Một cách để tăng tổng băng thông truyền dẫn mà không làm hại tín hiệu do chọn lọc tần số kênh vô tuyến là sử dụng truyền dẫn đa sóng mang. Như được mô tả trên hình 2.11, trong truyền dẫn đa sóng mang, thay vì truyền một tín hiệu băng rộng, nhiều tín hiệu băng hẹp (thường được gọi là các sóng mang con) được ghép kênh theo tần số và được truyền đồng thời trên cùng một đường truyền vô tuyến đến cùng một máy thu. Bằng cách phát N tín hiệu song song trên cùng một đường truyền vô tuyến, có thể tăng tốc độ số liệu tổng lên N lần. Khi này ảnh hưởng gây hại đối tín hiệu do chọn lọc tần số kênh vô tuyến phụ thuộc vào băng thông khá hẹp của từng sóng mang con. Ảnh hưởng này không khác gì ảnh hưởng đối với sơ đồ truyền dẫn băng hẹp có băng thông tương đương với băng thông của từng sóng mang con.
Ph ân kê nh Hình 2.11. Mở rộng đến truyền dẫn băng thông rộng hơn bằng đa sóng mang
Chương 2: Truyền dẫn tốc độ số liệu cao… 73
Nhược điểm của kiểu phát triển truyền dẫn đa sóng mang trên hình 2.11 là khi mở rộng một công nghệ truy nhập vô tuyến băng hẹp hiện có vào một băng thông truyền dẫn rộng hơn bằng cách truyền dẫn song song N sóng mang băng hẹp là phải ghép các băng thông sóng mang con này phân cách nhau để chúng không gây nhiễu cho nhau. Điều này ảnh hưởng tiêu cực lên hiệu suất sử dụng băng thông.
(
)
1 1 1 2 2 1 , | | | | 1 ( ) 1 cos , | | 2 . 0 , | | ≤ ⎧ ⎪ ⎛ ⎞ − ⎛ ⎞ ⎪ Φ =⎨ ⎜⎜ + ⎜ ⎟⎟⎟ ≤ ≤ ⎝ ⎠ ⎪ ⎝ ⎠ ⎪ > ⎩ cr f f f f f f f f f f f π α Z 1 .(
1)
2 .(
1)
2 2 − + = cr = cr f f α f f α Bw =2.f2 = fcr.(1−α) 4,7= MHzHình 2.12. Phổ của WCDMA, khuôn dạng cosin tăng với α=0,22
Ví dụ ta xét sự phát triển đa sóng mang cho WCDMA (sơ đồ này được gọi là MC-WCDMA) cho việc truyền dẫn băng thông rộng hơn.
74 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
WCDMA có tốc độ chip Rc = 3,84Mchip/s tương đương với tần số fcr = 3,84MHz. Tuy nhiên do việc tạo dạng phổ, thậm chí phổ lý thuyết của WCDMA (không kể sự mở rộng phổ do sự không hoàn thiện của máy phát) có độ rộng lớn hơn 3,84MHz. Chẳng hạn như trên hình 2.12, nếu phổ WCDMA có dạng cosin tăng với độ dốc α = 0,22, thì độ rộng băng tần của nó cũng bằng Bw = (1+0,22)3,84MHz = 4,7MHz.
Đối với MC-WCDMA, khoảng cách giữa các sóng mang con phải bằng 4,7MHz để tránh nhiễu giữa các sóng mang con. Cần lưu ý rằng cũng có thể sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang con nhỏ hơn với điều kiện nhiễu giữa các sóng mang con phải giới hạn.
Nhược điểm thứ hai của truyền dẫn đa sóng mang là tương tự như điều chế bậc cao, truyền dẫn song song nhiều sóng mang con sẽ dẫn đến các thay đổi công suất tức thời lớn hơn. Vì thế truyền dẫn đa sóng mang cũng sẽ dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực lên hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. Một giải pháp cho vấn đề này là giảm công suất trung bình, nghĩa là giảm dải động tín hiệu đối với một tốc độ số liệu cho trước. Vì thế tương tự như việc sử dụng điều chế bậc cao, truyền dẫn đa sóng mang thích hợp hơn đối với đường xuống (truyền dẫn đầu cuối di động) do tầm quan trọng của việc đảm bảo hiệu suất bộ khuếch đại công suất tại đầu cuối di động cao hơn.
Ưu điểm chính của kiểu phát triển đa sóng mang như hình 2.11 là đảm bảo sự phát triển rất từ từ về cả thiết bị lẫn phổ tần của các công nghệ truy nhập vô tuyến đến băng thông truyền dẫn rộng hơn nhất là đối với đường xuống. Điều quan trọng là có thể thiết kế đa sóng mang theo hướng phát triển lên truyền dẫn băng rộng nói trên mà vẫn cho phép sử dụng các thiết bị hiện có không có khả năng thu đa sóng mang với điều kiện mỗi sóng mang con đường xuống thể hiện như một sóng mang băng hẹp, trong khi đó đối với các đầu cuối di động đa sóng mang, mạng có thể cung cấp cho nó toàn bộ băng thông đa sóng mang để truyền tốc độ số liệu cao hơn.
Chương 2: Truyền dẫn tốc độ số liệu cao… 75
Hình 2.13. Nguyên lý OFDM áp dụng cho đường xuống của LTE
0 f f1 fN−2fN−1 Ký hiệu vào 0 f f1 fN−2fN−1 f f Ký hiệu thu
Lấy mẫu Lấy mẫu
IFFT FFT f 0 f 1 f 2 N f − 1 N f − t f 0 f 1 f 2 N f − 1 N f − t
Máy phát Máy thu
Kênh
76 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
Một giải pháp sử dụng truyền đa sóng mang cho phép tiết kiệm băng thông là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex: ghép kênh phân chia theo tần số trực giao). LTE sử dụng giải pháp này cho đường xuống. Nguyên lý tổng quát OFDM trong trường hợp này được minh họa trên hình 2.13. Quá trình biến đổi IFFT và FFT được tóm tắt trên hình 2.14.
Đối với đường lên để giảm ảnh hưởng của tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power) lớn ở OFDM, đường lên sử dụng một phương án cải tiến của OFDM cho phép truyền tín hiệu giống như đơn sóng mang với tên gọi DFTS OFDM (OFDM Sread DFT: OFDM trải phổ bằng DFT) hay còn được gọi là SC-FDMA (Single Carrier- Frequency Division Multiple Access: đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) được minh họa trên hình 2.15.
Hình 2.15. Nguyên lý DFTS OFDM hay SC-FDMA
Trong chương 3 ta sẽ xét chi tiết về việc sử dụng truyền dẫn đa sóng mang dựa trên OFDM cho đường xuống và đơn sóng mang SC-FDMA cho đường lên.
Chương 2: Truyền dẫn tốc độ số liệu cao… 77
2.6. TỔNG KẾT
Chương này đã xét các nguyên nhân hạn chế truyền dẫn băng rộng trong các hệ thống thông tin vô tuyến và các giải pháp khắc phục. Truyền dẫn tốc độ cao (băng rộng) có thể bị giới hạn bởi các yếu tố sau:
- Băng thông hạn chế - Tạp âm
- Nhiễu
- Méo dạng tín hiệu do ảnh hưởng phađinh chọn lọc tần số của đường truyền
Đối với trường hợp thứ nhất khi công suất tín hiệu thu còn đủ lớn ta có thể:
- Sử dụng điều chế bậc cao
- Các sơ đồ đa anten dựa trên ghép kênh không gian. Đối với trường hợp thứ hai ta có thể:
- Giảm kích thước ô để giảm cự ly phủ sóng dẫn đến tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm vì thế cho phép đạt được các tốc độ số liệu cao hơn
- Kết hợp hợp lý các tín hiệu thu tại nhiều anten sẽ tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm sau kết hợp anten
- Sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát sẽ tập trung công suất phát về phía máy thu đích và vì thế tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
Đối với trường hợp thứ ba ta có thể sử dụng các biện pháp sau: - Giảm kích thước ô sẽ giảm số người sử dụng và vì thế sẽ giảm
lưu lượng trên một ô. Nhờ vậy giảm mức nhiễu tương đối và vì thế cho phép đạt được các tốc độ số liệu cao hơn
78 Giáo trình Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G
- Kết hợp hợp lý các tín hiệu thu tại nhiều anten sẽ tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu sau kết hợp anten
- Sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát sẽ tập trung công suất phát về phía máy thu đích và dẫn đến giảm nhiễu lên các đường truyền vô tuyến khác, do đó cải thiện tổng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong hệ thống.
Đối với trường hợp thứ tư ta có thể:
- Sử dụng truyền dẫn đơn sóng mang kết hợp với bộ cân bằng tại máy thu
- Sử dụng truyền dẫn đa sóng mang đặc biệt là OFDM
2.7. CÂU HỎI
1. Trình bày các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn tốc độ số liệu cao . 2. Trình bày truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong băng thông hạn chế và
điều chế bậc cao.
3. Trình bày các ảnh hưởng của môi trường truyền sóng lên truyền dẫn không dây băng rộng.
4. Trình bày nguyên lý cân bằng chống phađinh chọn lọc tần số. 5. Trình bày nguyên lý truyền dẫn đa sóng mang cho không dây băng
rộng.
6. Khi đầu cuối di động ở gần trạm gốc nên sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao hay bậc thấp, tại sao?
7. Có nên sử dụng ghép kênh không gian khi đầu cuối ở xa trạm gốc hay không, tại sao?
8. Khi tạp âm cao để vẫn đảm bảo truyền dẫn tốc độ số liệu cao ta cần làm gì?
9. Khi nhiễu cao để vẫn đảm bảo truyền dẫn tốc độ cao ta cần làm gì? 10. Để giảm ảnh hưởng phađinh chọn lọc tần số dẫn đến nhiễu giữa