Bài giảng Đa truy nhập vô tuyến: Chương 7

Đa truy nhập vô tuyến

BỘ MÔN VÔ TUYẾN

KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

Nguyen Viet Dam Faculty of Telecommunications I Posts and Telecommunications Institute of Technologies Address: PTIT- Km10-Nguyen Trai Street, HaDong, HaNoi Office : (0)84-(0)4-8549352, (0)84-(0)34- 515484 Mob: 0912699394

Hà nội 04-2016

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

Nội dung học phần:

Chương 1: Tổng quan đa truy nhập vô tuyến và kỹ thuật trải phổ

Chương 2: Các giao thức đa truy nhập

Chương 3: Tạo mã

Chương 4: Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

Chương 5: Mô hình kênh đa CDMA và hiệu năng

Chương 6: Mô hình đa truy nhập vô tuyến trong môi trường pha

đinh di động và phân tập

Chương 7: Đa truy nhập OFDMA/SC-FDMA

Chương 8: Quản lý tài nguyên vô tuyến 4G-LTE

Chương 9: Định cỡ ô cho các hệ thống thông tin di động

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

Nội dung chương 7 (1/2)

7.1. Giới thiệu chung 7.2. Mở đầu 7.3. Nguyên lý OFDM 7.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát

7.5.1. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát 7.5.2. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu 7.5.3. Ứớc tính kênh và cân bằng miền tần số (FDE)

7.6. Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống truyền dẫn OFDM 7.7. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở

7.7.1. Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM 7.7.2. Số lượng các sóng mang con 7.7.3. Độ dài CP 7.7.4. Ảnh hưởng của lựa chọn các thông số cơ sở lên thông lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

7.8. Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời

7.8.1. Vấn đề PAPR 7.8.2. Các giải pháp giảm papr: triệt đỉnh; sắp xếp tín hiệu; xáo trộn chọn lọc

7.9. Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập 7.10. Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM 7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

7.11.1. Dung lượng CDMA băng rộng 7.11.2. Dung lượng OFDMA 7.11.3. So sánh các kết quả dung lượng

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

Nội dung chương 7 (2/2)

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh trong hệ thống OFDM

7.12.1. Tính toán SNR 7.12.2. Tính toán dung lượng OFDM trong trường hợp kênh phân tập tần số

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

7.12.1. Sơ đồ khối hệ thống DFTS-OFDM 7.12.2. Máy phát DFTS OFDM 7.12.3. DFTS-OFDM với tạo dạng phổ 7.12.3. Máy thu DFTS-OFDM

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA 7.14.1. sắp xếp các ký hiệu thông tin lên các sóng mang con 7.14.2. xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA: các ký hiệu IFDMA trong miền thời

gian; các ký hiệu LFDMA trong miền thời gian

7.15. So sánh dung lượng đường lên 7.15.1. Dung lượng WCDMA 7.15.2 Dung lượng TDMA 7.15.3. Dung lượng OFDMA 7.15.4. Dung lượng SC-FDMA 7.15.5. So sánh các kết quả dung lượng

7.16. Các vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA

7.16.1. Đồng bộ thời gian: 7.16.2. Đồng bộ tần số

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong hê thống thông tin di động sau 3G 7.18. Tổng kết, câu hỏi và bài tập

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1 GIỚI THIỆU CHUNG

 Mục đích chương

 Sáng tỏ nguyên lý OFDM, DFTS-OFDM  Sáng tỏ nguyên lý làm việc máy phát và máy

thu OFDM, DFTS-OFDM

 Tính toán tham số OFDM theo tham số kênh  Hiểu phương pháp đa truy nhập OFDMA/SC- FDMA và ưu điểm so với các phương pháp đa truy nhập khác

Nguyễn Viết Đảm

 Nội dung chủ đạo

 Nguyên lý chung của OFDM  Sơ đồ và tín hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM  Sử dụng OFDM cho OFDMA  Các thông số kênh ảnh hưởng lên hiệu năng của hệ thống truyền

dẫn OFDM

 Sơ đồ và tín hiệu hệ thống truyền dẫn DTFS-OFDM  Sử dụng DTFS-OFDM cho SC-FDMA  So sánh dung lượng của đa truy nhập OFDMA, SC-FDMA với các phương thức đa truy nhập khác như WCDMA và TDMA

 Các ảnh hưởng của mất đồng bộ tần số và thời gian  Thí dụ về thông số lớp vật lý của hệ thống LTE xây dựng trên

cơ sở OFDMA/SC-FDMA

 Hướng dẫn

 Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này  Tham khảo thêm [2]  Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương

Đa truy nhập vô tuyến

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2 MỞ ĐẦU

 Khái niệm cơ bản  Kênh vô tuyến-Tài nguyên vô tuyến và sử

dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến

 OFDM/OFDMA: Đặc trưng và hướng ứng

dụng

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Tài nguyên và sử dụng hiệu quả TỪ LỚP VẬT LÝ

Có thể nói rằng: Ghép kênh làm cho tài nguyên (tần số, thời gian, mã, không gian) có tính duy nhất và khai thác triệt để tính duy nhất vào mục đích truyền thông

XU HƯỚNG

Xu hướng tất yếu của NGN: Sử dụng hết, sử dụng hiệu quả tài nguyên và đảm bảo chất lượng => phân chia tài nguyên khả dụng, gán, cấp phát, phân bổ, định tuyến một cách hiệu quả => cơ chế động & thích ứng => tăng tính phức tạp trong quản lý tài nguyên (định tuyến, điều khiển luồng, tài nguyên địa chỉ) <= tính đa dạng về dịch vụ

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập

Khái niệm: Tài nguyên vô tuyến và sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến: Điều chế, ghép kênh. Đa truy nhập, quy hoạch tần số, điều chế mã hóa thích ứng AMC, MIMO, quy hoạch mạng, mã hóa nguồn tin hiệu quả, nén tín hiệu, phân bổ tài nguyên thích ứng, lập lịch động, điều khiển truy nhập môi trường MAC…

Kênh truyền dẫn (sóng mang), kênh đường lên UL và kênh đường

xuống DL, phân bổ tài nguyên cho kênh.

(Băng tần, độ rộng băng tần, băng thông, phổ tần, dung lượng, tốc độ bit) của kênh, tần số trung tâm. Tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu thông băng (thông dải).

Can nhiễu, lọc nhiễu, băng tần bảo vệ, mã hóa sửa lỗi.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập

Các phương pháp đa truy nhập được xây dựng trên cơ sở phân chia

tài nguyên vô tuyến cho các nguồn sử dụng (kênh truyền) khác nhau

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Đặc tính kênh vô tuyến di động

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Mô hình kênh vô tuyến thống kê

 Kênh trong miền thời gian

 Kênh trong miền tần số

 Dừng và ergodic  Gausơ phức và độc lập thống kê chéo qua các nhánh i và các người dùng m

 Dừng và ergodic  Gausơ phức với các độ lợi kênh tương quan chéo qua các sóng mang con

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

OFDM and Multi-Carrier Transmission: Solution for Frequency Selective Channel

Why OFDM?

Single Carrier

Multicarrier

• Uses the entire bandwidth

• Splits bandwidth into subchannels

• Short symbol times

• Sends information in parallel

• This causes ISI

• OFDM: orthogonal subcarriers

OFDM is a considerable option when the channel introduces ISI

Applications: ADSL, DAB, DVB, Hiperlan/2, WLAN, WIMAX, 4G-LTE,...

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

OFDM and Multi-Carrier Transmission: Solution for Frequency Selective Channel Kênh

n ớ l

Sóng mang con

ộ Đ

Tần số

Bandwidth

Phổ băng tần gốc OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

OFDM and Multi-Carrier Transmission: Solution for Frequency Selective Channel

Sơ đồ khối máy phát/thu OFDM cơ bản

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

OFDM and Multi-Carrier Transmission: Spectral efficiency  OFDM is a special case of multicarrier transmission that permits subchannels to overlap in

frequency without mutual interference  increased spectral efficiency.

 OFDM exploits signal processing

technology

to obtain cost-effective means of

implementation.

 Mulitple users can be supported by allocating each user a group of subcarriers.

Hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Các hạn chế truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao do băng thông và SNR

Khi S/N nhỏ, log2(.) rất nhỏ và để tăng C cần tăng S/N, Vì thế miền S/N nhỏ được gọi là miền hạn chế công suất.

Khi S/N lớn, log2(.) hầu như không đổi và dung lượng C chủ phụ yếu và thuộc thông băng thế B. Vì S/N miền được lớn gọi là miền chế hạn băng thông

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Giải pháp điển hình để tăng dung lượng truyền dẫn vô tuyến cho miền hạn hế công suất và miền hạn hế băng thông

Khi S/N lớn: MS gần trạm gốc (điều kiện truyền sóng tốt), tăng dung lượng bằng cách tăng số đường truyền ở dạng truyền nhiều luồng song song trên nhiều anten (MIMO) hoặc sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao

Khi S/N nhỏ, tăng tăng dung lượng bằng cách tăng S/N ở dạng sử dụng phân tập hoặc tạo búp sóng anten hẹp (công nghệ tạo búp)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM Minh họa phân bổ tài nguyên OFDMA cho M người dùng

Ưu điểm cơ bản nhất

và là bản chất của

MCM cũng như

OFDM là chuyển kênh

pha đinh chọn lọc tần

số thành kênh pha

đinh phẳng

Khả năng mọi người

dùng cùng chựu một độ

sâu pha đinh tại một sóng

mang là rất thấp, nên có

thể dùng cơ chế phân bổ

thông minh để đảm bảo

các sóng mang được gán

cho các người dùng có

trạng thái kênh “tốt”.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

OFDM đa người dùng (MU-OFDM)

 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)

 Được chấp nhận bởi các chuẩn IEEE 802.16a/d/e, LTE

 Nhiều người dùng phát trên các sóng mang con khác nhau tại

cùng thời điểm  Thừa hưởng các ưu điểm của OFDM

 Khai thác triệt để tính phân tập giữa các người dùng thông qua CSI

User 1

User 2

. . .

User K

Tần số Trạm gốc (Subcarrier and power allocation)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.1. Khái quát truyền dẫn OFDM

Khai thác phân tập đa người dùng

OFDM đa người dùng đường

xuống  Người dùng chia sẻ kênh con và công suất phát

trạm gốc

 Người dùng chỉ giải mã dữ liệu riêng của họ

Phân bổ tài nguyên

Tĩnh

Thích ứng

Tiền định

Lập biểu động

Thứ tự truyền các người dùng

CSI

Không được khai thác

Khai thác triệt để

Kém

Tốt

Hiệu năng hệ thống

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.3 Nguyên lý OFDM

 Khái niệm cơ bản

 Không gian tín hiệu và điều chế/giải điều

chế tín hiệu OFDM

 Các tham số đặc trưng của tín hiệu OFDM

 Truyền dẫn tín hiệu OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Khái niệm cơ bản

 Tín hiệu và phổ tần tín hiệu

 Tín hiệu và phổ tần của tín hiệu băng tần cơ sở  Tín hiệu và phổ tần của tín hiệu thông dải

 Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu  Truyền dẫn đơn sóng mang/đa sóng mang, MCM/FDM  FDM và OFDM

 Không gian tín hiệu và điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM  Mô hình truyền thông trên cơ sở không gian tín hiệu.  Điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM trên cơ sở không gian tín hiệu.  Nguyên lý hoạt động

 Tín hiệu và hệ thống trong miền thời gian  Tín hiệu và hệ thống trong miền tần số  Thực hiện điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT/FFT

 Các tham số đặc trưng của tín hiệu OFDM

 Tham số tín hiệu OFDM trong miền thời gian  Tham số tín hiệu OFDM trong miền tần số  Lựa chọn các tham số OFDM trên cơ sở các tham số của kênh vô tuyến.

 Truyền dẫn tín hiệu OFDM

 Truyền dẫn tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở  Truyền dẫn tín hiệu OFDM trong băng tần vô tuyến

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM  Tín hiệu và phổ tín hiệu (1/5)

Fourier transform

-2/T

-4/T

4/T

2/T

-3/T

-1/T

1/T

3/T

-T/2 T/2

Fourier transform

Tín hiệu và phổ tín hiệu tất định băng gốc

f t -2T -4T 4T

-1/(2T) 1/(2T) -3T -T T 3T

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Tín hiệu và phổ tín hiệu (2/5)

Fourier transform pair of Square waveform

Fourier transform pair of triangular waveform

Fourier transform pair of Gaussian waveform

Tín hiệu và phổ tín hiệu tất định băng gốc

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

r e i r r u o F

i ổ đ n ế i

b p ặ C

Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên băng gốc

Tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên băng gốc: Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên thông băng

r e i r r u o F

i ổ đ n ế i

b p ặ C

Tín hiệu ngẫu nhiên thông băng: Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

NVD_D12VT PSD_BaseBand_Passband

PSD_BaseBand = AA*(sinc((f*Tb)).^2);

PSD_PassBand = (AA/4)*((sinc((f+fc)*Tb)).^2 +(sinc((f-fc)*Tb)).^2);

Mô tả PSD của tín hiệu băng tần cơ sở và tín hiệu thông băng trên Matlab Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Điều chế và dịch phổ tần tín hiệu

 Phân loại tín hiệu và điều chế: Dựa vào tài nguyên phổ tần và mục đích truyền thông (tối đa hóa dung lượng và chất lượng):  Tín hiệu băng tần cơ sở, điều chế/giải điều chế băng tần cơ sở, truyền dẫn tín hiệu băng tần cơ sở như: OFDM….  Tín hiệu thông dải (thông băng), điều chế/giải điều chế tín hiệu thông băng như các phương pháp điêuc chế độc lập: BPSK; QPSK; M-PSK; M- QAM….

 Kết hợp giữa điều chế/giải điều chế tín hiệu băng tần cơ sở và thông giải điển hình như: kết hợp OFDM và M-QAM

Chuyển đổi tín hiệu băng gốc-tín hiệu thông băng trong miền thời gian (vòng trong) và miền tần số (vòng ngoài)

 Các kỹ thuật điều chế/giải thích ứng điển hình như: A-OFDM và A-QAM  Kết hợp giữa mã hóa kênh và điều

chế thích ứng AMC.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Truyền dẫn đơn sóng mang và đa sóng mang (1/4)

Không

gian

tín

hiệu

và

điều

chế

Tạo tín hiệu si(t) và khôi phục các hệ số sij. Mô hình phát/thu tín hiệu trên cơ sở không gian tín hiệu

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Truyền dẫn đơn sóng mang/đa sóng mang (2/4)

Single-carrier baseband communication system model.

Basic structure of multicarrier system

OFDM as: Multicarrier Modulation & Multiplexing/Multi-

Access

Spectral characteristic of multicarrier system

Structure and spectral characteristic of multicarrier transmission system.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

 Truyền dẫn đơn sóng mang/đa sóng mang (3/4)

Narrow-band transmission

Wideband multi-carrier transmission

OFDM as: Multicarrier Modulation & Multiplexing/Multi-

Access

Extension to wider transmission bandwidth by means of multi-carrier transmission

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM  Truyền dẫn đơn sóng mang/đa sóng mang (4/4)  FDM as Multi-Carrier Transmission

Power

FDMA

y c n e u q e r F

Frequency channel

cos(2πf0t)

Detector

BPF

LPF

Detector

LPF

BPF

s(t)

r(t)

P/S

cos(2πf1t)

cos(2π f1t)

Serial Time To Parallel (S/P)

BPF

Detector

LPF

cos(2πfN-1t)

Bc FDM/FDMA

S(f)

OFDM as: Multicarrier Modulation & Multiplexing/Multi- fN-1 f0

Access

Each subcarrier is modulated at a low enough rate that dispersion (ISI) is not a problem. Subcarriers must be spaced so that they do not interfere.

f1 Bandwidth, B

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Real

g n

i

s(t)

/

A D

BPF

P S

S P

T F D I

p p a M

Img

Điều chế/giải điều chế OFDM băng gốc

Điều chế/giải điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

c h a n n e l

LPF

g n

i

/

S P

P S

D A

r(t)

T F D

π/2

p p a m e D

LPF

Tín hiệu OFDM trong băng tần gốc và băng thông Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Time domain: Per-subcarrier pulse shape

Frequency domain: Spectrum for basic OFDM transmission

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

OFDM subcarrier spacing.

Frequency-time representation of an OFDM Signal

Tín hiệu và phổ tần tín hiệu OFDM Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Minh họa tín hiệu và phổ tín hiệu OFDM trong băng tần gốc Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

NVD_PSD_OFDM_Program_optimal

Mô tả phổ của OFDM trong băng tần gốc trên Matlab Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

NVD_PSD_OFDM_Program_optimal

Mô tả phổ của tín hiệu điều chế OFDM trong băng thông trên Matlab Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

NVD_PSD_OFDM_Program_optimal

Mô tả phổ của tín hiệu truyền dẫn đơn sóng mang và OFDM trong băng tần gốc/ băng thông trên Matlab

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Không

gian

tín

hiệu

và

điều

chế

Tạo tín hiệu si(t) và khôi phục các hệ số sij. Mô hình phát/thu tín hiệu trên cơ sở không gian tín hiệu

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM trên cơ sở không gian tín hiệu

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM trên cơ sở không gian tín hiệu Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Tin hiệu OFDM trong miền thời gian

Các sóng mang con trực giao

Thực hiện OFDM bằng IDFT

Giải điều chế để tìm lại ký hiệu

Điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM trên cơ sở không gian tín hiệu Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM trên cơ sở không gian tín hiệu và biểu diễn phổ

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Nếu các sóng mang con là:

Chứng minh:

Tính chất trực giao giữa các sóng mang con

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Xử lý IFFT/FFT: Trực giao hóa giữa các sóng mang con

P S

S P

P S

S P

T F F

I

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Xử lý IDFT (IFFT)

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Xử lý IDFT (IFFT)

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Xử lý DFT (FFT)

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

Xử lý IFFT/FFT: Trực giao hóa các sóng mang con

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Minh họa thực hiện IFFT/FFT trên Matlab

D = [1 1; 1 exp(j*pi)] E = [1 1; 1 exp(-j*pi)] F = 1/2*E*D F_test =abs(F)

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.2. Nguyên lý OFDM

Minh họa thực hiện IFFT/FFT trên Matlab

W_H W = [1 1 1 1; 1 exp(j*2*pi/4) exp(j*4*pi/4) exp(j*6*pi/4); 1 exp(j*4*pi/4) exp(j*8*pi/4) exp(j*12*pi/4); 1 exp(j*6*pi/4) exp(j*12*pi/4) exp(j*2*3*3*pi/4)] = [1 1 1 1; 1 exp(-j*2*pi/4) exp(-j*4*pi/4) exp(-j*6*pi/4); 1 exp(-j*4*pi/4) exp(-j*8*pi/4) exp(-j*12*pi/4); 1 exp(-j*6*pi/4) exp(-j*12*pi/4) exp(-j*2*3*3*pi/4)]

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.4 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

 Sơ đồ băng gốc hệ thống truyền dẫn OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

I/Q

sRF(t)

Chèn CP

DAC

Sắp xếp ký hiệu (điều chế)

Mã hóa kênh/đan xen

Điều chế OFDM (IFFT) Điều chế IQ và biến đổi nâng tần

Xử lý tín hiệu băng gốc/Điều chế/giải điều chế OFDM băng gốc

Điều chế/giải điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

Khử CP

ADC

Giải sắp xếp (giải điều chế)

Giải mã kênh/giải đan xen

rRF(t)

Giải điều chế OFDM (FFT) Biến đổi hạ tần giải điều chế IQ

I/Q

Ước tính kênh

Đồng bộ thời gian

Đồng bộ sóng mang RF

Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

P C

ử h K

n è h c

P S

S P

P S

S P

T F F

I

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT và chèn/khử CP 57 Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Real

g n

i

s(t)

/

A D

BPF

P S

S P

T F D I

p p a M

Img

Điều chế/giải điều chế OFDM băng gốc

Điều chế/giải điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

c h a n n e l

LPF

g n

i

/

S P

P S

D A

r(t)

T F D

π/2

p p a m e D

LPF

Tín hiệu OFDM trong băng tần gốc và băng thông Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

P C

ử h K

n è h c

P S

S P

P S

S P

T F F

I

Xử lý IFFT/FFT: Trực giao hóa giữa các sóng mang con

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT và chèn/khử CP 59 Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu

 Ước tính kênh và cân bằng kênh miền tần

số (FDE)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (1/18)

 Khối hóa luồng bit phát

 Chuyển đổi S/P

 Xắp xếp các ký hiệu điều chế MAP (M-QAM)

 Thực hiện IFFT

 Chuyển đổi P/S

 Chèn CP

 Chuyển đổi số vào tương tự DAC

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (2/18)

 Khối hóa luồng bit phát: Mỗi khối gồm NSClog2(M) bít

+ M: Số trạng thái điều chế (mức điều chế, M-QAM) + NSC: Số sóng mang con được dùng để truyền các ký hiệu điều chế

 Chuyển đổi S/P: Một đầu vào/NSC đầu ra => mỗi đầu ra tốc độ

giảm NSC lần, phổ hẹp NSC lần: + Nsc khối số liệu {Zn,k ,n=0,1,…, Nsc-1}, mỗi khối có log2M bit, (n,k) biểu

thị khối thứ n tại khối dữ liệu thứ k (chỉ số hóa khối số liệu Zn,k).

+ Mỗi khối số liệu Zn,k gồm log2M bit

 Chuyển đổi MAP: Chuyển đổi các khối số liệu (khối log2M bit)

vào ký hiệu điều chế (xem chùm vectơ M-QAM).

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (3/18)

Xử lý IFFT:

 Đầu vào IFFT:

+ Nsc mẫu trong miền tần số: {Xn,k , n= 0, 1, …., Nsc-1} n là chỉ số vectơ, và k

(k= - đến ) là chỉ số về thứ tự theo thời gian của tập Nsc ký hiệu.

+ (N-Nsc) sóng mang con rỗng (bằng không).

=> Kết hợp tạo nên tập N giá trị phức {Xi,k , i=0,1,…, N-1}, kích thước IFFT là N

mẫu tín hiệu miền tần số tương ứng N sóng mang con.

 Đầu ra IFFT: N mẫu ký hiệu trong miền thời gian {xm,k , m=0,1,…, N-1}

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu  Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (4/18)

Xử lý IDFT (IFFT):

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (5/18) Xử lý IDFT (IFFT):

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (6/18)

Xử lý DFT (FFT):

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (7/18)

Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

Xử lý IFFT/FFT: Trực giao hóa các sóng mang con

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (8/18) Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (9/18) Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

D = [1 1; 1 exp(j*pi)] E = [1 1; 1 exp(-j*pi)] F = 1/2*E*D F_test =abs(F)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (10/18) Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

W_H W

= [1 1 1 1; 1 exp(j*2*pi/4) exp(j*4*pi/4) exp(j*6*pi/4); 1 exp(j*4*pi/4) exp(j*8*pi/4) exp(j*12*pi/4); 1 exp(j*6*pi/4) exp(j*12*pi/4) exp(j*2*3*3*pi/4)] = [1 1 1 1; 1 exp(-j*2*pi/4) exp(-j*4*pi/4) exp(-j*6*pi/4); 1 exp(-j*4*pi/4) exp(-j*8*pi/4) exp(-j*12*pi/4); 1 exp(-j*6*pi/4) exp(-j*12*pi/4) exp(-j*2*3*3*pi/4)]

C C_test CC CC_test check

= 1/4*W*W_H = abs(C) = 1/4*W_H*W = abs(CC) = CC_test~=C_test

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (11/18) Xử lý IDFT/DFT (IFFT/FFT):

NVD_IFFT_FFT_test C = 1/4WW_H C_test = abs(C) CC = 1/4W_HW CC_test = abs(CC) check = CC_test~=C_test

W_H W

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (12/18) Chèn CP:

+ Mục đích: Đối phó ISI do pha đinh đa đường + Độ dài ký hiệu OFDM: T= TFFT+TCP + TCP thường được chọn bằng trễ trội cực đại của đa đường

=> Tổng số mẫu đầu ra bộ chèn CP là (N+V) mẫu.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

Minh họa chèn CP: N=8; V=2

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

Chèn CP và khử CP:

Tầng IFFT gồm biễn đổi IFFT và chèn CP

Copy và chèn V mẫu có tính tuần hoàn sau khi thực hienj P/S

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (13/18)  Tín hiệu OFDM rời rạc sau khi CP trong miền thời gian và tần số:

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (14/18)  Chèn CP

Giải thích ý nghĩa chèn CP. a) không chèn CP, b) chèn CP

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (15/18)  Chèn CP

Tầng IFFT gồm biễn đổi IFFT và chèn CP Copy và chèn V mẫu có tính tuần hoàn sau khi thực hiện P/S

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (16/18)  Tín hiệu OFDM trong không gian hai chiều (thời gian-tần số)

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (17/18)

 Biến đổi số vào tương tự (DAC)

Nếu bỏ qua (N-Nsc) vectơ Xi,k bằng không, thì

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía phát (18/18)

 Sau điều chế IQ và biến đổi nâng tần

Trong đó T : TFFT: TCP: k: i: Xi,k

độ dài của một ký hiệu OFDM thời gian hiệu dụng của một ký hiệu OFDM thời gian chèn CP chỉ số của ký hiệu OFDM chỉ số sóng mang, i=0,1,..., N-1 hay i= -N/2, -N/2+1,...., -1, 0, 1, 2,.... N/2-1 các mẫu tần số đầu vào IFFT gồm tín hiệu trên chùm tín hiệu M-QAM và mẫu rỗng. tần số sóng mang cao tần RF

fc:

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (1/6)

 Mô hình kênh và tín hiệu thu

 Khi kênh tuyến tính: Mô hình hóa kênh ở dạng bộ lọc FIR gồm V nhánh (V là số mẫu CP) có các hệ số nhánh [h0, h1, …., hV-1]T

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (2/6)  Tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và xCP

Trong đó

yk=[yN—V,k, …, yN-1,k, y0,k,.., yN-1,k ]T , sk=[xN-V,k, …., xN-1,k, x0,k,..., xN-1,k ]T, k là tạp âm, Hk là ma trận kênh kích thước (N+V)(N+V)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (3/6)  Tích chập quay vòng giữa đáp ứng kênh xung kim h và xCP

 CP được loại bỏ bằng ma trận

CR=[0NV IN]

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu  Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (4/6)  Tín hiệu sau loại bỏ CP

Ma trận CRHkCP có dạng ma trận quay vòng, nên khi sử dụng CP trong OFDM dẫn đến thay đổi kênh kiểu Toeplitz và ma trận quay vòng (việc sử dụng CP chuyển tích chập tuyến tính trong kênh thành tích chập vòng)

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (5/6)

 Tín hiệu sau loại bỏ CP

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phía thu (6/6)  Biểu diễn tín hiệu của hệ thống truyền dẫn OFDM băng ở dạng vectơ

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Ước tính kênh và cân bằng kênh miền tần số FDE (1/2)  Mô hình kênh OFDM trong miền tần số

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.5. Xử lý tín hiệu OFDM băng gốc phát/thu

 Ước tính kênh và cân bằng kênh miền tần số FDE (2/2)

 Mô hình kênh phát thu OFDM miền tần số với bộ cân bằng một nhánh

 Các ký hiệu tham khảo trên trục thời gian tần số

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.6 Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống OFDM

 Điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng

gốc

 Hàm tuyền đạt phát/thu và vấn đề thiết kế

hệ thống OFDM

 Điều chế số kết hợp biến đổi nâng tần

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.6. Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống OFDM

I/Q

sRF(t)

Chèn CP

DAC

Sắp xếp ký hiệu (điều chế)

Mã hóa kênh/đan xen

Điều chế OFDM (IFFT) Điều chế IQ và biến đổi nâng tần

Xử lý tín hiệu băng gốc/Điều chế/giải điều chế OFDM băng gốc

Điều chế/giải điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

Khử CP

ADC

Giải sắp xếp (giải điều chế)

Giải mã kênh/giải đan xen

rRF(t)

Giải điều chế OFDM (FFT) Biến đổi hạ tần giải điều chế IQ

I/Q

Ước tính kênh

Đồng bộ thời gian

Đồng bộ sóng mang RF

Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

P C

ử h K

n è h c

P S

S P

P S

S P

T F F

I

Mô hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM trên cơ sở thực hiện IFFT/FFT và chèn/khử CP 92 Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.6. Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống OFDM

Real

g n

i

s(t)

/

A D

BPF

P S

S P

T F D I

p p a M

Img

Điều chế/giải điều chế OFDM băng gốc

Điều chế/giải điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

c h a n n e l

LPF

g n

i

/

S P

P S

D A

r(t)

T F D

π/2

p p a m e D

LPF

Tín hiệu OFDM trong băng tần gốc và băng thông

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.6. Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống OFDM  Điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc phức

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.6. Xử lý tín hiệu tương tự trong hệ thống OFDM  Hàm truyền đạt giữa phát/thu và vấn đề thiết kế hệ thống OFDM

 Điều chế số kết hợp biến đổi nâng tầng

Each of these subcarriers is independently modulated by a low rate data stream

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.7 Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở

 Các tham số của tín hiệu OFDM và mối

quan hệ

 Khoảng cách giữa các sóng mang con  Số lượng sóng mang con  Độ dài CP  Ảnh hưởng của các thông số cơ sở lên thông

lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.7. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở

Bảng 7.1. Các thông số của OFDMA Mô tả

Quan hệ

Ký hiệu

Giá trị thí dụ từ WiMAX

Băng thông danh định Số sóng mang con Số sóng mang con số liệu

10 MHz 1024 768

B N Nd

Thời gian hiệu dụng Thời gian bảo vệ (CP) Thời gian ký hiệu OFDM Tỷ phần bảo vệ (CP)

11,2 MHz 0,089 s 10,94 KHz 91,4 s 11,4 s 102,8 s 0,125 (12,5%)

Kích thước IFFT/FFT N- sóng mang con hoa tiêu/rỗng fs = 1/Ts Ts=1/fs fs/N= 1/TFFT TFFT=1/(Df) TCP=GTFFT T=TCP+TFFT G=TCP/TFFT (%)

Tần số lấy mẫu fs Thời gian lấy mẫu Ts Bsc(f) Băng thông sóng mang con TFFT TCP T G  Cần cần lựa chọn các thông số cơ sở của OFDM:

 Khoảng cách giữa các sóng mang con Df  Số sóng mang con N cùng với khoảng cách giữa sóng mang con quyết định toàn bộ băng

thông truyền dẫn của tín hiệu OFDM

 Độ dài CP: TCP. Cùng với khoảng cách giữa các sóng mang Df=1/TFFT, TCP quyết định độ

dài ký hiệu OFDM: T=TCP+TFFT, hay tốc độ ký hiệu OFDM

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.7. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở

 Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM

Hai tiêu chí cần phải cân nhắc khi chọn sóng mang con:

Khoảng cách giữa các sóng mang con đủ nhỏ (TFFT đủ lớn) để

giảm thiểu tỷ lệ chi phí cho CP: TCP/(TFFT+TCP)

Khoảng cách giữa các sóng mang con nhỏ quá sẽ tăng tính nhạy cảm của OFDM đối với dịch tần đặc biệt là dịch tần Doppler

 Số lượng các sóng mang con

 Độ dài CP

Ba tiêu chuẩn để định cỡ các tham số của OFDM:  TCPmax tránh ISI  fD/Df <<1 tránh ICI  TCPDf<<1 đảm bảo hiệu suất phổ

Phổ của tín hiệu OFDM cơ sở băng thông 5MHz

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.7. Lựa chọn các thông số OFDM cơ sở  Ảnh hưởng của lựa chọn các thông số cơ sở lên thông lượng hệ thống truyền dẫn OFDM

Các thông số dung lượng và ảnh hưởng của chúng lên tăng tổng dung lượng Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.8 Ảnh hưởng của thay đổi mức công suất tức thời

 Vấn đề PAPR

 Ảnh hưởng của PAPR

 Giải pháp giảm PAPR điển hình

100

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.8. Ảnh hưởng của thay đổi công suất tức thời

 Vấn đề PAPR

Do đặc điểm của OFDM là truyền dẫn đồng thời trên nhiều sóng mang con, tại một thời điểm tín hiệu OFDM là tổng của nhiều tín hiệu đơn sóng mang băng hẹp => tồn tại những thời điểm tổng này (tín hiệu OFDM) có giá trị lớn nhỏ rất khác nhau hay giá trị đỉnh của OFDM lớn hơn nhiều so với giá trị trung bình, được trưng hóa bởi vấn đề PAPR tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình.

 Ảnh hưởng của PAPR (1/2)

Khi PAPR cao: (i) Giảm hiệu suất bộ khuếch đại công suất  tiêu thụ công suất của đầu cuối di

động cao hơn  giảm cự ly phủ sóng;

(ii) Yêu cầu độ phân giải cao đối với bộ DAC/ADC (vì dải động của tín hiệu tỷ lệ thuận với PAPR). Phân giải cao  tăng độ phức tạp  tăng thành của thiết bị phát/thu;

(iii) Truyền tín hiệu có giá trị đỉnh cao qua thiết bị phi tuyến như bộ HPA, bộ DAC => sẽ sinh ra năng lượng ngoài băng và méo trong băng (chùm tín hiệu trong không gian tin hiệu bị nghiêng và phát tán) => ảnh hưởng nghiêm trọng lên hiệu năng hệ thống.

101

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.8. Ảnh hưởng của thay đổi công suất tức thời

 Ảnh hưởng của PAPR (2/2)

Tính cách phi tuyến của HPA được đặc trưng bởi đáp ứng AM/AM và AM/PM.

Để làm việc trong miền tuyến tính (tránh méo phi tuyến): + Giới hạn giá trị đỉnh. + Lùi công suất trung bình đầu vào so với điểm bão hòa một khoảng (độ lùi đầu vào IBO) => công suất trung bình đầu ra cũng sẽ giảm đi một lượng (độ lùi đầu ra OBO). => Việc lùi điểm công tác vào vùng tuyến tính => giảm hiệu suất sử dụng công suất nguồn nuôi.

Đáp ứng AM/AM của HPA với (IBO: Input Backoff và OBO: Output Backoff)

=> Để đảm bảo khuyếch đại đủ công suất tín hiệu => phải sử dụng công suất nguồn nuôi cao hơn => tần suất nạp lại acqui cao => cần có giải pháp giảm PAPR.

Ví dụ: Hiệu suất khuếch đại tại chế độ A giảm một nửa khi PAPR đầu vào tăng gấp đôi  công suất công suất trung bình giảm một nửa. Các nghiên cứu cho thấy nếu PAPR của OFDM nằm trong vùng 10dB thì hiệu suất sử dụng nguồn của bộ khuếch đại công suất thấp hơn từ 50 đến 75 phần trăm so với trường hợp đơn sóng mang.

102

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.8. Ảnh hưởng của thay đổi công suất tức thời

Các giải pháp giảm PAPR điển hình

Tồn tại nhiều giải pháp loại bỏ ảnh hưởng phi tuyến, điển hình là:

 Triệt đỉnh hay chuyển đổi tín hiệu ở phía phát.

 Kết cấu lại tín hiệu tại máy thu.

 Làm méo trước để bù trừ méo phi tuyến do khuếch đại.

Các giải pháp giảm PAPR tại máy phát

 Triệt đỉnh.

 Sắp xếp tín hiệu.

 Xáo trộn chọn lọc.

103

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.9 Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

 Sử dụng OFDM trong mô hình đa truy

nhập

 Ghép kênh người dùng/OFDMA phân bố  Điều khiển định thời phát đường lên

104

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.9. Sử dụng OFDM cho ghép kênh và đa truy nhập

OFDM được sử dụng cho sơ đồ ghép kênh/đa truy nhập a) đường xuống, b) đường lên

Ghép kênh người sử dụng/OFDMA phân bố

Điều khiển định thời phát đường lên

105

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.10 Phát quảng bá và đa phương trong nhiều Ô và OFDM

 Phát quảng bá đa Ô, đơn Ô và phát đa

phương

 Tương đương giữa phát quảng bá đa Ô được đồng bộ và truyền sóng đa đường

106

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.10. Phát quảng bá và đa phương trong nhiều ô và OFDM

Phát quảng ba đa ô (a), đơn ô (b) và phát đơn phương (c)

107

Tương đương giữa phát quảng bá đa ô được đồng bộ và truyền sóng đa đường Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11 So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 Các đặc trưng cơ bản của WCDMA và

OFDMA trong môi trường truyền sóng đa đường

 Dung lượng WCDMA  Dung lượng OFDMA  So sánh các kết quả dung lượng

108

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 Khác biệt chủ yếu giữa OFDMA và WCDMA:  WCDMA truyền dẫn băng rộng và sử dụng máy thu RAKE, bị ISI trong kênh pha đinh đa đường, hiệu năng phụ thuộc vào đa đường, tán thời.

 OFDMA trên các kênh con băng hẹp, pha đinh phẳng.  Khi không xẩy ra đa đường, hiệu năng của OFDMA và CDMA là

như nhau.

 Dung lượng của hệ thông CDMA và OFDMA: Theo thức dung

lượng kênh của Shannon chuẩn hóa băng thông:

109

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA  Dung lượng W-CDMA (1/2)

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu SINR đối với tín hiệu thu từ đường thứ n (sử dụng máy thu RAKE)

 Nếu công suất phát P được phân đều trên L đường truyền thì

Lưu ý: Coi rằng người sử dụng được lập biểu chiếm dụng toàn bộ tài nguyên ô trong

một khoảng thời gian cho trước; không xét nhiễu từ các người sử dụng khác.

110

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 Dung lượng W-CDMA (2/2)

 Nếu sử dụng kết hợp tỷ lệ cực đại MRC cho tất cả các tín hiệu từ các ngón RAKE (từ các đường truyền khác nhau), thì SINR

 = P/N0 là SINR khi toàn bộ công suất được thu trong chỉ một đường truyền và không có nhiễu từ các ô khác

 Khi số lượng đường truyền rất

 Kênh pha đinh phẳng một đường

lớn L>>1, thì SINR

truyền, thì SINR

Dung lượng WCDMA

111

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 Dung lượng OFDMA

Nếu chèn CP phù hợp thì không có nhiễu đa đường, và thực hiện cân bằng một nhánh cho các sóng mang con OFDM => sự suy giảm SINR là nhiễu đến từ các ô khác và tạp âm AWGN. Biểu diễn gần đúng SINR trong hệ thống OFDMA:

Giới hạn dung lượng của một hệ thống OFDMA được xác định:

Nếu xét ảnh hưởng của chèn CP, thì dung lượng OFDMA khi này là

Nhận xét: SINR trong hệ thống OFDMA giảm khi f tăng. Tại biên Ô, f lớn (do nhiễu từ các ô lân cận lớn) và tại tâm Ô, f nhỏ (do nhiễu từ các ô lân cận nhỏ) => người dùng gần tâm ô (f nhỏ) hưởng lợi nhiều hơn so với người dùng ở biên ô (f lớn) => hiệu năng của người dùng tại biên ô bị nhiễu đến từ các ô lân cận vượt trội so với nhiễu đa đường => OFDM sẽ cung cấp độ lợi khá thấp đối với người sử dụng ở biên ô.

112

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 So sánh các kết quả dung lượng

Các giới hạn dung lượng OFDMA và WCDMA cho trường hợp  = 10dB

113

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 So sánh các kết quả dung lượng

Bảng 7.2. Độ lợi dung lượng OFDMA so với WCDMA

 = 10 dB

 = 0 dB

f 0,0 1,0 2,0 0,0 1,0 2,0

Độ lợi OFDMA so với WCDMA (L = 4) 180 % 36 % 18 % 40 % 19 % 11 %

(L >>1) 237 % 51 % 27 % 55 % 28 % 17 %

(L = 2) 122 % 21 % 9 % 23 % 10 % 4 %

114

Các giới hạn dung lượng OFDMA và WCDMA cho trường hợp  = 0 dB

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 So sánh các kết quả dung lượng

=P/N0 là SINR khi toàn bộ công suất được thu trong chỉ một đường truyền và không có nhiễu từ các ô khác

115

Các giới hạn dung lượng OFDMA và WCDMA cho trường hợp  = 10dB

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

 So sánh các kết quả dung lượng

=P/N0 là SINR khi toàn bộ công suất được thu trong chỉ một đường truyền và không có nhiễu từ các ô khác

Bảng 7.2. Độ lợi dung lượng OFDMA so với WCDMA

 = 10 dB

 = 0 dB

Các giới hạn dung lượng OFDMA và WCDMA cho trường hợp  = 0 dB

Độ lợi OFDMA so với WCDMA (L = 4) 180 % 36 % 18 % 40 % 19 % 11 %

(L >>1) 237 % 51 % 27 % 55 % 28 % 17 %

(L = 2) 122 % 21 % 9 % 23 % 10 % 4 %

f 0,0 1,0 2,0 0,0 1,0 2,0

116

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

=P/N0 là SINR khi toàn bộ công suất được thu trong chỉ một đường truyền và không có nhiễu từ các ô khác

% 7.11 compare OFDMA & CDMA P_total = 1; T = 10^-2; T_CP = 1/2*T; f = 0:0.1:2; SNR_dB = [0 10]; % dB SNR_1 = 10^(SNR_dB(1)/10); % lan N_0 = P_total/SNR_1; % Capacity for OFDMA SNR_OFDMA = SNR_1./(SNR_1*f +1); C_OFDMA = (1-T_CP/T)*log2(1+SNR_OFDMA); % Capacity for WCDMA P_n = 0.1; % Power for n path L = [2 8 100]; % sum of Multipath SNR_WCDMA_2 = SNR_1./(SNR_1*f +(1-1/L(1))*SNR_1 +1 ); C_WCDMA_2 = log2(1+SNR_WCDMA_2); SNR_WCDMA_4 = SNR_1./(SNR_1*f +(1-1/L(2))*SNR_1 +1 ); C_WCDMA_4 = log2(1+SNR_WCDMA_4); SNR_WCDMA_100 = SNR_1./(SNR_1*f +(1-1/L(3))*SNR_1 +1 ); C_WCDMA_100 = log2(1+SNR_WCDMA_100);

117

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

118

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.11. So sánh dung lượng hệ thống OFDMA và CDMA

119

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12 Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh trong hệ thống OFDM

 SNR và các thành phần của SNR

 Tính toán dung lượng OFDM trong môi trường

kênh phân tập tần số

120

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

 Khái quát: Trong môi trường kênh pha đinh chọn lọc tần số, các sóng mang con khác nhau chịu ảnh hưởng pha đinh khác nhau => xét ảnh hưởng của tính chọn lọc tần số và vai trò của mã hóa kênh. Tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho máy thu MRC trong hệ thống OFDM.

 Tính toán SNR (1/4)

Các ký hiệu thu trong miền tần số trước bộ cân bằng được xác định:

121

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

Biểu diễn tín hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM băng gốc ở dạng vectơ

 Tính toán SNR (2/4)

Đối với máy thu MRC chuỗi ký hiệu tại đầu ra bộ cân bằng được xác định:

Các phần tử không nằm trên đường chéo của ma trận đều bằng không <=> ma trận kênh luôn luôn trực giao ngay cả khi kênh là kênh pha đinh chọn lọc tần số có các độ lợi kênh H0, H1,..., HN-1 khác nhau.

122

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

 Tính toán SNR (3/4)

Biểu diễn các ký hiệu sau ước tính ở dạng vectơ

123

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

 Tính toán SNR (4/4)

Ước tính ký hiệu trên sóng mang con thứ i như sau:

Tỷ số tín hiêu trên tạp âm trên một sóng mang con đối với hệ thống sử dụng máy thu MRC (không xét ICI và ISI):

Psc/N0 là tỷ số công suất sóng mang con trên tạp âm AWGN.

 Nhận xét:

Hệ thống OFDM không tồn tại phân tập tần số trong một ký hiệu điều chế (vì mỗi ký hiệu điều chế chỉ nhận được một độ lợi không đổi của một kênh con). Để có thể nhận được phân tập tần số, các ký hiệu số liệu phải được mã hóa kênh và đan xen trên các sóng mang con.

124

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

125

Giải thích vai trò của mã hóa kênh trong OFDM: Mã hóa kênh kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phân tập tần số cho truyền dẫn OFDM Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.12. Ảnh hưởng của phân tập tần số và vai trò của mã hóa kênh…

 Dung lượng OFDM trong trường hợp kênh phân tập tần số

Giả định: (i) Nsc là toàn bộ số sóng mang con được sử dụng để truyền dẫn; (ii) phân bổ công suất trên từng sóng mang con là như nhau Psc= P/Nsc (P là tổng công suất trên toàn bộ băng thông và Psc là công suất của một sóng mang con); (iii) hàm truyền đạt kênh Hi , |Hi|2 và |Hi,int|2 là độ lợi kênh từ ô được xét và ô gây nhiễu.  Giới hạn dung lượng của hệ thống OFDM trong môi trường kênh pha đinh chọn

lọc tần số:

 Nếu định nghĩa SNR trung bình trên một sóng mang con là sc=Psc/N0 (N0 là mật độ phổ công suất tạp âm của AWGN), dung lượng hệ thống OFDM là:

126

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13 Truyền dẫn DFTS-OFDM

 Khái quát DFTS-OFDM

 Sơ đồ hệ thống DFTS-OFDM

 Máy phát DFTS-OFDM

 DFTS-OFDM với tạo dạng phổ

 Máy thu DFTS-OFDM

127

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

M=NSC

SC-FDMA tận dụng: (i) Điều chế đơn sóng mang; (ii) Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM; (iii) Cân bằng kênh miền tần số. Về cơ bản, SC- FDMA có cùng hiệu năng và mức độ phức tạp như OFDMA.

Phát lần lượt các ký hiệu SC-FDMA trên đơn sóng mang thay vì phát đồng thời trên nhiều sóng mang như FDM/OFDMA. Người dùng được ghép/phân kênh trực giao trong miền tần số.

Diễn giải kỹ thuật SC-FDMA

Ưu điểm nổi bật của SC-FDMA so với OFDMA: Đặc tính công suất đỉnh tốt hơn (do cấu trúc đơn sóng mang) => được chọn cho truy nhập đường lên của LTE (hiệu suât công suất phát và chi phí thực hiện của MS).

=> Hai phương pháp sắp xếp sóng mang con cho SC-FDMA: (i) Phương pháp sắp xếp sóng mang con phân tán, các kỹ hiệu dữ liệu chiếm tập sóng mang con được phân bố trên toàn bộ băng tần kênh => nhận được độ lợi phân tập tần số; (ii) Phương pháp sắp xếp sóng mang con tập chung, các kỹ hiệu dữ liệu chiếm tập sóng mang con liên tiếp nhau trên toàn bộ băng tần kênh => nhận được độ lợi phân tập đa người dùng ở dạng lập lịch phụ thuộc kênh. Hai phương pháp sắp xếp sóng mang con đều ảnh hưởng lên cấu trúc tín hiệu miền thời gian và đặc tính công suất đỉnh, chúng tạo ra tính mềm dẻo khai thác thích ứng theo các yêu cầu cụ thể của từng môi trường hoạt động.

128

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Sơ đồ hệ thống DFTS-OFDM

N+V

129

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Sơ đồ hệ thống DFTS-OFDM

số liệu thứ p (p=0,1,…,Nsc-1) trong khối số liệu đầu vào DFT của DFTS-OFDM tại thời điểm k

Mẫu n (n=0,1,…,Nsc -1) trong miền tần số của tín hiệu đầu ra của DFT tại thời điểm k

mẫu tần số thứ i (i=0,1,…,N-1) sau khi sắp xếp sóng mang con trong miền tần số tại đầu vào của bộ IFFT tại thời điểm k

ký hiệu thứ m (m=0,1,…,N-1) của tín hiệu DFS-OFDM trong miền thời gian tại đầu ra của IFFT tại thời điểm k

thời điểm xử lý một khối đầu vào các ký hiệu điều chế thông thường tại (k là một số nguyên nằm trong khoảng từ - đến ). Biến đổi song song và nối tiếp P/S: Số ký hiệu điều chế đưa lên DFT Nsc: N: Tổng số sóng mang con FFT Tmod: Độ dài ký hiệu điều chế thông thường Độ dài hiệu dụng của ký hiệu OFDM TFFT:

130

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM

 Khối hóa dữ liệu đầu vào:

Do thực hiện DFT, NSC điểm (NSC sóng mang con) và trên mỗi sóng mang con được điều chế M-QAM => khối hóa dữ liệu đầu vào thành:  Từng khối (log2M) bits cho mỗi {xp,k} để điều chế M-QAM trên từng sóng mang

con => thời gian của mỗi ký hiệu {xp,k} là Tmod = (log2M)Tb.

 NSC khối để DFT, NSC điểm (NSC sóng mang con) {xp,k ,p=0,1,,..,NSC-1} => thời

gian một khối là (Nsc.Tmod)Tb chứa (Nsclog2M) bits

131

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

 Máy phát DFTS-OFDM

 DFT lên tập {xp,k; p=1,2, …., Nsc-1}

 Sắp xếp sóng mang con và chèn (N-NSC) sóng mang rỗng

 IFFT lên tập và P/S

132

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM

 Đặc trưng của DFTS-OFDM:

Hệ số trải rộng băng tần của chuỗi ký hiệu Q=N/Nsc  N là kích thước của IFFT, là số sóng mang con đầu ra khối

FFT/IFFT (N=2k, k là một số nguyên)

 Nsc là kích thước của DFT, là số sóng mang con đầu ra khối DFT. Nếu mọi đầu cuối đều phát Nsc ký hiệu trên mỗi khối, thì hệ thống xử lý đồng thời Q cuộc truyền dẫn mà không bị nhiễu đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference).

Nếu Nsc= N, thì khối DFT và IFFT sẽ loại trừ nhau, hệ thống trở thành

điều chế đơn sóng mang.

Nếu Nsc tín hiệu đầu ra IFFT có thuộc tính “đơn sóng mang”, nghĩa là sự thay đổi công suất của tín hiệu này là ít và băng thông phụ thuộc vào Nsc.

133

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM

 Chèn CP: Nếu độ dài của CP lớn hơn trải trễ cực đại của kênh, thì:  Không có nhiễu giữa các khối (IBI: Inter-block Interference).  Chuyển tích chập tuyến tính thành tích chập dịch vòng.

Mô hình hóa quá trình truyền tín hiệu qua kênh là:

 Trong miền thời gian: Tích chập vòng giữa đáp ứng xung kim của

kênh và khối số liệu được truyền;

 Trong miền tần số: Nhân từng mẫu DFT (từng điểm của DFT) với

hàm truyền đạt của kênh con tương ứng với sóng mang con.

Đơn giản hóa quá trình xử lý tín hiệu thu (kênh con không bị méo):

 Chia mẫu tín hiệu thu miền tần số cho hàm truyền đạt kênh tương

ứng với song mang con;

 Cân bằng tín hiệu miền tần số đơn được giản hơn.

 Nhược điểm: Chi phí thêm băng thông và công suất.

134

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM

Truyền đồng thời các ký hiệu số liệu

Truyền lần lượt các ký hiệu số liệu

Minh họa sự khác nhau trong việc truyền các ký hiệu số liệu theo thời gian giữa OFDM và DTFT-OFDM

135

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM  Giả sử hai hệ thống này: (i) mỗi khối ký hiệu tại đầu vào đều gồm 4 ký hiệu điều chế QPSK (Nsc=4); (i) đều sử dụng 4 sóng mang con với băng thông con 15 kHz để truyền 4 ký hiệu QPSK. • Với hệ thống OFDM, trong khoảng thời gian TFFT của ký hiệu OFDM, truyền đồng thời 4 ký hiệu số liệu trên mỗi băng tần con 15 kHz cho từng ký hiệu.

• Với hệ thống DFTS-OFDM, trong khoảng thời gian TSFFT của ký hiệu DFTS-OFDM, truyền lần lượt 4 ký hiệu số liệu này trong khoảng thời gian (1/Nsc) TSFFT trên băng tần con bằng (4x15Hz) cho mỗi ký hiệu.  Nếu tần số lấy mẫu tại đầu ra của IFFT là fs , thì băng thông chuẩn của tín hiệu phát B=(Nsc/N)fs => cho phép linh hoạt hóa ấn định băng thông bằng cách thay Nsc.

 Linh hoạt hóa việc phân bổ và định vị phổ tín hiệu phát bằng cách phân bổ,

thay đổi Nsc và sắp xếp sóng mang con tại các khối IFFT và DFT.

 Lợi ích của DFTS-OFDM so với OFDM là giảm PARP =>tăng hiệu suất bộ

khuếch đại công suất.

136

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

Comparing OFDMA and SC-FDMA

QPSK example using NSC=4 subcarriers How OFDMA and SC-FDMA would be used to transmit a sequence of 8 QPSK symbols

1,1

1, -1

-1,1

1, 1 -1,-1 -1, 1 1, -1 -1,-1

The following graphs show how a sequence of eight QPSK symbols is represented in frequency and time

Q Sequence of 8 QPSK data symbols to be transmitted 1,1 -1,1

1,-1 -1,-1

60 kHz

Frequency

15 kHz

OFDMA Data symbols occupy 15 kHz for one OFDMA symbol period

SC-FDMA Data symbols occupy NSC*15 kHz for 1/NSC SC-FDMA symbol periods

137

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

M=NSC=4

OFDMA signal generation QPSK example using NSC=4 subcarriers 1,1 138

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

M=NSC=4

SC-FDMA signal generation QPSK example using NSC=4 subcarriers

139

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

Comparing OFDMA and SC-FDMA PAR and constellation

analysis at different BW

V V

60 kHz

Frequency

15 kHz

Transmission scheme

OFDMA

SC-FDMA

15 kHz

Analysis bandwidth

Signal BW (NSC x 15 kHz)

Same as data symbol

Signal BW (NSC x 15 kHz) High PAR (Gaussian)

< data symbol (not meaningful)

Same as data symbol at 66.7 μs rate =15Kb/s

Not meaningful (Gaussian)

< data symbol (not meaningful)

Peak to average power ratio (PAPR) Observable IQ constellation

. Same as data symbol at NSC X 66.7 µs rate

140

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM

Comparing OFDMA and SC-FDMA

Multipath protection with short data symbols

The subcarriers of each SC-FDMA symbol are not the same across frequency as shown in earlier graphs but have their own fixed amplitude & phase for the SC-FDMA symbol duration. The sum of NSC time-invariant subcarriers represents the NSC time-varying data symbols.

60 kHz

Frequency

15 kHz

V V

fc fc

OFDMA Data symbols occupy 15 kHz for one OFDMA symbol period

SC-FDMA Data symbols occupy NSC*15 kHz for 1/NSC SC-FDMA symbol periods

141

It is the constant nature of the subcarriers throughout the SC-FDMA symbol that means when the CP is inserted, multipath protection is achieved despite the modulating data symbols being much shorter. Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy phát DFTS-OFDM

Phân bố PAPR đối với OFDM và DFTS- OFDM.

 Nhận xét:  PAPR của DFTS-OFDM thấp hơn nhiều so với OFDM.  PAPR của DFTS-OFDM phụ thuộc vào phương pháp điều chế nhiều hơn so vơi PAPR của OFDM (do tín hiệu OFDM phát là tổng của rất nhiều sóng mang con được điều chế độc lập => công suất tức thời có phân bố gần như hàm mũ không phụ thuộc vào phương pháp điều chế trên các sóng mang con khác nhau).

 Mặc dù PAPR mô tả định tính sự khác nhau về biến động công suất giữa các sơ đồ truyền dẫn, nhưng chưa phải là số đo tốt để đánh giá định lượng ảnh hưởng của sự biến động công suất lên độ lùi cần thiết của bộ khuếch đại công suất. Số đo tốt hơn là số đo thành phần lập phương CM, là số đo về đại lượng lùi cần thiết đối với một dạng sóng của tín hiệu cho trước so với lượng lùi cần thiết của dạng sóng tín hiệu chuẩn. Trên hình minh họa CM có cùng xu thế như PAPR. Tuy nhiên sự khác nhau về CM nhỏ hơn sự khác nhau về PAPR.

142

Đường liền nét: QPSK; Đường đứt nét: 16QAM.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  DFTS-OFDM với tạo dạng phổ

 Mục đích: Giảm hơn nữa sự biến thiên (PAPR) của tín hiệu DFTS-

OFDM

 Thực nhiện: Nhân các mẫu tần số (sau khi xử lý DFT lên các ký hiệu điều chế và định kỳ trải rộng trong miền tần số) với hàm tạo dạng phổ (điển hình là hàm cosin tăng căn bậc hai, PSD có dạng cosin tăng).

DFTS-OFDM với tạo dạng phổ miền tần số

143

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  DFTS-OFDM với tạo dạng phổ

Tạo dạng phổ bằng cách nhân các mẫu {Xn,k; n=0,1,..., Nsc-1} với với các mẫu của hàm tạo dạng phổ S(n):

 Nếu dùng bộ lọc RC có hệ số dốc (01) để tạo tín hiệu giới hạn băng tần

 Khi sử dụng bộ lọc thích hợp tại máy thu:

Sr(n) và St(n) là các hàm tạo dạng phổ tại phát/thu. Thường dùng bộ lọc RRC (Root Raised Cosine) để đảm bảo đáp ứng của toàn hệ thống có dạng cosin tăng. Vì thế Sr(n) và St(n) có dạng:

144

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  DFTS-OFDM với tạo dạng phổ

 Khi sử dụng bộ lọc RRC, thì đầu ra bộ DAC:

sm,k là ký hiệu miền thời gian m, V là số ký hiệu được sử dụng cho CP.

Hàm tạo dạng:

145

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  DFTS-OFDM với tạo dạng phổ

Phân bố PAPR và số đo thành phần lập phương đối với DFTS-OFDM có tạo dạng phổ

Nhận xét:

Tạo dạng phổ cho phép giảm hơn nữa sự biến đổi công suất của tín hiệu phát (tăng hiệu suất bộ khuếch đại công suất). Tuy nhiên, làm giảm hiệu suất sử dụng phổ tần (do phổ rộng hơn). VD: =0,22 (tăng băng thêm 22% so với không tạo dạng phổ) => tạo dạng phổ chỉ áp dụng cho trường hợp bị hạn chế công suất (giảm thay đổi công suất phát nhờ tạo dạng phổ => cho phép cải thiện cự ly đường lên).

146

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy thu DFTS-OFDM

Nguyên lý hoạt động: Về cơ bản xử lý tín hiệu ngược so với máy phát.  Trường hợp lý tưởng: Không xẩy ra hỏng tín hiệu do kênh vô tuyến, giải điều chế

DFTS-OFDM sẽ khôi phục lại hoàn hảo khối các ký hiệu được truyền.

 Trường hợp tán thời: do kênh phađinh chọn lọc tần số gây ra, tín hiệu DFTS-

OFDM sẽ bị hỏng bởi “tự nhiễu”.  Vì truyền dẫn tín hiệu đơn sóng mang băng rộng, trải phổ của DFTS-OFDM sẽ bị hỏng trong môi trường kênh tán thời => IDFT không thể khôi phục đúng khối ký hiệu phát gốc => cần sử dụng bộ cân bằng để bù trừ tính chọn lọc tần số của kênh.

 Máy thu DFTS-OFDM sử dụng FDE tuyến tính ít phức tạp hơn để bù trừ tính chọn lọc tần

số của kênh

 Sau FFT chỉ có Nsc sóng mang trong N mẫu tần số của tín hiệu thu được lấy ra và được đưa vào bộ cân bằng miền tần số (bộ lọc miền tần số nhiều nhánh lọc có các trọng số W0, W1,…, WNsc-1. Sau đó thực hiện IFFT kích thước Nsc. 147

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13. Truyền dẫn DFTS-OFDM  Máy thu DFTS-OFDM  Trọng số của nhánh lọc W0,…, Wi,…,WNsc-1 được xác định bởi đáp ứng xung kim của bộ lọc miền thời gian MMSE sau đó chuyển vào miền tần số bởi DFT.

 Bộ lọc MMSE miền thời gian rất phức tạp (đặc biệt đối với tín hiệu băng rộng cần nhiều nhánh trễ). Khi chèn CP cho phép loại bỏ ISI nên trọng số nhánh lọc được xác định theo mẫu của đáp ứng tần số Hi (hàm truyền đạt kênh) tại fi và N là công suất tạp âm:

 Lưu ý:

Bộ cân bằng miền tần số tuyến tính cho DFTS-OFDM

So với bộ cân bằng miền thời gian thì bộ cân bằng miền tần số (FDE) đơn giản hơn nhiều (đặc biệt khi độ dài bộ cân bằng lớn) là lý do mà bộ cân bằng miền tần số dược chọn cho DFTS-OFDM. 148

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.13 7.14 Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên SC-FDMA

 Sắp xếp ký hiệu thông tin lên sóng

mang con

 Xử lý tín hiệu số ký hiệu truyền dẫn

của SC-FDMA:  Ký hiệu IFDMA trong miền thời gian  Ký hiệu LFDMA trong miền thời gian

149

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

SC-FDMA tận dụng: (i) Điều chế đơn sóng mang; (ii) Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM; (iii) Cân bằng kênh miền tần số. Về cơ bản, SC- FDMA có cùng hiệu năng và cùng mức độ phức tạp như OFDMA.

Diễn giải kỹ thuật SC-FDMA

=> Hai phương pháp sắp xếp sóng mang con cho SC-FDMA: (i) Phương pháp sắp xếp sóng mang con phân tán, các kỹ hiệu dữ liệu chiếm tập sóng mang con được phân bố trên toàn bộ băng tần kênh => nhận được độ lợi phân tập tần số; (ii) Phương pháp sắp xếp sóng mang con tập chung, các kỹ hiệu dữ liệu chiếm tập sóng mang con liên tiếp nhau trên toàn bộ băng tần kênh => nhận được độ lợi phân tập đa người dùng ở dạng lập lịch phụ thuộc kênh. Hai phương pháp sắp xếp sóng mang con đều ảnh hưởng lên cấu trúc tín hiệu miền thời gian và đặc tính công suất đỉnh, chúng tạo ra tính mềm dẻo khai thác thích ứng theo các yêu cầu cụ thể của từng môi trường hoạt động.

Ưu điểm nổi bật của SC-FDMA so với OFDMA: Đặc tính công suất đỉnh tốt hơn (do cấu trúc đơn sóng mang) => được chọn cho truy nhập đường lên của LTE (hiệu suât công suất phát và chi phí thực hiện của MS).

150

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

Các ký hiệu SC-FDMA được phát lần lượt trên đơn sóng mang thay vì phát đồng thời trên nhiều sóng mang như ở OFDM/OFDMA. Người dùng được ghép/phân kênh trực giao trong miền tần số.

Minh họa cấu trúc máy thu SC-FDMA tại BS trên đường lên

151

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

 Đa truy nhập đường lên trong thông tin di động sử dụng DFTS-OFDM, được gọi là SC-FDMA (Single Carrier – FDMA: FDMA đơn sóng mang).  Đơn sóng mang SC xuất phát từ việc DFTS-OFDM truyền dẫn lần lượt các ký hiệu điều chế thông thường giống như trong hệ thống điều chế đơn sóng mang.

SC-FDMA trên cơ sở DFTS-OFDM

 Ấn định băng thông bằng nhau: có cùng Nsc,  Ấn định băng thông khác nhau: dịch các đầu ra của DFT đến các đầu vào

thích hợp của IFFT, định vị phổ tần phát được quy định theo lập biểu

152

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

Uplink SC-FDMA with Adaptive

Modulation and CDS

153

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

 Sắp xếp ký hiệu thông tin lên sóng mang con  Thông lượng SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp xếp ký hiệu thông tin

lên sóng mang con (giống như OFDMA).

 Hai cách phân bổ sóng mang con cho máy đầu cuối:  SC-FDMA khoanh vùng LFDMA (Localized SC-FDMA), hay còn được gọi là DFTS-OFDM khoanh vùng (Locallized DTFS-OFDM), mỗi đầu cuối sử dụng một tập sóng mang con liền kề (băng thông truyền dẫn LFDMA bằng một phần băng thông hệ thống).

 SC-FDMA phân bố (DFDMA: Distributed FDMA), còn gọi là DTFS-OFDM phân bố (Distributed DFTS-OFDM), sóng mang dành cho một đầu cuối được phân bố trên toàn bộ băng tần tín hiệu, điển hình là SC-FDMA đan xen (IFDMA: Interleaved SC- FDMA).

Phương pháp ấn định sóng mang con cho nhiều người sử dụng.

154

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Sắp xếp ký hiệu thông tin lên sóng mang con

LFDMA

IFDMA

SC-FDMA khoanh vùng LFDMA (Localized SC-FDMA) mỗi đầu cuối sử dụng một tập sóng mang con liền kề (băng thông truyền dẫn LFDMA bằng một phần băng thông hệ thống).

155

SC-FDMA phân bố (Distributed FDMA), sóng mang dành cho một đầu cuối được phân bố trên toàn bộ băng tần tín hiệu, điển hình là SC-FDMA đan xen (IFDMA: Interleaved SC-FDMA), các sóng mang con được chiếm dụng bởi một đầu cuối cách đều nhau và các sóng mang con giữa chúng để rỗng dành cho các đầu cuối khác. Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến Sắp xếp ký hiệu thông tin lên sóng mang con

 Khả năng cải thiện hiệu năng: đề kháng với lỗi truyền dẫn; phân

tập (phân tập tần số và phân tập người dùng).  DFDMA phân bố có khả năng đề kháng pha đinh chọn lọc tần số tốt hơn LFDMA khoanh vùng (vì thông tin được trải rộng trên toàn bộ băng tần tín hiệu => tạo khả năng phân tập tần số).

 LFDMA cho phép đạt được phân tập đa người sử dụng khi xẩy ra phađinh chọn lọc tần số nếu nó ấn định cho từng người sử dụng phần băng tần trong đó người sử dụng này có đặc trưng truyền dẫn tốt nhất (độ lợi kênh cao). Phân tập đa người sử dụng dựa trên việc phađinh độc lập đối với các máy phát khác nhau.

 Phương pháp sắp xếp: được chia thành tĩnh, và động  lập biểu phụ thuộc kênh CDS (ấn định các sóng mang con cho người sử dụng tùy thuộc vào đáp ứng kênh của người dùng).

 Giảm mức độ phức tạp sắp xếp: các sóng mang con được nhóm thành các chunk (khúc) và tất cả các sóng mang con trong cùng một chunk được ấn định đồng thời.

156

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Ký hiệu IFDMA trong miền thời gian

N=Q.Nsc;

Vậy, các ký hiệu xm,k (đầu ra IDFT) chỉ đơn giản là lặp lại Q lần của các ký hiệu đầu vào xp,k 0 nNsc-1 0 qQ-1;

Đặt: m=Nsc.q+p; => Các ký hiệu đầu ra IFFT:

với q=0

157

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Các ký hiệu LFDMA trong miền thời gian

Đặt m=Q.p+q; N=Q.Nsc;

0 qQ-1; 0

pNsc -1

=> Các ký hiệu đầu ra IFFT:

158

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Các ký hiệu LFDMA trong miền thời gian

 Xét hai trường hợp:  Trường hợp q=0

=> Trường hợp q=0, đầu ra LFDMA giống như đầu vào.

 Trường hợp q0 Vì:

159

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Các ký hiệu LFDMA trong miền thời gian

Sử dụng quy tắc tính tổng cấp số nhân sau:

Nhận xét: Chỉ tại các vị trí m là bội số của Nsc thì tín hiệu LFDMA mới là bản sao chính xác của của các ký hiệu đầu vào trong miền thời gian. Tại các vị trí khác, giá trị của tín hiệu này là tổng của tất cả các ký hiệu đầu vào trong khối vào với các hệ số phức khác nhau. Điều này dẫn đến tăng PAPR.

160

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Các ký hiệu IFDMA và LFDMA trong miền tần số

Minh họa các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA trong miền tần số: NSC =4, Q=4, N=16

161

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến  Xử lý tín hiệu số các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA  Các ký hiệu IFDMA và LFDMA trong miền thời gian

Minh họa các ký hiệu truyền dẫn của SC-FDMA trong miền thời gian: NSC =4, Q=4, N=16 Lưu ý: (i) SC-FDMA chỉ sử dụng cho đường lên, mỗi người sử dụng dùng riêng một bộ khuếch đại công suất; (ii) SC-FDMA không sử dụng cho đường xuống (BS sử dụng chung một bộ khuếch đại và việc chuyển đổi chuỗi số liệu của nhiều người sử dụng được mã hóa FFT trước vào miền thời gian bằng một IFFT sẽ làm cho tín hiệu SC-FDMA có PAPR cao).

162

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

UL Physical Channel Processing

Kiến trúc giao thức của 3GPP LTE

SC-FDMA Modulation in LTE UL

163

M=NSC

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

M=NSC

Block diagram of a single carrier code-frequency division multiple access (SC-CFDMA) system

164

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

Similarities and dissimilarities among SC-FDMA, OFDMA, and DS-CDMA/FDE

165

Nguyễn Viết Đảm

7.14. Sử dụng DFTS-OFDM cho đa truy nhập đường lên, SC-FDMA Đa truy nhập vô tuyến

M=NSC

Basic uplink physical channel processing SC-FDMA modulation using DFT and IDFT

Generic SC-FDMA transmitter

166

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.15 So sánh dung lượng đường lên

 Dung lượng WCDMA  Dung lượng TDMA  Dung lượng OFDMA  Dung lượng SC-FDMA  So sánh các kết quả dung lượng

167

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

Mục đích: So sánh dung lượng kênh của các sơ đồ đa truy nhập trực

giao và không trực giao ở đường lên

Giả thiết: (1) Sử dụng các mô hình đơn giản; (2) Sơ đồ đa truy nhập: OFDMA; SC-FDMA; TDMA là các sơ đồ trực giao; (3) Sơ đồ W_CDMA là sơ đồ không trực giao.

 Dung lượng W_CDMA

Trên đường lên các người sử dụng phát đồng thời => gây nhiễu cho nhau (truyền dẫn không đồng bộ của đường lên)

K là số sử dụng phát đồng thời; P là công suất thu của từng người dùng; f là tỷ số tín hiệu từ các ô khác lên tín

hiệu nội ô;

 là tỷ phần nhiễu tín hiệu của chính

người sử dụng; N0 là tạp âm AWGN

168

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

Nhận xét:  Khi K=1 thể hiện dung lượng một người dùng phát tại một thời điểm (phương pháp TDMA).

pháp

lai

 Để được dung lượng tối đa => Lập biểu cho người dùng có tín hiệu tốt theo kiểu TDMA và người dùng có tín hiệu yếu theo kiểu WCDMA (phương ghép WCDMA/TDMA) => đạt được độ lợi lớn so với WCDMA thuần túy trong các băng hẹp.

 SNR của mỗi người dùng được định nghĩa:  SNR=P/N0 (nghĩa là không có nhiễu ngoài ô lẫn

nhiễu nội ô).

 SNR = 10,0 dB và 0,0 dB thể hiện người dùng có

tín hiệu mạnh và yếu.

 Với các băng thông rộng, phương pháp TDMA bị hạn chế về quỹ đường truyền (một người dùng phát theo kiểu TDM trên băng thông rộng khó có khả năng sử dụng hiệu quả toàn bộ băng thông do hạn chế công suất phát).

169

Dung lượng WCDMA phụ thuộc vào số người sử dụng trong ô (một ô độc lập)

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

 Dung lượng TDMA

Dung lượng của hệ thống TDMA được xấp xỉ hóa theo dung lượng hệ thống WCDMA bằng cách đặt K=1

Phân bổ tài nguyên khe thời gian cho người dùng, không có nhiễu nội ô (nhiễu đa truy nhập). Băng thông hệ thống rộng => vùng phủ sóng bị hạn chế (cố định công suất phát, tăng băng thông => gảm mật độ phổ công suất). => Xét vấn đề phủ sóng đường lên của TDMA. N=kTB= N0B,

k=1,38,1-23 W/(Hz.K) là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ đo bằng Kelvin và B là băng thông đo bằng Hz, N0=kT là mật độ phổ công suất tạp âm. Tại nhiệt độ phòng T=290K, mật độ phổ công suất tạp âm N0=-174 dBm/Hz

170

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

 Dung lượng TDMA

 Nếu công suất phát/ thu là Pt & Pr Watt, thì tổng suy hao cho phép

để đảm bảo SNR=  = Pr /N0B tại máy thu là:

 Nếu sử dụng mô hình truyền sóng COS231 với chiều cao anten BTS 32 m, chiều cao anten MS 1,5 m và tần số sóng mang là 1,9 MHz. Thì khoảng cách cho phép giữa mát phát/thu:

171

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

 Dung lượng TDMA

Cự ly thông tin phụ thuộc vào băng thông hệ thống tại = 0 dB; 10,0 dB; 20 dB và Pt=24dBm (công suất cực đại cho phép của MS trong hầu hết các tiêu chuẩn thông tin di động)

 Nhận xét: (i) Cự ly thông tin giảm khi băng thông tăng đối với công suất phát cố định, VD tại ngưỡng SNR= = 20dB, khi băng thông tăng từ 1 đến 20 MHz, cự ly thông tin giảm từ 300 m xuống còn 125 m; (ii) Do vấn đề vùng phủ sóng của TDMA bị phụ thuộc rất nhiều vào độ rộng băng thông, nên tại băng thông lớn phương pháp TDMA đã bị loại ngay từ giai đoạn đầu thiết kế các hệ thống sau 3G vì các hệ thống này đòi hỏi hỗ trợ băng thông lên đến 20 MHz  Lưu ý: Trong phân tích này không xét nhiễu giữa các ô, Khi có nhiễu giữa các ô, cự ly thông tin sẽ bị hạn chế hơn nữa; vùng phủ sóng tỷ lệ với bình phương cự ly thông tin => giảm cự ly sẽ làm giảm nghiêm trọng vùng phủ sóng.

172

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến  Dung lượng OFDMA

i là tỷ phần băng thông được phân bổ cho người dùng i.

 Nếu tính đến thời gian bảo vệ CP, dung lượng

 Nếu băng thông được chia đều cho K người sử dụng phát đồng thời

hệ thống OFDMA :

 Nhận xét:  Không như TDMA, OFDMA cho phép chia sẻ tài nguyên giữa các người dùng bằng cách phân bổ một phần băng thông hệ thống cho mỗi người dùng => nhiều người dùng đồng thời phát trên các sóng mang con trực giao. Tính trực giao giữa các người dùng được đảm bảo khi trễ truyền dẫn tương đối giữa các người sử dụng nằm trong khoảng thời gian CP.

 Do các người dùng chiếm dụng các sóng mang con trực giao và cân bằng sóng mang con

OFDMA một nhánh => không có nhiễu giữa các ký hiệu.

 Với WCDMA đồng bộ, cần phải đồng bộ hóa ở mức khắt khe tại một phần nhỏ của chip.

173

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến  Dung lượng SC-FDMA

Trong đó LSC-FDMA thể hiện tổn thất đường truyền SC-FDMA theo dB so với OFDMA. Tổn thất này xẩy ra tại SINR cao hơn khi sử dụng cân bằng miền tần số. Cấn lưu ý rằng một phần hay toàn bộ tổn thất này có thể được loại bỏ nếu sử dụng các máy thu tiên tiến hơn tại BS với trả giá bằng độ phức tạp

 Nhật xét:

 Giống như OFDMA: SC-FDMA: (i) tránh được nhiễu nội ô trên đường lên; (ii) nhận được

lợi ích từ phân tập tần số (được phát trên toàn bộ băng thông phân bổ cho MS);

 Khác với OFDMA: SC-FDMA bị ảnh hưởng bởi kênh pha đinh chọn lọc tần số => tăng tạp

âm (do IFFT sau bộ FDE, tán rộng tạp âm lên tất cả các ký hiệu điều chế)

 Lưu ý:

 Tăng tạp âm =>ISI chứ không phải nhiễu giữa các người sử dụng (không có nhiễu nội ô

giữa các người sử dụng phát đồng thời trên các tài nguyên tần số trực giao).

 Tổn thất hiệu năng của SC-FDMA so với OFDMA đã được ước tính cho các trường hợp được hưởng lợi từ phân tập tần số: (1) không hưởng lợi và hưởng lợi nhỏ đối với điều chế QPSK tại SINR nhỏ; (2) hưởng lợi khoảng 1dB đối với điều chế 16-QAM và 64-QAM tại SINR lớn.

174

Nguyễn Viết Đảm

7.15. So sánh dung lượng đường lên Đa truy nhập vô tuyến

So sánh các kết quả dung lượng  Mục đích:

Khảo sát, so sánh hiệu năng dung lượng của các sơ đồ đa truy nhập OFDMA, SC-FDMA, WCDMA theo số người dùng đồng thời K tại SINR=P/N0= [0,0; 10,0] dB và ảnh hưởng nhiễu nội ô (nhiễu đa người dùng).

 Lưu ý:

SINR=P/N0 của một người sử dụng khi không có nhiễu (kênh pha đinh phẳng => không có ISI)  LSC-FDMA= 0,0 dB (không có tổn hao SC-FDMA so với OFDMA)

Coi SC-FDMA và OFDMA là các sơ đồ trực giao  f = 0 biểu thị không có nhiễu giữa các ô TDMA là trường hợp đặc biệt khi số người sử dụng phát K=1. P/N0= 0,0 dB thể hiện người dùng có tín hiệu yếu; P/N0=10 dB thể hiện người dùng có tín hiệu khá tốt (trường hợp ở gần BS)

175

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

P/N0=10,0 dB.

P/N0=0,0 dB. Giới hạn dung lượng của OFDMA, SC- FDMA, WCDMA đối với trường hợp đơn ô (f=0)

 Hiệu năng của sơ đồ không trực giao tại SINR lớn (P/N0 = 10,0 dB) giảm khi số người sử dụng tăng. Bởi lẽ khi tăng số người sử dụng dẫn đến tăng nhiễu nội ô. => khi SINR cao, tốt hơn là để một người sử dụng duy nhất phát (TDMA với K=1 hiệu suất hơn).

 Nhận xét:  Độ lợi của truy nhập trực giao so với không trực giao khi người sử dụng có SINR lớn. Vì hiệu năng của người dùng có SINR cao chủ yếu được quyết định bởi nhiễu nội ô (nhiễu giữa các người dùng) và khả năng khử nhiễu nội Ô của truy nhập trực giao. Tuy nhiên, hiệu năng của người dùng có tín hiệu yếu chủ yếu được quyết định bởi nhiễu giữa các ô và tạp âm trong khi đó việc khử nhiễu nội ô do truy nhập trực giao chỉ đóng góp một lợi ích nhỏ.

 Sơ đồ trực giao cho phép cải thiện bốn lần so với WCDMA khi K= 10 tại SINR tốt  Hiệu năng của OFDMA và SC-FDMA với K=1 tương tự như hiệu năng TDMA. Tuy nhiên lợi ích của OFDMA và SC- FDMA là nhiều người sử dụng có thể phát đồng => tổng công suất phát trong hệ thống cao hơn. Vì thế các sơ đồ này có thể đạt được dung lượng cao hơn trường hợp TDMA đối với K>1.

 Với f>0, độ lợi của truy nhập trực giao tốt hơn khi f nhỏ.  Khi f tăng, hiệu năng được quyết định chủ yếu bới nhiễu từ ô khác chứ không phải nhiễu nội ô => khi nhiễu giữa các ô

lớn, độ lợi của truy nhập trực giao so với truy nhập không trực giao bị giảm.

176

 Lợi thế nổi trội của OFDM & SC-FDMA so với WCDMA là vấn đề ISI và pha đinh chọn lọc tần số.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16 Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA

 Đồng bộ thời gian

 Vi phạm điều kiện tiền tố chu trình (CP)  Ảnh hưởng của hiệu năng ước tính kênh

 Đồng bộ tần số

177

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA

 Đồng bộ thời gian (1/3) Đặc điểm: Do sử dụng CP trong OFDM => Ảnh hưởng của lỗi định thời trong đồng bộ ký hiệu không quá nghiêm trọng (phía thu chỉ sử dụng có N mẫu miền thời gian sau khử CP). Yêu cầu: Trước khi thực hiện đánh giá kênh, cân bằng và giải điều chế, cần phải định thời

chính xác ký hiệu điều chế.

Đồng bộ chính xác khối dữ liệu phát/thu: Khi khối số liệu được chọn cho bộ xử lý FFT

chính xác với khối IFFT được phát.

Ảnh hưởng nghiêm trong nhất của mất đồng bộ là: (i) Vi phạm điều kiện tiền CP; (ii) Tạp

+ Khi khi <0 lấy mẫu

muộn hơn thời điểm lấy mẫu lý tưởng:

+ Khi khi >0  lấy mẫu sớm hơn thời điểm lấy mẫu lý tưởng.

Ảnh hưởng của định thời sớm và muộn

âm bổ sung N0; (iii) Thời gian đánh giá kênh bị thu ngắn; (iv) ISI và ICI bổ sung.

 Vi phạm điều kiện CP

Để tránh ICI => CP phải đủ dài (điều kiện CP)

178

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA  Đồng bộ thời gian (2/3)  Vi phạm điều kiện tiền tố chu trình (CP)

Điều kiện tiền tố chu trình (CP): CP đủ dài để tránh ICI => phải xét đến độ dài CP khi đặc tả sai số đồng bộ (định thời) .

 Sai số định thời đồng bộ  và hiệu năng (bộ đánh giá kênh và DFE):

 Nếu đảm bảo điều kiện 0 TCP-Tmax, => không làm suy thoái hiệu năng.  Nếu không đảm bảo điều kiện 0 TCP-Tmax => Máy thu bị: (i) tổn thất một phần năng lượng (do chỉ nhận được các phiên bản đến trễ của x0,k, x1,k đến sớm); (ii) nhiễu của ký hiệu trước đó cũng lọt vào cửa sổ thu => Tổn thất tạp âm trong được đánh giá gần đúng như sau:

Dự trữ đồng bộ định thời

 là sai số định thời; N là số sóng mang con; Ts là thời gian lấy mẫu; TCP là thời gian CP; Tmax là trải trễ cực đại của kênh

 Nhận xét: • Tổn thất SNR giảm tỷ lệ bình phương với  • Ký hiệu càng dài khả năng đề kháng dịch thời càng cao (nhiều sóng mang hơn sẽ tốt hơn) • Do thông thường < sai lỗi dịch thời không quá nghiêm trọng chừng nào còn hiệu

chỉnh được dịch pha.

=> Để giảm thiểu tổn thất SNR do đồng bộ định thời không hoàn hảo, cần đảm bảo sai lỗi định

thời nho so với thời gian bảo vệ CP và cần có một lượng dự trữ CP nhỏ.

179

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA

Đồng bộ thời gian (3/3)

 Ảnh hưởng của hiệu năng ước tính kênh

Đồng bộ muộn dẫn đến một phần của đáp ứng kênh rơi ra ngoài cửa số ước tính => Tạp âm bổ sung do sai số ước tính được xác định: Trong đó Nsc là số sóng mang con số liệu, hi là mẫu đáp ứng kênh bên ngoài cửa sổ.

180

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA  Đồng bộ tần số

 Hiệu suất phổ tần của OFDMA cao nhưng rất nhạy cảm với dịch tần số. Hiệu suất phổ tần

OFDMA càng cao thì càng nhạy cảm với dịch tần số.

 Nguyên nhân gây ra dịch tần số: (i) Dịch tần Doppler; (ii) Không đồng bộ giữa bộ dao động

nội phát/thu:

 Dạng phổ sóng mang của OFDM băng gốc:

 Lưu ý:  Vì Sinc(x) là đáp ứng tần số của hàm xung chữ nhật nên các sóng sin tồn tại trong từng ký hiệu OFDM bị cắt ngắn trong thời gian ký hiệu TFFT và phổ của chúng có độ rộng búp chính là 2/TFFT và cắt không tại các bội số của 1/TFFF. Vì thế có thể đặt N sóng mang con trong băng thông N/TFFF và cắt bỏ các phần bên ngoài.

Minh họa phổ của 8 sóng mang con được điều chế bởi tần số sóng mang fc=10MHz và 1/TFFT=Df=1MHz.

 Khi điều chế RF tại tần số fc => phổ của tín hiệu OFDM được dịch một lượng fc: (i) Nếu dịch tần =0 => không có nhiễu giữa các sóng mang con ICI; (ii) Nếu dịch tần 0 => làm mất tính trực giao của tín hiệu thu và các mẫu thu của FFT sẽ chứa nhiễu từ các sóng mang con lân cận.

181

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA

Ảnh hưởng của nhiễu giữa các sóng mang lên hiệu năng OFDM.  Sóng mang con băng gốc i và bị gây nhiễu bởi sóng mang con m:

Trong dó 1/(NTs )=1/TFFT=Df , Ts là tần số lấy mẫu và NTs=TFFT là độ dài phần số liệu của ký hiệu OFDM.

 Giải điều chế tín hiệu với một phần dịch tần : ||1/2 thì:

 Sử dụng bộ lọc phối hợp và FFT, biểu diễn ICI giữa sóng mang con i

và i+m:

khi =0. Im=0 và khi m=0, Im=0 như dự kiến

182

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.16. Vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số trong OFDMA  Tổng năng lượng ICI trên một ký hiệu và tổn thất SNR do dịch tần:

Lưu ý: (i) Lấy gần đúng vì giả thiết số sóng mang con gây nhiễu là vô hạn; (ii) Vì nhiễu giảm nhanh cùng với m, biểu thức này rất chính xác đối với các sóng mang con nằm ở giữa băng và ít chính xác hơn khoảng hai lần tại các sóng mang con ở biên băng.

Sự phụ thuộc của tổn thất SNR vào dịch tần d tương đối so với khoảng cách sóng mang.

 Nhận xét:  Tổn thất SNR tăng tỷ lệ bình phương với dịch tần  Tổn thất SNR tăng tỷ lệ bình phương với số sóng mang con  Tổn thất SNR tăng tỷ lệ với chính SNR  Để duy trì tổn thất nhỏ (chẳng hạn 0,1 dB), dịch tần tương đối phải vào khoảng 1 đến 2 phần trăm khoảng cách giữa các sóng mang con hoặc thậm chí thấp hơn  Cần cân nhắc việc giảm CP bằng cách tăng số sóng mang con, vì nó dẫn đến tăng

tổn thất SNR do dịch tần.

183

C0 là hằng số; Ex là năng lượng trung bình của ký hiệu.

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17 Ứng dụng OFDMA và SC- FDMA trong hê thống thông tin di động sau 3G

184

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

Các thông số lớp vật lý LTE trên cơ sở OFDMA và SC-FDMA cho băng thông 20 MHz

Thông số

Giá trị

Mô tả

Thời gian khung

10 ms

Thời gian khung con

1ms

Thời gian khe

0,5 ms

= 83,84 MHz, là bội số của

30,72 MHz

Tần số lấy mẫu (fs)

tốc độ chip 3G UMTS

0,033 s

Thời gian lấy mẫu (Ts) Kích thước FFT (N)

2048

Khoảng cách sóng mang con

15 KHz

66,67 s

Thời gian hiệu dụng ký hiệu OFDM (TFFT)*

Thời gian CP bình

5,2 s cho ký hiệu đầu tiên trong khe 4,69 s cho các ký

thường

Thời gian CP (TCP)

hiệu khác 16,69 s cho tất cả các ký

Thời gian CP mở rộng

hiệu

7 (CP bình thường)

Số ký hiệu trên một khe

6 (CP mở rộng)

Số sóng mang con trên một khối vô

185

12 Nguyễn Viết Đảm

tuyến (RB: Radio Block)

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

Length of CP

LTE Bandwidth/Resource Configuration

186

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

Tf=307200. Ts Cấu trúc khung của LTE trong miền thời gian.

 LTE Frame Structure  Two radio frame structures defined.

– Frame structure type 1 (FS1): FDD. – Frame structure type 2 (FS2): TDD.  A radio frame has duration of 10 ms.  A resource block (RB) spans 12 subcarriers over a slot duration of 0.5 ms.

One subcarrier has andwidth of 15 kHz, thus 180 kHz per RB.

187

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G LTE Frame Structure Type 1 LTE Frame Structure Type 2

188

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

Cấu trúc khung cho truyền dẫn FDD (cấu trúc khung kiểu 1)

Cấu trúc khung cho truyền dẫn TDD (cấu trúc khung kiểu 2)

189

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

190

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

191

TCP=160.Ts5,2s (khối DFT thứ nhất), 144.Ts4,7s (các khối DFT còn lại),TCP-e=512Ts16,69s (Tcp-e ký hiệu cho thời gian CP mở rộng). Cấu trúc khe đặc biệt Df=7,5MHz không được đưa ra trong bảng 7.3. Khung con LTE và cấu trúc khe: Một khung con bao gồm hai khe độ dài bằng nhau. Mỗi khe bao gồm sáu hoặc bảy khối OFDM (đường xuống) hoặc DFTS-OFDM (đường lên) cho trường hợp CP bình thường và CP mở rộng. Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

M=NSC

Điều chế SC-FDMA sử dụng DFT và IDFT

Cấu trúc lưới tài nguyên thời - tần số 192

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

LTE Resource Grid

193

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

LTE Resource Grid

194

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

M=NSC

LTE Bandwidth Configuration

195

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

196

Cấu trúc tài nguyên truyền dẫn không gian thời gian của LTE trong một lớp cho trường hợp CP bình thường

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.17. Ứng dụng OFDMA và SC-FDMA trong TTDĐ sau 3G

Một khối tài nguyên vô tuyến (RB: Radio Block) gồm 12 sóng mang con với băng thông sóng mang con f=1/TFFT=15kHz

 Kích thước FFT và tần số lấy mẫu thực sự cho lớp vật lý của LTE hiện vẫn chưa đươc đặc tả.  Các thông số nêu trên được thiết kế để tương thích với tần số lấy mẫu 30,72 MHz. Vì thế đơn vị thời gian gốc thời gian lấy mẫu sẽ là : Ts=1/(30,72.106)  0,033 s. Các chu kỳ thời gian khác sẽ được tính bằng bội số của đơn vị thời gian gốc này. Tần số lấy mẫu được chọn là bội số của tốc độ chip UMTS bằng 3,84 MHz để có thể tương thích ngược với hệ thống UMTS.

 Trường hợp băng thông hệ thống 20 MHz, sử dụng kích thước FFT bằng 2048 để thực hiện hiệu quả. Tuy nhiên, thực tế có thể tự do sử dụng kích thước FFT. Có thể sử dụng tần số lấy mẫu thấp hơn (tỷ lệ với kích thước FFT nhỏ hơn) để giảm mức độ phức tạp xử lý băng gốc và phần vô tuyến đối với các ứng dụng băng thông hẹp hơn. VD với băng thông hệ thống 5MHz, kích thước FFT là 512 và tần số lấy mẫu fs= 7,68 MHz (23,84MHz).

 Để đơn giản hóa việc thực hiện đầu cuối, sóng mang dòng một chiều DC không sử dung, để tránh sai lỗi dịch DC trong các máy thu biến đổi trực tiếp. Ngoài ra một số sóng mang con ở hai biên băng tần cũng không được sử dụng để tránh méo tần số do bộ lọc Nyquist.

197

Cấu trúc miền tần số của LTE:

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18 Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

198

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18. Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

 Nguyên lý chung của điều chế OFDM. OFDM là một hệ thống đa sóng mang trong đó luồng số liệu cần truyền được chia nhỏ và được truyền trên các sóng mang con trực giao với nhau. So với hệ thống FDMA, OFDM cho phép nén phổ xuống 50%. Các vi mạch xử lý tín hiệu như IFFT và FFT cho phép đơn giản hóa quá trình tạo các sóng mang con trong các hệ thống truyền dẫn OFDM.

 Các phần tử cơ bản của máy thu và máy phát OFDM trong hệ thống truyền dẫn OFDM. Hai phần tử đặc thù của máy phát và máy thu là bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và bộ biến đổi Fourier (FFT). Phađinh nhiều đường trong hệ thống truyền dẫn OFDM dẫn đến nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI). Vì thế ta không thể đặt băng thông sóng mang con tùy ý. Băng thông sóng mang con một mặt phải không nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán để chống ICI, mặt khác phải lớn hơn đại lượng nghịch đảo của RDS để chống phađinh chọn lọc tần số gây ra do trải trễ (hay RDS).

 Các thuộc tính và các thông số của OFDM. Quan hệ giữa các thông số điều chế OFDM

cũng được phân tích để làm tiền đề cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn OFDM.

 Truyền dẫn DFTS-OFDM là dạng cải tiến của OFDM. Nó cho phép giảm PAPR và được áp dụng cho đa truy nhập đường lên SC-FDMA trong các hệ thống thông tin di động 4G-LTE. Phân tích và so sánh dung lượng của các hệ thống OFDMA/SC-FDMA so với các hệ thống WCDMA và TDMA.

 Ứng dụng của OFDMA/SC-FDMA trong hệ thống thông tin di động sau 3G: 4G-LTE,

WiMax.

199

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18. Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

1. Trình bày nguyên lý chung của OFDM 2. Trình bày nguyên lý tạo các sóng mang con 3. Trình bày phương pháp lựa chọn băng thông sóng mang con 4. Trình bày phương pháp lựa chọn thời gian bảo vệ 5. Giải thích lý do tạo lập cửa số 6. Trình bày nguyên nhân gây ra ISI và ICI trong hệ thống truyền dẫn OFDM 7. Trình bày hoạt động của sơ đồ OFDM 8. Trình bày ứng dụng OFDM trong OFDMA 9. Trình bày hoạt động của sơ đồ DFTS-OFDM 10.Trình bày ứng dụng DFTS-OFDM trong SC-OFDMA 11.So sánh dung lượng đường xuống giữa các hệ thống OFDMA, WCDMA và TDMA 12.So sanh dung lượng đường lên giữa các hệ thống OFDMA, SC-FDMA, WCDMA

và TDMA

13.Trình bày ảnh hưởng của không đồng bộ thời gian và tần số lên hiệu năng của hệ

thống OFDMA

14.Trình bày các thông số thời gian và tần số của LTE sử dụng OFDMA và SC-FDMA

200

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18. Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

190

110

410

 (ns) (dB)

-19,2

-9,7

-22,8

15. Cho một đường truyền có lý lịch trễ công suất sau:

Tính trễ trội trung bình.

(a) 20ns; (b) 45,9ns; (c) 51,5ns ; (d) 60ns

16. (tiếp) Tính moment bậc hai của lý lịch trễ công suất.

(a) 1000 ns2; (b) 1530ns2; (c) 2314,5ns2; (d) 2500ns2

17. (tiếp) Tính trải trễ trung bình quân phương.

(a) 15ns; (b) 25ns; 30,6ns; (d) 46ns

18. (tiếp) Tìm băng thông con cực tiểu cho OFDM

(a) 200 kHz; (b) 300kHz; (c) 350kHz; (d) 434,78kHz

19. (tiếp) Tìm số sóng mang con cực đại cho một hệ thống OFDM có băng thông 10

MHz (a) 10; (b) 18; (c) 23; (d)30

201

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18. Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

20. Một hệ thống OFDM WLAN (802.11a) được thiết kế trên cơ sở lựa chọn các thông số như sau: TCP= 4RDS, gian ký hiệu OFDM T=5TCP. Hệ thống sử dụng điều chế 16-QAM với tỷ lệ mã hóa 1/2 cần đảm bảo tốc độ truyền dẫn 24Mbps với tổng độ rộng băng tần Bt=20MHz và thông số kênh RDS bằng 200ns. Tính thời gian bảo vệ cần thiết (TCP).

(a) 400ns ; (b) 500ns; (c) 800ns

21. (tiếp). Tính thời gian ký hiệu OFDM (T). (a) 1,5 s; (b) 3s; (c) 4s; (d) 4,5s

22. (tiếp). Tính tốc độ ký hiệu OFDM (Rs).

(a) 200 ksps; (b) 250ksps; (d)300 ksps; (d) 350 ksps

23. (tiếp). Tính thời gian hiệu dụng ký hiệu (TFFT).

(a) 3s; (b) 3,2s; (c) 3,5s; (d) 4s

24. (tiếp). Tính băng thông con (khoảng cách giữa hai sóng mang con)

(a) 310 kHz; (b) 312,5 kHz; (c) 324,5kHz

25. (tiếp). Tính số bit thông tin trên một ký hiệu OFDM

(a) 76; (b) 86; (c) 96; (d) 106

202

Nguyễn Viết Đảm

Đa truy nhập vô tuyến

7.18. Tổng kết: Câu hỏi-Bài tập

26. (tiếp). Tính tính số bit thông tin trên một sóng mang con.

(a) 1; (b)2; (c)3; (d)4

27. (tiếp). Tính số sóng mang con nếu cần thêm bốn sóng mang con cho hoa tiêu

(a) 48; (b) 50; (c) 52; (d) 56

28. (tiếp). Tính tổng băng thông được sử dụng

(a) 15,25 MHz; (b) 16,25MHz; (d) 17,25 MHz

29. (tiếp) . Tính khoảng băng bảo vệ.

(a) 3,5 MHz; (b) 3,75MHz; (c) 4MHz; (d) 4,25MHz.

30. Nếu hệ thống WLAN 802.11a trong bài 17 sử dụng điều chế 64 QAM với tỷ lệ mã

hóa 3/4 thì tốc độ truyền tin sẽ bằng bao nhiêu. (a) 44Mbps; (b) 47Mbps; (c) 54Mbps; (d)64Mbps

31. Một hệ thống LTE băng thông 20 MHz sử dụng điều chế 64 QAM đường xuống, tỷ lệ mã hóa kênh 1/2 tính tổng thông lượng Rtb cho trường hợp N=2048 sóng mang con và CP bình thường, trong đó TFFT=66,67s và TCP=4,12s .

32. Tính tổn tất thông lượng do sử dụng TCP theo dữ liệu đưa ra trong bài 31 33. Áp dụng bài 31 cho trường hợp CP mở rộng, trong đó TFFT=66,7s và TCP=16,7s 34. Tính tổn thất thông lượng khi sử dụng CP mở rộng thay cho CP bình thường 35. Áp dụng bài 31 khi N=1200 sóng mang con và tỷ lệ mã hóa kênh bằng 1

203

Nguyễn Viết Đảm

Thực hiện IDFT/DFT (IFFT/FFT) trên Matlab Đa truy nhập vô tuyến

Fast Fourier transform

fft

Syntax

 Y = fft(x) returns the discrete Fourier transform (DFT) of vector x, computed with a fast Fourier transform (FFT) algorithm. Y = fft(x) Y = fft(X,n) Y = fft(X,[],dim) Y = fft(X,n,dim)

Definitions

 If the input X is a matrix, Y = fft(X) returns the Fourier transform of each column of the matrix.  If the input X is a multidimensional array, fft operates on the first nonsingleton dimension. The functions Y = fft(x) and y = ifft(X) implement the transform and inverse transform pair given for vectors of length N by:

 Y = fft(X,n) returns the n-point DFT. fft(X) is equivalent to fft(X, n) where n is the size of X in the first nonsingleton dimension.

 If the length of X is less than n, X is padded with

trailing zeros to length n.

 If the length of X is greater than n, the sequence X is truncated. When X is a matrix, the length of the columns are adjusted in the same manner.

 Y = fft(X,[],dim) and Y = fft(X,n,dim) applies the FFT

204

operation across the dimension dim.