Bài giảng Mạng không dây - Chương 4: Kỹ thuật đa truy cập (Multiple Access Techniques) - Trần Thị Minh Khoa

khe (slot) thời gian nhất xác định 2/27/2017 90 OFDM-FDMA • Với mỗi khối điều chế OFDM, mỗi người dùng truyền trên một số lượng xác định các sóng mang con trong suốt các khe tgian 2/27/2017 91 OFDM-CDMA • Với mỗi khối điều chế OFDM, mỗi người dùng truyền trên tất cả các sóng mang con của OFDM và truyền suốt các ký hiệu OFDM 2/27/2017 92 OFDMA CONCEPT • OFDM có thể được sử dụng như một chương trình đa người dùng: những sóng mang con có sẵn được chia thành nhiều nhóm gọi là subchannels (kênh phụ). • Những kênh phụ khác nhau được cấp phát cho những người dùng khác nhau hình thành cơ chế đa truy cập. • Được gọi là Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)(đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) 2/27/2017 93 OFDMA CONCEPT • OFDMA về cơ bản là sự kết kết hợp giữa OFDM, FDMA và TDMA. • OFDMA = OFDM + FDMA + TDMA • Người dùng được tự động gán cho những sóng mang phụ (FDMA) tại những slot thời gian khác nhau (TDMA). • OFDMA yêu cầu Time + Freq DMA ⇒ 2D Scheduling • OFDMA là kỹ thuật đa truy cập linh hoạt, có thể chứa nhiều người dùng với nhiều ứng dụng, tốc độ truyền dữ liệu và yêu cầu QoS (Quality of Service). 2/27/2017 94 OFDMA CONCEPT 2/27/2017 95 OFDMA MAIN STEPS • Các thông tin bit đầu vào tương ứng với từng người dùng được điều chế thành các ký hiệu. – Những ký hiệu này được giả định nằm trong miền tần số (frequency domain). • Các ký hiệu sau đó được ánh xạ tới một bộ riêng biệt các sóng mang con • Khối IDFT chuyển đổi các kỳ hiệu vào miền thời gian (time domain), nơi mà sau đó chúng được chuyển đi trên kênh truyền sau khi được thêm vào tiền tố tuần hoàn(cyclic prefix) 2/27/2017 96 OFDMA MAIN STEPS • Khối (Thuật toán) IDFT/DFT: (Inverse) Discrete Fourier Transform – Có vai trò giống như hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế: biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc trong miền thời gian x(n) 2/27/2017 97 OFDMA MAIN STEPS • Thuận toán FFT (Fast Fourier Transform) – Là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn bằng việc giảm thời gian thực hiện các phép nhân phức • DFT tính trực tiếp cần N2 phép nhân 푁푙표푔 푁 • FFT số phép nhân còn 2 2 – Tiết kiệm bộ nhớ bằng phép tính tại chỗ 2/27/2017 98 OFDMA MAIN STEPS • Cyclic prefix (CP) – Tiền tố lặp tuần hoàn CP thường là sự lặp lại những mẫu dữ liệu mới nhất, được gắn vào đầu của gói dữ liệu. – Tiền tố lặp tuần hoàn CP ngăn ngừa sự can thiệp liên khối – Có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhiễu/can thiệp liên ký hiệu (ISI). • ISI: Inter-Symbol Interference 2/27/2017 99 OFDMA MAIN STEPS • Hoạt động IDFT có thể được xem như mỗi biểu tượng điều chế một sóng mang con và truyền các sóng mang con song song 2/27/2017 100 OFDM VS. OFDMA • OFDMA là phiên bản đa người dùng của mô hình điều chế kỹ thuật số phổ biến OFDM. • Tương tự như OFDM, OFDMA sử dụng nhiều sóng mang con gần nhau, nhưng các các sóng mang con được chưa thành nhóm. Mỗi nhóm được gọi là kênh phụ. • Những sóng mang con hình thành kênh phụ không cần thiết phải là những sóng liền kề nhau. 2/27/2017 101 OFDM VS. OFDMA 2/27/2017 102 OFDM VS. OFDMA • OFDM – Tất cả các sóng mang được truyền song song – Tại một thời điểm chỉ hỗ trợ một người dùng • OFDMA – Chia các sóng mang con thành nhiều nhóm – Có thể hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc 2/27/2017 103 OFDM VS. OFDMA 2/27/2017 104 OFDM VS. OFDMA 2/27/2017 105 OFDMA FLEXIBILITY • Với OFDMA, người dùng được phân bố linh hoạt – Có thể chuyển từ frame sang frame – Đa phân bố cho nhiều ứng dụng • Thay đổi phân bố – In WiMAX every 5 ms – In LTE every 1 ms 2/27/2017 106 OFDMA ADVANTAGES • Khả năng mở rộng (Scalability) – Hỗ trợ băng thông lớn • Có khả năng chịu được đa đường – Số lượng các thành phần đa đường không làm hạn chế hiệu suất của hệ thống miễn là đa đường xảy ra bên trong cửa sổ tiền tố tuần hoàn (CP window). • Downlink Multiplexing • Uplink Multiple Access • MIMO (Multiple Input Multiple Output) Benefits 2/27/2017 107 OFDMA CHALLENGES • Do khoảng cách giữa các song mang con khá nhỏ (e.g. 10.94kHz for 802.16e)  OFDMA nhạy cảm hơn đối với tần số sai trục (freqency offset) và tiếng ồn pha (phase noise). • OFDMA là loại điều chế sóng đa sóng mang, dạng sóng miền thời gian là Gaussian với tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình(PAPR: Peak to Average Power Ratio) cao  giảm hiệu suất của bộ khuếch đại vô tuyến  giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM 2/27/2017 108 SC-FDMA (SINGLE CARRIER FDMA) • SC-FDE (Single-Carrier Frequency Domain Equalization) • SC- FDMA 2/27/2017 109 SC-FDE • Là bộ điều chế đơn sóng mang (SC- Single Carrier modulation) kết hợp với cân bằng miền tần số FDE (Frequency Domain Equalization), một dạng điều chế chứa tất cả các khối (block) giống nhau nhưng dịch chuyển IFFT từ thiết bị truyền tới thiết bị nhận  giảm can thiệp liên ký hiệu (ISI) 2/27/2017 110 SC-FDE • SC-FDE điều chế sóng mang tại máy phát/truyền  PAPR thấp • Tín hiệu đầu vào của OFDM là miền tần số, trong khi đó tín hiệu đầu vào của SC-FDE là miền thời gian 2/27/2017 111 SINGLE-CARRIER FDMA CONCEPT • Single-carrier FDMA (SC-FDMA) là phiên bản đa người dùng của SC-FDC • Tương tự như TDMA, FDMA, CDMA, và OFDMA; SC-FDMA phân công nhiều người dùng để cùng chia sẻ tài nguyên truyền thông 2/27/2017 112 SINGLE-CARRIER FDMA CONCEPT • Tính năng phân biệt của SC-FDMA là truyền đơn sóng mang, trong khi đó OFDMA truyền đa sóng mang • Lợi ích chính của SC-FDMA: – Giảm sự truyền tải điện năng tức thời – Có khả năng tăng khuye61ch đại năng lượng 2/27/2017 113 SINGLE-CARRIER FDMA CONCEPT • Cấu hình hệ thống trong SC-FDMA tương tự như trong OFDMA với việc bổ sung khối DFT và IDFT. • SC-FDMA dựa trên nguyên tắc cơ bản như SC-FDE, chỉ khác nhau ở chỗ SC-FDMA sử dụng cho bộ điều chế đa người dùng, SC-FDE sử dụng cho bộ điều chế đơn 2/27/2017 114 EXPLAINING SC-FDMA 2/27/2017 117 EXPLAINING SC-FDMA • Transmitter – Converts the input information bit stream into a parallel bit stream – Groups the bits into sets of m bits – The sets are mapped to M symbols where M = 2m • A block of K modulation symbols from some modulation alphabet, e.g. QPSK, 16-QAM or 64-QAM, is first applied to a size-K DFT . – The DFT block operates on chunks of symbols, each chunk containing K symbols 2/27/2017 118 EXPLAINING SC-FDMA • A K point DFT operation transforms the time domain symbols into the frequency domain. • Next, the transmitter maps the outputs of the DFT block to N orthogonal subcarriers where N > K and where the unused inputs of the IDFT are set to zero. • In a system with L user terminals, if all the terminals transmit K symbols per block, then N = K×L. 2/27/2017 119 EXPLAINING SC-FDMA • The output of the IDFT will be a signal with ‘single-carrier’ properties, i.e. a signal with low power variations, and with a bandwidth that depends on K. • If the DFT size K equals to the IDFT size N, the cascaded DFT and IDFT blocks would completely cancel out each other . • Typically, the inverse-DFT size N is selected as N=2n for some integer n to allow for the IDFT to be implemented by means of computationally efficient radix-2 IFFT . 2/27/2017 120 EXPLAINING SC-FDMA • After subcarrier mapping, an N point Inverse DFT (IDFT) operation is performed to generate a time domain signal. • The transmitter then adds the Cyclic Prefix (CP), containing the last part of the block of symbols, to the start of the block in order to prevent against Inter Block Interference (IBI). • Finally , after passing through the transmission filter for pulse shaping, the signal is transmitted. 2/27/2017 121 SUBCARRIER MAPPING • Controls the frequency allocation, and maps N discrete frequency tones to subcarriers for transmission. • Two types of SM in a SC-FDMA system – Localized (LFDMA): the M outputs of the DFT block from a particular terminal are mapped to a chunk of K adjacent subcarriers – Distributed (DFDMA): the symbols are mapped to subcarriers which are equally spaced across a particular part of the (or the entire) bandwidth. • Interleaved SC-FDMA (IFDMA) is a special case of DFDMA, where the chunk of K subcarriers occupy the entire bandwidth with a spacing of L − 1 subcarriers (where L is the number of users) 2/27/2017 122 SUBCARRIER MAPPING • In both of the subcarrier allocation methods, the transmitter assigns zero amplitudes to the remaining N-K unused subcarriers. 2/27/2017 123 SUBCARRIER MAPPING - EXAMPLE • For K = 4 symbols per block, N = 12 subcarriers, and L = 3 user terminals. • The input time domain symbols from user terminal L1 are x1, x2, x3 and x4, and X1, X2, X3 and X4 represent the outputs of the DFT blocks 2/27/2017 124 SUBCARRIER MAPPING - EXAMPLE 2/27/2017 125