Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE

Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

CAO THANH SƠN

TÌM HIỂU KỸ THUẬT THU PHÁT

TRONG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2014

CAO THANH SƠN

TÌM HIỂU KỸ THUẬT THU PHÁT

TRONG 4G LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

Mã số: CB110953

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN BÌNH

Hà Nội - Năm 2014

M Ở ĐẦU

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G), tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó, nó được tiêu chuẩn hoá bởi IMT-2000, bắt đầu được phát triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001 Từ đó đến nay hệ thống thông tin di động 3G đã phát triển một cách nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dịch vụ đa phương tiện trong đó phải kể đến dịch vụ truyền hình (video) Tuy nhiên hệthống thông tin di động 3G vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, các dịch vụ băng rộng ngày càng phát triển nhanh chóng, đặc biệt là các dịch vụ yêu cầu thời gian thực như IPTV, hội nghị truyền hình (video conference), vì vậy hệ thống thông tin di động 4G ra đời Với mạng di động có tốc

độ truyền dữ liệu cao này (tốc độ tải xuống (download) đến 1Gbps), ta có thể lướt

web, nghe nhạc, tải dữ liệu đính kèm thư điện tử (email) chỉ trong chớp mắt, gởi video độ nét cao (HD video) tới bất cứ nơi nào ta muốn, hoặc thực hiện các cuộc gọi VoIP mà không gặp khó khăn gì, hay đăng tải (upload) ảnh dung lượng lớn lên mạng mà không phải đợi lâu

Do tính chất của môi trường vô tuyến, sóng vô tuyến truyền qua kênh truyền

vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian Hiện tượng sai lạc tín hiệu thu do tác động của môi trường truyền dẫn, như: do sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn, sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù, sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí, sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền gọi là hiện tượng fading Trong đó, hiện tượng va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển,… sẽ gây ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo

ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau (tức là độ trễ

pha giữa các thành phần này là khác nhau) và các bản sao sẽ suy hao khác nhau (tức

là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau) Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao mà tín hiệu tại máy thu được tăng cường hay bị suy giảm Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha Tín hiệu thu bị triệt tiêu khi các bản sao ngược pha Hiện tượng suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu trong trường hợp này được gọi là hiện tượng fading đa đường (Multipath Fading) Do ảnh hưởng của hiện tượng fading đa đường, chất lượng tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ thấp hơn so với tín hiệu tại máy phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông

Tùy theo mức độ của fading đa đường ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel) Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân

bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean

Đối với kênh truyền chọn lọc tần số, fading xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Do đó, hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều tác động của fading này Tác hại lớn nhất của loại fading này là gây nhiễu liên kí tự (ISI) Nó tác động lên các tần

số khác nhau (trong cùng băng tần của tín hiệu) là khác nhau, do đó việc dự trữ như flat fading là không thể Để khắc phục nó, người ta sử dụng một số biện pháp như:

phân tập không gian (dùng nhiều anten phát và thu) và phân tập thời gian (truyền tại nhiều thời điểm khác nhau); sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM…

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Giúp cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát, nhằm tăng chất lượng truyền tin trong hệ thống thông tin di động 4G mà không cần tăng

công suất phát hay độ rộng băng thông Sử dụng phân tập trong antenna (ví dụ như MIMO) là một kỹ thuật tiên tiến và lợi ích của nó là khá lớn như làm giảm BER, tăng tốc độ phát, sử dụng 2 anten phát có thể tăng lên 3dB Công nghệ MIMO trong LTE giống như ghép kênh không gian, phân tập truyền dẫn và điều hướng chùm sóng (beamforming) là các thành phần quan trọng cho việc cung cấp tỉ số đỉnh cao hơn, và hiệu năng của hệ thống sẽ tốt hơn, đây là các yếu tố cơ bản để hỗ trợ dịch

vụ dữ liệu băng rộng trong tương lai qua môi trường mạng không dây

Từ những vấn đề nêu trên cùng với xu thế phát triển của hệ thống thông tin

di động hiện nay, tôi chọn đề tài: “ Tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE”

Trong đó, tôi trình bày những kỹ thuật 4G LTE như: kỹ thuật điều chế OFDM, kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tập trong 4G có ý nghĩa quan trọng, nhằm tăng chất lượng truyền tin mà không cần tăng công suất phát hay độ rộng băng thông sẽ góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ Do tính chất đặc biệt này nên trong chương 4 tôi thực hiện mô phỏng các kỹ thuật phân tập

Đề tài tiến hành tìm hiểu kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, trong đó chú trọng nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập nhằm nâng cao chất lượng trong hệ thống thông tin di động 4G LTE; phân tích, so sánh, đánh giá các phương pháp phân tập; sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các phương pháp phân tập, từ đó đưa ra các nhận xét và chọn ra phương pháp phân tập tối ưu ứng với từng điều kiện cụ thể

- Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4G LTE

- Nghiên cứu các kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, chú trọng kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, trong đó chú trọng nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập

- Sử dụng phương pháp mô phỏng lý thuyết về kỹ thuật phân tập để kiểm chứng lý thuyết và đưa ra nhận xét, so sánh các kỹ thuật phân tập, tìm ra kỹ thuật phân tập tối ưu cho từng điều kiện cụ thể

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống thông tin di động 4G (LTE/LTE-Advance) đang được nghiên cứu

và triển khai tại một số nước trên thế giới do tính ưu việt của nó Trong thời đại mà các dịch vụ yêu cầu chất lượng cao phát triển nhanh chóng thì việc nghiên cứu các

kỹ thuật thu phát trong 4G LTE, đặc biệt là kỹ thuật điều chế OFDM và kỹ thuật phân tập nhằm tăng chất lượng truyền tin trong hệ thống thông tin di động 4G mà không cần tăng công suất phát hay độ rộng băng thông sẽ góp phần lớn trong việc giải quyết các vấn đề về chất lượng dịch vụ

6 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm các phần chính sau đây:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động 4G (LTE và

LTE-Advanced)

Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced

Chương 2: Đặc tính kênh truyền và kỹ thuật OFDM

Trình bày các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM, các thành phần của hệ thống OFDM và

ưu, nhược điểm của kỹ thuật này, một số biểu thức mô tả tín hiệu thu, phát, biểu thức kênh truyền block-fading trong kỹ thuật OFDM, làm cơ sở cho việc mô phỏng

Chương 3: Các kỹ thuật phân tập

Trình bày các kỹ thuật phân tập thu và phân tập phát

Chương 4: Kết quả mô phỏng các kỹ thuật phân tập

Giới thiệu các lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng hệ thống khi sử dụng các kỹ thuật phân tập Tính ra giá trị BER và mối tương quan với SNR Từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá từng kỹ thuật thông qua các kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1

(LTE VÀ LTE-ADVANCED)

Hệ thống thông tin di động 4G LTE và LTE-Advance đang phát triển nhanh chóng, cho phép người dùng truyền tải các dữ liệu HD, xem tivi tốc độ cao, trải nghiệm web tiên tiến hơn cũng như mang lại cho người dùng nhiều tiện lợi hơn nữa Kèm theo đó, ngành công nghệ viễn thông cũng phát triển không ngừng với tốc độ thay đổi công nghệ cao nhất, nhanh nhất Ngoài công nghệ mạng lõi thì công nghệ đầu cuối hiện nay đã phát triển thay đổi từng ngày đòi hỏi các công ty, doanh nghiệp phải kịp thời nắm bắt và triển khai, nếu không sẽ bị chậm trễ và tụt hậu Do

đó, trong chương này chúng ta tìm hiểu về nguyên lý, kiến trúc của công nghệ LTE

2000 dựa trên công nghệ WCDMA; công nghệ di động 4G ra đời trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến nay, đã qua giai đoạn triển khai thử nghiệm ban đầu và hiện nay đang triển khai tại một số nước, dựa trên công nghệ OFDM, SDMA- tức là công nghệ LTE – LTE ADVANCE

LTE mô tả công việc chuẩn hóa của 3GPP để xác định phương thức truy nhập vô tuyến tốc độ cao mới cho hệ thống truyền thông di động LTE là bước tiếp theo dẫn đến hệ thống thông tin di động 4G Hệ thống này được kỳ vọng có những

tiến bộ vượt bậc về công nghệ cũng như những tính năng so với hệ thống thông tin

Hình 1.1 Sự phát triển của công nghệ viễn thông di động

1.3.2 Các chu ẩn của công nghệ LTE

Tốc độ: tốc độ đường truyền xuống (Downlink) cao nhất ở băng thông 20MHz

có thể lên đến 100Mbps, cao hơn từ 3-4 lần so với công nghệ HSDPA (3GPP Release 6) và tốc độ đường truyền lên (Uplink) có thể lên đến 50Mbps, cao hơn từ

TDMA(2G) e.g GSM, ~1990 50Kbps

FDMA(1G)

e.g AMPS,

~1980

CDMA(3G) e.g W-CDMA, ~2000

~14Mbps(DL)

~5.8Mbps(UL)

OFDM,SDMA(4G) e.g WiMAX,LTE,

~2010

~1Gbps(Stationary)

~100Mbps(Mobile)

2-3 lần so với công nghệ HSUPA (3GPP Release 6) với 2 anten thu và 1 anten phát

ở thiết bị đầu cuối

Độ trễ: Thời gian trễ tối đa đối với dịch vụ người dùng phải thấp hơn 5ms

Độ rộng băng thông linh hoạt: Có thể hoạt động với băng thông 5MHz,

10MHz, 15MHz và 20MHz, thậm chí nhỏ hơn 5MHz như 1,25MHz và 2,5MHz

Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ưu là 0-15km/giờ, vẫn hoạt động tốt với tốc

độ di chuyển từ 15-120km/giờ, thậm chí lên đến 500km/giờ tùy băng tần

Phổ tần số: Hoạt động theo chế độ phân chia theo tần số hoặc chế độ phân chia

theo thời gian Độ phủ sóng từ 5-100km (tín hiệu suy yếu từ km thứ 30), dung lượng hơn 200 người/cell (băng thông 5MHz)

Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho các

thiết bị VoIP đảm bảo chất lượng âm thanh tốt, độ trễ ở mức tối thiểu (thời gian chờ gần như không có) thông qua các mạng chuyển mạch UMTS

Liên kết mạng: Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và

các hệ thống không thuộc 3GPP cũng sẽ được đảm bảo Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN sẽ nhỏ hơn 300ms cho dịch vụ thời gian thực và không quá 500ms cho các dịch vụ còn lại

Chi phí: Chi phí triển khai và vận hành giảm

Để đạt được các mục tiêu trên, LTE sẽ phải sử dụng các kỹ thuật mới: OFDMA cho hướng xuống và SC-FDMA cho hướng lên Thêm vào đó là sử dụng anten MIMO cũng là một yêu cầu tất yếu Chế độ hoạt động của LTE gồm FDD và TDD LTE TDD hay TD-LTE cung cấp bước tiến triển dài hạn cho các mạng dựa trên kỹ thuật TD-SCDMA

Bảng 1.1 Các phiên bản của công nghệ LTE

Phiên bản Thời điểm

hoàn tất

Tính năng chính / Thông tin

Release 4 Quí 2/2001 Bổ sung một số tính năng như mạng lõi dựa trên IP

và có những cải tiến cho UMTS

Release 5 Quí 1/2002 Giới thiệu IMS và HSDPA

năng nâng cao cho IMS như PoC

Tập trung giảm độ trễ, cải thiện chất lượng dịch vụ và các ứng dụng thời gian thực như VoIP Phiên bản này cũng tập trung vào HSPA+ (High Speeed Packet Evolution) và EDGE Evolution

IP thế hệ thứ tư hoàn toàn dựa trên IP

Hình 1.2 S ơ đồ mô tả lưu lượng và phạm vi sử dụng các công nghệ truyền thông

1.3.3 Ki ến trúc LTE

Dựa vào tính năng khác nhau của các phần tử, mạng di động có thể được phân thành 2 phần: phần mạng truy nhập vô tuyến và phần mạng lõi Các tính năng như điều chế, chuyển giao,… thuộc về phần truy nhập, trong khi các tính năng khác như tính cước, quản lý di động,… thì thuộc về phần mạng lõi Trong LTE, mạng truy nhập vô tuyến là E-UTRAN và mạng lõi là EPC

Hình 1.3 Kiến trúc LTE Release 8

1.3.3.1 M ạng truy nhập vô tuyến

Mạng truy nhập vô tuyến của LTE được gọi là E-UTRAN và một trong những đặc điểm chính của nó là tất cả các dịch vụ, bao gồm thời gian thực, sẽ được cung cấp qua các kênh chuyển mạch gói Điều này làm gia tăng hiệu quả phổ tần và làm tăng dung lượng hệ thống so với các hệ thống UMTS và HSPA hiện tại Một kết quả quan trọng của việc dùng truy nhập gói cho tất cả các dịch vụ là sự tích hợp tốt hơn giữa tất cả các dịch vụ đa phương tiện và giữa các dịch vụ di động và dịch

vụ cố định

Các chức năng của mạng truy nhập vô tuyến bao gồm:

- Mã hóa, ghép xen, điều chế và các chức năng lớp vật lý điển hình khác

- ARQ, nén tiêu đề và các chức năng lớp liên kết điển hình khác

- Các chức năng an ninh (mật mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn)

- Các chức năng quản lí tài nguyên, chuyển giao và các chức năng điều khiển tài nguyên vô tuyến điển hình khác

Hình 1.3 cho thấy tổng quan mạng truy nhập vô tuyến LTE RAN với các nút

và giao diện Khác với WCDMA/HSPA RAN, LTE RAN chỉ có 1 kiểu nút Như vậy trong LTE không có nút tương đương với RNC Lý do chủ yếu là không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên, đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng

và triết lý là giảm thiểu số lượng nút

Một trạm gốc mới phức tạp hơn NodeB trong các mạng truy nhập WCDMA/HSPA, nó được gọi là eNodeB (Enhanced NodeB) eNodeB chịu trách nhiệm cho một tập các ô Tương tự như nodeB trong kiến trúc WCDMA/HSPA không cần sử dụng cùng 1 trạm anten eNodeB thừa hưởng các chức năng của RNC eNodeB chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên vô tuyến của 1 ô, các quyết định chuyển giao, lập biểu cho cả đường lên và đường xuống trong các ô của mình

Chức năng của eNodeB:

- Chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến

- Nén IP header và mã hoá dòng dữ liệu người sử dụng

- Quản lý dữ liệu truyền tải một cách tự lập

- Bảo đảm chất lượng dịch vụ

- Thực hiện các cuộc chuyển giao với các thiết bị di động UE

Giao diện giữa eNodeB với mạng lõi và với các eNodeB khác:

- eNodeB được nối tới mạng lõi thông qua giao diện S1 Giao diện S1 giống như giao diện Iu nối giữa mạng lõi và RNC trong WCDMA/HSPA

- Giữa các eNodeB có giao diện X2 giống như giao diện Iur trong WCDMA/HSPA Giao diện X2 chủ yếu được sử dụng để hỗ trợ di động chế độ tích cực

1.3.3.2 M ạng lõi

Mạng lõi mới là sự tiến hóa hoàn toàn của hệ thống 4G, và nó chỉ hỗ trợ miền chuyển mạch gói Bởi vậy, nó có tên gọi mới là EPC

Mạng lõi cũng tuân theo triết lý giảm thiểu số lượng nút giống như ở UTRAN EPC phân chia các luồng dữ liệu người dùng vào trong mặt bằng điều khiển và mặt bằng dữ liệu

E-EPC bao gồm nhiều thực thể chức năng sau:

- Thực thể quản lý di động (MME: Mobility Management Entity): thực thi

cho các chức năng ở mặt bằng điều khiển, liên quan đến quản lý thuê bao và quản lý phiên, cụ thể là:

+ Cung cấp tín hiệu cho phép truy nhập mạng và các khía cạnh an ninh + Chọn chế độ tích cực thấp cho thiết bị người sử dụng khi không làm việc

+ Theo dõi quản lí danh sách các thuê bao trong khu vực

+ Chuyển vùng

+ Nút SGSN hỗ trợ các thuê bao 2G, 3G truy nhập mạng LTE

+ Trung tâm nhận thực

- Cổng dịch vụ (Serving Gateway): là điểm kết thúc sự truy nhập từ mạng

truy nhập vô tuyến E-UTRAN Các chức năng chính bao gồm:

+ Là nút hỗ trợ sự chuyển giao từ eNodeB này sang eNodeB khác trong quá trình thiết bị di động di chuyển

+ Kết thúc sự truy nhập từ mạng truy nhập vô tuyến 3GPP

+ Cung cấp chức năng cho mạng truy nhập vô tuyến khi ở chế độ nhàn rỗi là đệm các gói ở đường downlink và kích hoạt các thủ tục yêu cầu dịch vụ

+ Đánh số thứ tự các gói trên đường downlink và uplink

+ Tính toán chi phí của người dùng

+ Cho phép cấp quyền truy nhập

+ Định tuyến gói tin và chuyển tiếp các gói

+ Hỗ trợ việc tính cước

- Cổng mạng dữ liệu gói (PDN Gateway): là điểm kết cuối cho các phiên

hướng đến mạng dữ liệu gói bên ngoài Các chức năng chính bao gồm:

+ Thực thi chính sách, mỗi ngưới sử dụng được cung cấp gói dịch vụ khác nhau

+ Tính phí hỗ trợ

+ Vận chuyển các gói trên downlink hay uplink

+ Cho phép những thiết bị hợp pháp truy nhập

+ Cung cấp cho mỗi UE một địa chỉ IP

+ Phân loại các gói

+ Có chức năng như DHCP trong 3G

1.3.4 Cơ chế truyền dẫn

Đường xuống và đường lên trong LTE dựa trên việc sử dụng nhiều các công nghệ đa truy nhập, cụ thể: đa truy nhập phân chia tần số trực giao cho đường xuống (OFDMA), và đa truy nhập phân chia tần số - đơn sóng mang (SC-FDMA) cho đường lên

1.3.4.1 Truy ền dẫn đường xuống

Cốt lõi của truyền dẫn vô tuyến đường xuống trong LTE là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với dữ liệu được truyền đi trên một số lượng lớn các sóng mang con băng hẹp song song OFDM cung cấp nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng)

Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nhiều sóng mang, thời gian của ký tự

sẽ dài hơn độ trải trì hoãn của kênh (delay spread) Vì thời gian ký tự OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity) Mặc dù trên lý thuyết thì việc sai lệch tín hiệu do kênh truyền chọn lọc tần số có thể được kiểm soát bằng kỹ thuật cân bằng tại phía thu, sự phức tạp của kỹ thuật cân bằng bắt đầu trở nên kém hấp dẫn trong việc triển khai đối với những thiết bị đầu cuối di động tại băng thông trên 5 MHz Vì vậy mà OFDM với khả năng vốn có trong việc

chống lại fading lựa chọn tần số sẽ trở thành sự lựa chọn hấp dẫn cho đường xuống, đặc biệt khi được kết hợp với ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

1.3.4.2 Truy ền dẫn đường lên

Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơi khác một chút Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR cao, điều này có thể dẫn đến những hệ quả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE, đó là khi truyền dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up)

Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệu quả công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhà thiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gian hoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt (thấp) hơn, là SC-FDMA Việc sử dụng phương thức SC-FDMA sẽ cho PAPR nhỏ hơn so với OFDM dẫn đến tiêu thụ công suất ở thiết bị đầu cuối ít hơn, tăng tính di động cho thiết bị Vì vậy nó được 3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên

LTE-Advanced là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản Release 10, nhằm đáp ứng những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động 4G

1.4.1 Các yêu c ầu của LTE-Advanced

- Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến 40 MHz

- Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz)

- Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử

1.4.2 Các công ngh ệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced

1.4.2.1 Truy ền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Hình 1.4 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc

dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 Mhz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để

xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì

sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất

Hình 1.4 Ví dụ về khối tập kết sóng mang

Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc

mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình

1.4.2.2 Gi ải pháp đa anten mở rộng

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng

ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp

cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh

là 1.5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced Có thể thấy trước rằng hỗ trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần

1.4.2.3 Truy ền dẫn đa điểm phối hợp

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 SINR ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm

là một cách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối

đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình 1.5 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở

bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn

đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả

là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi

Hình 1.5 Truy ền dẫn đa điểm phối hợp

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn

điểm Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác nhau Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B Tuy nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu, ) Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi hỏi cách áp dụng xử lí tín hiệu thích đáng ở bộ thu Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay

1.5 SO SÁNH LTE VÀ LTE-ADVANCED

Bảng 1.2 là sự so sánh tổng quát các yêu cầu về tốc độ, băng thông, tính năng di động, vùng phủ sóng và dung lượng của LTE và LTE-Advanced

Bảng 1.2 So sánh các yêu cầu của LTE và LTE-Advanced

Tốc độ dữ liệu đỉnh

đường xuống 150 Mbit/s 1 Gbit/s

Tốc độ dữ liệu đỉnh

đường lên 75 Mbit/s 500 Mbit/s

Băng thông truyền dẫn

Băng thông truyền dẫn

- Tương tự như LTE

Vùng phủ sóng - Lên đến 5 Km - Tương tự như yêu cầu

của LTE

- Nên được tối ưu cho các môi trường vùng nội hạt/micro cell

Dung lượng - Cell với 200 người dùng

về tốc độ, băng thông, dung lượng, … Đây là công nghệ chính trong hệ thống thông tin di động 4G

CHƯƠNG 2

ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÀ KỸ THUẬT OFDM

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật được

sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin di động 4G Nó cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao và hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số Chương này sẽ trình bày các đặc tính kênh truyền và nguyên lý, mô hình hệ thống kỹ thuật OFDM cũng như ưu, nhược điểm của kỹ thuật OFDM

2.2.2 Hi ện tượng fading

2.2.2.1 Gi ới thiệu

Hiện tượng sai lạc tín hiệu thu do tác động của môi trường truyền dẫn, như:

do sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn, sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù, sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí, sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền gọi là hiện tượng fading Trong

đó, hiện tượng va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe

cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển,… sẽ gây ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ,… làm suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu gọi là hiện tượng fading đa đường (Multipath Fading)

- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng

- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá

Tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Hiện tượng fading khiến tín hiệu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng, điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin di động Các fading khá phổ biến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean

2.2.2.2 Fading Ricean

Do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyền thẳng (light-of-sight) Tín hiệu truyền theo đường thẳng có công suất vượt trội so với các tín hiệu truyền trên các đường khác Trong trường hợp tồn tại đường truyền thẳng, khi đó đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Ricean nên kênh truyền gọi

là kênh truyền fading Ricean

Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean:

Tán xạ

Phản xạ Tán xạ

Trạm gốc

Hình 2.1 Hiện tượng đa đường trong thông tin di

(2.2)

Trong đó:

A là biên độ đỉnh của thành phần truyền thẳng

I0 là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0 được định nghĩa:

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số K được định nghĩa như là tỉ

số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2

2

2log10)(

Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh :

(2.3)

(2.6)

Hình 2.2 Phân bố Rayleigh và Ricean

2.2.3 Nhi ễu Gaussian trắng cộng

Các hệ thống thông tin luôn bị ảnh hưởng bởi nhiễu Các nguồn nhiễu thường gặp là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và can nhiễu

giữa các tế bào Các loại nhiễu này sẽ làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR),

giảm hiệu quả phổ của hệ thống Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin

vô tuyến được mô hình hóa chính xác nhờ dùng nhiễu Gaussian trắng cộng Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian

Trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang con là rất lớn thì hầu hết các thành

phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên

từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này

thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

2.2.4 Tr ải trễ

Do ảnh hưởng của fading đa đường, khi một tín hiệu được phát đi trên kênh truyền dẫn ta sẽ thu được nhiều tín hiệu từ nhiều đường đi khác nhau Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín

hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh

lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại

bộ thu do hiện tượng fading đa đường

Trong điều chế OFDM, mỗi ký tự là tổng hợp của nhiều sóng mang con băng

nhỏ truyền dẫn song song Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau

sẽ chồng chập nhau tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI Để hạn chế nhiễu ISI,

ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó tính được độ dài của khoảng bảo vệ cần được chèn vào để triệt tiêu nhiễu xuyên ký tự

2.2.5 Hi ệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Bản chất của hiện tượng này là tần số của sóng mang thu được sẽ khác với tần số sóng mang f Cđược truyền đi một khoảng gọi là tần số Doppler Sự dịch tần

số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn,

khi đó tần số Doppler của tuyến này là :

D = fCcos ( ) αn

c

v f

n (2.7) Trong đó:

r f f

f = ± (2.8)

2.2.6 Power delay profile (PDP)

Hiện tượng đa đường là nguyên nhân sinh ra sự phân tán của tín hiệu phát Các tín hiệu phát vào không gian sẽ đi theo nhiều đường đến phía thu, sự kết hợp ngẫu nhiên của tín hiệu này được xem là fading đa đường Để mô phỏng, phân tích một kênh truyền fading đa đường ta sử dụng hàm mô tả PDP

PDP tiêu biểu cho công suất trung bình với trễ đa đường Nó cung cấp một chỉ định của việc phân tán và phân bố công suất phát trên các đường khác nhau trong trễ truyền đa đường PDP của kênh được lấy giá trị trung bình trong khoảng không gian theo các vị trí khác nhau

Nói tóm lại PDP đặc trưng cho sự phân bố công suất, nhờ nó ta có thể mô tả được đáp ứng kênh truyền block-fading Trên một kênh đa đường với L nhóm kênh

có cùng độ lợi thì PDP được cho bởi p

4 /

L

l l l

độ thấp hơn Các sóng mang con này được phân bổ trực giao với nhau

Một trong những nguyên nhân chính sử dụng kỹ thuật OFDM là OFDM làm tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp hơn trên các kênh băng hẹp Kỹ thuật OFDM có thể được xem như là kỹ thuật điều chế hay kỹ thuật ghép kênh

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang con

2.3.2 Tính tr ực giao trong hệ thống OFDM

Trong hệ thống OFDM, các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên

của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác, không

có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học

Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chỗ: Tại mỗi đỉnh của mỗi sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng không, vì vậy các sóng mang này không gây nhiễu lẫn nhau

Các sóng mang con s i (t), s j (t) với i, j = 1, 2, , N trực giao trong khoảng thời gian T thỏa mãn:

j i k dt t s t

T i

,0

,)

()

Để thỏa mãn tính trực giao trong hệ thống OFDM, ta sử dụng các sóng mang con có dạng j( 2 k t)

+∫ = +∫ − ∆

T k

kT

ft m n j T

k

kT

j

i t s t dt e dt s

) 1 (

) ( 2 )

1 (

*

)()

kT t

T k t e

f m n j

f m n j

m n

,

,0

(2.11)

Vậy s i (t)và s j (t)trực giao trong chu kỳ T

Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:

f N = f 0 + N Δf (2.12) Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu

có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng

2.3.3 Mô hình h ệ thống OFDM

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Ở phía phát, dòng dữ liệu tốc độ cao sau khi qua bộ chuyển đổi song song

nối tiếp được chia thành các dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn Mỗi dòng dữ

liệu song song sau đó được mã hóa và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng

bộ ghép xen Các dòng dữ liệu này được điều chế ở băng tần cơ sở bằng các phương pháp điều chế số và được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối IFFT có nhiệm vụ

biến đổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI Trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát, luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số sang tương tự (khối D/A) Trong quá trình truyền trên các kênh sẽ

chịu tác động của các nguồn nhiễu như nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN)

Ở phía thu, tín hiệu thu tương tự được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi tương tự sang số (khối A/D) Tiếp đến loại bỏ khoảng bảo vệ và các

mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT (khối FFT) Tín hiệu sau khi qua khối FFT sẽ được đưa vào bộ giải điều chế, tùy vào kỹ thuật điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng Các mẫu hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Sau đó, các dòng dữ liệu sau khi giải mã sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi song song nối tiếp

để thu lại tín hiệu lúc đầu

2.3.3.1 B ộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp

Hình 2.6 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp

Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song có nhiệm vụ chuyển đổi dòng dữ liệu tốc

độ cao thành N dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp - song song ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng Tại máy thu, bộ chuyển đổi song song – nối tiếp được sử dụng để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất

2.3.3.2 Điều chế tín hiệu OFDM

Sau khi đã được mã hóa và ghép xen, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế bằng các phương pháp điều chế số Mỗi ký tự b bit trong 1 khung sẽ được đưa vào bộ điều chế để nâng cao dung lượng kênh truyền Một ký tự b bit sẽ tương ứng một trong M = 2btrạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao

Khi số bit truyền trong một ký tự tăng lên thì hiệu quả băng thông

Refficiency=Rb/BT=log2M=b[bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng tăng lên

Phương pháp điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc

độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Một số phương pháp điều chế thường dùng trong OFDM là:

* M-PSK (Phase Shift Keying)

* M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)

Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu OFDM dễ dàng bằng cách điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier

Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Việc sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT giúp ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu

Cho chuỗi tín hiệu vào X(k), 0 ≤ k ≤ N-1

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là: ∆f

Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts

0

) (

) ( )

(

N k

t f k f j

e k X t

= ∑−

=

∆ 1

0

2 2

) (

0

N k

ft k j t

f j

e k X

(

N k

ft k j

a t X k e

x π là tín hiệu băng gốc

Ở băng gốc:

+ Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một

chu kỳ tín hiệu, phương trình xa(t) được viết lại như sau:

) ( )

( )

(

N

k

N fT nk j s

N

n a a

s

e k X T

x t

( )

(

1

0

/ 2

IDFT N

e k X n

x

N

k

N nk j

=

π

(2.15)

Phương trình (2.15) chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại phía thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu:

N n

a n e x n

N n

N m

N k m n j

( 2

N m

N n

N m N N k m n j

= ∑−

=

−1

0

)()(

N

m

k m m

X δ = X (k) (2.16) Trong đó, hàm δ(m−k)là hàm xung delta, được định nghĩa là:

01

)(

n khi

n khi n

δ

2.3.3.4 Ti ền tố lặp (CP) trong hệ thống OFDM

Để hạn chế ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, ta chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các nhiễu xuyên ký tự Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ Các

ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp, nó sao chép đoạn cuối của ký tự

và chèn lên đầu của ký tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của khoảng bảo vệ

Gọi: Tglà chiều dài của khoảng bảo vệ

TFFT là chiều dài của một ký tự OFDM khi chưa chèn khoảng bảo vệ

Sau khi chèn khoảng bảo vệ, chiều dài của một ký tự OFDM là:

Ts = Tg + TFFT (2.17)

T s

Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1

Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM

2.3.4 Kênh truy ền block-fading trên nền OFDM

2.3.4.1 Tín hi ệu phát và thu OFDM

Tín hiệu trong hệ thống OFDM được mã hóa theo phương pháp điều chế QAM Luồng bit mã hóa là chuỗi bit được xáo trộn, kết quả của chuỗi bit xáo trộn

M-đó được tổ chức như là một dãy của Q bit dữ liệu {d k ,m} trong đó Q=log2M và

T Q m k m

k m

k

m

d , =[ , ,0, , ,1, , , , −1]

Chuỗi bit này được ánh xạ tới ký tự phức X k,m Trong đó m là thứ tự của ký

tự OFDM và k là thứ tự sóng mang con trong mỗi ký tự

Hình 2.9 Mô tả chi tiết ký tự OFDM

Mỗi ký tự OFDM bao gồm N sóng mang con mang thông tin X k,m (k = 0, 1, 2, , N-1), trong đó N là kích thước của hàm truyền Fourier nhanh (FFT) và biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) được sử dụng trong truyền dẫn đa sóng mang con

Sau khi thực hiện biến đổi ngược Fourier nhanh và chèn mã bảo vệ, tín hiệu phát của ký tự OFDM thứ m có dạng như sau:

N kn j N

k

m k m

0 ,

N

n m n

y e−j2πkn/N (2.19) trong đó y n,m là tín hiệu nhận được trong miền thời gian:

m l n L

l

m n l m

1

0 , ,

z , (2.20)

m

n

z , là nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN)

2.3.4.2 Kênh truy ền block-fading

Xét một mô hình kênh truyền cơ bản bao gồm tín hiệu phát x(t) truyền qua kênh truyền có đáp ứng xung là h(τ)và nhiễu n(t) Tín hiệu thu y(t) có thể được biểu diễn như sau:

)()(

*)()(t x t h n t

y = τ + (2.21)

Hình 2.10 Mô hình kênh truyền với sự có mặt của nhiễu

Đáp ứng kênh truyền

) (τ

h

Tín hiệu phát

nhiễu n(t)

Với hệ thống di động trên kênh truyền block-fading, đáp ứng xung của kênh truyền được mô hình hóa như sau:

Do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường nên khi phát đi một tín hiệu, ở phía thu ta sẽ nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu Mỗi bản sao tín hiệu đó tới anten thu được biểu diễn bằng một tia αi Nhóm các tia αi có công suất xấp xỉ giống nhau ta được một nhóm kênh có cùng độ lợi (l) Giả sử có L nhóm kênh có cùng độ lợi, như vậy l = [0, 1, , L-1] Ứng với mỗi nhóm kênh có cùng độ lợi sẽ

có một đáp ứng kênh truyền hl Vậy đáp ứng kênh truyền ứng với một ký tự OFDM là:

m l

4 / 1

1

0

4 /

4 / 1

1

0

4 /

4 / 0

, , L

l l

L L

l l L

l

l

e

e e

e e

Chuyển qua miền tần số, tham số kênh truyền h đối với ký tự m trở thành H:

H=[H0,H1, ,H L−1] (2.24)

Vì kênh truyền bị ảnh hưởng bởi block-fading nên tại sóng mang con thứ k,

ở một nhánh của anten thu thì với bất cứ một ký tự OFDM nào đều cho thông số H như nhau

Thông số kênh truyền H tại sóng mang con thứ k của ký tự m là:

N n k j L

l l m

−

=

∑

= (2.25)

Lúc đó tín hiệu thu được trong miền tần số Y k,m sau khi loại bỏ khoảng bảo

vệ và thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh là:

Y k,m= j n N

N

n m

n e y N

/ 2 1

0 ,

1 − − π

=

∑ =H k,m.X k,m +Z k,m (2.26) trong đó:

N k j N

n m n m

N

Z .2. . /

1 0 ,

y , là tín hiệu thu được trong miền thời gian theo biểu thức (2.20)

2.3.5.1 Ưu điểm

- Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang con có tính chất trực giao nên hiện

tượng nhiễu liên sóng mang (ICI) có thể loại bỏ, các sóng mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ nhiễu liên ký tự (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo

vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

- Kỹ thuật OFDM hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

- Nhờ việc áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT, hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công việc xử

bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy

mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu

- Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang con, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mang con này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần Ngược lại, khi các sóng mang con ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ ra bằng không

- Kỹ thuật OFDM sử dụng chuỗi bảo vệ để hạn chế nhiễu xuyên ký tự, tuy nhiên điều này lại làm suy giảm một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

Trong chương này đã trình bày các đặc tính kênh truyền, những vấn đề cơ bản của một hệ thống OFDM: mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, đặc tính kênh truyền trong OFDM và ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai