phân tích các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

2.2 Đặc tính kênh truyên vô tuyên trong hệ thông OFDM 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu Attenuảtion Sự suy gia'm tín hiệu là sự suy haomức công suầ$t tín hiệu trong quá trìnhtruyên từ điê'm này

CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRỦYÊN VÔ TỦYÊN

2.1 Giới thiệu chương

Kênh truyên tín hiệu OFDM là môitrường truyên sóng giữa máy phát và máythu Trong kênh truyên vô tuyê$n lýtưở'ng, tín hiệu nhận được bên thu đượctruyên theo tầm nhìn thẳ'ng Tuy nhiêntrong thực tê$, kênh truyên tín hiệu vôtuyê$n bị thay đô'i Việc nghiên cứu cácđặc tính cu'a kênh truyên là rầ$t quantrọng vì chầ$t lượng cu'a hệ thô$ng truyên

vô tuyê$n là phụ thuộc vào các đặc điê'mnày

2.2 Đặc tính kênh truyên vô tuyên trong

hệ thông OFDM

2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuảtion)

Sự suy gia'm tín hiệu là sự suy haomức công suầ$t tín hiệu trong quá trìnhtruyên từ điê'm này đê$n điê'm khác Điêu

này có thê' là do đường truyên dài, docác tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đađường Hình 2.1 cho thầ$y một sô$ nguyênnhần làm suy gia'm tín hiệu Bầ$t kì mộtvật ca'n nào trên đường truyên đêu có thê'làm suy gia'm tín hiệu.

Hình 2.1 Ả'nh hưở'ng cu'a môi trường vô

tuyê$n

2.2.2 Hiệu ứng đả đường

Trong đường truyên vô tuyê$n, tín hiệu

RF từ máy phát có thê' bị pha'n xạ từ cácvật ca'n như đôi, nhà cư'a, xe cộ…sinh ra

nhiêu đường tín hiệu đê$n máy thu (hiệuứng đa đường) dầKn đê$n lệch pha giữa cáctín hiệu đê$n máy thu làm cho biên độ tínhiệu thu bị suy gia'm

Hình 2.2 chỉ' ra một sô$ trường hợp mà tínhiệu đa đường có thê' xa'y ra

Mô$i quan hệ vê pha giữa các tín hiệupha'n xạ có thê' là nguyên nhần gầy ranhiêKu có cầ$u trúc hay không có cầ$u trúc.Điêu này được tính trên các khoa'ng cáchrầ$t ngẳ$n (thông thường là một nư'a khoa'ng

Đường phản xạ

Đường đi thẳng

Phát

Thu

Hình 2.2 Tín hiệu đa đường

cách sóng mang), vì vậy ở' đầy gọi làfading nhanh Mức thay đô'i cu'a tín hiệu

có thê' thay đô'i trong khoa'ng từ 10-30dBtrên một khoa'ng cách ngẳ$n Hình 2.3 mô

ta' các mức suy gia'm khác nhau có thê' xa'y

ra do fading

Phần bô$ Rayleigh được sư' dụng đê' mô

ta' thời gian thô$ng kê cu'a công suầ$t tínhiệu thu Nó mô ta' xác suầ$t cu'a mức tínhiệu thu được do fading Ba'ng 2.1 chỉ' ra

xác suầ$t cu'a mức tín hiệu đô$i với phầnbô$ Rayleigh.

Ba'ng 2.1 sự phần bô$ tích lũy đô$i vớiphần bô$

Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)

5

-20

0.5

-30

0.05

Trong bầ$t kỳ đường truyên vô tuyê$nnào, đáp ứng phô' không bằng phẳ'ng do cósóng pha'n xạ đê$n đầu vào máy thu Sựpha'n xạ có thê' dầKn đê$n tín hiệu đa đường

cu'a công suầ$t tín hiệu tưởng tự như tínhiệu trực tiê$p gầy suy gia'm công suầ$ttín hiệu thu do nhiêKu.Toàn bộ tín hiệu

có thê' bị mầ$t trên đường truyên bẳng hẹpnê$u không có đáp ứng tần sô$ xa'y ra trênkênh truyên.Có thê' khẳ$c phục bằng haicách :

- Truyên tín hiệu bẳng rộng hoặcsư' dụng phưởng pháp tra'i phô' nhưCDMẢ nhằm gia'm bớt suy hao

- Phần toàn bộ bẳng tần thànhnhiêu kênh bẳng hẹp, môKi kênh cómột sóng mang, môKi sóng mang nàytrực giao với các sóng mang khác(tín hiệu OFDM) Tín hiệu ban đầuđược tra'i trên bẳng thông rộng,không có phô' xa'y ra tại tầ$t ca' tần

sô$ sóng mang Kê$t qua' là chỉ' có mộtvài tần sô$ sóng mang bị mầ$t Thôngtin trong các sóng mang bị mầ$t cóthê' khôi phục bằng cách sư' dụng các

kỹ thuật sư'a lôKi thuận FEC

Tín hiệu vô tuyê$n thu được từ máyphát bao gôm tín hiệu trực tiê$p và tínhiệu pha'n xạ từ các vật ca'n như các tòanhà, đôi núi…Tín hiệu pha'n xạ đê$n máythu chậm hởn so với tín hiệu trực tiê$p

do chiêu dài truyên lớn hởn Tra'i trêK làthời gian trêK giữa tín hiệu đi thằng vàtín hiệu pha'n xạ cuô$i cùng đê$n đầu vàomáy thu

Trong hệ thô$ng sô$, tra'i trêK có thê'dầKn đê$n nhiêKu liên ký tự ISI Điêu này

do tín hiệu đa đường bị trêK chông lầ$nvới ký hiệu theo sau, và nó có thê' gầy

ra lôKi nghiêm trọng ở' các hệ thô$ng tô$c

độ bit cao, đặc biệt là khi sư' dụng ghépkênh phần chia theo thời gian TDMẢ

Hình 2.4 cho thầ$y a'nh hưở'ng cu'a tra'itrêK gầy ra nhiêKu liên kí tự Khi tô$c độbit truyên đi tẳng lên thì một lượngnhiêKu ISI cũng tẳng lên một cách đángkê' Ả'nh hưở'ng thê' hiện rõ ràng nhầ$t khitra'i trêK lớn hởn khoa'ng 50% chu kỳ bit(bit time)

Ba'ng 2.2 đưa ra các giá trị tra'i trêKthông dụng đô$i với các môi trường khácnhau Tra'i trêK lớn nhầ$t ở' môi trường bên

Tín hiệu trực tiếp

Tín hiệu trễ

Tín hiệu thu được

Hình 2.4: Trải trể đa đường

ngoài xầ$p xỉ' là 20μs, do đó nhiễu liêns, do đó nhiêKu liên

kí tự có thê' xa'y ra đáng kê' ở' tô$c độthầ$p nhầ$t là 25Kbps

NhiêKu ISI có thê' được tô$i thiê'u hóa bằngnhiêu cách:

 Gia'm tô$c độ ký tự bằng cách gia'm tô$c

độ dữ liệu cho môKi kênh (như chiabẳng thông ra nhiêu bẳng con nho' hởnsư' dụng FDM hay OFDM)

 Sư' dụng kỹ thuật mã hóa đê' gia'm nhiêKuISI như trong CDMẢ

Khi nguôn tín hiệu và bên thu chuyê'nđộng tưởng đô$i với nhau, tần sô$ tín hiệuthu không giô$ng bên phía phát Khi chúng

di chuyê'n cùng chiêu (hướng vê nhau) thìtần sô$ nhận được lớn hởn tần sô$ tín hiệuphát, và ngược lại khi chúng di chuyê'n

ra xa nhau thì tần sô$ tín hiệu thu được

là gia'm xuô$ng Đầy gọi là hiệu ứngDoppler

Khoa'ng tần sô$ thay đô'i do hiệu ứngDoppler tùy thuộc vào mô$i quan hệ chuyê'nđộng giữa nguôn phát và nguôn thu và ca'tô$c độ truyên sóng

Độ dịch Doppler có thê' được tính theocông thức:

c f

f   o



(2.1)

Trong đó

NhiêKu tôn tại trong tầ$t ca' các hệthô$ng truyên dầKn Các nguôn nhiêKu chu'yê$u là nhiêKu nên nhiệt, nhiêKu điện từcác bộ khuê$ch đại bên thu, và nhiêKu liên

ô (inter-cellular interference) Cácloại nhiêKu này có thê' gầy ra nhiêKu liên

kí tự ISI, nhiêKu liên sóng mang ICI vànhiêKu liên điêu chê$ IMD (Inter-Modulation Distortion) NhiêKu này làmgia'm tỉ' sô$ tín hiệu trên nhiêKu SNR, gia'mhiệu qua' phô' cu'a hệ thô$ng Và thực tê$ làtùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mứcnhiêKu và hiệu qua' phô' cu'a hệ thô$ng pha'iđược lựa chọn

Hầu hê$t các loại nhiêKu trong các hệthô$ng có thê' được mô pho'ng một cáchchính xác bằng nhiêKu trẳ$ng cộng Hay nóicách khác tạp ầm trẳ$ng Gaussian là loạinhiêKu phô' biê$n nhầ$t trong hệ thô$ngtruyên dầKn Loại nhiêKu này có mật độ phô'công suầ$t là đông đêu trong ca' bẳngthông và biên độ tuần theo phần bô$Gaussian Theo phưởng thức tác động thìnhiêKu Gaussian là nhiêKu cộng Vậy dạng

kênh truyên phô' biê$n là kênh truyên chịutác động cu'a nhiêKu Gaussian trẳ$ng cộng

NhiêKu nhiệt (sinh ra do sự chuyê'nđộng nhiệt cu'a các hạt ta'i điện gầy ra)

là loại nhiêKu tiêu biê'u cho nhiêKuGaussian trẳ$ng cộng tác động đê$n kênhtruyên dầKn Đặc biệt, trong hệ thô$ngOFDM, khi sô$ sóng mang phụ là rầ$t lớnthì hầu hê$t các thành phần nhiêKu kháccũng có thê' được coi là nhiêKu Gaussiantrẳ$ng cộng tác động trên từng kênh con

vì xét trên từng kênh con riêng le' thìđặc điê'm cu'a các loại nhiêKu này tho'a mãncác điêu kiện cu'a nhiêKu Gaussian trẳ$ngcộng

NhiêKu ISI và ICI là hai loại nhiêKuthường gặp nhầ$t do a'nh hưở'ng cu'a kênhtruyên ngoài nhiêKu Gaussian trẳ$ng cộng

Như đã giới thiệu ở' trên, ISI gầy ra dotra'i trêK đa đường Đê' gia'm ISI, cách tô$tnhầ$t là gia'm tô$c độ dữ liệu Nhưng vớinhu cầu hiện nay là yêu cầu tô$c độtruyên pha'i tẳng nhanh Do đó gia'i phápnày là không thê' thực hiện được Đê nghịđưa ra đê' gia'm ISI và đã được đưa vàoứng dụng thực tê$ là chèn tiên tô$ lặp CPvào môKi ký tự OFDM Ngoài nhiêKu ISI,nhiêKu ICI cũng tác động không nho' đê$nchầ$t lượng tín hiệu thu được, do đó việctìm hiê'u nó cũng rầ$t quan trọng đê' nầngcao chầ$t lượng cu'a hệ thô$ng OFDM.

Trong môi trường đa đường, ký tự phátđê$n đầu vào máy thu với các khoa'ng thờigian khác nhau thông qua nhiêu đườngkhác nhau Sự mở' rộng cu'a chu kỳ ký tựgầy ra sự chông lầ$n giữa ký tự hiện thờivới ký tự trước đó và kê$t qua' là cónhiêKu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISIthường đê cập đê$n nhiêKu cu'a một ký tự

OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thô$ngOFDM, đê' gia'm được nhiêKu ISI, phưởngpháp đởn gia'n và thông dụng nhầ$t là đưavào tiên tô$ lặp CP.

Trong OFDM, phô' cu'a các sóng mangchông lầ$n nhưng vầKn trực giao với sóngmang khác Điêu này có nghĩa là tại tầnsô$ cực đại cu'a phô' môKi sóng mang thì phô'

cu'a các sóng mang khác bằng không Máythu lầ$y mầKu các ký tự dữ liệu trên cácsóng mang riêng le' tại điê'm cực đại vàđiêu chê$ chúng tránh nhiêKu từ các sóngmang khác NhiêKu gầy ra bở'i các dữ liệutrên sóng mang kê$ cận được xem là nhiêKuxuyên kênh (ICI) như ở' hình 2.5

ICI xa'y ra khi kênh đa đường thay đô'itrên thời gian ký tự OFDM Dịch Dopplertrên môKi thành phần đa đường gầy ra dịch

tần sô$ trên môKi sóng mang, kê$t qua' làmầ$t tính trực giao giữa chúng ICI cũng

xa'y ra khi một ký tự OFDM bị nhiêKu ISI

Sự lệch tần sô$ sóng mang cu'a máy phát vàmáy thu cũng gầy ra nhiêKu ICI trong hệthô$ng OFDM

Các sóng mang phụ vẫn trực giao với nhau

Các sóng mang phụ bị dịch tần số gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

2.2.7 Tiên tô lặp CP

Tiên tô$ lặp (CP) là một kỹ thuật xư'

lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chê$ đê$nmức thầ$p nhầ$t a'nh hưở'ng cu'a nhiêKu xuyên

ký tự (ISI), nhiêKu xuyên kênh (ICI) đê$ntín hiệu OFDM, đa'm ba'o yêu cầu vê tínhtrực giao cu'a các sóng mang phụ Đê'thực hiện kỹ thuật này, trong quá trìnhxư' lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu

kỳ và phần lặp lại ở' phía trước môKi ký

tự OFDM được sư' dụng như là một khoa'ngthời gian ba'o vệ giữa các ký tự phát kênhau.Vậy sau khi chèn thêm khoa'ng ba'o

vệ, thời gian truyên một ký tự (Ts) lúcnày bao gôm thời gian khoa'ng ba'o vệ (Tg)

và thời gian truyên thông tin có ích TFFT

(cũng chính là khoa'ng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự).

1 , 0 )

(

1 , ,

1 , )

(

)

(

N n

n x

n N n

(2.3)

Tỉ' lệ cu'a khoa'ng ba'o vệ Tg và thờikhoa'ng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chê$ nhằm

đa'm ba'o hiệu suầ$t sư' dụng da'i tần và nócòn phụ thuộc vào từng loại hình ứngdụng khác nhau Nê$u tỉ' lệ đó lớn tức là

Tg tẳng làm gia'm hiệu suầ$t hệ thô$ng Tuynhiên, nó pha'i bằng hoặc lớn hởn giá trịtra'i trêK cực đại τmax (the maximum delayspread) nhằm duy trì tính trực giao giữacác sóng mang nhánh và loại bo' được cácxuyên nhiêKu ICI, ISI Ở' đầy, giá trịtra'i trêK cực đại là một thông sô$ xuầ$thiện khi tín hiệu truyên trong khônggian chịu a'nh hưở'ng cu'a hiện tượng đađường (multipath effect), tức là tínhiệu thu được tại bộ thu không chỉ' đê$n

từ đường trực tiê$p mà còn đê$n từ cácđường pha'n xạ khác nhau, và các tín hiệunày đê$n bộ thu tại các thời điê'm khácnhau Giá trị tra'i trêK cực đại được xác

định là khoa'ng thời gian chênh lệch lớnnhầ$t giữa thời điê'm tín hiệu thu quađường trực tiê$p và thời điê'm tín hiệuthu được qua đường pha'n xạ.

Tiên tô$ lặp (CP) có kha' nẳng loại bo'nhiêKu ISI, nhiêKu ICI vì nó cho phép tẳngkha' nẳng đông bộ (đông bộ ký tự, đông bộtần sô$ sóng mang) trong hệ thô$ng OFDM

Ngoài khái niệm tiên tô$ lặp CP còn cókhái niệm hậu tô$ lặp cyclic postfix Hậutô$ cũng tưởng tự như tiên tô$, một khoa'ngbẳ$t đầu cu'a tín hiệu lầ$y IFFT được saochép và đưa ra phía sau cu'a tín hiệu.Thêm vào hậu tô$ cũng có thê' chô$ng đượcnhiêKu ISI và ICI nhưng thường chỉ' cần sư'dụng tiên tô$ là được vì nó làm gia'm hiệusuầ$t bẳng thông Nê$u chỉ' sư' dụng tiên tô$lặp thì chiêu dài cu'a nó pha'i lớn hởntra'i trêK lớn nhầ$t Còn nê$u sư' dụng ca'tiên tô$ và hậu tô$ lặp thì tô'ng chiêu dài

cu'a chúng pha'i lớn hởn độ tra'i trêK lớnnhầ$t cu'a kênh truyên.

2.3 Khoảng bảo vệ

Thành phần ISI cu'a việc truyên tín hiệu OFDM có thê' bị sai do điêu kiện cu'aquá trình xư' lý tín hiệu, bở'i vì máy thukhông thu nhận được thông tin cu'a symbolđược truyên tiê$p theo Điêu này có nghĩa

là máy thu cần một khoa'ng thời gian có

độ dài xác định bằng thời gian symbol cóích đê' có thê' xác định được symbol OFDM.Khoa'ng thời gian này gọi là

Orthogonality Interval.

Một trong những lý do quan trọng nhầ$tđê' sư' dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này

có kha' nẳng gia'i quyê$t một cách hiệu qua'vầ$n đê tra'i trêK đa đường (multipath

delay spread) Bằng cách chia luông dữ liệu thành Ns luông song song điêu chê$sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được

tẳng lên Ns lần, do đó sẽ làm gia'm tỉ' lệgiữa tra'i trêK đa đường với chu kỳ symbolxuô$ng Ns lần Đê' loại bo' ISI một cách gần như triệt đê', khoa'ng thời gian ba'o

vệ được thêm vào cho môKi symbol OFDM Khoa'ng thời gian được chọn sao cho lớn hởn tra'i trêK đê' các thành phần trêK (do multipath) từ một symbol không thê' gầy nhiêKu lên symbol kê$ cận Khoa'ng thời

gian có thê' không chứa một tín hiệu nào

ca' Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuầ$t hiện gầy nhiêKu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còntrực giao nữa

NhiêKu lựa chọn tần sô$ cũng là một vầ$n

đê gầy a'nh hưở'ng lớn đê$n chầ$t lượng

truyên thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mêm de'o hởn CDMẢ khi gia'i quyê$t vầ$n

đê này OFDM có thê' khôi phục lại kênh truyên thông qua tín hiệu dầKn đường

(Pilot) được truyên đi cùng với dòng tín

hiệu thông tin Ngoài ra, đô$i với các kênh phụ suy gia'm nghiêm trọng vê tần sô$thì OFDM còn có một lựa chọn nữa đê' gia'm

ty' lệ lôKi bit là gia'm bớt sô$ bit

mã hóa cho một tín hiệu điêu chê$ tại kênh tần sô$ đó

Đê' có thê' gia'm bớt sự phức tạp cu'a vầ$n đê đông bộ trong hệ thô$ng OFDM sư'dụng khoa'ng ba'o vệ (GI) Sư' dụng chuôKi

ba'o vệ GI, cho phép OFDM có thê' điêu

chỉ'nh tần sô$ thích hợp mặc dù việc thêm

GI cũng đông nghĩa với việc làm gia'm

hiệu qua' sư' dụng tần sô$ Ngoài ra, OFDM chịu a'nh hưở'ng cu'a nhiêKu xung Tức là một xung tín hiệu nhiêKu có thê' tác động xầ$u đê$n một chùm tín hiệu thay vì một sô$

ký tự như trong CDMẢ và điêu này làm

tẳng ty' lệ lôKi bit cu'a OFDM so với CDMẢ

Đô$i với một bẳng thông hệ thô$ng đã cho tô$c độ symbol cu'a tín hiệu OFDM thầ$phởn nhiêu tô$c độ symbol cu'a sở đô truyên

sóng mang đởn Ví dụ đô$i với tín hiệu điêu chê$ đởn sóng mang BPSK tô$c độ

symbol tưởng ứng với tô$c độ bit Tuy nhiên, đô$i với OFDM bẳng thông hệ thô$ng được chia cho Nc ta'i phụ, tạo thành tô$c

độ symbol nho' hởn Nc lần so với truyên sóng mang đởn Tô$c độ symbol thầ$p này làm cho OFDM chịu đựng được tô$t các can nhiêKu giữa can nhiêKu ISI gầy ra bở'i

truyên lan nhiêu đường

cu'a OFDM chưa có bô' sung khoa'ng ba'o vệ,

có chiêu dài bằn kích thước IFFT (được sư' dụng tạo tín hiệu) có một sô$ nguyên lần các chu kỳ Việc đưa vào các ba'n sao

cu'a symbol nô$i đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạnở

' chôK nô$i Như vậy việc sao chép đầu cuô$i cu'a symbol và đặt nó đê' đầu vào tạo

ra một khoa'ng thời gian dài hởn

2.4 Giới hạn băng thông cuả OFDM

Trong miên thời gian, OFDM là tưởng đưởng với tô'ng các sóng mang hình sine