Nghiên cứu ứng dụng giải mã lặp vào giao diện vô tuyến cho chuẩn lte

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G LTE sủ dụng kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM để cho phép truyền dữ liệu chất lượng cao trong các kênh truyền chất lượng thấp và

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ ĐỨC DUY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI MÃ LẶP VÀO GIAO DIỆN

VÔ TUYẾN CHO CHUẨN LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Thái Nguyên – Năm 2022

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ ĐỨC DUY

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢI MÃ LẶP VÀO GIAO DIỆN

VÔ TUYẾN CHO CHUẨN LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Thái Nguyên – Năm 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 3 năm 2022

Tác giả

Lê Đức Duy

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

giáo TS Trần Anh Thắng đã trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian

qua

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô giáo trong Khoa, bộ môn cùng đông đảo bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ rất nhiều cho việc thực hiện luận văn này

Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của

bản thân Song vì kiến thức còn hạn chế, nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và

sự góp ý chân thành của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM 4

1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông số 4

1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thông truyền thông số 4

1.1.2 Môi trường truyền dẫn 5

1.2 Hệ thống OFDM 15

1.2.1 Khái niệm về OFDM và đặc điểm 15

1.2.2 Nguyên lý của OFDM 19

1.2.3 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM 20

1.2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình 22

1.2.5 Ưu nhược điểm và các ứng dụng cơ bản của OFDM 29

1.3 Kết luận 34

Chương 2 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT GIẢI MÃ LẶP VÀ ÁP DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM 35

2.1 Giới thiệu chung về mã hoá 35

2.2 Giải mã lặp 37

2.2.1 Thuật toán APP (sử dụng MAP) 37

2.2.2 Giải mã như một hàm của các ràng buộc mã 43

2.2.3 Nguyên lý của giải mã lặp 44

2.2.4 Giải mã lặp sử dụng thuật toán APP (BCJR) 46

2.3 Kết luận 47

Chương 3 ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG GIẢI MÃ LẶP VÀO GIAO DIỆN VÔ TUYẾN CHO CHUẨN LTE 49

iv

3.1 Nghiên cứu hệ thống LTE 49

3.1.1 Khái quát về công nghệ LTE 49

3.1.2 Giao diện vật lý của LTE 54

3.2 Cơ sở áp dụng kỹ thuật giải mã lặp cho hệ thống LTE 68

3.3 Xây dựng hệ thống LTE sử dụng giải mã lặp 69

3.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 73

3.4.1 Các tham số mô phỏng 73

3.4.2 Các kết quả mô phỏng 74

3.5 Kết luận 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

1 Kết luận 80

2 Kiến nghị 80

PHỤ LỤC 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

3GPP 3rd Generation Partnership

APP A posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm

AWGN Additive White Gaussian Noise

BCJR Bahl, Cocke, Jelinek, and Raviv Thuật toán BCJR

BCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Mã hoá BCH

BICM-ID

Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Demodulation/decoding

Điều chế mã có xáo trộn bít kết hợp giải điều chế/giải mã lặp

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khoá dịch pha nhị phân FEC Forward Error Correction Mã hoá sửa lỗi hướng đi

MAP Maximum A posteriori

Probability xác suất hậu nghiệm cực đại

ML Maximum Likelyhood (Máy thu) hợp lẽ cực đại (Hợp lệ

cực đại) MLD maximum-likelihood decoding Giải mã hợp lẽ cực đại

M-PSK M-ary Phase-Shift Keying Điều chế khoá dịch pha M mức

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PCCC Parallel Concatenate

Convolution Code Mã chập liên kết song song

SCCC Serial Concatenate Convolution

SISO Soft Input Soft Output Đầu vào mềm - đầu ra mềm

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số công suất của tín hiệu trên

công suất của tạp âm SOVA Soft Output Virterbi Algorithm Đầu ra mềm theo thuật toán Vitecbi TDL Tapped Delay Line Mô hình trễ đa đường

VA Virterbi Algorithm Thuật toán Vitecbi

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 50

Bảng 3.2: Sơ đồ mã hóa kênh và tỷ lệ mã hóa cho kênh vận chuyển 54

Bảng 3.3: Sơ đồ mã hóa kênh và tỷ lệ mã hóa cho thông tin điều khiển 55

Bảng 3.4: 16QAM modulation mapping 62

Bảng 3.5: Cấu trức khung loại 2 cho Uplink-downlink 63

Bảng 3.6: Cấu hình băng thông truyền NRB trong băng thông kênh E-UTRA 64

Bảng 3.7: Tham số SC-FDMA của LTE 65

Bảng 3.8: Độ dài CP tính theo đơn vị subcarrier của từng loại băng thông với loại Normal CP, f  15 kHz 68

Bảng 3.9: Độ dài CP tính theo đơn vị subcarrier của từng loại băng thông với loại Extended CP, f  15 kHz 68

Bảng 3.10: Các điều kiện truyền dẫn pha-đinh đa đường mô hình bộ hành B của ITU [13] 74

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền thông số đơn giản 4

Hình 1.2: Mô tả các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và phân tán 7

Hình 1.3: Tổng quan về các cơ chế pha đinh 9

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa  (t) với large-scale-fading m (t) 11

Hình 1.5: Sự phân bổ “ ngân sách” đường truyền cho một kênh fading 13

Hình 1.6: So sánh hiệu quả sử dụng băng tần giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang truyền thống và điều chế đa sóng mang trực giao 16

Hình 1.7: Phổ của một sóng mang OFDM và của tín hiệu OFDM 17

Hình 1.8: Nguyên lý của kỹ thuật OFDM 20

Hình 1.9: Ví dụ sóng mang trong một tín hiệu OFDM 22

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc điển hình 22

Hình 1.11: Giản đồ chòm sao QPSK và16-QAM 23

Hình 1.12: Thực hiện tín hiệu OFDM bằng biến đổi IDFT/DFT 25

Hình 1.13: Ảnh hưởng của đa đường với tín hiệu “0”trong thời gian phòng vệ;sóng mang 2 bị trễ gây ra ICI trên sóng mang 1 và ngược lại 27

Hình 1.14: Symbol OFDM với việc trải theo chu kỳ 27

Hình 1.15: Các ký hiệu OFDM thu được sau khi truyền qua kênh đa đường 28 Hình 1.16: Chèn khoảng bảo vệ 29

Hình 1.17: Truyền tín hiệu QAM qua kênh pha đinh chọn tần 30

Hình 1.18: Truyền tín hiệu OFDM qua kênh pha đinh chọn tần 30

Hình 2.1: Các thuật toán giải mã lưới 37

Hình 2.2: Giải mã lặp với hai bộ giải mã 46

Hình 3.1: Kiến trúc tổng quan mạng LTE 53

Hình 3.2: Tỷ lệ bộ mã hóa tail biting convolutional 1/3 55

ix

Hình 3.3 : Cấu trúc của bộ mã turbo tỷ lệ 1/3 (đường chấm chỉ áp dụng cho

kết thúc lưới mắt cáo) 58

Hình 3.4: Sơ đồ khối một bộ Rate matching 59

Hình 3.5: Ánh xạ 16QAM LTE 61

Hình 3.6: Cấu trúc khung loại 1 63

Hình 3.7: Định nghĩa băng thông kênh và cấu hình băng thông truyền cho một sóng mang E UTRA 65

Hình 3.8: Lưới tài nguyên đường xuống 66

Hình 3.9: Tham số OFDM 67

Hình 3.10: Biểu tượng LTE OFDM anh độ dài tiền tố theo chu kỳ 67

Hình 3.11: Hệ thống OFDM cho chuẩn LTE có sử dụng giải mã lặp 70

Hình 3.12 : Nguyên lý giải mã quyết định mềm 71

Hình 3.13 : Hệ thống LTE OFDM 16QAM quyết định cứng với dải thông 3MHz trên kênh AWGN 74

Hình 3.14: Hệ thống LTE OFDM 16QAM sử dụng giải lặp với dải thông 3MHz trên kênh AWGN 75

Hình 3.15: So sánh hệ thống đề xuất cho LTE: OFDM với các tập ánh xạ, bộ xáo trộn khác nhau với hệ thống LTE dùng dải thông 3MHz trên kênh AWGN 76

Hình 3.16: Nguyên lý và mô phỏng, hệ thống LTE quyết định cứng với dải thông 3MHz trên kênh kênh pha-đinh đa đường 77

Hình 3.17: Hệ thống LTE sử dụng giải mã lặp với dải thông 3MHz trên kênh kênh pha-đinh đa đường 77

Hình 3.18 : So sánh hệ thống đề xuất cho LTE: OFDM với các tập ánh xạ, bộ xáo trộn khác nhau với hệ thống LTE dùng dải thông 3MHz trên kênh pha-đinh đa đường 78

‖.‖2 Độ dài bình phương của véc tơ

λ(νk=b) Số đo bít (số đo bít thứ k có giá trị bằng b)

P(.) Xác suất cảu tín hiệu

p(.) Hàm mật độ xác suất cảu tín hiệu

L Độ dài chuối bít xáo trộn

L D,A,E (ν i ) Giá trị LLR (hậu nghiệm, tiên nghiệm, ngoại lại) của bít ν i

m Số bít trong một ký hiệu (symbol)

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với nhu cầu rất lớn của con người về dịch vụ viễn thông thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G LTE đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G LTE với những ưu điểm vượt trội như tốc

độ cao, độ tin cậy lớn, sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số đã đáp ứng được nhu cầu của con người Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G LTE sủ dụng kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM để cho phép truyền dữ liệu chất lượng cao trong các kênh truyền chất lượng thấp và giúp hệ thống sử dụng hiểu quả băng tần

mà vẫn đảm bảo khả năng chống nhiêu Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả Tuy nhiên để hệ thống có thể hoạt động hiệu quả hơn cần kết hợp các kỹ thuật khác như:

mã hóa, giải mã, xáo trộn, tróng đó có kỹ thuật giải mã lặp rất thích hợp để ungngs dụng vào hệ thống

Giải mã lặp là sự trao đổi của thông tin mềm liên tục giữa các bộ giải mã ở máy thu Các bộ giải mã dựa trên thông tin của kênh truyền và thông tin tiên nghiệm để tính toán thông tin hậu nghiệm và thông tin ngoại lai Thông tin ngoại lai của bộ giải

mã này sau khi qua bộ xáo trộn/giải xáo trộn sẽ thành thông tin tiên nghiệm cho bộ giải mã khác Kết quả cuối cùng sẽ được quyết định dựa trên thông tin hậu nghiệm sau một số vòng lặp giữa các bộ giải mã Việc sử dụng nhiều bộ giải mã giúp nâng cao hiệu quả của quá trình giải mã, sủa lỗi cho tín hiệu và đem lại độ tin cậy cao Áp dụng kỹ thuật giải mã lặp vào trong hệ thống LTE giúp cho hệ thống có thể giải mã tín hiệu một cách chuẩn xác nâng cao chất lượng hệ thống truyền thống Vậy nên từ

2

những ưu điểm trên học viên lựa chọn đề tài nghiên là: “Nghiên cứu ứng dụng giải

mã lặp vào giao diện vô tuyến cho chuẩn LTE”

2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu kỹ thuật giải mã lặp

- Ứng dụng của giải mã lặp nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu trong kỹ thuật

truyền dẫn 4G LTE

3 Đối tượng nghiên cứu

- Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM

- Giao diện vô tuyến của chuẩn LTE

- Kỹ thuật giải mã lặp và một số kỹ thuật hỗi trợ trong giải mã lặp như : mã hóa,

xáo trộn, giải mã

- Ứng dụng của giải mã lặp nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn

4G LTE

4 Phạm vi nghiên cứu

- Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM

- Kỹ thuật giải mã lặp và một số kỹ thuật hỗi trợ trong giải mã lặp

- Ứng dụng của giải mã lặp trong hệ thống truyền dẫn 4G LTE

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống OFDM và giải mã lặp

- Phân tích các tham số liên quan đến giải mã lặp trong hệ thống truyền dẫn OFDM và 4G LTE

- Dùng phương pháp mô phỏng trên máy tính để tìm giá trị tối ưu cho các tham

số của giải mã lặp góp phần nâng cao hiệu quả hệ thống

- Đánh giá bằng cách so sánh giữa các kết quả mô phỏng giữa hai hệ thống có

và không có giải mã lặp

3

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài nhằm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật giải mã lặp vào giao diện vô tuyến cho chuẩn LTE Từ đó là cơ sở khoa học cho việc nâng cao chất lượng tín hiệu và cái thiện chất lượng của hệ thống LTE

7 Kết cấu của luận văn

Nội dung của luận văn này được trình bày gôm 3 chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền dẫn OFDM

Giớ thiệu tổng quan về hệ thống truyền thông vô tuyến.Khái quát về hệ thống truyền thông vô tuyến, các thành phần , cấu trúc, sơ đồ khối của hệ thống Các yếu tố ảnh hưởng tối chất lượng của hệ thống : môi trường truyền dẫn, kênh truyên Những giải pháp kỹ thuật được sử dụng nhằm nâng cao chất lượng trong hệ thống truyền thông vô tuyến

Trình bày về kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM Giới thiệu các thành phần, nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Giới thiệu về một hệ thống OFDM hoàn chỉnh đã được sử dụng Bên cạnh đó là các kỹ thuật hỗi trợ giúp nang cao chất lượng của hệ thống OFDM và những ứng dụng, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

Chương 2: Nghiên cứu kỹ thuật giải mã lặp và áp dụng trong hệ thống OFDM

Trong chương này sẽ trình bày về kỹ thuật giải mã lặp Từ nguyên lý, mô hình toán học của kỹ thuật đến xây dụng sơ đồ khối của ký thuật Xây dụng mô phỏng cho

4

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM

1.1 Tổng quan hệ thống truyền thông số

1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thông truyền thông số

Đặc trưng cơ bản của hệ thống truyền thông số là: Các tín hiệu được xủ lý và truyền

đi trong hệ thống là tin hiệu số Hình 1.1 Mô tả sơ đồ khối hệ thống truyền thông số đơn giản Nguồn tin đầu vào của hệ thống truyền thông số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên cần được biến đổi sang dạng tín hiệu số thông qua các bộ chuyển đổi Tín hiệu này sau đó được truyền tới bộ mã hóa nguồn nhằm mực đích làm giảm số bít dư thừa không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn Sau đó tín hiệu được đưa đến bộ mã hóa kênh, tại đây các bít được thêm vào tín hiệu số theo một quy luật nhất định, nhằm giúp cho bên thu

có thể phát hiện và sủa lỗi xảy ra trên kênh truyền Bộ điều chế tạo ra các tín hiệu dạng sóng để có thể truyền qua kênh Tại phía thu các quá trình được thức hiện ngược lại.Tín hiệu thu từ kênh truyền được đưa qua bộ giải điều chế chuyển thành dãy bít, dãy bít này được đưa tới bộ giải mã kênh, tín hiệu từ bộ giải mã kênh được chuyển tới bộ giải mã nguồn, sau bộ giải mã nguồn thu được tín hiệu ra

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền thông số đơn giản

Kênh truyền là phương tiện truyền tải tin cho phép truyền tín hiệu từ đầu phát đến đầu thu Do tác động của nhiễu tạp trên đường truyền, tín hiệu đến đầu thu thường bị méo, điều đó dẫn tới dãy bit thu có thể bị lỗi Các yếu tố tác động gây méo tín hiệu điển hình là nhiễu Gauss và pha-đinh Khi chỉ xét tác động của thành phần nhiễu

5

Gauss thì kênh truyền được gọi là kênh Gauss, là loại nhiễu có hàm mật độ xác suất phân bố chuẩn (phân bố Gauss) Trong hệ thống thông tin vô tuyến, ngoài tác động của nhiễu Gauss, tín hiệu truyền trên kênh còn chịu ảnh hưởng của pha-đinh Ảnh hưởng của pha-đinh tác động rất lớn đến chất lượng của tín hiệu thu và được gọi là kênh pha-đinh, có hàm mật độ xác suất phân bố theo hàm Rice hoặc Rayleigh

1.1.2 Môi trường truyền dẫn

1.1.2.1 Đặc tính sóng vô tuyến

Đối với các đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, thì tín hiệu nhận chỉ bao gồm các đường truyển tín hiệu đơn trực tiếp do vậy khi khảo sát ta chỉ tính đến suy hao trên kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) Tuy nhiên, trên thực tế đối với hệ thống thông tin di động, tín hiệu sẽ luôn bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, khi đó ta phải tính đến các vấn đề về pha đinh

Khi nghiên cứu thiết kế các hệ thống thông tin, điểm khởi đầu được thực hiện

là khảo sát chất lượng của hệ thống đó trên kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính AWGN Đây là một kênh bao gồm các mẫu nhiễu có phân bố độc lập thống kê làm sai lạc các

dữ liệu, không tính đến ISI

Về bản chất, nhiễu trắng được gây bởi các nguồn tạp âm nhiệt tại chính bản thân máy thu Tuy vậy, các nguồn nhiễu bên ngoài do máy thu nhận được qua anten lại lớn hơn nhiều so với tạp âm nhiệt Các tạp âm này được coi là có phổ rộng vô cùng với mật độ phổ công suất bằng phẳng trên mọi dải tần tín hiệu (hay có hàm mật

độ công suất PDF trung bình bằng 0)

Trong trường hợp nếu các đặc trưng truyền dẫn của kênh chưa xác định được thì người ta coi môi trường truyền sóng là môi trường tự do, đồng đều và không hấp thụ Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới trái đất cũng được xem là xa vô cùng, khi

đó sự phản xạ từ trái đất coi như không đáng kể

Trong mẫu không gian tự do lý tưởng hoá này, công suất tín hiệu nhận được hoàn toàn có thể ước lượng được Hệ số suy giảm công suất phát đi tỉ lệ thuận với bình phương khoảng cách và được xác định theo công thức:

: Bước sóng tín hiệu truyền dẫn

Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu diễn

ra trong tầng khí quyển và gần với mặt đất do đó mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả đáng để mô tả đặc tính của kênh và dự đoán kết quả của

hệ thống

Trong một hệ thống thông tin di động, thực tế tín hiệu được truyền từ máy phát

tới máy thu theo nhiều đường khác nhau và được gọi là truyền dẫn đa đường Hiện

tượng truyền dẫn đa đường gây ra sự thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc

tới của tín hiệu thu gọi là pha đinh đa đường Việc xây dựng mô hình từ đầu

cuối-đầu cuối và kết hợp các biện pháp nhằm hạn chế các ảnh hưởng của pha đinh đa đường là một thách thức lớn hơn rất nhiều so với suy giảm chất lượng do nhiễu trắng cộng tính AWGN

Ba cơ chế gây ra truyền dẫn đa đường trong thông tin di động là sự phản xạ

(Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) và tán xạ (Scattering), được mô tả trong Hình 1.2

 Hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn

có kích cỡ rất lớn so với bước sóng Trong thực tế phản xạ thường gây bởi các toà nhà, biển quảng cáo

 Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật cản có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật cản Nhiễu xạ là trường hợp tính đến năng lượng truyền từ máy phát đến máy thu không theo tia truyền thẳng Do đó nhiễu xạ còn được gọi là hiện tượng che khuất Nhiễu xạ thường gây bởi các vật thể như nhà cửa, ô tô

7

Hình 1.2: Mô tả các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và phân tán

 Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu bị phân tán ra nhiều phía Trong các đô thị, các vật gây ra tán xạ thường là cột điện, biển quảng cáo, lá cây

1.1.2.2 Suy hao đường truyền

Khởi đầu, Okumura đã tiến hành đo đạc về suy hao đường truyền theo chiều cao anten và khoảng cách cho các ứng dụng VTĐ di động Sau đó Hata đã chuyển những số liệu của Okumura sang dạng các công thức toán học Các kết quả trong kênh truyền dẫn trong nhà và ngoài trời đều cho thấy độ suy hao đường dẫn trung bình L(d) là một hàm theo khoảng cách d giữa máy thu và máy phát, tỷ lệ theo hàm

mũ của d so với khoảng cách tham chiếu do:

Thông thường L p(d) được viết dưới dạng dB như sau:

L p (d) (dB) =L s (d 0 ) (dB) +10 n log (d/d 0 ) (1.3)

-Khoảng cách tham chiếu d0 được chọn tương ứng theo từng điểm so với anten phát Điển hình d0 được chọn bằng 1km cho các large cell, 100m cho microcell và 1m cho các kênh indoor

p

d

d d

8

- n: hệ số mũ suy hao

- L s(d0) được xác định theo biểu thức (1.1) hoặc bằng các phép đo cụ thể

-L p(d) là tổn hao đường truyền trung bình (trên các địa điểm khác khau) đối

với một giá trị d cho trước Khi biểu diễn L p(d) theo các khoảng cách d lớn hơn nhiều

so với d0 trên thang log, ta sẽ có một đường tuyến tính với độ dốc bằng10n dB/decade

Giá trị của số mũ n phụ thuộc vào tần số, chiều cao các anten và môi trường truyền dẫn

Suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách và theo tần số Trong không gian

tự do thì suy hao đường truyền tỷ lệ với bình phương khoảng cách tức là n=2 như theo công thức (1.1) Trong các môi trường có đặc tính định hướng sóng (như các phố của đô thị), n có thể thấp hơn 2 Tuy nhiên do các hiệu ứng về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu thu được sẽ thăng giáng ngẫu nhiên và vì vậy n sẽ lớn hơn

Độ suy hao đường truyền theo khoảng cách theo công thức (1.3) là một phép lấy trung bình, do đó nó không đủ để mô tả cho một đường dẫn cụ thể Vì vậy cần

có các biến về sự trung bình vì môi trường tại các vị trí khác nhau có thể khác nhau

Các đo đạc chỉ ra rằng với bất kỳ một giá trị nào của d, độ tổn hao đường truyền Lp(d)

là một biến ngẫu nhiên có phân bố chuẩn logarit về giá trị khoảng cách trung bình

Lp(d) Như vậy, độ tổn hao đường truyền Lp(d) có thể được biểu diễn qua Lp(d) theo

biểu thức (1.3) cộng với một biến ngẫu nhiên X như sau:

Lp(d) (dB) = L s (d0) (dB) + 10n log10 (d/ d0) + X (dB) (1.4)

Trong đó:

- X biểu thị một biến ngẫu nhiên Gauss, có kỳ vọng 0, phương sai  (theo dB) X là biến phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí đo đạc cụ thể

Vì X và Lp(d) là các biến ngẫu nhiên, nếu biểu thức (1.4) được dùng làm cơ

sở để tính toán và dự đoán tổn hao đường truyền hay lề pha đinh thì trước tiên cần phải chọn một giá trị X nào đó Việc chọn lựa giá trị này thường dựa vào các đo đạc

tiến hành theo các vị trí khác nhau của máy thu và máy phát Thông thường X lấy

9

các giá trị 6-10 dB hoặc lớn hơn Vì vậy, các tham số cần xác định để biểu diễn

thống kê độ suy hao đường truyền tại vị trí tuỳ ý giữa máy thu và máy phát là: khoảng cách tham chiếu, số mũ tổn hao và phương sai của X

1.1.2.3 Pha đinh

Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn sóng vô tuyến Không giống như các kênh truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thì các kênh truyền dẫn vô tuyến là rất ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán

a Khái niệm pha đinh

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể được truyền đồng thời trên hai nhiều đường truyền sóng do các hiện tượng vật lý như phản xạ, tán

xạ, nhiễu xạ,… Tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục Hiện tượng này gọi là pha đinh

Sự phân loại các cơ chế pha đinh được mô tả tại Hình 1.3

Hình 1.3: Tổng quan về các cơ chế pha đinh

Trước hết, các cơ chế gây ra pha đinh trong thông tin di động được phân chia

10

thành pha đinh theo phạm vi rộng (large-scale fading) và pha đinh theo phạm vi hẹp

(small-scale fading)

Large-scale fading đặc trưng cho sự suy giảm công suất của tín hiệu trung bình

(hay sự suy hao đường truyền) do sự thay đổi vị trí qua một khoảng cách lớn scale fading gây ra do ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu (như đồi núi, cao ốc) Các số liệu thống kê về large-scale fading bổ

Large-trợ cho quá trình tính toán suy hao đường truyền theo hàm của khoảng cách

Về độ suy giảm hay độ tổn hao đường truyền, Large-scale fading được đánh giá

bởi trung bình của tín hiệu thu qua khoảng cách 10-30 lần chiều dài bước sóng  Trên Hình 1.3, khối 2 mô tả sự suy giảm tín hiệu trung bình theo khoảng cách

Khối 3 mô tả các biến đổi về giá trị trung bình do large-scale fading

Small-scale fading đề cập đến các biến đổi nhanh về biên độ và pha của tín hiệu,

được khảo sát trên các thay đổi nhỏ (cỡ 1/2 bước sóng) theo vị trí không gian giữa máy phát và máy thu

Một tín hiệu phát đi được biểu diễn bằng ký hiệu phức như sau:

Trong đó, R(t) =/g(t)/ : biên độ đường bao tín hiệu

(t) : pha của tín hiệu

Với tín hiệu điều tần hay điều pha đơn thuần, R(t) là một giá trị không đổi và

thường thay đổi chậm so với t = 1/fc

Trong môi trường phađinh, g(t) sẽ bị thay đổi bởi hệ số nhân vô hướng phức (t)e

-j(t)

Dạng sóng băng gốc bị biến đổi có thể được viết là (t)e -j(t) g(t), nhưng giờ đây

mô tả thống kê bởi hàm pdf log-normal hay khi được đo theo dB, m(t) có pdf Gauss Bên cạnh đó r0(t) thường được coi là multipath hay Rayleigh fading Với kênh vô

tuyến di động, Hình 1.4 minh hoạ mối quan hệ giữa  (t) với large-scale-fading m (t)

và small-scale-fading r0(t)

Hình 1.4: Mối quan hệ giữa  (t) với large-scale-fading m (t)

Trong hình vẽ này, chúng ta xét có một sóng mang không điều chế được phát đi (R(t) = 1 với mọi t) Hình 1.4 (a) biểu diễn công suất của tín hiệu nhận được đối với

sự thay đổi vị trí của anten (điển hình là theo số nguyên lần bước sóng) và là một hàm của hệ số nhân  (t) Qua hình vẽ ta nhận thấy rằng Small-scale fading được cộng vào large-scale fading Khoảng cách chuyển dịch của anten điển hình giữa các

12

điểm 0 kế cận do small-scale fading xấp xỉ là 1/2 bước sóng

Trong Hình 1.4 (b) large-scale fading hay giá trị trung bình địa phương được bỏ qua để thấy rõ small-scale fading r0 (t) tác động lên một công suất tín hiệu không đổi

nào đó

Cần nhắc lại rằng m (t) thường được đánh giá bởi trung bình đường bao tín hiệu

nhận được qua 10-30 chiều dài bước sóng Log-normal fading là một hàm biến đổi tương đối chậm, trong khi fading Rayleigh là một hàm biến đổi nhanh theo thời gian

Và với một máy di động, hàm theo vị trí tương ứng với một hàm theo thời gian

Trong Hình 1.3, các khối 4,5,6 của Small-scale fading biểu thị 2 cơ chế: sự trải

(hay méo tín hiệu) theo thời gian và đặc tính biến đổi theo thời gian của kênh truyền Trong các ứng dụng vô tuyến điện di động, sự chuyển động của máy phát và máy thu dẫn đến các thay đổi về đường truyền dẫn, do đó kênh truyền biến đổi theo thời gian Thuật ngữ pha đinh nhanh (fast fading) được dùng đặc trưng cho tốc độ thay

đổi nhanh của các điều kiện truyền dẫn (hay tốc độ thay đổi của các suy giảm) scale fading được gọi là Rayleigh fading nếu tại máy thu nhận được vô số đường phản

Small-xạ mà không có thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS

(line-of-sight), và được gọi là fading có phân bố Rice nếu tồn tại thành phần tín hiệu trội

Một máy di động khi chuyển dịch trên một khoảng cách rộng cần phải dự tính

đến sự tác động của môi trường gây bởi small-scale fading cộng trên nền của scale fading Do đó khi ước lượng tổn hao đường truyền để phân bổ “ ngân sách”

large-năng lượng tín hiệu, người ta cần quan tâm tới các thành phần sau:

 Tổn hao đường truyền trung bình theo hàm của khoảng cách

 Các biến đổi trường hợp cận xấu nhất cho giá trị tổn hao đường truyền trung

bình hay dự trữ large-scale fading

 Các thay đổi trường hợp xấu nhất cho fading Rayleigh hay dự trữ scale fading (điển hình là 20-30 dB )

small-Sự phân bổ “ ngân sách” năng lượng tín hiệu có tính đến dự trữ pha đinh được

mô tả bởi Hình 1.5:

13

Hình 1.5: Sự phân bổ “ ngân sách” đường truyền cho một kênh fading

Thực ra hiện tượng pha đinh quy mô lớn gây ra suy hao đường truyền mà ở phần 1.2.2 ta đã chỉ ra Do vậy ở phần tiếp theo ta chỉ xem xét các hiện tượng pha đinh trong mô hình truyền dẫn pha đinh quy mô nhỏ

b Truyền đa đường

Truyền đa đường trong kênh vô tuyến tạo ra các hiệu ứng phan đinh quy mô nhỏ, trong đó có ba hiệu ứng quan trọng sau:

- Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự li nhỏ hay trong khoảng thời gian ngắn

- Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đường truyền khác nhau

- Sự lệch thời gian gây ra bởi độ trễ của các tín hiệu truyền đa đường

Trong các vùng đô thị, suy giảm xảy ra do chiều cao của anten di động thấp hơn các công trình xây dựng xung quanh, nên không có đường truyền thẳng từ trạm

cơ sở đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đường truyền thẳng, đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Tín hiệu thu được tại máy di động gồm một số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên Thậm chí máy

di động đứng yên, tín hiệu nhận được vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh vô tuyến

Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với vận tốc không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian Do tính giao thoa của sóng mà máy có thể di chuyển

14

qua các điểm cực đại hay cực tiểu của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trường sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu thu trong thời gian dài Do sự chuyển động tương đối giữa máy di động và trạm gốc, mỗi sóng nhiều đường truyền chịu một độ dịch chuyển rõ rệt về tần số Sự dịch chuyển tần số thu được do chuyển động được gọi là dịch chuyển Doppler, nó tỷ lệ thuận với vận tốc

và phương chuyển động của máy di động so với phương tới của sóng nhiều đường truyền thu được

c Các yếu tố ảnh hưởng tới phan đinh đa đường

Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến phan đinh quy mô nhỏ,

đó là:

- Sự truyền đa đường: Các vật phản xạ và tán xạ trong kênh gây ra sự thay đổi môi trường một cách không đổi, môi trường này phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ, pha và thời gian Các ảnh hưởng trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều đường truyền gây ra các thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến pha đinh quy mô nhỏ, hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai Sự truyền

đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu, điều này gây nên hiệu ứng ISI

- Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa đến điều chế tần số ngẫu nhiên do sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền

- Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động, chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các đường truyền Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn pha đinh quy mô nhỏ Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh

có thể bỏ qua và chỉ có tốc độ của máy di động cần được xem xét

- Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng giáng mạnh

Phương trình trên liên hệ giữa độ dịch chuyển Doppler với vận tốc của máy di động và góc không gian giữa phương chuyển động của máy di động và phương tới của sóng Ta thấy nếu máy di động chuyển động về phía chiều tới của sóng, thì dịch chuyển Doppler là âm

1.2 Hệ thống OFDM

1.2.1 Khái niệm về OFDM và đặc điểm

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng

mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang

Thực ra, việc truyền dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số bắt đầu phổ biến vào những năm 1960 Trong hệ thống kinh điển, toàn bộ băng tần tín hiệu được chia thành N kênh tần số phụ Mỗi kênh phụ điều chế một Symbol khác nhau Trên miền tần số các sóng mang được bố trí cách nhau một khoảng (gọi là khoảng cách phòng vệ) sao cho có thể thu được tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Tuy nhiên, việc đưa vào khoảng cách phòng

Hình 1.6 biểu diễn sự so sánh hiệu quả sử dụng băng tần giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang truyền thống và điều chế đa sóng mang trực giao Với (a) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang truyền thống và (b) là điều chế đa sóng mang trực giao

Hình 1.6: So sánh hiệu quả sử dụng băng tần giữa kỹ thuật điều chế đa sóng

mang truyền thống và điều chế đa sóng mang trực giao

Ta có thể nhận thấy rằng bằng cách sử dụng điều chế đa sóng mang có gối nhau, chúng ta có thể tiết kiệm tới 50% băng thông

Tuy nhiên, trong hệ thống này, các sóng mang cần được sắp xếp sao cho rìa băng của các sóng mang gối nhau, đảm bảo mỗi sóng mang có khả năng tách biệt được mà không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang bên cạnh Để đạt được điều đó, các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học Một hệ thống như vậy được gọi

là hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Trong hệ thống OFDM, máy thu đóng vai trò như một tập hợp các bộ giải điều chế, chuyển mỗi sóng mang xuống DC, tín hiệu kết quả được tích phân trên chu kỳ Symbol để khôi phục dữ liệu thô Nếu các sóng mang khác được chuyển xuống kế tiếp nhau như vậy, trên miền thời gian chúng ta sẽ có toàn bộ chu trình trong khoảng thời gian Symbol T Quá trình tích phân sẽ có kết quả bằng không với các sóng mang

Hình 1.7: Phổ của một sóng mang OFDM và của tín hiệu OFDM

Hình 1.7(a) biểu diễn phổ một dữ liệu riêng biệt của một sóng mang con Tín hiệu OFDM được ghép bởi các phổ riêng biệt đó với khoảng cách tần số b giữa mỗi sóng mang và được biểu diễn ở H1.7(b, c)

Hình 1.7 cũng chỉ ra rằng tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang sẽ không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang khác Vì thế, nếu chúng ta sử dụng DFT tại máy thu

và tính toán các giá trị tương quan tại trung tâm tần số cuả mỗi sóng mang, chúng ta

sẽ khôi phục được dữ liệu phát đi mà không bị xuyên nhiễu của các sóng mang khác

Hơn nữa, việc sử dụng kỹ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, ghép kênh phân chia theo tần số đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc giải thông mà bằng việc xử

lý băng gốc

Để loại bỏ hàng loạt các dao động sóng mang phụ khác và việc sử dụng các

bộ giải điều chế tương quan cần cho ghép kênh phân chia theo tần số; việc số hoá hoàn toàn phần cứng với mục đích đặc biệt thực hiện biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Tramsform) là sự bổ xung hiệu quả của DFT Những tiến bộ gần đây trong công nghệ VLSI (Very-Large-Scale Integration) đã tạo những Chip FFT cỡ lớn,

18

tốc độ cao và có khả năng thương phẩm Việc thực hiện kỹ thuật FFT cho cả máy phát và máy thu làm giảm đáng kể số phép tính trong quá trình thực hiện, từ N2 phép tính trong DFT xuống thành Nlog2N Hơn nữa,khỹ thuật chen khoảng bảo vệ CP (Cyclic Prefix) để tối thiểu hóa nhiễu giao thoa ISI và ICI … đã đem đến nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống OFDM, đặc biệt chúng được ứng dụng trong truyền dẫn

vô tuyến

Như chúng ta đã biết ở trên kênh vô tuyến, các vấn đề về suy hao do pha đinh, đặc biệt là pha đinh chọn lọc tần số, các tín hiệu trễ do truyền dẫn đa đường ảnh hưởng rất lớn tới tín hiệu thu Hệ thống OFDM với các sóng mang con trực giao với nhau cho phép truyền dẫn trên kênh với các sóng mang con có băng thông hẹp, do đó

có tộc độ ký hiệu thấp, điều này làm cho tín hiệu chịu được những ảnh hưởng do truyền dẫn đa đường Đồng thời do số lượng sóng mang lớn nên pha đinh chọn lọc tần số chỉ ảnh hưởng lên một số hữu hạn sóng mang con và do vậy mà thông tin được điều chế trong chúng được truyền qua kênh một cách tin cậy, đảm bảo cung cấp chát lượng kết nối và truyền thông qua các kênh vô tuyến

Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng kênh hoặc chỉ cần bộ cân bằng một cách đơn giản mà vẫn đảm bảo được tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần số Mỗi sóng mang con thu được

bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán theo thời gian đo đó không yêu cầu

bộ cân bằng trễ đường Đây là lý do chính khiến OFDM được sử dụng trong các hệ thống quảng bá như DAB, DVB của ETSI, đường thuê bao số không đối xứng ADSL, cũng như đề suất cho các tiêu chuần WLAN như HiperLAN2, WLAN 802.11

Công nghệ OFDM đã giải quyết được hầu hết tất cả các vẫn đề của cả FDMA

và TDMA, đó là việc chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng chồng lấn lên nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

19

1.2.2 Nguyên lý của OFDM

Trong kỹ thuật OFDM, luồng dữ liệu đầu vào sẽ được chia thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu phụ đó trên một sóng mang phụ khác nhau Các sóng mang phụ này trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý Sau đó các sóng mang phụ đã được điều chế sẽ được tổng hợp lại với nhau để tạo thành một tín hiệu OFDM, được diễn đạt bởi:



 10

2) ( )

(

N

n

t f j m

m

n

e n x t

S  với: nTs t  (n+1)Ts (1.10) Trong đó: xm(n) lấy từ chuỗi dữ liệu đầu vào sau khi đã chuyển từ nối tiếp thành song song; chỉ số n tương ứng với chỉ số sóng mang trong tổng số N sóng mang,

m là chỉ số của khối tín hiệu thứ m tại đầu vào ( hay là chỉ số của toàn bộ ký hiệu OFDM) Khi đó mỗi tín hiệu Sm(t) tương ứng với một điểm trong không gian Euclid

N chiều gọi là không gian tín hiệu, mỗi điểm được biểu diễn bởi một bộ các giá trị {

xm(0), xm(1), xm(2),…, xm(n)} Một tập hợp gồm M điểm trong không gian N chiều này được gọi chùm tín hiệu (Signal Constellation) Các kết quả có được sau khi thực hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi trên kênh

Máy thu OFDM có thể được coi gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và lấy tích phân trên một chu

kỳ ký hiệu nhằm khôi phục lại tín hiệu ban đầu Vì rằng các sóng mang phụ là trực giao với nhau, điều này có nghĩa là:

s

dt e

T dt e

e

) ( 2 0

l k khi

: 0

: 1

(1.11)

20

Cho nên chúng ta sẽ khôi phục lại được bộ tín hiệu giống như ban đầu

Hình 1.8: Nguyên lý của kỹ thuật OFDM

Quá trình tạo và xử lý tín hiệu OFDM đã được trình bày chi tiết hơn trong những phần sau

1.2.3 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM

Trong toán học, mỗi một sóng mang được mô tả như một sóng phức:

Sn( t )  An( t ) ej[n tn(t)] (1.12) Tín hiệu thực là phần thực của Sn(t), cả An(t) và n(t) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol cơ bản (Chẳng hạn đối với điều chế QPSK, thì biên độ chuẩn hóa bằng 1 và pha của sóng mang sẽ là 1 trong bốn góc phần tư pha của pha

hệ thống điều chế QPSK thông thường)

Phương pháp điều chế OFDM sử dụng nhiều sóng mang phụ và tín hiệu OFDM là tổng của các sóng mang phụ được điều chế về pha hoặc biên độ, một ký hiệu OFDM được thể hiện bởi công thức:

) (

1 ) (

N n

t t j n m

n n

e t A N t

Trong đó: n = 0 + n

S m (t)

: :

: :

S m (0)

S m (1)

S m 1)

S’ m (0) S’ m (1)

S’ m 1)

S’ m (N-1), S’ m (0)

T=NT

S

T S

1 ) (

N n

kT n j n m

n

e A N kT

N n

kT jn j n

N kT

(1.16) hay:

N n

fkT n j j n

N kT

) (

1 ) (

N n

N nk j

e NT

n A N kT

22

Đây cũng là điều kiện cho tính trực giao Do đó ta cũng có thể thấy rằng việc bảo toàn tính trực giao cho tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng các thủ tục biến đổi Fourier

Hình 1.9: Ví dụ sóng mang trong một tín hiệu OFDM

1.2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình

Hệ thống OFDM băng gốc điển hình đƣợc minh hoạ trên Hình 1.10

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc điển hình

1.2.4.1 Ánh xạ tín hiệu

Ánh xạ tín hiệu thực chất là quá trình điều chế dữ liệu lên các sóng mang phụ Quá trình điều chế được thực hiện trên cả pha và biên độ tạo thành véc tơ phức I-Q (được biết như trong các kỹ thuật điều chế QPSK, M-QAM, I-Q: Inphase - Quadrature) Ở nơi thu, véc tơ I-Q được ánh xạ ngược lại thành các bít tín hiệu

23

Hình 1.11: Giản đồ chòm sao QPSK và16-QAM

1.2.4.2 Biến đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial to Parallel)

Ban đầu, dữ liệu được truyền đi thường là dòng bít nối tiếp Trong OFDM, mỗi ký tự thường truyền từ 40 – 4000 bít, do vậy cần biến đổi từ nối tiếp thành song song để biến đổi dòng bít nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký tự OFDM Luồng nối tiếp đi vào sẽ được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (ví dụ 2 bit/từ với điều chế QPSK hay 4bit/từ với điều chế 16-QAM) và sau đó được chuyển thành dạng các chuỗi song song Mỗi chuỗi này sẽ được gán cho một sóng mang để điều chế tín hiệu

1.2.4.3 Biến đổi IFFT/FFT

Sau khi tín hiệu được ánh xạ vào chòm tín hiệu, phổ yêu cầu đã được xác định

Hệ thống thực hiện biến đổi Fourier ngược để tìm dạng sóng thời gian tương ứng Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc thuận được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế cho các bộ điều chế và giải điều chế I-Q yêu cầu Với N là số mẫu trong một chu kỳ ký hiệu OFDM, khi đó phép biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT với N điểm là:

2 1

24

2 1

Theo [8]: Chú ý rằng khi lấy mẫu tín hiệu OFDM ở biểu thức (1.20) tại

khoảng thời gian lấy mẫu k.ts = k

N

kT T

nk j N

s m

s se n

S N N

T k

S N

k

x

.

2 1

0

).

(

1 )

(

1 )

m e

S N

lập với số sóng mang phụ N Chú ý từ công thức (1.23) trên ta thấy rằng, thực tế Sm(k)

là đầu ra thứ k của phép biến đổi Fourier ngược IDFT của N ký tự số liệu đầu vào

N j N

N j

N

N j N

j N

j

N

N j N

j N

j

e e

e

e e

e

e e

e N

F

) 1 )(

1 ( 2 )

1 ( 2 2 ) 1 ( 2

) 1 ( 2 2 8

2

) 1 ( 2 4

: :

1 1

1 1

S m = F.x m = F F* Sm =S m (1.27) Hình vẽ sau chỉ ra sự thực hiện OFDM bằng việc sử dụng phép biến đổi IDFT/DFT:

Hình 1.12: Thực hiện tín hiệu OFDM bằng biến đổi IDFT/DFT

Trong thực tế, tất cả các bộ DFT và IDFT ở trên đều được thay thế bởi phép biến đổi Fourrier nhanh FFT (Fast Fourier Transform) và IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) Mỗi IDFT N điểm cần tất cả N2 phép nhân phức (thực ra chỉ là các phép quay pha) Tất nhiên, có 1 số phép toán nữa để thực hiện IDFT, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn đáng kể so với một bộ nhân hay quay pha, nên ở đây chỉ

26

dùng số các phép nhân để so sánh IFFT làm giảm đáng kể tổng số các phép tính bằng cách lợi dụng quy tắc của các thao tác trong IDFT Việc sử dụng thuật toán cơ

số 2 và IFFT N điểm chỉ cần có (N/2).log 2 (N) phép nhân phức [2]

(Ví dụ với phép biến đổi 16 điểm, sự khác nhau là 256 phép nhân của IDFT được thay bởi với 32 phép nhân của IFFT với hệ số giảm bằng 8 lần)

Sự khác nhau này tăng lên khi số lượng các sóng mang lớn lên, vì sự phức tạp của IDFT tăng theo N2, trong khi sự phức tạp của IFFT chỉ tăng nhanh hơn quy luật tuyến tính một chút

1.2.4.4 Chèn khoảng bảo vệ

Một trong những lý do quan trọng nhất để thực hiện OFDM là hiệu quả xử lý

trải trễ đa đường Bằng cách chia dòng dữ liệu đầu vào thành N luồng dữ liệu song

song, sau đó được ghép vào N sóng mang phụ, do vậy khoảng thời gian symbol được

tăng N lần, tương ứng làm giảm trải trễ đa đường tỷ lệ với thời gian symbol theo cùng

vệ phải được chọn sao cho đạt được tính tuần hoàn của tín hiệu trên miền thời gian,

đó là thời gian phòng vệ được chọn lớn hơn trễ trải mong đợi để cho các thành phần

đa đường từ 1 symbol không gây nhiễu tới symbol bên cạnh Tuy nhiên, dải bảo vệ chèn vào có thể là dải trống (không có tín hiệu) hoặc là một ký tự đặc biệt nào đó Nếu thời gian phòng vệ không có tín hiệu thì ký hiệu OFDM sẽ mất tính tuần hoàn

và do đó không còn sự trực giao giữa các sóng mang Như vậy thì vấn đề xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) sẽ tăng lên ICI là nhiễu xuyên âm (crosstalk) giữa các sóng mang Hiệu ứng này được minh hoạ tại hình 1.13

27

Hình 1.13: Ảnh hưởng của đa đường với tín hiệu “0”trong thời gian phòng vệ;sóng

mang 2 bị trễ gây ra ICI trên sóng mang 1 và ngược lại

Trong ví dụ này, sóng mang 1 và sóng mang bị trễ 2 được biểu diễn khi một máy thu OFDM cố gắng giải điều chế sóng mang thứ nhất, nó sẽ gặp một số xuyên nhiễu từ sóng mang thứ 2, bởi vì trong khoảng thời FFT, không có số nguyên lần sự khác nhau về chu kỳ giữa sóng mang 1&2 Đồng thời sẽ có xuyên nhiễu từ sóng mang 1 tới sóng mang 2 với cùng 1 lý do

Để triệu ISI, dải bảo vệ chèn phải được chọn sao cho lợi dụng được tính chất vòng của biến đổi Fourier Mặt khác để loại trừ ICI, symbol OFDM cần được mở rộng theo chu kỳ trong thời gian phòng vệ như được biểu diễn trong hình 1.14 Điều này đảm bảo rằng các bản sao bị trễ của symbol OFDM luôn luôn có 1 số nguyên về chu kỳ giữa khoảng cách FFT, miễn là độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ

Hình 1.14: Symbol OFDM với việc trải theo chu kỳ

28

Kết quả là các tín hiệu đa đường với các độ trễ nhỏ hơn thời gian phòng vệ sẽ không gây ra ICI Chính vì vậy người ta thường chọn tín hiệu trong dải bảo vệ là bản sao của đoạn cuối ký tự OFDM như minh họa ở hình 1.16, bản sao này được ghép vào đầu, phần đoạn bảo vệ Tg và vì thế mà tính tuần hoàn của tín hiệu trong miền thời gian vẫn được duy trì và các sóng mang trong miền tần số vẫn trực giao, không còn ICI

Hình 1.15: Các ký hiệu OFDM thu được sau khi truyền qua kênh đa đường (a) Không có khoảng bảo vệ, (b) Khoảng bảo vệ nhỏ hơn thời gian trễ,

(c) Khoảng bảo vệ lớn hơn thời gian trễ

Hình vẽ 1.15 minh họa khái niệm chèn khoảng bảo vệ để hạn chế ISI cho một tín hiệu đa đường Hình a, một tín hiệu OFDM thu được từ đường thứ nhất bị giao thoa bởi ký hiệu OFDM thu được từ đường thứ hai do không có khoảng bảo vệ Hình

Thời gian một ký hiệu OFDM