Báo cáo khoa học: "CS-OFDMA: SỰ KẾT HỢP OFDMA VÀ CDMA CHO TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ THỨ 4 (4G)" pot

ĐT

I. GIỚI THIỆU
Phổ tần vô tuyến là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thông tin vô tuyến nhưng nó lại là
nguồn tài nguyên hữu hạn. Điều này chính là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu các công nghệ
không dây mới nhằm hướng đến việc xây dựng các hệ thống sử dụng phổ tần một cách hiệu quả
hơn và cung cấp độ rộng băng tần lớn hơn, mà trong đó có hệ thống được quan tâm nhất hiện
nay là hệ thống truyền thông di động thế hệ 4. Những công nghệ mới nổi lên gần đây hứa hẹn
cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần tăng lên gấp 10 lần so với các hệ thống đang tồn tại. Một số
các giao diện vô tuyến 4G khác nhau đang được khảo sát. Bài báo này giới thiệu một sơ đồ tận
dụng được ưu điểm của cả CDMA và OFDMA nhằm đưa ra một hệ thống sử dụng phổ tần một
cách hiệu quả và đơn giản hơn cho công nghệ 4G gọi là sơ đồ đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao trải mã (CS-OFDMA).
II. NỘI DUNG
1. Vài nét về hệ thống truyền thông di động 4G
4G là tên gọi tắt của hệ thống truyền thông di động thế hệ 4, hiện đang được ITU chuẩn
hóa dưới tên gọi là IMT-Advanced. Những tính năng then chốt của IMT-Advanced :
- Khả năng tương thích của các dịch vụ IMT với các mạng cố định
- Khả năng liên hoạt động giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến khác
CS-OFDMA: SỰ KẾT HỢP OFDMA VÀ CDMA
CHO TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ THỨ 4 (4G)

KS. ĐÀM MỸ HẠNH
Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Nhằm sử dụng phổ tần vô tuyến một cách hiệu quả hơn trong hệ thống truyền
thông di động 4G, sơ đồ CS-OFDMA sẽ kết hợp sử dụng những ưu điểm của công nghệ
CDMA và OFDMA. Nhờ đó, hệ thống này cho thông lượng mỗi sóng mang con gấp 8 lần ở hệ
thống OFDMA truyền thống và nhiều ưu điểm khác.
Summary: To utilize the frequency spectrum more effectively in the 4th generation
mobile communication system, the scheme CS-OFDMA combines the advantage of CDMA and
OFDMA technology. Thus, the throughput per subcarrier in this system is much more than in
the traditional OFDMA system.




ĐT
Hình 1. FDD và TDD
- Cung cấp dịch vụ di động chất lượng cao.
- Thiết bị đầu cuối thích hợp cho việc sử dụng khắp trên thế giới.
- Thiết bị, dịch vụ và ứng dụng thân thiện với người sử dụng.
- Khả năng roaming toàn thế giới.
- Tốc độ số liệu được tăng cường (100Mb/s cho các ứng dụng với tính di động cao và
1Gb/s cho các ứng dụng với tính di động thấp).
Theo lịch trình của ITU thì phải đến năm 2011, ITU mới hoàn thành và chính thức đưa ra
chuẩn IMT-Advanced. Chính vì vậy, hiện có nhiều ứng cử viên chạy đua trên con đường tiến
lên 4G cũng như là có nhiều công nghệ đề cử cho 4G, trong đó, các công nghệ tâm điểm được
nhắc đến nhiều nhất là OFDMA/MIMO/IP. Tuy nhiên, để đạt được những tính năng then chốt
đã nêu ra ở trên, nhất là về tốc độ truyền thông, một số giao diện vô tuyến vẫn đang được khảo
sát.
2. FDD, TDD và CDD
Để sử dụng phổ tần có hiệu quả, hai kỹ thuật truyền dẫn cần được xem xét là : sơ đồ đa truy
nhập và hệ thống ghép. Đa truy nhập là phương thức để nhiều người sử dụng truy cập vào một
kênh chung nhằm truyền thông tin đến máy thu. Có các sơ đồ đa truy nhập chính sau: FDMA,

TDMA, CDMA và OFDMA. Hiện ứng cử viên số 1 cho 4G chính là OFDMA. Hệ thống ghép
được sử dụng cho việc truyền thông hai chiều nhằm phân tách các kênh truyền thông tin theo
hai hướng. Hiện tại có 3 hệ thống ghép trong truyền thông không dây là ghép phân chia theo tần
số FDD, ghép phân chia theo thời gian TDD và ghép phân chia theo mã CDD. FDD là kỹ thuật
sử dụng các tần số riêng biệt cho đường lên và đường xuống và nó có khả năng cô lập nhiễu.
TDD sử dụng cùng một tần số đơn nhưng dùng các khe thời gian khác nhau cho đường lên và
đường xuống. TDD dường như là công
nghệ sử dụng phổ tần hiệu quả hơn
nhưng lại bị sử dụng hạn chế hơn bởi
vấn đề can nhiễu và vùng phủ sóng. FDD
dường như là sự lựa chọn thích hợp
trong các hệ thông thông tin di động tổ
ong nhằm loại bỏ nhiễu kênh lân kênh.
Cuối cùng, CDD là giải pháp hiệu quả có
thể loại bỏ các loại can nhiễu, điều này
khiến nó trở thành hệ thống ghép sử
dụng phổ tần hiệu quả nhất.
Hiện tại, chỉ có sơ đồ ghép theo tần số FDD và TDD được sử dụng trong các hệ thống
truyền thông không dây. Đối với hệ thống CDD sử dụng các loại mã khác nhau để phân tách
đường lên và đường xuống thì hiện có nhiều loại mã thông minh có giá trị sử dụng được trong
CDD. Loại mã thông minh sử dụng trong hệ thống CS-OFDMA khác với loại mã dùng trong
CDMA truyền thống. Mã thông minh x có đặc điểm như sau:


ĐT

Thuộc tính tự tương quan của mã x là 
xx
 và 
xx

 với 

trong đó


là cửa sổ tự tương quan bằng 0 được sinh ra từ các thuộc tính của mã thông minh. Thông
thường, cửa sổ 

có thể rộng nếu số mã dựa trên một cấu trúc mã có thể được xử lí một cách
thích hợp.
Thuộc tính tương quan chéo của hai mã bất kì khác nhau x và y trong một tập mã thông
minh, có thể được biểu diễn như sau: 
xx
()
=
0 cho tất cả  trong đó 
c
và 
c
là cửa sổ
tương quan chéo bằng 0 được sinh ra từ cấu trúc mã thông minh. Trong cửa sổ 
c
, nhiễu đa
người sử dụng do đa đường có thể bị loại bỏ nhờ thuộc tính này của mã.

Hình 2. Tự tương quan và tương quan chéo của
a. hệ thống CDMA truyền thống b. hệ thống CDMA sử dụng mã thông minh
Hệ thống CDD nên được thực hiện bằng cách truyền liên tục trên một tần số đơn với một
tập mã thông minh để cung cấp truyền thông hai chiều . Trong thực tế, trong cửa số tương quan
chéo bằng không 

c
của hai mã thông minh, một cho đường xuống, một cho đường lên, giá trị
tương quan chéo của hai mã không chính xác bằng không khi hai tín hiệu (đường lên và đường
xuống) đến thiết bị đầu cuối khác trên một liên kết truyền thông. Đó là do sự không hoàn hảo
của thuộc tính mã thông minh hiện tại. Do đó, ở bất kì thiết bị đầu cuối truyền thông thu phát
nào, công suất truyền đi mạnh ở một thiết bị sẽ che tín hiệu yếu đến ở một thiết bị khác trên
đường truyền thông, mặc dù thời gian di chuyển của tín hiệu có thể được điều chỉnh để thời gian
đến rơi vào trong cửa số 
c
. Do đó, CDD không thể được sử dụng để truyền liên tục trên một
tần số đơn. Các mã thông minh được sử dụng trong hệ thống CDD có thể tránh được nhiễu lân
cận và nhiễu đa người sử dụng mà ở một hệ thống TDD thông thường khi không có mã thông
minh không thể làm được.
3. Mã thông minh sử dụng trong CS - OFDMA
Hiện có nhiều mã thông minh. Giả sử mã thông minh là mã trực giao bù như mã LS với độ
dài L bit. Khi đó có L sự kết hợp khác nhau giữa các chuỗi mã. Mã trực giao bù với độ dài L
chip bao gồm mã C và S. Độ dài của C và S là L/2 chip. Tương quan giữa C và S có các thuộc
tính như sau:
Tổng của các hệ số tự tương quan của mã C
1
và mã S
1
bằng 1 với 
=
0. Tổng của các hệ


ĐT
số tự tương quan của mã C
1

và mã S
1
tương đương 1 với  0 khi 
a
.
Tổng của các hệ số tương quan chéo của mã C
1
và mã S
1
luôn bằng 0 khi 
c
. Vì vậy, sử
dụng mã bù trực giao có thể có được thuộc tính của mã thông minh ở trên.
Nếu L mã được sử dụng, không có cửa sổ tương quan chéo bằng 0 giữa 2 mã. Nếu chỉ L/2
mã được sử dụng, cửa sổ tương quan chéo tối thiểu là –1c 
c
 1c trong đó c là độ lâu một
chip. Nếu L/4 mã được sử dụng, cửa sổ tương quan chéo tối thiểu là –3c 
c
 3c. Ở đây sẽ sử
dụng L/2 mã.
Ví dụ về một mã LS:

Bằng cách trải phổ theo mã giống như tronc CDMA, chúng ta có được độ lợi xử lý PG
(dB) = 10 lg L và tỉ lệ sóng mang trên can nhiễu C/I
=
E
b
/I
0

/P.G, trong đó I
=
I
0
B,
C
=
E
b
R
b
; B là độ rộng băng tần kênh, Eb là năng lượng trên mỗi bit và R
b
là số bit trên giây.
Do đó, P.G.
=
B/R
b
= L
và R
c

=
R
b
L.
Cửa sổ tự tương quan bằng 0 có thể được tính bằng
cách chèn số bit trắng giữa C và S. Do thuộc tính tự tương quan của mã thông minh, pha đinh
Rayleigh và điều tần ngẫu nhiên được tạo ra bởi đa đường khi MS đang di chuyển sẽ không bị
chú ý đến trong tín hiệu thu được. Vì vậy, tốc độ di chuyển của MS không ảnh hưởng đến tín

hiệu thu được. Sử dụng mã thông minh trong hệ thống thông tin di động tạo ra những giá trị tốt.
Khoảng trải thời gian  do đa đường trong phương tiện mặt đất trong phần lớn trường hợp ít hơn
10

s.
Với tốc độ số liệu 100 kb/s, khoảng thời gian giữa hai bit kề nhau là 1b
=
10

s
. Điều
này nghĩa là nếu 
<
1b trong phần lớn các trường hợp và khi đó cửa sổ tương quan chéo bằng
không 
c
=
1b được thiết lập nếu tốc độ số liệu truyền là 100 kb/s. Khi điều chế trải phổ mã có
tốc độ R
c =
100 kchip/s, khoảng thời gian giữa các chip kề nhau 1c, 
<
1c hoặc

c
=
1c
=
10 ms.
4. Hệ thống CS - OFDMA

Bởi vì việc trải theo mã chỉ có thể sử dụng một số lượng giới hạn mã thông minh nên nó
không phải là tập mã lý tưởng cho hệ thống CDMA thông thường. Trong một hệ thống CDMA
thông thường, một kênh phổ băng rộng được sử dụng để truyền càng nhiều mã càng tốt. Mỗi mã
đóng vai trò như một kênh lưu lượng. Tuy nhiên, số lượng mã thông minh tỉ lệ nghịch với kích
thước của sổ tương quan bằng 0. Chỉ một số lượng giới hạn các mã thông minh có thể được sử
dụng lặp lại trong các sóng mang con khác nhau trong một hệ thống OFDMA. Do đó, mã thông
minh thích hợp ứng dụng trong các hệ thống OFDMA. Một tín hiệu OFDMA chia một luồng số


ĐT

liệu tốc độ cao truyền trên một tần số sóng mang thành một số luồng số liệu tốc độ thấp trên trên
một số kênh sóng mang con (Sch). Trong mỗi sóng mang, chúng ta có thể sử dụng việc trải phổ
theo mã trên các luồng số liệu tốc độ thấp nhằm thu được lợi ích từ các thuộc tính của hệ thống
OFDMA. Số lượng giới hạn mã dùng trên mỗi sóng mang con của hệ thống OFDMA là một sự
lựa chọn đúng đắn. Trong OFDMA, phân cách sóng mang con là 1/T thay vì 2/T như bình
thường trong đó T là khoảng thời gian một kí hiệu. Những sóng mang con trực giao này chỉ ra
rằng phân cách sóng mang con giảm đi một nửa nên không tạo ra xuyên âm. Đây là sơ đồ truyền
dẫn đa sóng mang hiệu quả cao.

Hình 3. Phổ tần của một kí hiệu OFDM
Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin di động, hiện tượng đa đường và khoảng thời gian trải
trễ có thể phá hủy tính trực giao và gây nên nhiễu liên kí hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang
(ICI) gây nên xuyên âm. Những vấn đề này được giải quyết một cách đặc biệt như chèn thêm
khoảng thời gian bảo vệ và phần mở rộng chu kì để duy trì thuộc tính trực giao giữa các sóng
mang con và loại bỏ cả ISI và ICI. Trong hệ thống CS - OFDMA, chúng ta cũng sử dụng ưu
điểm của thuộc tính mã thông minh để làm điều tương tự thay vì sử dụng khoảng thời gian bảo
vệ và mở rộng chu kì. Trong trường hợp nay, tính trực giao giữa các sóng mang con không còn
bị ảnh hưởng. Nhờ tốc độ các sóng mang con song song thấp, thuộc tính mã thông minh có thể
loại bỏ ISI và ICI.

Giả sử một kênh sóng mang Ch được chia thành M Sch, và f
i
là phân cách sóng mang
con. Độ rộng băng tần sống mang f là tổng của M phân cách sóng mang con. Mỗi Sch
i
có thể
có CS bằng N mã với độ dài mã là L. Mỗi mã chứa mã C và S và độ dài của mỗi mã C và S là
L/2. Do đó, mỗi Sch
i
trong M Sch chứa số lượng kênh CS là N,



N
1i
ji
CSSch
Mỗi Sch
i
(i = 1,M) của M sóng mang con có thể truyền cùng một số lượng N CS
j
. Số N lớn
nhất là L, do đó, N  L. Mỗi CS
j
được xem như một kênh lưu lượng. Trong sự sắp xếp thông
thường, có khoảng trống (các bit trắng) giữa C và S; ví dụ, CS
j
= C
j
(khoảng trống) S

j
(khoảng


ĐT
Bảng 2. Đăng kí mã C cho mỗi Sch
p
trong 4 nhóm

con và 4 ô tương ứng
Bảng 1. Đăng kí mã C cho mỗi Sch
p


trong 4 nhóm con và 4 ô tương ứng

trống) C
j
(khoảng trống) S
j
(khoảng
trống) …
Sự sắp xếp này có thể được sử
dụng khi tốc độ luồng số liệu thấp, vì
vậy, C
j
và S
j
có thể chỉ chồng lấn nhau
trong một phần nhỏ sau khi thu được tín

hiệu. Tuy nhiên, khi tốc độ số liệu
không rất thấp, C và S cần sự tách biệt
khoảng trống lớn hoặc tách biệt theo
cách khác. Tuy nhiên, một cách loại bỏ
khoảng trống giữa C và S đã được đề
xuất và mỗi CS
j
được sắp xếp với C và
S trên các Sch
i
, khác nhau tương ứng.
Vì vậy số N mã C và S được chia
thành 4 nhóm con, mỗi nhóm có N/4 mã
C và S, được đăng kí cho một trong 4 ô. Trong hệ thống này, tổng số lượng M sóng mang con là
một số lẻ. Trong mỗi nửa M Sch đầu tiên,
biểu thi là p (p = 1, ( M – 1)/2), được sử
dụng cho mã C. Vì vậy, mỗi Schp có N mã
C được chia thành 4 nhóm con và được
đăng kí trong 4 ô tương ứng như bảng 1. Do
đó, Sch
p
được sử dụng trong tất cả 4 ô với
các nhóm con mã C khác nhau.
Mỗi trong số nửa M Sch còn lại, gọi là
(q = (M + 3)/2, M), được sử dụng cho mã S.
Trong mỗi Sch
q
có N mã S được chia
thành 4 nhóm con và được đăng kí cho 4 ô
tương ứng như bảng 2. Do đó, mỗi Sch

q

được sử dụng trong tất cả 4 ô với các nhóm
mã S con khác nhau.
Trong Sch
p
( p = 1, ( M – 1)/2), chỉ mã
C được truyền đi trong mọi mã CS. Mỗi
nhóm con có một số lượng N/4 mã C, được đăng kí cho một trong 4 ô. Trong Schq (q =
(M + 3)/2, M), chỉ mã S được truyền đi trong mọi mã CS. Mỗi nhóm con có một số lượng N/4
mã S, được đăng kí cho một trong 4 ô. Sóng mang con còn lại (M + 1)/2 được thiết kế như là tín
hiệu dẫn đặc biệt cho việc đồng bộ hóa. Sự sắp xếp này có thể giảm một cách hiệu quả jitter tần
số và tạp âm pha, được cần nhất trong hệ thống CS - OFDMA. Nó cũng có thể được sử dụng
làm kênh quảng bá cho hệ thống.
Tất cả 4 ô sử dụng cùng M sóng mang con như là trong một hệ thống CDMA. Bởi vì một


ĐT

Mã CS trong mỗi ô:
Ô 1: Mã CS từ 1 - 4
Ô 2: Mã CS từ 5 - 8
Ô 3: Mã CS từ 9 - 12
Ô 4: Mã CS từ 13 - 16

trong 4 nhóm mã con được đăng kí cho một trong bốn ô, thừa số tái sử dụng mã K = 4 được
dùng để tái sử dụng 4 nhóm con của mã CS. Kết quả, mỗi ô riêng có thể được đăng kí bởi một
trong các nhóm con mã CS. Do đó, CS - OFDMA là hệ thống có hiệu quả sử dụng phổ tần cao
bởi vì chúng ta chỉ tái sử dụng mã. Trong mỗi ô, có N/4 mã CS truyền trong mỗi cặp sóng
mang con, một cho mã C và một cho mã S và độ lợi xử lí của mỗi Sch nhờ việc trải phổ mã CS

j

là 10lg L/2 (dB). Trải phổ N mã thông minh trong mỗi Sch giống như trải phổ N mã Walsh
trong hệ thống một sóng mang CDMA. Nếu độ dài mã là L, độ lợi xử lí là 10 lg L/2 trong mỗi
kênh Sch nhờ mã CS. Có M sóng mang con trong CS - OFDM; một nửa của M – 1 được sử
dụng cho mã C và một nửa cho mã S. Do đó, tổng số kênh lưu lượng trông mỗi ô là (M – 1)/2 x
N/4. Để hệ thống CS - OFDMA có thể làm việc được,chúng ta có thểsử dụng mã LS và giả sử
độ dài mã L = 32 chip (C có 16 chip và S có 16 chip). Với tốc độ truyền dẫn là 100 kchip/s,
khoảng thời gian giữa hai chip kề nhau là 10 µs (1c = 10 µs); tổng số lượng kênh CS - OFDMA
(4x 4(M – 1)/2) gấp 8 lần số kênh OFDMA thông thường (M – 1).






Hình 4. Tái sử dụng mã CS trong cấu hình 4 ô
5. Ảnh hưởng của khoảng trải Doppler tỉ lệ lỗi kí hiệu và tỉ lệ lỗi bit.
Trong truyền thông di động, hiệu ứng trải Doppler gây ra bởi sự sai khác giữa các độ dịch
Doppler từ các sóng đến khác nhau ở tín hiệu thu nếu máy phát và máy thu di chuyển tương đối
với nhau. Trải Doppler fd có được từ sự dịch Doppler lớn nhất. Thông thường fd rất nhỏ so với
tần số sóng mang. Ví dụ, một sóng mang 2GHz và tốc độ di chuyển là 100 km/h, dịch Doppler
chỉ khoảng 185 Hz. Với phân cách sóng mang 10 kHz, trải rộng Doppler chỉ ít hơn 2 % phân
cách sóng mang. Sự trải rộng Doppler trong miền tần số sẽ gây hư hại nhẹ cho tính trực giao
giữa các sóng mang con và gây nên xuyên âm. Trong CS-OFDMA, thuộc tính của mã thông
minh có thể loại bỏ gần hết tất cả các xuyên âm bị gây bởi sóng mang con lân cận trong tín hiệu
sóng mang con chủ đích thu, chỉ trường hợp duy nhất trong truyền dẫn đường xuống, mọi sóng
mang con truyền cùng một tập mã với các tín hiệu khác nhau. Nhằm giải quyết vấn đề này,
chúng ta để tất cả các sóng mang con lẻ gửi tín hiệu của chúng ở cùng thời điểm to và tất cả các
sóng mang con chẵn làm trễ tín hiệu khoảng thời gian một chip. Bằng cách sử dụng sơ đồ này,

các mã thông minh có thể loại bỏ các tín hiệu đường chính từ các sóng mang con lân cận. Đó là
bởi vì hậu quả của trải rộng Doppler trên sóng mang con mong muốn chỉ đến từ 2 sóng mang
con gần kề, do trải rộng Doppler nhỏ.
Tỉ lệ lỗi kí hiệu của một tín hiệu sóng mang con CS-OFDMA sử dụng điều chế biên độ cầu


ĐT
Hình 5. So sánh xác suất lỗi kí hiệu theo SNR
mỗi bit giữa sóng mang con CS – OFDMA

(nét liền) và sóng mang con OFDMA thông
thường (nét đứt) ứng với điều chế

QAM các mức khác nhau

phương QAM, được xem xét khi hoạt động trên kênh tạp âm trắng Gaussian cộng. Tỉ lệ lỗi kí
hiệu có thể được biểu diễn như sau:
b
1l
b
erfc
s
P
2
)1L(
lL2
l3
.2P






trong đó L là số kí tự QAM, L = 2l với l
là số bit được chuyên chở trong mỗi kí hiệu,
b là tỉ lệ sóng mang trên tạp âm và Pb là tỉ lệ
lỗi bit. Thì mỗi bit trong một kí hiệu lỗi có 2l-
1 vượt ra khỏi cơ hội M-1 khả năng bị lỗi. Tỉ
lệ lỗi kí hiệu trung bình của một tín hiệu sóng
mang con OFDMA với QAM thu được từ môi
trường pha đinh Rayleigh bằng có thể được
biểu diễn như sau:
1
b
bbb
0
ss
1L2
l3
d)./exp(.P
b
1
P
















Hình bên thể hiện ưu điểm của
CS - OFDMA so với OFDMA thông thường
III. KẾT LUẬN
Sơ đồ CS - OFDMA đã tận dụng được
các ưu điểm của cả công nghệ CDMA và
OFDMA trong một hệ thống đơn giản và sử
dụng phổ tần hiệu quả trong môi trường di
động. Sơ đồ này đáng để hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) xem xét và khảo sát.

Tài liệu tham khảo
[1]. 3G Americas -Defining 4G: Understanding the ITU Process for the Next Generation of Wireless
Technology
[2]. Lee, W.C.Y. The most spectrum-efficient duplexing system: CDD - Communications Magazine, IEEE
[3]. William C. Y. Lee. CS OFDMA: A New Wireless CDD Physical Layer Scheme- LinkAir
Communications, Inc.
[4]. Daoben Li. The Perspectives of Large Area Synchronous CDMA Technology for the Fourth-
Generation Mobile Radio.
[5]. Byoung-Jo Choi, Lajos Hanzol. On the Design of LAS Spreading Codes