3. Bố cục của luận văn
1.8. Ƣu khuyết điểm của OFDM
1.8.1. Ưu điểm
- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
- Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng.
- Chống đƣợc nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.
- Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.
- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao.
1.8.2. Khuyết điểm
- Nhạy với offset tần số
+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler.
+ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ƣớc lƣợng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu đƣợc.
- Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ƣu để giảm ảnh hƣởng của ICI và ISI.
- Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần đƣợc điều chế bởi các
tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngƣợc lại, khi chúng ngƣợc pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
1.9. Ứng dụng OFDM cho mạng 4G [1]
1.9.1. Lộ trình tiến lên 4G
Thông tin di động phát triển qua các thế hệ khác nhau. 1stGeneration (1G) đến ( 1980 ) 2ndGeneration(2G) đến ( 1990 ) 3thGeneration (3G) ( 2000 ) Analog Voice AMPS, NMT Digital Voice và Data GSM, IS-95, PDC Digital
Voice, Internet, Media
W-CD CDMA- 2000, IMT-2000MA
Hình 1.16. Lộ trình tiến lên 4G. Thế hệ thứ nhất 1G:
+ Các hệ thống thông tin di động 1G đƣợc xây dựng từ những năm 1980. Ví dụ: NMT (Nordic Mobile telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển. AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ.
+ Dựa trên các công nghệ Analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA- Frequency Division Multiple Access).
+ Các hệ thống di động 1G đƣợc phát triển trong phạm vi quốc gia, do đó không có khả năng tƣơng thích lẫn nhau.
Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có một hệ thống thông tin di động toàn cầu. Vì vây hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời.
Thế hệ thứ 2 - 2G
+ Đƣợc phát triển ngay trong những thập niên 90.
+ Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Mutiple Access) và đa truycập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).
+ Theo quan điểm của ngƣời sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G, bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp.
+ Chƣa thực hiện đƣợc hệ thống thông thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trƣờng tồn tại một số hệ thống di động 2G nhƣ GSM (Global System for Mobile Communicasion), IS-95 (Interim Standard-95), PDC (Personal Digital Celular)… Trong đó GSM đƣợc sử dụng rộng rãi nhất.
Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) ra đời với mục tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới.
+ Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ƣu thế vƣợt trội của CDMA. + Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau nhƣ thoại, Internet tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lƣợng cao, nhắn tin đa phƣơng tiện (MMS)…
+ Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA…
Hệ thống di động 3G chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi, nhƣng các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang đã đƣợc tiến hành và OFDMA là một ứng cử viên sáng giá. Vì vậy việc tìm hiểu về hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật đa truy nhập OFDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.
Hiện nay các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở việt nam là Mobifon, Vinaphon, S-Fone và viettel. Con đƣờng đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều đã có: Các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000. Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm triển khai cho phù hợp.
Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifon thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G. Vào cuối năm 2005, nhà cung cấp này dự định sẽ đƣa ra dịch vụ 2,5G hay còn gọi là EDGE. Trong đó Vinaphon và viettel vẫn đang sử dụng công nghệ 2G.
Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ CDMA. Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cách chuẩn 3G CDMA2000 1X Evdo một khoảng không xa. Vì vậy S-Fone sẽ có khả năng tiến nhanh hơn trên con đƣờng hƣớng tới 3G.
Mặc dù hiện nay số thuê bao di động ở nƣớc ta chƣa có nhiều nhu cầu gì khác hơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhƣng hiện nay các nhà dầu tƣ đã triển khai mạng 3G. 3G+
cũng đã bắt đầu triển khai ở một số nƣớc và 4G đang đƣợc nghiên cứu để đƣợc một chuẩn chung. Lộ trình phát triển từ 3G lên 4G của 3GPP là một lộ trình dài hạn và có vị thế áp đảo trong xu thế cạch tranh của các công nghệ thông tin di động băng rộng.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển (R& D) 3G và lộ trình lên 4G đang đƣợc tiến hành trong 3GPP - là tổ chức quốc tế chịu trách nhiệm cho việc phát triển và hài hoà các tiêu chuẩn đƣợc phát triển đƣợc phát hành của UMTS UTRA (WCDMA và TD-SDMA). Quá trình nghiên cứu phát triển UMTS lên 3G phát triển và tiến dần đến 4G là việc đƣa ra công nghệ HSPA (High Speed Packet Access - đa truy nhập gói tốc độ cao) và LTE (Long term Evolution - phát triển dài hạn) cho phần vô tuyến và SAE (System Architecture Evolution - phát triển kiến trúc hệ thống) cho phần mạng.
Hiện nay UMTS đã và đang triển khai trên thế giới. 3GPP đã tiến hành các nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của UMTS bằng việc đƣa ra các phát hành R5, R6 và R7 với các tính năng nhƣ HSDPA, HSUPA và MBMS. Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, tăng cƣờng hỗ trợ cho các dịch vụ lợi nhuận cao và cải thiện khai thác bảo dƣỡng cũng nhƣ cung cấp dịch vụ. Để đạt đƣợc các mục tiêu này cần đƣa ra một công nghệ vô tuyến tiềm năng mới cho phép nâng cao hiệu suất phổ tần,
thông lƣợng ngƣời sử dụng và giảm thơig gian trễ. Ngoài ra cũng cần nghiên cứu để giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ dàng triển khai và khai thác hệ thống.
Hiện nay chúng ta đang nghiên cứu quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của WCDMA, tuy nhiên các công nghệ truy nhập vô tuyến của LTE sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), sẽ đƣợc nghiên cứu cụ thể trong luận văn này. Có thể nói HSPA là hậu 3G còn LTE là tiền của 4G. Công nghệ truy nhập vô tuyến cho 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv (IMT tiên tiến). Hiện nay đã có nhiều dự án và đề xuất nghiên cứu để tìm công nghệ thích hợp cho 4G, tuy nhiên chƣa có đề xuất nào đƣợc chấp nhận vì thế chƣa có chuẩn cho 4G. Hy vọng trong thời gian gần nhất các tổ chức quốc tế lớn nhƣ 3GPP, 3GPP2 hoặc WIMAX tập trung nghiên cứu công nghệ cụ thể cho 4G để đạt đƣợc các tiêu chuẩn cho 4G. Nhìn chung mục tiêu của các công nghệ mới này đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với công nghệ trƣớc nó:
- Tăng tốc độ số liệu đỉnh. - Tăng tốc độ bít tại biên ô.
- Cải thiện hiệu năng suất sử dụng phổ tần. - Giảm trễ vòng.
- Sử dụng băng thông linh hoạt. - Giảm chi phí đầu tƣ mạng.
- Giảm mức độ phức tạp, giá thành cũng nhƣ tiêu thụ công suất của đầu cuối.
- Tƣơng thích với các phát hành trƣớc với các công nghệ vô tuyến khác. - Tối ƣu hoá cho tốc độ di động thấp đồng thời hỗ trợ tốc độ di động cao.
1.9.2. Các hệ thống thông tin di động hiện đại WCDMA/HSDPA/HSUPA
- WCDMA đƣợc phát triển bởi NTT DOCOMO và ETSI nhƣ giao diện vô tuyến 3G.
- Đặc điểm WCDMA: Dải thông 5MHz, tốc độ chíp 3,84Mcps; hệ số trải phổ biến đổi và kết nối đa mã, tốc độ dữ liệu thay đổi trong phạm vi rộng, điều khiển công suất nhanh cả hai đƣờng, FDD và TDD, trạm gốc dị bộ, dùng lại mạng core và HO với GSM, hỗ trợ phân tập phát DL.
+ HSDPA/HSUPA: cho phép kết nối vô tuyến tốc đọ cao cỡ băng rộng hữu tuyến, gửi và nhận email có phai đính kèm lớn, chơi game tƣơng tác thời gian thực, gửi và nhận ảnh và video chất lƣợng cao, tải xuống nhạc và video.
+ Đặc điểm HSDPA: Tốc độ dữ liệu 14,4Mbps, có kênh mới HS - DSCH.
+ Đặc điểm HSUPA: Tốc độ 5,76Mbps, dùng kênh riêng tăng cƣờng E- DCH.
+ HSDPA/HSUPA: 3,5G.
CDMA2000/1xEV-DO/1xEV-DV
- Đặc điểm của CDMA2000: CDMA2000 1X và CDMA2000 3X ít dùng thƣơng mại.
- Đặc điểm CDMA2000 1xEV-DO: bổ xung khả năng tốc độ dữ liệu cao (HDR), DL ghép theo thời gian; Rev. A có dữ liệu 3,1Mbps trong kênh riêng gói.
- Đặc điểm CDMA2000 1xEV-DV: tốc độ nhƣ EV-DO, hỗ trợ hoạt động đồng thời 1x thoại, 1x Data và 1xEV-DO trên cùng kênh vô tuyến (tạm dừng).
TD-SCDMA
- Do Trung Quốc đề xuất.
- Đặc điểm: Dùng TDD, điều chỉnh động số khe thời gian để hỗ trợ lƣu lƣợng không đối xứng, DL và UL cùng sóng mang nên điều kiện kênh nhƣ nhau (ĐKCS dễ, suy thông tin kênh DL từ UL để giúp beamforming); S nghĩa là tín hiệu UL đồng bộ tại BS, giảm nhiễu MUI, tăng dung lƣợng.
Bảng 1.3. Các mạng di động hiện đại
Tham số WCDMA CDMA2000 TD-SCDMA
Đa truy nhập DS-CDMA 1x:DS-CDMA 3x:MC-CDMA TDMA, CDMA, FDMA Giãn cách sóng mang 5MHz 1x:1,25MHz 3x:3,75MHz 1,6MHz Tốc độ chíp 3,84 Mcps 1x:1,2288Mcps 3x:3,6864Mcps 1,28Mcps
Tốc độ dữ liệu Đến 1920Kbps (đến 10Mbps dùng HSDPA ) 153,6Kbps đến 2,4Mbps với EV- DO và 5,2Mbps với EV-DV Đến 2Mbps Phƣơng pháp song công FDD/TDD FDD TDD Tần số ĐK công suất 1500Hz 800Hz trên DL/UL DL/UL Đồng bộ BS Dị bộ Đồng bộ Đồng bộ Độ dài khung 10ms 5ms, 10ms, 20ms 10ms
Hệ số trải phổ SF thay đổi từ 4 đến 512
4÷256UL 1,2,4,8 và 16
Điều chế dữ liệu QPSK/kênh kép QPSK
BPSK/QPSK QPSK hoặc 8PSK Xử lý anten Phân tập phát DL
(mã hoá không gian, thời gian)
Phân tập phát DL (trải không gian,
thời gian)
Anten thông minh, có tạo búp
sóng
1.9.3. Tương lai phát triển của OFDM
Các giải pháp cho 4G
Đa truy nhập: OFDMA (DL), MC-CDMA, SC-FDMA (UL) Điều chế và mã thích nghi (AMC)
ARQ lai (H-ARQ)
Song công lai (FDD/TDD) MIMO
Bảng 1.4. Các hệ thống di động trong tƣơng lai Đặc
điểm chính
WiBro 3GLTE IEEE802.2
0 4G Phổ 2,3GHz 2,5÷2,6GHz 3÷5GHz Dải thông 10MHz (20MHz) 5MHZ, 10MHz, 15MHz, 20MHz 5MHZ, 10MHz, 15MHz, 20MHz 5÷100MHz Dịch vụ Internet di động/Tốc độ cao, Internet vô
tuyến Dịch vụ di động tốc độ cao Dịch vụ di động tốc độ cao Hội tụ băng rộng khắp nơi Đa truy nhập OFDMA/TDD OFDMA/FDD, TDD, SC-FDMA OFDMA/F DD, TDD OFDMA, MC-CDMA Tốc độ dữ liệu 30/50Mbps@3 km/s 100Mbps@3km/s 100Mbps@ 3km/s 120Mbps@10 0km/h 1/3Gbps@3k m/s Di động 120km/h 350km/h 350km/h 350km/h Nhận xét WiBro-II: chất lƣợng tốt hơn so với 3G LTE và 802.20 Tƣơng tự 802.20 Hỗ trợ bởi QUALCO MM Vùng phủ lớn, QoS Bắt đầu dịch vụ WiBro: 9/2005 WiBroEvol:12/ 2007 07/2007 10/2006 2010÷2015 Những thách thức
Tính không tin cậy của môi trƣờng vô tuyến (do tổn hao, méo, nhiễu, di chuyển máy thu và máy phát…).
Hiệu quả sử dụng phổ (tận dụng tốt băng tần đã cho, dung băng tần cao hơn).
Quản lý công suất: P tỉ lệ với C. V.F. Tính an ninh (bảo mật , tính riêng tƣ….).
Định vị, định tuyến (theo dõi MS, định tuyến cuộc gọi,…). Ảnh hƣởng đến sức khỏe.
1.10. Tổng kết chƣơng
Trong chƣơng này đã trình bày khá chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các vấn đề kỹ thuật ảnh hƣởng đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống sử dụng OFDM. Trong đó vấn đề ƣớc lƣợng kênh là một vấn đề quan trọng cần giải quyết khi sử dụng OFDM.
CHƢƠNG 2. ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM VÀ HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT
2.1. Giới thiệu chung
OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
+ Ƣớc lƣợng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang
+ Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR(Peak to Average Power Ratio)
Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống OFDM nếu dùng phƣơng pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhƣợc điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
Để ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng (PSAM-Pilot signal assisted Modulation).
Vì vậy trong chƣơng này sẽ đi tìm hiểu về ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống OFDM và đánh giá hiệu quả của mẫu Pilot
2.2. Ƣớc lƣợng và cân bằng kênh
2.2.1. Giới thiệu
Kênh suy hao theo tần số chọn lọc và thay đổi theo thời gian là một vấn đề cần giải quyết với ngƣời thiết kế hệ thống truyền thông không dây. Hệ thống OFDM phải thực hiện ƣớc lƣợng kênh và cân bằng kênh. Có nhiều cách để thiết kế một đầu nhận phụ thuộc vào mô hình kênh đƣợc sử dụng và tính phức tạp trong mỗi nhiệm vụ thực thi của hệ thống. Đặc tính của đa sóng mang có thể có thế mạnh trong kỹ thuật ƣớc lƣợng cũng nhƣ cân bằng.
2.2.2. Ước lượng kênh
Trong liên kết đa sóng mang, các bit điều chế đƣợc phân bổ trong suốt thời gian truyền thông qua sự tác động của kênh truyền. Kênh truyền sinh ra sự
dịch chuyển biên độ và pha của tín hiệu điều chế do đặc tính thay đổi theo thời gian và tần số chọn lọc của kênh truyền vô tuyến.
Hình 2.1. Tín hiệu bị méo dạng do kênh truyền
Để các máy thu ở đầu nhận thu đƣợc các bít nguyên thủy cần phải tính đến các thay đổi chƣa biết xảy ra trong lúc truyền. Hình 2.1 mô tả một hệ thống truyền đa sóng mang OFDM tiêu biểu có sự ảnh hƣởng của kênh truyền. Ở đầu nhận sử dụng bộ tách sóng hoặc không liên kết hoặc liên kết để khôi phục lại các bit ban đầu. Tách sóng kiểu liên kết sử dụng các giá trị tham chiếu đã đƣợc truyền cùng với các bít dữ liệu. Đầu nhận có thể điều chỉnh vào các giá trị đó. Toàn bộ kênh truyền có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật nội suy. Đối với kỹ thuật tách không liên kết không sử dụng bất cứ giá trị tham chiếu nào mà sử dụng cách điều chế vi sai, kỹ thuật này truyền độ sai biệt của hai ký hiệu liên tiếp. Máy thu sử dụng hai ký hiệu kế cận trong miền thời gian hoặc hai sóng mang kế cận trong miền tần số để so sánh một ký hiệu với một