Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

khoảng bảo vệ đó dài hơn trải trễ cực đại của hiện tượng fading đa đường. Đối với kênh không có multipath, độ lệch thời gian có thể bằng khoảng bảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ. Sự quay pha được sửa nhờ vào sự ước lượng và cân bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm hiệu suất.

 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

OFDM nhạy cảm với sai lỗi offset về mặt tần số. Và đặc biệt là lỗi tần số sóng mang do làm mất tính trực giao nghiêm trọng giữa các sóng mang con, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang con, gây nhiễu ICI.

Các lỗi tần số thường do 2 nguyên nhân chính: do lỗi của bộ tạo dao động bên phát và bên thu không khớp nhau hoàn toàn và do hiệu ứng Doppler gây lệch tần số khi tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến.

Một độ lệch bất kỳ dẫn đến sự quay pha các vector tải phụ thu được. Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn. Nếu kênh chỉ thực hiện ở đầu mỗi frame thì các lỗi tần số sẽ không được giải quyết, do đó hiệu suất của hệ thống sẽ giảm dần. Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR sẽ giảm bị ở cuối frame.

Trong môi trường di động nhiều người sử dụng thì vấn đề này càng phức tạp hơn vì tín hiệu truyền từ mỗi người sử dụng có tần số offset khác nhau. Nếu người sử dụng được đồng bộ tốt với một BS thì vẫn có độ lệch tần do độ lệch tần Doppler. Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu. Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều người sử dụng thì vấn đề sửa lỗi tần là không đơn giản.

3.5. KẾT LUẬN

Chúng ta vừa điểm qua những kỹ thuật đồng bộ truyền thống trong các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Khâu đồng bộ trong một hệ thống truyền thông nói chung và trong hệ thống truyền thông vô tuyến nói riêng là một trong những nhiệm vụ vô cùng quan trọng và cần nghiên cứu thực hiện kỹ lưỡng. Đặc biệt là đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM thì kỹ thuật đồng bộ hoàn hảo sẽ quyết định hiệu suất của cả hệ thống. Chúng ta có rất nhiều kỹ thuật để thực hiện đồng bộ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên, môi trường truyền thông vô tuyến là rất phức tạp và ở mỗi môi trường khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng khác nhau. Vì thế, nếu nghiên cứu và áp dụng được kỹ thuật đồng bộ càng tốt thì ta sẽ có thể tạo được hệ thống có mức đáp ứng nhu cầu tốt hơn cho thực tế.

CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDMA

4.1. MỞ ĐẦU

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Đồng thời nghiên cứu cơ bản vấn đề đồng bộ trong hệ thống hoạt động theo kỹ thuật này. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm và những tồn tại của kỹ thuật này trong hệ thống truyền thông vô tuyến. Từ đó có thể ứng dụng nó một cách đúng đắn.

4.2. CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT OFDMA

Orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang trực giao. Đây là công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kỹ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể.

Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là một kế hoạch ghép kênh/đa truy nhập để cung cấp hoạt động ghép kênh của luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng trên các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường lên bởi các kênh con đường lên. Nhiều người dùng cùng chia sẽ một băng tần nền được gọi là OFDMA. Mỗi người dùng có thể dùng một số sóng mang con đã định trước hoặc thay đổi tùy theo thông tin cần truyền (sự điều khiển này phụ thuộc vào lớp MAC).

OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năng chia tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm của các sóng mang không kề nhau, mà những user khác nhau được chỉ định các sóng mang khác nhau. Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM để cho nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm.OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho một người dùng cũng khác nhau. OFDMA được dùng trong công nghệ mạng 802.16e (WiMAX di động), 3G LTE,..

Hình 4.1 OFDM

Hình 4.2 ODFMA

Từ hai hình trên ta thấy điểm khác nhau là OFDMA chia các subcarrier thành từng nhóm gọi là subchannel (màu sắc khác nhau). Và mỗi một subchannel sẽ dành riêng cho 1 người dùng user.

4.2.1. Các giao thức OFDMA

4.2.1.1 Phân hóa kênh con

Trong wimax, các user được cấp các khối sóng mang con hơn là các sóng mang con riêng biệt để giảm sự phức tạp cho thuật toán cung cấp sóng mang con và làm đơn giản việc ánh xạ các bản tin. Giả sử rằng một user k được cấp một khối Lk các sóng mang con, các sóng mang con này có thể được phân bố trên toàn băng thông theo mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối, hoặc cùng một dãy tần số theo mô hình sắp xếp sóng mang con kế cận. Ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối là tăng tính đa dạng và mạnh mẽ của băng thông; ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con kế tiếp là tăng tính đa dạng của nhiều user.

4.2.1.2. Sự ánh xạ các bản tin

Để cho mỗi MS biết là những sóng mang con nào được dành cho nó BS phát quãng bá thông tin này trong các bản tinh DL MAP. Cũng như BS cho mỗi MS biết những sóng mang con nào cho nó truyền bản tin UL MAP. Ngoài việc cấp các sóng mang con truyền thông UL và DL cho MS thì MS cũng phải hiểu các burst profile

được sử dụng cho UL và DL. Burst profile dựa trên việc đo SINR và BLER cho cả hai đường và nhận dạng mức độ thích ứng của sự mã hóa và điều chế.

4.2.1.3. Sự sắp xếp

Khi mỗi MS xác định khoảng cách đến BS. Nó quyết định sự đồng bộ các kí hiệu và cân bằng mức công suất thu giữa các MS. Quá trình này được gọi là sự sắp xếp. Khi khởi đầu, việc sắp xếp yêu cầu BS dự đoán độ mạnh của kênh và thời gian đến của MS. Sự đồng bộ đường xuống thì không cần thiết khi đường này luôn được đồng bộ trước. Nhưng trong đường lên, các user cần được đồng bộ tối thiểu trong một chu kỳ khoảng thời gian chèn. Nếu không thì nhiễu xuyên ký tự và nhiễu giữa các sóng mang sẽ xảy ra. Tương tự, thông qua điều khiển công suất đường xuống được yêu cầu để giảm sự can nhiễu qua cell khác. Điều khiển công suất đường lên để tăng thời gian sống của pin và giảm xuyên nhiễu giữa các cell.

Trong wimax gồm có 4 loại thủ tục sắp xếp: khởi tạo, khoảng chu kỳ, yêu cầu băng thông và chuyển giao. Sắp xếp được thực hiện trong 2 hoặc 4 ký tự liên tục mà không có sự kết hợp pha, điều này cho phép BS biết một MS đã mất đồng bộ, mất kết nối định thời rộng hơn so với tiền tố vòng. Nếu thủ tục sắp xếp thành công BS gửi một bản tin đáp ứng sắp xếp để chỉ thị MS điều chỉnh thời gian offset thích ứng, làm đúng tần số offset và thiết lập công suất. Nếu sắp xếp không thành công, MS sẽ tăng mức công suất và gửi một bản tin sắp xếp mới để tiếp tục quá trình này đến khi thành công.

4.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con

Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA

Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như hình trên

- Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu.

- Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng, cân bằng kênh và đồng bộ.

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC.

Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm thành các tập con gọi là các kênh con. Lớp vật lý OFDMA 802.16e hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL.

Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con: phân tập và liền kề.

- Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.

Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kí hiệu, có cấp phát pilot và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như trong hình 4.4.

Các kí hiệu chện Các kí hiệu lệ

Sóng mang con dệ liệu

Sóng mang con hoa tiêu

Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL

Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con pilot. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong nhóm. Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.

Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có dạng như hình 4.6.

Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe. Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con pilot trong 3 kí hiệu OFDM

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC (mã hóa và điều chế thích ứng đường xuống) và UL AMC (mã hóa và điều chế thích ứng đường lên), và có cấu trúc tương tự.

Hình 4.5 Mô hình AMC

+ Một bin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 sóng gán cho dữ liệu và 1 sóng gán cho pilot.

+ Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề. Vì vậy các tổ hợp được phép là (6 bin / 1 kí hiệu), (3 bin / 2 kí hiệu), (2 bin / 3 kí hiệu), (1 bin / 6 kí hiệu). Hoán vị AMC cho phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con có đáp ứng tần số tốt nhất. AMC được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống.

Kí hiệu 0

Kí hiệu 1

Kí hiệu 2

Sóng mang con hoa tiêu

Sóng mang con dệ liệu

Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC

Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di động còn hoán vị sóng mang con liền kề phù hợp trong các môi trường cố định hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép nhà thiết kế hệ thống cân bằng tính di động cho thông lượng.

4.2.3 Đặc điểm

Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác. Và nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau.

Hình 4.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang phụ có sẵn.

Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA

Thí dụ này thực tế là sự hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g đều được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang theo bốn khe thời gian.

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định được cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một

số lượng các sóng mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng.

Hình 4.8 ODFM và OFDMA

Trên hình chỉ ra sự khác nhau cơ bản giữa OFDM và OFDMA là sự sắp xếp nhiều người sử dụng trong OFDMA vào các sóng mang. Sự sắp xếp gần giống với FDMA. Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác.

Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều chế tín hiệu: preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP.

Preamble

Preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink. Nó bao gồm các sóng mang điều chế (BPSK,QAM, …) và có độ dài 1 symbol OFDMA.

Preamble được sử dụng vào hai mục đích:

- Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát. Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh.