3.5.1 Ưu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con.
- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang.
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp. Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế.
3.5.2 Nhược điểm
- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.
- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM .
3.6 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax
WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác nhau ở
giao diện này như FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16e. Chú ý rằng môi trường truyền thông vô tuyến là một mỗi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin. Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọn tần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường. Sự suy hao này đặc biệt tăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địa hình là thành thị,đồng bằng hay miền núi mà sự suy giảm cũng khác nhau. Hình 3 và Bảng 1 ở dưới đây là nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số 2,4GHz và UNII tần số 5,4GHz minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách và trên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau.
Hình 3.24 Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách
Mô tả Mức độ suy giảm
Khu vực trung tâm thành phố nhiều nhà cao tầng
20dB thay đổi từ phố này tới phố khác Khu vực ngoại ô ít nhà cao tầng tăng 10dB tín hiệu so với vùng
trung tâm
Khu nông thôn tăng 20dB tín hiệu so với vùng ngoại ô
Khu vực địa hình không đều và vùng nhiều
cây cối công suất tín hiệu thay đổi từ 3-12dB
Bảng 1: Sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến
Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều
bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS- CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự. OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (Pilot)
được truyền đicùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọngvề tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.
WIMAX dùng công nghệ đa truy nhập kênh OFDM lớp PHY, với việc hỗ trợ bởi hai phương pháp truyền song công FDD và TDD.
Ưu điểm của phương pháp này là cho phép linh hoạt thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống vì vậy có thể thay đổi tốc độ phát hoặc thu dữ liệu chứ không phải là cố định như trong ADSL hay trong CDMA.
Trong Wi-Fi thì tất cả các trạm đều truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểm truy cập AP, vì vậy mà khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làm giảm thông lượng của mạng. Nhưng ở lớp MAC của 802.16 thì quá trình truy nhập của mỗi thuê bao là được định trước vì vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thời điểm ra nhập mạng. Sau mỗi thời điểm đó thì mỗi trạm được trạm gốc gắn cho một khe thời gian, khe thời gian đó có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn.
Ưu điểm của việc đặt sẵn lịch trình này là việc truyền dẫn vẫn hoạt động một cách ổn định trong trường hợp quá tải và số lượng thuê bao đăng ký vượt quá cho phép làm tăng khả năng sử dụng băng tần. Ngoài ra nó còn cho phép trạm gốc có thể điều khiển chất lượng dịch vụ (Q0S) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao.
AMC (Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tuỳ thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Với kênh truyền tốt có thể điều chế dạng 64-QAM. Với kênh truyền chất lượng thấp hơn thì dùng điều chế QPSK.
Kĩ thuật AMC là một trong những ưu điểm lớn của OFDM vì nó cho phép tối ưu hóa mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng của tín hiệu (SNR) và chất lượng của kênh truyền dẫn. Với OFDMA nó cho phép việc phân chia tài nguyên cho các thuê bao thông qua việc truy nhập vào các sóng mang phụ khác nhau.
Kết luận chương: Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế. Qua đó chúng ta cũng thấy được tầm quan trọng của nó trong công nghệ WiMAX.
Giới thiệu chương: Để hiểu hơn những vấn đề đã được được trình bày trong những chương trước. Trong chương cuối cùng này sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM. Đây là chương trình được viết bằng Matlab, chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, tính BER, so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab.
4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink
Đầu tiên, bộ phát nhị phân Bernoulli sẽ tạo chuỗi tín hiệu.Chuỗi dữ liệu đầu vào được mã hoá bởi bộ mã Reed-Solommon và được điều chế bởi bộ Mapping QPSK. IFFT là hữu ích cho OFDM vì nó phát ra các mẫu của dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao. Dữ liệu sau khi được biến đổi sẽ được chèn thêm CP và chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh và đồng bộ ở máy thu.
Mô phỏng kênh truyền đưa ra các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến chung như nhiễu, đa đường và xén tín hiệu. Dùng hai khối trong Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN
GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh78
Tín hiệu thu sau khi loại bỏ CP và chuỗi huấn luyện sẽ được đưa vào IFFT để chuyển các mẫu miền thời gian trở lại miền tần số. Đưa vào bộ ước lượng kênh và bù
kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu.Cuối cùng, tín hiệu được giải điều chế và giải mã RS
Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền
Hình 4.2 và 4.3 cho thấy tác động của kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM.
Vì kênh truyền là một kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận ở những tần số khác nhau chịu sự tác động khác nhau. Hình 4.4 và 4.5 cho thấy biên độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ hơn biên độ tín hiệu OFDM truyền đi.
Hình 4.6 và 4.7 cho thấy tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh.Hình 4.6 chòm sao QPSK trước khi ước lượng kênh có biên độ và pha rất không ổn định. Hình 4.7 chòm sao QPSK sau khi ước lượng kênh những điểm chỉ dao động nhỏ quanh một vị trí cố định tức là biên độ và pha gần như ổn định.
4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền
Hình 4.7 Chòm sao QPSK sau CE Hình 4.6 Chòm sao QPSK trước CE
Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền
4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM
Bắt đầu
Chuẩn hóa tất cả các dữ liệu trước khi sử dụng kênh để so sánh
Thiết lập và tính toán hiệu ứng xén tín hiệu
Thiết lập và tính toán hiệu ứng đa đường
Thiết lập và tính toán nhiễu
Kết thúc
Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM
Hình 10 Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM
4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM
82 Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1}
thành phân cực {-1,1}
Thực hiện FFT
Thực hiện IFFT
Chuyển tín hiệu song song thành chuỗi nối tiếp
Chuyển đổi dữ liệu phân cực {1,1} thành nhị phân {0,1}
Khôi phục dòng bit bởi đặt dữ liệu miền tần số thành chuỗi nối tiếp
Ghi dữ liệu Kết thúc
Kết thúc
Kết thúc Phát 16-QAM
Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1}
Nhập số sóng mang
Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành 4 mức {-3,-1,1,3}
Số sóng mang = lũy thừa của
2
Nhập lại. Số sóng phải mang là lũy thừa của 2
Đ
S
Bắt đầu
Bắt đầu
Khởi tạo mức 0 cho tốc độ
Tăng số lượng sóng mang cho dữ liệu gốc và thời hạn tần số cao
Khôi phục dữ liệu thành dạng nối tiếp
Sắp xếp chính xác giữa các mức {-3,-1,1,3}
Chuyển dữ liệu phân cực {-1,1} thành nhị phân {0,1}
4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER
84 Bắt đầu
Số lượng bit lỗi = 0
i = 1
Lỗi = | Dữ liệu vào(i) - Dữ liệu ra(i)|
Số bit lỗi = số bit lỗi + 1
Kết thúc
i=i+1
BER = 100*số bit lỗi/ Độ dài dữ liệu (%) Lỗi> 0 i<= Độ dài dữ liệu vào Đ S Đ S
GVHD: TH.S Đặng Thái Sơn SVTH: Nguyễn Văn Quỳnh86
Hình 4.16 cho chúng ta thấy phổ của tín hiệu OFDM rất giống với phổ tín hiệu của âm thanh ban đầu. Chứng tỏ phương thức điều chế OFDM tốt hơn so với QAM .
Kết luận chương: Trong chương cuối cùng này đã trình bày quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX thông qua việc mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab, với những phạm vi để hiện thị tín hiệu giúp cho việc phân tích đánh giá tác động của kênh truyền đến tín hiệu, tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh.
KẾT LUẬN
Với mục tiêu là nghiên cứu công nghệ truy nhập vô tuyến WiMAX và khả năng triển khai trong thực tế, qua nghiên cứu, phân tích, so sánh và đánh giá việc thực hiện trong nội dung đồ án tốt nghiệp có thể rút ra kết luận như sau:
- WiMAX là công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng được phát triển dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 với hai tiêu chuẩn chủ yếu được áp dụng đã được thông qua là IEEE 802.16-2004 là cơ sở cho phiên bản WiMAX cố định và tiêu chuẩn IEEE 802.16 e là cơ sở cho phiên bản WiMAX di động.
- Diễn đàn WiMAX là một tổ chức gồm các công ty cung cấp thiết bị, nhà cung cấp dịch vụ, nội dung... để cùng lựa chọn ra các tiêu chuẩn trong các tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE802.16e để đưa ra các profile cho WiMAX. Các profile về WiMAX đã được diễn đàn WiMAX thông qua và là cơ sở cho việc sản xuất thiết bị, điều này cho phép các nhà sản suất có khả năng hợp tác để cùng phát triển thiết bị, giảm các chi phí cho nghiên cứu phát triển, giảm giá thành sản phẩm.
- Công nghệ OFDM với những tính năng nổi trội như khả năng chống nhiễu, khả năng sử dụng phổ cao, cho phép truyền tin với tốc độ cao...được sử dụng trong WiMAX cố định đã cho phép hệ thống có khả năng làm việc tốt trong môi trường NLOS và tốc độ truyền tin cao.
- Phiên bản WiMAX di động dựa trên tiêu chuẩn IEE802.16e là sự sửa đổi bổ sung các yêu cầu cho tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 đã bổ sung những tính năng mềm dẻo và hiệu quả hơn. Việc sử dụng OFDMA trong phiên bản WiMAX di động cho phép sử dụng linh hoạt và hiệu quả hơn băng thông, cũng như tăng cường các khả năng cho an ten, .. Ngoài ra với phiên bản này còn hỗ trợ thêm nhiều tính năng khác như chất lượng dịch vụ, bảo mật vv...
- Hai phiên bản WiMAX sử dụng 2 công nghệ ghép kênh khác nhau là OFDM và OFDMA do vậy không thể sử dụng chung hạ tầng WiMAX cho cả 2 loại này được. Sẽ có cả hai hướng WiMAX cùng tồn tại và phát triển cho các yêu cầu truy nhập vô tuyến băng rộng ở cả thị trường cố định và di động. Hơn nữa còn tùy vào việc người ta muốn xây dựng một mạng là cố định hay di động, khi lựa chọn một giải pháp WiMAX người vận hành cần đánh giá các hệ số thêm như là các phân đoạn thị trường đích, các phổ tần sử dụng, một vài các điều chỉnh rằng buộc và tiến độ triển khai.
- So với các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng có cùng phạm vi ứng dụng, WiMAX là công nghệ đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của cả các nhà sản
xuất cũng như người cung cấp dịch vụ và người sử dụng nhờ các đặc tính nổi trội của nó, đặc biệt khi nhu cầu truy nhập dữ liệu ngày càng mạnh. Với việc WiMAX được tối ưu cho dịch vụ dữ liệu, WiMAX có thể song song tồn tại cùng với các mạng như 3G được tối ưu cho thoại. Tùy thuộc mục đích của nhà cung cấp, yêu cầu khách