Kĩ thuật điều chế FDMA, ứng dụng FDMA và OFDM trong mạng di động 4G

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
GIỚI THIỆU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế
 Thế hệ di động 1G
 Thế hệ 2G
 Thế hệ 2,5G
 Thế hệ 3G
 Thế hệ 4G
 Tổng quan về SC-FDMA
 Tổng quan về OFDM
 Các tổ chức chuẩn hóa di đông 3GPP và 3GPP2
 Các hệ thống di động không dây tiên tiến dựa trên FDMA
 Tổng quan về công nghệ LTE
 Kĩ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng
 Tóm tắt
CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA
 Sơ lược về kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)
 Đặc tính kênh, ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế
FDMA
 Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số
 Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)
 Xử lí tín hiệu SC-FDMA
 Mapping sóng mang con
 So sánh các kĩ thuật mapping sóng mang con
 Xử lí đường lên cơ bản
 Cấu trúc tín hiệu tham chiếu (Pilot)

 Lập lịch phụ thuộc kênh truyền
 Đo lường hiệu suất FDMA
 Cấp phát sóng mang con với scheduling
 Kết luận về scheduling
 MIMO SC-FDMA
 Phân tập và ghép kênh không gian trong các hệ thống MIMO

 SC-FDMA phân tập không gian
 Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu SC-FDMA
 Đặc tính công suất đỉnh của tín hiệu đơn sóng mang
 Giảm biên độ bằng cách cắt bớt biên độ symbol (clipping)
 Tóm tắt
CHƯƠNG 3: SO SÁNH KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA VÀ OFDM
 Sơ lược về kĩ thuật điều chế OFDM
 Phương pháp điều chế đơn sóng mang
 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM
 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
 So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM
 Ứng dụng kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM
 Giới thiệu ứng dụng
 Ứng dụng mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)
 Giới thiệu mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G)
 Sự khác biệt giữa 3G và 4G
 Truyền dữ liệu hướng xuống sử dụng kỹ thuật OFDM
 Nguyên tắc đa truy nhập đường xuống OFDM
 Truyền dữ liệu hướng xuống
 Kỹ thuật đa truy nhập đường lên SC-FDMA
 Lý do sử dụng SC-FDMA
 SC-FDMA
 Các tham số của SC-FDMA

 Truyền dẫn dữ liệu hướng lên
 Dịch vụ mạng 4G (LTE cung cấp) và mạng 4G tại Việt Nam
 Kết luận chương
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SỬ DỤNG MATLAB
 Các thông số
 Mô phỏng SC/FDE
 Mô phỏng SC-FDMA
 Mô tả tỉ số công suất đỉnh trên trung bình của SC-FDMA
 Tóm tắt
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Hướng phát triển đề tài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh
vực phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người
ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện
mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Để đáp ứng
về nhu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng tăng cao đó, các hệ thống thông
tin di động không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức
trên thế giới.Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất
yếu. 3GPP LTE một chuẩn của tổ chức 3GPP là một trong các con đường
khác nhau tiến lên 4G, với mục tiêu tăng dung lượng truyền dẫn, giảm giá
thành dịch vụ cũng như thiết bị đầu cuối, cải thiện chất lượng các dịch vụ
hiện tại và tương lai. OFDM là một sơ đồ truyền dẫn lý tưởng cho 4G với
tốc độ truyền dẫn cao, là một giải pháp tốt cho dung lượng truyền dẫn và
tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số đã được 3GPP LTE
sử dụng truyền dẫn trên đường xuống. Tuy nhiên OFDM có nhược điểm rất
lớn đó là PAPR cao, điều này dẫn tới giảm hiệu suất của bộ khuyếch đại
công suất đặc biệt là trên thiết bị cầm tay, do đó chi phi máy đầu cuối cao.

Kĩ thuật điều chế FDMA đã được 3GPP LTE nghiên cứu và triển
khai trên đường lên cho LTE thay vì OFDM trong đường xuống. Trong
điều chế FDMA các kí hiệu được phát đi lần lượt thay vì phát đi song song
như OFDMA. Vì thế cách sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng
của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát. Do đó các tín hiệu điều chế
FDMA có PAPR thấp hơn các tín hiệu OFDMA mà vẫn đảo bảo tốc độ và
độ phức tạp tương đương như hệ thống OFDMA, khi PAPR thấp làm tăng
hiệu suất bộ khuyếch đại công suất điều này dẫn tới tăng vùng phủ và chi
phí máy đầu cuối giảm thấp. Hơn nữa điều chế FDMA có nhiều kiểu sắp
xếp song mang khác nhau cho phép linh hoạt hơn trong các chế độ, điều
kiện truyền dẫn khác nhau.
Xuất phát từ những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài nghiên cứu
của mình là “Kĩ thuật điều chế FDMA. Ứng dụng FDMA và OFDM
trong mạng di động 4G” làm chủ đề nghiên cứu. Theo đó, đề tài tiến hành
nghiên cứu các nội dung chính theo bố cục gồm bốn chương như sau:
Chương 1: Tông quan
Chương 2: Kĩ thuật điều chế FDMA
Chương 3: So sánh kĩ thuật điều chế FDMA và OFDM
Chương 4: Mô phỏng bằng Matlab
Do hạn chế về thời gian, kiến thức cũng như tài liệu tham khảo nên
đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự góp ý và
chỉ bảo của quý thầy, cô và các bạn để đồ án có thể hoàn thiện và phong
phú hơn.
Để có được đồ án này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các
thầy cô giáo trong trường Đại học Quy nhơn nói chung, khoa Công kỹ
thuật & công nghệ nói riêng những người đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
cho em những kiến thức quý báu trong 4 năm học vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Lê Đức Phục,
bộ môn Điện Tử - Viễn Thông, khoa kỹ thuật & công nghệ, trường Đại
học Quy nhơn đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp cho em nhiều

kiến thức cũng như tài liệu quý trong suốt quá trình làm đồ án.
Bình Định, ngày , tháng 12, năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Huy
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT
Trong chưa đầy ba thập kỉ, điện thoại di động đã biến đổi mạnh mẽ từ
các mạch điện trong phòng thí nghiệm thành các sản phẩm điện tử phổ biến
trên toàn thế giới. Điện thoại di động đã tích hợp một loạt các thiết bị khác
như máy nhắn tin, máy ảnh, quay phim, máy nghe nhạc, chơi game, trình
duyệt web… Mặc dù điện thoại cố định đã xuất hiện hơn 1 thế kỷ, tuy nhiên
số lượng điện thoại di động đã vượt qua điện thoại cố định chỉ trong vòng
vài năm và đang trên đà tiếp tục phát triển lớn mạnh. Với hàng trăm triệu
người dùng ở những quốc gia đang phát triển, truyền thông di động đã trở
thành một thành phần thiết yếu của cuộc sống.
1.1. Các thế hệ di động và giới thiệu tổng quan các kĩ thuật điều chế
 Thế hệ di động đầu ên (1G)
Được giới thiệu vào đầu thập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương
tự (Analog). Tất cả các hệ thống thuộc thế hệ di động này đều sử dụng kiểu
đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access).
 Thế hệ thứ hai (2G)
Được triển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số. Hệ thống
2G đã đạt được những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kết
nối thuê bao trên toàn thế giới.
Là một mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyển
mạch - mạch là chủ yếu. Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần số
FDMA hoặc đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA.
 Thế hệ 2,5G
Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G và
thực sự nó là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên. Hệ

thống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm
là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn.
Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên
3G từ 2G, nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổi
một cách đột biến.
 Thế hệ thứ ba (3G)
Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyền
thông đa phương tiện chất lượng cao. Các hệ thống 3G được xây dựng trên
nền chuẩn CDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung
cấp một băng tần theo yêu cầu do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc
độ khác nhau.
Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chung
duy nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps. Mặc dù được tính
toàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rất
lớn.
 Thế hệ thứ tư (4G)
Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng
cao.
Yêu cầu về tốc độ là từ 100Mbps đến 1Gbps.
Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ
các công nghệ không dây khác nhau.
Mạng lõi hòan toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là
sử dụng phương thức chuyển mạch gói.
1.1.6. Tổng quan về SC-FDMA
Đa truy cập phân chia theo tần số đơn sóng mang (Single Carrier -
Frequency Division Multiple Access), là một kỹ thuật mới cho các hệ
thống truyền thông di động trong tương lai. Sự phát triển của kĩ thuật điều
chế FDMA đại diện cho sự tiến hóa nhanh chóng của các công nghệ di
động. Mặc dù sự tiến bộ về kỹ thuật vẫn đang tiếp diễn và các hệ thống
thương mại vẫn đều đặn thực hiện những cải tiến mới, những tiến bộ quan

trọng thường đánh dấu cho sự chuyển đổi từ một thế hệ công nghệ này
sang thế hệ khác. Thế hệ di động đầu tiên (1G), được giới thiệu vào đầu
thập niên 80, đặc trưng bởi truyền thông tương tự. Thế hệ thứ hai (2G), được
triển khai vào những năm 90, truyền tín hiệu ở dạng số. Hệ thống 2G đã đạt
được những tiến bộ quan trọng về bảo mật cũng như khả năng kết nối thuê
bao trên toàn thế giới.
Ngay cả trước khi hệ thống thế hệ thứ hai đầu tiên được đưa ra thị
trường, các nhà nghiên cứu đã quan tâm tới công nghệ thế hệ thứ ba (3G)
với tốc độ cao hơn, hiệu suất phổ tốt hơn, và các dịch vụ thông tin cùng với
thoại thông thường. Năm 2000, dưới tên gọi IMT-2000 (International
Mobile Telecommunication-2000),ITU(International Telecommunication
Union) đã đưa ra một bộ tiêu chuẩn, gồm 5 kỹ thuật cơ bản của hệ thống
truyền thông di động 3G. Năm 2008, các công ty cung cấp mạng di động đã
triển khai hai trong số những kỹ thuật này,đó là W-CDMA (Wideband Code
Division Multiple Access) và CDMA2000 khi đã có những điều kiện thích
hợp. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu và kinh doanh đã bắt đầu quan tâm
tới kĩ thuật điều chế FDMA như là một lựa chọn hàng đầu cho "bước tiến
hóa dài hạn - long term evolution" (LTE) trong truyền thông từ thiết bị di
động đến trạm gốc. Có thể xem công nghệ LTE được triển khai vào khoảng
năm 2010.
Các thế hệ điện thoại liên tiếp đã được tích hợp để truyền trong các dải
tần rộng hơn. Tín hiệu của hệ thống 1G hoạt động ở băng thông 25 và 30
KHz sử dụng nhiều kiểu điều chế tần số khác nhau. Mặc dù có nhiều hệ
thống 2G hoạt động ở những băng hẹp như nhau, hai hệ thống được triển
khai rộng rãi nhất là GSM và CDMA, chiếm giữ băng thông 200 KHz và
1,25 MHz. Thế hệ thứ 3 - hệ thống W-CDMA truyền tín hiệu trong dải 5
MHz. OFDM và SC-FDMA là những kỹ thuật điều chế được sử dụng cho
các dải tín hiệu 20MHz trong các thế hệ di động kế tiếp.
1.1.7. Tổng quan về OFDM
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là

một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó
các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng
mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục
lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có
hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường.
Nhờ đó OFDM là dòng chia tốc độ dữ liệu cao thành các dòng chia
có tốc độ dữ liệu thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang, ta thấy
rằng, trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho
OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy
theo tỉ số tín hiệu trên tạp SNR của sóng mang đó.
Kĩ thuật OFDM do R.W Chang phát mình năm 1966 ở Mỹ. Trải qua
40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học này đã được
thực hiện khắp nơi trên toàn thế giới, người ta đã chứng minh được điều
chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và DFT, nhờ đó làm
cho kĩ thuật điều chế OFDM ngày càng rộng rãi.
Về lĩnh vực truyền sóng thì tốc đường xuống trong OFDM đối với 3G là
14Mbps còn với 4G là 100Mbps đến 1Gbps.
1.2. Các tổ chức chuẩn hóa di động 3GPP và 3GPP2
Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (Third Generation Partnership Project -
3GPP) là một sự hợp tác giữa các hiệp hội viễn thông, nhằm tạo ra một tiêu
chuẩn kỹ thuật cho hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ 3 (3G) áp dụng
toàn cầu nằm trong dự án Viễn thông di động quốc tế 2000 của ITU. Các
chỉ tiêu kỹ thuật của 3GPP được dựa trên GSM (Global System for Mobile
communications).
Các kỹ thuật 3G chuẩn hóa bởi 3GPP thường được gọi chung là W-
CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). 3GPP sử dụng hai
cụm từ để mô tả các đặc điểm kỹ thuật của nó: UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System) áp dụng cho toàn bộ mạng di động, chứa
hàng trăm đặc điểm kỹ thuật của 3GPP và UTRAN (Universal Terrestrial
Radio Access Network) là tập hợp các thành phần mạng và giao diện của

chúng, sử dụng cho truyền thông giữa thiết bị đầu cuối di động và hạ tầng
mạng. Một dự án khác, 3GPP2, liên quan đến những bản cải tiến của hệ
thống di động CDMA đầu tiên. Các kỹ thuật được chuẩn hóa bởi 3GPP2
thường được gọi chung là CDMA2000. Các kỹ thuật trong W-CDMA và
CDMA2000 xuất hiện trong tất cả các phương diện của một mạng di động.
Một bộ tiêu chuẩn được ban hành được gọi là một Release. Mỗi
Release bao gồm tất cả các thành phần không đổi của các tiêu chuẩn trước
đó mà vẫn còn hiệu quả và các thành mới được thêm vào hoặc đã được sửa
đổi. Release 5 của W-CDMA được đưa ra năm 2002, Release 6 năm 2005 và
Release 7 năm 2007. Vào năm 2008, các tiêu chuẩn LTE đã được hoàn thành
trong bản Release 8. Hai cải tiến trong Release 5 là High Speed Downlink
Packer Access (HSDPA) và IP Multimedia Subsystem (IMS). Trong
Release 6, với High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), Multimedia
Broadcast/ Multicast Service (MBMS), và Wireless LAN/cellular
interaction, và trong Release 7 là Multiple Input Multiple Output (MIMO)
cùng với điều chế bậc cao. Release 8 tập trung vào Long Term Evolution
(LTE) của W-CDMA. Mục tiêu của LTE là tăng tốc độ dữ liệu lên đến
100 Mbps trong khu vực có tính di động cao và lên tới 1 Gbps trong môi
trường ít biến đổi.
1.3. Các hệ thống không dây di động tiên tiến dựa trên FDMA
Ba tổ chức chuẩn hóa IEEE, 3GPP và 3GPP2 đã tiến hành nghiên
cứu về các hệ thống băng rộng di động tiên tiến sử dụng kỹ thuật truyền
phân chia theo tần số. Dưới đây là những đặc điểm chính của Mobile
WiMAX (phát triển bởi IEEE), Ultra Mobile Broadband (phát triển bởi
3GPP2) và 3GPP Long Term Evolution (LTE). Điều chế FDMA, chủ đề của
đề tài này, là một thành phần của LTE.
Bảng 1.1: So sánh các giao diện không gian của ba hệ thống trên 3G
Mobile WiMAX 3GPP LTE 3GPP2 UMB
Băng thông kênh
5; 7; 8,75 và 10

Mhz
1,4 ; 3; 5; 10; 15
và 20Mhz
1,25; 2,5; 5; 10
và 20 Mhz
Ghép kênh đường
xuống
OFDM OFDM OFDM
Đa truy cập đường
lên OFDMA SC-FDMA
OFDMA và
SC-FDMA
Duplexing TDD FDD và TDD FDD và TDD
Mapping sóng
mang con
Phân phối và cục
bộ
Cục bộ
Phân phối và
cục bộ
Điều chế dữ liệu
QPSK, 16-QAM,
64-QAM
QPSK, 16-QAM,
64-QAM
QPSK, 8-PSK,
16-QAM, 64-
QAM
Khoảng cách sóng
mang con

10,94 khz 15 khz 9,6 khz
Kích cỡ FFT
(BW 5MHz)
512 512 512
Mã hóa kênh
Mã hóa nhân chập,
nhân chập turbo và
mã hóa LDPC
Mã hóa nhân
chập và nhân
chập turbo
Mã hóa nhân
chập, nhân
chập turbo và
mã hóa LDPC
MIMO
Beamforming, mã
hóa thời gian-
không gian và
ghép kênh không
gian
Ghép kênh không
gian mã hóa nhiều
lớp, mã hóa khối
tần số/thời gian-
không gian, phân
tán truyền, phân
tán trễ tuần hoàn
Ghép kênh
không gian mã

hóa nhiều lớp,
phân tán truyền
không gian-
thời gian, đa
truy cập phân
chia theo
không gian,
beamforming
Các hệ thống trên có những đặc điểm chung sau:
Băng thông truyền lên đến 20MHz.
−  !
"# $%%& '()*+, *+,-/"#012(
3#4 %5 6%2"# 7%85'91:
− ;4 %5  <=>=2)6%4 %5 -?-*@ABA'"#
  $%%& '("# $C=58
− D5'E #%8> !F G
− D#'H & :02 7I?J):'K (1L
0 7M0N'
− ,E"O'@9=%= "#17 
1.4. Tổng quan về công nghệ LTE.
Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau
R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm
giảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và
giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao
diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khai
thác hệ thống, 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.
Có thể tóm tắt các nhiệm vụ, mục tiêu nghiên cứu của LTE và SAE
như sau:

• P6'!" %82QDRST)
− : %%& '( !U @A@GVOU
:C 7
− W9:" %82
− X( 7A%Y%:0E"O@)-Z-[U?-[
• P6'!Q[/ST)
− W9:\
− R@%@%@A?J"#0E"O
− W9:] 7A"#%820
':JJ
1.5. Kỹ thuật phân chia tần số trong hệ thống băng rộng
Trong truyền thông, ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) là một
kĩ thuật phân chia tổng băng thông có sẵn thành một nhóm các dải tần số
con không chồng lấn, mỗi dải này sẽ mang một tín hiệu phân biệt. Điều này
cho phép mang nhiều tín hiệu hơn. Các hệ thống FDM hiện đại thường sử
dụng các phương pháp điều chế giúp ghép vài tín hiệu có thể cùng được
truyền thông qua mỗi kênh tần số.
Hình 1.1: Ghép kênh phân chia theo tần số
Phân chia theo tần số là một kỹ thuật hoàn thiện, và do đó hệ thống di
động đầu tiên sử dụng nó để phân chia các cuộc hội thoại analog khác nhau:
ghép kênh phân chia theo tần số trong hướng gửi đi (đường xuống) và đa truy
cập phân chia theo tần số trong hướng ngược lại (đường lên). Hệ thống thế
hệ thứ hai sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã hoặc kết hợp giữa phân chia
theo thời gian/tần số để truyền thoại và các tín hiệu khác ở dạng số. Mặc dù
hai hệ thống 3G dựa trên kỹ thuật phân chia theo mã, tất cả các hệ thống băng
rộng tiên tiến lại trở về sử dụng phân chia theo tần số. Kỹ thuật phân chia
theo tần số thích hợp với việc truyền thông qua các đối tượng kênh truyền
di động có fading chọn lọc tần số do truyền đa đường. Kỹ thuật phân chia
theo tần số trực giao, hiệu quả trong việc truyền một tín hiệu dữ liệu tốc độ
cao như là tập hợp một số lượng lớn các tín hiệu tốc độ thấp, mỗi tín hiệu

chiếm một dải tần số hẹp, được sử dụng trong audio số và truyền hình số,
Wireless MAN và Wireless LAN. Với cùng lý do, kỹ thuật phân chia theo
tần số thích hợp với LTE trong mạng di động. Trong việc thiết lập các
chuẩn cho LTE, 3GPP nhận ra rằng OFDMA đặt thêm gánh nặng cho thiết bị
đầu cuối di động. Do đó, có thể xem SC-FDMA như là một sự thay thế cho
OFDMA với thời lượng pin kéo dài hơn cho các thiết bị di động đầu cuối
nhờ đặc tính công suất đỉnh thấp.
1.6. Tóm tắt
Chương này đã giới thiệu khái quát về các thế hệ di động từ 1G đến
4G cùng với các đặc trưng kỹ thuật của nó. Các tổ chức 3GPP và 3GPP2
cùng với các hệ thống di động do các tổ chức đó chuẩn hóa cũng đã được nêu
ra và so sánh với nhau. Cuối cùng là sơ lược về LTE và kỹ thuật ghép kênh
theo tần số và lý do lựa chọn SC-FDMA cho truyền đường lên trong LTE -
chủ đề chính của đề tài này.
CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA
 Sơ lược kĩ thuật điều chế FDMA.
2.1.1. Đặc tính kênh và ghép kênh theo tần số của kĩ thuật điều chế
FDMA
Khi truyền đường lên trong hệ thống di động cần đạt được một số mục
tiêu như hiệu suất phổ, lưu lượng cao, trễ thấp và thời lượng pin của thiết bị
di động kéo dài. Thách thức đối với thiết kế một hệ thống là tối ưu những
giá trị này với sự có mặt của suy hao trong kênh truyền. Để tăng hiệu suất
phổ và tăng tốc độ truyền, các thế hệ di động liên tiếp đã chuyển tín hiệu tới
băng thông ngày càng cao. Các kỹ thuật phát triển bởi 3GPP cho LTE sử
dụng tín hiệu với băng thông cao khoảng 20 MHz.
 Đặc tính kênh truyền vô tuyến của kĩ thuật FDMA
Một điểm yếu của vô tuyến là sự suy yếu tín hiệu tác động lớn đến
việc thiết kế và hiệu suất của các kỹ thuật truyền băng rộng bao gồm cả SC-
FDMA.
Sơ lược về một số tác nhân gây suy yếu chính:

• Doppler
• Can nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference - ISI)
• Fading phẳng và fading chọn lọc tần
số
• Can nhiễu đồng kênh
• Can nhiễu kênh kế cận
• Nhiễu
• Méo dạng phi tuyến
• Dịch tần số
 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
3GPP sử dụng OFDM cho truyền đường xuống và điều chế FDMA
(SC-FDMA) trong truyền đường lên cho LTE. OFDM là một hệ thống đa
sóng mang, nó ghép dữ liệu trên nhiều sóng mang và truyền chúng một
cách song song. OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao chồng lấn lên
nhau trong miền tần số, vì vậy hiệu suất phổ của nó rất cao so với FDM
thông thường, và thường yêu cầu có khoảng bảo vệ giữa các dải con kế cận.

Các sóng mang
Hình 2.1: Các sóng mang con trực giao trong OFDM
Hình 2.2: Xử lý tín hiệu OFDM cơ bản
Ý tưởng cơ bản của OFDM là chia các tín hiệu tốc độ cao thành
nhiều tín hiệu chậm hơn và truyền mỗi tín hiệu chậm hơn đó trong một dải
tần số phân biệt. Các tín hiệu này được ghép tần số để tạo nên một dạng
sóng. Nếu có đủ các tín hiệu băng hẹp tốc độ chậm, khoảng symbol trong
mỗi một dạng sóng sẽ đủ dài để loại trừ can nhiễu liên ký tự.
Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) và biến đổi
ngược của nó (Inverse DFT) là các kỹ thuật xử lý tín hiệu chính yếu của
OFDM. Thông thường thì chúng hay được biết đến là biến đổi Fourier
nhanh (Fast Fourier Transform) và biến đổi ngược (Inverse FFT).
Hình 2.3 cho thấy các thành phần cơ bản của một bộ phát và thu

OFDM sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số. Đầu vào bộ điều chế OFDM là
lối ra của một bộ mã hóa kênh đã được mã hóa sửa sai và kiểm tra dư thừa
(CRC). Bộ điều chế dải gốc, thường là QAM, biến đổi tín hiệu vào nhị phân
thành một chuỗi các symbol điều chế có giá trị phức nhiều mức. Một bộ xử
lý tín hiệu sau đó thực hiện biến đổi IDFT trên một chuỗi N symbol để tạo ra
một symbol OFDM.
N mẫu dải con có được từ biến đổi IDFT được truyền liên tục qua
một kênh truyền fading và bộ thu thực hiện một biến đổi DFT để phục hồi
N symbol trong miền tần số từ tín hiệu nhận được trong miền thời gian. Các
hoạt động biến đổi ngược sẽ bù méo dạng tuyến tính gây ra bởi truyền đa
đường. Cuối cùng, một bộ tách sóng (giải điều chế) tạo ra một tín hiệu tương
đương với tín hiệu gốc vào bộ truyền OFDM.
Để giảm can nhiễu giữa các symbol liên tiếp, khoảng thời gian symbol
của mỗi dải con (sub-band),
τ
sub
giây, thường lớn hơn trải trễ tối đa của
kênh:
τ
sub
>
τ
max
. Khoảng thời gian symbol dải con tỷ lệ với số dải con:
τ
sub
=
N.
τ
mod

, với
τ
mod
giây là khoảng thời gian của một symbol. Do đó, số lượng
dải con tối thiểu là N>
τ
max
/
τ
mod
.
Trên thực tế, trải trễ của kênh truyền vẫn có thể tạo ra can nhiễu giữa
các symbol OFDM liên tiếp nhau. Để giảm loại ISI này, OFDM sử dụng
"khoảng bảo vệ - guard time",
τ
g
giây, giữa các symbol kế tiếp nhau,
với
τ
g
≥
τ
max
. Khoảng bảo vệ này tương đương với khoảng thời gian truyền
của G mẫu điều chế và trong suốt khoảng bảo vệ, tại phần đầu của mỗi
symbol OFDM, bộ phát sẽ tạo ra lại G tín hiệu điều chế được biến đổi cuối
cùng tạo ra bởi bộ xử lý IDFT. G mẫu điều chế này được truyền trong suốt
khoảng bảo vệ và được gọi là cyclic prefix (CP).
Hình 2.3: Các thành phần của bộ phát OFDM
Hình 2.4 biểu diễn việc xử lý tín hiệu của một bộ phát OFDM. Cùng

với các thành phần hệ thống OFDM trong Hình 2.3, nó còn có mã hóa
kênh, cyclic prefix và khuếch đại công suất cùng với một bộ lọc nắn dạng
xung. Bộ lọc này sẽ làm suy giảm năng lượng tín hiệu nằm ngoài băng thông
OFDM. Các thành phần của một bộ thu OFDM sẽ thực hiện các hoạt động
ngược lại ở bộ phát.
2.1.2. Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số
Một bộ cân bằng sẽ bù méo dạng tuyến tính gây ra bởi kênh truyền
đa đường. Đối với các kênh đa đường băng rộng, cân bằng trong miền tần
số (Frequency Domain Equalization) là một lựa chọn phù hợp.
Cân bằng kênh về cơ bản một bộ lọc biến đổi ngược những méo
dạng tuyến tính tạo ra bởi kênh truyền đa đường. Biến đổi Fourier, sẽ
chuyển đổi tín hiệu trong miền thời gian sang miền tần số. Sử dụng DFT,
cân bằng trong miền tần số có thể dễ dàng được thực hiện sử dụng các bộ
xử lý tín hiệu số (DSP) hiện đại. Vì kích thước DFT không tăng tuyến tính
với độ dài đáp ứng kênh, nên độ phức tạp của FDE thấp hơn nhiều so với
bộ cân bằng tương đương trong miền thời gian cho các kênh băng rộng.
Điều chế đơn sóng mang với cân bằng miền tần số (SC/FDE) là một
kỹ thuật thiết thực cho việc làm giảm ảnh hưởng của fading chọn tần số.
Hiệu suất truyền của nó tương tự như OFDM với độ phức tạp tương
đương, ngay cả cho đáp ứng xung kênh truyền dài.
Một bộ điều chế SC/FDE truyền các symbol được điều chế một cách
liên tục. Nó chia chuỗi các symbol điều chế thành các khối (block) và thêm
một cyclic prefix (CP) vào phần đầu của mỗi khối. Cũng như trong OFDM,
CP làm giảm can nhiễu liên khối.
Như trong Hình 2.6, một bộ thu SC/FDE biến đổi các tín hiệu nhận được
sang miền tần số bằng cách áp dụng một biến đổi DFT và thực hiện cân
bằng. Hầu hết các kỹ thuật cân bằng thông dụng, như bộ cân bằng lỗi bình
phương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean Square Error - MMSE), cân
bằng phản hồi quyết định, và cân bằng nhanh đều có thể áp dụng cho FDE.
Sau khi cân bằng, một bộ IDFT sẽ biến đổi tín hiệu đơn sóng mang trở lại

miền thời gian và một bộ tách sóng sẽ phục hồi các symbol ban đầu. Ngược
lại, OFDM sử dụng một bộ tách sóng riêng biệt cho mỗi sóng mang con.
Hình 2.4: Sơ đồ khối của hệ thống SC/FDE và OFDM
Hình 2.5: Bộ thu OFDM và SC/FDE
2.2. Kĩ thuật điều chế FDMA (SC-FDMA)
Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa truy cập
phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) là các bản chỉnh sửa của
các kỹ thuật OFDM và SC/FDE đã được giới thiệu ở trên. Khác với các kỹ
thuật ở trên, kỹ thuật đa truy cập được giới thiệu trong phần này truyền các
tín hiệu khác nhau một cách đồng thời. Tất cả cả kỹ thuật phân chia theo
tần số trực giao sử dụng một bộ rời rạc các sóng mang con trực giao được
cấp phát trên một băng thông hệ thống. Chúng bao gồm các biến đổi rời rạc
để chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và tần số.
Để truyền các tín hiệu khác nhau một cách đồng thời, các kỹ thuật đa
truy cập sẽ gán các tín hiệu vào các bộ sóng mang con tách biệt lẫn nhau.
Vì các kênh băng rộng phải chịu fading chọn tần số, các kỹ thuật FDMA có
thể sử dụng lập lịch phụ thuộc kênh (channel-dependent scheduling) để có
thể phân tập người dùng, và bởi vì những đặc tính fading của các thiết bị đầu
cuối ở những vị trí khác nhau độc lập thống kê với nhau, các kỹ thuật lập
lịch có thể gán mỗi đầu cuối với những sóng mang con có đặc tính truyền
phù hợp tại vị trí của thiết bị.
2.2.1. Xử lý tín hiệu SC-FDMA
Hình 2.6: Cấu trúc bộ phát và thu của hệ thống SC-FDMA/OFDMA
Hình 2.7 cho thấy một bộ phát SC-FDMA gửi đi một khối dữ liệu
tới một bộ thu. Đầu vào của bộ phát và đầu ra của bộ thu là các symbol
điều chế phức. Các hệ thống trên thực tế phải linh động thích ứng kỹ thuật
điều chế với chất lượng kênh truyền, sử dụng BPSK ở những kênh truyền
yếu và 64-QAM trong những kênh truyền mạnh. Các khối dữ liệu bao gồm
M symbol điều chế phức được tạo ra ở tốc độ R
source

symbol/s. Biến đổi
Fourier rời rạc (DFT) M điểm tạo ra M symbol trong miền tần số và điều
chế vào N sóng mang con trực giao trải trên một băng thông:
Với f
0
là khoảng cách các sóng mang con. Tốc độ truyền của
kênh là:
(symbol / s) (1)
Nếu Q là hệ số trải băng thông, nghĩa là :
Q = = (2)
thì hệ thống SC-FDMA có thể xử lý Q tín hiệu nguồn trực giao với mỗi
nguồn chiếm một bộ M sóng mang con trực giao khác nhau. Ta biễu diễn
x
m
(m = 0, 1, …, M - 1) đại diện cho các symbol nguồn được điều chế và X
k
(k =
0, 1, …, M - 1) đại diện cho M mẫu DFT của x
m
. Y
l
(l = 0, 1, …, N - 1) đại
diện cho các mẫu miền tần số sau khi mapping sóng mang con và y
n
(n = 0,
1, …, N - 1) đại diện cho các symbol kênh truyền miền thời gian được truyền
đi có được từ biến đổi IDFT của Y
l
. Khối Mapping sóng mang con sẽ gán
các symbol cần điều chế trong miền tần số vào các sóng mang con. Biến

đổi IDFT tạo ra biểu diễn trong miền thời gian, y
n
, của N symbol sóng
mang con. Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp sắp đặt y
0
, y
1
,
…
, y
N-1
vào một chuỗi thời gian thích hợp cho điều chế một
sóng mang tần số vô tuyến và truyền đến đầu thu.
Hình 2 7: Quá trình tạo ra các symbol SC-FDMA
Hình 2.8: Bộ lọc Raised-cosin
Bộ truyền trong Hình 2.7 thực hiện hai hoạt động xử lý tín hiệu khác
trước khi truyền. Nó thêm một nhóm các symbol được gọi là cyclic prefix
để cung cấp khoảng bảo vệ nhằm tránh can nhiễu liên khối (IBI) do truyền
đa đường. Bộ truyền cũng thực hiện hoạt động lọc tuyến tính gọi là nắn
dạng xung để giảm năng lượng tín hiệu ngoài dải. Bộ nắn dạng xung
thường được sử dụng là lọc raised-cosin.
Hệ số uốn roll-off
α
từ 0 - 1 điều khiển số lượng phát xạ ngoại dải. Với α =
0, bộ lọc là một lọc dải lý tưởng loại bỏ hoàn toàn phát xạ ngoại dải. Khi α tăng,
phát xạ ngoại dải sẽ tăng theo. Trong miền thời gian, búp sóng của đáp ứng xung
lọc tăng khi
α
giảm và điều này sẽ làm tăng công suất đỉnh của tín hiệu truyền sau
khi nắn dạng xung. Do đó, cần lựa chọn hệ số uốn thích hợp để có hiệu quả

tốt nhất.
Khối DFT biến đổi tín hiệu nhận được về miền tần số để khôi phục N
sóng mang con. Hoạt động de-mapping sẽ tách M mẫu của tín hiệu gốc
trong miền tần số. Vì SC-FDMA sử dụng điều chế đơn sóng mang, trên
thực tế nó sẽ gặp phải méo dạng tuyến tính, thường được gọi là ISI. Bộ cân
bằng miền tần số sẽ giúp loại bỏ ISI. Khối IDFT trong bộ thu biến đổi các
symbol đã được cân bằng tạo ra chuỗi M tín hiệu điều chế đã nhận được.