MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE (có code)

MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE (có code) ................................ MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE (có code) ................................ MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE (có code) ................................ MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE (có code) ................................

MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

DANH SÁCH CÁC BIỂU BẢNG

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương:

Trong chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý, thuật toán, các ưu điểm cũng như nhược điểm của kỹ thuật điều chế OFDM Các nguyên lý cơ bản, kỹ thuật đơn sóng mang, kỹ thuật đa sóng mang, các mô tả toán học cũng như thuật toán trong kỹ thuật điều chế OFDM

1.2 Khái niệm OFDM:

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, sử dụng kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang Kỹ thuật này sẽ chia nhỏ các luồng dữ liệu tốc độ cao thành những luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn nhưng vẫn truyền trên cùng một kênh truyền Đối với OFDM băng thông sẽ được chia nhỏ thành nhiều các kênh con và như vậy luồng thông tin cũng được chia thành các luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con này sẽ tương ứng với mỗi kênh truyền khác nhau Để có thể khôi phục lại thông tin ban đầu từ máy phát thì những luồng thông tin con này phải có tính trực giao với nhau Chính điều này làm giảm đi sự ảnh hưởng củanhiễu xuyên giữa các kí tự (ISI), và cũng làm cho hệ thống hoạt động ít bị chịu ảnh hưởng của nhiễu đa đường

Đối với kỹ thuật thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) thì băng thông

sẽ được chia ra thành N Kênh tần số con không chồng lấn nhau Mỗi kênh con này sẽ được điều chế với những các ký tự và sau đó được ghép lại với nhau, và đó cũng chính là nhược điểm của kỹ thuật này vì nó sẽ làm cho băng thông không được sử dụng hiệu quả dẫn đến hiệu suất sử dụng băng thông thấp Để có thể sử dụng băng thông hiệu quả hơn thì người ta đã ghép các kênh con chồng lấn nhau, độ rộng băng thông của mỗi kênh còn này là 2b cách nhau 1 khoảng b tần số để tránh bị nhiễu xung,nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng thông tốt hơn

Hình 1.1 Tín hiệu sóng mang khồng chồng lấn và tín hiệu sóng mang chồng lấn

Ta có thể so sánh lấy ví dụ để so sánh 2 kỹ thuật này như là vật vận chuyển hàng hóa Đối với kỹ thuật sóng mang chống lấn thì các hàng hóa sẽ được chất lên những chiếc xe chở hàng có kích thước nhỏ khác nhau và chạy nối tiếp nhau, còn đối với kỹ thuật sóng mang không chồng lấn thì tất cả các hàng hóa sẽ cùng được đặt trên cùng 1 chiếc xe và chiếc này này có kích thước đủ lớn để có thể vận chuyển tất cả các hàng hóa Và đối với cách vận chuyển kênh cùng 1 phương tiện thì khi xảy ra tai nạn thì ta

sẽ mất tất cả các hàng hóa, còn đối với việc vận chuyển khi chi nhỏ lượng hàng hóa thì ta chỉ mất 1 phần

Hình 1.2 Minh họa cho sự khác nhau giữa OFDM và FDM

Các sóng mang của kỹ thuật điều chế OFDM được đồng bộ về mặt thời gian cũng như về tần số, việc này làm giảm đi sự ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự giữa các sóng mang với nhau do các sóng mang được điều chế để chúng có tính trực giao,

chính điều này làm tăng hiệu suất sử dụng phổ Đối với kỹ thuật FDM, thì tín hiệu truyền đi cần phải khoảng bảo vệ để các sóng mang không bị chồng lấn với nhau và chính điều này làm cho không có nhiễu xuyên kí tự giữa các kênh với nhau nhưng lại làm cho hiệu suất sử dụng phổ thấp đi

Hình 1.3 Phổ OFDM và FDM

1.3 Tính trực giao của ODFM:

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có tính độc lập với những tín hiệu khác Nếu nhiều tin hiệu có cùng tính trực giao thì chúng có thể truyền cùng nhau trênmột kênh truyền mà không gây ra nhiễu Nếu không còn tính trực giao giữa các tín hiệu thì sẽ gây ra sự suy giảm tín hiệu điều này thường hay gặp trong các hệ thống viễn thông

Một hệ thống OFDM có thể đạt được sự trực giao bằng cách cấp cho mỗi nguồn tin một số sóng mang nhất định khác nhau, và tín hiệu của ODFM sau cùng sẽ là tổng hợp lại của những sóng mang mà nó đã cấp phép Những sóng mang này có tần số được chọn sao cho bằng số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một kí tự Như vậy để truyền một ký tự thì ta sẽ cần số nguyên lần chu kì

Hình 1.4 Cấu trúc của tín hiệu OFDM

Các hàm có tính trực giao với nhau phải thõa mản biểu thức sau:

∫ = − = <= ><= >≠=

T

j i

j i

j i C j i C dt t S t S

0 ( ) ( ) *δ( ) 0

1.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM:

Một hệ thống thông thường có hai bộ phận chính đó là phía phát và phía thu Phía phát nhận các thông tin với dạng digital cần được truyền đi, sau đó biến đổi phổ của tín hiệu ở miền thời gian nhờ biến đổi Fourier rời rạc Tiếp theo tín hiệu sẽ được biến đổi nhanh Fourier đảo cùng với thuật toán IDFT, nhưng vì tính hiệu quả mà hầu hết các hệ thông trong thực tế đều sử dụng thuật toán này Tín hiệu OFDM được truyền đi với các tần số cao hơn Bên phía máy thu quá trình sẽ được lặp ngược lại so với phái máy phát, khi tín hiệu RF được nhận sẽ được biến đổi Fourier nhanh để phân tích trong miền tần số

Hình 1.5 Sơ đồ khối của OFDM

1.4.1 Khối chuyển đổi nối tiếp song song:

Tín hiệu ban đầu cần được truyền đi là luồng dữ liệu nối tiếp nhau và có tốc độ bit cao, nên ta cần có bộ chuyển đổi tín hiệu vào thành những chuổi bit song song Saukhi chuyển đổi các dữ liệu này được phân phối cho mỗi kí tự phụ thuộc vào sơ đồ điềuchế và số sóng mang

Khi tín hiệu trong môi trường truyền đa đường, hiện tượng fading sẽ làm suy giảm biên độ và gây lỗi bit Để cải thiện hiện tượng này tín hiệu trước khi được truyền

đi sẽ được cho đi qua bộ tron, và ở phía máy thu tín hiệu cũng sẽ được trọn ại thêm lấn nữa

1.4.2 Khối mã hóa kênh và sắp xếp:

1.4.2.1 Bộ mã hóa:

Trong một hệ thống thông tin, mã hóa có nhiệm vụ để bảo mật thông tin cũng đảm bảo hệ thống không bị nhận nhầm thông tin của một hệ thống nào khác nó máy phía có thể nhận được Sửa sai mã hóa thường dùng phương pháp FEC nhằm nâng cao chất lượng của thông tin, làm tỷ số lổi bit không vượt quá giới hạn cũng như hạn chế nhiễu từ trong môi trường truyền

1.4.2.2 Bộ ánh xạ (Mapping):

Tín hiệu được mã hóa và chèn kí tự, sẽ được điều chế bằng QPSK, BPSK, 16-QAM hoặc là 64-QAM Sau đó các bit sẽ được sắp xếp thành các nhóm 1, 2, 4, 6 bit khác nhau tương ứng với các phương pháp BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM hay nói cách khác các bit ngõ vào sẽ quy định phương pháp điều chế.

1.4.3 Ứng dụng của IFT và FFT trong OFDM:

OFDM sử dụng kỹ thuật điề chế đa sóng mang, thông tin được truyền đi bằng những sóng mang con Nhưng nếu như vậy cứ mỗi kênh phụ ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế như vậy thì sẽ rất tốn kém, không hiệu quả và không thực tế Để giải quyết vấn đề trên ta cần đến khối biến đổi

DFT/IDFT nó được dùng để thay thế toàn bộ các máy phát sóng sin, bộ điều chế và giải điều chế Biến đổi Fourier được xem là thuật toán để thực hiện DFT/IDFT nhanh hơn và gọn hơn

1.4.4 Tiền tố lặp Cyclic Prefix:

Đối với hệ thống OFDM, khi các bit đầu vào là những chuổi bit tốc độ cao sẽ được chia thành những luồng bit song song có tốc độ thấp hơn Với tốc độ bit thấp hơn sẽ chịu nhiễu giao thoa kí tự thấp hơn so với khi truyền tốc độ cao Ngoài ra ta cũng có thể thêm khoảng bảo vệ phía trước kí hiệu để giảm tối thiểu nhiễu Khoảng bảo vệ này được sao chép lại theo chu kỳ

Hình 1.6 Khoảng bảo vệ tronng OFDM

Nếu ban đầu khi chưa chèn thêm khoảng bảo vệ thì chiểu dài của tín hiệu sẽ là IFFT, nhưng khi chèn thêm khoản bảo vệ chiều dài sẽ tăng lên và độ dài được tính theo công thức:

Ts = TFFT + TG

Trong đó: Ts : thời gian của tín hiệu ngõ ra

TFFT : thời gian của tín hiệu ban đầu

TG: thời gian của khoảng bảo vệ

1.5 Ưu điểm, nhược của ODFM:

1.5.1 Ưu điểm:

- Ưu điểm lớn nhất mà kỹ thuật ODFM đã làm được đó chính là cải thiện khả năng sử dụng phổ

- Hệ thống ODFM khi truyền sẽ chia thông tin ra nhiều kênh con trên nhiều sóng mang

do đó ít chịu ảnh hơn của nhiễu hơn so với đơn sóng mang

- Ngoài ra, ODFM cũng loại bỏ được nhiễu kí tự nhờ chèn vào thêm khoảng bảo vệ, và hạn chế nhiễu giao thoa khi chia các bit được truyền đi với tốc độ bit chậm

- Sử dụng kỹ thuật Fourier trong điều chế và giải điều chế làm giảm đi độ phức tạp của ODFM.

- ODFM chịu được nhiễu cung và nhiễu xuyên kênh kết hợp tốt

1.5.2 Nhược điểm:

Hầu hết các hệ thống thông tin trên thực tế đều bị giới hạn công suất, PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) cao sẽ khó khăn khó hệ thống khi cần phải khuếch đạicông suất, nếu tỷ số này lớn sẽ gây ra nhiễu xuyên điều chế cũng như sẽ khó chuyển đổi từ anolog sang digital và ngược lại

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE

2.1 Tổng quan về công nghệ LTE:

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE – Long Term Evelution là truyền thông di động thế hệ thứ 4 do 3GPP phát triển từ chuẩn UMTS Công nghệ LTE có nhiều ưu điểm hơn so với các thế trước đây

và cũng chính nhà phát triển cũng đặt ra những tiêu chí cho công nghệ này như là giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp nhiều dịch vụ hơn và tốt hơn, xây dựng công nghệ mới nhưng vẫn dựa trên nền tảng của công nghệ cũ có trước và từ đó xây dựng thêm những công nghệ mới, đơn giảm hóa cấu trúc mạng, và hệ thống hoạt động

ít tiêu thụ năng lượng hơn

Hình 2.1 Giới thiệu về LTE

Ngoài ra nhà phát triển cũng đặt ra nhiều tiêu chí khác:

Bảng 2.1 Các tiêu chí của công nghệ LTE

Điều kiện hoạt động khi user di chuyển 0 – 15 km/h

Dải băng tần sử dụng 1.5MHz, 1.6MHz, 2.5MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz, 20MHz.

Để có thể đạt được mục tiêu đã đề ra thì cần phải có những công nghệ mới đi theo để hỗ trợ cho quá trình xây dựng và khai thác công nghệ này Ví dụ như công nghệ anten MIMO – Multi Input Multi Output, chế độ hỗ trợ TDD và FDD

Hình 2.2 Cấu trúc mạng của LTE

2.2 Tiềm năng về công nghệ:

LTE là công nghệ có thể đáp ứng được những nhu cầu cao từ người sử dụng, cải thiện những nhược điểm từ những còn tồn tại ở những thế hệ trước đây Trước tiên, đối với tốc truyền dữ liệu đã được tăng lên đáng kể tốc độ download 100Mbps, tốc độ upload 50Mbps Ngoài ra LTE còn được hỗ trợ bởi công nghệ TDD nó giúp sử dụng đường truyền dẫn lên và dẫn xuống hiệu quả hơn có thể sử dụng băng thông cho một yêu cầu trước vì cả hai cũng không đồng thời xảy ra, còn đối với công nghệ FDD cho phép quá trình thu và phát đồng thời đạt được tốc độ như đã đặt ra

Hình 2.3 Dịch vụ của công nghệ LTE

Do đáo ứng được nhu cầu của người sử dụng, cũng như chất lượng dịch vụ tốt

mà LTE càng trở nên phổ biến hơn và được sử dụng rộng rãi hơn trên toàn cầu

Hình 2.4 Số người sử dụng công nghệ LTE

2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến:

Nguồn tài nguyên vô tuyến là có hạn, nếu không sử dụng tài nguyên tần số hiệu quả sẽ gây khó khăn cho những công nghệ ở những thế hệ ra đời sau Nguồn tài nguyên vô tuyến được chia ra 3 để hỗ trợ các dịch vụ như là:

- Việc hỗ trợ nâng cao cho QoS end to end

- Việc hỗ trợ truyền dẫn

- Việc hỗ trợ chia sẽ tài nguyên

Hình 2.5 Băng tần cho download và upload

2.4 Truy cập vô tuyến trong LTE:

LTE hỗ trợ cả hai chế độ đó là song công phân chia theo tần số và song công phân chia theo thời gian Khi ở chế độ FDD thì phần cứng có thể chia sẽ giữa đường lên và đường xuống vì chúng không cùng xảy ra

Hình 2.6 Phổ của OFDMA và SC-FDMA

Đối với kỹ thuật OFDMA phải chịu tỷ lệ công suất trung bình lớn sẽ làm giảm tín hiệu cần phát đi, vì vậy cần có bộ khuếch đại công suất để tín hiệu có đi đến được phía thu Nhưng bộ khuếch đại này tiêu tốn nhiều công suất của hệ thống và làm tiêu thao pin của thiết bị

2.5 Kỹ thuật anten:

Trong kỹ thuật anten thì có 4 loại anten chính: SISO, SIMO, MISO, MIMO Nhưng đối với công nghệ LTE thì anten MIMO được sử sụng nhiều hơn Các anten cónhiệm vụ thu phát sóng tín hiệu, khi sử dụng nhiều anten thì khả năng thu phát sóng càng tốt hơn Có thể điều chỉnh các hướng của anten hướng đến nơi có nguồn phát tín hiệu để bắt được tín hiệu tốt hơn so với loại anten phát đẳng hướng

Hình 2.7 Các chế độ truy cập vô tuyến

- SISO – Single Input Single Output: với chế độ này chỉ có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra Kỹ

thuật truy cập này xuất hiện từ ban đầu của kỹ thuật truyền vô tuyến và nó cũng là cơ

sở để phát triển cho các thế hệ sau

- SIMO - Single Input Multi Output: ở chế độ này ta có đơn đầu vào và nhiều đầu ra,

sử dụng một anten và phát nhiều anten thu

- MISO – Multi Input Single Output: ở chế độ này ta có đa đầu vào và một đầu ra, sử

dụng nhiều anten phát và một anten thu

- MIMO – Multi Input Multi Output: ở chế độ này ta có đa đầu vào và đa đầu ra, sử

dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG

3.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động:

Các tín hiệu truyền di trong không gian tự do sẽ bị phản xạ, khúc xạ, tán xa, … bởi địa hình như: đồi, núi, sông,…hay do bị che chắn bởi các tòa nhà cao tầng, do đó

ra hiện tượng đa đường làm cho tín hiệu không đi một đường duy nhất đến phía thu

mà chia thành nhiều đường khác nhau, dẫn đến phía thu khó khôi phục lại tín hiệu banđầu

3.2 Suy hao đường truyền:

Tại phía phát, các sóng vô truyền đi theo nhiều hướng khác nhau Năng lượng

mà anten thu được còn phụ thuộc vào mặt độ năng lượng mà anten phát ra Do đó mặt

độ công suất tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Công suất phía máy thu:

πλ

Trong đó: P R là công suất thu được (Watts).

P T là công suất phát (Watts)

G T là độ lợi của anten phát

G R là độ lợi của anten thu

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

R là khoảng cách truyền dẫn (m).

Hoặc ta có thể tính theo công thức dB:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

Việc truyền sóng trong không gia tự do không quá khó, chúng ta có thể xây dựngnhững mô hình liên lạc trên lý thuyết

41 5

41 5

Fading chậm gây ra do sự cản trở của địa hình tự nhiên như đồi, núi, hay tòa

nhà Khi tín hiệu được phát đi, đường đi của nó sẽ bị thay đổi và bị lệch đi do hiện

tượng khúc xạ, phản xạ của địa hình Fading chậm sẽ phụ thuộc vào kích thước của

vật cản

Fading nhanh gây ra sự tán xạ đa đưởng Tín hiệu có đường đi khác nhau giữa

điểm phát và điểm thu thì sẽ có thời gian truyền khác nhau Nếu ta phát một tín hiệu

qua môi trường đa đường, thì ở phía thu ta sẽ nhận được tín hiệu tương ứng với nhữngxung rời rạc tai mỗi thời điểm Đối với tín hiệu có tần số cố định, việc trễ này sẽ gây

ra sự sai lệch pha nhau khi phía phát thu được Những tín hiệu này cộng lại với nhau

có thể là nhiễu tăng cường hoặc là nhiễu suy giảm

Hình 3.1 Đáp ứng xung khi truyền một xung RF

3.4 Fading chọn tần số và Fading phẳng:

Fading ảnh hưởng lên tín hiệu có cùng tần số do pha của tín hiệu bị thay đổi

cùng tần số Bước sóng sẽ tỷ lệ nghịch với do đó đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số Khoảng cách truyền tín hiệu khác nhau dẫn đến pha của chúng tại bộ

thu cũng khác nhau

MÔ PHỎNG OFDM TRONG LTE

Bên trong các toà nhà < 0,1 μsKhu vực ngoài trời < 0,2 μs

OFDM cũng như những ứng của nó trong đời sống, bên cạnh đó cũng kể đến 1 vài mặt chưa hoàn thiện của nó, để có thể phát triển hơn.

Qua đồ án giúp hiểu rõ hơn về công nghệ mới LTE, tìm hiểu được những hệ thống của LTE, nguyên lý hoạt động và các cấu trúc cơ bản mà một hệ thống LTE phải

có, từ đó đi sau vào tìm hiểu từng bộ phận một của chúng

Đánh giá được sự ảnh hưởng của nhiễu lên kênh truyền, cũng như là tín hiệu sẽ

bị suy hao như thế nào, tìm hiểu được ảnh hưởng của fading đối với đường truyền Ngoài ra còn có nhiễu của xuyên kênh, nhiễu kí tự làm ảnh hưởng đến quá trình điều chế OFDM

4.2 Hướng phát triển:

Nếu được nghiên cứu tiếp tục, em sẽ cố gắng nghiên cứu sâu hơn về kỹ thuật OFDM cũng như công nghệ LTE Tìm hiểu sau hơn ở khâu điều chế và giải điều chế của OFDM còn đối với LTE sẽ tìm hiểu cách thức xây dựng một hệ thống mạng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Zarrinkoub H., Understanding LTE with MATLAB, 15/2/2017

[2] Yong Soo Cho, MIMO – OFDM Wireless Communication with MATLAB, 15/2/2017