Ứng dụng phương pháp SC-FDMA để giảm PAPR trong truyền dẫn không dây tốc độ cao

ời gian và tích chập dịch vòng 
thời gian rời rạc trong bộ biến đổi fourier nhanh. Vì 
thế số liệu được phát qua kênh có thể được mô 
hình như tích chập dịch vòng giữa đáp ứng xung 
kim và khối dữ liệu được truyền, mà trong miền 
tần số là nhân theo từng điểm của các mẫu biến 
đổi fourier rời rạc. Lúc này để loại bỏ méo kênh, 
tại máy thu ta chỉ cần chia biến đổi fourier rời rạc 
của tín hiệu thu cho biến đổi fourier rời rạc của đáp 
ứng xung kim theo từng điểm hoặc cũng có thể sử 
dụng kỹ thuật cân bằng miền tần số phức tạp hơn. 
Trong hệ thống SC-FDMA các kí hiệu dữ liệu miền 
thời gian được truyền sang miền tần số với việc 
biến đổi fourier rời rạc (DFT) trước khi thông qua 
điều chế OFDM, trong miền thời gian các kí hiệu 
được xắp sếp lên trên một khung và được truyền 
liên tiếp trong miền thời gian.
Hình 2.Thuộc tính đơn sóng mang của SC-FDMA
Nếu kích thước P của DFT bằng kích thước N 
của biến đổi ngược fourier nhanh (IFFT) thì các 
khối DFT và IFFT sẽ loại trừ nhau. Tuy nhiên, nếu 
P<N và các đầu vào IFFT còn lại được đặt bằng 
không thì tín hiệu đầu ra IFFT sẽ là một tín hiệu có 
thuộc tính "đơn sóng mang", nghĩa là một tín hiệu 
có thay đổi công suất ít và bĕng thông phụ thuộc 
vào P. Lợi ích đầu tiên SC-FDMA so với OFDM và 
cũng là quan trọng nhất chính là PAPR thấp hơn 
khá nhiều, khi PAPR thấp làm tĕng hiệu suất của 
bộ khuyếch đại công suất và từ đó tĕng vùng phủ 
[8, 9, 10].
3. PHỔ TÍN HIỆU SC-FDMA 
Để giảm sự biến thiên của tín hiệu SC-FDMA, 
14
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
giảm bức xạ nĕng lượng tín hiệu ngoài bĕng, tín 
hiệu SC-FDMA được tạo dạng phổ có hình chữ 
nhật. Sơ đồ tạo dạng phổ như hình 3 [2, 5].
Hình 3. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA
Sau xử lý DFT kích thước P cho các kí hiệu điều 
chế, tín hiệu được định kì trải rộng trong miền 
tần số. Sau đó quá trình tạo dạng phổ được thực 
hiện bằng cách nhân các mẫu tần số với hàm tạo 
dạng phổ. Hàm tạo dạng phổ thông thường là hàm 
Raise-cosin [2].
Miền tần số:
Trong đó: 
T: chu kì kí hiệu; 
a: hệ số dốc (Rolloff). a thay đổi từ 0÷1, dùng a 
để điều khiển sự bức xạ ngoài bĕng. Nếu a = 0, 
không tạo ra bức xạ ngoài bĕng, nếu a tĕng bức 
xạ ngoài bĕng tĕng, trong miền thời gian xung có 
thùy vùng cao hơn khi a tiến gần tới 0 làm tĕng 
công suất đỉnh cho phát tín hiệu sau dạng phổ. 
Sau khi tín hiệu được trải phổ sẽ được đưa lên bộ 
IFFT và chèn thêm tập kí tự.
Hình 4. Phân bố PAPR với hệ số a
Hình 4 cho thấy việc tao dạng phổ cho phép giảm 
hơn nữa sự biến đổi công suất của tín hiệu phát 
nhờ vậy đạt đươc hiệu suất của bộ khuyếch đại 
(𝑡𝑡) = sin (𝜋𝜋𝑡𝑡𝑇𝑇 + ∙ cos(𝜋𝜋𝑡𝑡/𝑇𝑇)1 − 4 ∙ 𝛼𝛼! ∙ 𝑡𝑡!/𝑇𝑇! 
(3)
(2)
1 0 | | 2
1 1 1( ) 1 os (| | ) | |2 2 2 2
10 | | 2
T f T
T TP f c f fT T T
f T
a
p a a a
a
a
-ì £ £ïï ì - ü - +ï é ù
= + - £ £í í ýê úë ûî þïï +³ïî
Bĕng thông: 5MHz
Sóng mang con: 128
công suất cao hơn [2]. Tuy nhiên, nhược điểm của 
tạo dạng phổ là giảm hiệu suất sử dụng phổ tần do 
phổ trở nên rộng hơn trong khi bĕng thông không 
đổi. Ví dụ như trên hình 5 minh họa cho trường 
hợp hệ số a = 0,15 có nghĩa bĕng thông tĕng thêm 
15% so với không tạo dạng phổ. Vì thế tạo dạng 
phổ chỉ áp dụng cho các trường hợp bị hạn chế 
công suất do công suất phát chứ không phải là do 
phổ tài nguyên hiếm. Khi này việc thay đổi công 
suất phát nhờ tạo dạng phổ cho phép cải thiện cự 
ly đường truyền.
Hình 5. Miền thời gian và tần số bộ lọc Raise-cosin
4. SẮP XẾP CÁC SÓNG MANG CỦA SC-FDMA 
[2, 5, 6]
Thông lượng của SC-FDMA phụ thuộc vào cách 
sắp đặt các ký hiệu thông tin lên các sóng mang 
con. Có hai cách sắp xếp các sóng mang con giữa 
các máy đầu cuối. Đó là khoanh vùng (LFDMA: 
Localized SC-FDMA) và phân bố (DFDMA: 
Distributed FDMA).
Trong SC-FDMA khoanh vùng (LFDMA: Localized 
SC-FDMA), mỗi đầu cuối sử dụng một tập sóng 
mang con liền kề để phát đi ký hiệu của mình. Vì 
thế bĕng thông truyền dẫn LFDMA bằng một phần 
bĕng thông hệ thống. 
Trong SC-FDMA phân bố (DFDMA: Distributed 
FDMA), các sóng mang dành cho một đầu cuối 
được phân bố trên toàn bộ bĕng tần tín hiệu. Một 
phương án của DFDMA được gọi là FDMA đan 
xen (IFDMA: Interleaved SC-FDMA), trong đó 
các sóng mang con được chiếm cách đều nhau 
trường hợp N = Q∙P. 
Xét về khả nĕng đề kháng đối với lỗi truyền dẫn, 
SC-FDMA phân bố có khả nĕng đề kháng pha 
đinh chọn lọc tần số tốt hơn SC-FDMA khoanh 
vùng vì thông tin cần truyền được trải rộng trên 
toàn bộ bĕng tần tín hiệu. Do vậy, nó sẽ cung cấp 
khả nĕng phân tập tần số. Trái lại LFDMA cho 
phép đạt được phân tập người sử dụng khi xảy ra 
pha đinh chọn lọc tần số nếu nó ấn định cho từng 
người sử dụng phần bĕng tần trong đó người sử 
dụng có được đặc trưng truyền dẫn tốt nhất (độ 
lợi kênh cao). 
DAC
DFT 
(P)
Trải 
rộng 
băng 
thông
IFT
(N)
P
Chèn 
CP
Tạo dạng phổTrải rộng băng thông
15
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Đối với IFDMA, các kí hiệu thời gian chỉ là lặp lại 
của các kí hiệu đầu vào gốc với quay pha hệ thống 
được áp dụng cho từng kí hiệu trong miền thời 
gian, vì thế PAPR của kí hiệu SC-FDMA giống như 
trường hợp tín hiệu đơn sóng mang thông thường. 
Trong trường hợp LFDMA, tín hiệu thời gian là các 
bản sao chính xác của các kí hiệu thời gian đầu 
vào trong P vị trí mẫu. N-P là tổng có trọng số của 
tất cả các kí hiệu trong khối vào.
5. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH PAPR CỦA SC-
FDMA VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Hình 6. Giao diện chính của chương trình 
mô phỏng PAPR
Các kí hiệu được sử dụng cho mô phỏng: 
{xp : p = 0, 1, 2,, P-1} là các kí hiệu được điều chế.
{Xn: n = 0, 1, 2,, P-1} là các mẫu miền tần số sau bộ DFT của các tín hiệu. 
{Xi: i = 0, 1, 2,,N-1 } là các kí hiệu miền tần số sau khi sắp xếp các sóng mang.
Và {xi: i = 0, 1, 2,, N-1} là các kí hiệu miền thời gian sau bộ IDFT.
Ở đây, các tín hiệu phát bĕng tần cơ sở phức 
của SC-FDMA cho một khối dữ liệu có thể được 
biểu diễn:
Với w
c 
là tần số sóng mang của hệ thống và p(t) là 
các xung bĕng tần cơ sở và T là chu kì kí hiệu của 
kí hiệu phát xm. Chúng ta coi như xung RC (Raise-cosin) được sử dụng tạo dạng xung rộng trong các 
hệ thống thông tin di động.
PAPR của tín hiệu phát x(t) như sau:
Nếu tín hiệu không đi qua bộ tạo dạng xung, ta 
sẽ sử dụng dạng xung hình chữ nhật, tốc độ lấy 
mẫu kí hiệu sẽ cho PAPR như tín hiệu SC-FDMA 
đơn như trường hợp liên tiếp được điều chế trên 
(4)𝑥𝑥(𝑡𝑡) = 𝑒𝑒!"!# '𝑥𝑥$𝑝𝑝(𝑡𝑡 −𝑚𝑚𝑚𝑚)%&'()* 	 
 ( )
( )
peak
average
P x tPAPR P x t=
2
0 .
2
0
ax | ( ) |
1 | ( ) |
t M T
MT
m x t
x t dtMT
£ £
=
ò
(5)
một sóng mang. Vì thế, có thể biểu diễn công thức 
PAPR mà không tạo dạng xung với tốc độ lấy mẫu 
kí hiệu như sau:
Chương trình mô phỏng CCDF (hàm phân bố 
tích lũy bù) của PAPR. Chương trình mô phỏng sẽ 
so sánh PAPR (CCDFs) của IFDMA, DFDMA và 
LFDMA với OFDMA. Với các thông số sau:
- Bĕng thông truyền dẫn của hệ thống là 5 MHz.
- Kiểu điều chế QPSK và 16-QAM và 64-QAM.
- Khoảng cắt xung x(t) từ chu kì thời gian - 6T 
tới 6T và lấy mẫu với tần số bằng 8 lần với bĕng 
thông truyền dẫn là 5 MHz.
- Không sử dụng tạo dạng xung trong truyền dẫn 
OFDMA.
- Số sóng mang con: 128 (số sóng mang con có 
thể thay đổi được).
- Mặc định có 16 khối FFT đầu vào.
- Sử dụng bộ lọc Raise-cosin để tạo dạng xung.
5.1. Lưu đồ thuật toán
Hình 7. Thuật toán mô phỏng
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = max!"#,%,..,'(%|𝑥𝑥(𝑛𝑛)|)1𝑀𝑀 .∑ |𝑥𝑥!|)'(%!"# (6)
Bắt đầu
Rolloff_ fator; 
bandwidth; Symbols
Thay đổi cách 
điều chế
X = fft(data);
Sắp xếp 
sóng mang
y = ifft(Y)
Tạo dạng xung
y1 (1:Nos: Nos'subcarrier) = y;
y = filter (psFilter, 1, y1)
papr (n) = 10*log10 (max(abs 
(y_result).^2)/mean(abs(y_ 
result).^2));
Sai
Sai
Sai
Đúng
Đúng
Đúng
Kết thúc
16
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Kết quả mô phỏng PAPR với cùng hệ số a
Hình 8. Kết quả mô phỏng với a = 0,45, điều chế 
QPSK
Hình 9. Kết quả mô phỏng với a = 0,45, điều chế 
16-QAM
Hình 10. Kết quả mô phỏng với a= 0,45 điều chế 
64-QAM
Bảng 1. PAPR với các kiểu điều chế khác nhau với 
cùng hệ số a
 Điều chế
Kiểu
QPSK 16-QAM 64-QAM
IFDMA 4,8 dB 6,1 dB 6,5 dB
DFDMA 7,3 dB 8,0 dB 8,3 dB
LFDMA 6,8 dB 7,3 dB 7,6 dB
OFDMA 8,7 dB 8,6 dB 8,6 dB
Chúng ta có thể thấy rằng trong tất cả các trường 
hợp PAPR của tín hiệu SC-FDMA luôn luôn thấp 
hơn OFDMA. IFDMA có PAPR là thấp nhất, 
DFDMA và LFDMA có cùng mức PAPR. Hơn nữa, 
với các kiểu điều chế khác nhau tín hiệu OFDM 
có PAPR thay đổi rất ít (hầu như không thay đổi). 
Đối với các tín hiệu SC-FDMA thay đổi khá nhiều. 
Điều này có thể được giải thích như sau: Các 
sóng mang OFDM được điều chế và phát đi độc 
lập nhau, vì thế công suất tức thời có dạng phân 
bố gần như dạng hàm mũ, do đó phụ thuộc khá ít 
vào dạng sơ đồ điều chế. Trong khi đó, SC-FDMA 
do thuộc tính ''đơn sóng mang'' phụ thuộc khá lớn 
vào dạng điều chế. 
Trong các lược đồ sắp xếp các sóng mang, IFDMA 
có PAPR thấp nhất là do với IFDMA. Các kí hiệu 
sau khi sắp xếp được phát đi liên tục, liền kề nhau, 
do vậy công suất đỉnh rất thấp, do đó PAPR thấp, 
điều này hoàn toàn trái ngược với hai kiểu sắp xếp 
còn lại DFDMA và LFDMA [5].
5.2. Kết quả mô phỏng PAPR với tạo dạng xung 
và không tạo dạng xung
Phần này mô phỏng PAPR của các kiểu sắp xếp 
sóng mang khác nhau của SC-FDMA với tao dạng 
xung và không tạo dạng xung. Với đường chấm 
chấm thể hiện PAPR các tín hiệu trong trường hợp 
không tạo dạng xung.
Hình 11. Kết quả với tạo dạng xung và không tạo 
dạng xung với điều chế QPSK
Hình 12. Kết quả với tạo dạng xung và không tạo 
dạng xung với điều chế 32QAM
17
LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
Hình 13. Kết quả với tạo dạng xung và không tạo 
dạng xung với điều chế 64QAM
Trong hình 11, hình 12 và hình 13 mô phỏng với 
cùng hệ số a = 0,22 cho trường hợp tạo dạng 
xung và các thông số còn lại được cho giả thuyết 
ở trên. So sánh PAPR tại tỷ lệ 99,99% của các 
lược đồ khác nhau như bảng 2.
Bảng 2. So sánh PAPR các lược đồ truyền dẫn 
với trường hợp tạo dạng xung và không tạo 
dạng xung
 Kiểu
Điều 
chế
Dạng 
xung IFDMA DFDMA LFDMA OFDMA
QPSK
Không 
tạo 0 Db 6,3 dB 6,3 dB 8,5 dB
RC 5,7 Db 6,5 dB 6,8 dB
32-
QAM
Không 
tạo 4,8 Db 6,7 dB 6,7 dB 8,7 dB
RC 6,5 Db 8,0 dB 7,5 dB
64-
QAM
Không 
tạo 4,9 Db 7,2 dB 7,3 dB 8,8 dB
RC 6,7 Db 7,7 dB 7,6 dB
Hình 14. Kết quả mô phỏng với a = 0,99 điều chế 
QPSK
Bảng 3. PAPR với hệ số a khác nhau khi cùng kiểu 
điều chế QPSK
 IFDMA LFDMA DFDMA
0,15 6,1 dB 6,9 dB 7,3 dB
0,95 2,5 dB 6,7 dB 6,9 dB
Khi tạo dạng xung, sẽ giảm phần công suất bức 
xạ ngoài bĕng tức là hạn chế mất mát công suất 
không cần thiết, đây là lợi ích to lớn của việc tạo 
dạng xung. Tuy nhiên, khi tạo dạng xung, xung bị 
trải rộng ra tương ứng với phần trĕm hệ số a, điều 
này gây lãng phí tài nguyên bĕng thông. Và theo 
kết quả mô phỏng khi tạo dạng xung thì PAPR của 
các tín hiệu SC-FDMA cao hơn so với trường hợp 
không tạo dạng xung. Đây là một mâu thuẫn, do 
vậy cần cân bằng giữa trường hợp không tạo dạng 
xung và tạo dạng xung với hệ số a là bao nhiêu thì 
hài hòa. Cũng theo trên, khi tạo dạng xung với hệ 
số a tĕng lên, bức xạ nĕng lượng ngoài bĕng tĕng 
lên tức là phần công suất phát của tín hiệu bị mất 
do bức xạ ngoài bĕng tĕng lên. Và kéo theo công 
suất đỉnh tín hiệu giảm xuống. Điều này dẫn tới 
PAPR của tín hiệu sẽ giảm đi khi hệ số a tĕng lên. 
Đây là một lợi ích khi điều chỉnh PAPR với hệ số a. 
6. KẾT LUẬN 
Bài báo đã trình bày về giải pháp tĕng hiệu quả 
công suất phát của thiết bị đầu cuối di động. Kết 
quả cho thấy cùng áp dụng trong một hệ thống, kỹ 
thuật SC-FDMA có PAPR thấp hơn nhiều so với 
kỹ thuật OFDMA và kỹ thuật SC-FDMA đang và sẽ 
là một lựa chọn tốt cho hệ thống LTE trong mạng 
thông tin di động không dây tốc độ cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2009), Giáo trình 
Thông tin di động thế hệ ba, NXB Bưu điện.
[2] Hyung G.Myung, Single Carrier FDMA (2007), 
A New Uplink Air Interface in 3GPP Long Term 
Evolution, IEEE Wireless Communications 
Magazine.
[3] R.F. Chisab and C.K. Shukla (2014), 
Performance Evaluation of 4G-LTE-SCFDMA 
Scheme Under SUI and ITU Channel Models, 
International Journal of Engineering & 
Technology IJET-IJENS.
a
Kiểu
18
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
[4] R.F. Chisab and Professor(Dr.) C. K. Shukla 
(2014), Comparative Study in Performance 
for Subcarrier Mapping in Uplink 4G-LTE 
under Different Channel Cases, International 
Journal of Advanced Computer Science and 
Applications, vol. 5, no. 1.
[5] 3GPP TSG RAN WG1 (2005), Simulation 
Methodology for EUTRN UL: IFDMA and DFT-
Spread-OFDMA, Technical Document R1-
051335.
[6] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skol and 
Perbeming (2007), 3G Evolution HSPA and LTE 
for mobile Broadband, ELSEVIER.
[7] Hyung G.Myung (2007), Single Carrier 
Orthogonal Multiple Access Technique for 
Broadband Wireless Communications, Bell & 
Howell Information and Learning, January.
[8] Tobias Frank (2007), IFDMA – Acheme 
combiling the Advantages of OFDMA and 
CDMA, IEEE Wireless Communications 
Magazine.
[9] Basuki E.Priyano, Humbert Codina, Sergi Rene, 
Preben Mogensen (2006), Initial performane 
Evaluation of DFT-Spread OFDM Based SC-
FDMA for UTRA LTE Uplink, IEEE Wireless 
Communications Magazine.
[10] Zhengdao Wang, Xiaoli and Georgios 
B.Giannakis (2004), OFDM or Single 
Carrier Transmission, IEEE Transaction on 
Communications, Vol 52, 3, march.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
Nguyễn Thị Quyên
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trinh đào tạo, 
nghiên cứu): 
+ Nĕm 2003: Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ Điện tử, Viễn thông chuyên ngành Kỹ 
thuật điện tử khoa Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
+ Nĕm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ Điện tử, Viễn thông chuyên ngành Kỹ 
thuật điện tử trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, Khoa Điện tử - Tin học, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Điều khiển, xử lý tín hiệu
- Email: quyennt96@yahoo.com
- Điện thoại: 0915203904
 Vũ Bảo Tạo
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, 
nghiên cứu):
+ Nĕm 2002: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Tin học quản lý
+ Nĕm 2013: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ thông tin, chuyên ngành Công nghệ 
phần mềm, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, Khoa Điện tử - Tin học, Ttrường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Quản trị mạng máy tính, công nghệ phần mềm
- Điện thoại: 0912519702