nghiên cứu về các vấn đề ước lượng kênh truyền trong mimo-ofdm thông qua mô hình cơ sở mở rộng bems

1.3 Bố cục của đồ án Đồ án chia làm 4 chương : Chương 1 : Giới thiệu khái quát đồ án Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, tính trực giao

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Giơí thiệu chung

Kỹ thuật OFDM ( Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường

hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụtrực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấnlên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tínhiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹthuật điều chế thông thường

Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong nhữngthập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ởkhắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đãchứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biếnđổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổiDFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điềuchế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể

sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giảiđiều chế OFDM

Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụngbăng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI,chống được fading chọn lọc tần số Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảnghơn 40 năm nhưng mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây Nhữngsản phẩm ứng dụng kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwideinteroperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local AreaNetwork) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital VideoBroadcasting)

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trongthông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM) Trong

hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại

mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh

(fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệutrên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm

về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng

Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộngHiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩnIEEE.802.11a

OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao, do đóngày càng có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM Việc ước lượngkênh truyền đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông thông tin nói chung và hệthống OFDM nói riêng

1.2 Mục đích đồ án

Đồ án nghiên cứu về các vấn đề ước lượng kênh truyền trong MIMO-OFDM thôngqua mô hình cơ sở mở rộng BEMs Phần chính của đồ án là tìm hiểu 2 kỹ thuật ướclượng MAP và ML

1.3 Bố cục của đồ án

Đồ án chia làm 4 chương :

Chương 1 : Giới thiệu khái quát đồ án

Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

OFDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, ưu nhược điểm và sơ đồ khối hệ thốngOFDM, đồng bộ trong OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM, vấn đề sắpxếp các pilot, hệ thống Anten thông minh (MIMO), Kỹ thuật phân tập Anten(Antenna Diversity)

Chương 3 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xungcủa kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh

cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫntrong môi trường nhiễu trắng,

Chương 4 : Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong

hệ thống MIMO-OFDM thông qua mô hình Bayessian , trình bày các thuật toán và

mô hình tín hiệu ở đầu phát và đầu thu ,chương trình mô phỏng của kỹ thuật ướclượng MAP và ML , so sánh các kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sựkhác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệthống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM,

kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM, các bước thiết kế hệ thống OFDM

2.2 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa vàghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệuđộc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độclập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mãhóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), trong kỹ

thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số khôngchồng lấn nhau Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và

N kênh được ghép phân chia theo tần số Để tránh giao thoa giữa các kênh, mộtbăng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau.Điều này gây lãng phí băngtần tổng Để khắc phuc nhược điểm này của FDM, cần sử dụng N sóng mang phụchồng lấn, nhưng trực giao với nhau Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ làtần số của mỗi sóng mang phụ này bằng tần số nguyên lần của chu trình (T) ký hiệu,đây là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM, phần này em xin trình bày kỹ hơn ởchương 2

2.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu

OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễugiữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần sốnhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) dobản chất trực giao của điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần

số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượnggiao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuynhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guardperiod) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóngmang cạnh nhau trùng lắp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữacác sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểmkhông của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệuđược khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Hình 2.1:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

Hình 2.2: Phổ của OFDM và FDM

2.4 Tính trực giao trong OFDM

ORTHOGONAL là thuật ngữ đề cập đến một mối quan hệ toán học chính xácgiữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDMthông thường, nhiều sóng mang được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệuthu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thôngthường Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khácnhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệuquả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên củachúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có

sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao

về mặt toán học Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tầnmỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳcủa symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịchxuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),), thì kếtquả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độclập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ),.Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-Carrierinterference) cũng làm mất đi tính trực giao

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trongmiền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital SignalProcessing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm viDSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ.Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc vớinhau hay là tích của 2 vectơ là bằng 0 Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm

số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0

Hình 2.3 : Tích 2 vectơ trực giao bằng 0

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không (ví

dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ) Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âmcủa dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0 Quá trình tích phân cóthể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó diện tích của

1 sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 2.4: Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau.Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.5: Tích phân các sóng sin có cùng tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương,giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình 2.5) Đây là cơ cấu rất quan trọngcho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đượcsang miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier(FFT)

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số (digitaldomain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóngmang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác Sau đóphép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về khôngngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệuquả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này đượclặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đãđược giải điều chế Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trựcgiao

2.4.1 Dạng biểu diễn toán học của sự trực giao

Hai hàm thực f(t) và g(t) được gọi là trực giao (orthogonal) với nhau trên đoạn

Hình 2.6 : Cấu trúc của tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Do vậy ta có thể dùng tập hợp trên như một tập hàm vectơ cơ sở trực giao.Sóng mang con trong một tín hiệu OFDM được đặt chồng lấp lên nhau mà vẫn duy

trì tính trực giao giữa chúng Tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệusin, với mỗi tín hiệu sin tương ứng một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗisóng mang con được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian ký tự, kết quả là tất

cả các sóng mang đều có một số nguyên lần chu kỳ trên một ký tự OFDM Vậy cácsóng mang con trực giao với nhau Hình 2.6 thể hiện cấu trúc của một tín hiệuOFDM với 4 sóng mang con

2.4.2.Trực giao trong miền tần số

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem xéttrong miền tần số của nó Trong miền tần số mỗi sóng mang con có đáp ứng tần số

là sinc =sin(x) / x như ta thấy trong hình 2.7 Đó là kết quả của thời gian ký tự tương

ứng với nghịch đảo khoảng cách sóng mang Xa hơn bộ thu là liên quan đến mỗi ký

tự OFDM truyền trong một khoảng thời gian cố định ( FFT T ) với việc không bóp

nhọn tại đầu cuối của ký tự Thời gian ký tự này tương ứng với biến đổi ngược của

khoảng cách sóng mang con của 1/ FFT T Hz Tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền

thời gian thì sẽ có đáp ứng tần số là sinc trong miền tần số Hình dạng sinc có mộtbúp chính hẹp, với nhiều búp cạnh suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau

từ trung tâm Mỗi sóng mang con có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗngvới lỗ hổng tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền

là kết quả của đỉnh sóng mang con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại.Khi tín hiệu được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình2.7(a) mà gồm các mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “o” như trong hình NếuDFT được đồng bộ thời gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng đúng với đỉnh củasóng mang con, vì vậy sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang conkhông ảnh hưởng đến bộ thu Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng vớiđáp ứng rỗng, dẫn đến sự trực giao giữa các sóng mang con

Hình 2.7 : Đáp ứng tần số của sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone

Hình a chỉ phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét bởi bộthu

Hình b chỉ sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con ( đường đen dày)

2.5 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng

bảo vệ và các sóng mang DC

Hình 2.8: Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính làcác symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con Các tài nguyên

này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng

Hình 2.9: Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 2.10: Cấu trúc lát OFDM

Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.9) Trong kí tự OFDM thứ 1

và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang condẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánhvới những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước Đáp ứng tần số của haisóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trongmiền tần số Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự

OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tựOFDM thứ 1 và thứ 3

2.6 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

* Ưu điểm

-OFDM là giải pháp phân tập tần số OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến hành

truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này

- OFDM đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao ,do tính trực giao của các thànhphần sóng mang con

-OFDM là ứng cử viên hứa hẹn ch truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường diđộng Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì chu kỳ kú hiệu tăng cho nên dung saitrễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM

- OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh phading chọnlọc tần số chuyển thành kênh phading phẳng Vì vậy OFDM là giải pháp đối với tínhchọn lọc tần số của kênh phading Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằngkênh dễ dàng

- Do trải rộng phading tần số trên nhiều ký hiệu , nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi cụm(do phading Rayleigh gây ra) , nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàntoàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo

- Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số vàcông nghệ vi mạch VLSI

*Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹthuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-AveragePower Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nênkhi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến choPAPR lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cốngsuất lớn HPA (high-power amplifier)

Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tầnDoppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy

mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồngthời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác.

2.7 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.11 sơ đồ khối phát thu hệ thống OFDM điển hình

2.7.1 Máy phát

Máy phát chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con.Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số,phổ của chúng là các điểm rờirạc.Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóngmang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thống trong thực tếdung biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu của nó Tín hiệu OFDMtrong miền thời gian được trộn nâng tần số truyền dẫn vô tuyến

2.7.2 Máy thu

Máy thu thực hiện hoạt động ngược lại của máy phát Theo đó trước hết , trộn

hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích tínhiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biến độ và pha của các sóng mangcon được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số banđầu

2.7.3 Tâng chuyển đổi nối tiếp sang song song ( Serial to Para )

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ

liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việcphân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chếđược dùng và số lượng sóng mang con

Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trênmỗi ký hiệu sẽ là 400 Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữliệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp banđầu

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số) tácđộng lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng Tại điểmđáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổnthất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu Do cơ chế FEC là hiệu quả caonếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiệnhiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổinối tiếp thành song song Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việcphân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp Ngẫu nhiên hoá làm phântán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC

2.7.4 Điều chế các sóng mang con

Hình 2.12: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit trong một symbol.

Mỗi một symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích là đểnâng cao dung lượng kênh truyền Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M=2btrạng thái hay một vị trí trong constellation (giản đồ chòm sao)

BPSK sử dụng 1 symbol có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha 00 hoặc 1800,tốc độ Baud hay tốc độ symbol sẽ bằng tốc độ bit R symbol Rb

QPSK sử dụng 1 symbol 2 bit (Dibit) R symbol Rb/ 2

Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băngthông:

m T

Nyquist đã đua ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường truyền

không thể tăng M lên tùy ý được,công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất, sốbit lớn nhất có thể truyền trong một symbol

Một số phương thức điều chế thường dùng trong bộ mapping:

* M-PSK (Phase Shift Keying)

* M-DPSK (Differential Phase Shift Keying)

* M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)

2.7.4.1 M-PSK (M-Phase shitf keying)

Sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà khôngthay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi Một sốdạng PSK thường gặp:

* BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào

* QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào

* 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào

* 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào Phương pháp này đòi hỏi phía thu phải khôi phục được chính xác sóng mang.

Hình 2.14: Giản đồ chòm sao QAM

2.7.4.3 DPSK (Differential Phase Shift Keying)

Đây là một dạng của M-PSK, trước khi đi vào bộ M-PSK tín hiệu sẽ được xử

lý sai biệt, kí tự ra khỏi bộ này chứa đựng thông tin về sự khác nhau giữa hai kí tựliên tiếp

Bộ giải điều chế sẽ so sánh sự khác biệt về pha giữa 2 kí tự liên tiếp để xácđịnh kí tự thu được Thông thường nhiễu tác động lên 2 kí tự liên tiếp gần nhưnhau, sai biệt giữa 2 kí tự liên tiếp sẽ giống nhau trong trường hợp có nhiễu vàkhông có nhiễu

Ưu điểm của phương pháp này là không cần khôi phục sóng mang Tuy nhiên

để có sai số như PSK, tín hiệu DPSK vào bộ giải điều chế cần có tỷ số tín hiệutrên nhiễu S/N lớn hơn từ 1 đến 3dB so với PSK Hình 2.15, 2.16 và 2.17 cho tathấy cách thức điều chế và giải điều DPSK

Hình 2.15: Sơ đồ điều chế DPSK

Hình 2.16: Chuỗi bit vào và pha của sóng mang tương ứng

Hình 2.17: Sơ đồ giải điều chế DPSK

2.8 Sự sắp xếp các pilot (Pilot Arrangements)

Việc sử dụng những ký tự pilot để ước lượng kênh truyền như đã giới thiệu ởtrên và trong khi sử dụng thì điều mong muốn là phải đạt được số ký tự pilot càng ítcàng tốt Vấn đề phải quyết là phải chèn pilot ở đâu và chèn như thế nào Khoảngcách giữa các pilot phải đủ nhỏ sao cho quá trình ước lượng kênh truyền đạt được

độ tin cậy.Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bằng cách hoặc là chènpilot vào tất cả các sóng mang của ký tự OFDM theo chu kỳ ở miền thời gian hoặc

là chèn pilot vào mỗi sóng mang của ký tự OFDM ở miền tần số hoặc chèn pilot ở

cả miền tần số và miền thời gian

2.8.1 Sắp xếp Pilot dạng khối

Dạng thứ nhất được gọi là ước lượng kênh truyền theo pilotdạng khối và thường được sử dụng đối với kênh truyền fadingchậm, cách sắp xếp pilot này cho kết quả tốt khi hàm truyền củakênh truyền không có sự thay đổi quá nhanh Nếu đáp ứng củakênh truyền biến đổi nhanh thì việc ước lượng kênh truyền sẽkhông còn đúng nữa và sẽ dẫn đến giải mã sai chuỗi bit nhậnđược Khi đó người ta sẽ dùng một bộ cân bằng hồi tiếp quyết định

để cập nhập lại các giá trị ước lượng cho mỗi sóng mang con mang

dữ liệu ở giữa các ký tự pilot dạng khối

Hình 2.18 : Kiểu chèn pilot dạng khối.

Tuy nhiên, nếu kênh truyền là fading nhanh thì bộ cân bằng hồi tiếp quyết định

sẽ chỉ làm giảm đến mức tối thiểu sự thiếu hụt thông tin trạng thái của kênh truyền.Cho nên bắt buộc phải tăng chu kỳ cập nhập của sóng mang pilot, và điều này sẽdẫn đến làm giảm băng thông có ích dùng để truyền dữ liệu hoặc phải chuyển quadùng cách sắp xếp pilot dạng lược

2.8.2 Sắp xếp Pilot dạng lược

Hình 2.19: Kiểu chèn pilot dạng lược.

Dạng thứ hai là cách sắp xếp pilot dạng lược, dạng này có thể được sử dụng đểbám kênh truyền biến đổi nhanh, thậm chí trong trường hợp sự biến đổi này xảy rabên trong một chu kỳ thời gian của một ký tự OFDM đơn Những ký tự pilot đượcsắp xếp tuần hoàn tại một vài vị trí sóng mang trong mỗi ký tự OFDM nên phía thu

sẽ liên tục có được thông tin về trạng thái kênh truyền Tuy nhiên những thông tin

về trạng thái kênh truyền có được từ những pilot này vẫn chưa hoàn chỉnh

Việc ước lượng kênh truyền tại vị trí các sóng mang pilot có thể được tính toánbằng kỹ thuật LS /ML hoặc MMSE/MAP, trong khi đó kênh truyền tại vị trí cácsóng mang con mang dữ liệu được ước lượng bằng cách thực hiện nội suy từ đápứng giữa những sóng mang pilot Nhiều kỹ thuật nội suy có thể được sử dụng baogồm nội suy tuyến tính, nội suy bằng đa thức,nội suy spline, và nhiều kỹ thuật khácvới độ chính xác và hiệu quả khác nhau Hình ảnh sắp xếp của pilot dạng khối vàdạng lược được minh họa như hình 2.18 và 2.19

2.8.3 Nguyên tắc chèn pilot ở miền tần số và miền thời gian

Pilot có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian.

Tuy nhiên khoảng cách giữa hai pilot liên tiếp nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu

cả ở miền tần số và miền thời gian

Hình 2.20: Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và miền thời gian

Ở miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫnlớn nhất của kênh ( ký hiệu là T max) Với ký hiệu R f là tỷ số lấy mẫu ở miền tần số,

s

tần số D f phải thỏa mãn điều kiện sau :

được khôi phục lại được hoàn toàn thông qua pilot

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của cả hai pilot liên

hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler f D m, ax Theotiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách D t phải thỏa mãn điều kiện:

Tỷ số R t được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian

Trong trường hợp điều kiện ở phương trình (2.5) không thỏa mãn thì hàm truyềnkênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn được ở máy thu

2.9 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuậtđiều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóngmang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớnthì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải

quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thaythế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗikênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biếnđổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiệnphép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

2 0

) ( )

(

N k

t f k f j

e k X t

ft k j t

k

ft k j

Ở băng gốc:

kỳ tín hiệu, phương trình (2.6) được viết lại như sau :

) ( )

( )

k

N fT nk j s

N n a

()

k

N nk j

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, ta có :

N nk j N

n

a n e x n

DFT

k

0 a

n

N m

N k m n j

m

N n

N m N N k m n j

)(

N m

k m m

0 1

)

(

n khi

n khi

n

2.10 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDMthấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang Ví dụ đối với điềuchế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với

đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường Có thểgiảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệphía trước mỗi ký hiệu Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mởrộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảngbảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một

số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó Do vậy việc đưa vào các bản copy của

ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗnối Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi

ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn

Hình 2.18: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:

Ts = TFFT + TG (2.11)

Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài

ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu

2.11 Đồng bộ trong OFDM

Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuậtOFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm củaOFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫnđến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDMmất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người taxét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấymẫu (sampling frequency synchronization)

2.11.1 Đồng bộ kí tự

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện

một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗithời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

Lỗi thời gian

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗithời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dàikhoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang.Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch phacủa kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh.Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống

sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là :đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các

hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phươngpháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên

độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sửdụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điềubiên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biếtcông suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh(fine synchronization) Trong bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suấttín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải làtín hiệu OFDM hay không Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được chotương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước) xác định đỉnh tự tươngquan để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan

có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ) Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quátrình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP.Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tinpilot và giá trị ước lượng kênh

Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta đi xét sựsai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lấy mẫu Đặt giá trị sai lệch

này là d(k) = r(k)-r(k+N) Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lạinằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nênd(k) có giá trị rất bé công suất của d(k) rất bé Nếu không nằm trong trường hợptrên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của một ký tựOFDM) thì d(k) có giá trị lớncông suất của d(k) khá lớn Nếu dùng một cửa sổtrượt có chiều dài đúng bằng chiều dài của tiền tố lặp thì công suất ra có giá trị bénhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới  xác đinh được thời điểm bắt đầu một

ký tự OFDM

Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang

do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)

Hình 2.19: Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống: suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●)

Ước lượng tần số

Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử

dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot,một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗigiả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ướclượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ướclượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự

và đồng bộ tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóngmang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mangcạnh nhau Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trênmỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn Điều

đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sựdung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra

2.11.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu.

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bênthu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người tađưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là

sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO).Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này,các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấymẫu để đảm bảo sự đồng bộ

2.12 Hệ thống Anten thông minh

Hệ thống anten thông minh có liên quan tới loại công nghệ Anten được thiết kế

để tăng cường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập không dây Mục đích là đểlàm tăng CINR ( carrier-to-interference plus nóie ratio) Sử dụng công nghệ Antenthông minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu nhận được và làm giảm mức độnhiễu để tăng phần lớn công dụng trong một mạng giao tiếp di động

Cường độ tín hiệu nhận được dao động khi các thuê bao di động trong vùng phủsóng và việc sử dụng nhiều anten hoặc anten thông minh để tăng chất lượng đườngtruyền đã được nghiên cứu ngay từ khi các hệ thống di động đầu tiên mới ra đời.Bước đầu tiên là sử dụng nhiều Anten để cung cấp độ phân tập thu “ receivediversity” Hệ thống này hoặc lựa chọn một anten với cường độ tín hiệu mạnh nhấthoặc tối ưu phối hợp các tín hiệu nhận được từ tất cả anten Chuẩn WiMAX hỗ trợnhiều loại Công nghệ Anten thông minh, bao gồm đa cổng vào ra (MIMO) và hệthống Anten thông minh cải tiến (hoặc thích ứng ) (ASS) trên cả hai loại thiết bị đầucuối khách hàng và trạm gốc Trong khi MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiềuAnten và kết quả quá trình yêu cầu các tín hiệu bổ sung

Công nghệ MIMO

Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô

tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,…và gây ra hiện tượng fading

đa đường Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tínhiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông Các fading khá phổbiến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean [1]

Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn 1radio và hệ thống Anten tại một điểm cuối của đường kết nối không dây Trước đây,chi phí để kết hợp nhiều Anten và các radio trong một đầu cuối khách hàng là rấtcao Các cải tiến gần đây trong công nghệ tích hợp và triển khai quy mô nhỏ cho hệthống vô tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả Phối hợp nhiều tín hiệunhận được sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được, tuynhiên công nghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song đểđạt được thông lượng lớn hơn Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm phần tửphát và phần tử thu), với hệ thống Điểm-Điểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier

có thể được sử dụng 2 lần , làm tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần

Trong hệ thống Điểm –Đa điểm sử dụng MIMO, mỗi Anten trạm gốc phát điluồng dữ liệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách hàng nhận được nhiều thànhphần của tín hiệu phát khác nhau với mỗi Anten thiết bị thuê bao khách hàng được

minh họa trong hình dưới đây Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, thiết bị đầucuối khách hàng có thể phân chia và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùngmột lúc Chuẩn Wimax di động bao gồm công nghệ mã hóa MIMO cho tới 4 Antentại mỗi điểm cuối đường kết nối, (4x4 MIMO)

Hình 2.20: Hệ thống Anten MIMO

2.13 Kỹ thuật phân tập Anten

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnhhưởng của fading Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng

để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin màkhông phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian,phân tập không gian (phân tập anten) Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đangrất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệuquả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm