luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử thiết kế mã hóa đa truy cập trong mạng di động đa tế bào

1. Tính cấp thiết của đề tài Các dịch vụ sử dụng các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây, Internet không dây,…phát triển ngày càng mạnh mẽ, cùng với đó nhu cầu về dung lượng và chất lượng của hệ thống ngày càng được tăng cường nhằm thoả mãn nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng cao của con người do đó đòi hỏi người ta phải đưa ra các biện pháp để cải thiện chất lượng cũng như dung lượng của hệ thống trong một phạm vi băng tần nhất định. Trong các hệ thống mạng vô tuyến đơn tế bào, truyền dẫn đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) sử dụng precoding và/hoặc postcoding thích hợp đã được triển khai mạnh mẽ để nâng cao hiệu quả phổ của hệ thống [3], [13], [17], [19]. Để có thể cho hiệu quả phổ cao hơn, truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số có thể được triển khai nếu nhiễu giữa các tế bào lân cận (OCI) là đủ nhỏ khi khoảng cách giữa các tế bào là đủ lớn [14], tuy nhiên điều này gây lãng phí tài nguyên tần số (do tài nguyên tần số là có hạn). Nếu như khoảng cách giữa các tế bào là nhỏ, thì OCI sẽ tăng và phải chịu tổn thất đáng kể về dung lượng của hệ thống nhưng sẽ tiết kiệm được tài nguyên tần số. Ngoài các nghiên cứu các kênh quảng bá (truyền dẫn đường xuống), thì đã có một số nghiên cứu về truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập (truyền dẫn đường lên). Đặt biệt, các kỹ thuật phân tích ma trận thừa số (SVD) dựa trên các kỹ thuật precoding và postcoding được sử dụng để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng (trong mỗi tế bào) và OCI [12], [18]. Khác với các kỹ thuật SVD [12], [18], đã được nghiên cứu tôi chọn đề tài “Thiết kế mã hóa đa truy cập trọng mạng di động đa tế bào” thực hiện các vấn đề của việc thiết kế precoding và postcoding cho truyền dẫn đường lên trong hệ thống đa tế bào cùng sử dụng lại tần số. Bằng việc sử dụng Zero-forcing-based precoding/postcoding và phân bổ công suất tối ưu, với kỹ thuật này thì sẽ loại bỏ được nhiễu liên người sử dụng, OCI tốt hơn và làm cho dung lượng của hệ thống cao hơn so với các kỹ thuật đã được nghiên cứu trước đây là thật sự cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu thiết kế ma trận Zero-forcing-based postcoding tại các trạm gốc BS để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng và OCI trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số.  Nghiên cứu thiết kế precoding tại các người sử dụng để tối đa dung lượng tổng của mỗi tế bào trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số.  Mô phỏng so sánh các kỹ thuật precoding và postcoding đã được nghiên cứu trước đó (như: P-SVD) với kỹ thuật precoding và postcoding đã được đề xuất trong đề tài. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu:  Nghiên cứu Zero-forcing-based postcoding/precoding trong truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập.  Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) trong hệ thống MIMO đa người dùng.  Nghiên cứu các mô hình truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập.  Nghiên cứu precoding/postcoding trong truyền dẫn đa tế bào. 4. Phương pháp nghiên cứu  Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin có liên quan đến đề tài.  Tham khảo các đề tài, bài báo khoa học đã được thực hiện có nội dung liên quan đến mã hóa trong truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập.  Đề xuất thiết kế precoding/postcoding.  Dùng phần mềm Matlab để thực hiện mô phỏng, kiểm tra so sánh kết quả. 5. Bố cục đề tài Ngoài các phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển, tài liệu tham khảo, phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào và OFDM. Chương 2: Tổng quan về hệ thống MIMO đa người dùng và các kỹ thuật mã hóa đa truy cập. Chương 3: Thiết kế mã hóa đa truy cập trong mạng di động đa tế bào. Chương 4: Mô phỏng và kế quả.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN LÊ HÙNG

Đà Nẵng - Năm 2014

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phan Đình Thắng

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục đề tài 3

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO VÀ OFDM 4

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 4

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 4

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 5

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 6

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 7

1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiền 4G 9

1.2.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 10

1.3 KỸ THUẬT OFDM 13

1.3.1 Giới thiệu 13

1.3.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM 14

1.3.3 Sự trực giao 16

1.3.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 17

1.3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM 21

1.3.6 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM 23

1.3.7 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 24

1.4.3 Trải trễ 26

1.4.4 Dịch tần số Doppler 26

1.4.5 Kênh truyền fading 27

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG VÀ CÁC KỸ THUẬT MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP 31

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 31

2.2 TỔNG QUAN KỸ THUẬT MIMO 31

2.2.1 Giới thiệu về kỹ thuật MIMO 31

2.2.2 Các hệ thống thông tin không dây 32

2.2.3 Mô hình hệ thống MIMO 34

2.2.4 Kỹ thuật phân tập 35

2.2.5 Các độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM 38

2.2.6 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO 40

2.3 KỸ THUẬT MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 40

2.3.1 Kênh đa người dùng 40

2.3.2 Kỹ thuật đa truy cập 42

2.4 ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN SDMA TRONG HỆ THỐNG MU-MIMO 46

2.5 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 48

2.5.1 Giới thiệu về tiền mã hóa 48

2.5.2 Tiền mã hóa Zero-forcing 49

2.5.3 Phân bổ công suất tối ưu 52

2.6 KÊNH SVD MIMO 53

2.7 KỸ THUẬT MÃ HÓA D-SVD VÀ P-SVD 57

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 61

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÃ HÓA ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG DI ĐỘNG ĐA TẾ BÀO 63

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 63

3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG ĐA TẾ BÀO 63

3.3 THIẾT KẾ MA TRẬN ZF-BASED POSTCODING 65

3.4 THIẾT KẾ PRECODING TẠI NGƯỜI SỬ DỤNG 67

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 69

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 70

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 70

4.2 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 70

4.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 71

4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 73

4.4.1 Đánh giá BER hệ thống mạng đa tế bào 73

4.4.2 Đánh giá dung lượng trung bình trên một tế bào so với SNR trong hệ thống mạng đa tế bào 74

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 75

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 76

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

1G

Communication Network thế hệ thứ nhất 2G Second Generation Mobile

Communication Network

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

3G Third Generation Mobile

Communication Network

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

3GPP Third Generation Partnership

Project

Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động

tế bào 4G Fourth Generation Mobile

Communication Network

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

AMPS Advanced Mobile Phone

System

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

AWGN Additive White Gaussian

Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DPC Dirty Paper Coding

D-SVD Drect-Channel Singular Value

Decomposition

Phân tích ma trận thừa số kênh trực tiếp

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FDD Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân

chia theo tần số FDM Frequency Division

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao KKT Karush-Kuhn-Tucker Điều kiện Karush-Kuhn-

Tucker ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện

Tử IFFT Inverse Fast Fourier

MAC Multiple Access Channel Kênh đa truy cập

MIMO Multiple Input Multiple

Output Đa anten phát - Đa anten thu MISO Multiple Input Single Output Đơn anten phát – Đơn anten

thu

MU Multi User Đa người dùng

NMT Nordic Mobile Telephone Điện thoại di động Bắc Âu OCI Out-of-Cell Interference Nhiễu của các tế bào lân cận OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình PCM Pulse Code Mudulation Điều chế xung mã

P-SVD Projected-Channel Singular

Value Decomposition

Phân tích ma trận thừa số kênh được chiếu

QAM Quadrature Amplitude

Modulation Điều biên cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SC-FDMA Single Carrier Frequency Đa truy nhập phân chia theo

and interference Ratio tạp âm SDMA Space Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo không gian

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Đơn anten phát - đơn anten

thu SIMO Single Input Multiple Output Đơn anten phát - đa anten

thu SVD Singular Value

Decomposition Phân tích ma trận thừa số TACS Total Access Communication

UE User Equipment Thiết bị người dùng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

UT User Terminal Người dùng đầu cuối

ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không

2.10 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA 45 2.11 Truyền dẫn đa người dùng MU transmission 46 2.12 Hệ thống truyền dẫn đa người dùng đơn giản 47 2.13 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA – OFDM 49

3.1 Mô hình mạng đa tế bào 64

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 72

4.2 BER trung bình so với SNR cho MAC với điều chế

4.3 Dung lượng trung bình so với SNR cho truyền dẫn

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các dịch vụ sử dụng các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại không dây, Internet không dây,…phát triển ngày càng mạnh

mẽ, cùng với đó nhu cầu về dung lượng và chất lượng của hệ thống ngày càng được tăng cường nhằm thoả mãn nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng cao của con người do đó đòi hỏi người ta phải đưa ra các biện pháp để cải thiện chất lượng cũng như dung lượng của hệ thống trong một phạm vi băng tần nhất định

Trong các hệ thống mạng vô tuyến đơn tế bào, truyền dẫn đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) sử dụng precoding và/hoặc postcoding thích hợp đã được triển khai mạnh mẽ để nâng cao hiệu quả phổ của hệ thống [3], [13], [17], [19] Để có thể cho hiệu quả phổ cao hơn, truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số có thể được triển khai nếu nhiễu giữa các tế bào lân cận (OCI) là đủ nhỏ khi khoảng cách giữa các tế bào là đủ lớn [14], tuy nhiên điều này gây lãng phí tài nguyên tần số (do tài nguyên tần số là có hạn) Nếu như khoảng cách giữa các tế bào là nhỏ, thì OCI sẽ tăng và phải chịu tổn thất đáng kể về dung lượng của hệ thống nhưng sẽ tiết kiệm được tài nguyên tần

số

Ngoài các nghiên cứu các kênh quảng bá (truyền dẫn đường xuống), thì

đã có một số nghiên cứu về truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập (truyền dẫn đường lên) Đặt biệt, các kỹ thuật phân tích ma trận thừa số (SVD) dựa trên các kỹ thuật precoding và postcoding được sử dụng để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng (trong mỗi tế bào) và OCI [12], [18]

Khác với các kỹ thuật SVD [12], [18], đã được nghiên cứu tôi chọn đề tài “Thiết kế mã hóa đa truy cập trọng mạng di động đa tế bào” thực hiện các vấn đề của việc thiết kế precoding và postcoding cho truyền dẫn đường lên

trong hệ thống đa tế bào cùng sử dụng lại tần số Bằng việc sử dụng forcing-based precoding/postcoding và phân bổ công suất tối ưu, với kỹ thuật này thì sẽ loại bỏ được nhiễu liên người sử dụng, OCI tốt hơn và làm cho dung lượng của hệ thống cao hơn so với các kỹ thuật đã được nghiên cứu trước đây là thật sự cần thiết

Zero-2 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu thiết kế ma trận Zero-forcing-based postcoding tại các trạm gốc BS để loại bỏ nhiễu liên người sử dụng và OCI trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số

 Nghiên cứu thiết kế precoding tại các người sử dụng để tối đa dung lượng tổng của mỗi tế bào trong hệ thống truyền dẫn đa tế bào cùng sử dụng lại tần số

 Mô phỏng so sánh các kỹ thuật precoding và postcoding đã được nghiên cứu trước đó (như: P-SVD) với kỹ thuật precoding và postcoding đã được đề xuất trong đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu:

 Nghiên cứu Zero-forcing-based postcoding/precoding trong truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập

 Nghiên cứu precoding/postcoding trong truyền dẫn đa tế bào

4 Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin có liên quan đến đề tài

 Tham khảo các đề tài, bài báo khoa học đã được thực hiện có nội dung liên quan đến mã hóa trong truyền dẫn đa tế bào trên các kênh đa truy cập

 Đề xuất thiết kế precoding/postcoding

 Dùng phần mềm Matlab để thực hiện mô phỏng, kiểm tra so sánh kết quả

mã hóa đa truy cập

Chương 3: Thiết kế mã hóa đa truy cập trong mạng di động đa tế bào Chương 4: Mô phỏng và kế quả

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo khoa học, các luận văn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, các tài liệu giáo trình, cùng với các trang web tìm hiểu nội dung liên quan đến đề tài Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự

góp ý của hội đồng để luận văn trở thành một công trình thực sự có ích

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ

BÀO VÀ OFDM 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Với nhu cầu ngày càng cao cho các dịch vụ không dây như thoại, dữ liệu, video tốc độ cao,… kèm theo đó là đòi hỏi về chất lượng và dung lượng cần được chú trọng, để đáp ứng những yêu cầu đó thì mạng thông tin di động

tế bào đã có những bước tiến nhảy vọt với nhiều tiêu chuẩn mới Nội dung của chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển của mạng thông tin

di động từ thế hệ đầu tiên đến công nghệ mới nhất 4G Tiếp đến, sẽ giới thiệu

về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) - một kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng

1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

Thông tin di động hiện là một lĩnh vực vô cùng quan trọng đời sống văn hóa của con người trong thế kỷ 21 Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người

Khi các ngành thông tin quảng bá bằng vô tuyến phát triển thì ý tưởng về thiết bị điện thoại vô tuyến ra đời và cũng là tiền thân của mạng thông tin di động sau này Năm 1946, mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên được thử nghiệm tại ST Louis, bang Missouri của Mỹ

Sau những năm 50, việc phát minh ra chất bán dẫn cũng ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng các linh kiện bán dẫn vào thông tin di động đã cải thiện một số nhược điểm mà trước đây chưa làm được

Thuật ngữ thông tin di động tế bào ra đời vào những năm 70, khi kết hợp được các vùng phủ sóng riêng lẻ thành công, đã giải được bài toán khó về dung lượng

Trong mạng thông tin di động tế bào, mỗi một thập kỷ chứng kiến một thế hệ mạng mới Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 80s Đó là thế

hệ điện thoại di động tương tự (analog) Thế hệ thứ 2G bắt đầu nổi lên từ nhưng năm đầu của thập kỷ 90 Thế hệ thứ 2G là công nghệ di động kỹ thuật

số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu Thế hệ thứ 3 bắt đầu từ năm 2001 ở Nhật, đặc trưng bởi dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao

Hệ thống tiền 4G, những viên đá tảng cho thế hệ thứ tư và 4G hiện nay cũng

đã đưa vào khai thác và phát triển Con đường phát triển của các công nghệ mạng tế bào được thể hiện ở hình dưới đây

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động tế bào

1.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Sự khởi đầu giản đơn (chỉ có chức năng nghe và gọi) 1G là chữ viết tắt của công nghệ điện thoại không dây thế hệ đầu tiên (First Generation) Các điện thoại chuẩn analog sử dụng công nghệ 1G với tín hiệu sóng analog được

ANALOG

TACS

AMPS

3G LTE (OFDMA) 3GPP standards

EV-DV CDMA2000

UMB (OFDMA) 3GPP2 standards

802.16m (OFDMA)

EV-DO CDMA2000

WiFi (OFDM)

giới thiệu trên thị trường vào những năm 1980 Một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone System - hệ thống điện thoại di động tiên tiến) được

sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total Access Communication System - hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh, C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi Điểm yếu của 1G là: dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật… Khi số lượng các thuê bao trong mạng ngày càng tăng lên, các nhà nghiên cứu nhận thấy cần có biện pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng cuộc thoại cũng như thêm các dịch vụ bổ sung cho mạng Người ta nghĩ đến việc số hóa các hệ thống điện thoại di động dẫn đến

sự ra đời của hệ thống di động thứ hai

1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở châu Âu và có tên gọi

là GSM Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ hai lúc đó đã đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993, hiện nay đang được các Công ty viễn thông khai thác rất hiệu quả với các mạng thông tin di động số MobiFone, VinaPhone, Viettel, Vietnamobile, Gtel theo tiêu chuẩn GSM Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ hai đều sử dụng kỹ thuật điều chế số Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập:

Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -

TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau

Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau

1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

Công nghệ điện thoại di động 3G cho phép truyền cả tín hiệu thoại và

dữ liệu (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) Hệ thống mạng 3G cung cấp cả hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau

Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Các chuẩn công nghệ di động 3G đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS, CDMA2000 và TD-SCDMA

 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System): dựa trên công

nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động, sử dụng GSM/GPRS để đi lên 3G, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á, trong đó có Việt Nam UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920 kbps (gần 2 Mbps) Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384 kbps Để cải tiến tốc độ dữ liệu

của 3G, hai kỹ thuật HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) và HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) đã được đề nghị Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3.5G

 HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về

người dùng di động) Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực

tế nó chỉ đạt tầm 1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps) Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008, 207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở 89 nước trên thế giới

 HSUPA: tăng tốc độ uplink và cải tiến QoS Kỹ thuật này cho phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps Cũng trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA

 CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95

(CDMA One) Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP Đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm CDMA2000 1xRTT, CDMA2000 EV-DO và CDMA2000 EV-DV CDMA2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbps tới trên 3 Mbps Chuẩn này

đã được chấp nhận bởi ITU

 CDMA2000 1xRTT: chính thức được công nhận như là một

công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người vẫn xem nó như là một công nghệ 2.75G đúng hơn là 3G Tốc độ của CDMA2000 lxRTT có thể đạt đến 307 kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ peak ở 144 kbps

 CDMA2000 EV-DO: sử dụng một kênh dữ liệu 1.25 MHz và

tốc độ dữ liệu đến 2.4Mbps cho đường xuống và 153 kbps cho đường lên 1xEV-DO RevA hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3.1 Mbps và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1.2 Mbps 1xEV-DO RevB

cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1.25 MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ 73.5 Mbps

 CDMA2000 EV-DV: tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một

kênh 1.25 MHz cung cấp tốc độ peak đến 4.8 Mbps cho đường xuống và đến

307 kbps cho đường lên Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO

o TD-SCDMA: là chuẩn di động được đề nghị bởi "China

Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc TD-SCDMA dùng song công TDD, có thể hoạt động trên một dãi tần hẹp 1.6 MHz (cho tốc độ 2 Mbps) hay dãi tần 5 MHz (cho tốc độ 6 Mbps)

1.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiền 4G

Hai công nghệ xem như là tiền 4G là chuẩn Wimax2 (802.11m) và Long Term Evolution (LTE) vì chưa đáp ứng được chuần của 4G là cho phép truyền tải ở tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên Về bản chất, Wimax2 là một tiêu chuẩn được phát triển bởi IEEE còn LTE là sản phẩm của 3GPP, một bộ phận của liên minh các nhà mạng cung cấp dịch vụ GSM Cả hai tiêu chuẩn Wimax2 và LTE đều sử dụng công nghệ ăng-ten tiên tiến nhằm cải thiện khả năng tiếp nhận và thực hiện, tuy nhiên lại hoạt động trên các băng tần khác nhau

Long Term Evolution (LTE) : công nghệ di động mới đang được phát

triển và chuẩn hóa bởi 3GPP , nhưng LTE đầu tiên phát hành không thực hiện đầy đủ các yêu cầu IMT-Advanced LTE có tốc độ bit net lý thuyết là 100 Mbit/s cho download và 50 Mbit/s cho upload

WiMax-2 : được phát triển bởi IEEE (IEEE 802.16m) , WiMax cung

cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ up và down cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại, có tốc độ bit net lý thuyết là 128 Mbit/s cho download và 64 Mbit/s cho upload

1.2.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Hình 1.2 Mô hình mạng 4G Nền tảng 4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây 3G 4G là một giải pháp khắc phục những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đáp ứng được

Nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTT DoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G

Mạng 4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100 Mbps, đồng thời sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, satellite…để cung cấp một kết nối vô tuyến rộng khắp (ubiquitous), mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào, không

kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tương lai có thể kết nối mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tính đặc thù cho từng cá nhân

Mạng 4G được kỳ vọng đáp ứng các đặc điểm sau:

 Cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi Để thỏa mãn được điều

đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau

 Cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không gián đoạn giữa nhiều công nghệ mạng khác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100 Mbps và cơ chế nhằm đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực Để vượt lên khỏi tình trạng bảo hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấp mạng sẽ phải tìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu của khách hàng Một số công nghệ quan trọng của 4G

OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access :

OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do

đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang

OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, một dạng cải

tiến của OFDM Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá

Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng

MIMO - Multiple Input Multiple Output :

MIMO là công nghệ truyền thông không dây, trong đó cả đầu nhận lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận

dữ liệu, đồng thời giảm thiểu lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu…MIMO tận dụng sự phản xạ lại của sóng khi “đụng” phải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầu nhận tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau Nói tóm lại, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền và nhận dữ liệu

Ưu điểm: gia tăng tốc độ đường truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, giảm chi phí truyền tải Công nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu đó

Trong việc truyền thông bằng sóng vô tuyến, những chướng ngại vật trên đường truyền từ đầu phát đến đầu nhận như các tòa nhà cao ốc, dây điện

và những cấu trúc khác trong khu vực đều có thể làm cho sóng bị phản xạ hoặc khúc xạ Những yếu tố này làm cho sóng bị nhiễu, yếu đi hoặc mất hẳn Trong truyền thông kỹ thuật số, những yếu tố trên có thể làm giảm tốc độ truyền cũng như chất lượng của dữ liệu

Trong công nghệ MIMO đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được

ấn định Điều này tương tự đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âm thanh từ bên ngoài, sau đó não bộ sẽ lọc, phân loại những âm thanh đó Các sản phẩm Wifi sử dụng công nghệ MIMO được nhiều nhà sản xuất quan tâm vì chúng

có khả năng cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy

1.3 KỸ THUẬT OFDM

1.3.1 Giới thiệu

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), về cơ bản,

là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau

mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 1.3 Phổ của sóng mang con OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu

1.3.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ

để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Truyền dẫn đa sóng mang là cơ sở của OFDM Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có

sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường, mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM

để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng

bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang 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 can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số,

nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

1.3.3 Sự trực giao

Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng 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 OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết

để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng

ta sẽ cần một số nguyên lần của chu kỳ

Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa:

t g t f g f

) ( ) ( ,

) ( ) ( , 0 ) ( ) ( ) , ( * (1.1)

Trong đó: g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là chu kì của tín hiệu, k là một hằng số

Trong hệ thống đa sóng mang (Multi Carrier), nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử dụng tần số có dạng ej(2fkt) những sóng mang này có tần số fk =

kΔf, k = 0, 1, 2 m n N-1 cách đều nhau một khoảng

T

f  1

 Hình 1.3 cho ta thấy dạng sóng của tín hiệu sin trực giao

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạng

kT

ft m n j T

k

kT

dt e

dt t g t f

) 1 (

) ( 2 )

1 (

*

) ( ).

m n

,

# ,

0

(1.2) Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m

Từ hình 1.3 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian

T có dạng hàm Sin(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là điểm không của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau

Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:

f N = NΔf (1.3) Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng

1.3.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Hình 1.5 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Conv Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaver) Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số (ánh

xạ vào biên độ và pha của sóng mang phụ) bằng bộ MQAM mapping và được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối IFFT có nhiệm vụ biến đổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian Sau đó tiền tố lặp CP được chèn vào

để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (AWGN) và đáp ứng của kênh truyền di động Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn

thêm các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền và nhiễu tại máy thu

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng Các symbol hỗn hợp thu được

sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã (decoder) Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp

 Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc

độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu

bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải

đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối và mã chập

 Khối xen rẽ Interleaver

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên

và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

 IFFT/FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì 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 thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh

và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ

đa đường, OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các

sóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền

tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT

và FFT

 Biến đổi cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải

có tần số cao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần

cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF

1.3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM

Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M mức M-QAM

Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các số phức Xk,m Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log2M

N là số mẫu phức trong một khung và m là chỉ số khung Hay nói cách khác,

Xk,m là mẫu phức của sóng mang phụ thứ k trong ký tự OFDM thứ m

Hình 1.6 Cấu trúc khung dữ liệu OFDM

N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược IFFT để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m

Hình 1.7 Biến đổi IFFT và chèn CP Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP

Hình 1.8 Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu

Và tín hiệu băng gốc của một ký tự OFDM thứ m như sau:

,

2exp

0 ,

N x

N

k m k n

m



(1.4)Với nN g, , 0 , ,N 1

1.3.6 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM

Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT Tùy theo yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng tín hiệu mà hệ thống

sử dụng các mức điều chế M khác nhau Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức d n = a n + jb n ở ngõ ra

1.3.7 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Ưu điểm

 Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ Bền vững với fading chọn lọc tần số do các kí hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng

 Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng

đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

 Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên

ký tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây

ra Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc

sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

 Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

 Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống vô tuyến tốc độ cao và rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn

Nhược điểm

 Nhạy với dịch tần số

 Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ

 Các sóng mang phụ chỉ thực sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được

 Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI

 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ ra bằng không Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn

1.4 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN CỦA KỸ THUẬT OFDM

1.4.2 Tạp âm Gaussian

Tạp âm Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra và là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn, hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con riêng lẻ

1.4.3 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đa đường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên kí tự ISI Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu

kỳ tín hiệu tăng, từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ

1.4.4 Dịch tần số Doppler

Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu sẽ giảm đi Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler

Dịch tần số Doppler tỉ lệ với tốc độ chuyển động và phương chuyển động của MS (Mobile Station) so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường Dịch Doppler f có thể được biểu diễn như sau:

f vcos v f ccos f dcos

Trong đó: v là tốc độ của MS, λ là bước sóng, α là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang

f d v



 là tần số Doppler cực đại

1.4.5 Kênh truyền fading

Khái niệm fading và các yếu tố gây ra fading

Hình 1.10 Các tín hiệu đa đường Trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, fading là độ sai lệch gây suy giảm ảnh hưởng đến tín hiệu trên một đường truyền vô tuyến nhất định fading có thể thay đổi theo thời gian, vị trí địa lý hoặc tần số vô tuyến, và thường được mô hình hóa như một quá trình ngẫu nhiên

Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, do đó tạo ra nhiều đường truyền và kết quả là ở máy thu,

ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Các sóng thu này

sẽ khác nhau về sự suy giảm, độ trể và pha, gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của chúng

Các yếu tố gây ra fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất như:

 Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tần số công tác đặc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

 Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có

bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển Đây cũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động

Fading phẳng và fading lựa chọn tần số

Fading phẳng: fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể

và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa,

do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số Fading phẳng hình thành

do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn

Fading lựa chọn tần số: Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu Phản xạ từ các vật như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng Điều này sẽ tạo ra các điểm “0” (null) trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa

Fading nhanh và fading chậm

Fading chậm và fading nhanh đề cập đến tốc độ thay đổi biên độ và pha của các kênh mà tín hiệu truyền qua Thời gian gắn kết (Coherence time ) là khoảng thời gian mà các đáp ứng kênh được xem như không thay đổi

Fading chậm khi thời gian gắn kết của kênh là lớn Trong chế độ này, biên độ và pha của kênh có thể được coi là không đổi trong khoảng thời gian

sử dụng Fading chậm có thể được gây ra bởi các sự kiện như bóng, nơi có cản trở lớn như một ngọn đồi hay nhà cao tầng che lấp các đường dẫn tín hiệu chính giữa máy phát và máy thu

Fading nhanh khi thời gian gắn kết của các kênh là nhỏ Trong chế độ này, biên độ và pha của kênh thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian sử dụng

Mô hình fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trong khoảng cách ngắn (tại các bước sóng): 10 – 30 dB

Trong môi trường đa đường, tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sự thay đổi độ lớn và pha của các thành phần đa đường Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của các sóng thu được Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy hao công suất tín hiệu thu được

Mô hình Rayleigh fading cho rằng độ lớn và pha của một tín hiệu đã đi

qua một môi trường truyền sẽ thay đổi ngẫu nhiên Fading Rayleigh được