Giáo trình Mạng không dây - Chương 4: Ký thuật đa truy cập - Trần Thị Minh Khoa

CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP (MULTIPLE ACCESS TECHNIQUES) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa AGENDA • Introduction • Contentionless Multiple Access • Contention Multiple Access • Hanging Multiple Access 2/27/2017 2 INTRODUCTION • Hệ thống không dây thường là những hệ thống đa người dùng (multi-users systems) • Sóng vô tuyến: – Hạn chế về băng thông – Hạn chế về số lượng kênh truyền • Sóng vô tuyến thường được chia sẽ cho nhiều người dùng • Kỹ thuật đa truy cập (Multiple Access Technique) được định nghĩa như một chức năng chia sẻ tài nguyên truyền thông (kênh truyền) giữa các thiết bị đầu cuối trong mạng 2/27/2017 3 CLASSIFICATION 2/27/2017 4 CONTENTIONLESS MULTIPLE ACCESS • Contentionless Multiple Access – Đa truy cập không tranh chấp • Contentionless based: – Cần 1 bộ điều khiển logic (BS-Base Station hoặc AP-Access Point) để phối hợp tất cả các kênh truyền. – Bộ điều khiển thông báo cho từng thiết bị khi nó có thể truyền trên kênh truyền. – Đụng độ (Collisions) có thể được tránh hoàn toàn. – Người dùng truyền tin với 1 thứ tự theo lịch trình  mỗi sự truyền tin sẽ thành công – Hai dạng truyền theo lịch trình: • Fixed assignment scheduling (Channelization) – Lịch phân công cố định • Demand assignment scheduling(Non-channelization) – Phân công theo nhu cầu 2/27/2017 5 CONTENTIONLESS MA PROTOCOLS • Fixed assignment scheduling – Phân công cố định – Dung lượng sẵn có của kênh truyền được chia cho các người dùng, mỗi người dùng được phân bố một phần dung lượng cố định phục vụ cho các hoạt động độc lập của người dùng. – Việc phân chia được thực hiện theo thời gian hoặc tần số. Vd: TDMA, FDMA 2/27/2017 6 CONTENTIONLESS MA PROTOCOLS • Demand assignment scheduling – Phân công theo nhu cầu – Một người dùng chỉ yêu cầu truyền thông nếu nó hoạt động (active)  Người dùng đang hoạt độn (Active/Ready user) truyền thông một cách có trật tự theo lịch trình. • Phân công theo nhu cầu với điều khiển tập trung, một thực thể đơn lập lịch cho việc truyền thông (Polling Protocol) • Phân công theo nhu cầu với điều khiển phân tán, tất cả người dùng đều tham gia vào quá trình lập kế hoạch, vd: giao thức token-passing protocol. 2/27/2017 7 CONTENTION-BASED MULTIPLE ACCESS • Contention-based MA – Đa truy cập tranh chấp • Các thiết bị đầu cuối truyền một cách phi tập trung. • Không có điều khiển trung tâm. • Nếu các “ready users” bắt đầu truyền thông tại cùng một thời điểm  tất cả các sự truyền thông đếu thất bại. • Các giao thức truy cập ngẫu nhiên (random access protocol) có thể xử lý vấn đề tranh chấp xuất hiện khi các người dùng truyền tải đồng thời. 2/27/2017 8 CONTENTION-BASED MULTIPLE ACCESS • Example: – ALOHA – Carrier Sense Multiple Access (CSMA) • Standard: – GSM uses the slotted ALOHA in the terminal’s initial access process – IEEE 802.11 uses CSMA based contention access scheme (CSMA/CA) 2/27/2017 9 CONTENTION-BASED TYPES • Two types – Repeated random access protocols – Random access with reservation • Repeated random access protocols – Với mỗi sự truyền thông có khả năng xảy ra cạnh tranh  lập lại quá trình truyền – Pure (P)-ALOHA, Slotted (S)-ALOHA, CSMA & its variants 2/27/2017 10 CONTENTION-BASED TYPES • Random access with reservation – Chỉ xảy ra với lần truyền đầu tiên khi thiết truyền không biết cách nào để tránh đụng độ với những thiết bị khác – Một khi truyền thành công lần đầu tiên, những lần truyền thông tiếp theo sẽ được lập lịch theo thứ tự để không xuất hiện tranh chấp. – Implicit: được thiết kế không cần sử dụng bất cứ gói tin đặt trước (reservation packet) – Explicit: một gói tin ngắn được gởi đi trước để yêu cầu lịch trình truyền. – Ex, Reservation ALOHA (R-ALOHA), packet reservation multiple access (PRMA), 2/27/2017 11 HANGING MULTIPLE ACCESS PROTOCOLS • CDMA type (Spread spectrum) protocols – Direct sequence (DS) CDMA – Frequency hopping (FH) CDMA – Time hopping (TH) CDMA • Subcarrier type protocols – Multi-carrier (MC) CDMA – OFDM-FDMA – OFDM-TDMA – OFDMA – Many others 2/27/2017 12 HANGING MULTIPLE ACCESS PROTOCOLS • Một số giao thức không thuộc bất cứ nhóm giao thức contentionless hoặc contention (vd: CDMA) mà nằm giữa 2 nhóm: – Nếu số lượng người dùng được phép truyền đồng thời mà không xung đột  contention-less protocol. – Tuy nhiên, nếu số lượng người dùng tăng vượt quá ngưỡng (threshold) contention occurs. 2/27/2017 13 CLASSIFICATION 2/27/2017 14 FOCUS 2/27/2017 15 CONTENTION-BASED MULTIPLE ACCESS (ĐA TRUY CẬP TRANH CHẤP) 2/27/2017 16 CONTENTION MULTIPLE ACCESS • ALOHA – Pure (P) ALOHA – Slotted (S)-ALOHA • CSMA (Carrier Sense Multiple Access) – CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) – CSMA/CA/ACK – CSMA/CA with RTS/CTS 2/27/2017 17 ALOHA Pure (P) ALOHA Slotted (S)-ALOHA 2/27/2017 18 ALOHA • Pure ALOHA – Được ĐH Hawaii phát triển năm 1970, sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh ở Thái Bình Dương – Là một chương trình truyền thông đơn giản, trong đó: • mỗi nguồn (transmitter/sender) trong mạng sẽ gởi dữ liệu bất cứ khi nào có nhu cầu • Sender nhận biết quá trình truyền thành công hoặc phát hiện đụng độ bằng cách lắng nghe từ tín hiệu từ trạm đích (destination/receiver). • Nếu có đụng độ, sender sẽ truyền lại sau 1 khoảng thời gian ngẫu nhiên. 2/27/2017 19 ALOHA • Slotted ALOHA – Cải tiến: Chia thời gian thành từng slot và mỗi gói tin chỉ được truyền tại đầu mỗi slot –  giảm thời gian va chạm 2/27/2017 20 PURE ALOHA • Collision mechanism in ALOHA 2/27/2017 21 FRAMES IN A PURE ALOHA NETWORK 2/27/2017 22 PROCEDURE FOR PURE ALOHA PROTOCOL 2/27/2017 23 SLOTTED ALOHA • Collision mechanism in slotted ALOHA 2/27/2017 24 FRAMES IN A SLOTTED ALOHA NETWORK 2/27/2017 25 PURE ALOHA VERSUS SLOTTED ALOHA 2/27/2017 28 CSMA: CARRIER SENSE MA (ĐA TRUY CẬP NHẬN BIẾT SÓNG MANG) Review of CSMA/CD CSMA/CA CSMA/CA/ACK CSMA/CA with RTS/CTS 2/27/2017 29 CSMA (CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS) • Trước khi truyền, thiết bị lắng nghe liệu có sóng mang trên kênh truyền hay không – Nếu có sóng mang, thiết bị chờ một thời gian back-off ngẫu nhiên sau đó mới truyền dữ liệu – Nếu không có sóng mang, thiết bị bắt đầu quá trình truyền. • Detection delay là thời gian cần thiết để một thiết bị lắng xem kênh truyền có rảnh rỗi (idle) hay không. • Propagation delay là khoảng thời gian để 1 gói tin truyền từ base station (BS) tới a mobile station (MS). 2/27/2017 30 CSMA (CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS) • Nhìn lại: – CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) • Cải thiện: Ngừng việc truyền liên tục nếu phát hiện đụng độ. – CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) • Cải thiện: Chờ một thời gian ngẫu nhiên sau đó thử lại khi sóng mang ở trạng thái yên tĩnh (quiet). – CSMA/CA with ACK (đáng tin cậy hơn) – CSMA/CA with RTS/CTS (giải quyết vấn đề thiết bị ẩn hidden terminal problem) 2/27/2017 31 COLLISION MECHANISM IN CSMA 2/27/2017 32 TYPES OF CSMA (ACCESS MODES) 2/27/2017 33 NON-PERSISTENT CSMA • Step 1: Nếu kênh truyền đang rảnh (idle), truyền ngay lập tức với xác suất p=1 • Step 2: Nếu kênh truyền đang bận (busy), chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên và lặp lại Step 1 – Random backoff giảm xác suất xảy ra đụng độ – Tốn thời gian rảnh nếu thời gian backoff quá dài 2/27/2017 34 BEHAVIOR OF NON-PERSISTENT CSMA 2/27/2017 35 P-PERSISTENT CSMA • Step 1: Nếu kênh truyền = idle, truyền với xác suất p. • Step 2: Nếu sự truyền thông bị trì hoãn 1 slot thời gian (p=1- p), tiếp tục Step 1 • Step 3: Nếu kênh truyền = busy, tiếp tục lắng nghe đến khi kênh truyền = idle, quay lại Step 1 2/27/2017 36 BEHAVIOR OF P-PERSISTENT CSMA 2/27/2017 37 1-PERSISTENT CSMA • Step 1: Nếu kênh truyền = idle, truyền ngay lập tức • Step 2: nếu kênh truyền = busy, tiếp tục lắng nghe tới khi kênh truyền = idle, và truyền ngay lập tức – Sẽ luôn xuất hiện đụng độ nếu 2 nodes muốn tái truyền (thông thường thì người dùng sẽ dừng lại sau khi thử vài lần) 2/27/2017 38 BEHAVIOR OF 1-PERSISTENT CSMA 2/27/2017 39 HOW TO SELECT PROBABILITY P? • Giả sử có N nodes và kênh truyền đang bận (busy) – Thì Np là số lượng node muốn thử truyền tin một khi kênh truyền rảnh (idle) • Nếu Np > 1 thì đụng độ có khả năng xảy ra – Vì vậy, mạng phải duy trì Np<=1 để tránh đụng độ. – Lúc này N là số node tối đa có thể hoạt động tại 1 thời điểm. 2/27/2017 40 THROUGHPUT COMPARISON 2/27/2017 41 S: T h ro u gh p u t G: Traffic Load PROBLEMS IN WIRELESS NETWORKS • Giảm cường độ tín hiệu • Sự can thiệp từ các nguồn khác • Đa đường truyền 2/27/2017 42 CSMA/CD • Đụng độ được phát hiện trong thời gian ngắn • Khi đụng độ thì mọi sự truyền thông đều bị hủy  giảm lãng phí kênh truyền • Phát hiện đụng độ: – DỄ trong wired LANs: đo cường độ tín hiệu, so sánh truyền thông, tín hiệu nhận – KHÓ trong wireless LANs: cường độ tín hiệu nhận bị áp đảo bởi cường độ truyền nội bộ 2/27/2017 43 CSMA/CD • Problems in wireless networks: – Sender có thể áp dụng CS và CD nhưng đụng độ xảy ra tại receiver. – Sender có thể không biết được có đụng độ, i.e., CD không hoạt động – CS cũng có thể không hoạt động trong trường hợp thiết bị ẩn (hidden terminal problem) 2/27/2017 44 CSMA/CA • Carrier sense multiple access with collision avoidance CSMA/CA , còn được gọi là distributed coordination function (DCF) • Cải thiện hiệu suất của CSMA bằng cách không cho node thực hiện quá trình truyền thông nếu có một node khác đang trong quá trình truyền – Khi một node muốn truyền lắng nghe kênh truyền – Nếu kênh truyền = idle, node có thể thực hiện việc truyền tin – Ngược lại, chờ đến khi quá trình truyền hiện tại hoàn thành 2/27/2017 45 CSMA/CA • Đối với việc tránh va chạm (collision avoidance), sử dụng kỹ thuật backoff và RTS/CTS • CSMA/CA cũng bao gồm việc trì hoãn hoạt động như là một chương trình ưu tiên – DIFS: DCF inter-frame space định nghĩa thời gian 1 kênh truyền phải được rảnh (idle) trước khi transmitter bắt đầu quá trình truyền thông – SIFS: short inter-frame space (SIFS < DIFS) định nghĩa thời gian receiver chờ trước khi gởi ACK hoặc các câu trả lời khác 2/27/2017 46 CSMA/CA PROCEDURES 1. A station with a frame to transmit senses the medium. If the medium is idle, it waits to see if the medium remains idle for a time equal to DIFS. If so, the station may transmit immediately. 2/27/2017 47 CSMA/CA PROCEDURES 2. If the medium is busy, the station defers transmission and continues to monitor the medium until the current transmission is over . 3. Once the current transmission is over, the station delays another DIFS. – If the medium remains idle for this period, then the station backs off a random amount of time (collision avoidance, multiple time-slot) and again senses the medium. – If the medium is still idle, the station may transmit. – During the backoff time, if the medium becomes busy, the backoff timer is halted and resumes when the medium becomes idle (fairness). 2/27/2017 48 CSMA/CA PROCEDURES 4. If the transmission is unsuccessful, which is determined by the absence of an acknowledgement, then it is assumed that a collision has occurred. 2/27/2017 49 HIDDEN TERMINAL PROBLEM • B nằm trong vùng phủ sóng của A và C • A, C không nằm trong vùng phủ sóng của nhau • A đang giao tiếp với B, nhưng C cũng có thể giao tiếp với B  đụng độ tai B • Do C nằm ngoài vùng phủ sóng của A, C không nhận biết được A và B đang giao tiếp với nhau • A là hidden terminal đ/với C 2/27/2017 50 EXPOSED TERMINAL PROBLEM • A, D ngoài vùng phủ sóng của nhau • B, C nằm trong vùng phủ sóng của nhau • A đang giao tiếp với B C không thể giao tiếp với D • Tuy nhiên, C vẫn có thể giao tiếp với D nếu C nằm ngoài vùng phủ sóng của B • C là exposed terminal đ/với B 2/27/2017 51 SOLUTION: THREE WAY HANDSHAKE • RTS/CTS (Request To Send/ Clear To Send) là những gói tin nhỏ chứa thông tin về chiều dài dữ liệu cần gửi. • Một sender bất kỳ khi muốn gởi dữ liệu cho 1 receiver – Gởi RTS để thăm dò xem có thể xảy ra đụng độ tại receiver hay không – Bất kỳ node nào nếu nghe lỏm được RTS  hoãn tất cả các sự truyền của node đó lại đến khi sender nhận được CTS từ receiver 2/27/2017 52 RELIABILITY – ĐỘ TIN CẬY • Use acknowledgements (ACKs)  Four-Way Handshake – Sender sends Request-to-Send (RTS) – Receiver responds with Clear-to-Send (CTS) – Sender sends Data Packet – Receiver acknowledge with ACK 2/27/2017 53 RELIABILITY – ĐỘ TIN CẬY • Notes: – RTS và CTS thông báo khoảng thời gian truyền dữ liệu – Những node nghe lỏm được RTS/CTS sẽ giữ im lặng trong khoảng thời gian đó – Sender sẽ gởi lại RTS nếu nó không nhận được ACK • Nếu ACK đả được gởi đi nhưng sender không nhận được, sau khi nhận được RTS mới, receiver sẽ gởi ACK thay vì RTS hay CTS 2/27/2017 54 3-WAY HANDSHAKE & 4-WAY HANDSHAKE 2/27/2017 55 CONTENTIONLESS MULTIPLE ACCESS 2/27/2017 56 CONTENTIONLESS MULTIPLE ACCESS • Duplex systems: FDD/TDD/CDD • TDMA – Time Division Multiple Access • FDMA – Frequency Division Multiple Access • CDMA – Code Division Multiple Access – Spread spectrum modulation: DSSS, FHSS 2/27/2017 57 DUPLEXING – HAI CHIỀU • Duplexing là sự giao tiếp 2 chiều cùng lúc: BS tới mobile và mobile tới BS • Duplexing được thực hiện sử dụng tần số (frequency) hoặc những kỹ thuật miền thời gian (time domain techniques) : – Frequency division duplexing (FDD) – Time division duplexing (TDD) – Code division duplexing (CDD) • FDD thích hợp cho hệ thống giao tiếp vô tuyến • TDD thích hợp cho hệ thống mạng không dây cố định 2/27/2017 58 FREQUENCY DIVISION DUPLEXING (FDD) • Forward Channel and Reverse Channel sử dụng các băng tần số khác nhau 2/27/2017 59 TIME DIVISION DUPLEXING (TDD) • Một kênh tần số duy nhất được sử dụng. Kênh truyền được chia thành nhiều slot thời gian. Trạm di động và BS truyền trên các slot thời gian luân phiên. 2/27/2017 60 CODE DIVISION DUPLEXING (CDD) 2/27/2017 61 DUPLEX VS. MULTIPLE ACCESS 2/27/2017 62 MODELS FOR MULTIPLE DIVISIONS • Tín hiệu vô tuyến là một hàm theo tần số, thời gian và mã (code): s(f,t,c) = s(f,t) c(t) • Trong đó s(f,t) là hàm theo tần số và thời gian, c(t) là hàm theo mã – Sd các tần số khác nhau để truyền 1 tín hiệu: FDMA – Sd slot thời gian khác biệt: TDMA – Sd mã khác nhau: CDMA 2/27/2017 63 FREQUENCY DIVISION MA (FDMA) • FDMA là kỹ thuật đa truy cập đầu tiên cho các hệ thống di động. • Tách băng tần lớn (độ rộng Bt) thành n băng tầng con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh truyền riêng có độ rộng băng tần là Bt/n. Mỗi kênh truyền có khả năng hỗ trợ người dùng. • Guard bands (băng tần bảo vệ) được dùng để ngăn chặn sự can thiệp đồng kênh 2/27/2017 64 ADVANTAGES OF FDMA • Thuật toán đơn giản • Tương đối hiệu quả khi số lượng node ít và giao thông không đổi • Việc tăng dung lượng có thể thực hiện được thông qua việc giảm tốc độ bit của thông tin và sử dụng mã kỹ thuật số. • Không giới hạn loại băng tần cơ bản hoặc loại điều chế. 2/27/2017 65 DISADVANTAGES OF FDMA • Nếu kênh truyền đã cấp cho một người dùng là nhàn rỗi, nó không được người dùng khác sử dụng lãng phí tài nguyên • Băng thông của kênh truyền tương đối hẹp • Tốc độ bit tối đa cho mỗi kênh là cố định • Không có sự khác biệt lớn với hệ thống analog 2/27/2017 66 TIME DIVISION MA (TDMA) • Người dùng được sử dụng toàn bộ băng thông có sẵn trong khoảng thời gian nhất định • Nhiều người dùng được phân bố những slot thời gian trong 1 kênh truyền, cho phép chia sẻ một kênh truyền duy nhất • Mỗi người dùng có cơ hội truyền và nhận dữ liệu trong 1 vòng thời gian • Yêu cầu đồng bộ hóa thời gian (time synchronization) 2/27/2017 67 TDMA ADVANTAGES • Kéo dài tuổi thọ pin và thời gian giao tiếp • Hiệu quả hơn FDMA trong việc sử dụng trải phổ (spectrum) • Có thể chứa nhiều người dùng trong cùng một không gian quang phổ hơn hơn hệ thống FDMA 2/27/2017 68 TDMA DISADVANTAGES • Can thiệp đa đường ảnh hưởng tới chất lượng cuộc gọi • Rớt cuộc gọi có thể xảy ra do người dùng di chuyển từ vùng (cell) này sang vùng khác • Ít người sử dụng nhiều kênh truyền nhàn rỗi • Chi phí cao hơn do thiết bị phức tạp hơn 2/27/2017 69 CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS (CDMA) • CDMA là kỹ thuật trải phổ nhằm tăng hiệu quả quang phổ. • Các mã trải phổ trực giao với nhau được chọn và gán cho từng người dùng, và đa người dùng chia sẻ cùng một tần số 2/27/2017 70 CDMA : STRUCTURE OF SYSTEM 2/27/2017 71 CDMA: WALSH CODE • Walsh codes (hay Walsh-Hadamard codes) là tập hợp những mã trực giao hoàn chỉnh sử dụng để tách những người dùng trên kênh truyền downlink trong hệ thống CDMA • Mã Walsh được sử dụng trong những hệ thống DSSS (vd: IS- 95, CDMA 2000,) • Cũng được sử dụng trong hệ thống FHSS để chọn tần số cho bước tiếp theo 2/27/2017 72 CDMA: WALSH CODE • Các mã Walsh có thể được lặp đi lặp lại. Dưới đây là một minh họa đơn giản của một cây mã Walsh nhị phân. 2/27/2017 73 CDMA: WALSH CODE • Mã Walsh được tạo ra từ những dòng của ma trận Hadamard tương ứng • Các giá trị toán học được ánh xạ tới thành các dữ liệu nhị phân • Vì vậy, 0 được ánh xạ tới 1, và 1 ánh xạ tới -1 2/27/2017 74 CDMA: WALSH CODE • This means the kth row of the H(n) Hadamard matrix is: 2/27/2017 75 • The basic set of Walsh codes is the set of four patterns 0000, 0101, 0011, 0110 H(0) = 1 W(0,0) = 1 𝐻 2 = 1 1 1 −1 W(0,2) = 1,1 W(1,2) = 1,-1 𝐻4 = 1 1 1 1 1 −1 1 −1 1 1 −1 −1 1 −1 −1 1 W(0,4) = 1,1,1,1 W(1,4) = 1,-1,1,-1 W(2,4) = 1,1,-1,-1 W(3,4) = 1,-1,-1,1 CDMA: WALSH CODE 2/27/2017 76 CDMA: WALSH CODE 2/27/2017 77 NEAR-FAR PROBLEM 2/27/2017 78 Do khoảng cách từ mobile stations tới BS là khác nhau tín hiệu nhận được tại BS cũng khác nhau ADVANTAGES OF CDMA • Nhiều người dùng có thể sử dụng cùng một tần số • Băng thông lớn hiện tượng multipath fading có thể được giảm đáng kể • Không giới hạn số lượng người dùng • Dễ dàng thêm người dùng vào hệ thống • Khó giải mã các đoạn tốt an toàn • Chất lượng tín hiệu tốt hơn • Không xảy ra tình trạng rớt mạng khi người dùng di chuyển giữa các cells. 2/27/2017 79 DISADVANTAGES OF CDMA • Chất lượng dịch vụ tổng thể có thể giảm do số lượng người dùng tăng • Tự gây nhiễu (Self-jamming) • Phát sinh Near- Far problem 2/27/2017 80 HANGING MULTIPLE ACCESS 2/27/2017 81 HANGING MULTIPLE ACCESS • OFDMA (Orthogonal FDMA) – OFDM – Multi-user OFDM – OFDMA • SC-FDMA (Single Carrier FDMA) – SC-FDE – SC- FDMA • OFDMA vs. SC-FDMA 2/27/2017 82 OFDM • OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) – điều chế kỹ thuật số đa sóng mang trong đó sử dụng số lượng lớn các sóng mang phụ trực giao gần nhau  Phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu  Hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường • Mỗi sóng mang con được điều chế bởi một hệ điều chế thông thường (như: QPSK, 16QAM, 64QAM) 2/27/2017 83 OFDM • Nguyên tắc cơ bản: – Chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). – N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời – Ở phía quá trình thu tin thì ngược lại. 2/27/2017 84 OFDM 2/27/2017 85 Sơ đồ quá trình phát tin OFDM OFDM ADVANTAGES • Hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể • Có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao • Tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) • Giảm ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI • Ít can thiệp đa đường • Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT  chi phí thấp 2/27/2017 86 OFDM DISADVANTAGES • Nhạy với offset tần số – Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ – Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số • Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI • Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn 2/27/2017 87 OFDM FOR MULTI-USER COMMUNICATIONS • Tìm ra kiểu đa kết nối phù hợp với từng dữ liệu người dùng cho một khối điều chế 2/27/2017 88 OFDM MULTIPLE ACCESS SCHEMES 2/27/2017 89 OFDM-TDMA • Với mỗi khối điều chế OFDM, mỗi người dùng được phân bố tất cả các sóng mang con với 1 số lượng 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 • FFT số phép nhân còn 𝑁𝑙𝑜𝑔2𝑁 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