CS-OFDMA: Sự kết hợp OFDMA và CDMA cho truyền thông thế hệ thứ 4 (4G)

ĐT I. GIỚI THIỆU Phổ tần vô tuyến là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thông tin vô tuyến nhưng nó lại là nguồn tài nguyên hữu hạn. Điều này chính là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu các công nghệ không dây mới nhằm hướng đến việc xây dựng các hệ thống sử dụng phổ tần một cách hiệu quả hơn và cung cấp độ rộng băng tần lớn hơn, mà trong đó có hệ thống được quan tâm nhất hiện nay là hệ thống truyền thông di động thế hệ 4. Những công nghệ mới nổi lên gần đây hứa hẹn cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần tăng lên gấp 10 lần so với các hệ thống đang tồn tại. Một số các giao diện vô tuyến 4G khác nhau đang được khảo sát. Bài báo này giới thiệu một sơ đồ tận dụng được ưu điểm của cả CDMA và OFDMA nhằm đưa ra một hệ thống sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và đơn giản hơn cho công nghệ 4G gọi là sơ đồ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao trải mã (CS-OFDMA). II. NỘI DUNG 1. Vài nét về hệ thống truyền thông di động 4G 4G là tên gọi tắt của hệ thống truyền thông di động thế hệ 4, hiện đang được ITU chuẩn hóa dưới tên gọi là IMT-Advanced. Những tính năng then chốt của IMT-Advanced : - Khả năng tương thích của các dịch vụ IMT với các mạng cố định - Khả năng liên hoạt động giữa các hệ thống truy nhập vô tuyến khác CS-OFDMA: SỰ KẾT HỢP OFDMA VÀ CDMA CHO TRUYỀN THÔNG THẾ HỆ THỨ 4 (4G) KS. ĐÀM MỸ HẠNH Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Nhằm sử dụng phổ tần vô tuyến một cách hiệu quả hơn trong hệ thống truyền thông di động 4G, sơ đồ CS-OFDMA sẽ kết hợp sử dụng những ưu điểm của công nghệ CDMA và OFDMA. Nhờ đó, hệ thống này cho thông lượng mỗi sóng mang con gấp 8 lần ở hệ thống OFDMA truyền thống và nhiều ưu điểm khác. Summary: To utilize the frequency spectrum more effectively in the 4th generation mobile communication system, the scheme CS-OFDMA combines the advantage of CDMA and OFDMA technology. Thus, the throughput per subcarrier in this system is much more than in the traditional OFDMA system. ĐT Hình 1. FDD và TDD - Cung cấp dịch vụ di động chất lượng cao. - Thiết bị đầu cuối thích hợp cho việc sử dụng khắp trên thế giới. - Thiết bị, dịch vụ và ứng dụng thân thiện với người sử dụng. - Khả năng roaming toàn thế giới. - Tốc độ số liệu được tăng cường (100Mb/s cho các ứng dụng với tính di động cao và 1Gb/s cho các ứng dụng với tính di động thấp). Theo lịch trình của ITU thì phải đến năm 2011, ITU mới hoàn thành và chính thức đưa ra chuẩn IMT-Advanced. Chính vì vậy, hiện có nhiều ứng cử viên chạy đua trên con đường tiến lên 4G cũng như là có nhiều công nghệ đề cử cho 4G, trong đó, các công nghệ tâm điểm được nhắc đến nhiều nhất là OFDMA/MIMO/IP. Tuy nhiên, để đạt được những tính năng then chốt đã nêu ra ở trên, nhất là về tốc độ truyền thông, một số giao diện vô tuyến vẫn đang được khảo sát. 2. FDD, TDD và CDD Để sử dụng phổ tần có hiệu quả, hai kỹ thuật truyền dẫn cần được xem xét là : sơ đồ đa truy nhập và hệ thống ghép. Đa truy nhập là phương thức để nhiều người sử dụng truy cập vào một kênh chung nhằm truyền thông tin đến máy thu. Có các sơ đồ đa truy nhập chính sau: FDMA, TDMA, CDMA và OFDMA. Hiện ứng cử viên số 1 cho 4G chính là OFDMA. Hệ thống ghép được sử dụng cho việc truyền thông hai chiều nhằm phân tách các kênh truyền thông tin theo hai hướng. Hiện tại có 3 hệ thống ghép trong truyền thông không dây là ghép phân chia theo tần số FDD, ghép phân chia theo thời gian TDD và ghép phân chia theo mã CDD. FDD là kỹ thuật sử dụng các tần số riêng biệt cho đường lên và đường xuống và nó có khả năng cô lập nhiễu. TDD sử dụng cùng một tần số đơn nhưng dùng các khe thời gian khác nhau cho đường lên và đường xuống. TDD dường như là công nghệ sử dụng phổ tần hiệu quả hơn nhưng lại bị sử dụng hạn chế hơn bởi vấn đề can nhiễu và vùng phủ sóng. FDD dường như là sự lựa chọn thích hợp trong các hệ thông thông tin di động tổ ong nhằm loại bỏ nhiễu kênh lân kênh. Cuối cùng, CDD là giải pháp hiệu quả có thể loại bỏ các loại can nhiễu, điều này khiến nó trở thành hệ thống ghép sử dụng phổ tần hiệu quả nhất. Hiện tại, chỉ có sơ đồ ghép theo tần số FDD và TDD được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây. Đối với hệ thống CDD sử dụng các loại mã khác nhau để phân tách đường lên và đường xuống thì hiện có nhiều loại mã thông minh có giá trị sử dụng được trong CDD. Loại mã thông minh sử dụng trong hệ thống CS-OFDMA khác với loại mã dùng trong CDMA truyền thống. Mã thông minh x có đặc điểm như sau: ĐT Thuộc tính tự tương quan của mã x là ρxx(τ = 0) = 1 và ρxx(τ ≠ 0) = 0 với τ ≤ τα trong đó τα là cửa sổ tự tương quan bằng 0 được sinh ra từ các thuộc tính của mã thông minh. Thông thường, cửa sổ τα có thể rộng nếu số mã dựa trên một cấu trúc mã có thể được xử lí một cách thích hợp. Thuộc tính tương quan chéo của hai mã bất kì khác nhau x và y trong một tập mã thông minh, có thể được biểu diễn như sau: ρxx(τ) = 0 cho tất cả τ trong đó τ ≤ τc và τc là cửa sổ tương quan chéo bằng 0 được sinh ra từ cấu trúc mã thông minh. Trong cửa sổ τc, nhiễu đa người sử dụng do đa đường có thể bị loại bỏ nhờ thuộc tính này của mã. Hình 2. Tự tương quan và tương quan chéo của a. hệ thống CDMA truyền thống b. hệ thống CDMA sử dụng mã thông minh Hệ thống CDD nên được thực hiện bằng cách truyền liên tục trên một tần số đơn với một tập mã thông minh để cung cấp truyền thông hai chiều . Trong thực tế, trong cửa số tương quan chéo bằng không τc của hai mã thông minh, một cho đường xuống, một cho đường lên, giá trị tương quan chéo của hai mã không chính xác bằng không khi hai tín hiệu (đường lên và đường xuống) đến thiết bị đầu cuối khác trên một liên kết truyền thông. Đó là do sự không hoàn hảo của thuộc tính mã thông minh hiện tại. Do đó, ở bất kì thiết bị đầu cuối truyền thông thu phát nào, công suất truyền đi mạnh ở một thiết bị sẽ che tín hiệu yếu đến ở một thiết bị khác trên đường truyền thông, mặc dù thời gian di chuyển của tín hiệu có thể được điều chỉnh để thời gian đến rơi vào trong cửa số τc. Do đó, CDD không thể được sử dụng để truyền liên tục trên một tần số đơn. Các mã thông minh được sử dụng trong hệ thống CDD có thể tránh được nhiễu lân cận và nhiễu đa người sử dụng mà ở một hệ thống TDD thông thường khi không có mã thông minh không thể làm được. 3. Mã thông minh sử dụng trong CS - OFDMA Hiện có nhiều mã thông minh. Giả sử mã thông minh là mã trực giao bù như mã LS với độ dài L bit. Khi đó có L sự kết hợp khác nhau giữa các chuỗi mã. Mã trực giao bù với độ dài L chip bao gồm mã C và S. Độ dài của C và S là L/2 chip. Tương quan giữa C và S có các thuộc tính như sau: Tổng của các hệ số tự tương quan của mã C1 và mã S1 bằng 1 với τ = 0. Tổng của các hệ ĐT số tự tương quan của mã C 1 và mã S1 tương đương 1 với τ ≠ 0 khi τ ≤ τa. Tổng của các hệ số tương quan chéo của mã C1 và mã S1 luôn bằng 0 khi τ ≤ τc. Vì vậy, sử dụng mã bù trực giao có thể có được thuộc tính của mã thông minh ở trên. Nếu L mã được sử dụng, không có cửa sổ tương quan chéo bằng 0 giữa 2 mã. Nếu chỉ L/2 mã được sử dụng, cửa sổ tương quan chéo tối thiểu là –1c ≤ τc ≤ 1c trong đó c là độ lâu một chip. Nếu L/4 mã được sử dụng, cửa sổ tương quan chéo tối thiểu là –3c ≤ τc ≤ 3c. Ở đây sẽ sử dụng L/2 mã. Ví dụ về một mã LS: Bằng cách trải phổ theo mã giống như tronc CDMA, chúng ta có được độ lợi xử lý PG (dB) = 10 lg L và tỉ lệ sóng mang trên can nhiễu C/I = Eb/I0/P.G, trong đó I = I0B, C = EbRb; B là độ rộng băng tần kênh, Eb là năng lượng trên mỗi bit và Rb là số bit trên giây. Do đó, P.G. = B/Rb = L và Rc = RbL. Cửa sổ tự tương quan bằng 0 có thể được tính bằng cách chèn số bit trắng giữa C và S. Do thuộc tính tự tương quan của mã thông minh, pha đinh Rayleigh và điều tần ngẫu nhiên được tạo ra bởi đa đường khi MS đang di chuyển sẽ không bị chú ý đến trong tín hiệu thu được. Vì vậy, tốc độ di chuyển của MS không ảnh hưởng đến tín hiệu thu được. Sử dụng mã thông minh trong hệ thống thông tin di động tạo ra những giá trị tốt. Khoảng trải thời gian τ do đa đường trong phương tiện mặt đất trong phần lớn trường hợp ít hơn 10 μs. Với tốc độ số liệu 100 kb/s, khoảng thời gian giữa hai bit kề nhau là 1b = 10 μs. Điều này nghĩa là nếu τ < 1b trong phần lớn các trường hợp và khi đó cửa sổ tương quan chéo bằng không τc = 1b được thiết lập nếu tốc độ số liệu truyền là 100 kb/s. Khi điều chế trải phổ mã có tốc độ Rc = 100 kchip/s, khoảng thời gian giữa các chip kề nhau 1c, τ < 1c hoặc τc = 1c = 10 ms. 4. Hệ thống CS - OFDMA Bởi vì việc trải theo mã chỉ có thể sử dụng một số lượng giới hạn mã thông minh nên nó không phải là tập mã lý tưởng cho hệ thống CDMA thông thường. Trong một hệ thống CDMA thông thường, một kênh phổ băng rộng được sử dụng để truyền càng nhiều mã càng tốt. Mỗi mã đóng vai trò như một kênh lưu lượng. Tuy nhiên, số lượng mã thông minh tỉ lệ nghịch với kích thước của sổ tương quan bằng 0. Chỉ một số lượng giới hạn các mã thông minh có thể được sử dụng lặp lại trong các sóng mang con khác nhau trong một hệ thống OFDMA. Do đó, mã thông minh thích hợp ứng dụng trong các hệ thống OFDMA. Một tín hiệu OFDMA chia một luồng số ĐT liệu tốc độ cao truyền trên một tần số sóng mang thành một số luồng số liệu tốc độ thấp trên trên một số kênh sóng mang con (Sch). Trong mỗi sóng mang, chúng ta có thể sử dụng việc trải phổ theo mã trên các luồng số liệu tốc độ thấp nhằm thu được lợi ích từ các thuộc tính của hệ thống OFDMA. Số lượng giới hạn mã dùng trên mỗi sóng mang con của hệ thống OFDMA là một sự lựa chọn đúng đắn. Trong OFDMA, phân cách sóng mang con là 1/T thay vì 2/T như bình thường trong đó T là khoảng thời gian một kí hiệu. Những sóng mang con trực giao này chỉ ra rằng phân cách sóng mang con giảm đi một nửa nên không tạo ra xuyên âm. Đây là sơ đồ truyền dẫn đa sóng mang hiệu quả cao. Hình 3. Phổ tần của một kí hiệu OFDM Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin di động, hiện tượng đa đường và khoảng thời gian trải trễ có thể phá hủy tính trực giao và gây nên nhiễu liên kí hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI) gây nên xuyên âm. Những vấn đề này được giải quyết một cách đặc biệt như chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ và phần mở rộng chu kì để duy trì thuộc tính trực giao giữa các sóng mang con và loại bỏ cả ISI và ICI. Trong hệ thống CS - OFDMA, chúng ta cũng sử dụng ưu điểm của thuộc tính mã thông minh để làm điều tương tự thay vì sử dụng khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kì. Trong trường hợp nay, tính trực giao giữa các sóng mang con không còn bị ảnh hưởng. Nhờ tốc độ các sóng mang con song song thấp, thuộc tính mã thông minh có thể loại bỏ ISI và ICI. Giả sử một kênh sóng mang Ch được chia thành M Sch, và Δfi là phân cách sóng mang con. Độ rộng băng tần sống mang Δf là tổng của M phân cách sóng mang con. Mỗi Schi có thể có CS bằng N mã với độ dài mã là L. Mỗi mã chứa mã C và S và độ dài của mỗi mã C và S là L/2. Do đó, mỗi Schi trong M Sch chứa số lượng kênh CS là N, ∑ = = N 1i ji CSSch Mỗi Schi (i = 1,M) của M sóng mang con có thể truyền cùng một số lượng N CSj. Số N lớn nhất là L, do đó, N ≤ L. Mỗi CSj được xem như một kênh lưu lượng. Trong sự sắp xếp thông thường, có khoảng trống (các bit trắng) giữa C và S; ví dụ, CSj = Cj (khoảng trống) Sj (khoảng ĐT Bảng 2. Đăng kí mã C cho mỗi Schp trong 4 nhóm con và 4 ô tương ứng Bảng 1. Đăng kí mã C cho mỗi Schp trong 4 nhóm con và 4 ô tương ứng trống) Cj (khoảng trống) Sj (khoảng trống) … Sự sắp xếp này có thể được sử dụng khi tốc độ luồng số liệu thấp, vì vậy, Cj và Sj có thể chỉ chồng lấn nhau trong một phần nhỏ sau khi thu được tín hiệu. Tuy nhiên, khi tốc độ số liệu không rất thấp, C và S cần sự tách biệt khoảng trống lớn hoặc tách biệt theo cách khác. Tuy nhiên, một cách loại bỏ khoảng trống giữa C và S đã được đề xuất và mỗi CSj được sắp xếp với C và S trên các Schi, khác nhau tương ứng. Vì vậy số N mã C và S được chia thành 4 nhóm con, mỗi nhóm có N/4 mã C và S, được đăng kí cho một trong 4 ô. Trong hệ thống này, tổng số lượng M sóng mang con là một số lẻ. Trong mỗi nửa M Sch đầu tiên, biểu thi là p (p = 1, ( M – 1)/2), được sử dụng cho mã C. Vì vậy, mỗi Schp có N mã C được chia thành 4 nhóm con và được đăng kí trong 4 ô tương ứng như bảng 1. Do đó, Schp được sử dụng trong tất cả 4 ô với các nhóm con mã C khác nhau. Mỗi trong số nửa M Sch còn lại, gọi là (q = (M + 3)/2, M), được sử dụng cho mã S. Trong mỗi Schq có N mã S được chia thành 4 nhóm con và được đăng kí cho 4 ô tương ứng như bảng 2. Do đó, mỗi Schq được sử dụng trong tất cả 4 ô với các nhóm mã S con khác nhau. Trong Schp ( p = 1, ( M – 1)/2), chỉ mã C được truyền đi trong mọi mã CS. Mỗi nhóm con có một số lượng N/4 mã C, được đăng kí cho một trong 4 ô. Trong Schq (q = (M + 3)/2, M), chỉ mã S được truyền đi trong mọi mã CS. Mỗi nhóm con có một số lượng N/4 mã S, được đăng kí cho một trong 4 ô. Sóng mang con còn lại (M + 1)/2 được thiết kế như là tín hiệu dẫn đặc biệt cho việc đồng bộ hóa. Sự sắp xếp này có thể giảm một cách hiệu quả jitter tần số và tạp âm pha, được cần nhất trong hệ thống CS - OFDMA. Nó cũng có thể được sử dụng làm kênh quảng bá cho hệ thống. Tất cả 4 ô sử dụng cùng M sóng mang con như là trong một hệ thống CDMA. Bởi vì một ĐT Mã CS trong mỗi ô: Ô 1: Mã CS từ 1 - 4 Ô 2: Mã CS từ 5 - 8 Ô 3: Mã CS từ 9 - 12 Ô 4: Mã CS từ 13 - 16 trong 4 nhóm mã con được đăng kí cho một trong bốn ô, thừa số tái sử dụng mã K = 4 được dùng để tái sử dụng 4 nhóm con của mã CS. Kết quả, mỗi ô riêng có thể được đăng kí bởi một trong các nhóm con mã CS. Do đó, CS - OFDMA là hệ thống có hiệu quả sử dụng phổ tần cao bởi vì chúng ta chỉ tái sử dụng mã. Trong mỗi ô, có N/4 mã CS truyền trong mỗi cặp sóng mang con, một cho mã C và một cho mã S và độ lợi xử lí của mỗi Sch nhờ việc trải phổ mã CSj là 10lg L/2 (dB). Trải phổ N mã thông minh trong mỗi Sch giống như trải phổ N mã Walsh trong hệ thống một sóng mang CDMA. Nếu độ dài mã là L, độ lợi xử lí là 10 lg L/2 trong mỗi kênh Sch nhờ mã CS. Có M sóng mang con trong CS - OFDM; một nửa của M – 1 được sử dụng cho mã C và một nửa cho mã S. Do đó, tổng số kênh lưu lượng trông mỗi ô là (M – 1)/2 x N/4. Để hệ thống CS - OFDMA có thể làm việc được,chúng ta có thểsử dụng mã LS và giả sử độ dài mã L = 32 chip (C có 16 chip và S có 16 chip). Với tốc độ truyền dẫn là 100 kchip/s, khoảng thời gian giữa hai chip kề nhau là 10 μs (1c = 10 μs); tổng số lượng kênh CS - OFDMA (4x 4(M – 1)/2) gấp 8 lần số kênh OFDMA thông thường (M – 1). Hình 4. Tái sử dụng mã CS trong cấu hình 4 ô 5. Ảnh hưởng của khoảng trải Doppler tỉ lệ lỗi kí hiệu và tỉ lệ lỗi bit. Trong truyền thông di động, hiệu ứng trải Doppler gây ra bởi sự sai khác giữa các độ dịch Doppler từ các sóng đến khác nhau ở tín hiệu thu nếu máy phát và máy thu di chuyển tương đối với nhau. Trải Doppler fd có được từ sự dịch Doppler lớn nhất. Thông thường fd rất nhỏ so với tần số sóng mang. Ví dụ, một sóng mang 2GHz và tốc độ di chuyển là 100 km/h, dịch Doppler chỉ khoảng 185 Hz. Với phân cách sóng mang 10 kHz, trải rộng Doppler chỉ ít hơn 2 % phân cách sóng mang. Sự trải rộng Doppler trong miền tần số sẽ gây hư hại nhẹ cho tính trực giao giữa các sóng mang con và gây nên xuyên âm. Trong CS-OFDMA, thuộc tính của mã thông minh có thể loại bỏ gần hết tất cả các xuyên âm bị gây bởi sóng mang con lân cận trong tín hiệu sóng mang con chủ đích thu, chỉ trường hợp duy nhất trong truyền dẫn đường xuống, mọi sóng mang con truyền cùng một tập mã với các tín hiệu khác nhau. Nhằm giải quyết vấn đề này, chúng ta để tất cả các sóng mang con lẻ gửi tín hiệu của chúng ở cùng thời điểm to và tất cả các sóng mang con chẵn làm trễ tín hiệu khoảng thời gian một chip. Bằng cách sử dụng sơ đồ này, các mã thông minh có thể loại bỏ các tín hiệu đường chính từ các sóng mang con lân cận. Đó là bởi vì hậu quả của trải rộng Doppler trên sóng mang con mong muốn chỉ đến từ 2 sóng mang con gần kề, do trải rộng Doppler nhỏ. Tỉ lệ lỗi kí hiệu của một tín hiệu sóng mang con CS-OFDMA sử dụng điều chế biên độ cầu ĐT Hình 5. So sánh xác suất lỗi kí hiệu theo SNR mỗi bit giữa sóng mang con CS – OFDMA (nét liền) và sóng mang con OFDMA thông thường (nét đứt) ứng với điều chế QAM các mức khác nhau phương QAM, được xem xét khi hoạt động trên kênh tạp âm trắng Gaussian cộng. Tỉ lệ lỗi kí hiệu có thể được biểu diễn như sau: b1lb erfc s P2 )1L( lL2 l3.2P − −=γ−≅ trong đó L là số kí tự QAM, L = 2l với l là số bit được chuyên chở trong mỗi kí hiệu, γb là tỉ lệ sóng mang trên tạp âm và Pb là tỉ lệ lỗi bit. Thì mỗi bit trong một kí hiệu lỗi có 2l- 1 vượt ra khỏi cơ hội M-1 khả năng bị lỗi. Tỉ lệ lỗi kí hiệu trung bình của một tín hiệu sóng mang con OFDMA với QAM thu được từ môi trường pha đinh Rayleigh bằng có thể được biểu diễn như sau: 1 b bbb 0 ss 1L2 l3 d)./exp(.P b 1P −∞ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ − γ=γγγ−γ≅ ∫ Hình bên thể hiện ưu điểm của CS - OFDMA so với OFDMA thông thường III. KẾT LUẬN Sơ đồ CS - OFDMA đã tận dụng được các ưu điểm của cả công nghệ CDMA và OFDMA trong một hệ thống đơn giản và sử dụng phổ tần hiệu quả trong môi trường di động. Sơ đồ này đáng để hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) xem xét và khảo sát. Tài liệu tham khảo [1]. 3G Americas -Defining 4G: Understanding the ITU Process for the Next Generation of Wireless Technology [2]. Lee, W.C.Y. The most spectrum-efficient duplexing system: CDD - Communications Magazine, IEEE [3]. William C. Y. Lee. CS OFDMA: A New Wireless CDD Physical Layer Scheme- LinkAir Communications, Inc. [4]. Daoben Li. The Perspectives of Large Area Synchronous CDMA Technology for the Fourth- Generation Mobile Radio. [5]. Byoung-Jo Choi, Lajos Hanzol. On the Design of LAS Spreading Codes♦ AC 3 pha M¸y biÕn ¸p H×nh 1 cÊu tróc hÖ t