KĨ THUẬT PHÂN tập PHÁT CHO lớp vật lý ĐƯỜNG XUỐNG TRONG LTE

Đồ án 3
Trang 20/48

ĐỒ ÁN 3

KĨ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT CHO LỚP
VẬT LÝ ĐƯỜNG XUỐNG TRONG LTE


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………………..vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………………..ix
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT…………………………………………xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE……………………………1
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động…………………………..1
1.1.1

Thế hệ thứ 1 (1G)…………………………………………………….1

1.1.2

Thế hệ thứ 2 (2G)…………………………………………………….1

1.1.3

Thế hệ thứ 3 (3G)…………………………………………………….1

1.1.4

Thế hệ thứ 4 (4G)…………………………………………………….2

1.2 LTE………………………………………………………………………….2
1.3 LTE, HSPA và WIMAX……………………………………………………3
1.4 Cấu trúc mạng LTE…………………………………………………………5
1.4.1

Mạng truy cập E-UTRAN……………………………………………5

1.4.2

Mạng lõi Evolved Packet Core (EPC)……………………………….6

1.4.3

Thiết bị người dùng User Equipment (UE)………………………….8

1.5 Các giao thức vô tuyến……………………………………………………..8
CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT OFDM………………………………………………9
2.1 Giới thiệu về kĩ thuật OFDM………………………………………………9
2.2 Sơ đồ khối OFDM…………………………………………………………11
2.3 Hệ thống OFDM cơ bản …………………………………………………..12
2.3.1 Tính trực giao trong OFDM…………………………………………13
2.3.2 OFDM Cyclic Prefix ………………………………………………..14
2.3.3 Đồng bộ OFDM……………………………………………………..15
2.4

Kĩ thuật OFDMA …………………………………………………………17

CHƯƠNG 3: LỚP VẬT LÝ ĐƯỜNG XUỐNG..........................................21
3.1 Các tham số điều chế…………………………………………………….22
3.2 Ghép kênh đường xuống…………………………………………………23

3.3 Kênh vật lý đường xuống………………………………………………...23
3.3.1 Lớp PDSCH…………………………………………………………25
3.3.2 Kênh điều khiển đường xuống vật lý………………………………..25


3.3.3

Kênh

điều

khiển

vật

lý

chung…………………………………………..25
3.4 Tín hiệu vật lý………………………………………………………………25
3.5

Kênh

truyền

tải

……………………………………………………………..27
3.6 Ánh xạ kênh vật lý đường xuống đến kênh vận chuyển……………………28
3.7

Mã

hóa

kênh

đường

xuống………………………………………………….29
CHƯƠNG 4: KĨ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT…………………………………..30
4.1 Giới thiệu………………………………………………………………...…30
4.1.1 Phân tập thời gian………………………………………………………...30
4.1.2 Phân tập tần số……………………………………………………………30
4.1.3 Phân tập không gian………………………………………………………
30
4.1.3.1 Phân tập phát………………………………………………………..30
4.1.3.2 Phân tập thu…………………………………………………………31
4.2 Các kĩ thuật phân tập phát………………………………………………….31
4.2.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thu……………………31
4.2.1.1 Mã hóa truyền dẫn………………………………………………31
4.2.1.2 Bộ kết hợp………………………………………………………32
4.2.1.3 Quy tắc quyết định khả năng cực đại…………………………...32
4.2.2 Sơ đồ hệ thống Alamouti hai anten phát và hai anten thu……………33
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG …………………………...........................................35
5.1 Công cụ mô phỏng…………………………………………………………35
5.2 Kết quả mô phỏng………………………………………………………….35
5.2.1 Mô phỏng phân tập phát……………………………………………...35
5.3 Tỉ lệ bit giữa các phương thức truyền……………………………………...37
5.3.1 Phân tập phát SFBC………………………………………………….37

5.3.2 Kĩ thuật phân tập phát FSTD, SFBC…………………………………38
5.3.3 Kĩ thuật điều chế QBSK……………………………………………...41
5.3.4 Kĩ thuật điều chế 16QAM…………………………………………….43


5.3.5 Kĩ thuật điều chế 64QAM…………………………………………….44
5.4 Kết luận và hướng phát triển……………………………………………….46
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………47
Phụ lục……………………………………………………………………………..48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Cấu trúc mạng LTE…………………………………………………………………5
Hệ thống mạng lõi LTE……………………………………………………………..6
Tín hiệu OFDM…………………………………………………………………….10
Hệ

thống

OFDM

cơ

bản…………………………………………………………….12
Tiền tố lặp…………………………………………………………………………..14
Sóng

mang

con

ở

OFDM

và

OFDMA……………………………………………...17
Cấu trúc khung LTE………………………………………………………………..18
Khối tài nguyên đường xuống………………………………………………………
19
Các tín hiệu tham chiếu LTE……………………………………………………….20
Mô

hình

xử

lý

lớp

vật

lý

đơn

giản

cho

DL-

SCH…………………………………...21
Thời lượng CP……………………………………………………………………...23
Bản

đồ

tài

nguyên…………………………………………………………………..26
Ánh xạ kênh vật lý đường xuống đến kênh vận chuyển……………………………
28


Sơ đồ hệ thống Alamouti hai anten phát và hai anten thu………………………….33
Sơ

đồ

khối…………………………………………………………………………..35
Giao diện hệ thống phân tập phát…………………………………………………..36
Kết quả ở băng thông 5MHz……………………………………………………….37
Chòm sao…………………………………………………………………………...37
Các

thông

số

cài

đặt………………………………………………………………...38
Tín hiệu phát thu băng thông 10MHz………………………………………………
41


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Loại/lượng lỗi đồng bộ

Độ suy giảm SNR (dB)

Lỗi tần số sóng mang ε 1, kênh AWGN

D≈

Lỗi tần số sóng mang ε 1, kênh fading
D ≤ 10 log

Nhiễu pha sóng mang, độ rộng β 2

D≈

Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu ∆fs 3 tại sóng
D ≈ 10 log

mang nhánh thứ n

Lỗi thời gian

(Không đáng kể nếu đủ nhỏ)

Chú ý:
1

: chuẩn hoá theo khoảng cách tần số giữa hai kênh

;

2

: chuẩn hoá theo tần số lấy mẫu, tính theo ppm;

3: chuẩn hoá theo thời khoảng một ký tự tín hiệu phát T=Ts+Tcp
Bảng suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CP

Cyclic Prefix

DL-SCH

Downlink Shared Channel

E-UTRA

Evolved Universal Terrestrial Radio Access

EPC

Evolved Packet Core

eNodeB

E-UTRAN Node B

FDD

Frequency Division Duplex

FSTD

Frequency Switched Transmit Diversity

FFT

Inverse Fast Fourier Transform

HSPA

High Speed Packet Access

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

LTE

Long Term Evolution

MAC

Medium Access Control

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

SNR

Signal to Noise Ratio

SAE

System Architecture Evolution

S-GW

Serving Gateway


TDD

Time Division Duplex

UE

User Equipment

U-TRAN

Universal Terrestrial Radio Access Network

MIMO

Multiple Input Multiple Output

FDMA

Frequency division multiple access

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

CDMA

Code Division Multiple Access

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LTE

1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Là mạng thông tin cá nhân và công cộng, nó không đòi hỏi bất kỳ sự kết nối vật lý
nào để thiết lập thông tin giữa hai đối tượng thiết bị
Các chương trình truy cập khác nhau được sử dụng để thiết lập, bao gồm cả kết nối
không dây.
1.1.1 Thế hệ thứ 1 (1G)
Tiêu chuẩn thông tin di động analog (tín hiệu tương tự), được sử dụng trong mạng
1G và tín hiệu vô tuyến được dùng để truyền thông tin trong 1G là là analog.
Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (150MHz).
Hạn chế:
- Tính bảo mật thấp do thuật toán mã hóa kém.
- Dễ bị biến dạng.
- Không thích hợp với những tiêu chuẩn thông tin mới nhất.
1.1.2 Thế hệ thứ 2 (2G)


Năm 1991, mạng di động 2G đầu tiên đã được triển khai thương mại theo chuẩn
GSM ở Phần Lan. Tín hiệu trong mạng di động 2G là tín hiệu kĩ thuật số.

Sử dụng công nghệ TDMA và CDMA
Hạn chế:
- Tín hiệu kĩ thuật số yếu.
- Đường cong bị phân rã góc.
- Giảm phạm vi truyền âm thanh.
1.1.3 Thế hệ thứ 3 (3G)
Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Nó cho phép người dùng di
động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm
thanh, video clips...

Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn
thông Thế giới (ITU).
Sử dụng công nghệ UMTS, W-CDMA, CDMA 2000, TD-SCDMA, và Wideband
CDMA.
Mạng 3G đặc trưng với tốc độ dữ liệu cao, dung lượng lớn, tăng hiệu quả sử dụng.
Hạn chế:
- Đòi hỏi chiều rộng băng tần cao.
- Chi phí bản quyền tần số cao.
1.1.4 Thế hệ thứ 4 (4G)
Hay còn có thể viết là 4-G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho
phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5
Gbit/s.
Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên
cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc
độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người
sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao.
Yêu cầu kĩ thuật 4G bao gồm cả mạng chuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP và
một kênh với băng thông có khả năng mở rộng đến 40MHz.
Sử dụng công nghệ UMTS, OFDM, SDR, TD-SCDMA, MIMO, WiMax.
Hạn chế: chỉ giới hạn trong vài thành phố lớn, khu đô thị.

1.2 LTE


LTE là viết tắt của của từ Long-Term Evolution – một tiêu chuẩn truyền thông
không dây tốc độ cao. công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4
(4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G).
4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây với tốc độ dữ liệu cao dành cho
điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu.
LTE sử dụng kĩ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) để tăng tốc độ dữ
liệu, Phân taapk anten, tổ hợp băng thông, độ dài băng thông linh hoạt nhằm tối ưu
hóa băn tầng, chuyển mạch gói trên nền IP,...

1.3 LTE, HSPA và WiMax
HSPA

WiMax

Phiên bản

3GPP release 6

802.16e (2005)

Triển khai

Bắt đầu năm 2007

Bắt đầu năm 2007

Các tiêu chí

LTE
3GPP release 8
(3/2009)
Bắt đầu năm 2010
700MHz,

700MHz,
Dải tần hoạt động

850MHz, 1.5GHz,
1.8GHz,
1.7/2.1GHz

2.5GHz, 2.6GHz,

850MHz, 1.5GHz,

3.5GHz, 3.65GHz,

1.8GHz,

5.8GHz

1.7/2.1GHz,
2.1GHz, 2.3GHz,
2.6GHz

Tốc độ dữ liệu lên
Các thông số

5.6 Mbps đối với
kênh 5MHz, bán
kính cell là 680m

Tốc độ dữ liệu lên

Tốc độ dữ liệu lên

75Mbps/25Mbps

100Mbps/50Mbps

đối với kênh

đối với kênh

10MHz với 2x2

10MHz với 2x2

MIMO, bán kính

MIMO, bán kính

cell lên đến 2-7km,

cell lên đến 5km,

100-200 người

lớn hơn 400 người

dùng

dùng


Kế thừa chuẩn
Khả năng tương

Tương thích lùi với

thích lùi

WCDMA

Không tương thích
lùi với 3GPP hoặc
3GPP2

3GPP, nhưng khác
kĩ thuật nên đòi hỏi
thiết bị mới ở RAN
nếu dải tần khác
nhau được sử dụng

Kĩ thuật WCDMA
Đa truy nhập

đa truy nhập phân

Downlink, Uplink:

chia theo mã băng

kĩ thuật PFFDMA

rộng

Độ trễ

50ms

1.4 Cấu trúc mạng LTE

Downlink: kĩ thuật
OFDMA Uplink:
Kĩ thuật SCFDMA

Truy nhập<10ms
Chuyển giao<20ms

Truy nhập <5ms
Chuyển giao <
50ms


Hình 1.4 Cấu trúc mạng LTE
Kiến trúc mạng của LTE bao gồm ba thành phần chính sau:

Thiết bị Người dùng (UE).
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS đã được phát triển của Evolved (E-UTRAN).
Các gói tin Evolved Packet Core (EPC).
Các gói phát triển cốt lõi giao tiếp với các mạng dữ liệu gói dữ liệu với thế giới bên
ngoài như internet, mạng công ty tư nhân hoặc hệ thống phụ IP đa phương tiện. Các
giao diện giữa các phần khác nhau của hệ thống được biểu hiện như Uu, S1 và SGi
1.4.1 Mạng truy cập E-UTRAN
E-UTRAN xử lý các kết nối vô tuyến giữa điện thoại di động và lõi gói phát triển và chỉ có một thành phần, các trạm
cơ sở phát triển được gọi là eNodeB hoặc eNB. Mỗi eNB là một trạm cơ sở điều khiển các điện thoại di động trong
một hoặc nhiều tế bào. Trạm cơ sở đang giao tiếp với điện thoại di động được gọi là eNB phục vụ của nó.

LTE chỉ liên lạc với một trạm cơ sở và một tế bào mỗi lần và có hai chức năng
chính sau đây được hỗ trợ bởi eNB:


+ EBN gửi và nhận các truyền dẫn vô tuyến tới tất cả các điện thoại di động sử
dụng các chức năng xử lý tín hiệu analog và tín hiệu số của giao diện không dây
LTE.
+ ENB điều khiển hoạt động cấp thấp của tất cả các điện thoại di động, bằng cách
gửi cho họ các tín hiệu báo hiệu như các lệnh bàn giao.
Mỗi eBN kết nối với EPC bằng giao diện S1 và nó cũng có thể được kết nối với các
trạm cơ sở gần đó bằng giao diện X2, chủ yếu được sử dụng cho tín hiệu và chuyển
tiếp gói tin trong quá trình chuyển giao.

1.4.2 Mạng lõi Evolved Packet Core (EPC)

Hình 1.4.2 Hệ thống mạng lõi LTE

Một trong những thay đổi lớn trong kiến trúc mạng LTE là khu vực mạng lõi EPC
không chứa các chuyển mạch kênh, và không có kết nối trực tiếp với các mạng

chuyển mạch truyền thống như ISDN hay PST.


Mạng lõi EPC gồm các thực thể chức năng như: thực thể quản lý di động
MME (Mobility Management Entity), máy chủ thuê bao lân cận HSS, cổng dịch vụ
S-GW, cổng dữ liệu gói P-GW, tính toán chi phí và các chính sách dịch vụ PCRF.
MME liên quan tới việc quản lý các thuê bao và các phiên truyền dẫn. Nó hỗ trợ các
phương thức bảo mật xác minh người sử dụng, xử lý các phiên truyền dẫn giữa thiết
bị đầu cuối và mạng truy cập.
Thành phần HSS Subscriber Server (HSS) đã được chuyển từ UMTS và GSM và là
một cơ sở dữ liệu trung tâm có chứa thông tin về tất cả các thuê bao của nhà khai
thác mạng.
Phần HLR của HSS có nhiệm vụ lưu trữ và cập nhật cơ sở dữ liệu chứa tất cả các
thông tin đăng ký của người sử dụng như: thông tin nhận dạng người sử dụng và địa
chỉ, thông tin chi tiết của người sử dụng (trạng thái hoạt động, chất lượng gói dịch
vụ…).
Cổng dịch vụ S-GW là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói đến mạng truy cập
E-UTRAN. Khi thiết bị người sử dụng di chuyển giữa các eNodeB trong mạng truy
cập E-UTRAN, S-GW đóng vai trò như những điểm trung chuyển. Nó cũng là điểm
trung chuyển giữa mạng truy cập E-UTRAN với các mạng truy cập cũ hơn như
2G/GSM, 3G/UMTS.
Giống như S-GW, P-GW cũng là điểm đầu cuối của giao diện dữ liệu gói nhưng
hướng đến các mạng dữ liệu gói bên ngoài (Packet Data Networks). P-GW hỗ trợ
các tính năng về chính sách dịch vụ cũng như lọc các gói dữ liệu và hỗ trợ tính
phí…
Máy chủ PCRF quản lý các chính sách dịch vụ và gửi thông tin về chất lượng dịch
vụ cho mỗi phiên người sử dụng và các thông tin về quy tắc tính toán. PCRF là sự
kết hợp của 2 nút chức năng PDF (The Policy Decision Function) và CRF (The
Charging Rules Function). PDF là thực thể mạng có nhiệm vụ đưa ra những chính
sách dịch vụ. Vai trò của CRF là cung cấp các quy tắc tính phí áp dụng cho từng

dòng dữ liệu phục vụ. CRF chọn lựa những quy tắc tính phí chính xác dựa trên
thông tin cung cấp từ P-CSCF, cũng như bộ nhận dạng ứng dụng, loại dòng tín hiệu
(audio, video…), tốc độ dữ liệu…


1.4.3 Thiết bị người dùng User Equipment (UE)
Kiến trúc nội bộ của thiết bị người dùng cho LTE giống hệt nhau được sử dụng bởi
UMTS và GSM, đây thực sự là thiết bị di động (ME). Thiết bị di động bao gồm các
mô-đun quan trọng sau:
Mobile Termination (MT): Xử lý tất cả các chức năng truyền thông.
Terminal Equipment (TE): Chấm dứt các luồng dữ liệu.
Universal Circuit Circuit (UICC): Đây còn gọi là thẻ SIM cho các thiết bị LTE. Nó
chạy một ứng dụng gọi là Mô đun Nhận dạng Người đăng ký Toàn cầu (USIM).
Một USIM lưu trữ dữ liệu người dùng cụ thể rất giống với thẻ SIM 3G. Điều này
giữ thông tin về số điện thoại của người dùng, danh tính mạng gia đình và các chìa
khóa bảo mật…
1.5 Các giao thức vô tuyến
LTE được thiết kế dựa vào Protocol Stacks bao gồm: User plane protocol stacks và
Control plane protocol stacks. Những giao thức này gồm các lớp cơ bản như sau:
+ Packet Data Convergence Protocol (PDCP): Giao thức PDCP hỗ trợ vận chuyển
hiệu quả các gói tin IP qua liên kết vô tuyến. Nó thực hiện nén header, bảo mật
Access Stratum (AS) (bảo vệ mã hoá và toàn vẹn) và gói lệnh, truyền lại trong quá
trình chuyển giao.
+ Radio Link Control (RLC): Có chức năng chính là phân khúc, kết nối các data.
Sửa lỗi thông qua ARQ.
+ Medium Access Control (MAC): Lớp MAC nằm giữa lớp RLC và lớp PHY. Nó
được kết nối với lớp RLC thông qua các kênh logic, và đến lớp PHY thông qua các
kênh vận chuyển. Do đó, các giao thức MAC hỗ trợ ghép kênh và tách kênh giữa
các kênh hợp lý và các kênh vận chuyển. Các lớp cao hơn sử dụng các kênh hợp lý
khác nhau cho các số liệu QoS khác nhau. Giao thức MAC hỗ trợ QoS bằng cách

lên lịch và sắp xếp thứ tự ưu tiên dữ liệu từ các kênh logic. Bộ lập lịch eNB đảm
bảo nguồn tài nguyên vô tuyến được phân bổ động đến các UE và thực hiện kiểm
soát QoS để đảm bảo mỗi người mang đều được phân bổ QoS.


CHƯƠNG 2.

KĨ THUẬT OFDM

1.6 Giới thiệu về kĩ thuật OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) điều chế phân chia tần số
trực giao, là một dạng điều chế tín hiệu phân chia một dòng điều chế tốc độ dữ liệu
cao, đặt chúng vào nhiều sóng mang con có khoảng cách hẹp được điều chế từ từ,
và theo cách này ít nhạy hơn với sự chọn lọc tần số.
Phép chia phân chia tần số trực giao hoặc OFDM là một định dạng điều chế đang
được sử dụng cho nhiều tiêu chuẩn không dây và viễn thông mới nhất.
OFDM đã được thông qua tại trường Wi-Fi nơi có các tiêu chuẩn như 802.11a,
802.11n, 802.11ac và nhiều hơn nữa. Nó cũng đã được chọn cho tiêu chuẩn viễn
thông di động LTE / LTE-A, và ngoài ra nó đã được thông qua bởi các tiêu chuẩn
khác như WiMAX và nhiều hơn nữa.
Việc ghép kênh phân chia tần số trực giao cũng đã được áp dụng cho một số tiêu
chuẩn phát sóng từ DAB Digital Radio đến các tiêu chuẩn Phát Video Kỹ thuật số,
DVB. Nó cũng đã được áp dụng cho các hệ thống phát sóng khác cũng như Digital
Radio Mondiale được sử dụng cho các băng tần trung bình và ngắn.
Mặc dù OFDM, ghép kênh phân chia tần số trực giao phức tạp hơn nhiều so với
định dạng tín hiệu trước đó, nhưng nó cung cấp một số lợi thế khác nhau về truyền
dữ liệu, đặc biệt khi cần tốc độ dữ liệu cao cùng với băng thông tương đối rộng:
+ Một trong những ưu điểm chính của OFDM là có khả năng chống lại fading chọn
lọc tần số cao hơn các hệ thống sóng mang đơn bởi vì nó chia kênh tổng thể thành
nhiều tín hiệu băng hẹp bị ảnh hưởng riêng lẻ như các kênh phụ.

+ Hiệu suất quang phổ: Sử dụng các sóng mang phụ chồng lên nhau, một lợi thế
đáng kể của OFDM là nó sử dụng hiệu quả dải phổ sẵn.

+ Khả năng loại bỏ hiện tượng nhiễu ISI (Inter-Symbol Interference) khi độ dài
chuỗi bảo vệ lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất kênh truyền.


+ Có thể phục hồi các hiệu ứng dải hẹp: Sử dụng mã hóa và chèn kênh đầy đủ có
thể phục hồi các ký hiệu bị mất do sự chọn lọc tần số của kênh và sự can thiệp của
dải hẹp.
+ Hỗ trợ việc phân bố băng thông rộng do băng tần được biến đổi thành các sóng
mang con để truyền đi.

Hình 2.1 Tín hiệu OFDM
Trong khi OFDM đã được sử dụng rộng rãi, vẫn còn một vài bất lợi cho việc sử
dụng nó, cần được giải quyết khi xem xét việc sử dụng OFDM:
+ Tỉ lệ điện thế cao trung bình: Một tín hiệu OFDM có nhiễu dao động biên độ và
có dải động lớn tương đối cao, hoặc tỷ số điện năng trung bình. Điều này ảnh hưởng
đến hiệu quả của bộ khuyếch đại RF vì các bộ khuếch đại cần phải tuyến tính và
thích ứng với các biến thể biên độ lớn và các yếu tố này có nghĩa bộ khuếch đại
không thể hoạt động với mức hiệu quả cao.
+ Một bất lợi khác của OFDM là nhạy cảm với dịch tần và pha so với hệ thống sóng mang đơn.

1.7 Sơ đồ khối OFDM


Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển
đổi nối tiếp/song song (S/P). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được đưa qua khối mã hóa dữ liệu và điều chế số
để mã hoá dữ liệu dưới dạng số, mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự
hỗn hợp. Sau đó, những symbol hỗn hợp này được đưa qua bộ biến đổi IFFT tạo ra đặc trưng trực giao của các

sóng mang con. Tín hiệu sau khi được trực giao hóa nhờ bộ IFFT sẽ được chuyển đổi trở về dạng dữ liệu nối tiếp
bằng bộ chuyển đổi song song - nối tiếp (P/S). Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau khi đã được chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số đó
sẽ được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các
kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, quá trình được thực hiện
ngược lại với quá trình phát. Tín hiệu được lấy mẫu và sau khi qua bộ biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang
dạng số. Tiếp đến, phần CP được loại bỏ. Sau khi loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu được đưa qua bộ biến đổi S/P để
chuyển từ dạng nối tiếp sang song song, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT. Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp
xếp ngược trở lại và được giải mã. Các symbol song song sau bộ FFT được chuyển về dạng nối tiếp qua bộ P/S.
Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

1.8 Hệ thống OFDM cơ bản
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu
thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Sơ đồ điều chế
phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital. Các sơ đồ điều
chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá
dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM. Kỹ thuật điều chế đa sóng
mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s)
thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành
phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều
chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao.
Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số


trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.
Sau đây là hệ thống OFDM cơ bản:

Hình 2.3 Hệ thống OFDM cơ bản
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do
đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu

quả cao nhất. Với kỹ thuật

OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao
trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng
phổ.
2.3.1 Tính trực giao trong OFDM
Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Việc mất tính trực
giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lắp giữa các tín hiệu mang tin và làm
suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn
thông tin ban đầu.Trong OFDM, các sóng mang con được xếp chồng lấp với nhau
tuy nhiên tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không bị ảnh hưởng xuyên nhiễu
giữa các sóng mang kế cận do giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một
tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1,2, ..., N-1, t1 < t mang trực giao:

K: hằng số không phụ thuộc t,n và m


f*m(t): liên hợp phức fn(t).
t1, t2: chu kì tín hiệu.
Ngoài ra tập sóng mang có thể được viết như sau:

2.3.2 OFDM Cyclic Prefix
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức
thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín
hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực
hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và
phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời
gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời
gian truyền một ký tự (TS) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời

gian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT
phát đi một ký tự).


Hình 2.3.2 Tiền tố lặp
Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm
đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng ứng dụng khác
nhau. Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, nó
phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại max nhằm duy trì tính trực giao giữa
các sóng mang con và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá trị trải trễ
cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh
hưởng của hiện tượng đa đường. Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI,
nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số
sóng mang) trong hệ thống OFDM.
2.3.3 Đồng bộ OFDM
Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng
bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do làm mất tính trực giao của các
sóng mang nhánh. Trong hệ thống OFDM, người ta thường xét đến ba loại đồng bộ:
đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ tần số lấy mẫu.
+ Đồng bộ kí tự
Nhiệm vụ của việc đồng bộ ký tự là phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu.
Đây là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Hiện nay, với


việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix), thực hiện đồng bộ ký tự đã trở nên dễ
dàng hơn nhiều.
+ Nhiễu pha sóng mang
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn
định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu.
+ Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Chênh lệch về
nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín
hiệu có ích, tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI. Có hai giải pháp được đưa ra để xử lý hiện
tượng này. Giải pháp thứ nhất sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh
bởi điện áp (voltage-controlled oscillator) còn giải pháp kia thực hiện xử lý số để
đạt được đồng bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu.
Một vấn đề cần chú ý là quan hệ giữa đồng bộ tần số và đồng bộ thời gian. Để giảm
ảnh hưởng của mất đồng bộ tần số, có thể giảm số lượng sóng mang nhánh, tăng
khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Tuy nhiên, giảm số lượng sóng mang
sẽ thu nhỏ thời khoảng ký tự trên mỗi sóng mang làm độ nhạy với sai lỗi thời gian
của hệ thống tăng lên, yêu cầu về đồng bộ thời gian phải chặt chẽ hơn. Vì vây, cần
phải nghiên cứu để dung hoà hai yêu cầu về đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số.

Bảng suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ
Loại/lượng lỗi đồng bộ
Lỗi tần số sóng mang ε 1, kênh AWGN

Độ suy giảm SNR (dB)

D≈

Lỗi tần số sóng mang ε 1, kênh fading
D ≤ 10 log


Nhiễu pha sóng mang, độ rộng β 2

D≈

Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu ∆fs 3 tại sóng

mang nhánh thứ n

D ≈ 10 log

Lỗi thời gian

(Không đáng kể nếu đủ nhỏ)

Chú ý:

1

: chuẩn hoá theo khoảng cách tần số giữa hai kênh

;

2

: chuẩn hoá theo tần số lấy mẫu, tính theo ppm;

3: chuẩn hoá theo thời khoảng một ký tự tín hiệu phát T=Ts+Tcp

1.9 Kĩ thuật OFDMA
OFDMA đã được phát triển để chuyển đổi công nghệ OFDM từ một hệ thống
không dây truy cập cố định sang một hệ thống di động thực sự với tính di động. Các
công nghệ cơ bản là như nhau, nhưng linh hoạt hơn được xác định trong hoạt động
của hệ thống. Trong OFDMA, các sóng mang phụ được nhóm thành các đơn vị lớn
hơn, được gọi là các kênh phụ, và các kênh phụ này được nhóm lại thành các burst
có thể được phân bổ cho người dùng không dây. Mỗi phân bổ burst có thể được
thay đổi từ khung này sang khung cũng như trong trật tự điều chế. Điều này cho

phép cơ sở hạ tầng tự động điều chỉnh việc sử dụng băng thông theo yêu cầu của hệ
thống hiện tại.
Ngoài ra, vì mỗi người dùng tiêu tốn chỉ một phần của tổng băng thông, sức mạnh
của mỗi người dùng cũng có thể được điều chế theo các yêu cầu hệ thống hiện tại.
Chất lượng dịch vụ (QoS) là một tính năng khác có thể được điều chỉnh cho người
dùng khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của họ, ví dụ như thoại, video trực
tuyến hoặc truy cập internet.


Hình 2.4.1 Sóng mang con ở OFDM và OFDMA

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành
các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong
OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà
không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc.
Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá.
Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công
suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong
quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng.
Để giải thích đầy đủ OFDMA trong LTE, chúng ta phải nghiên cứu cấu trúc khung
chung lớp PHY. Cấu trúc khung chung được sử dụng với FDD. Các cấu trúc khung
thay thế được định nghĩa để sử dụng với TDD. Như thể hiện trong hình 2.4.2, các
khung LTE có thời lượng 10 msec. Chúng được chia thành 10 khung con, mỗi
khung bên dưới dài 1,0 msec. Mỗi khung hình con được chia thành hai khe, mỗi
khoảng thời gian là 0,5 msec. Các khe cắm bao gồm 6 hoặc 7 ký tự ODFM, tùy
thuộc vào việc sử dụng tiền tố vòng lặp bình thường hay mở rộng.


Hình 2.4.2 Cấu trúc khung LTE

Hình 2.4.3 Băng thông đường xuống được chia thành các khối tài nguyên vật lý có
sẵn
Tổng số subcarriers sẵn có phụ thuộc vào băng thông truyền dẫn tổng thể của hệ
thống. Các thông số kỹ thuật LTE xác định các tham số cho băng thông hệ thống từ
1,25 MHz đến 20 MHz như trong bảng 2.4.3. Một PRB được định nghĩa là bao gồm
12 subcarriers liên tiếp cho một khe (0.5 msec) trong thời gian. Một PRB là phần tử
nhỏ nhất của phân bổ nguồn được chỉ định bởi trình lập lịch trạm cơ sở.