Kỹ thuật TDM ( Time Division Multiplexing) ra ựời với hiệu suất sử dụng kênh truyền cao hơn. Với TDM trục tần số ựược chia thành nhiều khe thời gian ( time slot). Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng thời gian nhất ựịnh (hình 1.7b). Luồng bit tốc ựộ thấp của mỗi kênh sẽ ựược ghép lại thành một luồng bit tốc ựộ cao duy nhất, và ựưa lên kênh truyền. Do ựó TDM cần sự ựồng bộ chắnh xác ựể có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu. TDM ựược sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số.
Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz ựược chia thành 125 kênh với băng thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM. Mỗi kênh 200KHz này ựược chia thành 8 khe thời gian sử dụng kĩ thuật TDM. Mỗi user sẽ chiếm giữ một khe thời gian, do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyền tăng lên ựáng kể. 1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM
Trong kỹ thuật CDM ( Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sử dụng ựồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực giao. Mỗi kênh sẽ ựược gán một mã nhất ựịnh (hình 1.7c). Dữ liệu của các kênh trước khi phát ựi sẽ ựược nhân với một mã trải phổ ựể giãn phổ tắn hiệu ra toàn băng thông, ở phắa thu dữ liệu sẽ ựược khôi phục bằng cách nhân lai với mã trải phổ tương ứng. CDM là một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp ựòi hỏi sự ựồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật ựiều khiển công suất chắnh xác.
1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM
OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh ra ựời khá lâu, tương tự kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn sẽ ựược chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn. Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần bảo vệ, ựiều này dẫn tới lãng phắ băng thông vô ắch do các dãi bảo vệ này hoàn toàn không chứa ựựng tin tức. OFDM ra ựời ựã giải quyết vấn ựề này, bằng các sử dụng tập tần số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chộng lấn lên nhau (hình 1.7d), do ựó không cần dải bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiêm băng thông hơn hẳn FDM. Kỹ thuật này sẽ ựược xem xét kỹ hơn trong chương 2.
_
Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ựộng Hình 1.8 cho ta thấy các ứng dụng của các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin di ựộng, trong ựó OFDM ựang ựược nghiên cứu ựể ứng dụng vào hệ thống thông tin di ựộng thứ tư .
Trong truyền thông không dây di dộng, kỹ thuật phân tập ựược sử dụng rộng rãi ựể làm giảm ảnh hưởng của fading ựa ựường và cải tiến ựộ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết. Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao tắn hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tắn hiệu một cách ựộc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng ựộc lập với nhau. điều này có nghĩa là khi một ựường tắn hiệu cụ thể bị suy giảm thì ựường tắn hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện ựộ tin cậy của ựường truyền.
Có nhiều cách ựể ựạt ựược phân tập. Phân tập thời gian có thể thu ựược qua mã hoá (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu ựặc tắnh của kênh truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu ựặt cách nhau với khoảng cách ựủ lớn.
Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian
1.3.1 Phân tập không gian
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian ựược sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc chuỗi array ựược sắp xếp trong không gian tại phắa phát hoặc phắa thu. Các anten ựược phân chia ở những khoảng cách ựủ lớn sao cho tắn hiệu không tương quan với nhau. Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào ựộ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách ựiển hình khoảng vài bước sóng là ựủ ựể các tắn hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tắn hiệu phát ựược truyền ựến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. đặc tắnh này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc ựộ cao trong tương lai.
Hình 1.9 Các phương pháp phân tập
Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten hoặc ở nới phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát ( hệ thống MISO), phân tập anten thu ( hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO). Trong phân tập anten thu, nhiều anten ựược sử dụng ở nơi thu ựể nhận các phiên bản của tắn hiệu phát một cách ựộc lập. Các phiên bản của tắn hiệu phát ựược kết hợp một cách hoàn hảo ựể tăng SNR của tắn hiệu thu và làm giảm bớt fading ựa ựường.
Trong hệ thống thực tế, ựể ựạt ựược BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường ựể cung cấp sự phân tập nhiều chiều (multi- demnsional diversity).
1.3.2 Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau ựể phát cùng một thông tin. Các tần số cần ựược phân chia ựể ựảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách ựộc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán ựể ựảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Trong truyền thông di ựộng, các phiên bản của tắn hiệu phát thường ựược cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn ựược gọi là trải phổ, vắ dụ như trải phổ trực tiếp, ựiều chế ựa song mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ ựa ựường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tắn hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả ựể cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần
1.3.3 Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể thu ựược qua mã hóa và xen kênh. Sau ựây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi ựộ lợi kênh truyền rất nhỏ
Khoâng xen keânh
Xen keânh
Tỏụ maõ x0 Tỏụ maõ x1 Tỏụ maõ x2 Tỏụ maõ x3
t
h
t
Hình 1.10 Phân tập theo thời gian
Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ắt bị ảnh hưởng bởi fading
Phân tập thời gian có thể ựạt ựược bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tắn hiệu fading không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ắt nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch ựảo của tốc ựộ fading _
c
d v f
c f .
1 = . Mã ựiều khiển lỗi thường ựược sử dụng trong hệ thống
truyền thông ựể cung cấp ựộ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di ựộng, mã ựiều khiển lỗi kết hợp với xen kênh ựể ựạt ựược sự phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tắn hiệu phát ựến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tắn hiệu phát ựược quy ựịnh bởi thời gian xen kênh ựể thu ựược fading ựộc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn ựến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường
hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở ựó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn ựến trì hoãn ựáng kể.
1.4 Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến
Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến có thể ựược phân loại thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.11
TX
NT NRRX
Hình 1.11 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến
1.4.1 Hệ thống SISO
chế, giải ựiều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tắn hiệu trên nhiễu ựược xác ựịnh theo công thức Shanon:
C = log2(1+SNR) bit/s/Hz (1.28)
1.4.2 Hệ thống SIMO
Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phắa sử dụng một anten, phắa còn lại sử dụng ựa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu ựược gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tắn hiệu từ các anten thu nhằm tối ựa tỷ số tắn hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC ( Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức 1.29.
C = log2(1+N.SNR) (1.29)
1.4.3 Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu ựược gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ ựó cải thiện lượng tắn hiệu hoặc sử dụng Beamforming ựể tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết ựược thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể ựược xác ựịnh gần ựúng theo công thức 1.30
C = log2(1+N.SNR) (1.30)
1.4.4 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng ựa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ ựa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào ựa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu ựể tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện ựáng kể nhờ vào ựộ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian_thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền ựược biết tại cả nơi phát và
thu, hệ thống có thể cung cấp ựộ lợi phân tập cực cao và ựộ lợi ghép kênh cực ựại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cức ựại có thể xác ựịnh theo biểu thức 1.31
C = log2(1+NT.NR.SNR) (1.31) Dung lượng hệ thống trong trường hợp ựạt ựộ lợi ghép kênh cực ựại có thể xác ựịnh theo biểu thức 1.32.
C = min(NT,NR). log2(1+SNR) (1.32) Với các ưu ựiểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng hệ thống MIMO ựang ựược nghiên cứu ựể ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai. Tuy nhiên hệ thống MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì vậy kỹ thuật kết hợp giữa MIMO và OFDM cũng ựang ựược nghiên cứu trong các chuẩn không dây như chuẩn IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX). Hệ thống MIMO sẽ ựược xem xét kỹ hơn trong chương tiếp.
1.4.5 Kết luận
Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến ựược phân thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO các mô hình này ựều có ưu ựiểm về hiệu suất và triệt can nhiễu. đặc biệt hệ thống MIMO ựang ựược nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng trong thông tin vô tuyến.
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới Thiệu
Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ựã ựược phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc ựộ cao. OFDM ựược xem là kỹ thuật tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến.
2.2.1 Sự phát triển của OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM ( Frequency Division Multiplexing) ựã ựược sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tắn hiệu ựể truyền qua một ựường dây ựiện thoại. Mỗi kênh ựược xác ựịnh bằng một tần số trung tâm và các kênh ựược phân cách bởi các dải bảo vệ nhằm ựảm bảo phổ của mỗi kênh không chồng lấn lên nhau. Dãy bão vệ này là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông trong FDM.
Hình 2.1 mô tả việc sử dụng băng thông trong hệ thống FDM
Hình 2.1 FDM truyền thống
Truyền dẫn ựa sóng mang
Truyền dẫn ựa sóng mang MC ( Multicarrier Communication) là một dạng FDM nhưng ựược dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng. MC không ựược dùng ựể ghép kênh các tắn hiệu khác nhau như FDM, mà dùng ựể chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song. Dạng MC ựơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tắn hiệu nhỏ ựể truyền qua N kênh truyền con trực giao. Sau ựó, N
luông này ựiều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi ựược ghép kênh rồi ựưa lên kênh truyền. Ở phắa thu thì làm ngược lại phân kênh, giải ựiều chế, và ghép các luồng dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như ban ựầu. N ựược chon ựủ lớn sao cho ựộ rộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền hoặc băng thông từng luồng nhỏ hơn coherence bandwidth của kênh truyền, nhằm ựảm bảo các luồng con không bị ISI nghiêm trọng.
n
f f f1, 2,Κ
Hình 2.2 Hệ thống thông tin ựa sóng mang
Kỹ thuật ghép kênh theo tần sồ trực giao OFDM
MC là cơ sở của OFDM, ựiểm khác biệt ựó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực giao nhau. Tắnh trực giao có nghĩa là các tắn hiệu ựược ựiều chế sẽ hoàn toàn ựộc lập với nhau. Tắnh trực giao nhau ựạt ựược do các sóng mang ựược ựặt chắnh xác tại các vị trắ null của các phổ tắn hiệu ựã ựiều chế, ựiều này cho phép phổ của các tắn hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông ựáng kể so với FDM truyền thống.
Hình 2.3 cho thấy ưu thế của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả băng thông.
2.1.2 Lịch sử OFDM[4]
Mặc dù OFDM ựược phát minh từ những năm 1950, nhưng hệ thống không thể thực hiện vào thời ựiểm ựó, do việc ựiều chế dữ liệu các sóng mang một cách chắnh xác, cũng như việc tách các sóng phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc thực hiên hệ thống chưa phát triển. Tuy nhiên sau 20 năm ựược phát minh, kỹ thuật OFDM ựã có thể dễ dàng thực hiện với chi phắ rẻ và ựược ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến ựổi Fourier nhanh FFT và IFFT. Cũng giống như kỹ thuật CDM, kỹ thuật OFDM ựược ứng dụng ựầu tiên trong lĩnh vực quân sự.
đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM ựược nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc ựộ cao và trong tryền thông di ựộng.
đến những năm 1990 OFDM ựược ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau ựó OFDM ựược ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB
Những năm gần ựầy OFDM ựã ựược sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục ựược nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di ựộng 3.75G và 4G