Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong wimax

OFDM ra đời đã nhanh chóng khẳng định tính ưu việt so với các kỹ thuật điều chế và ghép kênh truyền thống, ngày càng được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả đặc biệt là trong thông tin vô tuy

-Ph¹m v¨n quyÕt

øng dông Kü thuËt ofdm trong wimax

Chuyªn ngµnh : ®iÖn tö – viÔn th«ng

luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc

pgs.ts nguyÔn quèc trung

Hµ Néi - 2009

Mục lục

Mục lục I Danh sách các hình vẽ VI Danh sách các bảng IX danh sách các từ viết tắt X

Lời nói đầu 1

Chương 1 - Kỹ thuật OFDM 3

1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 4

1.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 4

1.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 4

1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 6

1.2.3 Phương pháp điều chế trực giao OFDM 7

1.3 Khái niệm về OFDM 9

1.3.1 Khái niệm 9

1.3.2 Các đặc điểm của kỹ thuật OFDM 11

1.4 Nguyên lý điều chế OFDM 11

1.4.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 11

1.4.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 12

1.4.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 14

1.4.4 Phép nhân với xung cơ sở (Basic impulse) 16

1.4.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 16

1.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM 18

1.5.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường 18

1.5.2 Bộ giải điều chế OFDM 18

1.5.2.1 Tách khoảng bảo vệ 19

1.5.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế 20

1.5.3 Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT 22

1.6 Sơ đồ hệ thống OFDM 23

1.6.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 23

1.6.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 24

1.7 Dung lượng kênh truyền OFDM 26

1.7.1 Giới thiệu 26

1.7.2 Tính toán dung lượng kênh của hệ thống OFDM 26

1.8 ảnh hưởng của fading đa đường lên tín hiệu thu OFDM 28

1.8.1 ảnh hưởng của fading đa đường 28

1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu giữa các sóng mang ICI 28

1.9 Bảo vệ chống lại ảnh hưởng của fading đa đường 29

1.9.1 Chèn tiếp đầu tuần hoàn (Cyclic Prefix) vào tín hiệu OFDM 29

1.9.2 Bảo vệ chống lại dịch thời gian 31

1.9.3 Bảo vệ chống lại ISI 31

1.9.4 Mào đầu của khoảng bảo vệ và khoảng cách các tải phụ 33

1.10 Kết luận 34

CHƯƠNG 2 – công nghệ WiMAX 36

2.1 Giới thiệu chung về WiMAX 36

2.1.1 Sự phát triển các chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng .36

2.1.2 Lịch sử phát triển của WiMax 37

2.1.3 WiMax – Công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng 38

2.2 Cấu trúc WiMAX 39

2.2.1 Cấu trúc phân lớp 39

2.2.2 Các đặc tính của lớp vật lý 40

2.2.3 Các đặc tính của lớp truy nhập MAC 42

2.3 Mô hình hệ thống WiMAX 42

2.3.1 Mô hình mạng 42

2.3.2 Môi trường truyền sóng của WiMAX 44

2.4 Các vấn đề kỹ thuật của WiMAX 46

2.4.1 Điều chế OFDM 46

2.4.2 Đa truy nhập OFDMA 46

2.4.3 Kênh con hoá 49

2.4.4 Anten định hướng 50

2.4.5 Phân tập thu phát 50

2.4.6 Điều chế thích nghi 50

2.4.7 Các kỹ thuật mã hoá sửa lỗi trước 51

2.4.8 Điều khiển công suất 51

2.5 Các mô hình ứng dụng của Wimax 51

2.5.1 Mô hình truyền thông của WiMAX 51

2.5.2 Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 52

2.5.3 Mô hình ứng dụng di động (Mobile WiMAX) 54

2.6 Các chuẩn của WiMAX 54

2.6.1 Chuẩn IEEE 802.16- 2001 55

2.6.2 Chuẩn IEEE 802.16a - 2003 56

2.6.3 Chuẩn IEEE 802.16c - 2002 57

2.6.4 Chuẩn IEEE 802.16 - 2004 57

2.6.5 Chuẩn IEEE 802.16e - 2005 58

2.6.6 So sánh tóm tắt các chuẩn IEEE 802.16 cơ bản 58

2.7 Băng tần cho WiMAX 59

2.7.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz 59

2.7.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz 59

2.7.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) 59

2.8 Đặc điểm của WiMAX 60

2.8.1 Ưu điểm 60

2.8.2 Nhược điểm 62

2.9 Những ứng dụng của WiMAX 63

2.9.1 Những loại hình ứng dụng của WiMAX 63

2.9.2 Những ứng dụng tiềm năng của WiMAX 65

2.10 So sánh WiMAX với các công nghệ truy cập không dây băng rộng 66

2.10.1 Hệ thống di động tế bào 3G 66

2.10.2 Hệ thống Wi-Fi 68

2.10.3 So sánh WiMAX với 3G và Wi-Fi 69

2.10.4 So sánh với các hệ thống khác 72

2.11 Tình hình triển khai và triển vọng phát triển của WiMAX 73

2.11.1 Triển khai WiMAX trên thế giới 73

2.11.2 ứng dụng triển khai WiMAX tại Việt Nam 74

2.11.2.1 Những tiền đề thuận lợi 74

2.11.2.2 Những trở ngại và thách thức 75

2.11.2.3 Tình hình triển khai thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam 76

2.11.3 Tiềm năng và triển vọng phát triển của WiMAX 77

2.12 Kết luận 80

Chương 3 - LớP VậT Lý CủA WIMAX 81

3.1 Giới thiệu 81

3.2 Mã hóa kênh 83

3.2.1 Mã chập (Mã vòng xoắn) 84

3.2.2 Mã turbo 86

3.2.3 Mã turbo khối và mã LDPC 89

3.3 ARQ lai - HARQ 89

3.4 Xen kẽ (Cài xen) 90

3.5 ánh xạ ký tự 92

3.6 Cấu trúc ký hiệu OFDM 92

3.7 Hoán vị kênh và sóng mang con 95

3.7.1 Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng mang con - DL FUSC 96

3.7.2 Sử dụng một phần đường xuống của các sóng mang con - DL PUSC 98

3.7.3 Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang con - UL PUSC 100

3.7.4 Việc sử dụng Khối của các sóng mang con - TUSC 102

3.7.5 Điều chế và mã hóa thích nghi băng (Band AMC) 102

3.8 Cấu trúc khe và khung 103

3.9 Phân tập tần số và MIMO 106

3.9.1 Phân tập phát và mã hóa không gian thời gian 107

3.9.2 Mã phân tập nhảy tần 111

3.10 MIMO lặp đóng (Closed-Loop MIMO) 111

3.10.1 Chọn lựa anten 113

3.10.2 Nhóm anten 114

3.10.3 Hồi tiếp dựa trên Codebook 114

3.10.4 Hồi tiếp kênh lượng tử hóa 115

3.10.5 Dò kênh (Channel Sounding) 115

3.11 Định tầm 116

3.12 Điều khiển công suất 118

Chương 4 - mô phỏng 120

4.1 Giới thiệu 120

4.2 Mô phỏng lớp vật lý của hệ thống WiMAX bằng simulink 120

4.3 Nội dung chương trình mô phỏng 123

4.4 Kết luận 128

Kết luận 129

Tài liệu tham khảo 130

Danh sách các hình vẽ

Hình 1 1: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang 5

Hình 1 2: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 6

Hình 1 3: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 8

Hình 1 4: Phổ tín hiệu cuả hệ thống các kênh con: (a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1 kênh con; (b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con 8

Hình 1.5: Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM 10

Hình 1.6: Sơ đồ bộ điều chế OFDM 12

Hình 1.7: Mô tả chuỗi bảo vệ 14

Hình 1 8: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 15

Hình 1 9: Xung cơ sở 16

Hình 1 10: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 17

Hình 1 11: Mô hình kênh truyền 18

Hình 1 12: Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM 19

Hình 1.13: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM 20

Hình 1 14: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 23

Hình 1 15: Sơ đồ tổng quan hệ thống OFDM 24

Hình 1.16: Chèn tín hiệu dẫn đường trong miền tần số và thời gian 25

Hình 1.17: Tín hiệu OFDM và nhiễu 28

Hình 1 18: Các sóng mang con trực giao trong miền tần số 29

Hình 1.19: Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 29

Hình 1.20: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI không có multipath 32

Hình 1.21: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI có multipath 32

Hình 1.22: Sự loại bỏ nhiễu khi thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP) 33

Hình 1.23: OFDM truyền trên kênh fading đa đường với tiếp đầu tuần hoàn 34

Hình 2.1: Các chuẩn về mạng truy nhập vô tuyến băng rộng 36

Hình 2.2: Cấu trúc phân lớp của WiMAX 40

Hình 2.3: Mô hình truyền thông của WiMAX 43

Hình 2.4: Môi trường truyền sóng 45

Hình 2 5: Kỹ thuật OFDMA 47

Hình 2 6: Kênh con hóa đường lên trong WiMAX 47

Hình 2.7: Mô hình truyền thông của mạng 52

Hình 2.8: Mô hình ứng dụng cố định (Fixed WiMAX) 53

Hình 2.9: Mô hình ứng dụng di động (Mobile WiMAX) 54

Hình 2.10: Mô hình ứng dụng của WiMAX 64

Hình 2.11: Kiến trúc ứng dụng của WiMAX 66

Hình 3.1: Các khối chức năng của lớp vật lý của WiMAX 82

Hình 3.2: Phân đoạn khối mã hóa 84

Hình 3.3: Bộ mã hóa chập với tailbiting trong IEEE 802.16e - 2005 85

Hình 3.4: Bộ mã hóa turbo trong IEEE 802.16e - 2005 .88

Hình 3.5: Cài xen các khối con 89

Hình 3.6: Quy trình HARQ với Dư thừa gia tăng .91

Hình 3.7: Sơ đồ chòm sao ký hiệu của điều chế QPSK, 16 QAM và 6 4 QAM 93

Hình 3.8 : Ký hiệu OFDM trong miền tần số 95

Hình 3.9: Phương thức hoán vị sóng mang con FUSC 98

Hình 3.10: Phương thức hoán vị sóng mang con DL PUSC 100

Hình 3.11: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC 101

Hình 3.12: Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC tối ưu 102

Hình 3.13: Hoán vị sóng mang Band AMC 103

Hình 3.14: Cấu trúc khung TDD 105

Hình 3.15: Phân tập phát sử dụng mã hóa không gian/ thời gian 107

Hình 3.16: Sơ đồ mã hóa không gian/ thời gian: (a) mã hóa theo chiều ngang cho 2 anten; (b) mã hóa theo chiều dọc cho 2 anten 109

Hình 3.17: Cluster PUSC cho (a) hai anten phát; (b) bốn anten phát 110

Hình 3.18: Mã phân tập nhảy tần 111

Hình 3.19: Cấu trúc của MIMO lặp đóng trong IEEE 802.16e-2005 112

Hình 3.20: Cấu trúc ký hiệu định tầm 117

Hình 4.1: Giao diện mô phỏng 122

Hình 4.2: Kết quả tính toán khi không có lỗi bit 123

H×nh 4.3: KÕt qu¶ tÝnh to¸n khi cã lçi x¶y ra 123

Danh sách các bảng

Bảng 1.1: Tổng hợp dung lượng kênh theo thông số kênh và điều chế 27

Bảng 2.1: Băng thông kênh 49

Bảng 2.2: So sánh các chuẩn IEEE 802.16 59

Bảng 2.3: WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác 72

Bảng 3.1: Tốc độ dữ liệu theo Mbps cho các chế độ mã hóa bắt buộc 86

Bảng 3.2: Các thông số cơ bản của mỗi ký hiệu OFDMa 94

Bảng 3.3: Tiểu sử cụm đường lên và xuống trong IEEE 802.16e-2005 97

Bảng 3.4: Các thông số của hoán vị sóng mang con FUSC 98

Bảng 3.5: Các thông số hoán vị sóng mang con DL FUSC 99

danh sách các từ viết tắt

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

AMC Adaptive Modulation and

Coding

Điều chế và mã hóa thích nghi

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian

Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

BLER Block Error Ratio Tỷ lệ lỗi khối

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSN Block Sequence Number Số chuỗi khối

CC Convolutional Coding Mã chập (Mã vòng xoắn)

CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CID Connection Identifier Bộ nhận dạng kết nối

CQI Channel Quality Indicator Bộ chỉ thị chất lượng kênh

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư thừa vòng

CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập dò sóng mang

CTC Convolutional Turbo Code Mã khối vòng xoán

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự

DCD Downlink Channel

Description

Mô tả kênh đường xuống

DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động

DFT Dicrete Fourier transform Biến đổi Fourier rời rạc

DSC Dynamic Service Change Thay đổi dịch vụ động

DSD Dynamic Service Delete Hủy dịch vụ động

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển mạch BS nhanh

Commission

ủy ban thông tin quốc gia

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FCH Frame Control Header Mào đầu điều khiển khung

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số

Equalization

Cân bằng miền tần số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung giới hạn

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

FUSC Full Usage of Subcarriers Sử dụng toàn bộ sóng mang con

H-FDD Half Frequency Division

Duplexing

Bán song công phân chia theo tần

số

HiPER LAN High Performance Local Area

Network

Mạng LAN hiệu suất cao

HMAC Hash - Based Message

Authentication Code

Mã nhận thực bản tin Hash

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao

HSDPA High Speed Downlink Packet

Access

Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao

IBO Input Back-Off Đầu vào chồ truyền

IDFT Inverse Descreat Fourier

Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

ICI Inter - Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

IP Internet Protocol Giao thức Intenet

ISI Inter - Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu

LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ

LDPC Low Density Parity Codes Mã parity mật đọ thấp

LLR Log Likelihood Ratio Tỷ số Likelihood log

LSB Least Significant Bit Bit có trọng số nhỏ nhất

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đa phương

tiện MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy xuất

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị

MC-CDMA Multi - Carrier CDMA CDMA đa sóng mang

MCM Multicarrier Modulation Điều chế đa sóng mang

MDHO Macro - Diversity Handover Chuyển giao phân tập lớn

MIMO Multiple Input Multiple

MSB Most Significant Bit Bit có trọng số lớn nhất

MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình

MSR Maximum Sum Rate Tốc độ tổng cực đại

NLOS Non - Line of Sight Không trong tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao

OSI Open System Inter - connect Kết nối liên hệ thống mở

P/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song - nối tiếp

PAN Personal Access Network Mạng truy nhập cá nhân

PAPR Peak - to - Average Power

Ratio

Tỷ số công suất đỉnh/ trung bình

PAR Peak - to - Average Ratio Tỷ số đỉnh/ trung bình

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PF Proportional Fairness Thuật toán cân bằng tỷ lệ

PHS Packet Header Suppression Nén tiếp đầu gói

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

RSSI Received Signal Strength

Indicator

Bộ chỉ thị cường độ tín hiệu nhận

S/P Serial to Parallel Chuyển đối nối tiếp-song song

SC Selection Combination Kết hợp lựa chọn

SCM Single Carrier Modulation Điều chế đơn sóng mang

SDU Service Data Unit Khối số liệu dịch vụ

SFID Service Flow Identifier Bộ nhận dạng luồng dữ liệu

SINR Signal to Interference Plus

Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SISO Single Input Single Output Một đầu vào, một đầu ra

SOHO Small Office/Home Office Văn phòng nhỏ/ nhà văn phòng

SPID Sub - Packet Identity Xác định gói con

STBC Space/Time Block Code Mã khối không gian/ thời gian

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời

TDP Time Domain Pilot Pilot miền thời gian

TUSC Tile Usage of Sub - Carriers Sử dụng Tile của các sóng mang

WiMAX Worldwide interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba

Services

Dịch vụ thông tin không dây

WiBro Wireless Broadband Băng rộng không dây

WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây

WMAN Wireless Metropolitan Area

Network

Mạng MAN không dây

Lời nói đầu

Ngày nay, thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Sự phát triển của Internet, thông tin vô tuyến và thông tin di

động toàn cầu đã phần nào đáp ứng được nhu cầu thông tin của người sử dụng

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm

và đi vào sử dụng Trong những năm gần đây, sự ra đời và phát triển nhanh chóng của WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – tên thương mại của chuẩn IEEE 802.16 – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các cơ quan chuyên môn

WiMAX mang đến cuộc cách mạng Internet và wireless cho các thiết bị xách tay trên phạm vi toàn cầu WiMAX đã sẵn sàng mang Internet đến khắp nơi trên thế giới và thay đổi cuộc sống của chúng ta một cách sâu sắc Trong vài năm tới, WiMAX sẽ cung cấp các tính năng truy nhập Internet mà không cần các kết nối có dây truyền thống tới mọi phòng khách, máy tính xách tay, điện thoại và các thiết bị cầm tay khác

Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng triển khai lắp đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu

WiMAX có khả năng truyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ được xây dựng trên nền tảng kỹ thuật OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo

Kỹ thuật OFDM với những tính năng nổi trội như khả năng chống nhiễu, hiệu quả sử dụng phổ cao, cho phép truyền tin với tốc độ cao Hiện nay kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi và được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, mạng truy nhập Internet băng rộng ADSL, hay mạng máy tính không dây tốc độ cao HiperLAN, WiFi Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế cho hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WiMAX theo các tiêu chuẩn IEEE 802.16 và hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ tư

OFDM ra đời đã nhanh chóng khẳng định tính ưu việt so với các kỹ thuật

điều chế và ghép kênh truyền thống, ngày càng được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả đặc biệt là trong thông tin vô tuyến băng rộng Nhằm đánh giá các ưu điểm của kỹ thuật OFDM và hiệu quả ứng dụng trong một công nghệ vô tuyến băng rộng rất có triển vọng trong tương lai là WiMAX, tác giả đã chọn đề tài “ứng dụng kỹ thuật OFDM trong WiMAX”

Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương:

• Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Trình bày nguyên lý

điều chế, giải điều chế, tính toán dung lượng kênh truyền và các đặc điểm của kỹ thuật OFDM

• Chương 2: Trình bày tổng quan về công nghệ WiMAX, cấu trúc, mô hình

hệ thống, môi trường truyền sóng và các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WiMAX, các mô hình ứng dụng, các chuẩn của WiMAX và các băng tần

sử dụng cho WiMAX Trong chương cũng phân tích các ứng dụng thực tế

và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX so với các công nghệ truyền thông không dây băng rộng khác, đồng thời trình bày khái quát về tình hình và triển vọng phát triển của WiMAX tại Việt Nam cũng như trên thế giới

• Chương 3: Trình bày về lớp vật lý của WiMAX nhờ sử dụng kỹ thuật OFDM và kỹ thuật đa anten MIMO, trong đó chú ý đến tỷ lệ lỗi bit (BER) trong quá trình phát và thu tín hiệu

• Chương 4: Trình bày mô phỏng hoạt động của lớp vật của WiMAX, sử dụng phần mềm Matlab & Simulink

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn

Quốc Trung, sự giúp đỡ và góp ý của các đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành bản

luận văn này

Hà nội – 10/2009

Học viên

Phạm Văn Quyết

Chương 1 - Kỹ thuật OFDM

1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM

1.1.1 Lịch sử phát triển

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế

đa sóng mang trong đó các sóng mang con (sóng mang phụ) trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn

có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập

kỷ vừa qua, nhiều những công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là năm 1971 các công trình khoa học của Weistein

và Ebert, người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Ngày nay, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hoá kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là

COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế

OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi

đường truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang con là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên 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 (adaptive modulation technique) Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hoá theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

1.1.2 Các ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác như sau:

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI – Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc

độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

• Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Tuy nhiên kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm đó là:

• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu

• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang con, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-T, mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,

1.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM

Kí hiệu: TSC là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s)

B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz)

Hình 1 1: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Phổ tín hiệu của hệ thống được mô tả như ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ thống

được điều chế trên sóng mang là f0 Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu TSC sẽ rất nhỏ Do vậy, phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau:

ƒ ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường

đối với tín hiệu thu là rất lớn Điều này được giải thích như sau: Giả thiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh là τmax, tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu TSC là:

SC SC

Mật độ phổ năng lượng

f0 Tần số

B

ƒ ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn

ƒ Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm kể trên

1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ phần băng tần của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang con cho mỗi băng con là khác nhau ý tưởng của phương pháp này được mô tả ở hình 1.2:

Hình 1 2: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm NC =2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

C S

fưL f0 f+L Tần số

B

C SC S S

C SC MC MC

N

R T

(1.5)

Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một

số ít các mẫu tín hiệu Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân tập đa

đường Các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế đa sóng mang so với phương pháp điều chế đơn sóng mang có thể liệt kê như sau:

• ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể

• ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency selectivity effect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ

• Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhược điểm cơ bản:

• Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity) Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ

được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất sử dụng phổ Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa

được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế

đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

1.2.3 Phương pháp điều chế trực giao OFDM

Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang con được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang con là trực giao với các sóng mang con còn lại Nhờ sự trực giao này phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau Điều này làm hiệu quả

sử dụng phổ của hệ thống tăng lên rõ rệt Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.3 và hình 1.4:

Hình 1 3: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM

Hình 1 4: Phổ tín hiệu cuả hệ thống các kênh con: (a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1

kênh con; (b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con

Hình 1.4 minh hoạ một cách đơn giản về nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận Điều này làm nguyên lý trực giao thoả mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chồng lấn lên nhau

1.3 Khái niệm về OFDM

1.3.1 Khái niệm

OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM được phát minh vào năm 1966, ứng dụng trong các hệ thống truyền hình số và truyền thanh số băng rộng OFDM không sử dụng các bộ lọc thông dải để tách rời phổ các sóng mang như trong kỹ thuật FDMA mà sử dụng kỹ thuật biến đổi Fourier IDFT/DFT hay IFFT/FFT để xử lý tín hiệu

Từ luồng tín hiệu băng rộng truyền nối tiếp tốc độ cao được chia thành M

đường song song tốc độ thấp, sau đó từng luồng dữ liệu sẽ được ánh xạ vào các sóng mang thành phần, để hình thành tín hiệu điều chế OFDM

Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn lên nhau làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu

OFDM thực chất là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở

đây chuỗi dữ liệu đơn tốc độ cao được chia nhỏ thành những chuỗi tốc độ thấp hơn

và phát đồng thời trên các sóng mang con Điều đáng chú ý ở đây là nó được xem như một thay đổi về kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh Một trong những lí do chính để sử dụng OFDM là nó tăng khả năng chống lại chọn lọc tần số và chống lại

nhiễu băng hẹp Trong một hệ thống đơn sóng mang, một đơn hoặc nhiễu có thể là lí

do làm suy hao dẫn đến hỏng đường truyền, nhưng ở hệ thống đa sóng mang, chỉ một phần nhỏ trong số các sóng mang con bị ảnh hưởng Mã sửa lỗi có thể được dùng để sửa những lỗi nhỏ đó của các sóng mang con Khái niệm của việc sử dụng phát dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số được phổ biến vào giữa những năm 1960

Hình 1.5: Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM

Trong một hệ thống dữ liệu song song trước đây, toàn bộ băng tần số tín hiệu

được chia thành N kênh con có tần số không lẫn lên nhau Mỗi kênh con được điều chế với một chuỗi ký hiệu và sau đó N kênh con được ghép kênh theo tần số Nó

được xem như là một biện pháp tốt để tránh sự chồng lẫn phổ của kênh truyền gây ra nhiễu đồng kênh Tuy nhiên, làm như vậy sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để đối phó với điều này, những ý kiến được đề xuất từ giữa năm 1960 là sử dụng số liệu song song và điều chế FDM với các kênh con chồng lẫn lên nhau, ở đây mỗi một sóng mang mang theo một tín hiệu tốc độ b sẽ được đặt cách nhau khoảng b về tần

số, điều này cho phép giảm các bộ san bằng tốc độ cao và chống lại ảnh hưởng của các xung tạp âm và nhiễu đa đường Vì vậy cho phép ta tận dụng một cách đầy đủ phổ tần, tăng hiệu quả sử dụng tần số

Hình 1.5 thể hiện sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang thông thường không chồng lẫn phổ và kỹ thuật điều chế OFDM Nhìn trên hình vẽ ta thấy

kỹ thuật điều chế OFDM cho phép tiết kiệm 50% băng tần Tuy nhiên chúng ta cần

phải loại trừ sự ảnh hưởng lẫn nhau của các sóng mang con, điều này có nghĩa là chúng ta muốn có một sự trực giao giữa các sóng mang được điều chế khác nhau

1.3.2 Các đặc điểm của kỹ thuật OFDM

Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng

được tách ở máy thu mà không bị nhiễu của sóng mang khác, hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vô tuyến Suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu Trong OFDM, fading chỉ ảnh hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như toàn bộ các sóng mang con băng hẹp cùng với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo chất lượng qua các kênh vô tuyến

Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng mà vẫn

đảm bảo 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 thời gian do 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 quảng bá âm thanh số và DVB quảng bá truyến hình số mặt đất của ETSI cũng như được đề xuất cho các tiêu chuẩn WLAN như ETSI HiperLAN2, WLAN 802.11, WIMAX 802.16

Kỹ thuật OFDM giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDMA và TDMA OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc

độ ký hiệu thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền dẫn đa

đường, trễ truyền dẫn đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký hiệu ISI đáng kể

(khoảng trên 100 sà )

1.4 Nguyên lý điều chế OFDM

1.4.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Về mặt toán học xét tập các tín hiệu ψ với ψp là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập ψ trực giao đôi một với nhau là:

q p k dt t t

( ) ( ψ

s s

n i

L i

L k

n k

L k

' t

m

s s

q p j s

T k

kT

t q p j t

jq t

jp

q p T

q p kT

t

T k t e

q p j dt e

dt e

1 (

) (

,

, 0 ) 1 ( )

(

1 )

Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống là B được chia thành N Ckênh con, với chỉ số của kênh con là n, n∈{ưL,ưL+1, ,ư1,0,1, ,Lư1,L}

n là chỉ số của sóng mang con, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N C bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, k là chỉ số của khe thời gian ứng với N C mẫu tín hiệu phức

Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK,

Các mẫu tín hiệu phát {d k ,n} lại được nhân với xung cơ sở (basic impulse)

t jn n

k k

s

e kT t s d t

L n

t jn n

k k

m t

ở đây tín hiệu m′ (t)là tín hiệu m k′(t)với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM

hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn

1.4.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả

về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễu liên ký hiệu ISI thông qua việc sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval) Do vậy tín hiệu OFDM trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu liên ký hiệu ISI

Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là T S, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T G thì tín hiệu này có chu kỳ là T =T S +T G Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau với trễ truyền dẫn khác nhau Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, hình 1.8 mô tả tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn , trong đó một tuyến truyền dẫn

không có trễ, tuyến còn lại trễ so với tuyến đầu tiên là τmax ở tuyến đầu tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều này là do

ta đã giả sử rằng tuyến đầu tiên không có trễ tuyền dẫn Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k một khoảng là τmax do trễ truyền dẫn Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là τmax Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu ở tất cả các tuyến

Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra xuyên nhiễu ký hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này Trong trường hợp T G ≥τmax như mô tả ở hình 1.8 thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây ra nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo

vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài T S không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị loại bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:

Hình 1 8: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, có bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của

hệ thống bị giảm đi một hệ số là:

G S

S

T T

T

+

=

1.4.4 Phép nhân với xung cơ sở (Basic impulse)

Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi

đều được nhân với xung cơ sở Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng cho phép của kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu phát lớn hơn độ rộng kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát này sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ sở có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ sở kí hiệu là s (t) có độ rộng là T S +T G Dạng xung cơ sở đơn giản nhất là xung vuông được mô tả như ở hình 1.9 sau:

nếu0

)

t

Trong thực tế xung cơ sở thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng

1.4.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự như ở công thức (1.9) được viết lại như sau:

t jn n

)

(t s′

0

s

G T

t

0

T

Sau khi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu:

FFT S S FFT a

N

T f

N B

Trong đó: B là toàn bộ bề rộng băng tần của hệ thống ở tại thời điểm lấy mẫu

0)(,s t kT s

L n

L

L n

lt jn kT jn n k lt

kT jn n k a

S S S

S =2 1 =2 , kết quả là jn S kT S =1

e ω

Tương tự, ta có thể khai triển S FFT FFT

S a

nl j N

f

l f jn lt jn

e e

e

π π

L n

N

nl j n k a

S

m

π 2 , 0)

Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở công thức (1.17) trùng với phép biến đổi IDFT Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp N FFT là bội số của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT

Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT thể hiện như ở hình 1.10:

Hình 1 10: Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT

a,+

n i

a,

L i

a,ư

L k

d ,+

n k

d ,

L k

d ,ư

)(lt a m′ m(lt a) m (t)

1.5 Nguyên lý giải điều chế OFDM

1.5.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường, về mặt toán học, được biểu diễn thông qua

đáp ứng xung h ( tτ, ) và hàm truyền đạt H(jω,t) Đối với đáp ứng xung h ( tτ, ), biến τ ký hiệu là trễ truyền dẫn của kênh Trễ truyền dẫn là khoảng thời gian cần

thiết để tín hiệu chuyển từ máy phát đến máy thu Biến t là thời gian tuyệt đối (hay

là thời điểm quan sát kênh) Biến đổi Fourier của đáp ứng xung đối với biến τ cho

Để đơn giản cho việc mô tả nguyên lý giải điều chế, môi trường truyền dẫn

được giả thiết không có can nhiễu tạp âm trắng (Additive Gaussian Noise) Mối liên

hệ giữa tín hiệu phát m (t), tín hiệu thu u (t)và đáp ứng xung của kênh h ( tτ, ) được mô tả như ở hình 1.11

,(

*)()(

τ

τττ

τ t h t m t d h

t m t

với ký hiệu ‘*’ là phép tích chập của hai tín hiệu

1.5.2 Bộ giải điều chế OFDM

Với tín hiệu phát m (t) ở công thức (1.10), biểu diễn của u (t) được viết tiếp dưới dạng:

)(

u

k L

L n

kT t jn n

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở hình 1.12 Tín hiệu

đưa vào bộ giải điều chế là u (t)

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế Các bước giải điều chế bao gồm:

• Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

• Nhân với hàm số phức jn S t

e ω (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang

về băng tần gốc như trước khi điều chế )

• Giải điều chế các sóng mang con

• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

• Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

kT u t kT

u′( S + )= ( + ) nếu0≤ ≤ S,∀ (1.21)

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

)

(t

u

L k

dˆ ,+X

dˆ ,

L k

dˆ ,ư

n i

aˆ,

L i

aˆ,ư

L i

aˆ,+

}ˆ{a l

)

(t u′

Hình 1.13: Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM

Tuỳ theo độ dài của chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh cũng nh− là điều kiện của kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ thuộc thời gian) ta sẽ có kết quả khác nhau sau khi giải điều chế

1.5.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế

Bộ giải điều chế trên mỗi sóng mang con là mạch tích phân thực hiện chức năng sau:

kT

t jl k l

T d

) 1 (

S

T k

kT

L

L n

kT t l n j jn

S n

k l

( 0

, 0

,

max

)(

),(1

vànếu

0

)1(0

)

S

T k t kT s

kT t

T k

kT

L

L n

kT t l n j jn

n k l

T

s d

) 1 (

) )(

( 0

, 0

0 ,

max

),(

),()

,(

τ

τ

ω ττ

T k

kT

L

L n

kT t l n j S n

k l

T

s d

) 1 (

) )(

( ,

0

0

Trong c«ng thøc trªn, kÕt qu¶ tÝch ph©n cho tr−êng hîp n= sÏ cho ta tÝn hiÖu l

cã Ých d k U,l, cßn kÕt qu¶ tÝch ph©n cho c¸c tr−êng hîp n≠ sÏ lµ kÕt qu¶ cña can l

nhiÔu gi÷a c¸c sãng mang ICI (Inter-Carier Interference) d k ICI,l PhÇn tÝn hiÖu cã Ých

®−îc biÓu diÔn bëi c«ng thøc sau:

kT

s l k U

l

T

s d

) 1 ( , 0

T k

kT L

l n L n

kT t l n j S n

k S

ICI l

T

s d

) 1 (

) )(

( ,

U l

Thµnh phÇn nhiÔu gi÷a c¸c sãng mang ®−îc viÕt l¹i:

0)

(

) 1 (

) )(

( ,

T k

kT

kT t l n j L

l n L n

S n

k S

ICI l

T s

Do các sóng mang trực giao với nhau, kết quả tích phân ở công thức (1.31) rõ ràng là bằng không Do vậy thành phần can nhiễu giữa các sóng mang sẽ triệt tiêu trong trường hợp kênh không thay đổi về thời gian trong một chu kỳ tín hiệu

1.5.3 Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT

Bộ điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân thể hiện ở công thức (1.22) ở dạng mạch số, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là t a Giả thiết một mẫu tin OFDM T S được chia thành N FFT mẫu tín hiệu, khi đó độ rộng của một chu kỳ lấy mẫu là:

FFT

S a

2,1,0),

()

′

0

) (

a S S

N

n

nt kT jl a S k S

a l

N

n

T jlk t jnl a S k S

a l

S a

S

N

t T

ω =2 1 = 2 Do vậy công thức (1.35) được viết lại như sau:

∑ư

=

ư+

′

0

/ 2

l

N

Biểu thức trên cũng chính là phép biểu diễn DFT với chiều dài N FFT Mối liên

hệ này được Weinstein vaf Ebert tìm được năm 1971 Nhờ sự phát triển của kỹ thuật

số, phép biến đổi DFT được dễ dàng thực hiện Đặc biệt là khi N FFT là bội số của cơ số 2, phép biến đổi DFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh FFT

Sơ đồ khối của bộ giải điều chế OFDM thực hiện bằng phép biến đổi nhanh FFT được mô tả như trong hình 1.14:

Hình 1 14: Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT

1.6 Sơ đồ hệ thống OFDM

1.6.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Tổng quan hệ thống OFDM được mô tả như ở hình 1.15 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và được chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua

bộ biến đổi số-tương tự trước khi được truyền trên kênh truyền qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở cả phía phát và phía thu,

và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

aˆ,+

n i

aˆ,

L i

aˆ,ư

L k

dˆ ,+

n k

dˆ ,

L k

dˆ ,ư

)(lt a u′

)(lt a u

)

(t

Hình 1 15: Sơ đồ tổng quan hệ thống OFDM

Máy thu thực hiện chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải

được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện

thông qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi

giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín

hiệu có ích được đưa tới bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.6.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Mẫu tin dẫn đường (hay còn được gọi là tín hiệu dẫn đường hoặc kênh hoa tiêu) có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số và miền thời gian

như trên hình 1.16 Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp

nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian

Data Giải điều chế ở

Khôi phục kênh truyền

Biến đổi số-tương tự

Kênh truyền

Biến đổi tương tự-số

Hình 1.16: Chèn tín hiệu dẫn đường trong miền tần số và thời gian

ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τmax Với r f là tỉ số lấy mẫu (oversampling rate) ở miền tần số, f S là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thoả mãn điều kiện sau:

11

f D

Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số r f phải là 1 Tỷ số này có thể lớn hơn 1, khi đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling) Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như trên, có nghĩa là r f <1, thì kênh truyền không thể được khôi phục hoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp trong miền thời gian D t cũng phải thỏa mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler Theo tiêu chuẩn lấy mẫu thì khoảng cách D t phải thoả mãn điều kiện:

1)(

2

1max

≥+

=

G S t D t

T T D f