kỹ thuật MIMO OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 2: Trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuât OFDM, phân tích tính toán ñể thấy ñược những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM trong truyền tốc ñộ dữ liệu cao như sử dụng băng thông hiệu q

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông vô tuyến càng ngày càng tăng Một xu hướng ñang

diễn ra trong ngành truyền thông vô tuyến là sự nổi lên của kỹ thuật MIMO-OFDM ở

các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới Trên thực tế, sự hiện diện của

MIMO-OFDM là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc ñộ số liệu cao hơn của khách hàng mà không

cần sử dụng thêm ñộ rộng băng tần kênh

OFDM là một công nghệ ñã chín muồi và ñược sử dụng nhiều trong truyền dẫn số

liệu vô tuyến và hữu tuyến như WLAN, WiMAX, ADSL, truyền hình số và Radio số

Ưu ñiểm nổi bật của OFDM là tăng hiệu suất sử dụng phổ và chống nhiễu gây ra do

hiện tượng Fading ña ñường Trong khi ñó, MIMO là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten

phát và anten thu ñể truyền dữ liệu MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian,

mã hóa…) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc ñộ dữ liệu Sự kết hợp những ưu

ñiểm của kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO ñể tạo thành hệ thống OFDM–MIMO ñã

ñược nghiên cứu, ứng dụng và ñạt ñược những kết quả rất khả quan Có khả năng

MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là trụ cột cơ bản của các công nghệ truyên thông băng rộng

trong tương lai Do ñó với hi vọng có những hiểu biết tốt hơn vể những nguyên tắc cơ

bản của kỹ thuật OFDM, em ñã chọn ñề tài nghiên cứu:”Kỹ thuật

MIMO-OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến” ñể làm luận văn tốt nghiệp

Trong quá trình làm luận văn em ñược sự giúp ñỡ tận tình của cô PGS.TS Nguyễn

Việt Hương, người ñã trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này và các thầy cô trong

khoa ðiện Tử - Viễn Thông ñã giúp ñỡ em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội,ngày 20 tháng 10 năm 2011

TÓM TẮT LUẬN VĂN

There are 4 chapter in my thesis:

Chapter1: In this chapter I will present about basic theory,including models,calculation

of transmission channel and multiplexing techniques in Wireless communication

system

Chapter 2: In chapter 2,I focus on the basic principles of OFDM technology,analysis

calculation to see the advandtage of OFDM techique in high speed transmission ,like

,efficiency bandwidth using,anti- fadin and ISI interference

Chapter 3: Introducing about MIMO system,analysing and calculating capacity of

system,analysing theory of STC coding to improve quality and capacity of system

Chapter 4: Using the basic theory which is presended in chap 1&2 to analyse

MIMO-OFDM system I will present about models and establish the mathematic formula of

MIMO-OFDM system

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Trình bày phần lý thuyết cơ sở bao gồm các mô hình, tính toán kênh truyền

và các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến

Chương 2: Trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuât OFDM, phân tích tính toán ñể

thấy ñược những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM trong truyền tốc ñộ dữ liệu cao như sử

dụng băng thông hiệu quả, chống ñược fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI,…

Chương 3: Giới thiệu về hệ thống MIMO, phân tích tính toán dung lượng của hệ thống

MIMO, phân tích lý thuyết về mã hoá không gian thời gian STC nhằm nâng cao chất

lượng và dung lượng của hệ thống

Chương 4: Sử dụng các cơ sở lý thuyết ñược phân tích trong chương 2 và chương 3 ñể

phân tích hệ thống MIMO-OFDM, trình bày các mô hình và thiết lập các công thức toán

học của hệ thống MIMO-OFDM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ðẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến 11

1.1.1 Suy hao ñường truyền 11

1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading 12

1.1.3 Hiệu ứng Doppler 14

1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng 15

1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm 19

1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean[1] 21

1.2 Các phương thức ghép kênh 24

1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM 25

1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM 25

1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM 25

1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 26

1.3 Các kỹ thuật phân tập 26

1.3.1 Phân tập không gian 27

1.3.2 Phân tập tần số 28

1.3.3 Phân tập thời gian 29

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 30

1.4.1 Hệ thống SISO 30

1.4.2 Hệ thống SIMO 31

1.4.3 Hệ thống MISO 31

1.4.4 Hệ thống MIMO 31

1.4.5 Kết luận ……… ……… 32

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM 33

2.1 Giới thiệu 33

2.2.1 Sự phát triển của OFDM 33

2.1.2 Lịch sử OFDM[4] 35

2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 36

2.1.1 Sóng mang trực giao 36

2.1.2 Mô hình hệ thống OFDM 37

2.3 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của OFDM 48

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 50

3.1 Giới thiệu 50

3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 50

3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO 50

3.2 Mã hóa không gian-thời gian STC 51

3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO 52

3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO[10] 52

3.2.3 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 58

3.2.4 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC[18] 67

3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST[11] 69

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84

4.1 Giới thiệu 84

4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 85

4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 85

4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 88

4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 92

4.2.4 Tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình PARR 95

KẾT LUẬN 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 97

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 12

Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ựổi theo thời gian 14

Hình 1.3 đáp ứng tần số của kênh truyền 15

Hình 1.4 Tắn hiệu tới phắa thu theo L ựường 16

Hình 1.5 Kênh truyền thay ựổi theo thời gian 20

Hình 1.6 Hàm mật ựộ xác suất Rayleigh và Ricean 23

Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh 24

Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ựộng 26

Hình 1.9 Các phương pháp phân tập 28

Hình 1.10 Phân tập theo thời gian 29

Hình 1.11 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến 30

Hình 2.1 FDM truyền thống 33

Hình 2.2 Hệ thống thông tin ựa sóng mang 34

Hình 2.3 Băng thông ựược sử dụng hiệu quả trong OFDM 34

Hình 2.4 Ba tắn hiệu sin trực giao 36

Hình 2.5 Sơ ựồ khối hệ thống OFDM 37

Hình 2.6 Bộ S/P và P/S 38

Hình2.7 Bộ Mapper và Demapper 39

Hình 2.8 Bộ IFFT và FFT 39

Hình 2.9 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 41

Hình 2.10 đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading 42

Hình 2.11 Tắn hiệu ựược chèn khoảng bảo vệ 43

Hình 2.12 Bộ A/D và D/A 46

Hình 2.13 Bộ Up-Converter và Down-Converter 46

Hình 2.14 Bộ Equalizer miền tần số 48

Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 50

Hình 3.2 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 53

Hình 3.3 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương ựương .55

Hình 3.4 Sơ ñồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 55

Hình 3.5 ðịnh lý Waterfilling 56

Hình 3.6 Phân phối công suất khi SNR cao 57

Hình 3.7 Phân phối công suất khi SNR thấp 57

Hình 3.8 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 59

Hình 3.9 Các symbol phát và thu trong sơ ñồ Alamouti 60

Hình 3.10 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 63

Hình 3.11 Sơ ñồ mã lưới 68

Hình 3.12 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 68

Hình 3.13 Lưới mã và sơ ñồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 69

Hình 3.14 Hệ thống V-BLAST 71

Hình 3.15 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 76

Hình 3.16 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu 77

Hình 3.17 Máy thu V-BLAST MMSE 82

Hình 4.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến của IEEE 85

Hình 4.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 86

Hình 4.3 Ma trận kênh truyền 87

Hình 4.4 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 88

Hình 4.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 92

Hình 4.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 94

Hình 4.8 ZF/MMSE Decoder 95

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Từ ñầy ñủ Nghĩa tiếng việt

A/D Analog To Digital Tương tự/Số

AFC Auto-Correlation Function Hàm tự tương quan

ADSL Asymmetric Digital

Subscriber Line

ðường dây thuê bao bất ñối xứng

ALEX Average Excess Delay Trễ giới hạn trung bình

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Nhiễu trắng

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít

BLAST Bell Laboratories Layered

Space Time Code BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải

BPSK Binary Phase Shift Keying ðiều chế pha nhị phân

CDM Code Division

Multiplexing

Ghép kênh theo mã

CSI Chanel Station Information Thông tin trạng thái kênh truyền

D/A Digital/Analog Số/Tương tự

DAB Digital Analog

DPSK Differential Phase Shift

Keying

ðiều chế di pha vi phân

DVB-H Digital Video Broadcasting

–Handheld

Quảng bá truyến hình số cầm tay

DVB-T DVB-Terrestrial Quảng bá truyền hình số mặt ñất

FDM Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FFT Fast Furrier Transform Biến ñổi Furie nhanh

FIR Finite Impluse Response Hệ ñáp ứng xung hữu hạn

HDSL Hight-bit-rate Digital

Subcriber Line

DSL tốc ñộ cao

HyperLAN2 High Performance Radio

Local Arial Network Type

2

Mạng cục bộ chất lượng cao

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Biến ñổi Furie ngược

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư và ñiện tử

IFFT Inverse Fast Fourier

Transform

Phép biến ñổi Furier nhanh

IID Independent and Iditically

Distributed

Ngẫu nhiên ñộc lập và cùng phân phối

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

LAN Local Arial Network Mạng cục bộ

LOS Light Of Sight Tầm nhìn thẳng

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

MIMO Multil Input-Multil Output Nhiều ñầu vào-Nhiều ñầu ra

MISO Multil Input-Single Output Nhiều ñầu vào-một ñầu ra

ML Maximum Likelihood Hợp lý cực ñại

MMSE Minimum Mean Square

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multilplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

P/S Parallel to Serial Song song/nối tiếp

PAPR Peak To Average Power

ðiều chế biên ñộ trực giao

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

ðiều chế pha trực giao

RF Radio Frequency Tần số Radio

SIMO Single Input-Multil Output Một ñầu vào-nhiều ñầu ra

SISO Single Input-Single Output Một ñầu vào-một ñầu ra

S/P Serial/Parallel Nối tiếp/song song

SINR Signal to Interference Plus

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến

1.1.1 Suy hao ñường truyền

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như : sự nở rộng về mọi

hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt ñất

Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến ñổi rất chậm ngay cả

ñối với các thuê bao di chuyển với tốc ñộ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ ñược

truyền ñi theo mọi hướng (nghĩa là sóng ñược mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi

chúng ta dùng anten ñịnh hướng ñể truyền tín hiệu, sóng cũng ñược mở rộng dưới dạng

hình cầu nhưng mật ñộ năng lượng khi ñó sẽ ñược tập trung vào một vùng nào ñó do ta

thiết kế.Vì thế, mật ñộ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách

khác là cường ñộ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (1.1) tính

công suất thu ñược sau khi truyền qua một khoảng cách R

λ: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2

L pt = T − R

(1.3) Nói chung chúng ta có thể xây dựng ñược một mô hình khá chính xác cho các tuyến

thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi

ba ñiểm nối ñiểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên

mặt ñất như thông tin di ñộng, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp

hơn nhiều do ñó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ ñối với nhưng kênh

truyền dẫn vô tuyến di ñộng UHF, khi ñó ñiều kiện về không gian tự do không ñược

thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao ñường truyền như sau:

L pt = − 10 log10G T − 10 log10G R − 20 log10h BS − 20 log10h MS − 40 log10R (1.4)

Với h BS , h MS<< R là ñộ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di

ñộng MS (Mobile Station)

1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật

cản phân tán rải rác trên ñường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông,… gây ra các

hiên tượng sau ñây

a)Hiện tượng phản xạ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiên tượng nhiễu xạ

Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

 Tán xạ (scattering): khi sóng ñập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật

này có chiều dài so sánh ñược với chiều dài bước sóng (hình 1.1b)

 Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn

nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.1c)

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ

tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các

ñường dài ngắn khác nhau nên

 Thời ñiểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là ñộ trễ pha giữa các

 Tín hiệu thu ñược tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao ñồng pha

 Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha

Tùy theo ñáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số

(frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective

fading channel), kênh truyền biến ñổi nhanh (fast fading channel) hay biến ñổi chậm

(slow fading channel) Tùy theo ñường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân

bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay

Rice

Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian

Hinh 1.2 mô tả ñáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian, khi

ta lần lược phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời ñiểm khác nhau, tín hiệu

thu ñược có hình dạng khác xung ban ñầu và khác nhau khi thời ñiểm xung kích khác

nhau

1.1.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển ñộng tương ñối giữa máy phát và máy thu

Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch ñi so với tần số trung tâm

một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển ñộng của máy thu là θk, khi ñó tần số

Doppler tương ứng của tuyến này là:

Trong ñó f0,v,c lần lượt là số sóng mang của hệ thống,vận tốc chuyển ñộng tương ñối

của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.Nếu

1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có ựáp ứng tần số khác nhau, không bằng

phẳng trong một dải tần số, do ựó tắn hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền

sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay

không còn tùy thuộc vào băng thông của tắn hiệu truyền ựi Nếu trong toàn khoảng băng

thông của tắn hiệu ựáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần

số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading

channel), ngược lại nếu ựáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau

trong băng thông tắn hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency

selective fading channel) Mọi kênh truyền vô tuyến ựều không thể có ựáp ứng bằng

phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một

khoảng nhỏ tần số nào ựó

Hình 1.3 đáp ứng tần số của kênh truyền

Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền cĩ băng

thơng lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu cĩ băng thơng nhỏ

khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng

Trên đây chúng ta đã mơ tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định lượng thơng số

của kênh truyền [1]

Tán xạ 1 Phản xạï 2

3 LOS

y

1

) (

i τ

τ = thời gian trễ cĩ giá trị thực

Tổng quát tín hiệu tơi máy thu cĩ dạng sau

) , (

* ) ( )

, ( ).

( )

1

) ( ).

( )

t

Mỗi kênh truyền ñều có ñáp ứng xung, do ñó mỗi kênh truyền có thể ñặc trưng bằng

hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function)

[ ( , ) ( , )] [ ( , ) ( , )])

* 2

Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1, t2, τ1, τ2) nên ñể ñơn giản trong

tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không tương

quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter)

WSS : quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào ∆t =t2 −t1

US: các thành phần phản xạ ñộc lập nhau

Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:

) (

) , ( ) , ( )

, , ,

P h ∆ là mật ñộ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)

Khi ∆t =0 , P h(τ)=P h(∆t,τ) ñược gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile

hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình

của tín hiệu sau khi qua kênh truyền Do ñó công suất ra của tín hiệu ñược tính theo

Ta sẽ dùng công thức này ñể phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency

Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền

biến ñổi nhanh (Fast Fading) hay biến ñổi chậm (Slow Fading)

Nếu ∆t = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa

các khoảng tần số _∆ f của kênh truyền

R f

R f

RH( ) H( 0 , ) h( ) j2 f (1.14)

Mọi kênh truyền ñều có một khoảng tần số (∆f ) C tại ñó tỉ số

)0(

)(

Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith

 Nếu kênh truyền có (∆f ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược

truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy

selective channel) Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng

 Nếu kênh truyền có (∆f ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược

truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số

(frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel)

Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường ñược dùng khi xét

kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn

trung bình TAEX ( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng τRMS (RMS

delay spread) của kênh truyền

L

k

k k AEX

P

P T

L

k

k AEX k RMS

P

P T

1

1

2

) (τ

Với Tk thời gian trễ của bản sao thứ k

Pk là công suất của bản sao thứ k Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τRMS so sánh ñược với Tsymbol

1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm

Kênh truyền vô tuyến sẽ có ñáp ứng tần số không ñổi theo thời gian nếu cấu trúc của

kênh truyền không ñổi theo thời gian Tuy nhiên mọi kênh truyền ñều biến ñổi theo thời

gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến ñổi, luôn có vật thể mới xuất

hiện và vật thể cũ mất ñi, xe cộ luôn thay ñổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có thể ñược

xây dựng thêm hay bị phá hủy ñi… Hình 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu ñược thay

ñổi theo thời gian dù tín hiệu phát ñi có công suất không ñổi tức là kênh truyền ñã thay

ñổi theo thời gian

Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính

tương ñối, nếu kênh truyền không thay ñổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự

Tsymbol , thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time

nonselective fading channel) hay kênh truyền biến ñổi chậm (slow fading channel),

ngược lại nếu kênh truyền biến ñổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền ñó

ñược gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh

truyền biến ñổi nhanh (fast fading channel) Môi trường trong nhà ít thay ñổi nên có thể

xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên thay ñổi nên ñược xem là fast

fading Trong các cell di ñộng, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục

làm thay ñổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian, tức là ñịa hình

thay ñổi liên tục ðiều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay ñổi theo thời gian

gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng

tần số

c

v f

f = ± 0

Với f0 là tần số tại máy phát

v là vận tốc của thuê bao MS

c là vận tốc ánh sáng

MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại

Sau ñây ta sẽ xét kĩ hơn các thông số xác ñịnh kênh truyền là slow fading hay fast

fading

Từ (1.13) nếu ∆ f =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả tương

quan giữa các khoảng thời gian ∆ t của kênh truyền

) (

ñáp ứng của kênh truyền ñược xem là biến ñổi không ñáng kể trong khoảng (∆ t )C

Khoảng thời gian ñó ñược gọi là Coherence time

 Nếu kênh truyền có (∆ t )C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol

của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc

thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel)

 Nếu kênh truyền có (∆ t )C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol

của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn

lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel)

1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean [1]

Tùy theo ñịa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc

không tồn tại ñường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, ñường LOS là ñường mà ánh

sáng có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bị cản trở) Nếu kênh

truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh ñược

ñường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyên ñược

gọi là kênh truyên Rayleigh fading Khi này tín hiệu nhận ñược tại máy thu chỉ là tổng

hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì

ñây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng

NLOS (NonLight Of Sight) không ñóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng

quá xấu ñến tín hiệu thu, khi này ñường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố

Rice nên kênh truyền ñược gọi là kênh truyền Ricean fading

Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng

y

1

) (

)

Các hệ số suy hao _αi là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng :

) (

) ( ) ( )

) ( )

t

t tg

Nếu có nhiều bản sao tín hiệu ñến từ rất nhiều ñường khác nhau tại máy thu, thì ta có

thể áp dụng thuyết giới hạn trung tâm (central limit theorem), khi này có thể xem các hệ

số αr (t) và αi (t ) là các quá trình ngẫu nhiên Gauss

Nếu αr (t) và αi (t ) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì

 α (t ) sẽ có ñặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh

a

e

a a

phương sai của quá trình Gauss

))(var(

))(var(

ta có kênh truyền Rayleigh fading

Nếu αr (t) và αi (t) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì

 α (t ) sẽ có ñặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice

α σ

0

)

2 2

2 2 0 2

A

e

A I a

I0(x) là hàm Bessel loại 1 bậc 0: _ = ∫

π

θ θπ

2

0

cos 0

2

1)

K = , K gọi là hệ số Ricean K = 0 tương ứng A = 0 hàm phân bố Ricean trở

thành hàm phân bố Rayleigh Hình 1.6 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh

(K = 0 hay K =_− ∞ [dB]) và Ricean với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB]

Hình 1.6 Hàm mật ñộ xác suất Rayleigh và Ricean

1.2 Các phương thức ghép kênh

Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do ñó nó cần sử dụng thật hiệu

quả Dãi tần số này ñược quy ñịnh chặt chẻ và ñược phân bố một cách giới hạn cho từng

mục ñích cụ thể như thông tin di ñộng, phát thanh, truyền hình … Vì vậy các phương

thức ghép kênh không ngừng ñược nghiên cứu và phát triển ñể có thể sử dụng thật hiệu

quả kênh truyền vô tuyến Có bốn phương thức ghép kênh là FDM, TDM, CDM, và

1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM

Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra ñời ñầu tiên, với ý tưởng là

một băng thông lớn sẽ ñược chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn không chồng lấn,

giữa các khoảng tần này cần có một khoảng bảo vệ ñể có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy

khoảng tần mong muốn (hình 1.7a) Mỗi kênh dữ liệu sẽ chiếm một tần số với băng

thông nhỏ này toàn trục thời gian dù có sử dụng hay không sử dụng, ñiều này dẫn ñến

lãng phí băng thông ðây là phương thức sử dụng sớm nhất, lâu nhất và kém hiệu quả

nhất FDM ñược sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống mircowave, phát thanh quảng

bá AM, FM Hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin di ñộng thế hệ thứ nhất

1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM

Kỹ thuật TDM ( Time Division Multiplexing) ra ñời với hiệu suất sử dụng kênh

truyền cao hơn Với TDM trục tần số ñược 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

ñịnh (hình 1.7b) Luồng bit tốc ñộ thấp của mỗi kênh sẽ ñược ghép lại thành một luồng

bit tốc ñộ cao duy nhất, và ñưa lên kênh truyền Do ñó TDM cần sự ñồng bộ chính xác

ñể có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu TDM ñược sử dụng khá phổ biến

trong các hệ thống thông tin số

Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz ñược chia thành 125 kênh với băng

thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM Mỗi kênh 200KHz này ñược 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 ñáng kể

Trong kỹ thuật CDM ( Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sử dụng

ñồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực giao

Mỗi kênh sẽ ñược gán một mã nhất ñịnh (hình 1.7c) Dữ liệu của các kênh trước khi

phát ñi sẽ ñược nhân với một mã trải phổ ñể giãn phổ tín hiệu ra toàn băng thông, ở phía

thu dữ liệu sẽ ñược khôi phục bằng cách nhân lai với mã trải phổ tương ứng CDM là

một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp ñòi hỏi sự ñồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật ñiều

khiển công suất chính xác

1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép

kênh ra ñời khá lâu, tương tự kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn

sẽ ñược chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này

phải có một khoảng tần bảo vệ, ñiều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích do các dãi

bảo vệ này hoàn toàn không chứa ñựng tin tức OFDM ra ñời ñã giải quyết vấn ñề 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 ñó không cần dải bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiêm băng thông

hơn hẳn FDM Kỹ thuật này sẽ ñược xem xét kỹ hơn trong chương 2

_

Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ñộng

Hình 1.8 cho ta thấy các ứng dụng của các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin

di ñộng, trong ñó OFDM ñang ñược nghiên cứu ñể ứng dụng vào hệ thống thông tin di

ñộng thứ tư

1.3 Các kỹ thuật phân tập

Trong truyền thông không dây di dộng, kỹ thuật phân tập ñược sử dụng rộng rãi

ñể làm giảm ảnh hưởng của fading ña ñường và cải tiến ñộ 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 tín 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 tín hiệu một cách ñộc lập thì những mẫu này bị suy

giảm cũng ñộc lập với nhau ðiều này có nghĩa là khi một ñường tín hiệu cụ thể bị suy

giảm thì ñường tín 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 ñộ tin cậy của

ñường truyền

Có nhiều cách ñể ñạt ñược phân tập Phân tập thời gian có thể thu ñược qua mã

hoá (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu ñặc tính của kênh truyền là

chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu ñặt cách nhau

với khoảng cách ñủ 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 ñược sử

dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử

dụng nhiều anten hoặc chuỗi array ñược sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc

phía thu Các anten ñược phân chia ở những khoảng cách ñủ lớn sao cho tín hiệu không

tương quan với nhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào ñộ cao của

anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách ñiển hình khoảng vài

bước sóng là ñủ ñể các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian,

các phiên bản của tín hiệu phát ñược truyền ñến 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 ðặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không

dây tốc ñộ 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 ñược sử dụng ở nơi thu ñể nhận các phiên bản của tín

hiệu phát một cách ñộc lập Các phiên bản của tín hiệu phát ñược kết hợp một cách

hoàn hảo ñể tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading ña ñường

Trong hệ thống thực tế, ñể ñạt ñược BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai hay

nhiều hệ thống phân tập thông thường ñể 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 ñể phát cùng

một thông tin Các tần số cần ñược phân chia ñể ñảm bảo bị ảnh hưởng của fading một

cách ñộc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán ñể

ñảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong

truyền thông di ñộng, các phiên bản của tín hiệu phát thường ñược cung cấp cho nơi thu

ở dạng dư thừa trong miền tần số còn ñược gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp,

ñiều chế ña 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 ña ñường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường

hợp này, trải phổ là không hiệu quả ñể cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra

1.3.3 Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu ñược qua mã hóa và xen kênh Sau ñây ta sẽ so

sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi ñộ lợi kênh truyền rất

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 ít bị ảnh hưởng bởi fading

Phân tập thời gian có thể ñạt ñược bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe

thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan với nhau Khoảng

cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch ñảo

truyền thông di ñộng, mã ñiều khiển lỗi kết hợp với xen kênh ñể ñạt ñược sự phân tập

thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát ñến nơi thu dưới dạng

dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát

ñược quy ñịnh bởi thời gian xen kênh ñể thu ñược fading ñộc lập ở ngõ vào bộ giải mã

Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn ñến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường

hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở ñó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ

ðối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn ñến trì hoãn

ñáng kể

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến có thể ñược phân loại thành bốn hệ thống cơ

bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.11

chế, giải ñiều 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 tín hiệu trên nhiễu ñược xác ñịnh 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 phía sử dụng một anten, phía còn lại sử

dụng ña anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu ñược gọi là hệ

thống SIMO Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các

anten thu nhằm tối ña tỷ số tín 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

1.4.3 Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu ñược gọi là hệ thống MISO

Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ ñó cải thiện

lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming ñể tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ Khi

máy phát biết ñược thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit

của số anten phát và có thể ñược xác ñịnh gần ñúng theo công thức 1.30

1.4.4 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng ña anten cả nơi phát và nơi thu Hệ thống

có thể cung cấp phân tập phát nhờ ña anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào ña

anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và

nơi thu ñể tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ

thống có thể cải thiện ñáng kể nhờ vào ñộ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá

không gian_thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền ñược biết tại cả nơi phát và

thu, hệ thống có thể cung cấp ñộ lợi phân tập cực cao và ñộ lợi ghép kênh cực ñại, dung

lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cức ñại có thể xác ñịnh theo biểu thức 1.31

C = log2(1+NT.NR.SNR) (1.31) Dung lượng hệ thống trong trường hợp ñạt ñộ lợi ghép kênh cực ñại có thể xác ñịnh

theo biểu thức 1.32

C = min(NT,NR) log2(1+SNR) (1.32) Với các ưu ñiểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng hệ thống

MIMO ñang ñược nghiên cứu ñể 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 ñang ñược nghiên cứu trong các chuẩn không

dây như chuẩn IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX) Hệ thống MIMO sẽ

ñược xem xét kỹ hơn trong chương tiếp

1.4.5 Kết luận

Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến ñược phân thành bốn hệ thống cơ bản là

SISO, SIMO, MISO, và MIMO các mô hình này ñều có ưu ñiểm về hiệu suất và triệt

can nhiễu ðặc biệt hệ thống MIMO ñang ñược 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) ñã ñược phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi

trong các hệ thống thông tin tốc ñộ cao OFDM ñược 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) ñã ñược sử

dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu ñể truyền qua một ñường dây

ñiện thoại Mỗi kênh ñược xác ñịnh bằng một tần số trung tâm và các kênh ñược phân

cách bởi các dải bảo vệ nhằm ñảm 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 ña sóng mang

Truyền dẫn ña sóng mang MC ( Multicarrier Communication) là một dạng FDM nhưng

ñược dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng MC không

ñược dùng ñể ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng ñể chia nhỏ luồng

dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song Dạng MC ñơn giản nhất chia luồng dữ liệu

vào thành N luồng tín hiệu nhỏ ñể truyền qua N kênh truyền con trực giao Sau ñó, N

luông này ñiều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi ñược ghép kênh rồi ñưa lên

kênh truyền Ở phía thu thì làm ngược lại phân kênh, giải ñiều chế, và ghép các luồng

dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như ban ñầu N ñược chon ñủ lớn sao cho

ñộ rộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền hoặc băng thông từng luồng

nhỏ hơn coherence bandwidth của kênh truyền, nhằm ñảm bảo các luồng con không bị

ISI nghiêm trọng

n

f f

f1, 2, Κ

Hình 2.2 Hệ thống thông tin ña sóng mang

Kỹ thuật ghép kênh theo tần sồ trực giao OFDM

MC là cơ sở của OFDM, ñiểm khác biệt ñó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực

giao nhau Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu ñược ñiều chế sẽ hoàn toàn ñộc lập

với nhau Tính trực giao nhau ñạt ñược do các sóng mang ñược ñặt chính xác tại các vị

trí null của các phổ tín hiệu ñã ñiều chế, ñiều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể

chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông

2.1.2 Lịch sử OFDM [4]

Mặc dù OFDM ñược phát minh từ những năm 1950, nhưng hệ thống không thể

thực hiện vào thời ñiểm ñó, do việc ñiều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính 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 ñược phát minh, kỹ thuật

OFDM ñã có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ và ñược ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự

phát triển của phép biến ñổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật

CDM, kỹ thuật OFDM ñược ứng dụng ñầu tiên trong lĩnh vực quân sự

ðến những năm 1980, kỹ thuật OFDM ñược nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem

tốc ñộ cao và trong tryền thông di ñộng

ðến những năm 1990 OFDM ñược ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như

HDSL, ADSL, VHDSL sau ñó OFDM ñược ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số

DAB và truyền hình số DVB

Những năm gần ñầy OFDM ñã ñược sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến

802 của IEEE và tiếp tục ñược nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di ñộng 3.75G và 4G

Sau ñây là các cột mốc quan trọng của kỹ thuật OFDM

1957: Modem tương tự HF Kineplex ñược thiết kế sư dụng kỹ thuật MC

1966: Chang, Bell Labs ñưa ra công trình về OFDM và ñược cấp bằng sáng chế

1971: Weinstein & Ebert ñề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ trong OFDM

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di ñộng

1987: Alard & Lasalle áp dụng OFDM cho phát thanh số

1980-1990 OFDM ñược ứng dụng trong truyền dẫn băng thông rộng ADSL/ HDSL/

VDSL

1995: chuẩn ETSI DAB, chuẩn ñầu tiên dựa trên OFDM

1997: chuẩn ETSI DAB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn modem OFDM cho mạng WLAN

1999: OFDM ñược dùng trong chuẩn IEEE 802.11 chuẩn WLAN (Wi-FI)

2000: OFDM ñược dùng trong truy cập vô tuyến cố ñịnh (V-OFDM, Flash-OFDM)

2002: OFDM ñược dùng trong chuẩn IEEE 802.11g cho WLAN

2004: OFDM ñược dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 cho WLAN ( WIMAX)

2004: OFDM ñược dùng ñược dùng trong chuẩn ETSI DVB-H

2004: OFDM ñược ñể cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a cho mạng WPAn (MB-OFDM)

2004: OFDM ñược ñể cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ mạng kế tiếp của mạng

WPAN

2005: OFDM ñược ñể cử cho chuẩn cho chuẩn di ñộng tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

2005: OFDM ñược ñể cử cho chuẩn 4G(CJK)

2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM

0

*

0)()(),

Trong hệ thống MC, nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử dụng N tần số có dạng

) Re( j( 2πf k t+ϕ )

Ae những sóng mang (tone) này có tần số fk = k ∆ f cách

ñều nhau một khoảng

Hình 2.4 Ba tín hiệu sin trực giao

Ví dụ hệ thống sử dụng 3 sóng mang có tần số _k ∆ f k=1,2,3 tín hiệu trong thời gian T

có dạn

[sin( ) sin(2 ) sin(3 )]

)()

T

t t

∆

−

=3

1

3

1

)(

)(

2

)(

)(

2

1

*)(.)(

k

k symbol

T f k f Sa T f k f Sa j

T

f k f f

k f j ft

Sa T f X

ππ

δδ

π

(2.3)

Hình 2.4 cho ta thấy phổ của tín hiệu xsymbol(t)

Phổ của một symbol trong khoảng thời gian T có dạng hàm Sa, tại vị trí ñỉnh của sóng

mang (tone) này sẽ là null của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không

xuyên nhiễu (interfer) lẫn nhau

Tín hiệu sau ñiều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị ñiều chế, băng thống của tín

hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất

f N

Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách

các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng

Bộ chuyển ñổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial

Theo Shanon tốc ñộ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN (

không có fading):

Cmax = B.log2 (1 + S/N) [ bps] (2.5) Với B là băng thông của kênh truyền [Hz]

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc ñộ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc

ñộ cao thành các luồng dữ liệu tốc ñộ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng bộ chuyển ñổi

nối tiếp sang song song Serial/Parallel

Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit k≤N, với b là

số bit trong mô hình ñiều chế số, N số sóng mang k, N sẽ ñược chọn sao cho các luồng

dữ liệu song song có tốc ñộ ñủ thấp, ñể băng thông tương ứng ñủ hẹp, sao cho hàm

truyền trong khoảng băng thông ñó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ S/P ta

ñã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng

Hình 2.6 cho thấy tác dụng chuyển ñổi của bộ chuyển ñổi từ nối tiếp sang song song và

ngược lại từ song song sang nối tiếp

truyền Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M = 2b trang thái hay một vị trí trong

constellation ( giản ñồ chòm sao)

Hình 2.8 Bộ IFFT và FFT

Phép biến ñổi IDFT ( Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu

OFDM dễ dàng, tức là ñiều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một

cách chính xác và ñơn giản Phép biến ñổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép

ta giải ñiều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sử dụng phép biến ñổi IDFT và

DFT mà ta tinh giản ñược bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phia thu Nếu

không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra tập tần số cách ñều nhau

chính xác và ñồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo, ñiều này không hề

ñơn giản một chút nào

Nếu ta sử dụng số sóng mang là lũy thừa của 2 thì ta có thể thay IDFT và DFT bằng

22

(

10

1

0 2 1

0 2

s k s

k

N k

nf f j k N

k

kn N j k n

nt f n f

f n

N k

N n

e X N e

X N

ππ

π

π π

x chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu OFDM x(t) trong miền thời gian

Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến ñổi FFT ñược áp dụng cho symbol

~ 1

~

0 ,X , ,X N X

1 0

.

2 1 0

n n k

π

(2.9)

Lý tưởng thì dữ liệu phía thu sẽ giống dữ liệu phía phát : X~ k = X k