Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động 4g

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ nhất 2G

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN- 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Công trình đƣợc hoàn thành tại

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Có thể tìm đọc luận văn tại: Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Trung tâm học liệu trường Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Văn Thắng

Học viên: Lớp cao học K16- KTĐT, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Nơi công tác: Viettel Thái Nguyên – Tập đoàn Viễn thông Quân đội

Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng

trong mạng thông tin di động 4G”

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.02.03

Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực

hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng

thông tin di động 4G”

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu

Công và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em.Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 03 năm 2016

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy

cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu

Công và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Điện tử Viễn thông Hội đồng bảo vệ đề

cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐT đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có

ý nghĩa hơn trong thực tiễn

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Văn Thắng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG 3

KHÔNG DÂY 3

1.1 Lịch sử và phát triển của thông tin di động 3

1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động 3

1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động 5

1.1.3 Tổng kết các hệ thống thông tin di động 7

1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G 8

1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận 9

1.2.2 Các điểm cần xét đến 10

1.2.3 Các kỹ thuật được sử dụng 10

1.2.4 Sự khác nhau giữa 3G và 4G 11

1.2.4.1 Ưu điểm nổi bật 11

1.2.4.2 Các ứng dụng đã tạo nên ưu điểm của 4G LTE so với 3G 11

1.3 Kết luận 12

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAOVÀ KÊNH VÔ TUYẾN TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐÔNG 4G 13

2.1 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao 13

2.1.1 Giới thiệu chung 13

2.1.1.1 Các ưu và nhược điểm 14

2.1.1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 16

2.1.1.3 Các hướng phát triển 16

2.1.1.4 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM 16

2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật của OFDM 17

2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang 18

2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM 19

2.1.3 Trực giao trong OFDM 19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.1.3.1 Biểu diễn sự trực giao dưới dạng toán học 21

2.1.3.2 Trực giao trong miền tần số 23

2.1.4 Biểu thức của tín hiệu OFDM 24

2.1.5 Thu phát tín hiệu OFDM 25

2.1.5.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 27

2.1.5.2 Điều chế sóng mang phụ 28

2.1.5.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 29

2.1.5.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30

2.1.5.5 Biểu diễn dưới dạng toán học 31

2.1.6 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 32

2.1.6.1 Chống lỗi do dịch thời gian 33

2.1.6.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) 33

2.1.6.3 Mào đầu và phân cách sóng mang 36

2.1.6.4 Biểu diễn dưới dạng toán học 36

2.1.7 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 40

2.1.7.1 Lọc thông dải 41

2.1.7.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 43

2.2 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 43

2.2.1 Điều chế BPSK 44

2.2.2 Điều chế QPSK 45

2.2.3 Điều chế QAM 47

2.2.4 Mã Gray 48

2.3 Các đặc tính của OFDM 50

2.3.1 Ưu điểm 50

2.3.2 Nhược điểm 51

2.4 Kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G 51

2.4.1 Suy hao đường truyền và sự suy giảm tín hiệu (Path loss and Attenuation) 51

2.4.2 Định nghĩa fading 52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.4.3 Hiện tượng Multipath 54

2.4.4 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền phẳng do trải trễ đa đường gây ra. 58

2.4.5 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm (fast fading & slow fading channel) do sự trải Dopler gây ra. 62

2.4.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean 64

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G 67

3.1 Đánh giá chung về hiệu suất 67

3.1.1 Quan điểm người dùng cuối về hiệu suất 68

3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác 70

3.2 Hiệu suất trên cơ sở tốc độ dữ liệu đỉnh và độ trễ 70

3.3 Đánh giá hiệu suất của 4G 72

3.3.1 Các mô hình và các giả thiết 72

3.3.2 Tiêu chí đánh giá 76

3.3.3 Một số kết quả mô phỏng đánh giá hiệu suất 4G 77

3.4 Kết luận 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

A.Kết luận 81

B.Hướng phát triển 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động 6

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang 19

Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số 19

Hình 2.3: Tích phân các sóng sin có cùng tần số 21

Hình 2.4: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM 22

Hình 2.5: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con 24

Hình 2.6 : Sơ đồ khối thu phát OFDM 26

Hình 2.7: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bít phụ thuộc vào số bít trong một symbol. 27

Hình 2.8: Tạo tín hiệu OFDM giai đoạn IFFT 29

Hình 2.9: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở 30

sử dụng kỹ thuật tương tự 30

Hình 2.10: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS – Tổng hợp số trực tiếp) 30

Hình 2.11: Bộ điều chế OFDM 31

Hình 2.12: Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ 34

Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu 37

Hình 2.14 : Mô phỏng quá trình chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu 37

Hình 2.15: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI 38

Hình 2.16: Dạng sóng trong miền thời gian 40

Hình 2.18: Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con 41

Hình 2.19: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc 42

Hình 2.20: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR 42

Hình 2.21: Cấu trúc của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 43

Hình 2.22: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 45

Hình 2.23: Biểu đồ tín hiệu QPSK 47

Hình 2.24: Chùm tín hiệu 16-QAM 48

Hình 2.25: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.26: Hiệu ứng pha đinh 52

Hình 2.27: (a) flat fading, (b) fading chọn lọc tần số, (c) với truyền dẫn OFDM thì dữ liệu được truyền trong nhiều sóng mang con, nên tại tần số bị fading thì chỉ một tập hợp dữ liệu nhỏ dữ liệu phát bị mất. 53

Hình 2.28: Hiện tượng phản xạ 55

Hình 2.29: Hiện tượng tán xạ 55

Hình 2.30: Hiện tượng nhiễu xạ 55

Hình 2.31: Các hiện tượng xảy ra trong kênh truyền vô tuyến 56

Hình 2.32: Tín hiệu gốc và 2 thành phần Multipath 57

Hình 2.33: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian 57

Hình 2.34a: Đáp ứng tần số của kênh truyền chọn lọc tần số 58

Hình 2.34b: Đáp ứng tần số của kênh truyền phẳng 59

Hình 2.35: Tín hiệu tới phía thu theo L đường 59

Hình 2.36: Kênh truyền thay đổi theo thời gian 62

Hình 2.37: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 65

Hình 3.1: Xác định tốc độ dữ liệu cho hiệu suất 69

Hình 3.2: Hiệu quả phổ tế bảo FDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R(đường xuống và đường lên). 77

Hình 3.3: Phân bố thông lượng người dùng chuẩn hóa FDD(đường xuống và đường lên) 78

Hình 3.4: Phân bố SINR FDD (đường xuống và đường lên) 78

Hình 3.5a: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên) 79

Hình 3.5b: Hiệu quả phổ tế bào TDD và hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào, so với yêu cầu ITU-R (đường xuống và đường lên) 79

Hình 3.6: Phân bố thông lượng người dùng chuẩn hóa TDD (đường xuống và đường lên) 80

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VIẾT TẮT

TRONG LUẬN VĂN

1G One Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ nhất 2G Second Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ hai 3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ ba 4G Four Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thứ tư 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ thứ 3

AAA Adaptive Array Antenna Ăng ten dãy thích nghi

AAA Aunthentication, Authorization &

Accounting Chứng thực, ủy quyền và thanh toán

ARQ Automatic Repeat reQuest Kỹ thuật yêu cầu lặp tự động

ATM Asynchronous Tranfer Mode Chế độ truyền dị bộ

BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CRC Cyclic Redundancy Code Mã vòng dư

CN Correspondent Node Nút trung gian

CNR Carrier – to – Noise - Radio Tỷ số sóng mang trên tạp âm

CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng

CTP Context Transfer Protocol Giao thức truyền ngữ cảnh

DS-CDMA Direct Sequence - CDMA CDMA chuỗi trực tiếp

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

E2R End – to – End Reconfigurability Khả năng cấu hình lại từ đầu cuối đến

đầu cuối

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

EIRP Effective Isotropically Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hướng hiệu

dụng EV-DO Evolution Data Optimized

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FEC Forward Error Correct Mã sửa lỗi trước

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

FH - OFDM Frequency Hopping Orthogonal

Frequency Division Multiple Access OFDM nhảy tần

FM IPv6 Fast Mobile IPv6 IPv6 di động nhanh

FHM IPv6 Fast Handovers for Mobile IPv6 Chuyển giao nhanh cho IPv6 di động GPS Global Postioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GPRS General Packet Radio System Hệ thống vô tuyến gói chung

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest ARQ (yêu cầu tự động lặp) lai

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

HMIPv6 Hierarchial Mobile Internet Protocol

HSDPA High Speed Dowlink Packet Access Hệ thống truy nhập gói đường xuống

tốc độ cao HMI Human – Machine Interface Giao diện người máy

IMT - 2000 International Mobile

Telecommunication - 2000 Thông tin di động toàn cầu 2000

IP Internet Protocol Giao thức internet

IPv6 Internet Protocol Version Giao thức internet phiên bản 6

ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

MAC Medium Access Control Điều khiển thâm nhập môi trường MAP Mobility Anchor Point Điểm treo di động

MIH Media Indepen Handover Chuyển giao độc lập phương tiện

MNN Mobile Network Node Nút mạng di động

MNP Moblie Network Prefix Tiền tố mạng di động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

MSC Mobility Service Center Trung tâm dịch vụ di động

MIMO Multi Input – Multi Output Ăng ten nhiều kênh vào – nhiều kênh

ra

MC -

CDMA Multi Carrier CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang

NGN Next Genartion Network Mạng di động thế hệ sau

OSI Open Systems Interconnection Mô hình tương kết các hệ thống mở OFDM Orthononal Frequency Division

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

trung bình PHS Persional Handyphone System Hệ thống điện thoại cá nhân

PKI Public key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khóa chung

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RANAP Radio Access Network Application Part Phần ứng dụng mạng thâm nhập vô

tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

RNS Radio Network Subsystem Hệ thống mạng con vô tuyến

RO Router Optimzation Tối ưu hóa đường đi

RR Return Routability Khả năng định tuyến đường về

SDR Software Defined Radio Sóng vô tuyến định nghĩa mềm

SINR Signal to Interference and Noise Power

Ratio

Tỷ số công suất tín hiệu nhiễu trên tạp

âm SMS - SC SMS Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn SMS SVD based

MIMO

Singunal Value Decompostion Based

Multiple Input Mutilple Outut

TCP Transmision Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn

TPC Transmision Power Control Điều khiển công suất truyền dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật vô tuyến đã có các bước phát triển vượt bậc.Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ video, thoại, các loại hình truyền số liệu, thiết bị di động ngày càng phát triển về nhu cầu truyền thông đa phương tiện ngày một cao hơn.Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu cầu của hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây

Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng thông lớn hơn, tiết kiệm phổ tần và có hiệu năng hệ thống cao là bài toán đang được đặt ra và không ngừng có những kết quả nghiên cứu cho những câu trả lời xác đáng hơn Với sự phát triển của công nghệ điện thoại di động, chúng ta đã đi từ thế

hệ di động thứ nhất đến nay, thế hệ di động thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới với sự bùng nổ của Viễn thông và Công nghệ thông tin Với những

hệ thống có khả năng tích hợp cao như vậy, công nghệ truyền dẫn đơn sóng mang đang trở nên lỗi thời và không đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ

Để đáp ứng được yếu tố này, cần thiết phải phát triển những hệ thống băng rộng, khả năng thích nghi cao với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác định phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến Do

đó một giải pháp hiệu quả đã được đưa ra đó là việc sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao gọi tắt là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Điều chế đa sóng mang trực giao hay ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) vào thông tin vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục được nhược điểm về việc hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh được tối ưu hóa

Kỹ thuật OFDM được đưa vào sử dụng trong thực tế đã và đang đóng góp rất lớn vào sự phát triển bùng nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt Nam.Đầu tiên có thể kể đến sự phát triển mạnh mẽ của ADSL từ đó đưa ra dịch vụ

internet tốc độ cao và giá cả hợp lý Đặc biệt việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào các

hệ thống mạng không dây như WLAN, WIMAX, hệ thống thôn tin di động 4G làm thay đổi cuộc sống của chúng ta về việc trao đổi thông tin… như vậy kỹ thuật OFDM là một sự lựa chọn đầy thuyết phục với nhiều khả năng tiềm tàng đã và đang được nghiên cứu sử dụng cho tầng vật lý mạng thông tin di động 4G

Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận văn này tôi xin trình bày đề

tài về: “Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong mạng thông tin di động

4G” đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam

Về nội dung luận văn của em xin được chia làm 3 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống di động không dây

Chương II: Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao và kênh vô tuyến trong mạng thông tin di động 4G

Chương III: Đánh giá hiệu quả của hệ thống thông tin di động 4G

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS.TS

Nguyễn Hữu Công cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn Kính chúc các Thầy,

Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!

Tác giả

Nguyễn Văn Thắng

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG

KHÔNG DÂY

1.1.Lịch sử và phát triển của thông tin di động

1.1.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi những công nghệ cao kỹ thuật tiên tiến Ý nghĩa về một sự liên lạc thức thời mà không nghĩ đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu nhất của nhân loại và giấc mơ đó đã và đang trở thành hiện thực.Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin được phát minh vào cuối thế kỷ 19 Kể từ đó đến nay nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi nhất và không thể thiếu trong đời sống nhu cầu hàng ngày của con người

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải quả nhiều giai đoạn phát triển khác nhau Từ thế hệ thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất (1G) đến hệ thống di động thông tin số thế hệ thứ hai (2G) , hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba (3G) đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống di động siêu băng rộng thế hệ thứ tư (4G) đã và đang được triển khai tại một số nước trên thế giới Thông tin mà hệ thống thông tin di động thứ nhất, thứ hai truyền đi chủ yếu là thoại, còn thông tin được truyền đi trong hệ thống thông tin di động thứ ba, thứ tư là ngoài các dịch vụ của thế hệ thứ nhất và hai truyền thêm dữ liệu dịch vụ và đa phương tiện

Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ hai cộng (2,5G & 2,75G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3,5G), tiếp đến là thế

hệ thứ tư (4G – LTE) Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ và tiện ích của thông tin di động mang lại ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận Vô tuyến (ITU-R) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở Châu Âu, Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hóa phiên bản của hệ thống này với tên gọi tắt là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) Hệ thống di động này mới làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại

dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại, truyền số liệu tốc độ thấp Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới 2Mbps Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ tốc độ 14,4Kbps sẽ đảm bảo cho thông tin di động thông thường

ở các ô macro Người ta cũng đang và đã nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin

di động thứ tư có tốc độc cho người dùng khoảng 2Gbps Ở hệ thống di động băng rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng băng tần

là 64MHz và tốc độ truyền dẫn của người sử dụng khoảng 100Mbps

Hiện nay, tại hầu hết các quốc gia trên thế giới đã triển khai hệ thống thông tin

di động 3G Tuy nhiên, theo số liệu thống kê của Hiệp hội GSA, tính đến 21/7/2015, LTE đã được 638 nhà mạng cam kết triển khai tại 176 quốc gia Ngoài ra còn có 39 nhà mạng đang triển khai các công việc tiền cam kết, thử nghiệm tại 5 quốc gia khác.Tính tổng lại thì LTE đã được 677 nhà mạng quan tâm, đầu tư tại 181 quốc gia

Về số mạng thương mại, từ chỉ có 2 mạng thương mại tại Thụy Điển và Na Uy vào năm 2009 đến nay LTE đã có 422 mạng thương mại tại 143 quốc gia Con số này được dự báo sẽ tăng lên thành ít nhất là 460 mạng vào cuối năm nay và 600 mạng vào năm 2019 Bắc Mỹ (Mỹ và Canada) tiếp tục dẫn đầu thế giới về ứng dụng LTE với

68 mạng thương mại và 198 triệu thuê bao, chiếm 47,5% thuê bao di động của khu vực này và chiếm 26% trong tổng số 755 triệu thuê bao LTE toàn cầu Trong khi đó, với lợi thế về dân số đông, khu vực Đông Á, Đông Nam Á và châu Đại Dương chiếm tới 51% thuê bao LTE toàn cầu với 385 triệu Phần lớn thuê bao đến từ các thị trường

di động phát triển như Hàn Quốc, Nhật Bản và cả thị trường đang phát triển

Tại Việt Nam với sự phát triển mạnh mẽ của thông tin liên lạc nói chung và những năm gần đây thông tin di động ra đời và phát triển như một xu thế tất yếu khách quan nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao trong thời kỳ đổi mới của đất nước Vào thời kỳ ban đầu, xuất hiện một số nhà mạng như mạng nhắn tin ABC, mạng nhắn tin toàn quốc … chỉ mang tính chất thử nghiệm cho công nghệ thông tin di động ở Việt Nam Sau đó, tại thời điểm tháng 03/1993 mạng điện thoại di động MobileFone sử dụng kỹ thuật số GMS đã được triển khai và chính thức đưa vào hoạt động ở Việt Nam với thiết bị của hãng ALCATEL.Tháng 06/1996, mang Vinaphone ra đời và cùng tồn tại song song với VMS.Năm 2003, mạng S-Phone sử

dụng công nghệ CDMA của Saigon Postel đưa vào khai thác.Đến năm 2004, mạng GMS của Viettel cũng chính thức đưa vào hoạt động.Và đến năm 2007 EVN Telecom, Hà Nội Telecom cũng đưa vào khai thác mạng di động thế hệ thứ ba.Dự kiến đến quý IV/2015 các nhà mạng Viettel, Vinaphone và Mobilephone cũng đồng loạt triển khai mạng di động thế hệ thứ 4 trên các thành phố lớn của cả nước

1.1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động

Thời kỳ đầu, khi mới triển khai hệ thống thông tin di động thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người dùng sử dụng dịch vụ thoại nhưng do nhu cầu về truyền số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng trên cơ sở khai thác hạ tầng mạng viễn thông hiện có Từ đó các nhà khai thác, cung cấp dịch vụ đã nghiên cứu và triển khai các hệ thống di động thứ hai, hai cộng (2G, 2,75G) để cung cấp dịch vụ truyền số liệu cao hơn Cùng với internet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong những hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối người dùng với cơ quan hay gia đình của họ.Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với công nghệ mới là cung cấp trực tiếp các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi mới cho các nhà khai thác viễn thông Do đó, để đáp ứng được các dịch vụ truyền thống và các dịch vụ mới như hình ảnh, video, truyền thông máy tính đồng thời đảm bảo tính kinh tế hiệu quả thì hệ thống thông tin di động thứ hai (GSM, PDC, IS-136, và CDMAONE) đã chuyển sang hệ thống thông tin di động thứ ba Khi mà nhu cầu về truyền số liệu đa phương tiện tăng cao nhanh chóng,

mà tốc độ hiện tại của hệ thống di động thứ ba không đáp ứng được thì các tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu, phát triển và chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thứ tư

Lộ trình phát triển của thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư được thể hiện qua hình 1.1 sau đây

Hình 1.1: Lộ trình phát triển của hệ thống thông tin di động

- AMPS (Advanced Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động

- SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng

- GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz

- EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution): Những tốc độ số liệu

tăng cường để phát triển GSM

- Cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1

- WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng

- Cdma200 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2

- HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy nhập gói tốc độ

cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 cộng nghệ sau:

+) HSDPA (High Speed Dowlink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói

đường xuống tốc độ cao

+) HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy nhập gói

đường lên tốc độ cao

+) HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy nhập gói

OFDM tốc độ cao

- Pre – 4G: Các hệ thống tiền 4G, gồm có Wimax và Wibro (Mobile

Wimax)

- Wimax: Worldwide Interoperability for Microwave Access

- Wibromax (Wireless Broadband System): Hệ thống băng rộng không dây

Thế hệ thứ hai 2G GSM, IS-136, IS-95

Chủ yếu thoại kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn

TDMA, CDMA công nghệ, số băng hẹp (8-13 Kbps)

Thế hệ thứ 2 +

(2,5G; 2,75G)

GPRS, EDGE, cdma2000 1x

Chủ yếu vẫn là thoại, dịch vụ số liệu gói tốc độ thấp

và trung bình

TDMA (kết hợp nhiều khe thời gian hoặc tần số) hoặc CDMA, sử dụng phổ chồng lên phổ tần của hệ thống 2G,

tăng cường truyền số liệu gói Tốc độ tối đa đạt 144Kbps

Thế hệ 3 (3G)

cdma2000 1x EV DO/DV, cdma2000, WCDMA

Truyền dẫn thoại và dịch vụ số liệu đa phương tiện

CDMA, CDMA/TDMA, băng rộng, riêng cdma2000 x1 EV sử dụng phổ chồng lên phổ của hệ thống 2G Tốc độ tối đa đường xuống là 2Mbps đường lên là 384Kbps

Thế hệ 3+ (3,5G)

HSDPA HSUPA HSOPA

Tích hợp thoại, dịch

vụ số liệu và đa phương tiện tốc độ cao

Phát triển từ 3G, CDMA/HS-DSCH HSPDA cho tốc độ tối

đa đường xuống 14,4Mbps, HSUPA có tốc độ đường lên là 5,7Mbps, HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink 200Mbps/100Mbps

Thế hệ 4 (4G) 4G, LTE

Truyền dẫn thoại,

số liệu, đa phương tiện với tốc độ cực cao

OFMA, CDMA, tốc độ tối đa ở môi trường trong nhà là 5Gbps,100Mbps môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động nhanh 250Km/h

MC/DS-1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống di động 4G

4G là hệ thống thông tin di động băng rộng được xem như lIMT tiên tiến (IMT Advanced) định nghĩa bởi ITU-R Tốc độ dữ liệu được đề ra là 100Mbps cho thuê bao di chuyển cao và 1Mbps cho thuê bao ít di chuyển, băng thông linh động lên đếm 40MHz Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung cấp các dịch vụ như điện thoại trên nền IP, truy cập internet băng rộng, dịch vụ game và dòng HDTV đa phương tiện…

3GPP LTE được xem như là tiền 4G, nhưng phiên bản đầu tiên của LTE chưa

đủ các tính năng theo yêu cẩu của IMT Advanced LTE có tốc độ lý thuyết lên đến 100Mbps ở đường xuống và 50 Mbps ở đường lên đối với băng thông 20MHz, và sẽ hơn thế nữa nếu MIMO, anten mảng được sử dụng LTE được phát triển đầu tiên ở hai thủ đô là Stockholm và Oslo vào ngày 14/02/2009.Giao diện vô tuyến vật lý đầu tiên được đặt tên là HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) và bây giờ có tên là E-UTRA (Evoled UMTS Terrestrial Radio Access) Thực tế cho thấy hầu hết các hãng viễn thông hàng đầu trên thế giới: Alcatel – Lucent, Ericsson, Motorola, Nokia, Nokia Siemens Network, Huawei, LG Electronics, Sam Sung … đã bắt tay với các nhà mạng lớn trên thế giới (Verizon Wireless, AT&T, France Telecom – Orange, NTT DoCoMo, T – Mobile, China Mobile, ZTE ) thực hiện các cuộc thử nghiệm quan trọng trên công nghệ LTE và đã đạt được những thành công đáng kể

LTE Advanced là ứng viên cho chuẩn IMT Avanced, mục tiêu của nó là hướng đến đáp ứng được yêu cầu của ITU LTE Advanced có khả năng tương thích với thiết bị và chia sẻ băng tần với LTE phiên bản đầu tiên

Di động WiMax (IEEE 802.16E-2005) là chuẩn truy cập di động không dây băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ đỉnh đường xuống là 128Mbps, và 56Mbps cho đường lên với độ băng thông rộng lớn hơn 20MHz

UMB (Utra Mobile Broadband): UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel – Lucent, Apple, Motorola, NEC và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm việc ở nhiều dải tần

số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288Mbps cho luồng xuống và 75Mbps cho đường lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20MHz Qualcom là hãng đi đầu trong nỗ lực việc phát triển UMB, mặc dù hãng này đồng thời cũng phát triển cả cộng nghệ LTE

1.2.1 Mục tiêu và cách tiếp cận

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G đang tồn tại, không chỉ truy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện, chat Video, TV di động mà còn có các dịch vụ HDTV, các dịch vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác Nó cho phép chuyển giao giữa các mạng vô tuyến trong khu vực cục bộ

và kết nối với các hệ thống quảng bá Video số

 Các mục tiêu mà 4G hướng đến:

 Băng thông linh hoạt giữa từ 5MHz đên 20MHz, có thể lên đến 40MHz

 Tốc độ được quy định bởi ITU là 100Mbps khi di chuyển tốc độ cao và 1Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm

 Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100Mbps giữa bất kỳ 2 điểm nào trên thế giới

 Hiệu suất phổ đường truyền là 15 bít/s/Hz ở đường xuống và 6.5 bit/s/Hz ở đường lên ( có nghĩa là 1000Mbps ở đường xuống và có thể nhỏ hơn băng thông 67 MHz)

 Hiệu suất sử dụng hệ thống lên đến 3 bit/s/Hz/cell ở đường xuống và 2.25 bit/s/Hz/cell cho việc sử dụng trong nhà

 Chuyển giao liền (Smonth handoff) qua các mạng hỗn hợp

 Kết nối và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng

 Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực, dữ liệu tốc độ cao, video HDTV, TV di động …

 Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại

 Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói, không còn chuyển mạch kênh nữa

 Ghép kênh trong miền tần số chẳng hạn như OFDMA hoặc SC- FDMA

ở đường xuống: tốc độ bít thay đổi bằng việc gán cho người dùng các kênh con khác nhau dựa trên điều kiện kênh

 Mã hóa sửa lỗi Turbo: để tối thiểu yêu cầu về tỉ số SNR ở bên thu

 Lập biểu kênh độc lập: để sử dụng các kênh thay đổi theo thời gian

 Thích nghi đường truyền: điều chế thích nghi và sửa mã lỗi

Độ trễ nhỏ hơn 5ms với động rộng BW linh hoạt là ưu điểm của LTE so với WCDMA,

BW từ 1.25MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz , 20 MHz Hiệu quả trải phổ tăng

4 lần và tăng 10 lần số người dùng/cell so với WCDMA

1.2.4.1 Ƣu điểm nổi bật

 Tốc độ dữ liệu cao hơn rất nhiều lần so với 3G

 Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ

 Cấu trúc mạng sẽ đơn giản hơn và sẽ không còn chuyển mạch kênh nữa

 Hiệu quả trải phổ tăng lên 4 lần và tăng hơn 10 lần user/cell so với WCDMA

 Độ rộng băng tần linh hoạt cũng là một ưu điểm quan trọng của LTE đối với WCDMA

1.2.4.2 Các ứng dụng đã tạo nên ƣu điểm của 4G LTE so với 3G

 Hiệu suất phổ cao

- OFDM ở DL

+) Chống nhiễu đa đường

+) Hầu hết dữ liệu người dùng ít hơn dữ liệu di động

 Độ trễ thấp

- Thời gian cài đặt và thời gian trì hoãn ngắn

- Trễ HO và thời gian ngắt ngắn: TTI ngắn, trạng thái RRC đơn giản

- Luôn luôn thử nghiệm (giảm thời gian trễ trong điều khiển định tuyến)

- Giảm độ trễ khứ hồi (round trip delay)

 Tần số tái sử dụng linh hoạt

- Giảm nhiễu liên cell với tần số tái sử dụng lớn hơn 1

- Sử dụng hai dải tần số:

+) Dải 1: hệ số tái sử dụng lớn hơn 1 => công suất phát cao hơn

+) Dải 2: phổ còn lại

- Các user ở cạnh cell: sử dụng dải 1 => SIR tốt

- Các user ở trung tâm cell: sử dụng toàn bộ băng => tốc độ dữ liệu cao

 Dung lượng và vùng bao phủ của WCDMA UL bị giới hạn bởi can nhiễu cell: can nhiễu bên trong cell và can nhiễu liên cell Nhưng đối với LTE thì do tính trực giao nên can nhiễu trong cùng một cell có thể không xét đến và giảm can nhiễu inter – cell bằng tái sử dụng cục bộ, thêm các anten có thể triệt can nhiễu

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO

VÀ KÊNH VÔ TUYẾN TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐÔNG 4G 2.1 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao

2.1.1 Giới thiệu chung

Như ta đã biết kỹ thuật OFDM là một phương pháp truyền tin khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều

ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần

số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng).Ngoài ra, tốc độ Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng Một điểm quan trọng trong

hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bít nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài Ví dụ nếu muốn truyền với tốc độ

là hàng triệu bít trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bít phải nhỏ hơn 1 micro giây Điều này sẽ gây ra khó khăn trong việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của một bít sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn

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

kỷ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật khoa học đã được thực hiện khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi DFT Vào đầu những năm 80 của thế kỷ 20, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d‟Etudes en Télediffusion et Teslecommunication) dựa vào các lý thuyết Weistein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số là cho kỹ thuật điều chế OFDM được

sử dụng ngày càng 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 kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM ( Code OFDM) Trong các hệ thống thông tin này, tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã hóa kênh với 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 phụ 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 và 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 hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

 Phù hợp cho việc thiết kế 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

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:

 Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế từ RF, sự thay đổi này diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh nhiễu được ISI nhưng lại làm giảm

đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin thông tin có ích

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

- Ảnh hưởng về sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các Symbol Với một kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offset có thể bằng khoảng bảo vệ

mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con mà thôi Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ thì hoạt động của hệ thống suy giảm nhanh chóng Nguyên nhân là do các Symbol trước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần nội dung của các Symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference)

- Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số Giải điều chế tín hiệu OFDM có thể gây ra sai về tốc độ bít Điều này làm cho tính trực giao giữa các Subcarrier bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha không sửa chữa được ở bộ thu)

- Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo hai nguồn chính: lỗi của bộ dao động

và hiệu ứng Doppler Bất kỳ một sự đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây ra offset về tần số Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng

- Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu Điều này có thể hiểu là sự offset trong tần số môi trường truyền tư do, nó

có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động Một vấn đề quan trọng của hiệu ứng Doppler đó là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi trường truyền đa đường Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình “điều chế tần số” cho tín hiệu Quá trình này diễn ra ngấu nhiên trên các Subcarrier do môi trường bình thường, một lượng lớn phản xạ đa đường xả ra Trai Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu

Ngày nay OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, máy tính không dây tốc độ cao Hiper LAN, truyền hình mặt đất DVB-T và đặc biệt trong hệ thống thông tin di động thứ 4…

2.1.1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL, FTTx … rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống chính

là nhờ cộng nghệ OFDM.Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL, FTTx tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ internet hiện đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa.Các mạng

về thông tin máy tính không dây như HiperLan/2, IEEE 802.11a, hệ thống thông tin

di động thứ 4 (4G – LTE) cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam

2.1.1.3 Các hướng phát triển

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a và hệ thống thông tin di động thứ 4 Đặc biệt trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuât khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong thực tế

2.1.1.4 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM

1957: Kineplex, multi-carrier HF modem

1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM

1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting

1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên

1997: Chuẩn ETSI DVB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN 1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiplerLAN/2 cho Wireless LAN 2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flasd-OFDM) 2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16

2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN

2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)

2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN (WiMAX)

Được dùng trong chuẩn ETSI DVB-H

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)

Được đề cử cho chuẩn IEEE.802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)

2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật của OFDM

OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến.Còn trong thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này được nhắc đến dưới cái tên đa tần (DMT).Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện tín hiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử

Ý tưởng trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi

thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên

một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý

OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đã được biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin được truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM được xếp vào phương thức truyền dẫn đơn

sóng mang Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số Tất cả các trạm phát đồng thời nhưng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau Dải thông các tín hiệu này được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt được tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mang khác Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có một khoảng tần số không được sử dụng

để truyền tin tức Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế để nhận được tin tức cần thu Như vậy có thể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số

Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên một số

N n sóng mang con (N n có thể điều chỉnh được tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng mang sử dụng trong

FDM.N n sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ

cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần

Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau nên các sóng mang có thể được điều chế theo cả 2 phương thức: tương tự và số Trong OFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng phương thức điều chế số Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một nhóm các bit được truyền một cách song song Trong miền tần số, các symbol này tồn tại dưới dạng các khối phổ riêng rẽ.Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn được đảm bảo

2.1.2.1 Hệ thống đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia

một tín hiệu thành một số tín hiêu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang

và trên các kênh truyền tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM

Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

2.1.2.2Ghép kênh phân chia theo tần số FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian

Hình 2.2: Ghép kênh phân chia theo tần số

Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lấn lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ

2.1.3 Trực giao trong OFDM

ORTHOGONAL là thuật ngữ đề cập đến một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường

Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khác nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM 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 Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần các sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol 𝝉), thì kết quả tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng mang là bội số của 1/𝜏 Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter – Carrierinterference) cũng làm mất đi tính trực giao

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

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng 0 (ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây) Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0 Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong Do đó, diện tích của một sóng sin

có thể được viết như sau:

sin 𝜔 𝑑𝑡 = 0

2𝜋𝑘 0

(2.1) Quá trình tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích bên dưới đường cong tín hiệu

Nếu quá trình nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau

Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.3: Tích phân các sóng sin có cùng tần số

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

Việc giải điều chế được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác Sau đó phép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế.Nhiều

lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng một chuỗi trực giao

2.1.3.1 Biểu diễn sự trực giao dưới dạng toán học

Hai hàm f(t) và g(t) được gọi là trực giao (orthogonal) với nhau trên đoạn {t0; t1} nếu:

𝑓 𝑡 𝑔 𝑡 𝑑𝑡 = 0

𝑡 1

𝑡0

(2.2) Nếu f(t) và g(t) là hai hàm phức, tính chất trên được định nghĩa là:

Hình 2.4: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM

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

trì tính trực giao giữa chúng Tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu sin, với mỗi tín hiệu sin tương ứng một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian ký tự, kết quả là tất cả các sóng mang đều có một số nguyên lần chu kỳ trên một ký tự OFDM, vậy các sóng mang con trực giao với nhau Hình 2.4 thể hiện cấu trúc của một tín hiệu OFDM với

4 sóng mang con

2.1.3.2 Trực giao trong miền tần số

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xét trong miền tần số của nó Trong miền tần số mỗi sóng mang con có đáp ứng tần số là sinc = sin(x)/x như ta thấy trong hình 2.5 Đó là kết quả của thời gian ký tự tương ứng với nghịch đảo khoảng cách sóng mang Xa hơn bộ thu là liên quan đến mỗi ký tự OFDM truyền trong một khoảng thời gian cố định (TFFT) với việc không bóp nhọn tại đầu cuối của ký tự Thời gian ký tự này tương ứng với biến đổi ngược của khoảng cách sóng mang con của 1/TFFT Hz Tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền thời gian thì sẽ

có đáp ứng tần số là sinc trong miền tần số Hình dạng sinc có một búp chính hẹp, với nhiều búp cạnh suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau từ trung tâm Mỗi sóng mang con có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗng với lỗ hổng tần số bằng khoảng cách sóng mang

Bản chất trực giao của việc kết quả truyền là kết quả của đỉnh sóng mang con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại Khi tín hiệu được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình 2.5, mà gồm các mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “0” như trong hình Nếu DFT được đồng bộ thời gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng với đúng đỉnh của sóng mang con, vì vậy sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang con không ảnh hưởng đến bộ thu Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng với đáp ứng rỗng, dẫn đến sự trực giao giữa các sóng mang con

Hình 2.5: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Tại hình 2.5 đáp ứng tần số của hai sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone Hình 2.5 chỉ phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét bởi bộ thu Chú ý mỗi sóng mang định dạng trong miền tần số là sinc (sin(x)/x) Hình 2.5 chỉ sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con (đường đen đậm)

2.1.4 Biểu thức của tín hiệu OFDM

Như ta đã biết, một sóng mang là một dao động điều hòa có thể được mô tả bởi:

𝑆𝑐 𝑡 = 𝑅𝑒 𝐴𝑐(𝑡)𝑒𝑗 [𝜔𝑐 +𝜑𝑐 𝑡 ] (2.7)

Với Ac(t) và 𝜑c(t) là biên độ và pha của sóng mang trong từng symbol Chẳng

hạn như với điều chế QPSK, symbol thứ p trong khoảng thời gian (p-1) 𝜏 < 𝑡 <

S(t) = Re 𝑒𝑗 2𝜋 𝑓 𝑐 𝑡 𝐾𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑘𝑒𝑗 2𝜋𝑘−(𝐾𝑚𝑎𝑥 −𝐾𝑚𝑖𝑛 )/2𝑇𝑀 (𝑡−∆)

𝑘=𝐾 𝑀𝑖𝑛 (2.9)

k : hệ số biểu diễn cho sóng mang

Kmax : chỉ số sóng mang lớn nhất, Kmax=Ncarrier-1

Kmin : chỉ số sóng mang nhỏ nhất, Kmin = 0

fc : tần số trung tâm của tín hiệu RF

Tu : thời gian symbol tích cực

∆ : khoảng thời gian bảo vệ

Ck: biểu thức của sóng mang thứ k ở dạng phức

Ck= Akejw

2.1.5 Thu phát tín hiệu OFDM

Phía phát (Transmitter): mã hóa luồng dữ liệu số phát theo mã Gray để giảm tỷ

lệ bit lỗi khi truyền, sau đó chuyển thành pha và biên độ các sóng mang con biểu diễn dưới dạng các số ảo qua phép điêu chế BPSK, QPSK hoặc M-QAM Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số Sử dụng phép biến đổi IFFT chuyển phổ các sóng mang con vào miền thời gian, mỗi sóng mang con trực giao với nhau Tín hiệu OFDM sau khi được đóng gói sẽ được xử lý tương tự nâng tần và truyền vô tuyến

Máy thu (Receiver): Thực hiện đồng bộ và tiến hành ngược lại phía phát, giải

mã trả về dữ liệu ba đầu

Ta sẽ xem xét từng khâu trong mô hình hệ thống OFDM để tạo ra tín hiệu OFDM Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra một số lượng lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự.Đầu tiên,

dữ liệu số cần truyền ở dạng nối tiếp sẽ được biến đổi thành song song với chiều dài

dữ liệu cố định Dữ liệu sau đó sẽ được ánh xạ vào biên độ và pha của các sóng mang phụ thông qua một trong các phép điều chế số (FSK, PSK, QPSK, M-QAM) Sau đó

nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào miền thời gian nhờ sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT nhưng hiệu quả hơn nhiều Để truyền tín hiệu OFDM, tín hiệu miền thời gian kia sẽ được phối hợp siêu cao tần để đưa lên tần số RF cần thiết.Máy thu thực

hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử

lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT)

Hình 2.6 : Sơ đồ khối thu phát OFDM

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn được tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang.Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này.FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các

hệ thống thực tế.Sau khi đã tạo được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền thời gian bằng IFFT để truyền đi.Lúc này ta đã tạo được một tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian.Lưu ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần được chuyển lên tới tần số được lựa chọn để truyền đi

Khối thu thực hiện quá trình ngược lại khối phát Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý Tín hiệu này sau đó được qua FFT để phân

tích tín hiệu trong miền tần số.Pha và biên độ của các sóng mang con được nhận diện

và được chuyển thành dữ liệu số cần thu

2.1.5.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)

Dữ liệu số thường ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp Trong hệ thống OFDM, mỗi symbol thường mang từ 40 – 4000 bits, do đó bước chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phương thức điều chế và số sóng mang con Chú ý rằng nếu ta dùng phương thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông tin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau Tại phía thu quá trình ngược lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ được thực hiện để chuyển dữ liệu về dạng nối tiếp như ban đầu tại hình 2.7

Hình 2.7: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bít phụ thuộc vào số bít

trong một symbol

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trường đa đường, do pha đinh chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu như cụm bit lỗi này không quá lớn, nằm trong tầm

kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn đề sẽ chẳng đáng ngại Nhưng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thường khá lớn, trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải thiện khả năng sửa lỗi thường rất tốn kém Một ý tưởng đơn giản và dễ thực hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như các cụm bit lỗi này gồm các bit không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗi lớn Do đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit hay còn gọi là cài xen (interleaving) như là một phần của quá trình chuyển đổi nối tiếp song song Thay

vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong chuỗi bit thông tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại sắp xếp chúng đúng thứ tự ở phía thu

2.1.5.2 Điều chế sóng mang phụ

Các sóng mang phụ sau khi được cấp phát các bit thông tin để truyền đi, chúng

sẽ được điều chế pha và biên độ bằng các phương thức điều chế thích hợp Lúc này sóng mang được biểu diễn bằng vector IQ Quá trình điều chế vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo một sơ đồ điều chế cụ thể Do đó quá trình này còn gọi là Mapping

Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ thu nhận được không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã Do đó với mỗi phương thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định Ví dụ với phương thức điều chế

16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho phép là S/N = 18dB

Mỗi một symbol b bit trong một fram sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích là

để nâng cao dung lượng kênh truyền Một symbol b sẽ tương ứng một trong M=2b

trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao

 BPSK sử dụng một symbol có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái 00 hoặc 1800, tốc độ Baud hay tốc độ symbol sẽ bằng tốc độ bít Rsymbol = Rb

 QPSK sử dụng 1 symbol 2 bít (Dibit), Rsymbol = Rb/2

 8 – PSK hay 8 – QAM sử dụng 1 symbol 3 bit (tribit), Rsymbol = Rb/3

 16 – PSK hay 16 – QAM sử dụng 1 symbol 4 bit (quabit), Rsymbol = Rb/4