CH NG 1ƯƠ
ĐA TRUY NH P PHÂN CHIA THEO T N SẬ Ầ Ố
Đ N SÓNG MANG (SC-FDMA)Ơ
Trong ch ng này, ph n 1.2 s trình bày v hai k thu t x lý tín hi u trong mi nươ ầ ẽ ề ỹ ậ ử ệ ề
t n s là ghép kênh phân chia theo t n s tr c giao (OFDM) và truy n d n đ n sóngầ ố ầ ố ự ề ẫ ơ
mang v i cân b ng trong mi n t n s (SC/FDE). Ph n 1.3 s trình bày chi ti t v côngớ ằ ề ầ ố ầ ẽ ế ề
ngh SC-FDMA, đ ng th i so sánh u đi m n i tr i c a nó so v i OFDMA đ gi iệ ồ ờ ư ể ổ ộ ủ ớ ể ả
thích vì sao SC-FDMA đ c ch n là công ngh đa truy nh p đ ng lên trong các hượ ọ ệ ậ ở ườ ệ
th ng 3GPP LTE.ố
1.2. K thu t phân chia theo t n s trong các h th ng không dây băngỹ ậ ầ ố ệ ố
r ngộ
1.2.1. Ghép kênh phân chia theo t n s tr c giaoầ ố ự
OFDMA là m t h th ng đa sóng mang có s đ n t ng quát đ c ch ra trong hìnhộ ệ ố ơ ồ ổ ượ ỉ
1.1. Nó ghép d li u trên nhi u sóng mang và phát chúng song song v i nhau. OFDM sữ ệ ề ớ ử
Nối tiếp – Song song
x
x
x +
Kh i d li u ố ữ ệ
đ u vàoầ
Ký hi u đ u raệ ầ
0
2j f t
e
π
−
1
2j f t
e
π
−
1
2
N
j f t
e
π
−
−
Hình 1.1: H th ng đi u ch đa sóng mang t ng quátệ ố ề ế ổ
d ng các sóng mang con tr c giao và ch ng l n lên nhau trong mi n t n s . Hình 1.2 choụ ự ồ ấ ề ầ ố
th y ph c a 5 tín hi u tr c giao v i đ phân bi t t n s nh nh t. M i tín hi u làấ ổ ủ ệ ự ớ ộ ệ ầ ố ỏ ấ ỗ ệ
không đ i trên m t chu kỳ ký hi u và ph c a nó có d ng ổ ộ ệ ổ ủ ạ
( )
sin x x
. Do s d ng cácử ụ
sóng mang con tr c giao và ch ng l n lên nhau nên hi u su t s d ng ph là r t cao khiự ồ ấ ệ ấ ử ụ ổ ấ
so sánh v i các h th ng ghép kênh phân chia theo t n s (FDM) thông th ng mà đòiớ ệ ố ầ ố ườ
h i thêm các kho ng băng b o v gi a các băng t n con.ỏ ả ả ệ ữ ầ
1.2.1.1. Quá trình x lý tín hi uử ệ
Ý t ng c b n c a OFDM là chia lu ng tín hi u s t c đ cao thành nhi u tínưở ơ ả ủ ồ ệ ố ố ộ ề
hi u có t c đ th p h n và phát m i tín hi u có t c đ th p h n này trên m t băng t nệ ố ộ ấ ơ ỗ ệ ố ộ ấ ơ ộ ầ
riêng bi t. Các tín hi u có t c đ ch m h n đ c ghép kênh theo t n s đ t o m tệ ệ ố ộ ậ ơ ượ ầ ố ể ạ ộ
d ng sóng, N u có các tín hi u băng h p có t c đ đ th p thì kho ng th i gian ký hi uạ ế ệ ẹ ố ộ ủ ấ ả ờ ệ
s đ dài đ tri t b nhi u xuyên ký hi u. M c dù fading nhanh là fading ch n l c t nẽ ủ ể ệ ỏ ễ ệ ặ ọ ọ ầ
s x y ra trên toàn b băng t n tín hi u OFDM nh ng khi xét trong m i d i băng h pố ả ộ ầ ệ ư ỗ ả ẹ
c a các tín hi u có t c đ th p thì có th coi fading là ph ng nh trong hình 1.3.ủ ệ ố ộ ấ ể ẳ ư
Hình 1.2: Ph tín hi u OFDMổ ệ
Đáp
ng ứ
t n ầ
s ố
c a ủ
kênh
T n sầ ố
Đ r ng m t sóng mang conộ ộ ộ
Hình 1.3: Đáp ng c a kênh và các sóng mang con trong mi n t n sứ ủ ề ầ ố
Bi n đ i Fourier r i r c (DFT) và phép bi n đ i ng c c a nó (IDFT) là các kế ổ ờ ạ ế ổ ượ ủ ỹ
thu t x lý tín hi u trung tâm trong vi c th c thi OFDM. Thông th ng thì ta s d ngậ ử ệ ệ ự ườ ử ụ
phép bi n đ i Fourier nhanh (FFT) và bi n đ i FFT ng c (IFFT) do tính hi u qu c aế ổ ế ổ ượ ệ ả ủ
chúng. Hình 1.4 minh h a các ph n t c b n c a m t máy phát và máy thu OFDM. Đ uọ ầ ử ơ ả ủ ộ ầ
vào nh phân c a b đi u ch OFDM là đ u ra c a b mã hóa kênh đ c đ a vào mãị ủ ộ ề ế ầ ủ ộ ượ ư
s a l i và mã d th a ki m tra vòng tín hi u thông tin đ c phát. Thông th ng, bử ỗ ư ừ ể ệ ượ ườ ộ
đi u ch s băng t n c s là đi u ch biên đ c u ph ng (QAM) bi n đ i các tínề ế ố ầ ơ ở ề ế ộ ầ ươ ế ổ
hi u nh phân đ u vào thành m t chu i các ký hi u đi u ch nhi u m c có giá tr ph c.ệ ị ầ ộ ỗ ệ ề ế ề ứ ị ứ
M t b x lý th c hi n thu t toán IDFT trên m t chu i g m ộ ộ ử ự ệ ậ ộ ỗ ồ
N
ký hi u đi u ch đệ ề ế ể
t o ra m t ký hi u OFDM bao g m ạ ộ ệ ồ
N
băng t n con.ầ
Đi u chề ế
M-QAM
(M = 2
m
m cứ)
IDFT
N-
đi mể
Chuy n ể
đ iổ
song
song -
n i ti pố ế
Chèn
ti n ề
t ố
tu n ầ
hoàn
Kênh
Cân b ng ằ
kênh
DFT
N-
đi mể
Chuy n ể
đ iổ
n i ti pố ế
- song
song
Kh ử
ti n ề
t ố
tu n ầ
hoàn
Tách
sóng
m bit / ký hi u ệ
đi u chề ế Nm bit / ký hi u ệ
OFDM
Hình 1.4: X lý tín hi u OFDMử ệ
Hình 1.5: Các thành ph n c a máy phát OFDMầ ủ
Các m u ẫ
N
băng con nh n đ c t IDFT đ c phát liên ti p qua kênh fading vàậ ượ ừ ượ ế
máy thu th c hi n DFT đ khôi ph c l i ự ệ ể ụ ạ
N
ký hi u đi u ch trong mi n th i gian t tínệ ề ế ề ờ ừ
hi u thu trong mi n t n s . Thu t toán cân b ng kênh s bù l i méo tuy n tính gây ra doệ ề ầ ố ậ ằ ẽ ạ ế
truy n sóng đa đ ng. Cu i cùng là m t b tách sóng (b gi i đi u ch ) s cho ra m tề ườ ố ộ ộ ộ ả ề ế ẽ ộ
tín hi u nh phân t ng ng v i đ u vào ban đ u c a máy phát OFDM. Đ tri t nhi uệ ị ươ ứ ớ ầ ầ ủ ể ệ ễ
gi a các ký hi u đi u ch k ti p nhau, chu kỳ c a ký hi u trong m i băng con ữ ệ ề ế ế ế ủ ệ ỗ
sub
τ
(s)
ph i l n h n tr i tr l n nh t c a kênh: ả ớ ơ ả ễ ớ ấ ủ
maxsub
τ τ
>
. Do chu kỳ ký hi u c a các băng conệ ủ
là đ u nhau nên ề
modsub
N
τ τ
=
, v i ớ
mod
τ
(s) là chu kỳ c a m t ký hi u đi u ch nên sủ ộ ệ ề ế ố
l ng băng t n con nh nh t là ượ ầ ỏ ấ
max mod
N
τ τ
>
. V i m t kênh có tr i tr rms l n nh t làớ ộ ả ễ ớ ấ
10 s
µ
và m t mô hình truy n d n v i chu kỳ ký hi u đi u ch là ộ ề ẫ ớ ệ ề ế
0,13 s
µ
(đ c s d ngượ ử ụ
trong kênh 5MHz c a 3GPP LTE) thì ủ
76N>
băng t n con. LTE s d ng 512 sóng mangầ ử ụ
con trong kênh 5MHz. Do đó h th ng có th ho t đ ng mà không có nhi u xuyên kýệ ố ể ạ ộ ễ
hi u trong kênh v i th i gian c a tuy n lên đ n ệ ớ ờ ủ ế ế
512 0,13 66,7 s
µ
=
.
M c dù ho t đ ng c a h th ng trong hình 1.4 tri t đ c nhi u xuyên ký hi u tặ ạ ộ ủ ệ ố ệ ượ ễ ệ ừ
các tín hi u có t c đ th p trong các d i băng t n khác nhau nh ng tr i tr c a kênh v nệ ố ộ ấ ả ầ ư ả ễ ủ ẫ
có th gây xuyên nhi u gi a các ký hi u OFDM k ti p nhau. Đ gi m ki u nhi uể ễ ữ ệ ế ế ể ả ể ễ
xuyên ký hi u này, h th ng OFDM đ a ra m t kho ng th i gian b o v là ệ ệ ố ư ộ ả ờ ả ệ
g
τ
(s) gi aữ
các ký hi u OFDM k ti p nhau. Đ đ t đ c hi u qu thì c n ph i có ệ ế ế ể ạ ượ ệ ả ầ ả
maxg
τ τ
.
Kho ng th i gian b o v này t ng ng v i kho ng th i gian truy n d n c a ả ờ ả ệ ươ ứ ớ ả ờ ề ẫ ủ
G
m uẫ
đi u ch và trong kho ng th i gian b o v , t i đi m b t đ u c a m i ký hi u OFDM,ề ế ả ờ ả ệ ạ ể ắ ầ ủ ỗ ệ
máy phát th c hi n vi c t o l i ự ệ ệ ạ ạ
G
tín hi u đi u ch đ c chuy n đ i t o ra b i b xệ ề ế ượ ể ổ ạ ở ộ ử
lý IDFT.
G
m u đi u ch đ c phát trong kho ng th i gian b o v đ c g i là ti n tẫ ề ế ượ ả ờ ả ệ ượ ọ ề ố
tu n hoàn (CP) c a ký hi u OFDM. Nh trên hình 1.4, có m t b cân b ng trong mi nầ ủ ệ ư ộ ộ ằ ề
t n s ho t đ ng trên các ký hi u đ u ra c a m i băng t n con. Do chu kỳ ký hi u c aầ ố ạ ộ ệ ầ ủ ỗ ầ ệ ủ
m t h th ng OFDM là dài nên vi c vi c cân b ng kênh là đ n gi n.ộ ệ ố ệ ệ ằ ơ ả
Hình 1.5 là b c tranh hoàn ch nh h n v các ho t đ ng x lý tín hi u đ c đ t t iứ ỉ ơ ề ạ ộ ử ệ ượ ặ ạ
máy phát OFDM. Thêm vào các ph n t trung tâm c a h th ng OFDM trong hình 1.4 làầ ử ủ ệ ố
các kh i mã hóa kênh, chèn ti n t tu n hoàn, b l c đ nh d ng xung (c a s ) cũng nhố ề ố ầ ộ ọ ị ạ ử ổ ư
b khu ch đ i công su t. B l c đ nh d ng xung làm suy hao năng l ng c a tín hi uộ ế ạ ấ ộ ọ ị ạ ượ ủ ệ
bên ngoài băng t n OFDM danh đ nh. Trong các thi t b th c t , h u h t các kh i trongầ ị ế ị ự ế ầ ế ố
hình 1.4 và 1.5 là s . Vi c chuy n đ i s - t ng t và đi u ch t n s vô tuy n đ cố ệ ể ổ ố ươ ự ề ế ầ ố ế ượ
đ t sau kh i đ nh d ng xung trong hình 1.5.ặ ố ị ạ
1.2.1.2. u đi m và nh c đi mƯ ể ượ ể
u đi n c b n c a OFDM trong các h th ng vô tuy n băng r ng là gi m đángƯ ể ơ ả ủ ệ ố ế ộ ả
k nhi u xuyên ký hi u. OFDM còn có các u đi m sau đây:ể ễ ệ ư ể
V i tr i tr c a m t kênh cho tr c, đ ph c t p c a máy thu là th p h n m tớ ả ễ ủ ộ ướ ộ ứ ạ ủ ấ ơ ộ
h th ng đ n sóng mang v i m t b cân b ng trong mi n th i gian.ệ ố ơ ớ ộ ộ ằ ề ờ
Hi u su t s d ng ph cao do nó s d ng các sóng mang con tr c giao và ch ngệ ấ ử ụ ổ ử ụ ự ồ
l n lên nhau trong mi n t n s .ầ ề ầ ố
Đi u ch và gi i đi u ch th c hi n nh các thu t toán t ng ng là IDFT vàề ế ả ề ế ự ệ ờ ậ ươ ứ
DFT, và bi n đ i Fourier nhanh (FFT) có th đ c áp d ng đ tăng hi u quế ổ ể ượ ụ ể ệ ả
x lý c a toàn b h th ng.ử ủ ộ ệ ố
Dung l ng có th đ c tăng m t cách đáng k b ng cách thích ng t c đ dượ ể ượ ộ ể ằ ứ ố ộ ữ
li u trên các sóng mang con phù h p v i t s tín hi u trên t p âm (SNR) c aệ ợ ớ ỷ ố ệ ạ ủ
các sóng mang con riêng bi t.ệ
Nh c đi m c b n c a OFDM là t s công su t đ nh trên công su t trung bìnhượ ể ơ ả ủ ỷ ố ấ ỉ ấ
(PAPR) cao. Tín hi u phát đi là t ng c a t t c các sóng mang con đ c đi u ch vàệ ổ ủ ấ ả ượ ề ế
biên đ đ nh có giá tr cao là hi n t ng không tránh đ c do có th có nhi u sóng mangộ ỉ ị ệ ượ ượ ể ề
con đ ng pha trong các chu i đ u ra. So sánh v i các k thu t truy n d n trong mi nồ ỗ ầ ớ ỹ ậ ề ẫ ề
t n s , OFDM cũng nh y c m h n v i d ch t n s .ầ ố ạ ả ơ ớ ị ầ ố
1.2.2. Đi u ch đ n sóng mang / Cân b ng trong mi n t n sề ế ơ ằ ề ầ ố
1.2.2.1. Cân b ng trong mi n t n sằ ề ầ ố
h
Kênh
x y
1
y h x
x h y
−
= ∗
= ∗
1
Y H X
X H Y
−
= ∗
= ∗
Bi n đ i ế ổ
Fourier
Mi n th i gianề ờ
Mi n t n sề ầ ố
Hình 1.6: Ý t ng c b n c a FDEưở ơ ả ủ
M t b cân b ng s bù l i ph n méo tuy n tính gây ra do truy n sóng đa đ ng.ộ ộ ằ ẽ ạ ầ ế ề ườ
V i các kênh băng r ng, các b cân b ng trong mi n th i gian thông th ng là khôngớ ộ ộ ằ ề ờ ườ
th th c hi n do đáp ng xung kim c a kênh r t dài trong mi n th i gian. Cân b ngể ự ệ ứ ủ ấ ề ờ ằ
trong mi n t n s (FDE) là kh thi h n trong tr ng h p này.ề ầ ố ả ơ ườ ợ
Cân b ng kênh thông th ng là vi c l c ngh ch đ o méo tuy n tính gây ra doằ ườ ệ ọ ị ả ế
truy n sóng đa đ ng. V i m t h th ng tuy n tính b t bi n theo th i gian, vi c l cề ườ ớ ộ ệ ố ế ấ ế ờ ệ ọ
tuy n tính là m t phép tích ch p trong mi n th i gian và là phép nhân trong mi n t n s .ế ộ ậ ề ờ ề ầ ố
Bi n đ i Fourier bi n đ i các tín hi u trong mi n th i gian sang mi n t n s mà có thế ổ ế ổ ệ ề ờ ề ầ ố ể
th c hi n cân b ng b ng cách chia cho m t c tính đáp ng t n s c a kênh. Hình 1.6ự ệ ằ ằ ộ ướ ứ ầ ố ủ
ch ra phép toán c b n c a vi c cân b ng trong mi n th i gian (tích ch p) và cân b ngỉ ơ ả ủ ệ ằ ề ờ ậ ằ
trong mi n t n s (phép nhân).ề ầ ố
S d ng DFT, vi c cân b ng trong mi n t n s có th d dàng đ c th c hi nử ụ ệ ằ ề ầ ố ể ễ ượ ự ệ
b ng cách s d ng m t b x lý tín hi u s hi n đ i. Do kích th c DFT không tăngằ ử ụ ộ ộ ử ệ ố ệ ạ ướ
tuy n tính theo đ dài c a đáp ng kênh nên đ ph c t p c a FDE th p h n so v i bế ộ ủ ứ ộ ứ ạ ủ ấ ơ ớ ộ
cân b ng trong mi n t n s cho các kênh băng r ng.ằ ề ầ ố ộ
Đi u ch đ n sóng mang v i cân b ng trong mi n t n s (SC/FDE) là m t kề ế ơ ớ ằ ề ầ ố ộ ỹ
thu t kh thi đ gi m nh hi u ng fading ch n l c t n s . Nó t o ra hi u năng gi ngậ ả ể ả ẹ ệ ứ ọ ọ ầ ố ạ ệ ố
nh OFDM v i cùng m t đ ph c t p, k c v i các đáp ng xung kim c a kênh dài.ư ớ ộ ộ ứ ạ ể ả ớ ứ ủ
Hình 1.7 là các s đ kh i c a máy thu SC/FDE và OFDM. Ta có th th y c hai hơ ồ ố ủ ể ấ ả ệ
th ng đ u s d ng nh ng thành ph n gi ng nhau và ch khác nhau v trí c a hai kh iố ề ử ụ ữ ầ ố ỉ ở ị ủ ố
IDFT. Do đó, c hai h th ng có cùng m t m c hi u năng và hi u su t s d ng phả ệ ố ộ ứ ệ ệ ấ ử ụ ổ
t n.ầ