Phương pháp truy nhập SC-FDMA

2.1 Phương pháp truy nhập mạng 4G

2.1.2 Phương pháp truy nhập SC-FDMA

SC-FDMA là phương pháp đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang, nó sử

tương tự OFDMA và cơ bản có cùng tính phức tạp một cách tổng thể như hệ thống đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA). Một lợi thế nổi bật hơn OFDMA là tín hiệu SC-FDMA có công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp hơn bởi vì cấu trúc đơn sóng mang vốn có của nó. SC-FDMA đã thu hút sự chú ý lớn nhƣ là một sự thay thế hấp dẫn đối với OFDMA, đặc biệt là trong truyền thông tuyến lên[2]. Sơ đồ khối cơ bản máy phát của SC-FDMA được thể hiện hình 2.10 ở dưới. Nó có bổ sung thêm N- điểm DFT so với OFDMA. Đầu vào của máy phát là một luồng ký hiệu đƣợc điều chế.

Hình 2.10 - Sơ đồ cơ bản máy phát của SC-FDMA[10]

Tại máy phát SC-FDMA, dữ liệu đƣợc ánh xạ thành chùm sao tín hiệu theo kiểu điều chế QPSK, 16QAM hoặc 64QAM, phụ thuộc vào các điều kiện tương tự như kênh trong OFDMA. Trong khi đó, các ký hiệu QPSK hoặc QAM không trực tiếp điều chế các sóng mang con mà các ký hiệu này đi qua một bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song theo sau bởi khối DFT, mà biểu diễn các ký hiệu QPSK hoặc QAM trong miền tần số rời rạc. Dạng xung đƣợc theo sau bởi thành phần DFT, nhƣng nó là tùy chọn và đôi khi cần đến dạng tín hiệu đầu ra từ DFT. Nếu dạng xung là hoạt động thì trong tín hiệu hiện thời, mở rộng băng thông xảy ra. Các ký hiệu Fourier rời rạc từ đầu ra của khối DFT, sau đó đƣợc ánh xạ lên các sóng mang con trong khối ánh xạ sóng mang con. Sau khi ánh xạ các sóng mang con điều chế miền tần số này, đi qua khối IDFT là để chuyển đổi về lại miền thời gian. Phần còn lại của hoạt động máy phát tương tự như là OFDMA.

Sơ đồ cơ bản máy thu thể hiện như hình 2.11 ở dưới. Nó gần như tương tự OFDMA nhƣng có thêm N điểm IDFT.

Hình 2.11 - Sơ đồ cơ bản máy thu của SC-FDMA[10]

N-điểm DFT

Ánh xạ sóng mang con

M-điểm

IDFT Chèn

CP P/S

S/P

Bộ chuyển

đổi D/A

S/

P

Loại bỏ CP M-điểm

DFT Giải

ánh xạ sóng mang con

Bộ Chuyển đổi A/D N-điểm

IDFT Phát

hiện

P/

S

Tại máy thu SC-FDMA minh họa trong hình 2.11 ở trên. Nó gần giống nhƣ OFDMA nhƣng có bổ sung thêm các khối gồm: giải ánh xạ sóng mang con, IDFT và tùy chọn dạng bộ lọc. Bộ lọc này tương ứng với dạng phổ sử dụng ở máy phát. Việc giải ánh xạ sóng mang con của M sóng mang con ánh xạ kết quả trả về là N tín hiệu rời rạc. Cuối cùng, thực hiện IDFT N điểm để chuyển đổi tín hiệu SC-FDMA thành chòm sao tín hiệu.

Vẫn giống nhƣ OFDMA thực hiện chèn khoảng bảo vệ là để tránh nhiễu liên ký hiệu (ISI) giữa một khối các ký hiệu và do đó vẫn có nhiễu liên ký hiệu giữa các khoảng bảo vệ CP. Vì thế tại máy thu sẽ chạy bộ cân bằng cho một khối các ký hiệu đến khi CP đạt đƣợc mà ngăn chặn việc truyền xa hơn nữa của nhiễu liên ký hiệu, là để bù đắp lại sự biến đổi kênh, loại bỏ ảnh hưởng của fading.

Ánh xạ sóng mang con:

Việc ánh xạ các sóng mang con đóng vai trò quan trọng trong hệ thống máy phát của SC-FDMA. Nó ánh xạ mỗi trong số N điểm DFT đầu ra lên một đơn sóng mang con ra khỏi M sóng mang con. Trong đó M là tổng số sóng mang con của băng thông có sẵn. Việc ánh xạ sóng mang con được thực hiện bằng hai phương pháp: ánh xạ sóng mang con kế cận nhau (LFDMA) và ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều (DFDMA). Các ký hiệu điều chế trong chế độ LFDMA đƣợc gán cho M sóng mang con kế cận nhau. Trong khi ở chế độ DFDMA, thì các ký hiệu đƣợc phân bố cách đều nhau trên kênh băng thông, thể hiện như hình 2.12 và hình 2.13 tương ứng ở dưới.

Ở máy phát SC-FDMA, IDFT gán biên độ zero cho các sóng mang con không bị chiếm đóng trong cả hai chế độ của việc ánh xạ sóng mang con. IFDMA là hiệu quả hơn trong SC-FDMA, mà trong máy phát có thể điều chế tín hiệu trong miền thời gian mà không sử dụng DFT và IDFT. Nếu Q = M x N cho chế độ phân bố với khoảng cách đều nhau giữa các sóng mang con thì nó đƣợc gọi là IFDMA. Trong đó, M là số sóng mang con, Q là số lượng người dùng và N là số lượng sóng mang con cấp phát cho mỗi người dùng. Trong việc ánh xạ phân bố đều thì N tín hiệu tần số rời rạc được ánh xạ với khoảng cách giữa các sóng mang con một cách đồng nhất, trong khi việc ánh xạ phân bố kế cận nhau thì N tín hiệu tần số rời rạc đƣợc ánh xạ lên trên N sóng mang con liên tiếp, như thể hiện trong hình 2.12 và hình 2.13 tương ứng.

Hình 2.12 – Ánh xạ sóng mang con theo phân bố đều[10]

Hình 2.13 – Ánh xạ sóng mang con kế cận nhau[10]

Ví dụ về các phương pháp phân bố sóng mang con cho đa người dùng: số người dùng (Q) là 3, số sóng mang con (M) là 12 và kích thước khối dữ liệu (N) là 4, thể hiện như trong hình 2.14 ở dưới.

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Bổ sung 0

Các sóng mang con Các sóng mang con Chế độ phân bố đều nhau Chế độ phân bố kế cận nhau Hình 2.14 - Các phương pháp phân bố sóng mang con cho đa người dùng[8]

Cấu trúc sub-frame sử dụng trong SC-FDMA:

Đơn vị cơ bản của việc truyền dữ liệu là một sub-frame. Hình 2.15 ở dưới thể hiện cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian.

Hình 2.15 – Cấu trúc sub-frame cơ bản trong miền thời gian[8]

Một sub-frame có khoảng 0.5 ms bao gồm 6 khối dài (LB) và 2 khối (SB). CP được thêm vào trước mỗi khối. Các khối dài được sử dụng để điều khiển và/ hoặc truyền dữ liệu, các khối ngắn đƣợc sử dụng để tham chiếu các tín hiệu cho kết hợp giải điều chế và/hoặc điều khiển truyền dữ liệu. Cả hai chế độ ánh xạ dữ liệu sóng mang con sử dụng cùng cấu trúc sub-frame localized và distributed.

User1 User2 User3

Các tham số điều chế SC-FDMA:

Băng thông (MHz)

Khoảng Sub-frame

(ms)

Kích thước LB (s/

số sóng mang chiếm đóng/ Kích thước FFT)

Kích thước SB (s/

số sóng mang chiếm đóng/ Kích thước

FFT)

Khoảng CP (s/ số sóng

mang)

20 0.5 66.67/1200/2048 33.33/600/1024

(4.13/127) hoặc (4.39/135) 15 0.5 66.67/900/1536 33.33/450/768

(4.12/95) hoặc (4.47/103)

5 0.5 66.67/600/1024 33.33/300/512

(4.1/63) Hoặc (4.62/71)

5 0.5 66.67/300/512 33.33/150/256

(4.04/31) hoặc (5.08/39)

2.5 0.5 66.67/150/256 33.33/75/128

(3.91/15) hoặc (5.99/23)

1.25 0.5 66.67/75/128 33.33/38/64

(3.65/7) hoặc (7.81/15) Bảng 2.3 - Các tham số điều chế cho SC-FDMA[8]

Cũng sử dụng các kiểu điều chế QAM và điều chế thích nghi, trong ứng dụng FDD, sử dụng cấu trúc frame chung và các khối nguồn vật lý tuyến xuống (PRBs) giống nhƣ OFDMA.

2.1.4 Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA

Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA là sự kết hợp của hai phương pháp truy nhập Multi-Code CDMA và Multi-Carrier CDMA (MC-CDMA) nhằm cung cấp các loại tốc độ dữ liệu khác nhau đƣợc truyền đi trên nhiều sóng mang con (đó là sự kết hợp lợi thế của Multi-Code CDMA và MC-CDMA).

Phương pháp truy nhập Multi-code CDMA:

Hệ thống Multi-Code CDMA đã đƣợc đề xuất để hỗ trợ các tốc độ khác nhau.

Trong lược đồ này, mỗi người dùng có một tập gồm M mã được gọi là tập chuỗi mã.

Hệ thống này là một sự điều chế M-ary mà trong đó một chuỗi mã biểu diễn một chuỗi

gồm log2M bit. Kích thước của tập chuỗi phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu. Trong trường hợp bình thường, kích thước tập là 2, tức là có hai chuỗi trong tập, một chuỗi đƣợc biểu diễn là „0‟ và một chuỗi khác đƣợc biểu diễn là „1‟. Khi tốc độ dữ liệu đƣợc tạo ra gấp L lần tốc độ dữ liệu cơ bản, thì tập chuỗi được tạo ra có kích thước là 2L và mỗi chuỗi gồm L bit đƣợc ánh xạ đến một trong số 2L chuỗi mã. Sơ đồ khối hệ thống máy phát và thu của Multi-Code CDMA được thể hiện trong hình 2.16 ở dưới.

Hệ thống máy phát Multi-Code CDMA Ký hiệu dữ liệu M-ary

b(k)

𝐸𝑘Uk(n) cos(ct)

1 mk(t)

2

3

m

M

Hệ thống máy thu Multi-Code CDMA Băng các

bộ lọc phối hợp

cos(ct) Uk(n)

b‟k

b‟(k)

Hình 2.16 - Mô hình hệ thống máy phát và thu của Multi-Code CDMA[1]

Xem xét hệ thống với K người dùng (0  k < K). Mỗi người dùng được gán một tập gồm M chuỗi mã có độ dài N là:

Khối chọn lọc m (1  m  M)

X X Kênh

truyền G1(n)

G2(n) G3(n)

. . . Gm(n) GM(n)

G1(-n) G2(-n) G3(-n)

. . . Gm(-n) GM(-n)

Khối quyết

định

X X

   

S m n m M

F(k)  k |1  (2.1)

Với những điều này, các ký hiệu dữ liệu M-ary b{k} đƣợc truyền với tốc độ 1/T.

Tập chuỗi của mỗi người dùng được thực hiện như là một phép nhân giữa một chuỗi xác định người dùng Uk(n) và một tập chuỗi thông tin G[m](n), 1  m  M (chip).

  S   m n G  m n U  n m M

F k  k   k |1  (2.2)

Các chuỗi đƣợc điều chế bằng tín hiệu sóng mang h(t). Một cách đơn giản, giả sử rằng:

  



 



 

 2

1 1

Tc rect t t Tc

h , trong đó, Tc = T/N (2.3)

(Tc là thời gian chip, T là thời gian ký hiệu) Ký hiệu b(k) đƣợc ánh xạ lên:

 b   t S  b   n ht nTc

s

N n

k k k

k  

 1 0

(2.4)

Người dùng k truyền ký tự b(k) tại thời điểm t = lT. Tín hiệu của người dùng k sau đó là:

  t s  b t lT

s

l k l k

k   , trước khi điều chế (2.5) và sau khi điều chế là:

 k  t s k  t ej t

m Re  (2.6)

Tại hệ thống máy phát, nhƣ đã giải thích ở trên, phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu, mỗi người dùng có một tập gồm M chuỗi mã, mà trong đó M là tỷ lệ giữa tốc độ dữ liệu cơ bản và tốc độ dữ liệu yêu cầu. Tốc độ cơ bản đạt đƣợc với tập gồm hai chuỗi. Ký hiệu M-ary đƣợc truyền bằng cách lựa chọn một trong số M chuỗi mã chiều dài N, mà sau đó được nhân với chip của chuỗi mã xác định người dùng và một hệ số biên độ 𝐸𝑘. Chuỗi kết quả đƣợc điều chế và truyền ra ngoài kênh truyền là mk(t).

Tại hệ thống máy thu, một băng các bộ lọc phối hợp đƣợc sử dụng để phát hiện ký hiệu được truyền. Đầu tiên, chuỗi mã thu được nhân với chip của chuỗi người dùng và kết quả được tương quan với mỗi trong số M chuỗi mã có thể. Chuỗi mã mà cho sự tương quan tối đa, sau đó được ánh xạ trở lại thành ký hiệu M-ary.

Phương pháp truy nhập Multi-Carrier CDMA:

Có một số cách tương đương mô tả hệ thống MC-CDMA. MC-CDMA có thể đƣợc xem xét nhƣ là một hình thức của trãi phổ với trãi rộng trong miền tần số mà mã đƣợc cố định theo thời gian nhƣng có tần số sóng mang con khác nhau.

Một cách khác để mô tả MC-CDMA là: DS-CDMA theo sau bởi khối biến đổi ngƣợc Fourier nhanh (IFFT). MC-CDMA cũng có thể đƣợc xem nhƣ là ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) với một phép tính ma trận trực giao đƣợc thực hiện trên các bit của người dùng. Cũng như mỗi bit được truyền đồng thời trên nhiều sóng

mang con, MC-CDMA là một hình thức của sự đa dạng tần số. Mỗi sóng mang con có một pha bù đắp không đổi là hình thức mã cho những người dùng riêng biệt.

Sơ đồ khối hệ thống phát và thu của MC- CDMA đƣợc thể hiện trong hình 2.17 ở dưới.

Ck(t) Ck1 Cos(2f1t)

Ck1 Ck2

Ck2 Cos(2f2t)

Ckp Cos(2fpt)

Hình 2.17 - Hệ thống máy phát của MC-CDMA[1]

Xem xét hệ thống MC-CDMA với K người dùng (0  k  K). Tín hiệu truyền cho người dùng thứ k được mô tả bởi phương trình như sau:

 t E b   nu t nTc  n  t

s T kp p

n P p

k k

k , cos

1



 



 

(2.7) Trong đó: Ek biểu diễn năng lượng ký hiệu cho người dùng thứ k.

bk[n] là bit dữ liệu của người dùng k tại thời điểm n.

ck,p là chuỗi trãi rộng chip cho người dùng k trên sóng mang con p.

p là tần số góc của sóng mang con p.

T là khoảng thời gian ký tự .

uT(t) là dạng sóng hình chữ nhật trong suốt thời gian T đƣợc dùng để cô lập các ký tự kế tiếp.

Hệ thống máy phát của MC-CDMA đƣợc mô tả trong hình 2.17 ở trên. Mỗi chip được sao chép lên P nhánh và nhân với chip tương ứng của mã trãi xác định người dùng. Sau đó, mỗi nhánh điều chế một sóng mang con và các sóng mang con điều chế đƣợc cộng lại cùng với nhau và truyền đi.

Có một số lợi thế của việc sử dụng MC-CDMA. Một trong số đó là giảm thiểu hiện tượng đa đường. Có sự xây dựng và loại bỏ can nhiễu tại máy thu do hiện tượng đa đường. Sự loại bỏ can nhiễu gây ra null trong công suất tín hiệu thu được. Đối với việc truyền băng thông hẹp, nếu tần số phản hồi lại null xảy ra tại tín hiệu tần số thì toàn bộ các tín hiệu có thể bị mất. Tuy nhiên, trong các tín hiệu băng thông rộng, thì kết quả phổ công suất tín hiệu mất mát ít. Ngoài ra, nếu băng thông truyền dẫn đƣợc

X X



X X

X X

Bộ sao chép

. . .

chia thành nhiều sóng mang con, thì phổ null không có khả năng xảy ra ở tất cả các tần số sóng mang con. Một ƣu điểm khác của MC-CDMA đƣợc đơn giản sự cân bằng trong miền tần số.

Phương pháp truy nhập MC-MC-CDMA:

Sơ đồ mô hình hệ thống máy phát của MC-MC-CDMA đƣợc thể hiện thông qua hình 2.18 ở dưới.

Ký hiệu dữ liệu M-ary dk

Ck(t) Ck1 Ck2 Ck1 Cos(2f1t) 1

2 Ck2 Cos(2f2t) 3

m Ckp Cos(2fpt) M

Hình 2.18 - Hệ thống máy phát tín hiệu của MC-MC-CDMA[1]

Tại hệ thống máy phát MC-MC-CDMA, một ký hiệu M-ary lựa chọn một trong số M chuỗi mã để truyền. Mỗi chip của chuỗi mã đƣợc sao chép lên P nhánh. Mỗi chip của chuỗi xác định người dùng sau đó được nhân với nhánh tương ứng, tức là chip thứ p của chuỗi xác định người dùng được nhân với nhánh thứ p của bộ sao chép. Mỗi trong số các nhánh này, sau đó điều chế một trong số P sóng mang con trực giao và các kết quả đƣợc cộng lại. Quá trình này có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) có kích thước p để thay thế cho việc nhân sóng mang con và cộng lại.

Tại hệ máy thống thu, FFT kích thước p được áp dụng cho đầu vào và đầu ra của FFT sau đó không trãi rộng để tạo ra mỗi chip của chuỗi mã thu đƣợc. Phát hiện sau đó tiếp tục sử dụng một băng các bộ lọc phối hợp đƣợc mô tả cho hệ thống Multi- Code CDMA. Việc sử dụng lƣợc đồ đa sóng mang này cung cấp tính đa dạng tần số cho việc truyền đa đường.

Việc sử dụng chương trình đa sóng mang này cung cấp sự đa dạng tần số để giảm nhẹ đa đường.

. . . Bộ

sao chép Khối chọn lọc m

(1  m  M)

G1(n) G2(n) G3(n)

. . . Gm(n) GM(n)



X X

X X

X X

2.1.4 MIMO SC-FDMA:

Kênh MIMO: xem xét một kênh MIMO băng thông hẹp. Một kênh MIMO băng thông hẹp điểm-điểm với Nt anten phát và Nr anten thu đƣợc minh họa trong hình 2.19 ở dưới. Chúng tôi có thể biểu diễn như một hệ thống MIMO bởi mô hình thời gian rời rạc dưới đây.

H =

𝑕11 … 𝑕1𝑁𝑡

⋮ ⋱ ⋮

𝑕𝑁𝑟1 … 𝑕𝑁𝑟𝑁𝑡

Hình 2.19 - Mô tả một kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu[8]

𝑦1

⋮

𝑦𝑁𝑟 =

𝑕11 … 𝑕1𝑁𝑡

⋮ ⋱ ⋮

𝑕𝑁𝑟1 … 𝑕𝑁𝑟𝑁𝑡 . 𝑥1

⋮

𝑥𝑁𝑟 + 𝑛1

⋮

𝑛𝑁𝑟 (2.8) = y = H = x = n

 y = H . x + n

Trong đó: x là vector tín hiệu truyền cấp Nt x 1, y là vector tín hiệu nhận, n là nhiễu Gauss phức trung bình zero cấp Nr x 1; H là ma trận phức Nr x Nt của độ lợi kênh hij biểu diễn độ lợi từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i. Theo định lý phân tách giá trị (SVD), ma trận kênh H có thể đƣợc phân tách nhƣ sau:

H = UDVH (2.9)

Trong đó: U là ma trận không phân chia, V là ma trận không phân chia, D là ma trận đường chéo không âm cấp Nr x Nt, và ()H là một hoạt động Hermitian (chuyển liên hợp). Thực thể đường chéo của D là các root vuông góc không âm của giá trị riêng HHH, các cột của U là các vector riêng của HHH, và các cột của V là các vector riêng của HHH.

Từ (5.1) và (5.2), có viết lại nhƣ sau:

Y = UDVH x + n (2.10) Nhân UH cho cả hai bên của (5.3), nó trở thành:

UH y = UH U DVH x + UH n (2.11) = 1

UH y = DVH x + UH n Lấy: 𝑦 = UH y , 𝑥 = VH x và 𝑛 = UH n thì

𝑦 = D𝑥 + 𝑛 (2.12)

Trong đó 𝑛 có cùng các thuộc tính thống kê nhƣ n vì U là ma trận không phân chia. Vì thế 𝑛 nhiễu Gaussian phức trung bình zero.

Chúng ta có thể thấy từ (2.12), việc truyền MIMO có thể đƣợc phân tách ra thành m đường truyền song song độc lập với m = min(Nt, Nr), mà đó là cơ sở cho độ lợi ghép kênh không gian.

Cho một kênh MIMO băng thông rộng, toàn bộ băng có thể đƣợc chia nhỏ thành các băng con hoặc các sóng mang con. Sau đó, kênh MIMO cho mỗi sóng mang con trở thành một kênh MIMO băng thông hẹp. Lấy toàn bộ băng đƣợc chia nhỏ thành M sóng mang con, sau đó cho sóng mang con.

(0  k  M -1) 𝑌1,𝑘

⋮

𝑌𝑁𝑟,𝑘 =

𝐻11,𝑘 … 𝐻1𝑁𝑡,𝑘

⋮ ⋱ ⋮

𝐻𝑁𝑟1,𝑘 … 𝐻𝑁𝑟𝑁𝑡,𝑘 . 𝑋1

⋮

𝑋𝑁𝑟 + 𝑁1,𝑘

⋮

𝑁𝑁𝑟,𝑘 (2.13) = Yk = Hk = Xk = Nk

 Y= Hk . Xk + Nk

Trong đó: Xk là vector tín hiệu truyền cấp Nt x 1, Yk là vector tín hiệu nhận cấp Nr x 1, Nk là nhiễu Gauss phức trung bình Zero cấp Nr x 1, và Hk là ma trận phức cấp Nr x Nt của độ lợi kênh Hij,k biểu diễn độ lợi từ anten truyền thứ j đến an ten thu thứ i.

Tương tự với kênh MIMO băng thông hẹp, Hk có thể được phân chia thành UkDkVHk

và (2.13) có thể đƣợc giải thích là:

𝑌 k = Dk 𝑋 k + 𝑁 k (2.14) Trong đó: 𝑌 k = UkH Yk , 𝑋 k = VkH Xk và 𝑁 = UkH Nk

Chúng ta có thể ghép các kỹ thuật MIMO vào trong SC-FDMA cũng tương tự nhƣ MIMO-OFDM, sơ đồ hệ thống ghép kênh MIMO SC-FDMA đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.20 ở dưới.