PHẦN B : NỘI DUNG
2.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM
2.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian
OFDM chịu được lỗi thời gian vì có khoảng bảo vệ giữa các symbol. Đối với kênh khơng có multipath, độ lệch thời gian có thể bằng khoảng bảo vệ mà khơng làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ. Sự quay pha được sửa như một cân bằng kênh do vậy khơng dẫn đến suy giảm hiệu suất, vì một phần symbol áp dụng phép biến đổi FFT chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu giữa các symbol.
Hình 2.7 mơ tả SNR hiệu dụng của OFDM như là hàm offset thời gian. Điểm không về thời gian được tính so với phần FFT của symbol. Offset thời gian dương dẫn đến một phần của symbol tiếp theo nằm trong FFT. Do khoảng bảo vệ là sự mở
rộng tuần hồn của symbol nên sẽ khơng có ISI. Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm bởi độ trễ của kênh dẫn đến giảm tương ứng offset thời gian cho phép.
Gốc thời gian từ điểm phần đầu FFT của symbol , ngay sau khoảng bảo vệ. Lỗi thời gian dương cho biết FFT trong máy thu nhận một phần của symbol tiếp theo, lỗi thời gian âm cho biết máy thu nhận được khoảng bảo vệ.
Hình 2.7: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 2.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số 2.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số
OFDM nhạy với offset thời gian nên dễ ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật. Việc điều chế tín hiệu OFDM có offset thời gian có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao. Điều này do mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) và chậm sửa quay pha các vectơ thu được.
Hình 2.8: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng cho các
symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame.
Các lỗi tần số thường do 2 ngun nhân chính. Đó là các lỗi của bộ dao động nội và tần số Doppler. Sự sai khác bất kỳ về tần số của bộ dao động nội máy phát và máy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuy nhiên các lỗi tại chỗ làm cho hiệu suất hệ thống giảm. Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ Doppler trong tín hiệu. Điều này xuất hiện như offset tần số. Việc điều chế FM trên các kênh phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ đa đường xảy ra trong các mơi trường điển hình. Việc bù khoảng Doppler rất khó dẫn đến giảm tín hiệu.
Hình 2.8 mơ tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM khi dùng điều chế QAM kết hợp. Một độ lệch bất kỳ dẫn đến sự quay pha các vector tải phụ thu được. Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn. Nếu kênh chỉ thực hiện ở đầu mỗi frame thì các lỗi tần số sẽ không được giải quyết, do đó hiệu suất của hệ thống sẽ giảm dần. Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR sẽ giảm bị ở cuối frame. Trên hình vẽ SNR hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh ở đầu frame. Độ lệch tần số phải được duy trì trong giới hạn 2÷4% để phịng ngừa tổn hao. Trong môi trường di động nhiều người
sử dụng thì vấn đề này càng phức tạp hơn vì tín hiệu truyền từ mỗi người sử dụng có tần số offset khác nhau. Nếu người sử dụng được đồng bộ tốt với một BS thì vẫn có độ lệch tần do độ lệch tần Doppler. Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu. Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều người sử dụng thì vấn đề sửa lỗi tần là khơng đơn giản.
CHƯƠNG 3
ĐẶC TÍNH KÊNH
Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM
3.1 Giới thiệu chương
Kênh truyền tín hiệu OFDM là mơi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vơ tuyến bị thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vơ tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
3.2 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến trong hệ thống OFDM 3.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 3.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức cơng suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hình 3.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu.
3.2.2 Hiệu ứng đa đường
• Rayleigh fading
Hình 3.2: Tín hiệu đa đường
Trong đường truyền vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Hình 3.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là ngun nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay khơng có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thơng thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 3.3 mơ tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.
Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM
Hình 3.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz)
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của cơng suất tín hiệu thu. Nó mơ tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng 3.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
Bảng 3.1: Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh
Mức tín hiệu (dB)
Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 • Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của cơng suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm cơng suất tín hiệu thu do nhiễu. Tồn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu khơng có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Có thể khắc phục bằng hai cách :
- Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
- Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, khơng có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thơng tin trong các sóng mang bị mất có thể khơi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC .
• Trải trễ (Delay Spread)
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tịa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM
Hình 3.4: Trải trễ đa đường
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA.
Hình 3.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng 3.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở mơi trường bên ngồi xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Bảng 3.2: Các giá trị trải trễ thông dụng
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu
Trong nhà 40ns-200ns 12m-60m
Bên ngồi 1µs-20µs 300m-6km
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
- Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
- Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
3.2.3 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu bên phát và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu khơng giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch Doppler có thể được tính theo cơng thức:
c f f ≈ ± oν
∆ (3.1)
Trong đó ∆f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu νlà tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát folà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.
3.2.4 Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter- cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mơ phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
3.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được. Phương pháp để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.
3.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang
khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) như ở hình 3.5.
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
Hình 3.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM 3.3 Khoảng bảo vệ 3.3 Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu khơng thu nhận được thông tin của symbol
Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM
được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread). Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần. Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận. Khoảng thời gian có thể khơng chứa một tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ khơng cịn trực giao nữa.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thơng tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khơi phục lại kênh truyền thơng qua tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dịng tín hiệu thơng tin. Ngoài ra, đối với các kênh