO Single Input and Single Output

SNR Signal to Noise Ratio

SNRC Signal to Noise Ratio Combining

TDSCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple Access

Đồ án này trình bày về một số kĩ thuật nổi bậc được sử dụng trong hệ thốngLTE-Advanced Nội dung đồ án bao gồm 4 chương :

Chương 1 : Lịch sử phát triển mạng di động và tổng quan về Advanced

LTE-Chương này đã giới thiệu về sự ra đời và phát triển của các thế hệ thông tin diđộng Khái quát được các đặc điểm nổi bậc của LTE-Advanced

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

LTE-Trình bày chi tiết về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA ) và kỹthuật đa truy cập đường lên (SC-FDMA ) Qua đó, chúng ta có thể thấy được các ưunhược điểm của từng phương pháp Đây là hai kỹ thuật đã được sử dụng trong gianđoạn tiền 4G với công nghệ LTE

Chương 3 : Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation ) trong Advanced

LTE-Trong chương 3 chúng ta sẽ tìm hiểu một kỹ thuật hoàn toàn mới đã được đưavào ứng dụng trong LTE-Advanced đó là kỹ thuật kết tập sóng mang Đây là kỹthuật mang tính đặc trưng nhất trong LTE-Advanced bởi vì nhờ nó mà LTE-Advanced sẽ đạt được những đặc điểm kỹ thuật vượt bậc như băng thông, tốc độtruyền dữ liệu để phù hợp với những yêu cầu của ITU đưa ra cho mạng 4G

Chương 4 : Đánh giá chỉ số PAPR trong hệ thống LTE-Advanced

Chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về chỉ số công suất đỉnh trên công suất trungbình PAPR (Peak to Averrage Power Ratio) của hai phương pháp OFDMA và SC-FDMA Bằng mô phỏng matlab, chúng ta đã biết được tại sao LTE-Advanced vẫntiếp tục sử dụng kỹ thuật SC-FDMA cho đa truy cập đường lên

Trong quá trình hoàn thành đồ án này, tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót Rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, đặc biệt là thầy Tăng Tấn Chiến đã nhiệt tình hướng dẫn để em hoàn thành tốt đồ ánnày

CHƯƠNG 1

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG

VÀ TỔNG QUAN VỀ LTE-ADVANCED 1.1 Giới thiệu chương

Các thế hệ mạng thông tin di động nối tiếp nhau phát triển trên nền công nghệtruyền thông không dây liên tục đổi mới để đáp ứng nhu cầu tương tác, làm việc,giải trí ngày càng cao của người dùng Nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, khả năngbảo mật, dung lượng, chất lượng… của dịch vụ ngày càng lớn Vì vậy việc ra đờicủa các hệ thống 2G,3G,4G là để đáp ứng các nhu cầu này Ở chương này ta sẽ tậptrung vào sự ra đời và phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G, đồngthời trình bày tổng quan về hệ thống LTE-Advanced

1.2 Sự phát triển của mạng thông tin di động từ 2G lên 4G

Hình 1.1 Các thế hệ mạng di động toàn cầu

1.2.1 Mạng thông tin di động 2G

Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn

so với thế hệ đầu tiên Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analogcủa thế hệ 1G Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trongsuốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộnghơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS Theo

đó, các tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật sốdưới nhiều dạng mã, cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng mộtbăng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chứcViễn thông Thế giới (ITU) Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên

thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt : UMTS,CDMA2000, TD-SCDMA và WIDEBAND-CDMA

- UMTS: dựa trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nóichung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động (Mobile networkoperator) sử dung GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á(trong đó có Việt Nam) UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP Tốc độtruyền dữ liệu tối đa là 1920Kbps nhưng thực tế tốc độ này là 384Kbps

- CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G, cung cấp tốc độ dữ liêu từ

144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s

- TD-SCDMA: là chuẩn ít được biết đến hơn, được phát triển riêng tại TrungQuốc bởi công ty Datang và Siemens

- WIDEBAND-CDMA: Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s Giao thứcnày được dùng trong một mạng diện rộng WAN, tốc độ tối đa là 384 kbit/s Khi

nó dùng trong một mạng cục bộ LAN, tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s

Để cải tiến tốc độ dữ liệu của mạng 3G hai kĩ thuật HSUPA và HSDPA đã được

đề nghị Khi 2 kĩ thuật này được triễn khai người ta gọi chung là HSPA và nó đượcbiết đến như mạng 3,5G

- HSUPA: kĩ thuật này cho phép tăng tốc độ upload thông tin tối đa là 5,8Mbps

- HSDPA: kĩ thuật này cho phép download thông tin với tốc độ tối đa là14,4Mbps, nhưng thực tế thì nó chỉ đạt được 1,8Mbps và tốt nhất là 3,6Mbps

1.2.3 Mạng di động tiền 4G-LTE (3,9G)

Hai công nghệ là LTE và WiMax đã được một số nhà mạng trên thế giới triểnkhai xây dựng họ gọi đó là 4G nhưng thật sự chưa được ITU công nhận nên nóđược biết đến như công nghệ 3,9G Các đặc điểm chính của mạng di động tiền 4Gdựa trên công nghệ LTE: tốc độ truyền dữ liệu, dải tần co giản được, đảm bảo hiệusuất khi di chuyển, giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng, giảm độ trễ trên mặt phẳngngười sử dụng và các mặt phẳng điều khiển

- Tốc độ truyền dữ liệu : dung lượng truyền trên kênh đường lên có thể đạt tối

đa là 50Mbps và đường xuống là 100Mbps đối với băng thông 20MHz

- Dải tần co giản được: dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng

từ 1.4MHz ; 3MHz ; 5MHz ; 10MHz đến 20 MHz Nó cho thấy sự linh hoạt trongviệc sử dụng băng thông

- Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: tùy thuộc vào băng tần mà LTE tối ưu hóahiệu suất cho thiết bị đầu cuối Khi thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc từ 0-15Km/h thì hiệu suất là tối ưu, vẫn hỗ trợ hiệu suất cao đối với vận tốc 15-20Km/h,đối với vận tốc trên 120Km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng

- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người sử dụng: hiện nay rất nhiều ứng dụng yêu cầuthời gian thực nhưng nhược điểm của các mạng tổ ong là độ trễ đường truyền caohơn nhiều so với các mạng dây cố định

Yêu cầu độ trễ trên giao tiếp vô tuyến đối với mạng LTE là khoảng chừng 5ms

để độ trễ truyền từ UE này đến UE khác tương đương với độ trễ ở các mạng dây cốđịnh

- IP: một trong những tính năng đáng kế nhất của mạng LTE đó là sự chuyểndịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linhhoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động khác

- Đồ phủ sóng: LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng,độ di động vàhiệu suất phổ trong vòng bán kính 5km khi phạm vi tăng lên đến 30km thì lưulượng người dùng sẽ giảm nhẹ nhưng hiệu suất phổ thì bị giảm 1 cách đáng kể, tuynhiên nó vẫn có thể chấp nhận được

- Các kĩ thuật MIMO, OFDMA, SC-FDMA được sử dụng trong mạng LTE thay

vì CDMA như trong mạng 3G

1.2.4 Mạng thông tin di động 4G

Là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệuvới tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s Là chuẩn tương laicủa các thiết bị không dây Điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/skhi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thểtải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao Và trong tương lai, mạng

di động LTE Advance, WiMax (nhánh khác của 4G)… sẽ là những thế hệ tiến bộ

hơn nữa, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trảinghệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa

từ chính chiếc di động của mình

1.3 Tổng quan về LTE-Advanced (Long Term Evolution- Advanced)

Hệ thống thông tin di động 4G đã được khai thác và phát triển tại 1 số quốc giaphát triển trên thế giới từ năm 2012 Với tính tương đồng với các thế hệ trước đặcbiệt là thế hệ tiền 4G (LTE), LTE-Advanced đang chiếm ưu thế trong cuộc đua vớiWirlessMAN-Advanced để trở thành công nghệ được ứng dụng rộng rãi cho 4G LTE-Advanced thực chất chỉ là bảng nâng cấp của LTE nhằm hướng đến thỏamãn các yêu cầu của IMT-Advanced Việc nâng cấp này thê hiện rõ ở chỗ các côngnghệ được sử dụng trong LTE cũng được sử dụng trong LTE-Advanced (OFDMA,SC-FDMA, MIMO,…) Nhưng đã có 1 số cải tiến để phát huy tối đa hiệu quả sửdụng của nó như MIMO tăng cường sử dụng cấu hình cao hơn (8x8 MIMO), đồngthời LTE-Advanced còn sử dụng thêm nhiều kĩ thuật mới để nâng cao đặc tính : kếttập sóng mang, trạm chuyển tiếp, đa anten cải tiến, phối hợp đa điểm, mạng khôngđồng nhất

1.3.1 Yêu cầu thiết kế của LTE-Advanced

Bảng 1.1 Các thông số chính của LTE-Advanced yêu cầu

1.3.1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced

Hình 1.2 Kiến trúc mạng của LTE-Advanced

- UE: là thiết bị đầu cuối Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụngtruyền thông, duy trì và loại bỏ các liền kết thông tin người dùng cần

- eNB (eNodeB) : có tên là Evolved NodeB dựa trên chuẩn 3GPP là trạm gốcđược tăng cường mới Là trạm BTS tăng cường cung cấp giao diện không gian vàthực hiện quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống này Nó nén IP header và mãhóa dữ liệu người dùng Sự chọn lọc của một MME khi không có định tuyến tớimột MME nào tại thời điểm UE attach, thì nó có thể xác định nhờ thông tin đượccấp bởi UE Định tuyến dữ liệu phẳng người dùng hướng tới cổng dịch vụ ServingGateway Lập lịch và truyền dẫn thông tin quảng bá Lập lịch và truyền dẫn nhữngthông báo tìm gọi Cấu hình phép đo và báo cáo phép đo sự lưu động và sự lậptrình

- S-GW (Serving Gateway): là vị trí kết nối của giao tiếp dữ liệu gói với UTRAN Nó có chức năng là : SWG có chức năng định tuyến và hướng các gói dữliệu người dùng, E-UTRAN ngừng bộ đệm gói downling và bắt đầu mạng thúc đẩy

E-yêu cầu của dịch vụ khi các UE ở trạng thái rỗi thì SWG sẽ kết thúc đường dữ liệudownling và kích hoạt tìm gọi khi mà dữ liệu của downling chuyển tới UE Quản lý

và lưu trữ các văn cảnh của UE

- PDN-GW (Packet Data Network- Gate Way ) : Cổng mạng dữ liệu gói làtuyến biên giữa EPS và các mạng dữliệu gói bên ngoài Nó là nút cuối di động mứccao nhất trong hệ thống, và nó thường hoạt động như là điểm IP của các thiết bị cho

UE Nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và chọn lọc theo các yêu cầu bởicác dịch vụ được đề cập Là điểm đầu cuối cho những phiên hướng về mạng dữ liệugói bên ngoài Đồng thời nó cũng là Router đến mạng Internet

- MME (Mobility Mangament Entity) : Là node quan trọng của mạng truy cậpLTE-Advanced Nó chịu trách nhiệm xử lý những chức năng mặt bằng điều khiển,liên quan tới quản lý thuê bao và quản lý phiên, quản lý tính lưu động và xác nhận

UE cùng những tham số bảo mật Một số chức năng chính của MME là : xác thực

và bào mật, quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối, quản lý tính di động, quản lý

hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối

- PCRF (Policy and Charging Rules Funtion) : là chính sách và tính cước tàinguyên, là phần tử chịu trách nhiệm về chính sách và điều khiển tính cước PCRF làmột máy chủ và thường được đặt với các phần tử CN khác tại các trung tâm điềuhành chuyển mạch

1.3.2 Các kỹ thuật nỗi bậc được sử dụng trong LTE-Advanced

1.3.2.1 Kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

Hình 1.3 Kĩ thuật OFDM

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao được sử dụng trong đa truycập theo đường xuống của LTE-Advanced Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm nỗi bậc

như : hiệu quả trong việc sử dụng băng tần, chống nhiễu xuyên kí tự, chống đượcnhiều liên sóng mang… Ngoài ra nó còn có thế thay đổi tốc độ truyền tải đường lên

và xuống một cách dễ dàng nhờ vào việc thay đổi số lượng sóng mang được sửdụng

1.3.2.2 Kỹ thuật SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple

Access)

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn được LTE-Advanced

sử dụng cho đa truy cập đường lên Ưu điểm của kỹ thuật này so với OFDMA là tỉ

số PAPR (tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) nhỏ hơn, dẫn đến việc tiêuthụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn tăng tính di động cho thiết bị

1.3.2.3 Kỹ thuật MIMO tiên tiến

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống MIMO

Là kỹ thuật đa anten thu và phát được LTE-Advanced tiếp tục sử dụng vì hiệuquả của nó rất cao Hai đặc tính nổi bậc của MIMO trong LTE-Advanced là ghépkênh không gian và phát phân tập.Với cấu hình 8x8 ở đường lên và 4x4 ở đườngxuống LTE-Advanced đã đạt được hiệu suất phổ đỉnh như yêu cầu (hiệu suất phổđường xuống là 30bps/Hz và 15bps/Hz ở đường lên)

1.3.2.4 Kỹ thuật kết tập sóng mang (Carrier Aggregation)

Kỹ thuật kết tập sóng mang được LTE-Advanced áp dụng để tăng băng thông

và do đó làm tăng tốc độ bit Nhờ đó mà LTE-Advanced đạt được yêu cầu về băngthông và tốc độ truyền dẫn dữ liệu Nó được xem như là một trong những kỹ thuậtđặc trưng nhất của LTE-Advanced

Hình 1.5 Kĩ thuật kết tập sóng mang

Để tăng độ rộng băng tần mà vẫn duy trì được tính tương thích phổ(không bịnhiễu sóng mang) nhờ vào việc sử dụng kỹ thuật kết tập sóng mang, trong đó nhiềusóng mang con được kết hợp với nhau để cung cấp độ rộng băng tần cần thiết Cácsóng mang thành phần có thể có băng thông là 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz và tối đachỉ có 5 sóng mang thành phần được kết hợp, từ đó băng thông kết hợp có thể lêntới 100MHz Tùy thuộc vào độ rộng băng tần sẵn có mà LTE-Advanced có thể ápdụng kỹ thuật kết tập sóng mang liền kề hay không liền kề

1.3.2.5 Truyền dẫn đa điểm phối hợp (Coordinated Multi-Point Transmission )

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ

lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm là mộtcách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến mộtđơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí

Hệ thống phối hơp có 1 nút nguồn phân phát 1 bản tin đến một số nút chuyển tiếp.Các nút này gửi lại tín hiệu đã được xử lý đến nút đích Nút đích kết hợp và sử dụngphân tập tín hiệu thu được từ các nút chuyển tiếp và từ nút nguồn để nhận được tínhiệu thu

Hình 1.6 Hệ thống phối hợp có 2 nút chuyển tiếp

Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ:

+ Tăng hiệu quả sử dụng mạng: bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùnglúc, dữ liệu có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm thu phát đó

+ Nâng cao chất lượng thuê bao: sử dụng nhiều tế bào mạng trên 1 thuê bao sẽtăng khả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối

+ Giảm nhiễu: Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

và can nhiễu ở thiết bị đầu cuối

1.3.3 So sánh giữa LTE và LTE-Advanced

Tốc độ số liệu đỉnh đường xuống 326 Mbps 1 Gbps

Tốc độ số liệu đỉnh đường lên 86 Mbps 500 Mbps

Bảng 1.2 Bảng so sánh LTE với LTE-Advanced

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP ĐƯỜNG XUỐNG

VÀ ĐƯỜNG LÊN TRONG LTE-ADVANCED 2.1 Giới thiệu chương

Để hiểu rõ hơn về hai kỹ thuật đa truy cập đường xuống (OFDMA) và đa truycập đường lên SC-FDMA, trong chương này chúng ta sẽ đi sâu phân tích đánh giácác ưu nhược điểm của hai kỹ thuật này

2.2 Kỹ thuật đa truy cập đường xuống

2.2.1 Giới thiệu chung về OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) : đa truy cập phânchia theo tần số trực giao đã được LTE-Advanced sử dụng cho đa truy cập đườngxuống

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống OFDMA

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song songtốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song(S/P: Serial/Parrallel) Mỗidòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC )

và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đếnđầu vào của khối IDFT.Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với cáckênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễuxuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Cuối cùng thựchiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến nhưnhiễu Gausian trắng (Additive White Gaussian Noise-AWGN),…

Bên phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Sau cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp

2.2.1.1 Chức năng của từng khối

- Khối S/P : chuyển đổi các luồng dữ liệu bit nhị phân từ nối tiếp thành song song để giảm tốc độ đưa vào bộ điều chế

- Khối FFT và IFFT : Khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng

để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùngtrong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiệnphép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khithực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ

Hình 2.2 Sơ đồ khối FFT và IFFT

- Khối chèn khoảng bảo vệ nó có chức năng chèn các khoảng bảo vệ giữa cácsymbol trong OFDM để tránh nhiễu liên kí tự

- Khối P/S : khối này có nhiệm vụ ghép các giá trị thực thu được thành mộtchuỗi theo đúng thứ tự ban đầu khi ta ghép tất cả giá trị thực này trên miền thờigian nó sẽ tạo thành 1 đường bao tín hiệu OFDMA

Hình 2.3 Đường bao tín hiệu OFDMA

2.2.1.2 Truyền tín hiệu giữa các khối trong OFDMA

Hình 2.4 Sơ đồ truyền dữ liệu trong khối OFDMA

Tín hiệu được truyền từ máy phát qua bộ S/P chuyển thành N chuỗi tín hiệusong song,sau đó từng chuỗi tín hiệu con này qua mỗi bộ điều chế,ngõ ra các bộđiều chế sẽ thu được một chuỗi số phức X0,X1,…,XN-1 Chuỗi này có dạng như sau : (2.1)

Với Ts là chu kì của tín hiệu và fk là tần số các sóng mang

2.2.2 Các đặc điểm nổi bậc của kỹ thuật OFDMA

2.2.2.1 Sử dụng bộ FFT và IFFT

Kỹ thuật OFDMA có hiệu suất sử dụng phổ rất cao và có thể chống được nhiễuliên kí tự,nhờ sử dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang contrực giao với nhau

Tuy nhiên để thực hiện được điều này dường như là không thể, bởi vì mỗi sóngmang thành phần cần phải có bộ tách sóng, bộ điều chế và giải điều chế cho riêng

nó Trong khi đó số lượng các sóng mang thành phần dùng để truyền tín hiệu là rấtlớn Vì thế người ta đã dùng thuật toán IDFT/DFT để thay thế tất cả các bộ tạo daođộng sóng sin, bộ điều chế và giải điều chế nhằm giải quyết triệt để vấn đề này Xét chuỗi tín hiệu x(n) có chiều dài N (n=0,1,2,3,… , N-1) lúc đó

Công thức biền đổi của thuật toán DFT :

+ Thời gian thực hiện phép nhân số phức

+ Thời gian thực hiện phép cộng số phức

+ Thời gian đọc các hệ số

+ Thời gian truyền số liệu

Trong đó thời gian thực hiện phép nhân số phức là đáng quan tâm nhất Vì thếngười ta phải giảm số lượng phép tính nhanh nhằm đảm bảo được thời gian thực

cho kênh truyền, ở đây thuật toán FFT/IFFT được sử dụng để thay thế choDFT/IDFT Thuật toán FFT/IFFT giúp cho việc tính toán nhanh và đơn giản hơn rấtnhiều.

2.2.2.2 Phương pháp chống nhiễu liên kí tự

Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu cao tần từ máy phát có thể bị phản xạ từcác vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu, dẫnđến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm

Hình 2.5 Tín hiệu bị phản xạ trên đường truyền

Chính các thành phần trễ truyền làm cho các symbol liền kề nhau chồng lấn lênnhau ở phía máy thu, tại máy thu sẽ là chồng chập các tín hiệu từ nhiều đường khácnhau Hiện tượng này gọi là nhiễu liên kí tự ISI (Inter Symbol Interference) Thờigian trễ truyền (trải trễ) được tính theo công thức (τ = ∆s/c), với khoảng thời giancủa một mẫu tín hiệu thì đây là một khoảng chênh lệch rất đáng kể

Hình 2.6 Ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự

Để giải quyết vấn đề này người ta dùng phương pháp chèn khoảng bảo vệ giữahai symbol liền kề nhau Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mởrộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu Mỗi ký hiệu khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ,

có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một sốnguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó Do vậy việc đưa vào các bản copy của kíhiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối.Như vậy việc sao chép đoạn cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi

ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn

Hình 2.7 Chèn khoảng bảo vệ vào giữa 2 symbol

Không có phương pháp nào là trọn vẹn, khi ta chèn khoảng bảo vệ thì vấn đề vềhiệu suất băng tần lại bị ảnh hưởng Vì vậy việc chèn khoảng bảo vệ cần được hạnchế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, đồng thời nó phải dài hơn khoảng trảitrễ để có thể loại bỏ được nhiễu liên kí tự

2.2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của điều chế trong OFDMA

Có hai phương pháp được sử dụng để điều chế trong kỹ thuật OFDMA là QAM và M_PSK Mỗi cái đều có mỗi thế mạnh riêng, tùy vào các trường hợp cụthể khác nhau mà người ta áp dụng kiểu điều chế nào

M-Điều chế PSK(Phase Shift Keying) là phương thức điều chế mà pha của tín hiệusóng mang cao tần biến đổi theo tín hiệu băng gốc

+ Ưu điểm : biên độ của tín hiệu khồng đổi trong quá trình truyền dẫn, nênvấn đề khuếch đại trước khi truyền đi là dễ dàng và hiệu quả hơn Đặc biệt là trong

thông tin di động công suất truyền bị khống chế Khi số pha tăng lên thì cho phépgiảm tốc độ bit truyền nhưng vẫn đảm bảo được dung lượng cho trước, điều này sẽlàm giảm băng thông, cho phép truyền được nhiều kênh thông tin.

+ Nhược điểm : khi số pha tăng lên (M lớn) thì các tổ hợp bit sẽ càng gầnnhau hơn, nghĩa là sẽ làm tăng khả năng mắc lỗi của hệ thống Do đó để đảm bảođược chất lượng người ta phải tăng công suất truyền

Điều chế M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) : là phương pháp điềuchế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha hay còn gọi là điều chế biên độcầu phương

+ Ưu điểm : nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái của sóng mang đãcách xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm ngoài ra nó còn yêu cầu băng tầnthấp nên sử dụng hiệu quả băng tần truyền dẫn

+ Nhược điểm : trong phương pháp điều chế này méo phi tuyến và méoxuyên kênh tăng, tỉ lệ lỗi bit tăng nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi đồng thời

bộ điều chế cũng sẽ phức tạp hơn so với các phương pháp điều chế riêng lẻ Do biên

độ của các tín hiệu thay đổi nên dùng QAM sẽ gặp khó khăn khi phải truyền côngsuất lớn (do tỉ số giữa công suất tín hiệu max/min khi truyền đi là lớn hơn 1) Cụ thể

là để khuếch đại tín hiệu nhỏ tốt thì các tín hiệu lớn khi đi qua bộ khuếch đại sẽ làm

nó làm việc ở chế độ bão hòa nên đầu ra bộ khuếch đại sẽ bị méo Ngược lại để

khuếch đại tín hiệu lớn mà không bị méo thì điểm làm việc của nó phải gần với gốctọa độ, điều này làm hiệu suất bộ khuếch đại giảm đáng kể.

2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDMA

2.2.3.1 Ưu điểm

Tăng hiệu quả sử dụng băng thông, nhờ các sóng mang con trực giao với nhaunên tiết kiệm đáng kể lượng băng tần sử dụng

Hình 2.8 Ưu thế của OFDMA trong việc sử dụng hiệu quả băng thông

Bền vững với fading chọn lọc tần số do các kí hiệu có băng thông hẹp nên mỗisóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng

Chống được ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùngvới việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM Rất hiệu quả trong cácmôi trường truyền dẫn đa đường

Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.Điều này giúp OFDMA chứng tỏ được những ưu điểm của nó trên các hệ thống

thông tin di động, vừa đáp ứng được nhu cầu về tốc độ đồng thời hệ thống lại đơngiản hơn, rất phù hợp với thực tế.

Với chuẩn OFDM thì việc truyền tới các thiết bị đầu cưới bị hạn chế và có thể

bị thu hẹp băng tần gây ra nhiễu và fading, chính nguyên nhân này mà 3GPP đã sửdụng OFDMA kết hợp với đa truy caapk phân chia theo thời gian cho đa truy cậpđường xuống

OFDMA cho phép các tập sóng mang con được cấp phát động giữa các UEkhác nhau trên kênh truyền Nhờ đó mà hệ thống đã tăng được công suất giúpchống fading lựa chọn tần số

Hình 2.9 OFDM và OFDMA trong miền tần số và thời gian

Kỹ thuật OFDMA chia băng tần thành nhiều các băng tần con mà mỗi băng tầncon cụ thể là một sóng mang con Sự khác biệt của OFDMA so với OFDM chính làmỗi trạm thuê bao không sử dụng hết toàn bộ không gian sóng mang con mà chúngđược chia cho nhiều UE sử dụng trong cùng một thời điểm Mỗi UE sẽ được cấpcho một hoặc một vài sóng mang con hay còn được gọi là kênh con hóa OFDMA

xử lý rất thông minh, công suất phát chỉ phục vụ cho những sóng mang con đangđược sử dụng Trong quá trình truyền dẫn thì mỗi một UE sẽ được sử dụng mộtkênh riêng.OFDMA là một dạng cải tiến của kỹ thuật OFDM, nó là kỹ thuật đa truycập vào kênh truyền của OFDM

2.2.3.2 Nhược điểm

- Nhạy với dịch tần số

+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóngmang phụ