Bài giảng Chương 3: Kỹ thuật ofdma trong wimax

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX Giới thiệu chươn: Trong chương 3 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng. 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ 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. 3.2 Đặc điểm OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định đươc 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) Hình 3.1 ODFM và OFDMA Hình 3.2 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,khác với những người còn lại. F A d A D a D A d A D a D A c e A c E a c E A c e A c E a c E B e g B E g b E g B e g B E g b E g B F g B F g b F g B F g B F g b F g t Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA. Thí dụ cụ thể 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. 3.3 OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định (fix set) cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình. Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ  biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. f A b c c B A B c B a C A t Hình 3.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c  đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian. Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.4 cho N sóng mang phụ,nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. A F e D c b B A f E d c C B a F e d D C b A f e E D c B a f F E d C b a Hình 3.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau 3.4 Hệ thống OFDMA Điềuchế băng tần gốc Chèn ký tự dẫn đường IFFT Chèn GI DAC DAC Tách GI IFFT Tách ký tự dẫn đường Cân bằng kênh Khôi phục kênh truyền Giải điều chế băng tần gốc Kênh truyền Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA Nguồn tín hiệu làm một bít được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK ,M- QAM Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI. Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN( Addictive White Gaussian Noise ). Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đối với kênh hướng xuống : Hình 3.7 OFDMA downlink Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM trong miền thời gian, chứa N sóng mang. Mỗi sóng mang có thể được điều chế khác nhau. Đối với kênh hướng lên : Hình 3.9 OFDMA uplink Hình 3.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink Cấu trúc cụm gồm 1 kênh con trong miền tần số và 3 kí hiệu OFDM trong miền thời gian, mỗi cụm chứ 144 sóng mang dữ liệu, sử dụng điều chế thích nghi trên từng user; mỗi user có thể yêu cầu từ 1 đến 32 kênh con; 2 kênh con được sử dụng làm ranging (phép đo cự li bằng cách đo thời gian truyền của tín hiệu điện từ) và yêu cầu băng thông (nếu có) của user . Khi cấp sóng mang cho các user, OFDMA tạo ra một dãy cơ bản các sóng mang rồi thực hiện dịch vòng dãy khi cấp cho các user khác nhau. 3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian t f Hình 3.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số và miền thời gian như trên hình. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τmax (maximum propagation delay or delay spread). Với rf là tỉ số lấy mẫu (oversampling) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số Df phải thoả mãn điều kiện sau: (3.1) Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1. Tỉ số này có thể lớn hơn 1, khi đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như trên, rf <1, thì kênh truyền không thể được khôi phục hoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường. Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp trong miền thời gian Dt cũng phải thỏa mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng. Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler. Theo tiêu chuẩn lấy mẫu thì khoảng cách Dt phải thoả mãn điều kiện: (3.2) Tỉ số rt được gọi là tỉ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường hợp điều kiện trên không thoả mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn ở máy thu. 3.4.2 Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế. Hình 3.12 Điều chế thích nghi Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn. 3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi Ngoài mã xoắn rất phổ biến sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, WiMAX cũng như cá hệ thống OFDM thường sử dụng một số mã sau: 3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check) Với những người thiết kế thông tin, đặc biệt trong lĩnh vực không dây và hệ thống mạng, giới hạn Shannon được xem như là kỳ vọng cao nhất. Đến nay các nhà thiết kế đã phát triển và cải thiện các kỹ thuật mã hoá sửa sai nhằm đưa hiệu suất kênh ngày càng tiến gần tới giới hạn Shannon. Việc tìm ra các phương án FEC là một nhu cầu trong việc nâng cao hiệu suất truyền tin, LDPC là một trong những phương án đó. Mã LDPC đã đưa đến giải pháp FEC mà khi thực hiện tiến gần hơn tới giới hạn Shannon. Mã LDPC dựa trên cơ sở ma trận H chứa một vài giá trị "1".Mã hoá được thực hiện bằng việc sử dụng các đẳng thức từ ma trận H để tạo ra các bit kiểm tra chẵn lẻ. Quá trình giải mã được thực hiện bằng sử dụng "cổng vào mềm" với các đẳng thức trên để xác định các trị số đã gửi. Quá trình xử lý được lặp theo phương pháp tương tác trong bộ mã hoá tốc độ cao. Mã LDPC có thể gây ra nền lỗi là điểm yếu chung của TCCs. Để chỉ ra nền lỗi, các mã đầu ra như là phương pháp BCH có thể phối hợp với công nghệ LDPC.Mã đầu ra BCH có hiệu ứng nền lỗi thấp. Các công nghệ quảng bá video số sử dụng phương pháp này để phát triển tiêu chuẩn DVB-S2. Với khả năng linh hoạt của LDPC, mã có thể được xây dựng chính xác theo đúng kích cỡ của khối hoặc tỷ lệ mã, tuy vậy thực hiện thực tế có thể buộc phải xác định trước kích cỡ khối và tốc độ mã có thể đạt được. Sau khi xác định kích cỡ khối và tốc độ mã, ma trận H được xây dựng với n cột và (n-k) hàng có chứa một vài giá trị “1”. Ma trận H được xây dựng thích hợp là ma trận có khoảng cách tối thiểu (dmin) lớn. Khi đó sẽ có số lượng “1” trong ma trận H nhỏ và như vậy số lượng cột của H cần có để có tổng bằng 0 hướng tới như các mã được xây dựng ngẫu nhiên. Khoảng cách tối thiểu trong ví dụ mã sau chỉ là 4, do đó có thể chỉ cần xem xét các cột 0, 1, 3 và 4 của ma trận H. Ví dụ về tạo mã: Một bộ tạo mã LDPC đơn giản được sử dụng để giới thiệu về mã (16,9) với ma trận H sau.Các tham số trong ví dụ là: k bit bản tin = 9 n-k bit chẵn lẻ = 7 Tỷ lệ mã = k/n = 9/16 Hình 3.13 Ví dụ về một ma trận mã LDPC Trong ví dụ mã trên, các cột từ n0 đến n8 tương ứng với phần bản tin của khối mã, còn các cột từ n9 đến n15 tương ứng với (n-k) bit chẵn lẻ và ở ma trận con thì phía dưới có dạng hình tam giác nhằm đơn giản hoá hơn quá trình mã hoá.Ví dụ, mã hoá bit chẵn lẻ n9 chỉ cần biết n0, n1 và n2. Đẳng thức logic cơ số 2 có thể viết được trực tiếp từ hàng của ma trận H theo dạng của bộ tạo mã LDPC như sau: Viết đẳng thức chẵn lẻ cho hàng đầu tiên để tạo mã n9 n0 + n1 + n2 + n9 = 0 n9 = n0 + n1 + n2 Tiếp tục thực hiện với các hàng còn lại sẽ có đầy đủ 7 đẳng thức n9 = n0 + n1 + n2 n10 = n3 + n4 + n5 n11 = n6 + n7 + n8 n12 = n0 + n3 + n6 n13 = n1 + n4 + n7 n14 = n2 + n5 + n8 n15 = n12 + n13 + n14 Để hoàn chỉnh bộ tạo mã LDPC, người thiết kế cần chuyển các đẳng thức logic cơ số 2 thành các mạch điện 3 đầu vào đảo (exclusive) hoặc cổng XOR và thanh ghi các đầu ra. Để mã hoá có hệ thống,thứ tự các bit truyền trong kênh cần bảo đảm thứ tự là n0 ... n15. Sử dụng phương pháp này sẽ không cần đến yêu cầu xác định ma trận sinh mà thay vào đó là phương pháp sử dụng lần lượt các đẳng thức ma trận sinh để mã hoá dữ liệu. Bộ giải mã LDPC Bộ giải mã LDPC nhận các khối dữ liệu,gồm cả các bit sai do nhiễu, với 5 hoặc 6 bit sửa sai sẽ quyết định giá trị 0 hay 1 của bit nhận được. Giải mã khối sử dụng quá trình lặp gồm việc giải (n-k) đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ của ma trận H.Việc giải các đẳng thức trong trường hợp này có nghĩa cập nhật các giá trị thật của các bit trong các đẳng thức là 1 hay 0 sử dụng truyền lan tin cậy hoặc các xấp xỉ đơn giản của truyền lan tin cậy. Quá trình này được lặp lại nhiều vòng, thường từ 30 đến 60, để giải mã hoàn toàn khối dữ liệu nhận được. Bộ giải mã có thể dừng khi một từ mã đã được xác định đúng (thoả mãn tất cả các đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ) hoặc khi thời gian qui định hết mà không tìm được từ mã. Các khối kích thước lớn và tương tác mở rộng sẽ nâng cao hiệu suất của mã nhưng cả hai sẽ yêu cầu năng lực xử lý, tốc độ dữ liệu và bộ nhớ chiếm dụng cao hơn. Mã LDPC đang chứng minh rằng nó đạt độ tăng ích mã tuyệt vời với dải tỷ lệ mã và kích cỡ khối rộng. Lợi ích chính khi sử dụng LDPC là hiệu suất tăng ích đo được theo dB có thể được sử dụng theo nhiều cách như giảm công suất truyền,tăng thông lượng số liệu,khoảng cách truyền xa hơn, hoặc tăng độ tin cậy của đường truyền thông tin. Khi công suất phát bị giới hạn thì độ tăng ích mã hoá do mã LDPC tạo ra sẽ là sự khác biệt giữa thông tin chính xác và không có thông tin. 3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon Giới thiệu: Đặc điểm quan trọng của mã RS là khoảng cách tối thiểu trong bộ mã (n,k) là n-k+1. Với bất kì giá trị nguyên dương t≤ 2m-1 luôn tồn tại mã RS sửa t symbol lỗi.Ví dụ: n = 2m-1 n-k=2t k= 2m-1-2t dmin = 2t+1=n-k+1 Đa thức sinh sẽ là: = (3.3) với là các nghiệm. Ví dụ: m = 8 , t = 16 n = 255 k = n – 2t = 223 dmin = 33 (3.4) Cách tạo mã: Cho đa thức m(x) là thông tin cần mã hoá, k = n-2t m(x) = m0+m1x++mk-1xk-1 Thực hiện chia x2tm(x) cho g(x), ta được b(x) là phần dư: x2tm(x) = a(x)g(x)+b(x) b(x) = b0+b1x+b2t-1x2t-1 (3.5) Cuối cùng, đa thức mã hoá sẽ là : b(x)+x2tm(x) Sơ đồ tạo mã: Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS Giãi mã: Với c(x) là đa thức mã gửi đi, r(x) là đa thức nhận được và e(x) là lỗi tác động. (3.6) Giả sử e(x) có v lỗi tại các vị trí xj1, xj2, xjv.. (3.7) Vị trí các lỗi là: Các giá trị lỗi là: Tính syndrome: Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu của RS (3.8) với là các nghiệm trong đa thức sinh. Ta có mối quan hệ: Syndrome nhận đựơc là: với các giá trị: 3.5 Điều khiển công suất Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công suất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS. Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra cự li, tính ra công suất phát phù hợp. Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường,gửi lên BSC, BSC sẽ tính tóan cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước. Trong một môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận.Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và chướng ngại vật. Kết luận chương : Trong chương 3 này đã cơ bản trình bày về kỹ thuật OFDMA, các tính chất, các mã sửa lỗi được sử dụng trong kỹ thuật này. Qua đó, chúng ta có thể tìm hiểu sâu hơn về kỹ thuật này bằng cách xây dựng một chương trình mô phỏng đơn gian để thấy được rõ hơn quá trình xử lý truyền nhận tín hiệu trong công nghệ WiMAX.