Đề tài Tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE

Tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE Contents Lời nói đầu LTE (viết tắt của cụm từ Long Term Evolution, có nghĩa là Tiến hóa dài hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G)  Vào giữa năm 2002, 4G là một khung nhận thức để thảo luận những yêu cầu của một mạng băng rộng tốc độ siêu cao trong tương lai mà cho phép hội tụ với mạng hữu tuyến cố định. Tốc độ dữ liệu cao hơn của những mạng di động trong tương lai sẽ đạt được bằng cách cải thiện hiệu quả phổ. 4G sẽ sử dụng kỹ thuật OFDMA hướng xuống và SC-CDMA hướng lên, các kỹ thuật này có đặc điểm nổi trội như sử dụng phổ tần hiệu quả, khả năng chống lại nhiễu ISI và MULTIPATH. Ở bài viết này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE Đối với việc truyền dữ liệu nối tiếp qua giao tiếp vô tuyến tuyến người ta quyết định dùng một phương thức truyền mới trong LTE, phương thức này hoàn toànkhác biệt với giải pháp CDMA của UMTF. Thay vì dùng một kênh truyền tải qua một dải tần rộng, người ta đã quyết định dùng một phương thức truyền gọi là orthogonal frequency Division Muntiple Access (đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao), viết tắt là OFDMA. Lý do dùng phương thức này là vì: - Nhiều bit được vận chuyển song song với nhau, lên tốc độ truyền trên mỗi kênh truyền tải con có thể thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền dữ liệu tổng cộng, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của việc suy giảm đa đường dẫn do thời điểm đến nơi khác biệt đôi chút của tín hiệu từ các hướng khác nhau. - Tác dụng của suy hao đa đường dẫn và sự phân tán độ trễ sẽ trở lên độc lập với lượng giải tần được dùng cho kênh. 2. Khái niệm về OFDMA OFDMA là kỹ thuật đa truy nhập dựa trên nền tảng là OFDM được sử dụng trong các hệ thống tin di động băng rộng thay thế cho CDMA. 3. Nguyên lý hoạt động Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDM A tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); tuy nhiên nó không nhất thiết phải có giải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 1 mô tả ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn, khác với những người còn lại. HH Hình 1: Ví dụ của biểu đồ số thời gian và OFDMA Thí dụ này là hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo 4 khe thời gian. 4. OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như mô tả trong hình 2. Hình 2: Ví dụ của biểu đồ tần số thời gian với 3 khe thời gian a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian Việc cho phép nhảy với các phương pháp nhảy khác nhau cho phép mỗi người sử dụng làm biến đổi thật sự hệ thống OFDMA trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính Phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi người sử dụng dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị pha đinh sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các người dùng khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và phađinh thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào phađinh và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. Ưu điểm của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách xử dụng mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một trong những ưu điểm như vậy được mô tả trong hình 3 cho N sóng mang phụ, nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. Hình 3: Ví dụ về 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 5. Truyền dữ liệu hướng xuống OFDM Hệ thống truyền dẫn đường xuống của LTE dựa trên công nhệ OFDM. Như đã biết thì OFDM là một hệ thống truyền dẫn đường xuống hấp dẫn với nhiều lý do khác nhau. Vì thời gian kí tự trong OFDM tương đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh. Mặc dù trên lý thuyết thì sự 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 lên 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. 6. Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDMA 6.1. OFDM Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là được dựa trên OFDM truyền thống. OFDM cũng được sử dụng trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB. OFDM cũng có một số lợi ích như độ bền của nó với phađing đường và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nó. Ngoài ra OFDM còn có một số lợi ích khác như: OFDM dễ dàng hỗ trợ cho việc phân bố băng thông một cách linh hoạt, bằng cách biến đổi băng tần cơ sở thành các sóng mang con để truyền đi, mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Hỗ trợ truyền dẫn broadcast/multicast, khi mà những thông tin giống nhau được truyền đi từ nhiều trạm gốc + Một số đặc điểm cơ bản của OFDM: - Sử dụng một số lượng tương đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con được truyền trên một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu. - dạng xung đơn giản như trong hình 4.a Điều này đáp ứng phổ dạng sa ở mỗi sóng mang, như minh họa trong hình 4.b - Những sóng mang con được sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con ∆f=1/Tu (hình 5), với Tu là khoảng thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng mang con. Khoảng cách sóng mang bằng tốc độ điều chế trên mỗi sóng mang con. Hình 4: Dạng xung và phổ của mỗi sóng mang con cho truyền OFDM cơ bản Hình 5: Khoảng cách giữa các sóng mang con OFDM Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ có thể được thêm vào mỗi ký hiệu để chống lại nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ. Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà được chèn vào trước mỗi ký hiệu OFDM. Trong thực tế, tín hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ. Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà được chèn vào trước mỗi ký hiệu OFDM. Trong thực tế tín hiệu OFDM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng IFFT (biến đổi Furier nhanh nghịch đảo). IFFT chuyển đổi số lượng N các ký hiệu dữ liệu phức được sử dụng như các phễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian. N điểm IFFT được minh họa như trong hình 6, nơi mà có a(mN+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n, trong khoảng thời gian mTu <t≤m+1Tu. s Hình 6: Tạo ra ký hiệu OFDM có sử dụng gói IFFT Vecto Sm được xác định là ký hiệu OFDM có ích. Nó là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sóng mang con được điều chế băng hẹp. Vì vậy, từ một dòng song song của của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn được điều chế một cách độc lập, một dạng sóng bao gồm N sóng mang con trực giao được hình thành. Hình 3 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng như là phiễu miền tần số cho IFFT. N điểm các khối miền thời gian thu được từ IFFT sau đó được xếp theo một thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian. Điều này không được biểu diễn trong hình 7, nó là một quá trình chèn vào tiền tố vòng. Hình 7: Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM Tài nguyên vật lý trong truyền OFDM thường được minh họa như một lưới thời gian tần số như hình 8 với mỗi cột tương ứng với một symbol OFDM và mỗi hàng tương ứng với một sóng mang con OFDM. Hình 8. Lưới thời gian tần số OFDM 6.2. OFDMA Trái với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có. Hình 9: Cấp phát sóng mang cho OFDM và OFDMA Mỗi người sử dụng được ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể. Như một nguyên tắc cơ bản của E-UTRAN, các kênh dữ liệu là các kênh chia sẻ. Ví dụ, đối với mỗi khoảng thời gian truyền của một 1 ms, một quyết định lịch biểu được lấy về trong đó người sử dụng được gán với các tài nguyên thời gian / tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải. 6.2.1. Các tham số của OFDMA: + Cấu trúc khung: có hai loại cấu trúc khung cấu trúc loại 1 cho chế độ FDD, Cấu trúc loại 2 cho chế độ TDD. + đối với kiểu cấu trúc khung loại 1, khung vô tuyến 10ms được chia thành 20 khe có kích thước như nhau là 0,5ms. Một khung con bao gồm có 2 khe liên tiếp, nên một khung vô tuyến chứa 10 khung con. Điều này được minh họa như trong hình 10 (Ts là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tương ứng với 30,72MHZ). Hình 10: Cấu trúc khung loại 1 Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vô tuyến 10ms bao gồm hia nửa-khung với mỗi nửa chiều dài 5ms. Mỗi nửa khung được chia thành năm khung con với mỗi khung con 1 ms, như được thể hiện trong hình 11. Các khung con đặc biệt có 3 trường là DwPTS (khe thời gian dẫn hướng đường xuống), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS (khe thời gian dẫn hướng đường lên). Các trường này đã được biết đến từ TD-SCDMA và được duy trì trong LTE-TDD. DwPTS, GP và UpPTS có chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1 ms. Hình 11: Cấu trúc khung loại 2 6.2.2. Cấu trúc lưới tài nguyên Hình 12. Lưới tài nguyên đường xuống Các sóng mang con trong LTE có một khoảng cách cố định f = 15 kHZ trong miền tần số, 12 sóng mang con hình thành một khối tài nguyên. Kích thước khối tài nguyên khác nhau với tất cả các băng thông. Số lượng các tài nguyên ứng với băng thông liệt kê trong bảng: Số lượng khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau 6.2.3. Tiền tố vòng CP Với mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố vòng (CP) được nối thêm như là khoảng thời gian bảo vệ. Một khe thời gian xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, điều này tùy thuộc vào tiền tố vòng được cấu hình là mở rộng hay bình thường. Tiền tố vòng dài có thể bao phủ các kích thước ô lớn hơn với sự lan truyền trễ cao hơn của các kênh vô tuyến. Các chiều dài tiền tố vòng được lấy mẫu (đơn vị đo bằng s) và được tóm tắt trong bảng: Tham số cấu trúc đường xuống (FDD&TDD) 6.3. Truyền dữ liệu hướng xuống Dữ liệu được cấp phát tới UE theo các khối tài nguyên. Các khối tài nguyên này không cần phải liền kề với nhau. Trong miền thời gian, quyết định lập biểu có thể bị biến đổi trong mỗi khoảng thời gian truyền của 1 ms. Quyết định lập biểu được thực hiện trong các trạm gốc. Các thuật toán lập biểu có thể tính đến tình trạng chất lượng liên kết vô tuyến của những người sử dụng khác nhau, tình trạng can nhiễu tổng thể, chất lượng của các dịch vụ yêu cầu, các dịch vụ ưu tiên, Hình 13 cho thấy một ví dụ cho việc cấp phát dữ liệu người dùng hướng xuống cho những người sử dụng khác nhau (giả sử có 6 UE). Dữ liệu người dùng được mang trên kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH). Hình 13. Ghép kênh thời gian-tần số OFDMA Về nguyên tắc trong mọi hệ thống OFDMA là sử dụng băng hẹp, các sóng mang con trực giao với nhau. Máy phát của một hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo ra tín hiệu. Dữ liệu nguồn được cung cấp tới bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và sau đó tiếp tục vào khối IFFT. Mỗi đầu vào của khối IFFT tương ứng là biểu diễn đầu vào cho một sóng mang con riêng (hoặc thành phần tần số cụ thể của tín hiệu miền thời gian) và có thể điều chế độc lập với các sóng mang con khác. Tiếp nối sau IFFT là được thêm vào tiền tố vòng mở rộng , như thể hiện trong hình 14. Hình 14. Phát và thu OFDMA Mục đích để thêm tiền tố vòng mở rộng là để tránh được nhiễu liên kí tự. Khi máy phát thêm vào một tiền tố vòng mở rộng dài hơn so với đáp ứng xung kênh thì sự ảnh hưởng của ký hiệu trước đây có thể được loại bỏ bằng cách bỏ qua tiền tố vòng mở rộng ở phía thu. Một sự điển hình của giải pháp thu là cân bằng miền tần số, trong đó về cơ bản là sự tác động trở lại kênh với mỗi sóng mang con. Bộ cân bằng miền tần số trong OFDMA chỉ đơn giản là nhân mỗi sóng mang con dựa trên đáp ứng tần số kênh đã ước tính của kênh. Các kênh điều khiển hướng xuống: Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH): nó có nhiệm vụ chuyển các quyết định lập lịch biểu tới các UE riêng lẻ Thông tin được mang trên PDCCH được gọi là thông tin điều khiển đường xuống (DCI). Tùy thuộc vào mục đích của các thông điệp điều khiển, các dạng khác nhau của DCI sẽ được xác định. 7. Kết luận LTE sử dụng OFDMA cho đường xuống. 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 cho một người dùng cũng khác nhau. Điều này cho phép truyền dữ liệu tốc độ thấp từ nhiều người sử dụng. Nhược điểm lớn nhất của OFDMA là tỷ số công suất đỉnh và công suất trung bình PAPR cao điều này làm giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất và tăng giá thành bộ khuếch đại công suất.