Ta ký hiệu N là tổng số cỏc súng mang con của hệ thống truyền dẫn OFDM và
Nc là số súng mang con mà một mỏy phỏt trong hệ thống cú thể sử dụng.
Truyền dẫn OFDM cú thể đƣợc biểu diễn trong khụng gian hai chiều: tần số - thời gian nhƣ trờn (hỡnh 2.2)
TU = 1/ f Time domain
f = 1/TU
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hỡnh2. 2: Biểu diễn tớn hiệu truyền dẫn OFDM trong khụng gian hai chiều
(tần số - thời gian) [1].
2.3. Ƣớc tớnh kờnh và cỏc ký hiệu tham khảo
Kờnh OFDM bao gồm tổ hợp điều chế OFDM (xử lý IFFT), kờnh vụ tuyến tỏn thời và giải điều chế OFDM (Xử lý FFT) đƣợc mụ tả ở dạng kờnh miền tần số trờn (hỡnh 2.3). Nếu coi rằng CP đủ lớn (khi này tớch chập kờnh vụ tuyến tỏn thời trong khoảng thời gian lấy tớch phõn TFFT của bộ giải điều chế cú thể coi là tớch chập
dịch vũng tuyến tớnh), thỡ cỏc nhỏnh kờnh miền tấn số Ho,...,HNC-1 cú thể đƣợc rỳt ra trực tiếp từ cỏc đỏp ứng kờnh xung kim nhƣ trờn ( hỡnh 2.3)
ak,m NC - 1 NC - 2 k Tần số ( số thứ tự súng mang con ) 1 0 m -2 m-1 m m+1 m+2
Thời gian (số thứ tự kớ hiệu OFDM )
Mỏy phỏt IFFT ( N điểm) Chốn CP Kờnh h(t) Tạp õm Loại bỏ CP Mỏy thu FFT ( N điểm) a0 aNC-1 b0 bNC-1 a0 aNC-1 b0 bNC-1 H0 HNC-1
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hỡnh2. 3: Mụ hỡnh OFDM trong miền tần số
Để khụi phục lại ký hiệu phỏt cho quỏ trỡnh xử lý tiếp theo (chẳng hạn tỏch ký hiệu số liệu và giải mó kờnh), mỏy thu phải nhõn bi với phức liờn hợp của H*i.H*n Quỏ trỡnh này thƣờng đƣợc gọi là cõn bằng một nhỏnh và đƣợc ỏp dụng cho từng súng mang con đƣợc thu. Để cú thể thực hiện điều này, mỏy thu phải ƣớc tớnh cỏc nhỏnh kờnh miền tần số Ho, H1... HNC-1.
Hỡnh2. 4: Mụ hỡnh kờnh phỏt thu OFDM miền tần số với bộ cõn bằng một nhỏnh bằng một nhỏnh
Cỏc nhỏnh kờnh miền tần số cú thể đƣợc ƣớc tớnh giỏn tiếp bằng cỏch trƣớc hết ƣớc tớnh đỏp ứng kờnh xung kim sau đú tớnh toàn Hk. Tuy nhiờn phƣơng phỏp
nhanh hơn là ƣớc tớnh cỏc nhỏnh kờnh miền tần số trực tiếp. Trong trƣờng hợp này hệ thống chốn cỏc ký hiệu tham khảo (cũn đƣợc gọi là cỏc ký hiệu hoa tiờu) tại cỏc khoảng thời gian quy định trong lƣới thời gian tần số của OFDM (hỡnh 2.5). Do biết trƣớc đƣợc cỏc ký hiệu tham khảo này nờn mỏy thu cú thể ƣớc tớnh kờnh miền tần số xung quanh vị trớ ký hiệu tham khảo. Cỏc ký hiệu tham khảo phải cú mật độ đủ lớn cả trong miền thời gian và miền tần số để cú thể đảm bảo cỏc ƣớc tớnh kờnh cho toàn bộ lƣới thời gian tần số ngay cả trong trƣờng hợp cỏc kờnh vụ tuyến bị phading chọn lọc tần số và thời gian cao,[1].
a0 aNC-1 b0 bNC-1 H0 HNC-1 õ0 õNC-1 H0 HNC-1 0 NC-1 Mỏy thu Kờnh miền tần số Thời gian Tần số
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hỡnh2. 5: Cỏc ký hiệu tham khảo trờn trục thời gian tần số
2.4. Mó húa kờnh và phõn tập tần số bằng OFDM
Chất lƣợng kờnh vụ tuyến bị phading chọn lọc tần số luụn luụn thay đổi trong miền tần số. Hỡnh 2.6a và b cho thấy sự phụ thuộc của chất lƣợng kờnh vụ tuyến (cụng suất tớn hiệu thu hoặc tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm) vào tần số cho trƣờng hợp đơn súng mang băng rộng (WCDMA chẳng hạn) (hỡnh 2.6a) và đa súng mang (OFDM) ( hỡnh 2.6b). Trong trƣờng hợp truyền dẫn đơn súng mang, mỗi ký hiệu điều chế đƣợc truyền trờn một băng thụng rộng, trong đú do ảnh hƣởng của phading chọn lọc tần số băng thụng này cú thể bao gồm cả vựng tần số cú lƣợng truyền dẫn cao và vựng tần số cú chất lƣợng truyền dẫn thấp. Việc truyền dẫn thụng tin trờn một băng tần rộng gồm nhiều dải băng với chất lƣợng khỏc nhau này đƣợc gọi là phõn tập tần số.
Trỏi lại trong trƣờng hợp OFDM, mỗi ký hiệu chỉ đƣợc truyền trờn một băng thụng hẹp. Vỡ thế một số ký hiệu cú thể rơi vào vựng tần số cú chất lƣợng kờnh rất thấp. Vỡ thế từng ký hiệu đơn lẻ thụng thƣờng sẽ khụng nhận đƣợc phõn tập tần số ngay cả khi kờnh mang tớnh chọn lọc tần số rất cao. Kết quả là tỉ lệ lỗi bớt cơ sở của truyền dẫn OFDM trờn kờnh chọn lọc tần số tƣơng đối kộm và kộm hơn nhiều so với tỉ số lỗi bớt cơ sở trong trƣờng hợp truyền dẫn đơn súng mang băng rộng.
Tuy nhiờn trong thực tế mó húa kờnh đƣợc sử dụng trong hầu hết cỏc hệ thống thụng tin số nhất là trong trƣờng hợp thụng tin di động. Trong mó húa kờnh mỗi bớt thụng tin đƣợc truyền phõn tỏn trờn nhiều bit mó. Nếu sau đú cỏc bớt mó này thụng qua cỏc ký hiệu điều chế đƣợc sắp xếp lờn cỏc súng mang con và cỏc súng mang con này đƣợc phõn bố hợp lý trờn toàn bộ băng thụng truyền dẫn của tớn hiệu OFDM (hỡnh 2.6c), thỡ mỗi bớt thụng tin sẽ nhận đƣợc phõn tập tần số (nghĩa là cỏc bit này đƣợc truyền trờn cỏc băng tần cú chất lƣợng khỏc nhau của kờnh) mặc dự cỏc súng mang con và cả cỏc bit mó khụng nhận phõn tập tần số. Phõn bố cỏc bit mó trong miền tần số nhƣ trờn hỡnh 2.6c đụi khi đƣợc gọi là đan xen tần số. Đan xen tần số trong trƣờng hợp này giống nhƣ đan xen trong miền thời gian đƣợc sử dụng kết hợp với mó húa kờnh để chống phadinh thay đổi theo thời gian.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ a) Đơn súng mang băng rộng b)Tớn hiệu OFDM
a) Mó húa kờnh kết hợp với đan xen tần số để cung cấp phõn tập tần số cho truyền dẫn OFDM
Hỡnh2. 6: Giải thớch vai trũ của mó húa kờnh trong OFDM
Nhƣ vậy, tƣơng phản với truyền dẫn đơn súng mang băng rộng, mó húa kờnh (kết hợp với đan xen tần số) là khõu quan trọng để truyền dẫn OFDM nhận đƣợc ớch lợi từ phõn tập tần số trong kờnh chọn lọc tần số. Vỡ mó húa kờnh thƣờng đƣợc sử dụng trong thụng tin di động nờn đõy khụng phải là nhƣợc điểm quỏ quan trọng của OFDM, ngoài ra cũng cần nhấn mạnh rằng ngay cả khi tỉ lệ mó khỏ cao hệ thống vẫn nhận đƣợc một lƣợng phõn tập tần số sẵn cú [1],[2]. Giảm cụng suất phỏt Mó húa kờnh Mó húa tần số Điều chế OFDM b c1 c2 c3 c4 Bớt thụng tin Mó húa kờnh Cỏc bớt mó Đan xen tần số (sắp xếp lờn cỏc Súng mang con )
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.5. Lựa chọn cỏc thụng số OFDM cơ sở
Để sử dụng OFDM cho truyền dẫn thụng tin di động, cần lựa chọn cỏc thụng số cơ sở dƣới đõy:
- Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con f
- Số súng mang con N cựng với khoảng cỏch giữa súng mang con quyết định toàn bộ băng thụng truyền dẫn của tớn hiệu OFDM
- Độ dài CP: TCP. Cựng với khoảng cỏch giữa cỏc súng mang f =
1/TFFT,TCP quyết định độ dài ký hiệu OFDM: T = TCP + TFFT hay tốc độ ký hiệu OFDM 1].
2.5.1. Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con của OFDM
Tồn tại hai tiờu chớ cần cõn nhắc trong việc chọn súng mang con:
- Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con càng nhỏ càng tốt (TFFT càng lớn cỏng tốt) để giảm thiểu tỷ lệ chi phớ cho CP: TCP/(TFFT + TCP).
- Khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con quỏ nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyền dẫn OFDM đối với trải Doppler.
Khi truyền dẫn qua kờnh phadinh vụ tuyến, do trải Doppler lớn, kờnh cú thể thay đổi đỏng kể trong đoạn lấy tƣơng quan TFFT dẫn đến trực giao giữa cỏc súng mang bị mất và nhiễu giữa cỏc súng mang.
Trong thực tế, đại lƣợng nhiễu giữa cỏc súng mang cú thể chấp nhận rất lớn tựy thuộc vào dịch vụ đƣợc cung cấp và mức độ tớn hiệu thu chịu đƣợc tạp õm và cỏc nhõn tố gõy giảm cấp khỏc. Chẳng hạn tại biờn của một ụ lớn tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm cộng nhiễu cú thể khỏ thấp khi tốc độ số liệu thấp. Vỡ thế một lƣợng nhỏ nhiễu bổ sung giữa cỏc súng mang con do trải Doppler cú thể bỏ qua. Tuy nhiờn trong cỏc trƣờng hợp tỷ số tập õm cộng nhiễu cao chẳng hạn trong cỏc ụ nhỏ hay tại vị trớ gần BS, khi cần cung cấp cỏc tốc độ số liệu cao, cựng một lƣợng nhiễu giữa cỏc súng mang con nhƣ trờn cũng cú thể gõy ảnh hƣởng xấu hơn nhiều.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cần lƣu ý ngoài trải Doppler, nhiễu giữa cỏc súng mang con cũng xảy ra do hoạt động khụng chớnh xỏc của mỏy phỏt và mỏy thu nhƣ: cỏc sai số tàn số và tập õm pha,[1].
2.5.2. Số lƣợng cỏc súng mang con
Sau khi đó chọn đƣợc khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con theo mụi trƣờng (dựa trờn cõn nhắc giữa trải Doppler và tỏn thời), số lƣợng cỏc súng mang con đƣợc xỏc định dựa trờn băng thụng khả dụng và phỏt xạ ngoài băng.
Độ rộng băng tần cơ sở của tớn hiệu OFDM bằng NC. f nghĩa là số súng mang
con nhõn với khoảng cỏch giữa cỏc súng mang con. Tuy nhiờn phổ của tớn hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bờn ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở (hỡnh 2.7). Lý do gõy ra phỏt xạ ngoài băng lớn là việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến cỏc bỳp súng bờn giảm tƣơng đối chậm. Tuy nhiờn trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miền thời gian đƣợc sử dụng để loại bỏ phần lớn cỏc phỏt xạ ngoài băng của OFDM. Trong thực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đối với tớn hiệu OFDM. Chẳng hạn nếu băng thụng khả dụng là 5MHz thỡ độ rộng băng tần OFDM NC. f chỉ cú thể vào khoảng 4.5MHz. Giả sử LTE sử dụng khoảng cỏch giữa cỏc
súng mang con là 15KHz, thỡ điều này tƣơng đƣơng với khoảng 300 súng mang con trong 5MHz [1].
Hỡnh2. 7: Phổ của tớn hiệu OFDM cơ sở 5MHz
30.0 20.0 10.0 0.0 -10.0 -20.0 -30.0 -40.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Frequency (Mhz) 3,84Mhz Power density (dBm/30khz)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.5.3. Độ dài CP
Về nguyờn tắc, độ dài CP TCP phải bao phủ đƣợc độ dài cực đại của tỏn thời dự tớnh cú thể xảy ra. Tuy nhiờn tăng độ dài CP mà khụng giảm dẫn đến tăng chi phớ cụng suất cũng nhƣ băng thụng. Mất cụng suất dẫn đến kớch thƣớc ụ giảm và hệ thống bị hạn chế nhiều hơn bởi cụng suất, vỡ thế cần cú sự cõn dối giũa mất cụng suất cho CP và thiệt hại tớn hiệu do tỏn thời khụng đƣợc CP bao phủ hết. Ngoài ra mặc dự khi kớch thƣớc ụ tăng tỏn thời tăng, nhƣng khi kớch thƣớc ụ vƣợt quỏ một giỏ trị nào đú cũng khụng nờn tăng Tcp, vỡ mất cụng suất cú thể gõy ảnh hƣởng xấu lờn tớn hiệu nhiều hơn ảnh hƣởng của tỏn thời do khụng đƣợc phủ hết bởi CP.
Một lý do để cú thể phải sử dụng Tcp dài hơn liờn quan đến trƣờng hợp truyễn dẫn đa ụ với việc sử dụng SFN (Single-Frequency Network) mà sẽ xột trong phần sau.
Nhƣ vậy để tối ƣu hiệu năng đối với cỏc mụi trƣờng khỏc nhau, một số hệ thống OFDM hỗ trợ nhiều dộ dài CP. Cỏc độ dài CP khỏc nhau này cú thể đƣợc sử dụng trong cỏc trƣờng hợp sau:
- CP ngắn hơn trong cỏc mụi trƣờng ụ nhỏ để giảm thiểu chi phớ cho CP.
- CP dài hơn trong cỏc mụi trƣờng cú tỏn rất lớn và đặc biệt trong trƣờng hợp SFN [1].
2.6. Ảnh hƣởng của thay đổi mức cụng suất tức thời.
Một trong số cỏc nhƣợc điểm của truyền dẫn OFDM là sự biến động lớn trong cụng suất phỏt tức thời dẫn đến giảm hiệu suất bộ khuyếch đại cụng suất và tiờu thụ cụng suất của đầu cuối di động cao hơn hoặc phải giảm cụng suất phỏt ra dẫn đến giảm cự ly phủ súng.
Nhiều phƣơng phỏp đó đƣợc đề suất để giảm giỏ trị đỉnh của tớn hiệu OFDM: - Dành trƣớc tụng. Dành trƣớc một tập súng mang con khụng sử dụng cho truyền dẫn số liệu. Cỏc súng mang con này đƣợc điều chế để cú thể triệt bỏ cỏc giỏ trị đỉnh lớn của toàn bộ tớn hiệu OFDM và vỡ thế cú thể giảm khoảng lựi của bộ khuyếch đại cụng suất. Nhƣợc điểm của phƣơng phỏp dành trƣớc tụng là mất băng thụng do khụng thể sử dụng một số súng mang con cho truyền dẫn số liệu. Ngoài ra tớnh toỏn phƣơng phỏp điều chế cho dành trƣớc tụng cũng rất phức tạp.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Xỏo trộn chọn lọc. Chuỗi bớt sau mó húa kờnh đƣợc xỏo trộn với cỏc mó ngẫu nhiờn húa. Sau đú mỗi chuỗi đƣợc xỏo trộn đƣợc điều chế OFDM, và tớn hiệu cú cụng suất đỉnh thấp nhất đƣợc chọn để phỏt. Sau giải điều chế OFDM tại phiếu thu, giải ngẫu nhiờn (giải xỏo trộn) và giải mó kờnh đƣợc thực hiện cho tất cả cỏc chuỗi ngẫu nhiờn cú thể cú. Nhƣợc điểm của phƣơng phỏp này là tăng độ phức tạp của mỏy thu vỡ phải thực hiện nhiều giải mó đồng thời.
2.7. Sử dụng OFDM cho ghộp kờnh và đa truy nhập
Hỡnh 2.8 mụ tả sử dụng OFDM cho đa truy nhập OFDM để cú thể truyền dẫn đồng thời đến và từ cỏc mỏy đầu cuối bằng phõn chia tần số. Phƣơng phỏp này đƣợc gọi là ghộp kờnh cỏc ngƣời sử dụng cho đƣờng xuống (từ trạm gốc tới cỏc trạm đầu cuối di động) và đa truy nhập cho đƣờng lờn(từ cỏc mỏy đầu cuối di động đến trạm gốc)
Hỡnh2. 8: OFDM đƣợc sử dụng cho sơ đồ ghộp kờnh/đa truy nhập. a)đƣờng xuống, b) đƣờng lờn a)đƣờng xuống, b) đƣờng lờn
Trờn đƣờng xuống, OFDM đƣợc sử dụng làm sơ đồ ghộp kờnh cỏc ngƣời sử dụng. Trong thời gian một ký hiệu OFDM, toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng đƣợc chia thành cỏc tập con khỏc nhau và đƣợc gỏn cho cỏc ngƣời sử dụng khỏc nhau để truyền đến cỏc đầu cƣới khỏc nhau [5].
Tƣơng tự trờn đƣờng lờn, OFDM đƣợc sử dụng làm sơ đồ đa truy nhập . Trong khoảng thời gian một ký hiệu OFDM toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng đƣợc chia thành cỏc tập con khỏc nhau và đƣợc gỏn cho cỏc ngƣời sử dụng khỏc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nhau để truyền từ cỏc đầu cuối khỏc nhau đến trạm gốc. Sơ đồ đa truy nhập đƣờng lờn sử dụng OFDM đƣợc gọi là đa truy nhập phõn chia theo tần số trực giao (OFDMA) đối với đƣờng từ MS đến BS.
Thụng thƣờng thuật ngữ OFDMA đƣợc sử dụng cho cả đƣờng xuống và đƣờng lờn vỡ thế để đơn giản ta sẽ chỉ sử dụng thuật ngữ này cho cả hai đƣờng. Hỡnh 2.8 giả thiết rằng cỏc súng mang con liờn tiếp đƣợc sử dụng để truyền đến/từ mỏy di động đầu cuối. Tuy nhiờn cỏc tập con súng mang con đƣợc phõn bố trờn toàn bộ cỏc súng mang con khả dụng cũng đƣợc sử dụng để truyền dẫn đến/từ cỏc mỏy di động đầu cuối (hỡnh 2.9). Lợi ớch của sơ đồ OFDM phõn bố là cú thể nhận đƣợc phõn tập tần số bổ sung trải rộng trờn toàn băng thụng rộng hơn cho từng đƣờng truyền. Hỡnh2. 9: Ghộp kờnh ngƣời sử dụng OFDMA phõn bố
Trong cỏc trƣờng hợp OFDMA đƣợc sử dụng cho cỏc đƣờng lờn, tớn hiệu OFDM phỏt đi từ cỏc đầu cuối di động khỏc nhau đƣợc ghộp kờnh theo tần số, điều quan trọng là cỏc truyền dẫn từ cỏc đầu cuối ở cỏc vị trớ khỏc nhau so với trạm gốc phải đến trạm gốc một cỏch đồng bộ theo thời gian. Đặc biệt là sự mỏt đồng bộ giữa cỏc truyền đẫn từ cỏc đầu cuối di động khỏc nhau tại cỏc trạm gốc phải nhỏ hơn độ