Bài tập lớn tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (720.29 KB, 24 trang )

Tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE
Contents

1.

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.

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 MCCDMA 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 /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 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.

Bài tập lớn tìm hiểu về công nghệ OFDMA trong LTE

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về