Bài giảng Mạng không dây - Chương 4: Kỹ 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