Kỹ thuật OFDMA ứng dụng trong hệ thống vô tuyến băng rộng WIMAX

Với mục đích tìm hiểu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA được ứng dụng trong hệ thống vô tuyến băng rộng WIMAX, đồ án được chia làm ba chương chính như sau: Các công nghệ đa truy nhập FDMA,TDMA,CDMA và SDMA. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ứng dụng trong WIMAX di động. Các đặc điểm của WIMAX di động.

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, anh, chị em cùng tất cả những ngườithân và bạn bè, những người đã giành cho em những gì tốt đẹp nhất trong suốt quátrình học tập để em có được đến hôm nay.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 2 tháng 12 năm 2010

Nguyễn Văn Cường

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU x

CHƯƠNG I 1

CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN FDMA,TDMA.CDMA VÀ SDMA 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số, FDMA 1

1.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA 3

1.4 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã, CDMA 5

1.5 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo không gian, SDMA 6

1.6 Tổng kết chương 7

CHƯƠNG II 8

CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDMA) ỨNG DỤNG TRONG WIMAX DI ĐỘNG 8

2.1 Giới thiệu về WIMAX và WIMAX di động 8

2.1.1 Giới thiệu về WIMAX 8

2.1.2 Giới thiệu về WIMAX di động 13

2.2 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) 15

2.2.1 Điều chế đa sóng mang con trực giao (OFDM) 15

2.2.1.1 Nguyên lí điều chế đa sóng mang con trực giao 15

2.2.1.2 Khoảng bảo vệ 17

2.2.1.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM 18

2.2.1.4 Xử lý tín hiệu số OFDM 21

2.2.2 Công nghệ OFDMA 25

2.3 Ứng dụng công nghệ OFDMA trong hệ thống WIMAX di động 27

2.3.1 Khái niệm cơ bản về OFDMA 27

2.3.2 Cấu trúc ký hiệu OFDMA và kênh con hóa 28

2.3.2.1 Sắp xếp phân tập 29

2.3.2.2 Sắp xếp liên tục 30

2.3.3 OFDMA khả định cỡ (S-OFDMA) 30

2.3.4 Cấu trúc khung TDD 31

2.3.5 Các đặc điểm lớp PHY cải tiến khác 32

2.4 Kết luận chương 34

CHƯƠNG III 36

CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA WIMAX DI ĐỘNG 36

3.1 Giới thiệu chương 36

3.2 Mô tả lớp MAC của WIMAX di động 37

3.2.1 Chất lượng dịch vụ 37

3.2.2 Dịch vụ lập lịch MAC WIMAX di động 38

3.2.3 Quản lí tính di động 39

3.2.3.1 Quản lý nguồn 39

3.2.3.2 Chuyển vùng: 40

3.2.4 An ninh 41

3.3 Các đặc điểm cải tiến của WIMAX di động 41

3.3.4 Sử dụng lại tần số phân đoạn 44

3.3.5 Dịch vụ Multicast và Broadcast 46

3.5 Đánh giá khả năng hệ thống Wimax di động 54

3.6 Các xem xét khác 57

3.6.1 Chuẩn mở Wimax di động 57

3.6.2 Các ứng dụng của Wimax di động 57

3.6.3 Các xem xét phổ Wimax di động 58

3.6.4 Lộ trình cho sản phẩmWimax 59

3.9 Kết luận chương 63

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ

Hình1.1: Phương pháp FDMA/FDD 2

Hình1.2: Phương pháp FDMA/TDD 2

Hình 1.3: TDMA/FDD 4

Hình 1.4: TDMA/TDD 4

Hình 1.5: Nguyên lý CDMA/FDD 5

Hình 1.6: Sự khác nhau giữa FDD và TDD 6

Hình 2.2 Tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu 15

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM 16

Hình 2.4 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM 16

Hình 2.5 (a) Biên độ phổ của tín hiệu trên kênh con, b) Biên độ phổ của tín hiệu OFDM gồm 4 sóng mang 17

Hình 2.6 Đoạn bảo vệ trong kí tự OFDM 18

Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM với N sóng mang 19

Hình 2.8 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài μ 23

Hình 2.9 Vòng bảo vệ chặn trước trong xử lý số 24

Hình 2.10 Mô tả OFDM và OFDMA 25

Hình 2.11 Đường lên với OFDM và OFDMA 26

Hình 2.12 Sơ đồ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 27

Hình 2.13 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 28

Hình 2.14 Sắp xếp kênh con DL PUSC 29

Hình 2.15 Cấu trúc lát đường lên: UL PUSC 30

Hình 2.15 Cấu trúc khung OFDMA TDD 32

Hình 3.1 Mô hình cung cấp chất lượng dịch vụ của WIMAX di động 37

Hình 3.3 Cơ cấu khung Multi-Zone 45

Hình 3.4 Tái sử dụng tần số phân đoạn 46

Hình 3.5 MBS trong WIMAX di động 47

Hình 3.8 Lộ trình cho các sản phẩm theo WIMAX 59

Bảng 2.1 Đặc tính phân mức của OFDMA (S-OFDMA) 21

Bảng 2.2 Các thông số của S-OFDMA 25

Bảng 2.3 Điều chế mã hóa hỗ trợ trong WIMAX 27

Bảng 2.4 Tốc độ dữ liệu kênh con PUSC 27

Bảng 3.1 Các ứng dụng và yêu cầu chất lượng dịch vụ của WiMAX di động 32

Bảng 3.2 Các tham số hệ thống 40

Bảng 3.3 Các tham số OFDMA 40

Bảng 3.4 Mô hình truyền được sử dụng cho đánh giá khả năng 41

Bảng 3.5 Lớp ứng dụng của WIMAX di động 42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AAS Adaptive Antena System Hệ thống anten thích nghi

AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

BNI Base station network interface Giao diện giữa trạm gốc và mạng

BWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng rộngCDMA code division multiple access Đa truy nhập chia mã

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối thuê bao

CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

DES Data encryption standard Tiêu chuẩn mật mã dữ liệu

DFS Dynamic frequency selection Lựa chọn tần số động

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DHCP Dynamic host configuration protocol Thủ tục cấu hình chủ không cố định

ETSI EuropeanTelecommunications Standard

Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

FBSS Fast Base Station Switching Chuyển đổi trạm gốc nhanh

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia tần số

FDD Frequency division duplex Song công chia tần số

FEC Forward error correction Sửa lỗi hướng đi

FSS Fixed satellite service Dịch vụ vệ tinh cố định

GPS Global positioning satellite Vệ tinh định vị toàn cầu

IEEE Institute oi Electrical Electronics Engineer Viện các kỹ sư điện và điện tửIETF Internet Engineering Task Force Tổ chức kỹ sư thiết kế InternetIDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngượcIFFT Inversion Fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh

ITU International Telecommunications Union Hiệp hội viễn thông Quốc tế

LMDS Local multipoint distriution service Dịch vụ phân phối đa điểm nội hạt

MAC Medium access control layer Lớp điều khiển truy nhập môi

trườngMAN Metropolitan area network Mạng khu vực thành phố

MDHO Macro Diversity Handover Chuyển giao đa dạng riêng

MIMO Multi input Multi output Đa đường vào đa đường ra

MMDS Multichannel multipoint distribution service Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênhMPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia nghiên cứu ảnh

độngMPLS Multiprotocol Label Switching Công nghệ chuyển mạch nhãn

nrtPS Non-real-time polling service Dịch vụ thăm dò không thời gian

thựcOFDM Orthogonal frequency division multiplexing Ghép kênh chia tần số trực giaoOFDMA Orthogonal frequency division multiple access Đa truy nhập chia tần số trực giaoPARP Peak-to Average Power Ratio Công suất tương đối cực đại

PCMCIA Personal Computer Memory Card International

Association

Hiệp hội quốc tế về tấm mạch nhớcủa máy tính cá nhân

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị vụ số cá nhân

PDH Plesiochronous digital hierarchy Phân cấp số cận đồng bộ

QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature phase-shift keying Khoá dịch pha cầu phương

rtPS Real-time polling service Dịch vụ thăm dò thời gian thực

SAID Security association identifier Bộ nhận dạng tập hợp bảo mật

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không

gian

SFID Service Flow Identifier Bộ Nhận dạng Luồng Dịch vụ

SNMP Simple Network Management Protocol Thủ tục quản lý mạng đơn giản

TDM Time division multiplex Ghép kênh chia thời gian

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia thời gian

TEK Traffic encryption key Khoá mật mã lưu lượng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, các dịch vụ ứng dụng trên Internet đã có bước pháttriển bùng nổ với nhiều loại hình dịch vụ mới như các dịch vụ mua bán trực tuyến,ngân hàng, du lịch hay các dịch vụ đào tạo từ xa, game trực tuyến Cùng với sự pháttriển bùng nổ của các loại hình dịch vụ trên Internet, các công nghệ truy nhập cũngliên tục được phát triển để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao về băng thông chotruy nhập Internet Các công nghệ truy nhập băng rộng đã được phát triển nhanh chóngtrong những năm gần đây bao gồm các công nghệ truy nhập hữu tuyến và công nghệ

Mạng Viễn thông Việt Nam trong những năm qua đã có sự phát triển mạnh mẽ,các hệ thống cung cấp dịch vụ truy nhập băng rộng đã và đang được triển khai tại hầuhết các tỉnh thành Tuy nhiên, phần lớn vẫn là các hệ thống xDSL cung cấp truy nhậphữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục vụ còn rất hạn chế Trong khi đó, nhucầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khuvực mà các giải pháp hiện có rất khó triển khai hoặc triển khai chậm Để có thể triểnkhai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống truy nhập băng rộng tại các khu vực này thìviệc nghiên cứu triển khai các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng WiMAX là hếtsức cần thiết

Với mục đích tìm hiểu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giaoOFDMA được ứng dụng trong hệ thống vô tuyến băng rộng WIMAX, đồ án được chialàm ba chương chính như sau:

Chương 1: Các công nghệ đa truy nhập FDMA,TDMA,CDMA và SDMA.Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao ứng dụngtrong WIMAX di động

Chương 3: Các đặc điểm của WIMAX di động

Trong thời gian làm đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạnchế và thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên không thể tránh được sai sót Em rấtmong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và cácbạn để đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I CÁC CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

FDMA,TDMA.CDMA VÀ SDMA.

1.1 Giới thiệu chương.

Các công nghệ đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin đa truy nhập

vô tuyến và thông tin di động Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập

vô tuyến phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách hiệu suất cho các người sử dụng Tùythuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho người sử dụng mà cáccông nghệ này được phân chia thành: Đa truy nhập phân chia theo tần số(FDMA), đatruy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA),

đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Các hệ thống thông tin di động mới đều sử dụng kết hợp cả 4 công nghệ đatruy nhập vô tuyến này để phân bổ hiệu quả nhất cho các người sử dụng Ta thấy côngnghệ đa truy nhập phân chia theo mã được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ vớinhiều ưu việt so với các công nghệ đa truy nhập khác

1.2 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số, FDMA.

Trong phương pháp đa truy nhập này độ rộng băng tần cấp phát cho hệthống B Mhz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định chomột kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz Trong dạng đa truy nhập này cácmáy vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khácnhau Cần đảm bảo các khoảng bảo vệ giữa từng kênh bị sóng mang chiếm để phòngngừa sự không hoàn thiện của các bộ lọc và các bộ dao động Máy thu đường xuốnghoặc dường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp Như vậy FDMA làphương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một tần số cố định

Có 2 phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số: FDMA/FDD (FrequencyDivison Duplex: Ghép song công theo tần số) và FDMA/TDD (Time Division Duplex:Ghép song công theo thời gian)

Trạm gốcMS1

phát và thu Tuy nhiên phát thu luân phiên, chẳng hạn trước tiên trạm gốc phát xuốngmáy thu đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Tx, sau đó nó ngừng phát và thu tínhiệu phát đi từ trạm đầu cuối ở khe thời gian được ký hiệu là Rx, sau đó nó lại phát

ở khe Tx

Độ rộng băng thông bị chiếm dụng bởi một số sóng mang con khác nhau , cácsóng mang con này được phát đi từ một trạm gốc tới tất cả các máy đầu cuối nằmtrong phạm vi của anten này Máy thu của các máy đầu cuối vô tuyrns phải lọc ra cácsóng mang tương ứng với chúng, việc lọc sẽ được thực hiện dễ dàng hơn khi phổ củacác sóng mang được phân cách với nhau bởi một băng tần bảo vệ rộng Tuy nhiên việc

sử dụng băng tần bảo vệ rộng sẽ dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả độ rộng băngtần của kênh Vì thế phải thực hiện dung hòa giữa kỹ thuật điều chế với tiết kiệm phổtần Nhưng một phần công suât của sóng mang lân cận với một sóng mang cho trước

sẽ bị thu bởi máy thu được điều hưởng đến tần số của sóng mang cho trước nói trên.Điều này dẫn đến nhiễu do sự giao thoa được gọi là nhiễu kênh lân cận ACI

Công nghệ FDMA có nhược điểm là mỗi sóng mang tần số vô tuyến chỉ truyềnđược một Erlang vì thế nếu trạm gốc cần cung cấp bao nhiêu Erlang dung lượng thìcần bấy nhiêu bộ thu phát cho mỗi trạm

Phương pháp FDMA ít nhậy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóngkhông cần đồng bộ và không xẩy ra trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiễu, vì vậy giảmtrễ hồi âm

1.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA.

Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB Sự truyềndẫn này được gọi là cụm Sự phát đi một cụm được đưa vào một cấu trúc thời gian dàihơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấutrúc này Mỗi sóng mang thể hiện một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vôtuyến được mang bởi tần số sóng mang fi

Phương pháp vừa nêu ở trên sử dụng cặp tần số song công cho TDMA đượcgọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian với ghép song công theo tần số TDMA/FDD (FDD: Frequency Division Duplexing) Trong phương pháp này đường lên (từmáy đầu cuối đến trạm gốc) bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian(TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc, còn ở đường xuống (từ trạmgốc đến máy đầu cuối) là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM: Time DivisionMultiplexing) Như hình 1.3

Trạm gốc

TDM f’ 1

TSi: Khe thời gian dành cho người sử dụng

TB: Thời gian của 1 cụm

TF: Thời gian của 1 khung

Hình 1.3: TDMA/FDD

Để có thể phân bổ tần số thông minh hơn, phương pháp TDMA/TDD(TDD: Time Division Multiplexing) được sử dụng Trong phương pháp này cả haiđường lên và đường xuống đều sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chiađường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khỏang thờigian khác nhau (xem hình 1.4)

Trạm gốcMS1

TS1 TB

TSn

Tx:Trạm gốc phát Rx: Trạm gốc thu

Hình 1.4: TDMA/TDD

So với FDMA, TDMA cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn Tuy

nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảm bảo dunglượng của mạng Vì thế TDMA thường được kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏidung lượng cao.

Nhược điểm của TDMA là đòi hỏi đông bộ tốt và thiết bị phức tạp hơn FDMAkhi cần dung lượng truyền dẫn cao, ngoài ra đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xẩy ra hiệntượng hồi âm

1.4 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã, CDMA.

CDMA là phương thức đa truy nhập mà ở đó mỗi kênh được cung cấp một

cặp tần số và một mã duy nhất Đây là phương thức đa truy nhập mới, phương thứcnày dựa trên nguyên lý trải phổ Tồn tại ba phương pháp trải phổ:

- Trải phổ theo chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequency)

- Trải phổ theo nhẩy tần (FH: Frequency Hopping)

- Trải phổ theo nhẩy thời gian (TH: Time Hopping)

Hệ thống CDMA/FDD: làm việc ở hai băng tần với hai sóng mang: một chođường lên và một cho đừơng xuống Trên mỗi cặp sóng mang này có thể đồng thời Mngười sử dụng truy nhập vào mạng trên cơ sở được trải phổ bằng M chuỗi trực giaokhác nhau Mỗi cặp sóng mang này được gọi là một kênh CDMA Thí dụ về hệthống CDMA với N kênh CDMA trong đó mỗi kênh cho phép M người sử dụng đồngthời truy nhập mạng được cho ở hình 1.5

truyền dẫn song công, TDD chỉ sử dụng một sóng mang cho truyền dẫn song công.

Sự khác nhau về phân bổ tần số ở FDD và TDD được cho ở hình 1.6

x

y

Độ rộng băng tần

Độ rộng băng

tần x

Đường lên Đường xuống

Phân cách song công

Đường xuống

Đường lên

Khoảng bảo vệ

x

Độ rộng băng tần t

f

TDD FDD

- Cho dung lượng cao hơn

- Khả năng chống nhiễu và pha đinh tốt hơn.

- Bảo mật thông tin tốt hơn

- Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượngkênh cho từng người sử dụng

- Cho phép chuyển giao lưu lượng mềm giữa các vùng phủ sóng nhờ vậykhông xảy ra mất thông tin khi thực hiện chuyển giao

- Vì có thể sử dụng chung tần số cho nhiều người sử dụng nên quy hoạch mạngcũng đơn giản hơn

Tuy nhiên CDMA không tránh khỏi các nhược điểm:

- Đồng bộ phức tạp hơn Ở đây ngoài đồng bộ định thời còn phải thực hiện cảđồng bộ mã

- Cần nhiều mạch điện xử lý số hơn

- Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chung tần số

1.5 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo không gian, SDMA.

Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) được sử dụng ở tất cảcác hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong: cả ở hệ thống tương tự và hệ thống số Các hệthống thông tin vô tuyến tổ ong cho phép đa truy nhập đến một kênh vô tuyến chung

(hay tập các kênh) trên cơ sở ô (tuỳ theo vị trí của máy di động trên mặt đất) Các hệthông thông tin vô tuyến tổ ong là minh hoạ cụ thể nhất của SDMA Yếu tố hạn chếđối với kiểu SDMA này là hệ số tái sử dụng tần số Tái sử dụng tần số là khái niệmchủ yếu ở vô tuyến tổ ong, trong đó nhiều người sử dụng chia sẻ đồng thời cùng mộttần số Các người sử dụng này phải đủ cách xa nhau để giảm thiểu ảnh hưởng củanhiễu đồng kênh (nhiễu cùng tần số) Tập các tần số trong cùng một ô có thể đựơc lặplại ở các ô khác trong hệ thống nếu đảm bảo đủ khoảng cách giưã các ô sử dụngcùng tần số để ngăn chặn nhiễu giao thoa đồng kênh.

Có rất nhiều sơ đồ SDMA trong các hệ thống tổ ong hiện nay: ô mini, ô micro,

ô phân đoạn, ô dù che và các anten thông minh

1.6 Tổng kết chương.

Chương này đã xét tổng quan về 4 công nghệ đa truy nhập vô tuyến cơ bảnđược ứng dụng trong hệ thống thông tin di động: FDMA, TDMA, CDMA và SDMA.Qua tính toán người ta đã tính được dung lượng của một hệ thống CDMA gấp 15,6 lầndung lượng một hệ thống FDMA và gấp gấp 7,36 lần dung lượng một hệ thống củacông nghệ TDMA Từ đó cho ta thấy vì sao công nghệ CDMA được lựa chọn cho hệthống thông tin di động thế hệ ba

Từ năm 1991, mạng điện thoại Tế bào Số ứng dụng kỹ thuật Đa truy nhập phânchia theo thời gian (TDMA), điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM đãđược ứng dụng rộng rãi tại châu Âu và nhiều nước trên thế giới

Từ năm 1998, số lượng thuê bao đã vượt trên con số 500 triệu; lợi nhuận thu từcác dịch vụ Thông tin di động đã bắt kịp và vượt rất nhanh so với lợi nhuận thu từ cácdịch vụ cố định

Phương thức truy nhập mới Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA được coi

là ứng cử viên hàng đầu để hỗ trợ đa dịch vụ trong thông tin di động vì nó mang các

ưu điểm: có khả năng đáp ứng dịch vụ; cung cấp dung lượng cao hơn các phương thứctruy nhập truyền thống như FDMA và TDMA; chống lại việc chọn lọc tần số của kênhtruyền; tính bảo mật và khả năng chống nhiễu…

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nước sử dụng mạng di động thế hệ ba.Cuộc cách mạng điện thoại di động thế hệ ba tại Hàn Quốc được xem như một huyềnthoại và là mơ ước của nhiều tập đoàn viễn thông cũng như nhiều quốc gia trên thế giới

Vào những năm 2000, một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh, gâynên sự chú ý và lôi cuốn rất nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên toàn thế giới Đó làphương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Công nghệOFDMA sẽ được chúng ta đi sâu nghiên cứu ở chương sau của đồ án

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDMA) ỨNG DỤNG TRONG WIMAX DI ĐỘNG

2.1 Giới thiệu về WIMAX và WIMAX di động

2.1.1 Giới thiệu về WIMAX.

WiMAX (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là tên thương mạicủa nhóm kỹ thuật vô tuyến được hình thành từ họ tiêu chuẩn IEEE 802.16WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Mục đích của họ tiêu chuẩnnày là tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm - đa điểmhoạt động trong giải tần số 10-66 GHz và dưới 11 GHz Phạm vi của tiêu chuẩn baogồm: Lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) và Lớp vật lý (PHY)

WiMAX là công nghệ vô tuyến được diễn đàn WiMAX lựa chọn trên cơ sở một

số tiêu chuẩn trong họ tiêu chuẩn 802.16 Phạm vi ứng dụng của WiMAX bao gồm:kết nối tầm xa cho nhà riêng, khu thương mại và kết nối đường trục (backhaul) cho cácđiểm nóng (hotspost) của mạng WiFi, vv

Các loại hình dịch vụ truy nhập mà WiMAX có thể cung cấp bao gồm: truy nhập

cố định, lưu động, xách tay hay di động Đáp ứng các loại truy nhập khác nhau, haiphiên bản của WiMAX đã được đưa ra

– Phiên bản thứ nhất dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 được thiết kế cho loạitruy nhập cố định và lưu động Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênhchia tần số trực giao (OFDM) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng (LOS)

và không nhìn thẳng (NLOS) Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này đã được cấpchứng chỉ và thương mại hóa đầu năm 2006

- Phiên bản thứ hai dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e được thiết kế cho loại truy nhập xách tay và di động Tiêu chuẩn 802.16e được sửa đổi trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE802.16-2004 để tối ưu cho các kênh vô tuyến đi động cung cấp khả năng chuyển vùng (handoff) và chuyển mạng (roaming) Hệ thống này sử dụng phương thức đa truy nhậpghép kênh chia tần số trực giao (OFDMA)

2.1.1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Mô hình hệ thống WiMAX cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bàotruyền thống như hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Hai phần chính của hệ thống WiMAX gồm:

– Trạm gốc WIMAX: Đây là phần thiết bị giao tiếp với các hệ thống cung cấp dịch

vụ mạng lõi bằng cáp quang, hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm - điểm kết nốivới các nút quang hoặc qua các đường thuê riêng từ các nhà cung cấp dịch vụhữu tuyến Các dịch vụ được chuyển đổi qua anten trạm gốc kết nối với các thiết

bị đầu cuối WiMAX CPE qua môi trường vô tuyến

– Thiết bị đầu cuối WiMAX CPE: Có thể là các thiết bị cố định hoặc di động Cácthiết bị cố định có thể có anten ngoài trời hoặc trong nhà, thiết bị di động có thể

là một thiết bị cầm tay hay là một card PCMCIA gắn vào trong máy tính hoặclaptop Các thiết bị này truy cập đến trạm gốc WiMAX giống như truy cập đếnđiểm truy cập của mạng WiFi, nhưng có phạm vi vùng phủ sóng của trạm gốcrộng hơn

Tốc độ truy nhập của các thiết bị đầu cuối CPE WiMAX phụ thuộc vào rất nhiềuyếu tố, trong đó môi trường truyền dẫn và độ rộng băng thông đóng vai trò đáng kể

: Đường trục P-PGiao diện không gian

ODU: Khối ngoài trời

IDU: khối trong nhà

Bảng 2.1 đưa ra mối liên hệ giữa môi trường truyền dẫn, bán kính vùng phủ sóng vàtốc độ trên sector.

Bảng2.1 Bán kính vùng phủ sóng và tốc độ

Môi trường Bán kính Tốc độ trên 1 sector

Trong nhà thành phố (NLOS) 1 km5 21 Mbps, kênh 10 MHzTrong nhà ngoại ô (NLOS) 2,5 km 22 Mbps, kênh 10 MHzNgoài trời ngoại ô (LOS) 2,5 km 22 Mbps, kênh 10 MHzTrong nhà nông thôn (NLOS) 5 km 4,5 Mbps, kênh 3,5 MHzNgoài trời nông thôn (LOS) 15 km 4,5 Mbps, kênh 3,5 MHz

Nhiều trạm gốc có thể kết nối lẫn nhau bằng cách sử dụng các liên kết vi ba đườngtrục tốc độ cao Điều này cho phép các thuê bao WiMAX chuyển vùng từ trạm gốcnày đến khu vực trạm gốc khác, cũng tương tự như chuyển vùng trong mạng điện thoại

Bộ tiêu chuẩn đầu tiên IEEE 802.16 về “Giao diện vô tuyến cho hệ thống truy cập

vô tuyến băng rộng cố định hoạt động ở băng tần 10-66 GHz” được chấp nhận vào12/2001 và được công bố vào ngày 8/4/2002 (hay còn gọi là bộ tiêu chuẩn IEEE802.16 - 2001) Tiêu chuẩn này định nghĩa các giao diện không gian của mạng MANkhông dây IEEE 802.16 được xây dựng để khai thác trong băng tần 10-66GHz và xácđịnh tầng vật lý (PHY), tầng điều khiển truy cập trung gian (MAC) của các hệ thốngBWA Ở băng tần 10-66GHz, truyền dẫn yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS)

– Nhóm nghiên cứu bổ sung sữa đổi chuẩn 802.16 mở rộng sang băng tần cấp phép

và không cấp phép từ 2-11 GHz và đã được nhóm làm việc IEEE 802.16 và sau

đó là Ủy ban quản lý IEEE 802 chấp nhận làm chuẩn IEEE 802.16a vào29/1/2003 và được công bố vào 01/04/2003 Tiêu chuẩn này cho phép người sửdụng kết nối băng rộng với trạm gốc mà không cần tầm nhìn thẳng (NLOS)

Nhóm nghiên cứu bổ sung sữa đổi chuẩn IEEE 802.16 phát triển profile hệ thốngbăng tần 10-66 GHz để giúp đỡ đặc điểm tương tác giữa các thành phần và đã đượcchấp nhận như chuẩn IEEE 802.16c vào ngày 11/12/2002.

Dự án 802.16d được thông qua vào ngày 11/09/2003 và công bố như chuẩn IEEE802.16-2004 ngày 24/6/2004 thay thế các bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16-2001, IEEE802.16c-2002 và IEEE 802.16a-2003 [1]

Dự án 802.16e về lớp MAC và lớp vật lý cho di động và cố định ở băng tần cấpphép, được chấp nhận vào 07/12/2005 và được công bố vào 01/2006[2] Tiêu chuẩnnày chính là sự mở rộng của tiêu chuẩn 802.16-2004 cho di động Hơn nữa, 802.16e

hỗ trợ cho đa đường vào đa đường ra (MIMO) và các hệ thống anten thích ứng (AAS),cũng như chuyển vùng cứng và mềm Tiêu chuẩn này cũng đã cải thiện về các khảnăng tiết kiệm nguồn điện cho các thiết bị di động và các đặc tính bảo mật rộng hơn

Dự án 802.16f về quản lý thông tin được IEEE chấp nhận vào 22/09/2005 và công

2004 và IEEE 802.16e Trong đó tiêu chuẩn 802.16-2004 bao gồm 2 tiêu chuẩn chính

là IEEE 802.16 và IEEE 802.16a Tóm tắt các yêu cầu chính trong các tiêu chuẩn IEEE 802.16, IEEE 802.16a và IEEE 802.16e được cho như bảng 2.2

Bảng 2.2 Tóm tắt các chỉ tiêu chính về chuẩn WiMAX

(Không nhìn thẳng)Non Light of Sight

Không nhìn thẳng

Tương tự như 802.16a

Mức di động Cố định Cố định và xách tay Tới 120 Km/h

Độ rộng kênh 20, 25 và 28

Khoảng truyền

50 Km(Bán kính cell 1,7 -> 5 Km)

50 Km(Bán kính cell 5 -> 10 Km)

( Bán kính cell 1,7 -> 5 Km)

2.1.1.3 Mục tiêu và lợi ích của tiêu chuẩn WiMAX

Mục tiêu của tổ chức IEEE khi phát triển tiêu chuẩn 802.16 bao gồm:

– Thúc đẩy tiêu chuẩn vô tuyến băng rộng

– Xây dựng một phạm vi chuẩn thu hẹp “profile” để dễ dàng cho sự phát triển vàphối hợp giữa các nhà sản xuất, nhà cung cấp và cả người sử dụng

– Thúc đẩy quá trình chứng nhận phối hợp hoạt động và tuân thủ cho các hệ thốngtruy nhập vô tuyến băng rộng trên toàn cầu

Với mục tiêu đề ra, các tiêu chuẩn cho WiMAX có lợi ích hết sức to lớn đối với cảnhà sản xuất, người sử dụng, nhà cung cấp dịch vụ và thị trường

– Đối với nhà nhà sản xuất:

 Trên cơ sở tiêu chuẩn chung, nhà sản xuất có thể nhanh chóng phát triển cácsản phẩm mà ít phải chi phí cho nghiên cứu, tạo ra các thành phần và dịch vụmới

 Một nhà sản xuất có thể tập trung vào một lĩnh vực (chẳng hạn trạm gốc hoặcCPE), không cần thực hiện đầy đủ giải pháp từ đầu cuối đến đầu cuối

– Đối với người sử dụng

 Người sử dụng tại các khu vực trước đây chưa được cung cấp dịch vụ truynhập băng rộng nay có thể được sử dụng nhờ khả năng phủ sóng rộng củaWiMAX

 Nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên thị trường tạo điều kiện cho người sử dụng cóthêm nhiều lựa chọn cho dịch vụ truy nhập băng rộng

 Tạo sự cạnh tranh có lợi cho người sử dụng, giảm các chi phí

– Đối với nhà cung cấp dịch vụ

 Trên cơ sở nền tảng chung cho phép nhà cung cấp dịch vụ giảm giá thành,tăng khả năng cạnh tranh cũng như khuyến khích sự đổi mới.

 Khả năng giảm các chi phí và mức đầu tư cho phép nhà khai thác tăng phạm viphục vụ của mình

 Nhà khai thác không còn phụ thuộc vào một nhà cung cấp thiết bị riêng do cácsản phẩm riêng biệt của từng hãng

 Hệ thống vô tuyến cho phép giảm các rủi ro cho nhà khai thác

Như vậy, có thể thấy rằng khả năng cũng như lợi ích của các hệ thống WiMAXdựa trên họ chuẩn 802.16 là hết sức to lớn Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ triểnkhai nhanh chóng các hệ thống mạng của mình, tăng khả năng cạnh tranh đồng thờicho phép người tiêu dùng có thêm nhiều lựa chọn, tiết kiệm hơn trong các chi phí.Điều này chính là động lực thúc đẩy các nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ pháttriển hệ thống WiMAX

2.1.2 Giới thiệu về WIMAX di động.

Công nghệ Wimax, được dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16-2004đang chứng tỏ được rằng nó là một công nghệ đóng vai trò quan trọng trong mạngMAN vô tuyến băng rộng cố định Phòng lab cấp chứng chỉ đầu tiên được thiết lập tạiCetecom, Malaga, Tây Ban Nha đang hoạt động với hơn 150 thử nghiệm về sản phẩmWimax từ các khu vực Châu Âu, Châu Á, Châu Phi, Bắc và Nam Mỹ Không còn nghingờ gì nữa, Wimax cố định, được dựa trên chuẩn giao diện vô tuyến IEEE 802.16-

2004 đang chứng tỏ là một giải pháp vô tuyến cố định hiệu quả về mặt giá thành khi sovới các dịch vụ khác như dịch vụ cáp và DSL Tháng 10, năm 2005 IEEE thông quabản bổ sung 802.16e để thành chuẩn 802.16 Bản bổ sung này đưa ra các đặc điểm vàthuộc tính để có thể hộ trợ được tính di động Diễn đàn Wimax đang xác định năng lựccủa hệ thống và profile chứng chỉ được dựa trên IEEE802.16e, và sau đó, diễn đànWimax xác định các yếu tố kỹ thuật cũng như cấu hình cần thiết cho kiến trúc mạngWimax di động end-end Profile hệ thống phiên bản 1 được hoàn thành vào đầu năm2006

Wimax di động sẽ là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ mạngbăng rộng cố định và di động thông qua công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng trêndiện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện vô tuyến Wimax di động sử dụngphương thức đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện vấn

đề đa đường trong môi trường NLOS Phương thức OFDMA scalable (S-OFDMA)được sử dụng trong bản bổ sung IEEE 802.16e để hộ trợ băng tần kênh thay đổi từ1.25 tới 20 Mhz Profile hệ thống Wimax di động cho phép hệ thống di động được cấuhình dựa trên tập hợp các đặc điểm chung do đó đảm bảo cho các đầu cuối và trạm gốc

mà có thể liên hoạt động Một vài đặc điểm tuỳ chọn của profile trạm gốc để tạo nên

sự mềm dẻo trong việc triển khai các cấu hình khác nhau với điều kiện hoặc tối ưu vềkhả năng hoặc về vùng phủ Profile Wimax di động sẽ bao gồm độ rộng kênh 5, 6,8.75 và 10 Mhz trong băng tần số 2.3 Ghz, 2.5 Ghz và 3.5 Ghz

Ở chương trước ta đã đi nghiên cứu các công nghệ đa truy nhập cơ bản FDMA,TDMA, CDMA và SDMA Trong chương này ta sẽ đi nghiên cứu về công nghệ đatruy nhập phân chia theo tần số trực giao và ứng dụng của nó trong công nghệWIMAX di động

2.2 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access) được xây dựng trên cơ sở nguyên lí ghép kênh phân chiatheo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) TrongOFDMA mỗi người sử dụng được cấp pháp một số sóng mang con (kênh tần số) trong

số sóng mang con khả dụng của hệ thống về mặt này OFDMA giống như FDMA, tuynhiên nhờ sử dụng các sóng mang con trực giao với nhau nên mật độ phổ công suấtcủa các kênh sóng mang con này chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau.Chính vì lí do này ta không cần có các đoạn băng bảo vệ giữa các kênh(hay nói chínhxác hơn cần các đoạn băng bảo vệ khá hẹp) và nhờ đó tăng cường được dung lượng hệthống của OFDMA so với FDMA

Để hiểu rõ về công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA) ta đi nghiên cứu nguyên lí ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM)

2.2.1 Điều chế đa sóng mang con trực giao (OFDM).

2.2.1.1 Nguyên lí điều chế đa sóng mang con trực giao.

Điều chế đa sóng mang trực giao là phương pháp điều chế có tập các sóngmang là tập gồm các sóng mang trực giao với nhau Tập các sóng mang trực giao đượclựa chọn trong điều chế OFDM là :





# 0

3 , 2 , 1 0

) 2 cos(

)

t

N k

T t t

kf t

k



Với f 0 là khoảng cách giữa các sóng mang, và T là độ dài của ký tự OFDM.

Hình 2.2 minh họa tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu

Hình 2.2 Tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu

Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM được minh họa tại hình 2.3.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên tắc điều chế OFDM

Tín hiệu OFDM được tạo ra giống như cách tạo các tín hiệu điều chế thôngthường Mỗi sóng mang bị điều chế bởi số phức Xn,m lấy từ tập các số phức trong phépánh xạ đa mức QAM, QPSK … của dữ liệu đầu vào Chỉ số m cho biết thứ tự của toàn

bộ ký tự OFDM theo thời gian, m có thể nhận bất kỳ giá trị nguyên nào Chỉ số n chobiết đó là sóng mang thứ n trong tập N sóng mang (n =1, 2, …, N) hay chỉ số của ký tự

dữ liệu trong một ký tự OFDM Một ký tự OFDM cần truyền là tổng của N tín hiệusóng mang con đã được điều chế

n m n m

x t

0

)()

Hình 2.4 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM

Trong điều chế OFDM các thành phần mở rộng phổ   ) /T N của các kênh con

sẽ không ảnh hưởng tới băng thông của cả hệ thống, ngoại trừ hai kênh con đầu tiên vàcuối cùng Do vậy băng thông của cả hệ thống là:

N

N T

tự OFDM liên tiếp nhau chồng lấn lên nhau trong một khoảng đầu tiên của mỗi ký tự.Khắc phục hiện tượng này đoạn bảo vệ được đặt trước mỗi ký tự OFDM để chốngnhiễu giao thoa của ký tự trước không ảnh hưởng tới phần tin tức của ký tự sau Đoạnbảo vệ là phần copy một đoạn tín hiệu cuối của ký tự OFDM lên trước Đoạn bảo vệnày có tên vòng bảo vệ chặn trước (cyrle prefix) Hình 2.6 mô tả đoạn bảo vệ trong ký

tự OFDM

Khoảng thời gian bảo vệ (Tg) phải thỏa mãn điều kiện Tg > τmax với τmax là thờigian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền, hay chính là thời gian truyền dẫn củađường truyền có chiều dài lớn nhất Trên hình cho ta thấy rằng nếu điều kiện trên đượcthoả mãn thì phần tín hiệu có ích không bị chồng lấn bởi tín hiệu của ký tự trước Một

câu hỏi đặt ra là tại sao phải phức tạp tạo đoạn bảo vệ bằng cách copy đoạn tín hiệuOFDM từ sau lên trước, câu trả lời nằm ở phương pháp xử lý số tín hiệu OFDM.

Hình 2.6 Đoạn bảo vệ trong kí tự OFDM

Thêm đoạn bảo vệ có thể ngăn chặn nhiễu xuyên ký tự (ISI) giữa các ký tựOFDM nhưng bên cạnh đó năng lượng dành cho phát đoạn bảo vệ là năng lượng tổnhao không dùng để truyền thông tin, giảm hiệu suất sử dụng năng lượng Đây là điểmmâu thuẫn giữa thêm và không thêm đoạn bảo vệ, khi thiết kê cần cân nhắc lợi ích củađoạn bảo vệ

2.2.1.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM

Giả sử các thông số của hệ thống OFDM là N sóng mang, chiều dài mỗi ký tự

OFDM là T (gồm cả đoạn bảo vệ), và chiều dài đoạn bảo vệ là T g, băng thông của hệ

thống W, khoảng cách giữa các sóng mang là f 0 = W N Tập các sóng mang của điều

chế OFDM như biểu thức (2.1), biểu diễn dưới dạng số phức như sau:

nt f j

T t

nt f j n

0

0 1

)

(

0 0

φ 0 = 2πf 0 n(T s -T g ) = - 2πf 0 nT g (2.6)

Thay (2.6) vào (2.5) ta có biểu thức toán biểu diễn tín hiệu khi có chèn thêmđoạn bảo vệ như sau:

T T t

g

T t n f j g n

0

0 1

k m

n m

x t

0

)()

(2.8)

Giả sử kênh truyền là kênh truyền biến đổi theo thời gian thì đáp ứng của kênhtruyền không chỉ phụ thuộc vào độ dài kênh truyền (τ) mà còn phụ thuộc vào thời gian

nên hàm truyền đạt của kênh truyền đạt của kênh truyền có dạng h(τ,t) Tín hiệu nhận

được sau khi qua kênh truyền là tích chập trên miền thời gian của đáp ứng xung kênhtruyền và tín hiệu phát Với chú ý là độ dài kênh truyền thỏa mãn điều kiện 0 ≤ τ ≤ Tg

ta có

) ( )

( ) , ( ) ( ) ( ) ( )

(

0

t d t x t h t

t x t h t

Biến đổi song song- nối tiếp

Ánh xạ tín hiệu ngược

Tín

hiệu

phát

Tín hiệu thu

Tín hiệu thu tại phía thu được giải đìều chế kênh con bằng cách cho qua các bộlọc có đặc tính chọn lọc sóng mang thích hợp, thực chất là các sóng mang được tạo lại

và nhân với tín hiệu nhận được Dạng sóng của tín hiệu sóng mang tạo bởi bên thu códạng:

n

0 ) ( )

dt t t dt

t d

t t g X t h

T

T n

T

T

T

n N

n

g g

g

) ( ) ( )

( )

( ) ( )

Giả sử kênh truyền không thay đổi trong một ký tự OFDM thì hàm truyền đạt

của kênh truyền không phụ thuộc vào thời gian tức là h(τ,t) = h(τ).

*

* 0

) ( ) ( )

( )

( ) ,

T

T

T

n n

Y

g g

T T

e h d

t

h

0

) ( 2 0

' 0 ' ( ) ( )

T t n f j

d e

h T

T

e

0

2 )

( 2

' 0

' 0

) (    



(2.13)

nhận thấy rằng phần trong ngoặc của biểu thức (2.13) chính đáp ứng xung trên

miền tần số của kênh truyền tại các tần số f = n ’ f 0 = n ’

N

W hay đó chính là biến đổi

Fourier của h(τ) Vậy tín hiệu nhận được ứng với từng kênh truyền có thể viết dưới

* (

2 (

2

1 0

*

* ) ( 2

) ( ) (

) ( ) ( )

(

) 0 ) ' 0 '

'

' ) ' 0 '

g

T t n f j n n

N

T

T n

n T

T t n f j n n

dt t t dt

T T

e T T

e H X

dt t t dt

t H T T

e X Y

g g

g g

g g

T

T t n f j

g

T t n f j n n U

g

T t n f j n n

g

g g

g

g g

T T

e T T

e H X T

T

e T T

e H

) ( 2 ) ( 2 SE

1

0

) ( 2 ) (

0 '

'

' 0



(2.14)

Nhìn vào biểu thức (2.14) có thể nhận xét rằng tín hiệu của kênh n ngoài thànhphần có ích khi n = n’ còn có thành phần nhiễu của kênh khác khi n ≠ n’ Nếu bộ sóngmang tạo bởi phía thu không đồng bộ với phía phát thì xuất hiện hiện tượng tín hiệucủa một kênh con trong khối tín hiệu OFDM có giá trị khác không tại sóng mang củakênh con khác gây ra hiện tượng nhiễu xuyên kênh giữa các kênh con (ICI) Điều đó

có nghĩa là biểu thức tích phân trong thành phần ICI (biểu thức (2.14)) khác không.Nếu sóng mang tạo được bên phát đồng bộ được với bên thu, biểu thức tích phân trongthành phần ICI (biểu thức (2.14)) bằng không, thành phần nhiễu xuyên kênh bằngkhông Khi đó tín hiệu nhận được trong kênh thứ n rút gọn được thành

0

'

2.2.1.4 Xử lý tín hiệu số OFDM

a Biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

Cho dãy x[n], 0 ≤ n ≤ N-1, là dãy rời rạc theo thời gian N điểm DFT của x[n]

được định nghĩa

 

N i X n x

n

N i n j

i X N n x i X

n

N i n

j 

(2.17)

Chuỗi dữ liệu đầu vào x[n] được truyền qua kênh truyền bất biến theo thời gian

có đáp ứng xung h[n] thì chuỗi số liệu đầu ra là tích chập rời rạc của tín hiệu đầu vào

và đáp ứng xung của kênh truyền

              

k

k n x k h n

h n x n x n h n

Tích chập vòng N điểm của x[n] và h[n] được định nghĩa

             

N k

k n x k h n

h n x n x n h n

tích chập vòng giúp tránh trường mất mẫu khi chiều dài của chuỗi ra lớn hơn khả năngbiểu diễn của DSP.

b Tạo tín hiệu OFDM bằng DFT

Tín hiệu OFDM là tổng của N tín hiệu sóng mang trên các kênh con có biên độ

khác nhau, nhưng tần số của các kênh con cách nhau một khoảng đều đặn f 0 và tín hiệuOFDM thu được là tín hiệu được biểu diễn trên miền thời gian Qua đó cho thấy có sựbiến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian điều này tương đương với chứcnăng của phép biến đổi IDFT vậy có thể dùng biến đổi IDFT như một công cụ để thựchiện điều chế tín hiệu OFDM được không? Xem xét kỹ hơn ta thấy các kênh con cókhoảng cách đều đặn nhau, điều này giống với tập N điểm X[k] trong dãy N điểm trênmiền tần số Lập một tập gồm N điểm X[k] bằng cách thay X[k] = Xk,m với k = 1, 2, ,

N và m có giá trị không đổi trong mỗi tập của X[k] Nếu lấy mẫu tín hiệu đó với tấn số lấy mẫu Tìm tập hợp x[n] gồm N điểm là kết quả của phép biến đổi IDFT của tập điểm

lấy mẫu tín hiệu trên với tấn số lấy mẫu f m = Nf 0 với f0 = 1T s tương ứng ta có

chu kỳ lấy mẫu là tm = 1 f m= T N s tín hiệu của một ký tự OFDM được biểu diễn bởi

1

2 ,

Nhận thấy biểu thức (2.25) gồm hai phần, phần thứ nhất là hằng số không phụ

thuộc vào biến k thành phần thứ hai có dạng giống biểu thức (2.22) biểu diễn IDFT của X[k] Tín hiệu của một ký tự OFDM có thể thay thế bằng N mẫu s m (kt m ) với k = 1,

2, N việc khôi phục lại tín hiệu tương tự OFDM có thể được thực hiện bằng cách cho

N mẫu đó qua bộ lọc có tần số cắt thích hợp

Như vậy là có thể thay thế phần tạo dao động và phần điều chế OFDM tương tựbằng khối thực hiện thuật toán IDFT (được thực hiện bằng biến đổi Fourier ngượcnhanh - IFFT) và bộ chuyển đổi A/D

Với sự thay thế như trên ta có thể nhận được biểu diễn tín hiệu như sau

ứng xung của kênh truyền khi rời rạc hóa là h[n] với n = 0, 1, 2, , μ với μ + 1 =  t m

Tập hợp gồm N mẫu biểu diễn một ký tự OFDM theo thời gian là {x[0], x[1], x[N-1]} Giả sử chiều dài đoạn bảo vệ bằng chiều dài kênh truyền thì số mẫu của đoạnbảo vệ là μ + 1 và được định nghĩa là tập {x[N- μ], , x[N- 1]} bao gồm μ giá trị cuốicủa chuỗi x[n] Mỗi chuỗi đầu ra x[n] thì μ giá trị cuối cùng được copy lên đầu để tạobắt đầu của một chuỗi mới x[n] với – μ ≤ n ≤ N-1 cấu trúc của một ký tự OFDM cóđoạn bảo vệ trên miền thời gian như hình 2.8

Hình 2.8 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài μ

Chuỗi tín hiệu x[n] được truyền qua kênh truyền với đáp ứng xung được rờirạc hóa như trên thì chuỗi số thu được tại đầu thu y[n] có chiều dài N-1 được địnhnghĩa là

H i Y IDFT n

x i H

i Y i

chuỗi số chứa tin tức được phát có thể được khôi phục lại nếu đánh giá đượckênh truyền, tức tìm được hàm truyền đạt của kênh truyền Kênh truyền có thể đượcđánh giá thông qua nhiều phương pháp khác nhau như dùng tín hiệu dẫn đường Pilot,dùng phương pháp đánh giá mù

Từ biểu thức (2.29) rút H[i] ta được

X

i Y i

Trong phương pháp dùng tín hiệu dẫn đường kênh truyền được giả sử là khôngthay đổi trong khoảng thời gian giữa hai lần phát Pilot Tín hiệu Pilot chứa thông tin

mà cả hai phía thu phát đều biết, từ biểu thức (2.30) ta có đánh giá được kênh truyền

và coi đó là đại diện cho hàm truyền đạt của kênh truyền trong khoảng thời gian cóPilot tiếp theo

Hình 2.9 minh họa khả năng chống nhiễu ISI của tín hiệu OFDM khi được thêmđoạn bảo vê Ngoài tác dụng chống nhiễu ISI đoạn bảo vệ còn có tác dụng đồng bộ ký

tự tức là xác định thời điềm ký tự bắt đầu Tư tưởng cơ bản của phương pháp này làxét hiệu hai mẫu cách nhau N bước:

Hình 2.9 Vòng bảo vệ chặn trước trong xử lý số

Nếu r m   và r m N    tương ứng với các mẫu tín hiệu phát cùng nằm trongthời khoảng của cùng một ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên công suấtcủa d m   thấp.

Nếu r m   và r m N   không tương ứng với các mẫu tín hiệu phát nằm trongthời khoảng của cùng một ký tự, d m   là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương

quan Công suất trung bình của của d m   trong trường hợp này bằng hai lần công

suất trung bình của mỗi ký tự OFDM

Nếu sử dụng “cửa sổ“ trượt có độ rộng bằng  (tức là điểm cuối của cửa sốtrùng vào thời điểm bắt đầu của ký tự OFDM) thì khi cửa số này hoàn toàn trùng vớithành phần đoạn chặn trước của ký tự OFDM nên có một cực tiểu về công suất trungbình của các mẫu d m   trong cửa sổ này Từ đó có thể ước lượng được thời điểm bắt

đầu của ký tự OFDM, từ đó đồng bộ về thời gian được thực hiện

2.2.2 Công nghệ OFDMA.

Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) được xâydựng trên cơ sở ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, nhưng điểm khác biệt giữaOFDM và OFDMA chính là: Các sóng mang được truyền dẫn song song với cùng mộtbiên độ trong kỹ thuật OFDM Với OFDMA, sóng mang được chia ra làm N nhómmỗi nhóm có n sóng mang ứng với n kênh con với mỗi kênh con trong một nhóm.Hình 2.10 mô tả sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA

Hình 2.10 Mô tả OFDM và OFDMA

Trong OFDMA 2048 sóng mang, ví dụ truyền dẫn ở n=32 và N=48 cho đườngxuống, và n=32, N=53 cho đường lên, với các kênh dành sẵn được sử dụng để bảo vệbăng tần và pilot Mã hóa, điều chế và biên độ được thiết lập riêng cho mỗi kênh contrên cơ sở các điều kiện của kênh để tối ưu cho sử dụng tài nguyên mạng

Kênh con đường lên cải thiện hiệu suất đáng kể, do băng tần dành cho đườngtruyền từ thiết bị người sử dụng là rất hạn chế Trong OFDM thiết bị người sử dụngđược truyền trên toàn bộ không gian của kênh tải một lần như hình 2.10 OFDMA hỗtrợ cho đa truy nhập, nó cho phép thiết bị người sử dụng truyền lên chỉ thông quanhững kênh con được cấp phát cho chúng Trong OFDMA với 2048 sóng mang và 32kênh con, nếu chỉ một kênh con được cấp phát cho một thiết bị, tất cả nguồn truyền sẽđược tập trung trong 1/32 của giá trị phổ tần và có thể mang lại thêm 15 dB hơnOFDM Đa truy nhập có lợi ích đặc biết khi kênh rộng được sử dụng

Trong OFDM, thiết bị đầu cuối được ấn định khe thời gian cho truyền dẫn vàchỉ 1 thiết bị đầu cuối có thể truyền dẫn trong cả khe thời gian đơn đó Với OFDMA,việc phân kênh con cho phép một số thiết bị đầu cuối có thể truyền trong cùng mộtthời gian trên một kênh con được ấn định cho chúng

Sóng mang OFDMA

OFDMA

n sóng mang

Hình 2.11 Đường lên với OFDM và OFDMA

Một đặc điểm quan trọng được thêm vào trong chuẩn IEEE 802.16 là dựa trên

cơ sở của đa truy nhập ghép kênh trực giao phân mức (S-OFDMA) Điều này mang lạimột lợi thế thêm nữa trên OFDMA S-OFDMA cung cấp một giải các băng thông khácnhau, dễ dàng cho việc ấn định cho các loại phổ sử dụng cho các yêu cầu khác nhau.Khả năng phân mức được thực hiện bằng việc đưa vào kích cỡ FFT trong khi cố địnhkhoảng cách giữa các sóng mang con là 10,94 KHz Khi tài nguyên băng thông cácsóng mang con và độ dài ký tự là cố định, tác động tới mức cao hơn là tối thiểu khi xácđịnh tỷ lệ băng thông Đặc tính của SOFDM được đưa ra như trong bảng 2.3 Băngthông cho profiles ban đầu được nhóm kỹ thuật của diễn đàn WiMAX định ra vớiphiên bản 1 là 5 và 10 MHz