Đánh giá hiệu năng kỹ thuật sc fdma và phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống lte

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA thông qua các phương pháp sắp xếp sóng mang con, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR, tỷ lệ lỗi ký hiệu SER s

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KỸ THUẬT SC-FDMA

VÀ PHÂN PHỐI TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG LÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH   Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS HÀ HOÀNG KHA

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LƯƠNG VINH QUỐC DANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 01 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số : 60 52 70

I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KỸ THUẬT SC-FDMA VÀ PHÂN PHỐI TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG LÊN TRONG HỆ THỐNG LTE

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA thông qua các phương pháp sắp xếp sóng mang con, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR), tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) so với kỹ thuật OFDMA trong hệ thống LTE

- Tìm hiểu kiến trúc mạng, giao diện vô tuyến và lưới tài nguyên đường lên FDMA Từ đó, đưa ra cách phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống 3GPP LTE dựa vào phương pháp tối ưu (BIP) và phương pháp cận t i  u c a Greedy. 

SC-III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31.12.2014

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hồng Liên đã hướng dẫn tôi tìm hiểu được vấn đề và thực hiện luận văn này Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Đện - Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã cung cấp kiến thức, tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Xin chân thánh cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện nghiêm túc và giúp đỡ tôi hoàn chỉnh luận văn này

Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cùng sát cánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề khoa học nảy sinh khi nghiên cứu, để tôi có được lời giải đáp tiếp tục hướng nghiên cứu để đạt kết quả cuối cùng

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình đã động viên khích lệ tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đồ án

Trong quá trình làm đồ án dù đã nỗ lực cố gắng nhiều nhưng do hiểu biết và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những

ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn

TPHCM, ngày 31 tháng 12 năm 2014

ĐẶNG CÔNG NHO

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mạng 3GPP LTE sử dụng đa truy nhập đơn sóng mang SC-FDMA cho đường lên

và đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA cho đường xuống Trong FDMA các ký hiệu được sắp xếp trên các sóng mang con và được phát đi lần lượt thay

SC-vì phát đi song song như trong OFDMA, SC-vì thế các tín hiệu SC-FDMA có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) và tỷ số lỗi ký hiệu (SER) nhỏ hơn OFDMA Khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất dẫn đến tăng vùng phủ sóng và giãm chi phí của thiết bị đầu cuối

Mặt khác, SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp sóng mang con khác nhau cho phép linh hoạt trong các chế độ và điều kiện truyền dẫn khác nhau Những thay đổi về mặt thực thi hệ thống của SC-FDMA dẫn tới việc phân phối tài nguyên trong hệ thống cũng bị thay đổi Trong luận văn này chúng ta đánh giá hiệu năng của SC-FDMA so với OFDMA trong đường lên của hệ thống LTE

The 3rd generation partnership project (3GPP) long term evolution (LTE) standard uses single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) scheme for the uplink transmissions and orthogonal frequency division multiplexing access (OFDMA) in downlink In SC-FDMA, symbols are arranged in subcarriers and transmitted one after another instead of transmitting parallel as OFDMA, therefore SC-FDMA signals have peak-to-average power ratio (PAPR) and symbol error rate (SER), which are lower than that of OFDMA Low PAPR increase the performance of power amplifier result in increasing radio wave range and decreacing cost for users

In the other hand, SC-FDMA have sevral different subcarrier mapping to authorize flexible mode and different transmission condition There is some change about implement in the SC-FDMA system result in resource allocation in system is changed In this thesis, we evaluate the efficiency of SC-FDMA technique compared with OFDMA in uplink of LTE system

.  LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, từ các ebook về hệ thống LTE, kỹ thuật SC-FDMA, kỹ thuật OFDMA dựa trên nền tảng OFDM, các ebook về phân tích tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR, hiệu năng trong hệ thống LTE, phân phối tài nguyên đường lên trong SC-FDMA và kèm theo các giải thuật Các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận văn là thành quả lao động của cá nhân dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS.T Phạm Hồng Liên, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè trong lớp cao học khóa 2012-2014 Đại Học Bách Khoa TP HCM tổ chức tại Cần Thơ Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất kỳ một công trình nào đã có từ trước

Mục lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU xi

Chương 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 3GPP LTE 2

1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 2

1.2 Các mục tiêu yêu cầu của LTE .3

1.2.1 Tiềm năng công nghệ 3

1.2.2 Hiệu năng của hệ thống .4

1.3 Các tính năng quan trọng của LTE .5

1.3.1 Sơ đồ truyền dẫn .5

1.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh 6

1.3.3 Điều phối nhiễu giữa các ô .7

1.3.4 HARQ với kết hợp mềm 7

1.3.5 Hỗ trợ quảng bá và đa phương .7

1.3.6 Thích ứng đường truyền .8

1.4 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 8

1.5 Kết luận chương .10

Chương 2: CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG LTE 11

2.1 Các kỹ thuật truy nhập trong LTE .11

2.1.1 Nguyên lý OFDM .11

2.1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM .12

2.1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 14

2.1.2 Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA 15

2.1.3 Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA 17

2.1.4 Mã hóa Turbo .19

2.1.5 Kỹ thuật đa anten .19

2.1.6 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói 20

2.2 Một số đặc tính kênh truyền .21

2.2.1 Sự suy giãm tín hiệu 21

2.2.2 Trãi trễ đa đường .21

2.2.3 Các loại Fading 21

2.2.3.1 Rayleigh fading 21

2.2.3.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng .21

2.2.4 Dịch tần Doppler 22

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI 22

2.2.6 Nhiễu MAI với LTE 23

2.3 Kết luận chương .23

Mục lục

Chương 3: KỸ THUẬT SC-FDMA TRONG 3GPP LTE 25

3.1 Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA .25

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA 25

3.1.2 Các phương pháp sắp xếp sóng mang con 29

3.1.3 Biểu diễn tín hiệu SC-FDMA trong miền thời gian .31

3.1.3.1 Các ký hiệu miền thời gian của IFDMA .31

3.1.3.2 Các ký hiệu miền thời gian LFDMA .32

3.1.3.3 Các ký hiệu miền thời gian DFDMA .33

3.2 Đặc tính công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu SC-FDMA .35

3.2.1 Định nghĩa tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình – PAPR .35

3.2.2 PAPR của tín hiệu SC-FDMA 35

3.2.3 SC-FDMA với tạo dạng phổ 36

3.3 Các lớp giao thức và các kênh .38

3.4 Phương án truyền thông LTE ở đường lên .41

3.4.1 Các tham số SC-FDMA 41

3.4.1.1 Cấu trúc thời gian và tần số 41

3.4.1.2 Khung và khe thời gian .41

3.4.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên 45

3.4.3 Xử lý kênh vật lý đường lên cơ sở 45

3.5 Phương án truyền thông LTE ở đường xuống .48

3.5.1 Các tham số OFDMA .48

3.5.2 Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống .49

3.6 So sánh SC-FDMA và OFDMA .50

3.7 Kết luận chương .51

Chương 4: PHÂN PHỐI TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG LÊN TRONG HỆ THỐNG LTE 53

4.1 Giới thiệu về quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng 3GPP 53

4.2 Nguyên tắc phân phối tài nguyên đường lên trong LTE 53

4.3 Mô hình hệ thống .56

4.4 Bài toán tối đa hóa tốc độ theo trọng số 57

4.5 Tối thiểu hóa kênh con sử dụng .61

4.6 Kết luận chương .63

Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 66

5.1 Mô phỏng hiệu năng hai hệ thống SC/FDE và OFDM 66

5.2 Mô phỏng các mô hình sắp xếp sóng mang con .69

5.3 Mô phỏng đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu SC-FDMA .70

5.4 Mô phỏng tỷ lệ lỗi ký hiệu trong hệ thống SC-FDMA 75

5.4.1 Sơ đồ thuật toán .76

5.4.2 Kết quả mô phỏng với các kênh truyền dẫn khác nhau 77

5.4.2.1 Mô hình kênh không di chuyển 77

Mục lục

5.4.2.2 Mô hình kênh người đi bộ 78

5.4.2.3 Mô hình kênh người di chuyển tốc độ cao 78

5.5 Mô phỏng thuật toán phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE 79

5.5.1 Mô phỏng thuật toán tối đa hóa tốc độ theo trọng số .79

5.5.2 Mô phỏng thuật toán tối thiểu kênh con sử dụng .80

5.6 Kết luận chương .81

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

6.1 Kết luận 82

6.2 Hướng phát triển của đề tài .82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 85 

Thuật ngữ viết tắt

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lập biểu đường lên và đường xuống……… 6 

Hình 1.2 Điều phối nhiễu giữa các ô……… 7 

Hình 1.3 Điều chế thích nghi……….8 

Hình 2.1 Mô tả sự trực giao trong OFDM……… 11 

Hình 2.2 So sánh giữa FDM và OFDM………12 

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 12 

Hình 2.4 Nhiễu ISI……….14 

Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ CP……… 14 

Hình 2.6 Lưới tần số - thời gian OFDM……… 15 

Hình 2.7 Tổng quan hệ thống OFDMA……….16 

Hình 2.8 Sóng mang con OFDMA……….16 

Hình 2.9 OFDM và OFDMA……… 17 

Hình 2.10 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM……….18 

Hình 2.11 Máy thu OFDM và SC/FDE……….18 

Hình 2.12 So sánh ký hiệu SC/FDE và OFDM………19 

Hình 2.13 Ba cơ sở của kĩ thuật đa anten: (a) Phân tập; (b) Tạo búp; (c) Ghép kênh……… 19 

Hình 2.14 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO………20 

Hình 2.15 a) Fading phẳng b) Fading chọn lọc tần số……… 22 

Hình 2.16 Mô tả hiệu ứng Doppler………22 

Hình 3.1 Cấu trúc bộ phát và thu SC-FDMA, OFDMA………25 

Hình 3.2 Cấu trúc bộ phát SC-FDMA……… 26 

Hình 3.3 Minh họa việc chèn CP………27 

Hình 3.4 Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA……….28 

Hình 3.5 Cấu trúc máy thu SC-FDMA……… 28 

Hình 3.6 Các chế độ sắp xếp sóng mang con……… 29 

Hình 3.7 Các mô hình sắp xếp sóng mang con………30 

Hình 3.8 Các phương pháp sắp xếp sóng mang con……… 30 

Hình 3.9 Các ký hiệu truyền dẫn SC-FDMA trong miền thời gian……….34 

Hình 3.10 Mối quan hệ về mặt lý thuyết giữa PAPR và hiệu quả công suất phát đối với bộ khuếch đại lớp A và lớp B lý tưởng………35 

Hình 3.11 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA……….36 

Hình 3.12 Miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-cosin……….37 

Hình 3.13 Bộ lọc Root Raise-Cosin……… 37 

Hình 3.14 Phân bố PAPR với hệ số ……….38 

Thuật ngữ viết tắt

Hình 3.15 Kiến trúc giao thức LTE………38 

Hình 3.16 Các kênh đường xuống……… 40 

Hình 3.17 Các kênh đường lên………41 

Hình 3.18 Cấu trúc khung truyền dẫn FDD……….41 

Hình 3.19 Cấu trúc khung truyền dẫn TDD……….42 

Hình 3.20 Lưới tài nguyên đường lên………43 

Hình 3.21 Sắp xếp của một khối tài nguyên vật lý trong miền tần số……….44 

Hình 3.22 Xử lý kênh vật lý cơ sở đường lên ……… 45

Hình 3.23 Máy phát SC-FDMA tổng quát……….45

Hình 3.24 Điều chế sóng mang và nâng tần………47 

Hình 3.25 Cấu trúc khe thời gian của kênh PUSCH trong miền tần số với cấu hình truyền dẫn 5MHz………47 

Hình 3.26 Cấu trúc khe thời gian đường lên của kênh PUSCH trong miền thời gian với cấu hình truyền dẫn 5MHz……….47 

Hình 3.27 Cấu trúc khung kiểu 1………48 

Hình 3.28 Cấu trúc khung loại 2………48 

Hình 3.29 Lưới tài nguyên đường xuống……… 48 

Hình 3.30 Ghép kênh thời gian – tần số OFDMA……… 49 

Hình 3.31 Cấu trúc bộ thu SC-FDMA và OFDMA……….50 

Hình 3.32 So sánh OFDMA và SC-FDMA truyền 1 chuỗi ký hiệu dữ liệu QPSK……50 

Hình 4.1 Cấp phát tài nguyên đường lên được điều khiển bởi bộ lập biểu ở eNodeB.54  Hình 4.2 Tốc độ dữ liệu giữa các TTI theo hướng đường lên……… 54 

Hình 4.3 Cấu trúc khe thời gian đường lên với tiền tố vòng ngắn và dài……… 55 

Hình 4.4 ghép kênh các thông tin điều khiển và dữ liệu………55 

Hình 5.1 Lưu đồ mô phỏng SC/FDE……….66 

Hình 5.2 Lưu đồ mô phỏng kỹ thuật OFDM………66 

Hình 5.3 Mô phỏng SER của hệ thống SC/FDE trong các mô hình kênh khác nhau và sử dụng các phương pháp cân bằng kênh khác nhau……… 68 

Hình 5.4 Mô phỏng tỷ số lỗi ký hiệu của hệ thống SC/FDE và OFDM……… 68 

Hình 5.5 Lưu đồ mô phỏng hệ thống SC-FDMA……….69 

Hình 5.6 Minh họa băng con cục bộ cho kênh ITU pedA……… 70 

Hình 5.7 Mô phỏng so sánh SER giữa hai mô hình sắp xếp sóng mang con………….70 

Hình 5.8 Lưu đồ mô phỏng đặc tính PAPR……… 71 

Hình 5.9 Mô phỏng kiểu điều chế Q-PSK không tạo dạng xung……… 72 

Hình 5.10 Mô phỏng kiểu điều chế 16QAM không tạo dạng xung……… 72 

Hình 5.11 Mô phỏng kiểu điều chế Q-PSK có tạo dạng xung……… 73 

Hình 5.12 Mô phỏng kiểu điều chế 16QAM có tạo dạng xung……….73 

Thuật ngữ viết tắt

Hình 5.13 Mô phỏng CCDF của PAPR cho LFDMA và OFDMA điều chế Q-PSK 74 

Hình 5.14 Mô phỏng CCDF của PAPR cho LFDMA và OFDMA điều chế 16QAM 75 

Hình 5.15 Sơ đồ thuật toán SER trong hệ thống SC-FDMA……….76 

Hình 5.16 Hệ thống thu phát SC-FDMA-FDMA……….77 

Hình 5.17 Mô phỏng SER với kênh không di chuyển……….77 

Hình 5.18 Mô phỏng so sánh SER với kênh di chuyển chậm………78 

Hình 5.19 Mô phỏng so sánh SER với kênh di chuyển tốc độ cao………78 

Hình 5.20 Phân bố tích lũy tốc độ tổng trong các thuật toán phân phối tài nguyên…79  Hình 5.21 Phân bố tích lũy số sóng mang con sử dụng trong các thuật toán phân phối tài nguyên……….80 

Thuật ngữ viết tắt

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

phân BMNS Block Allocation for Minimum

Number of Subchannels

Gán khối với số lượng kênh con nhỏ nhất

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm phát đáp gốc

CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng 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 tán DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống

DSP Digital Signal Procesing Xử lý tín hiệu số

E

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio

Access Network

Mạng đa truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu tăng cường

F

Thuật ngữ viết tắt

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần sốFDE Frequency Domain Equalization Cân bằng trong miền tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần

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

số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

G

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

H

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động linh

hoạt HSDPA High Speed Downlink packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

I

IBI Inter – Block Interference Nhiễu liên khối

ICI Inter-carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

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 xen

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

ITU International Telecommunication

MCCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển Multicast

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

Thuật ngữ viết tắt

nhất MTCH

O

Multicast Traffic Channel Kênh lưu lượng multicast

OFDM Orthogonal Frequency Division

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

lý PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống vật lý PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PMCH Physical Multicast Channel Kênh multicast vật lý

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

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

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

Q

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quaternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

R

RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network System Hệ thống mạng vô tuyến

RS Reference Signal Tín hiệu tham chiếu (hoa tiêu)

S

SC/FDE Single Carrier with Frequency Domain Đơn sóng mang / Cân bằng

Thuật ngữ viết tắt

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division

SIM Subscriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

T

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời

gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian

TS Technical Specification 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

cầu UTRAN Universal Terrestrial Radio Access

dữ liệu Để đáp ứng nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao, các hệ thống thông tin

di động không ngừng cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới Cùng với sự phát triển nhanh chóng các thuê bao di động thì nhu cầu về chất lượng, tốc độ truyền tải dữ liệu ngày càng cao, đặc biệt là các thiết bị di chuyển với tốc độ cao đòi hỏi một hệ thống thông tin đi động mới có thể đáp ứng các nhu cầu cấp thiết này, đó là các hệ thống 3G Đặc biệt là 3G LTE, một công nghệ di động mới đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, nhằm đảm bảo tính cạnh tranh của mạng 3G trong vòng vài năm tới Mặc dù 3GPP đã phát triển HSPA để tăng tốc độ dữ liệu (tốc độ tối đa có thể là 14.4 Mbps), nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp tốt những dịch vụ như video, TV di động Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của WiMAX cũng như nhu cầu cung cấp dịch vụ băng thông rộng ngày càng cao, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 này

Điều đâu tiên cần lưu ý khi nói đến LTE là sự thay đổi trong tần số và băng thông

sử dụng, LTE có thể sử dụng băng thông linh hoạt từ 1,25 MHz đến 20 MHz Các băng thông này đặc biệt hữu ích trong những thị trường có độ phủ thưa thớt hoặc những nới có rất nhiều tần số sử dụng có sẵn Tất nhiên kênh rộng hơn, cao hơn có nghĩa là tốc độ dữ liệu tốt hơn, tiếp cận với một người sử dụng nhiều hơn (nếu tất cả các yếu tố khác được coi là giống nhau) Các nhà mạng lựa chọn băng tần tùy thuộc vào quốc gia và quy định sử dụng băng tần của đất nước đó

Trong khi WiMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE sử dụng công nghệ OFDMA cho truyền dẫn đường lên và đường xuống thì công nghệ LTE được 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 Trong SC-FDMA các ký hiệu phát đi lần lượt thay vì phát đi song song như trong OFDMA, vì thế cách sắp xếp này làm giãm đáng kể sự thăng gián của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Do đó, các tín hiệu SC-FDMA

có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảm bảo tốc độ và độ phức tạp tương đương như trong hệ thống OFDMA, khi PAPR thấp làm tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất dẫn đến tăng vùng phủ sóng và chi phí máy đầu cuối giãm thấp  

Trong quyển sách [2] các tác giả mô tả một cách tổng quan về công nghệ 3GPP LTE, có một số tính năng vượt trội so với công nghệ Wimax và các công nghệ khác trong hệ thống di động Kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE sử dụng bộ cân bằng

Phần mở đầu

trong miền tần số ở bộ thu, làm giãm đi lỗi ký hiệu do sự ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số Hơn nữa, SC-FDMA có nhiều kiểu sắp xếp sóng mang con khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều kiện truyền dẫn khác nhau, những thay đổi

về mặt thực thi hệ thống của SC-FDMA so với OFDMA cũng dẫn tới việc phân phối tài nguyên trong hệ thống cũng bị thay đổi

Trong bài báo [10] phân tích thông số PAPR trong hệ thống 3GPP LTE sử dụng mạch lọc Raise cosine để đánh giá được hiệu năng của kỹ thuật SC-FDMA so với OFDMA Đồng thời, SC-FDMA cũng cải thiện hiệu quả công suất trung bình ở thiết

bị đầu cuối do PAPR thấp Mặt khác, bài báo [1] cũng trình bày sự phụ thuộc tỷ lệ lỗi

ký hiệu (SER) trong mô hình kênh fading của SC-FDMA và OFDMA để đánh giá hiệu năng của chúng

Trong bài báo [6] đã đưa ra các mô hình toán học số nguyên nhị phân, các giải thuật của Greedy, Round Robin về việc phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE có những ràng buộc về công suất, tính lân cận, tính dành riêng của các kênh con,…Trong bài báo [7] trình bày các bài toán cụ thể trong việc phân phối tài nguyên đường lên SC-FDMA như là bài toán tối đa hóa tốc độ theo trọng số, tối thiểu hóa các kênh con sử dụng, tổng công suất cực tiểu

Xuất phát từ những vấn đề trên em chọn đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ là: “Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA và phân phối tài nguyên đường

lên trong hệ thống LTE”

- Mô phỏng các phương pháp đã trình bày trên Matlab

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Lý thuyết tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

- Kỹ thuật SC-FDMA, OFDMA mà nền tảng OFDM

- Các phương pháp sắp xếp sóng mang con như: LFDMA, IFDMA, DFDMA trong

hệ thống LTE

- Các giải thuật tối ưu BIP và giải thuật cận tối ưu Greedy trong việc phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE

- Xây dựng mô hình mô phỏng PAPR, SER của SC-FDMA so với OFDMA

4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các tài liệu đã xuất bản, các bài báo khoa học và một số tài liệu chia sẻ trên website về công nghệ 3GPP LTE để:

+ Tìm hiểu công nghệ 3GPP LTE so với các công nghệ khác như Wimax, HSPA,… + Phân tích, đánh giá, so sánh các tính năng vượt trội của kỹ thuật SC-FDMA đường lên trong LTE so với kỹ thuật OFDMA

Phần mở đầu

+ Nghiên cứu các thuật toán phân phối tài nguyên

- Kết hợp với mô phỏng để làm sáng tỏ các vấn đề nêu ra

5 Bố cục luận văn

Chương 1: Tổng quan về 3GPPLTE

Trình bày tổng quan về 3GPP LTE, các mục tiêu yêu cầu của LTE, các tính năng quan trọng của LTE

Chương 2: Các kỹ thuật truy cập vô tuyến trong LTE

Nội dung chương trình bày về các kỹ thuật truy cập vô tuyến như: OFDM, FDMA, MIMO, mã hóa Turbo, thích ứng đường truyền Ngoài ra còn trình bày một cách khái quát các đặc tính kênh truyền trong công nghệ LTE

SC-Chương 3: Kỹ thuật SC-FDMA trong 3GPP LTE

Chương này đi sâu các đặc điểm kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA, cùng với các cách sắp xếp sóng mang con khác nhau đem lại độ linh hoạt cao trong truyền dẫn, phân tích đặc tính PAPR của tính hiệu SC-FDMA So sánh kỹ thuật SC-FDMA với kỹ thuật OFDMA Khái quát về kênh vật lý, cấu trúc về mặt thời gian tần số ở đường lên trong quá trình xử lý tín hiệu

Chương 4: Phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE

Trong chương này, sẽ trình bày về ba bài toán phân phối 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 phối tài nguyên

Chương 5: Mô phỏng đánh giá kỹ thuật SC-FDMA và phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE

Chương 5 dựa vào các kết quả nghiên cứu, xây dựng thuật toán,viết chương trình

mô phỏng, đánh giá PAPR, môi trường truyền và SER của lược đồ truyền dẫn FDMA với các kiểu sắp xếp sóng mang khác nhau với lược đồ truyền dẫn OFDMA Mặt khác, chương này sẽ đưa ra các mô hình thực hiện mô phỏng cho hệ thống SC-FDMA và các thuật toán phân phối 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

SC-Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Được sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của PGS.TS Phạm Hồng Liên, 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

TP Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 12 năm 2014

Đặng Công Nho 

Phần 1: Lý thuyết tổng quan

PHẦN 1:

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 3GPP LTE

Ngày nay, sự phát triển của thị trường viễn thông đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai Mặc dù các hệ thống thông tin di động thuộc thế hệ 2.5G và 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE do 3GPP phát triển Chương này

sẽ giới thiệu về LTE và những yêu cầu cho LTE như: tiềm năng công nghệ, hiệu năng

hệ thống, sau cùng so sánh công nghệ LTE và công nghệ Wimax

1.1 Giới thiệu công nghệ LTE

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G, 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ có hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, nên người sử dụng dịch vụ dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM Mục tiêu của hệ thống cung cấp lưu lượng chuyển mạch gói chất lượng cao, độ trễ tối thiểu và sử dụng băng thông linh hoạt nhờ vào mô hình đa truy cập OFDMA và SC-FDMA Truy cập đường lên dựa vào đa truy cập phân chia theo tần

số đơn sóng mang SC-FDMA cho phép tăng vùng phủ đường lên làm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình thấp so với OFDMA Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thống LTE được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của LTE

Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4 Đường xuống : 173 và 326 Mb/s tương ứng với cấu hình MIMO 2 * 2 và 4 * 4

Tốc độ dữ liệu đỉnh

trong 20Mhz

Đường lên : 86Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten Điều chế QPSK; 16 QAM và 64 QAM

Mã hóa kênh Mã turbo

Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng; điều khiển

công suất; ICIC và ARQ hỗn hợp

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

1.2 Các mục tiêu yêu cầu của LTE

Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau:

1.2.1 Tiềm năng công nghệ

a Tốc độ số liệu đỉnh và hiệu quả sử dụng phổ tần

Tốc độ dữ liệu đỉnh có thể được định nghĩa như thông lượng tối đa trên người dùng giả sử toàn bộ băng thông được cấp cho một người dùng với kiểu điều chế và mã hóa cao nhất và số anten lớn nhất được hỗ trợ, mào đầu giao diện vô tuyến đặc trưng

đã được ước lượng và tính toán trong những giới hạn đã cho Với các hệ thống TDD, tốc độ đỉnh thường được tính toán phân biệt cho đường lên và đường xuống, điều này dẫn đến có thể đạt được một tỉ số đường xuống, đường lên tương ứng và đánh giá mức

độ tốt của hệ thống khi so với các hệ thống khác trong cùng mode song công Hiệu quả

sử dụng phổ tần đơn giản tính được bằng cách chia tốc độ dữ liệu đỉnh cho phổ tần được cấp phát

Tốc độ dữ liệu đỉnh mà LTE hướng tới là 100Mbps và 50Mbps cho đường xuống

và đường lên tương ứng, với băng thông 20MHz, hiệu quả phổ tần tương ứng lần lượt

là 5bps/Hz và 2.5 bps/Hz, với giả sử rằng thiết bị đầu cuối có 2 anten thu và 1 anten phát Số anten được sử dụng tại trạm gốc có thể dễ dàng được nâng cấp bởi các nhà khai thác mạng, phiên bản đầu tiên của LTE đã được thiết kế hỗ trợ đa anten đường xuống lên tới 4 anten phát và thu

b Trễ mặt phẳng người sử dụng

Trễ mặt phẳng người dùng là một tham số hiệu năng quan trọng cho các dịch vụ tương tác và các dịch vụ thời gian thực Trên giao diện vô tuyến, trễ mặt phẳng người dùng tối thiểu có thể được tính dựa trên phân tích báo hiệu trong trường hợp hệ thống không tải Nó được định nghĩa như thời gian trung bình giữa gói phát và thu đầu tiên của phản hồi lớp vật lý (ACK), bao gồm cả tỉ lệ phát lại HARQ (khoảng 0 – 30%) Định nghĩa này có thể được xem như khả năng của hệ thống mà không bị tác động bởi trễ lập lịch xuất hiện trong trường hợp hệ thống có tải Trễ vòng (round – trip) có thể được tính đơn giản bằng cách nhân trễ mặt phẳng người dùng một chiều với hệ số 2 LTE yêu cầu trễ chấp nhận được trên một gói dữ liệu lớp IP một chiều qua giao diện vô tuyến tối đa là 5ms trong các điều kiện tối ưu Tuy nhiên, thực tế thì điều này cũng còn tùy vào tải hệ thống và điều kiện truyền, ví dụ HARQ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần tuy nhiên lại gây độ trễ khi yêu cầu phát lại, trong khi ở một khía cạnh khác, khi hiệu quả sử dụng phổ tần không quan trọng thì trễ tối thiểu được đặt lên hàng đầu

c Trễ mặt phẳng điều khiển

Cùng với yêu cầu trễ mặt phẳng người dùng, thời gian thiết lập cuộc gọi cũng được yêu cầu phải thấp hơn so với các hệ thống di động tổ ong tồn tại trước đó Điều

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

dài thời gian phục vụ của nguồn nuôi trong các thiết bị đầu cuối, do chuyển đổi nhanh

từ chế độ rỗi sang chế độ hoạt động sẽ giúp UE tiết kiệm được nhiều thời gian hơn ở

trong chế độ rỗi, tiêu thụ công suất thấp

Trễ mặt phẳng điều khiển được tính như thời gian yêu cầu để thực hiện việc

chuyển đổi giữa các trạng thái của LTE, mà chỉ gồm 2 trạng thái là RRC_IDLE và

RRC_CONNECTED, trong LTE tham số này được yêu cầu là ít hơn 100ms khi

chuyển trạng thái (ngoại trừ trễ tìm gọi và trễ các lớp không phải truy nhập)

1.2.2 Hiệu năng của hệ thống

a Thông lượng

Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng

phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn)

Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả trong đó hiệu xuất phổ tần được định

nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz

Bảng 1.2 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE

trên đường xuống và HSDPA

Hiệu suất phổ tần(bit/Hz/s) 0,75 1,84 3-4 lần HSDPA/ đạt 2,5

Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,0148 2-3 lần HSDPA/đạt 2,5

Bảng 1.3 So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE

trên đường lên và HSDPA

Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) 0,26 0,67 2-3 lần HSUPA/ đạt 2,6

Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,015 2-3 lần HSDPA/đạt 2,5

b Khả năng di động

Trong giới hạn di động, hệ thống LTE yêu cầu hỗ trợ truyền thông giữa các đầu

cuối di động lên tới 350km/h, thậm chí 500km/h phụ thuộc vào băng tần cấp phát

Trường hợp này xuất hiện chủ yếu ở các máy di động trên các tàu cao tốc hiện đang

ngày càng phổ biến trên thế giới Điều này có nghĩa là chuyển giao (handover) giữa

các ô phải được thực hiện mà không có ngắt quãng, nói cách khác, không thể cảm

nhận được trễ và mất gói cho các cuộc gọi, đồng thời với truyền dẫn tin cậy cho các

dịch vụ dữ liệu

c Vùng phủ

Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ, tức là khoảng cách cực đại từ

trạm ô tới đầu cuối di động trong ô Hiệu suất, phổ tần và thông lượng yêu cầu cho các

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

ô bán kính 5km, với các ô bán kính tới 30km cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng tính di động

d MBMS tăng cường

Trong mạng quảng bá, tài nguyên vô tuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu cuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này Mạng không cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng ký có thể thu nội dung mà không cần thông báo cho mạng Như vậy, một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho nhiều người sử dụng

Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cấp tới chế độ Broatcast và chế độ unicast Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16 kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau

e Dung lượng thoại

Không giống như các lưu lượng hàng đợi hoàn toàn (như tải file) đặc trưng bởi khả năng chịu trễ và không yêu cầu đảm bảo tốc độ bit, lưu lượng thời gian thực như thoại trên nền IP (VoIP) bắt buộc trễ thấp Đây là một thách thức lớn cho các dịch vụ trên LTE vốn dựa trên nền chuyển mạch gói và chỉ dựa vào lập lịch thích ứng để giải quyết Dung lượng hệ thống yêu cầu được định nghĩa như số thuê bao VoIP được thỏa mãn đồng thời trong mô hình lưu lượng cụ thể và trễ bắt buộc cho trước Ở đây, một người dùng VoIP được xem như không được thỏa mãn nếu hơn 2% số gói VoIP không đến được máy thu trong 50ms và bị hủy Giả sử rằng trễ đầu cuối (từ máy di động này tới máy di động khác) nhỏ hơn 200ms Dung lượng hệ thống cho VoIP có thể được xem như số người dùng hiện tại trên một ô khi trên 95% số người dùng được phục vụ

1.3 Các tính năng quan trọng của LTE

1.3.1 Sơ đồ truyền dẫn

Sơ đồ truyền dẫn đường xuống của LTE là OFDMA dựa trên công nghệ OFDM, OFDM là một sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với chu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số của kênh vô tuyến cao hơn Khả năng đề kháng chống pha đinh chọn lọc sẵn có

là một giải pháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian

Một số lợi ích OFDM:

OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức độ tự

do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA

OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểm băng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng cho truyền dẫn

OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương tiện, trong

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải phổ được sử dụng (DFTs-OFDM) Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm PAPR

so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM PAPR càng nhỏ thì công suất phát trung bình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước Vì thế truyền dẫn đơn sóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn và điều này dẫn tới tăng vùng phủ Điều này thực sự quan trọng đối với đầu cuối di động

có công suất hạn chế Đồng thời, vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng mang do fading chọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng không phải là vấn đề quan trọng vì nó được thực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh hơn

1.3.2 Lập biểu phụ thuộc kênh

LTE sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên tần số - thời gian được chia sẻ giữa các người sử dụng Việc sử dụng tài nguyên kênh chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh chóng do truyền dẫn gói gây ra Đối với từng thời điểm, bộ lập biểu điều khiển việc người sử dụng nào được ấn định tài nguyên chia sẻ, nó cũng quyết định tốc độ số liệu sẽ được sử dụng cho từng liên kết và thích ứng đường truyền cũng có thể được coi là một bộ phận của bộ lập biểu Cả đường xuống và đường lên đều chịu sự điều khiển chặt chẽ của bộ lập biểu, lập biểu phụ thuộc kênh là đưa ra quyết định dựa trên điều kiện kênh Ngoài miền thời gian, LTE cũng có thể truy nhập tới miền tần số nhờ sử dụng công nghệ OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên Vì thế đối với từng miền tần số bộ lập biểu

có thể chọn người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất

Khả năng lập biểu phụ thuộc kênh trong miền tần số đặc biệt có ích tại tốc độ số liệu thấp, nói một cách khác, khi kênh thay đổi chậm theo thời gian Đối với các dịch

vụ nhạy cảm trễ bộ lập biểu chỉ cho miền thời gian có thể bị buộc lập biểu cho một người sử dụng cho dù chất lượng kênh của người này không tốt lắm Trong trường hợp này, việc khai thác cả thay đổi chất lượng kênh trong miền tần số sẽ hỗ trợ cải thiện tổng hiệu năng của hệ thống Đối với LTE, các quyết định lập biểu được thực hiện một lần trong 1ms, và tính trong miền tần số là 180 Khz Điều này cho phép bộ lập biểu bám theo điều kiện kênh thay đổi khá nhanh

Hình 1.1 Lập biểu đường lên và đường xuống

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

1.3.3 Điều phối nhiễu giữa các ô

LTE đảm bảo tính trực giao cho các người sử dụng trong một ô trên cả đường lên

và đường xuống Vì thế có thể nói rằng hiệu năng liên quan tới hiệu suất sử dụng phổ

của LTE bị giới hạn nhiều hơn bởi các nhiễu đến từ các ô khác (nhiễu giữa các ô) so

với WCDMA/HSPA Nên phương tiện để giảm nhiễu hay để điều khiển nhiễu giữa các

ô sẽ đem lại lợi ích rất to lớn cho hiệu năng LTE (chẳng hạn như tốc độ số liệu) nhất là

đối với người sử dụng tại biên ô

Điều phối nhiễu giữa các ô là một chiến lược vô cùng quan trọng trong đó tốc độ

số liệu tại biên ô được tăng nhờ xét tới nhiễu giữa các người sử dụng Về cơ bản điều

phối nhiễu giữa các ô có nghĩa là đưa ra các hạn chế nhất định (miền thời gian) cho

các bộ lập biểu đường lên và đường xuống để điều khiển nhiễu giữa các ô Bằng cách

hạn chế công suất của một số bộ phận phổ trong một ô, nhiễu trong các ô lân cận trong

phần phổ này sẽ giảm Phần phổ này có thể được sử dụng để cung cấp tốc độ số liệu

cao hơn cho các người sử dụng trong các ô lân cận, về thực chất hệ số tái sử dụng tần

số trong các phần tử khác nhau của ô sẽ khác nhau

Hình 1.2 Điều phối nhiễu giữa các ô

Điều phối nhiễu giữa các ô chủ yếu là một chiến lược lập biểu với xét tới các tình

trạng trong các ô lân cận Như vậy điều phối nhiễu các ô lân cận là một vấn đề của

thực hiện và có lẽ khó đưa vào đặc tả, phụ thuộc vào các yêu cầu của một triển khai cụ

thể

1.3.4 HARQ với kết hợp mềm

Cũng giống như HSPA, HARQ nhanh kết hợp vơi mềm được sử dụng để đầu

cuối có thể yêu cầu phát lại nhanh các khối truyền tải bị mắc lỗi và để cung cấp một

công cụ cho thích ứng số liệu ẩn tàng Các giao thức ở đây cũng giống như giao thức

được áp dụng cho HSPA: Nhiều xử lý HARQ dừng và đợi Để giảm thiểu ảnh hưởng

lên hiệu năng của người sử dụng đầu cuối, các phát lại được yêu cầu nhanh sau mỗi

lần phát gói Tăng phần dư được sử dụng như một chiến lược kết hợp mềm và máy thu

nhớ đệm các bít mềm để có thể thực hiện kết hợp mềm giữa các lần phát

1.3.5 Hỗ trợ quảng bá và đa phương

LTE cải tiến thêm dịch vụ MBMS để cung cấp quảng bá đa phương hiệu quả cao,

bằng cách không chỉ phát các tín hiệu giống nhau tại nhiều ô (với mã hóa và điều chế

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

như nhau) mà còn đồng bộ thời gian giữa các ô, tín hiệu tại đầu cuối sẽ thể hiện hệt như tín hiệu được phát đi từ một ô Do OFDM có khả năng chống fading đa đường tốt, phát đa ô cũng còn được gọi là phát của mạng đa phương quảng bá mạng đơn sóng mang MBSFN Cách này không chỉ cải thiện được cường độ tín hiệu thu mà còn hạn chế được nhiễu giữa các ô Như vậy đối với OFDM thông lượng quảng bá/đa phương

đa ô chỉ có thể bị giới hạn bởi tạp âm gây ra và vì thế trong trường hợp các ô nhỏ có thể đạt được thông lượng này rất cao

Việc sử dụng phát MBSFN cho quảng bá/đa phương đa ô đòi hỏi sự đồng bộ chặt chẽ và đồng chỉnh thời gian cho các tín hiệu được phát đi từ các trạm ô khác nhau

1.3.6 Thích ứng đường truyền

Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông

số truyền dẫn của đường truyền vô tuyến để xử lý thay đổi về chất lượng đường vô tuyến, nó sử dụng điều chế thích nghi (Adaptive modulation) Phương pháp này cho phép hiệu chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống Trong quá trình suy giãm tín hiệu, hệ thống LTE có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và ổn định của đường truyền Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian, đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống

có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế

Hình 1.3 Điều chế thích nghi

Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất

lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn

1.4 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax

Về công nghệ, LTE và WiMax có một số khác biệt nhưng cũng có nhiều điểm tương đồng Cả hai công nghệ đều dựa trên nền tảng IP, cả hai đều dùng kỹ thuật

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

MIMO để cải thiện chất lượng truyền nhận tín hiệu, đường xuống từ trạm thu phát đến thiết bị đầu cuối đều được tăng tốc bằng kỹ thuật OFDM hỗ trợ truyền tải dữ liệu đa phương tiện và video Theo lý thuyết, chuẩn Wimax hiện tại (802.16e) cho tốc độ tải xuống tối đa là 70Mbps, còn LTE dự kiến có thể cho tốc độ đến 300Mbps

Đường lên từ thiết bị đầu cuối đến trạm thu phát có sự khác nhau giữa hai công nghệ, Wimax dùng OFDMA, còn LTE dùng kỹ thuật SC-FDMA Về lý thuyết, SC-FDMA được thiết kế làm việc hiệu quả hơn và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ năng lượng thấp hơn OFDMA

LTE còn có ưu thế hơn WiMax vì được thiết kế tương thích với cả phương thức TDD và FDD Ngược lại, Wimax hiện chỉ tương thích với TDD, TDD truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 1 kênh tần số (dùng phương thức phân chia thời gian), còn FDD cho phép truyền dữ liệu lên và xuống thông qua 2 kênh tần số riêng biệt Điều này có nghĩa LTE có nhiều phổ tần sử dụng hơn WiMax Tuy nhiên, sự khác biệt công

nghệ không có ý nghĩa quyết định trong cạnh tranh giữa WiMax và TLE

Bảng 1.4 So sánh công nghệ LTE và Wimax

Nhìn vào bảng so sánh ở trên sẽ thấy điểm khác nhau nổi bật là 3G LTE sử dụng

kỹ thuật đa truy nhập SC-FDMA cho đường lên thay vì OFDMA như trong WiMAX Song, theo nhiều chuyên gia thì sự khác biệt này lại là một điểm yếu của 3G LTE Thực tế SC-FDMA cho phép cải tiến PAPR tầm 2 dB ở máy phát Tuy nhiên nó lại gây mất tầm 2-3 dB về hiệu suất (performance) truyền thông trên kênh truyền nhiễu fading ở đầu máy thu Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy SC-FDMA thực tế cho một hiệu suất trên kênh lên thấp hơn so với OFDMA

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE

1.5 Kết luận chương

Nội dung của chương trình bày tổng giới thiệu về công nghệ LTE giúp ta có cái nhìn khái quát về công nghệ, tiếp theo đó là các mục tiêu yêu cầu của LTE, nhằm cải thiện các thông số hiệu năng so với các công nghệ trước đó Ngoài ra, các tính năng quan trọng của công nghệ, chia sẻ tài nguyên thời gian – tần số giữa các người dùng đảm bảo hiệu năng sử dụng phổ Cuối cùng, so sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax để thấy những ưu điểm công nghệ LTE so với công nghệ Wimax

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

HỆ THỐNG LTE

Chương này sẽ trình bày các kỹ thuật truy nhập quan trọng trong LTE như: Đa truy nhập phân chia tần số trực giao - OFDMA, và kỹ thuật đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang - SC-FDMA dựa trên nền tảng là SC/FDE - hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số Sau cùng, sẽ trình bày một số đặc tính kênh truyền ảnh hưởng đến truyền tín hiệu trong không gian đó là các loại fading, trải trễ đa đường, dịch tần Doppler và các loại nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu MAI trong LTE

2.1 Các kỹ thuật truy nhập trong LTE

2.1.1 Nguyên lý OFDM

Nguyên lý của ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng giữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Hệ thống OFDM sẽ phân chia giải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học, tức là các băng tần con có thể chèn lấn nhau để làm tăng hiệu quả về mặt phổ tần mà không gây can nhiễu

Sự trực giao giữa các sóng mang con được mô tả ở hình 2.1 Có thể hiểu sự trực giao như sau: Tần số trung tâm của sóng mang con này sẽ rơi vào điểm 0 (null) của các sóng mang con khác

Hình 2.1 Mô tả sự trực giao trong OFDM

Công nghệ OFDM sử dụng kỹ thuật đa sóng mang có sự chồng phổ đã có ưu điểm hơn so với kỹ thuật đa sóng mang không chồng phổ là tiết kiệm được băng thông Chính sự chèn lấn giữa các phổ đã cho ta tiết kiệm được băng thông này

Bên cạnh đó, công nghệ OFDM cũng cho ta giải quyết được một số các vấn đề của FDMA và TDMA gặp phải, OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

trễ truyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký tự ISI đáng kể (khoảng trên 100µS)

Hình 2.2 So sánh giữa FDM và OFDM

2.1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng

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 đến đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Bộ chuyển đổi S/P và bộ chuyển đổi P/S:

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất của một kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN (không có Fading) là: Cmax= B.log2(1+ ) (bps)

Trong đó B là băng thông kênh truyền (Hz); là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy, muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax thì ta phải chia nhỏ luồng

dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng

bộ biến đổi tín hiệu nối tiếp - song song Tức là ta sẽ chia dữ liệu vào từng frame nhỏ

có chiều dài là k*b (bit) Trong đó: k N, với b là số bít trong mô hình điều chế số, N

là số sóng mang k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu có tốc độ đủ thấp, để băng thông đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng

Bộ FFT và IFFT:

- Bộ IFFT: sử dụng biến đổi Fourier nhanh đảo để chuyển phổ của các sóng

mang con mang dữ liệu từ miền tần số vào miền thời gian

Ta có, ký hiệu OFDM thứ k trong miền tần số ở dạng vector:

ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT)

Vậy, đầu ra của IFFT cho ta tập N sóng mang con trực giao mang N ký hiệu trong băng gốc (miền tần số), tập sóng mang con trực giao này tạo nên một ký hiệu OFDM hiệu dụng

- Bộ FFT phân tích tín hiệu vào miền tần số, đầu ra của FFT các ký hiệu được

điều chế trên N sóng mang con, thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

Chèn khoảng bảo vệ CP: Sau bộ biến đổi song song vào nối tiếp, N sóng mang

con của 1 ký hiệu OFDM được gán tiền tố chu trình (CP-Cyclic Prefix) đóng vai trò

khoảng bảo vệ để tránh xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)

Hình 2.4 Nhiễu ISI

Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ, thì khoảng bảo

vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra theo cách copy phần cuối ký hiệu lên phần đầu của cùng ký hiệu (CP) Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc copy phần cuối

ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tại điểm nối

Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ CP

2.1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Dựa vào những phân tích kỹ thuật như trên mà ta có thể rút ra được các ưu nhược điểm của công nghệ OFDM như sau:

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

- Khả năng chống nhiễu giữa các kênh con rất tốt nhờ việc sử dụng các sóng mang con trực giao

- Kỹ thuật OFDM cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc

độ thấp hơn trên các kênh băng hẹp Các kênh con này được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin Nói như vậy, hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số

- Kỹ thuật OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, kháng nhiễu băng hẹp tốt vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng một tỷ lệ nhỏ các sóng mang con

- Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT Đồng thời máy thu đơn giản do không cần bộ khử ICI và ISI nếu khoảng dự trữ đủ dài

Nhược điểm

- OFDM là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên có tỷ số công suất đỉnh/trung bình tương đối lớn sẽ làm hạn chế hiệu suất của bộ khuếch đại âm tần

- Mất mát hiệu suất phổ do chèn khoảng dự trữ

- Nhiễu pha do sự không phối hợp giữa các bộ dao động ở máy phát và máy thu,

có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

- Phải có sự đồng bộ chính xác về tần số và thời gian, đặc biệt là tần số

Hình 2.6 Lưới tần số - thời gian OFDM 2.1.2 Đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA

OFDMA là công nghệ đa sóng mang được phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy nhập, OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của sóng mang con đối với các thuê bao nhất định Mỗi nhóm sóng mang con được biểu thị như một kênh con và mỗi thuê bao được chỉ định một hoặc nhiều kênh con để truyền phát dựa trên mỗi yêu cầu cụ thể của mỗi thuê bao

Kỹ thuật đa truy nhập của OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con cho một người dùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con

S  ký hi u OFDM

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

Phía máy thu thực hiện ngược lại với máy phát Để khôi phục lại tín hiệu phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vao mẫu tin dẫn đường đi kèm, tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu, luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh, luồng tín hiệu thứ hai là tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại đưa đến bộ cân bằng kênh

để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Sóng mang con

hoa tiêu

Sóng mang con bảo vệ

Hình 2.8 Sóng mang con OFDMA

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

Đặc điểm khác biệt giữa công nghệ OFDM và công nghệ OFDMA là: các sóng mang con được truyền dẫn song song với cùng một biên độ trong kỹ thuật OFDM Trong khi đó với công nghệ OFDMA, sóng mang được chia ra thành N nhóm, mỗi nhóm có n sóng mang con tương ứng với n kênh con trong mỗi nhóm

Mặt khác, một sự khác biệt nữa giữa OFDM và OFDMA là: trong OFDM thiết

bị người sử dụng được truyền trên toàn bộ không gian của kênh tải một lần, trong khi

đó đối với OFMDA thì nó chỉ cho phép thiết bị người sử dụng được tải lên chỉ thông qua những kênh con được cấp phát cho chúng Điều này đã làm cho kênh con đường lên cải thiện hiệu suất đáng kể, do băng tần dành cho đường lên bị hạn chế

Trong OFDM thì thiết bị đầu cuối được ấn định khe thời gian cho truyền dẫn và chỉ một thiết bị đầu cuối có thể truyền dẫn trong cả khe thời gian đơn đó Với OFDMA việc phân kênh con cho phép một số thiết bị đầu cuối có thể truyền trong cùng một khe thời gian trên môt kênh con ấn định cho chúng

Hình 2.9 OFDM và OFDMA 2.1.3 Đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA

Trong thông tin di động, OFDMA có ưu điểm rất lớn về khả năng đề kháng đối với ảnh hưởng của truyền tín hiệu đa đường, khả năng đề kháng này đạt được nhờ việc

hệ thống OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao với mỗi sóng mang con hoạt động tại tốc độ bit chỉ bằng 1/N tốc độ bit của thông tin cần truyền Một vấn đề khác gặp phải ở OFDMA trong các hệ thống thông tin di động là cần dịch các tần số tham khảo đối với các đầu cuối phát đồng thời Dịch tần phá hoại tính trực giao của các cuộc truyền dẫn đến nhiễu đa truy nhập Để khắc phục nhược điểm này, 3GPP đã nghiên cứu sử dụng phương pháp đa truy nhập đường lên sử dụng DFTS-OFDM với tên gọi là SC-FDMA

Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA, đây là một trong những lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của SC- FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số hướng DL và

UL có thể cân đối với nhau Giống như trong OFDMA, các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

OFDMA Vì thế, cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin di động bị ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, SC-FDMA được thu tại các BTS bị nhiễu giữa các ký tự khá lớn, BTS sử dụng bộ cân bằng thích ứng miền tần số để loại bỏ nhiễu này SC-FDMA là một trường hợp cải tiến của hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE để thực hiện truy nhập đa người dùng trong đường lên của LTE

Hình 2.10 Cấu trúc bộ thu và phát của SC/FDE và OFDM

Với các kênh đa đường băng rộng, các bộ cân bằng miền thời gian là không thực

tế do đáp ứng xung trong miền thời gian rất dài, bộ cân bằng miền tần số FDE là thực

tế hơn, FDE có tác dụng chống lại pha đinh chọn lọc tần số trong miền tần số Sau khi các tín hiệu được truyền qua kênh tới bộ thu thực hiện cân bằng miền tần số, sau đó các tín hiệu sẽ qua bộ DFT để chuyển sang miền thời gian và thực hiện tách sóng

Từ hình vẽ sau có thể thấy rằng, đối với OFDM thực hiện tách sóng trên một sóng mang trong miền tần số, trong khi đó SC/FDE thực hiện tách sóng sóng mang trong miền thời gian sau khi đã qua bộ IDFT Bởi vì sự khác nhau này OFDM nhạy cảm hơn đối với phổ rỗng và nó yêu cầu việc điều khiển tốc độ/công suất hoặc mã hóa kênh để khắc phục hiện tượng phổ rỗng này

Hình 2.11 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 2.12 Hệ thống có độ rộng băng tần B sHz được

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

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

Hình 2.12 So sánh ký hiệu SC/FDE và OFDM

Chương 3 sẽ trình bày một cách chi tiết về kỹ thuật SC-FDMA

2.1.4 Mã hóa Turbo

Để sửa những bit bị lỗi do sự thay đổi kênh và nhiễu, mã hóa kênh được sử dụng Với kênh chia sẻ hướng xuống của LTE (DL-SCH), sử dụng một bộ mã hóa Turbo với tốc độ 1/3, theo sau là một bộ so khớp tốc độ để thích ứng với tốc độ mã Trong mỗi khung con chiều dài 1ms, một hoặc hai từ mã có thể được mã hóa và truyền đi

2.1.5 Kỹ thuật đa anten

MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng về thông lượng và hiệu quả sử dụng phổ Về mặt lý thuyết, hiệu quả sử dụng phổ tần tăng tuyến tính với số anten đặt tại máy thu và phát, trong điều kiện môi trường truyền

vô tuyến phù hợp Đa anten được sử dụng theo nhiều cách, dựa trên 3 cơ sở chính mang lại các ưu điểm sau (như hình 2.13):

Độ lợi phân tập: Sử dụng phân tập không gian cho bởi nhiều anten để cải thiện chất lượng tín hiệu chống lại fading đa đường

Độ lợi mảng (búp sóng): tập trung năng lượng theo một hoặc nhiều hướng khác nhau qua tiền mã hóa hoặc tạo búp Điều này cho phép nhiều người dùng ở các vị trí khác nhau được phục vụ đồng thời

Độ lợi ghép kênh không gian: Truyền dẫn nhiều luồng tín hiệu tới một người dùng trên nhiều lớp không gian bằng việc kết hợp các anten khả dụng, nhờ đó tăng dung lượng (hay tăng tốc độ) truyền dẫn

Hình 2.13 Ba cơ sở của kỹ thuật đa anten: (a) Phân tập; (b) Tạo búp; (c) Ghép kênh

MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở máy phát và máy thu Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2 anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập vô tuyến trong hệ thống LTE

Hình 2.14 Mô hình SU-MIMO và MU-MIMO

Giới hạn chính của kênh truyền thông tin là can nhiễu đa đường giới hạn về dung lượng theo quy luật Shannon MIMO lợi dụng tín hiệu đa đường giữa máy phát và máy thu để cải thiện dung lượng có sẵn cho bởi kênh truyền Bằng cách sử dụng nhiều anten phát và anten thu với việc xử lí tín hiệu số, kỹ thuật MIMO có thể tạo ra các dòng dữ liệu trên cùng một kênh truyền, từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền

Hình trên là ví dụ về SU-MIMO 2x2 và MU-MIMO 2x2 SU-MIMO ở đây hai dòng dữ liệu trộn với nhau (mã hóa) để phù hợp với kênh truyền nhất 2x2 SU- MIMO thường dùng trong tuyến xuống Trong trường hợp này dung lượng cell tăng

và tốc độ dữ liệu tăng MU-MIMO 2x2 ở đây dòng dữ liệu MIMO đa người dùng đến từ các UE khác nhau Dung lượng cell tăng nhưng tốc độ dữ liệu không tăng

Ưu điểm chính của MU-MIMO so với SU-MIMO là dung lượng cell tăng mà không tăng giá thành và pin của hai máy phát UE MU-MIMO phức tạp hơn SU-MIMO Trong hệ thống MIMO, bộ phát gửi các dòng dữ liệu qua các anten phát, các dòng dữ liệu phát thông qua ma trận kênh truyền bao gồm nhiều đường truyền giữa các anten phát và các anten thu Sau đó, bộ thu nhận các vector tín hiệu từ các anten thu, giải mã thành thông tin gốc

Đối với tuyến xuống, cấu hình hai anten ở trạm phát và hai anten thu ở thiết bị đầu cuối di động là cấu hình cơ bản, cấu hình sử dụng bốn anten đang được xem xét Đây chính là cấu hình SU-MIMO, và sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian với lợi thế hơn các kỹ thuật khác là trong cùng điều kiện về băng thông sử dụng và kỹ thuật điều chế tín hiệu, SU cho phép tăng tốc độ dữ liệu (data rate) bằng số lần của

số lượng anten phát

Đối với đường lên, từ thiết bị đầu cuối di động đến BS, người ta sử dụng mô hình MU-MIMO (Multi-User MIMO) Sử dụng mô hình này ở BS yêu cầu sử dụng nhiều anten, còn ở thiết bị di động chỉ dùng một anten để giảm chi phí cho thiết bị

di động Về hoạt động, nhiều thiết bị đầu cuối di động có thể phát liên tục trên cùng một kênh truyền, nhiều kênh truyền, nhưng không gây ra can nhiễu với nhau bởi vì các tín hiệu hoa tiêu (pilot) trực giao lẫn nhau Kỹ thuật được đề cập đến, đó là kỹ thuật đa truy nhập miền không gian (SDMA) hay còn gọi là MIMO ảo

2.1.6 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

Như đã đề cập đến trước đây, LTE được thiết kế như một hệ thống đa dịch vụ hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói, và không liên quan gì tới các giao thức chuyển