2.1 Phương pháp truy nhập mạng 4G
2.1.1 Phương pháp truy nhập OFDMA
OFDMA là một loại ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) mà trong đó băng tần số đƣợc chia thành nhiều tần số sóng mang con trực giao. Đầu tiên, dữ liệu đƣợc chuyển đổi thành các luồng bit song song, sau đó nó đƣợc điều chế trên mỗi sóng mang con bằng cách sử dụng các chương trình điều chế thông thường. OFDMA cho phép tốc độ dữ liệu thấp từ nhiều người dùng, có độ trễ ngắn hơn và không đổi. Nó có tính linh hoạt trong việc triển khai trên các băng tần số khác nhau bằng cách sửa đổi một ít cho giao diện không gian. Ảnh hưởng của fading đa đường được giảm bằng cách sử dụng OFDMA bởi vì dữ liệu của người dùng được điều chế trên vài tần số trực giao chứ không phải là tần số cố định cho toàn bộ thời gian kết nối. Ngoài ra, OFDMA không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ dung lƣợng băng thông có sẵn mà còn làm tăng dung lượng cho mỗi người dùng bởi vì sử dụng vài tần số[6].
Thực tế việc thực hiện của hệ thống OFDMA là dựa trên công nghệ kỹ thuật số và cụ thể hơn thế nữa là sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và biến đổi ngƣợc Fourier rời rạc (IDFT) để chuyển đổi qua lại giữa biểu diễn miền tần số và miền thời gian. Kết quả tín hiệu của các dạng sóng đầu vào khác nhau đến khối biến đổi Fourier nhanh (FFT) được thể hiện trong hình 2.1 ở dưới[6].
Hình 2.1 - Kết quả thực hiện FFT với các đầu vào khác nhau[6]
Việc thực hiện FFT là để chuyển đổi tín hiệu biểu diễn trong miền thời gian sang biểu diễn trong miền tần số. Biến đổi ngƣợc Fourier nhanh (IFFT) sẽ thực hiện theo hướng ngược lại. Đối với dạng sóng hình sin, đầu ra của việc thực hiện FFT sẽ có một đỉnh tại tần số tương ứng và zero cho những vị trí đầu ra khác. Nếu đầu vào là một sóng hình vuông, thì đầu ra miền tần số gồm các đỉnh tại nhiều tần số cũng nhƣ một sóng chứa vài tần số bao phủ.
Xung đầu vào của FFT sẽ có một đỉnh trên tất cả các tần số. Khi sóng hình vuông có một khoảng thời gian T, thì sẽ có một đỉnh cao hơn tại tần số 1/T tương ứng với tần số cơ bản của dạng sóng và một đỉnh thấp hơn tại các đường sin lẻ của tần số cơ bản.
Nguyên tắc máy phát trong bất kỳ hệ thống OFDMA nào đƣợc sử dụng thu hẹp, thì các sóng mang con trực giao lẫn nhau. Trong LTE khoảng cách sóng mang con là 15 kHz không phụ thuộc vào tổng băng thông truyền tải. Các sóng mang con khác nhau thì trực giao với mỗi sóng mang con khác, trên mỗi đỉnh sóng xác định điểm lấy mẫu cho một sóng mang con, còn những sóng mang con khác thì có giá trị zero, xem hình 2.2 ở dưới.
Hình 2.2 - Duy trì tính trực giao của các sóng mang con[6]
Điểm lấy mẫu cho một sóng mang con
Giá trị 0 cho các sóng mang con khác Tổng băng thông truyền
Miền thời gian Miền tần số
Cho tần số tương ứng của dạng sóng đầu vào
Tần số cơ bản
Sơ đồ cơ bản hệ thống máy phát và thu của OFDMA được thể hiện hình 2.3 ở dưới.
Các bit vào
tần số
tổng băng thông vô tuyến (ví dụ: 20 MHz)
Các bit thu đƣợc
Hình 2.3- Hệ thống máy phát và thu của OFDMA[6]
Tại hệ thống máy phát của OFDMA, sử dụng khối IFFT để tạo ra các tín hiệu.
Nguồn dữ liệu cung cấp đi qua bộ điều chế, nơi mà các chương trình điều chế thích ứng (QPSK, 16QAM, 64QAM) đƣợc áp dụng. Chuỗi đa mức của các ký hiệu điều chế này, đƣợc chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và tiếp tục đi vào khối IFFT. Thực hiện IFFT để chuyển đổi các ký hiệu dữ liệu phức này về miền thời gian và tạo ra các ký hiệu OFDM. Một băng bảo vệ CP đƣợc sử dụng để chèn giữa các ký hiệu OFDMA nhằm tránh nhiễu liên ký hiệu (ISI). Khoảng bảo vệ CP này đƣợc chèn vào mỗi ký hiệu bằng cách sao chép phần cuối của ký hiệu và chèn vào phần đầu của ký hiệu, nhƣ minh họa trong hình 2.4 ở dưới.
Bộ điều
chế
IFFT Chèn CP
. . . Bộ chuyển
từ nối tiếp
sang song song Máy phát
Loại bỏ CP .
. . Bộ chuyển
từ nối tiếp
sang song song
FFT
Bộ giải điều chế
Bộ cân bằng Máy thu
Khi chèn thêm CP, thì thời gian của CP phải lớn hơn thời gian phản hồi lại của xung kênh hoặc trãi trễ. Có như thế thì ảnh hưởng của các ký hiệu trước đó có thể tránh đƣợc nhiễu liên ký hiệu bằng cách loại bỏ khoảng bảo vệ CP tại máy thu.
Khoảng bảo vệ CP Cyclic
prefix
Phần sao chép của ký hiệu (symbol)
Khoảng thời gian ký hiệu OFDM
Hình 2.4 - Tạo ra khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM[6]
Trong khi máy thu không đối phó với nhiễu liên ký hiệu, thì nó vẫn phải đối phó với tác động kênh cho các sóng mang con riêng biệt mà có tần số phụ thuộc vào sự thay đổi pha và biên độ. Sự ƣớc lƣợng kênh này, đƣợc thực hiện bằng cách chèn thêm các ký hiệu tham chiếu, hay còn gọi là ký hiệu hoa tiêu. Với vị trí thích hợp của các ký hiệu này, trong cả miền thời gian và miền tần số thì máy thu có thể thêm ảnh hưởng của kênh truyền đến các sóng mang con khác nhau từ ký hiệu tham chiếu miền tần số và miền thời gian này. Ví dụ trong hình 2.5 ở dưới [6].
Các tín hiệu tham chiếu
Hình 2.5 - Tham chiếu các ký hiệu trãi trên các sóng mang con OFDMA[6]
Một giải pháp cụ thể cho máy thu là thực hiện cân bằng miền tần số, mà cơ bản là tác động kênh trở lại cho mỗi sóng mang con. Cân bằng miền tần số trong OFDMA chỉ đơn giản là nhân mỗi sóng mang con (với các phép nhân có giá trị phức tạp) dựa trên sự phản hồi tần số ƣớc lƣợng kênh (điều chỉnh pha và biên độ mỗi sóng mang con đã trãi qua trước đó) của kênh.
Các sóng mang con/miền tần số
Ký hiệu OFDM/miền thời gian
Tại máy thu, đầu tiên loại bỏ khoảng bảo vệ CP và sau đó các sóng mang con đƣợc chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và đi vào khối FFT. Tại giai đoạn FFT, thực hiện chuyển đổi các ký hiệu OFDM trong miền thời gian về lại miền tần số, sau đó thực hiện cân bằng thông qua bộ cân bằng, rồi đem đi giải điều chế và ta thu đƣợc nguồn dữ liệu ban đầu.
Các tham số điều chế: các tham số điều chế cho các băng thông truyền khác nhau ở tuyến xuống được thể hiện trong bảng 2.1 ở dưới.
Các tham số Các giá trị
Băng thông truyền (MHz) 12.5 2.5 5 10 15 20
Khoảng cách sóng mang 15 KHz
Kích thước FFT 128 256 512 1024 1536 2048
Tần số lấy mẫu
1.92 MHz (1/2x3.84
MHz)
3.84 MHz
7.68 MHz (2x3.84
MHz)
15.36 MHz (4x3.84
MHz)
23.04 MHz
30.72 MHz
Số lƣợng sóng mang con
chiếm 76 151 301 601 901 1201
Số lƣợng ký tự
OFDM/slot 7 cho CP bình thường và 6 cho CP mở rộng
Chiều dài CP (s/sample)
Bình thường
(4.69/9) x 6, (5.21/10)
x 1
(4.69/18) x 6, (5.21/10)
x 1
(4.69/36) x 6 (5.21/40)
x 1
(4.69/72) x 6 (5.21/80)
x 1
(4.69/108) x 6 (5.21/120)
x 1
(4.69/144) x 6 (5.21/160)
x 1 Mở rộng 16.67/32 16.67/64 16.67/128 16.67/256 16.67/512 16.67/1024
Bảng 2.1 - Các tham số điều chế cho OFDMA[11]
Các kiểu điểu chế QAM:
Điều chế QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ và điều chế số theo pha tín hiệu. Dữ liệu đƣợc chuyển giao bởi điều chế hai tín hiệu sóng mang riêng biệt (hình sin và hình cosin) mà pha ra là 900. Nó sử dụng các loại pha khác nhau: 4QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM và 256QAM. Mỗi trạng thái ký hiệu của QAM định nghĩa một pha và biên độ cụ thể. Bằng cách tăng số mức, thì hiệu quả của việc tăng QAM cùng với tăng tính phức tạp. QAM làm tăng hiệu quả truyền của các hệ thống truyền thông vô tuyến bằng cách sử dụng cả pha và biên độ cùng với nhau. Điều này, càng dễ bị nhiễu bởi vì ký hiệu của nó là rất gần với mỗi ký hiệu khác, do đó làm tăng tỷ lệ
nhiễu. Nó cũng có vấn đề với tính tuyến tính của hệ thống bởi vì việc sử dụng biên độ và pha cùng một lúc trong khi trong trường hợp tần số và pha không cần bộ khuếch đại tuyến tính.
Điều chế thích nghi:
Điều chế thích nghi là một công nghệ thông minh đƣợc sử dụng để chọn kiểu điều chế thích hợp cho kênh nếu nó bị ảnh hưởng bởi fading, nhiễu và biến thể. LTE có lợi thế lớn của kiểu điều chế này, nếu điều kiện tín hiệu trở nên xấu, nó sẽ chuyển từ kiểu điều chế này đến kiểu điều chế khác phù hợp nhất cho tín hiệu. Nếu kiểu điều chế thay đổi thì số lƣợng độ lệch trong thông lƣợng và hiệu quả phổ cũng thay đổi.
64QAM có thông lƣợng cao so với BPSK và QPSK. Điều quan trọng là sử dụng chương trình điều chế cao hơn để đạt được hiệu quả quang phổ cao và thông lượng truyền tải cao. Trong khi đó, các chương trình điều chế thấp hơn ít dễ bị nhiễu và can nhiễu trong kênh [4]. Các kiểu điều chế thể hiện ở hình 2.6 ở dưới.
Hình 2.6 – Các chòm sao điều chế LTE[6]
Trong trường hợp QPSK (4QAM), có bốn trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu truyền hai bit thông tin. Trong trường hợp16QAM, có 16 trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu mang 4 bit thông tin. Còn trong trường hợp 64QAM, có 64 trạng thái ký hiệu và mỗi ký hiệu mang 6 bit thông tin.
Cấu trúc Frame chung:
Ts là đơn vị thời gian cơ bản của LTE. Các trường miền thời gian thường được định nghĩa trong điều kiện của Ts. Ts đƣợc định nghĩa là Ts = 1/(15000 x 2048) giây hoặc khoảng 32.6 nano giây.
Việc truyền tuyến lên và tuyến xuống đƣợc tổ chức thành các khung thời gian Tf = 307200 Ts.
Một frame có thời gian 10ms, mỗi frame đƣợc chia thành 10 subframes. Mỗi subframe chia thành 2 slot, mỗi slot có thời gian là 0.5 ms. Trong miền thời gian, một slot có đúng một khối nguồn dài.
Có hai loại frame đƣợc định nghĩa cho LTE: loại 1 (hình 2.7), sử dụng trong chế độ song công phân chia tần số (FDD) và loại 2 (hình 2.8), sử dụng trong chế độ song công phân chia thời gian (TDD).
Frame loại 1 bao gồm 20 slots với mỗi slot có thời gian là 0.5ms.
Frame loại 2 gồm hai nữa frame. Phụ thuộc vào giai đoạn chuyển đổi, ít nhất một trong số nữa frame bao gồm một subframe cụ thể mang theo ba trường thông tin chuyển đổi: khe thời gian Pilot cho tuyến xuống (DwPTs), thời gian bảo vệ (GP) và khe thời gian Pilot cho tuyến lên (UpPTS). Nếu thời gian chuyển đổi là 5ms, thì thông tin chuyển đổi xảy ra trong cả hai nữa frame, đầu tiên trong một subframe và sáu subframe còn lại. Các subframe 0 và 5, DwPTS là luôn luôn dành cho truyền tuyến xuống. UpPTS và subframe trực tiếp theo sau UpPTS là dành riêng cho truyền tuyến lên. Các subframe khác có thể dành cho cả tuyến xuống và tuyến lên [8].
7 ký hiêu = một khối nguồn = 1 slot
Hình 2.7 – Cấu trúc frame loại 1[13]
Hình 2.8 – Cấu trúc frame loại 2[13]
Khối nguồn vật lý tuyến xuống (PRB):
Ở tuyến xuống, các sóng mang con đƣợc chia thành các khối nguồn tài nguyên.
Điều này cho phép hệ thống phân chia các sóng mang con ra thành nhiều phần nhỏ, mà không pha trộn dữ liệu qua tổng số sóng mang con cho một băng thông. Khối tài nguyên này bao gồm 12 sóng mang con cho một khe thời gian là 0.5ms. Cấu trúc của PRB được đưa ra trong hình 2.9 ở dưới.
Hình 2.9 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho tuyến xuống[10]
Có sự khác nhau về số khối nguồn cho tín hiệu các băng thông khác nhau trong LTE như trong bảng 2.2 ở dưới.
Băng thông (MHz) 1.4 3 5 10 15 20
Băng thông sóng mang con (kHz) 15
Băng thông (kHz) khối nguồn vật lý (PRB) 180
Số khối nguồn 6 15 25 50 75 100
Bảng 2.2 - Khối nguồn tài nguyên vật lý cho các băng thông khác nhau[10]