Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM

Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM

Với nhu cầu ngày càng tăng về loại hình dịch vụ, tốc độ và chất lượng truyền dẫn

vô tuyến dẫn đến đòi hỏi phả nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần hiện nay Vô tuyến thông minh (Cognitive Radio) là một công nghệ truy cập phổ tần động hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần tĩnh như hiện nay bằng cách tìm ra những phổ tần chưa được sử dụng (hố phổ) và chia sẻ chúng với những người sử dụng Vô tuyến thông minh Tuy nhiên, khi sử dụng phổ tần, người dùng Vô tuyến thông minh luôn phải đảm bảo không gây nhiễu với những người dùng chính (người dùng được cấp phép sử dụng phổ tần đó) Việc áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM với khả năng cảm nhận và tạo dạng phổ một cách linh hoạt và thích ứng vào Vô tuyến thông minh là một sự lựa

chọn đầy hứa hẹn Đồ án tốt nghiệp “Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM” của sinh viên Nguyễn Tiến Tĩnh lớp

D2007VT3 đã đi sâu vào nghiên cứu việc sử dụng OFDM trong Vô tuyến thông đảm bảo người dùng chính không bị ảnh hưởng nhiễu từ người dùng vô tuyến thông minh bằng cách xem xét ràng buộc công suất các kênh con và công suất tổng trong hệ thống OFDM

Trong thời gian thực hiện đồ án, sinh viên Nguyễn Tiến Tĩnh đã thể hiện được cách học tập và nghiên cứu tích cực, chủ động và có trách nhiệm

Đề nghị Hội đồng cho phép sinh viên được bảo vệ và công nhận tốt nghiệp

Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2011

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÔ TUYẾN THÔNG MINH 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Định nghĩa “Vô tuyến thông minh” 3

1.3 Hoạt động của vô tuyến thông minh 4

1.4 Các chức năng chính của vô tuyến thông minh 6

1.4.1 Cảm nhận phổ 7

1.4.2 Quản lý phổ 10

1.4.3 Dịch chuyển phổ 11

1.4.4 Chia sẻ phổ 11

1.5 Kiến trúc Vật lí của Vô tuyến thông minh 12

1.6 Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh 15

1.6.1 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) 15

1.6.2 Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh 16

1.7 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM) 21

2.1 Giới thiệu chương 21

2.2 Khái niệm OFDM 21

2.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM 21

2.4 Mô hình hệ thống OFDM 24

2.5 Các kỹ thuật điều chế số sử dụng trong OFDM 27

2.5.1 Điều chế QPSK 27

2.5.2 Điều chế QAM 28

2.6 NC-OFDM 29

2.6.1 Khái niệm NC-OFDM 29

2.6.2 Cấu trúc khung của NC-OFDM 30

2.7 Ưu nhược điểm của OFDM 35

2.8 Kết luận chương 2 36

CHƯƠNG 3 VÔ TUYẾN THÔNG MINH TRÊN NỀN OFDM 38

3.1 Giới thiệu chương 38

3.2 Vô tuyến thông minh – OFDM 38

3.3 Tại sao OFDM thích hợp với Vô tuyến thông minh 40

3.3.1 Khả năng nhận biết và cảm nhận phổ 40

3.3.2 Tạo dạng phổ 41

3.3.3 Thích ứng với môi trường 43

3.3.4 Các kỹ thuật anten nâng cao 43

3.3.5 Đa truy nhập và cấp phát phổ tần 44

3.3.6 Khả năng tương tác 44

3.4 Các thách thức đối với hệ thống OFDM thông minh 45

3.4.1 Tạo dạng phổ 46

3.4.2 Thiết kế thuật toán cắt xén hiệu quả 46

3.4.3 Báo hiệu các tham số truyền dẫn 47

3.4.4 Sự đồng bộ 47

3.4.5 Nhiễu lẫn nhau 47

3.5 OFDM đa băng tần 50

3.6 Các chuẩn và công nghệ OFDM thông minh 53

3.6.1 WiMAX - IEEE 802.16 53

3.6.2 IEEE 802.22 57

3.6.3 IEEE 802.11 58

3.7 Kết luận chương 3 60

CHƯƠNG 4 PHÂN BỔ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH DỰA TRÊN NỀN OFDM 61

4.1 Giới thiệu chương 61

4.2 Mô hình hệ thống 62

4.2.1 Hệ thống vô tuyến thông minh và giới hạn công suất nhiễu 62

4.2.2 Vô tuyến thông minh – OFDM và ràng buộc công suất phát trên mỗi kênh con 63

4.3 Phân bổ công suất cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM không xét tới các sóng mang con lân cận 65

4.3.1 Phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường 65

4.3.2 Phân bổ công suất trong các hệ thống Vô tuyến thông minh-OFDM 66

4.3.3 Thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp: Điều kiện công suất phát tổng 67

4.4 Phân bổ công suất đối với các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM có xét tới các sóng mang con bên 71

4.4.1 Viết lại công thức bài toán phân bổ công suất 72

4.4.2 Phân bổ công suất trong trường hợp hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không 74

4.4.3 Thuật toán phân bổ công suất đệ quy cho các trường hợp tổng quát 76

4.5 Kết quả mô phỏng 78

4.6 Kết luận chương 4 81

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 85

Phụ lục 1 Chứng minh định lý 1 85

Phụ lục 2 Chứng minh định lý 2 88

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa hố phổ 5

Hình 1.2 Chu trình thông minh 5

Hình 1.3 Các chức năng truyền thông trong mạng Vô tuyến thông minh 6

Hình 1.4 Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ 7

Hình 1.5 Mô hình nhiệt nhiễu 9

Hình 1.6 Phân loại các công nghệ chia sẻ phổ tần 11

Hình 1.7 Kiến trúc vật lí của Vô tuyến thông minh 13

Hình 1.8 Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR 15

Hình 1.9 So sánh giữa Vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh 16

Hình 1.10 Quan hệ giữa Vô tuyến thông minh và SDR 17

Hình 1.11 Sơ đồ khối thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên SDR 18

Hình 1.12 Kiến trúc phân lớp tổng quát cho Vô tuyến thông minh 19

Hình 2.1 Đa sóng mang trực giao (a) và đa sóng mang thông thường (b) 22

Hình 2.2 Phổ của một sóng mang con OFDM đơn lẻ 23

Hình 2.3 Phổ của ký hiệu OFDM 23

Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của một bộ thu phát OFDM 25

Hình 2.5 Biểu đồ tín hiệu QPSK 28

Hình 2.6 Chùm tín hiệu M-QAM 29

Hình 2.7 Phổ tần của các sóng mang con NC-OFDM 30

Hình 2.8 Sơ đồ tổng quát của một bộ thu phát NC-OFDM sử dụng khối Lựa chọn sóng mang con trống 31

Hình 2.9 Hiệu năng BER của bộ thu phát NC-OFDM (các đường liền nét) và MC-CDMA (các đường gạch) đối với mức độ chiếm giữ (ISO) phổ thay đổi 34

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến thông minh dựa trên OFDM 39

Hình 3.2 Cảm nhận và tạo dạng phổ sử dụng OFDM 42

Hình 3.3 Các công nghệ vô tuyến dựa trên OFDM 45

Hình 3.4 Các thách thức trong hệ thống Vô tuyến thông minh và OFDM 46

Hình 3.5 Mật độ phổ công suất của một sóng mang con OFDM 48

Hình 3.6 Cửa sổ cosin tăng với các giá trị roll-off (β) khác nhau 49

Hình 3.7 Hiệu ứng trượt (roll-off) trên PSD của một sóng mang con OFDM đơn lẻ 49

Hình 3.8 Lấp các hố phổ sử dụng tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM 51

Hình 3.9 Lấp các hố phổ sử dụng các tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM 52

Hình 3.10 Các băng con của các hệ thống UWB dựa trên MB-OFDM trong miền tần số 53

Hình 3.11 Minh họa cấu trúc tín hiệu OFDMA sử dụng trong WiMAX 55

Hình 3.12 Sự phát triển các chuẩn và các công nghệ 59

Hình 4.1 Mô hình hệ thống Vô tuyến thông minh 62

Hình 4.2 Phổ của SU trong các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM 63

Hình 4.3 Lược đồ thu phát của SU trong các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM 64

Hình 4.4 Tối ưu phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường 66

Hình 4.5 Sự phân bổ công suất tối ưu với các điều kiện công suất phát kênh con 68

Hình 4.6 Quá trình đổ đầy nước phân chia lặp 79

Hình 4.7 Phân bổ công suất tối ưu bởi RPA 80

Hình 4.8 Phân bổ công suất tối ưu bằng IPW không xét tới các sóng mang cạnh bên

80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK 28

Bảng 2.2 So sánh chất lượng của hệ thống MC-CDMA, OFDM và NC-OFDM 33

Bảng 3.1 Các chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM 39

Bảng 3.2 Vô tuyến thông minh OFDM 40

Bảng 3.1 Các đặc tính anten nâng cao của WiMAX 55

Bảng 4.1 Thuật toán IPW dưới Điều kiện Công suất phát tổng 69

Bảng 4.3 Thuật thuật toán phân bổ công suất cho bài toán với hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không 76

Bảng 4.4 Thuật toán RPA cho bài toán với M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không 76

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CINR Carrier-to-Interference Noise

Ratio

Tỷ số nhiễu trên sóng mang

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động

DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-T Digital Video Broadcasting –

Ghép kênh phân chia tần số

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh

FHDC Frequency Hopping Diversity

Coding

Mã hóa phân tập nhảy tần

FRC Federal Radio Commission Ủy ban Vô tuyến Liên bang

I/Q In-phase and Quadrature-phase Trong pha và pha vuông góc

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Chuyển đổi Fourier rời rạc ngược

IETF Internet Engineering Task Force Ủy ban chuyên trách về Internet IFFT Inverse Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh ngược IPD Incumbent Profile Detection Bộ phát hiện các thông tin về hoạt

động của thuê bao được cấp phép IPW Iteractive Partitioned Water-

filling

Đổ đầy nước phân chia lặp

ISI Inter-symbol Interference Nhiễu liên ký tự

ITM Interfence Temperature Model Mô hình nhiệt nhiễu

ITMA Interfence Temperature Multiple

Quản lí Tài nguyên Vô tuyến chung

MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng trung tâm

MC-CDMA Multi-Carrier Code Division

Multiplexing Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang

MCM Multi-Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

NC-OFDM Non-Contiguous Orthogonal

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao không liên tục

NTIA National Telecommunication

and Information Administration

Cơ quan quản lý Viễn thông và Thông tin Quốc gia

OFDM Orthogonal Frequency Division

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

trung bình

QAM Quadrature Amplitute

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

RPA Recursive Power Allocation Phân bổ công suất đệ quy

RSSI Received Signal Strength

Indicator

Bộ chỉ thị mức tín hiệu thu

SDR Software defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần

mềm SIR Signal-to-Interfence Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát

WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến nội hạt

WMAN Wireless Metropolitan Area

Networks

Mạng vô tuyến nội thị

WPAN Wireless Personal Area

Networks

Mạng vô tuyến cá nhân

WRAN Wireless Regional Area

Network

Mạng vô tuyến nội vùng

WWRF Wireless World Research Forum Diễn đàn nghiên cứu không dây thế

giới

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, Công nghệ thông tin và Truyền thông đang phát triển với tốc độ chóng mặt, kéo theo đó là sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng vô tuyến và các thiết bị vô tuyến mới, đòi hỏi phải sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần tiết kiệm và hiệu quả hơn Trái lại, với chính sách phân bổ phổ tần vô tuyến cố định như hiện nay và việc sử dụng phổ tần đã cấp phép lại tùy thuộc vào nhu cầu của người dùng nên tình trạng sử dụng kém hiệu quả phổ tần cấp phép đang diễn ra khá phổ biến Như vậy, chính sách gán phổ tần cố định như trước đây sẽ không còn phù hợp nữa, cần có một công nghệ truy nhập phổ tần mới có thể tận dụng hiệu quả các phần phổ tần chưa được

sử dụng Công nghệ truy nhập phổ tần mới này chính là Vô tuyến thông minh (CR - Cognitive Radio)

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một phương thức truyền dẫn đáng tin cậy cho các hệ thống Vô tuyến thông minh Thứ nhất, OFDM là một công nghệ truyền dẫn xuất sắc đang được ứng dụng trong rất nhiều công nghệ mạng vô tuyến hiện tại và tương lai Nên việc áp dụng OFDM trong Vô tuyến thông minh sẽ khiến cho quá trình đồng bộ hoạt động giữa Vô tuyến thông minh và các mạng vô tuyến khác trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Thứ hai, việc phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách linh động là một thách thức lớn trong các hệ thống Vô tuyến thông minh OFDM sẽ cung cấp một phương pháp rất linh hoạt trong việc phân bổ các tài nguyên

vô tuyến trong môi trường động Nó cũng đảm bảo việc không có can nhiễu giữa các kênh vô tuyến liền kề nhau trong hệ thống Công suất cần được phân bổ hợp lý tới tất

cả các người sử dụng nhằm đảm bảo cho hệ thống vận hành một cách tối ưu nhất, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) cũng như nâng cao hiệu năng của toàn

bộ hệ thống Vô tuyến thông minh Do vậy, cần có những nghiên cứu đúng đắn và toàn diện về vấn đề phân bổ công suất trong các mạng vô tuyến nói chung và trong Vô tuyến thông minh nói riêng

Được sự định hướng và hướng dẫn tận tình của cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, em

đã thực hiện đồ án “Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM” Đồ án bao gồm bốn chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan vô tuyến thông minh

Giới thiệu chung về cấu trúc và hoạt động của mạng Vô tuyến thông minh Trong đó nêu rõ các khái niệm liên quan về Vô tuyến thông minh, đồng thời phân tích đặc điểm và hoạt động của Vô tuyến thông minh bao gồm cảm nhận phổ, quyết định phổ, linh hoạt phổ và chia sẻ phổ

Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM

Trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nội

dung chương bao gồm nguyên lý truyền dẫn sử dụng trong OFDM, mô hình hệ thống thu phát OFDM, các phương pháp điều chế sử dụng trong OFDM… và giới thiệu tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn OFDM không liên tục (NC-OFDM), kỹ thuật được áp dụng trực tiếp vào Vô tuyến thông minh

Chương 3: Vô tuyến thông minh dựa trên nền OFDM

Trình bày kiến trúc của mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng công nghệ OFDM - bao gồm mô hình hệ thống và hoạt động, các thách thức còn tồn tại và các chuẩn áp dụng

Chương 4: Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM

Nội dung chương đi sâu phân tích về vấn đề tối ưu phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Cụ thể ta sẽ đưa ra các thuật toán phân bổ công suất tối ưu đối với hệ thống OFDM thông thường, từ đó phát triển chung cho hệ thống

Vô tuyến thông minh – OFDM

Dưới sự quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu cũng như cung

cấp tài liệu của cô giáo Ths Lê Tùng Hoa và nỗ lực của bản thân, đồ án đã được hoàn

thành với nội dung đăng ký ở mức độ và phạm vi nhất định Tuy nhiên, do trình độ và thời gian có hạn nên đồ án chắc chắn không tránh khỏi có những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và bạn đọc đóng góp ý kiến cho nội dung đồ án được hoàn thiện hơn

và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, người

đã trực tiếp định hướng em lựa chọn đồ án này đồng thời cũng là người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến – khoa Viễn thông I, và các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm đồ án

Hà nội, ngày 05 tháng 12 năm 2011

Người làm đồ án

Nguyễn Tiến Tĩnh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÔ TUYẾN THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu chương

Vô tuyến thông minh không chỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là một sự thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến Công nghệ Vô tuyến thông minh được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, các người dùng thông minh có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dùng được cấp phép Vô tuyến thông minh cho phép đầu cuối có thể cảm nhận, hiểu biết và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn có tại một thời điểm nhất định Chương này sẽ đề cập một cách tổng quan nhất về công nghệ Vô tuyến thông minh, các khái

niệm, đặc tính cũng như hoạt động của Vô tuyến thông minh

1.2 Định nghĩa “Vô tuyến thông minh”

Vô tuyến thông minh là một công nghệ còn rất mới mẻ, do đó định nghĩa “Vô tuyến thông minh” được các cá nhân và tổ chức về vô tuyến trên thế giới nhìn nhận theo rất nhiều cách khác nhau

Thuật ngữ “Vô tuyến thông minh” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo năm

1999, nó được Joseph Mitola III định nghĩa như sau: “Vô tuyến thông minh là mô hình

vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt được mục tiêu cụ thể đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan.”

Tuy nhiên, trong khảo sát về Vô tuyến thông minh của một tờ báo, Simon

Haykin đã định nghĩa Vô tuyến thông minh như sau: “Vô tuyến thông minh là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh nó từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) trong thời gian thực, với hai đặc tính chính:

- Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm

- Sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến

FCC đã định nghĩa Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng vận hành của máy

phát như sau: “Là một vô tuyến mà có thể thay đổi các tham số của máy phát dựa trên

sự tương tác với môi trường mà nó hoạt động.”

Trong khi trợ giúp FCC nỗ lực đưa ra định nghĩa vô tuyến thông minh, IEEE

USA đã đưa ra định nghĩa sau: “Một bộ phát/thu tần số vô tuyến mà được thiết kế để phát hiện một cách thông minh các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang được sử dụng, từ đó có thể truy nhập vào các phổ tần chưa được sử dụng một cách nhanh chóng, linh hoạt, không gây nhiễu tới các người dùng được cấp phép.”

Dựa vào một số định nghĩa trên ta nhận thấy Vô tuyến thông minh có một số đặc điểm cơ bản như sau:

 Sự quan sát: dù trực tiếp hay gián tiếp, vô tuyến thông minh có khả năng thu

thập được thông tin về môi trường hoạt động của nó

 Khả năng thích ứng: vô tuyến thông minh có thể thay đổi các tham số hoạt

động của nó cho phù hợp với hoàn cảnh

 Tính thông minh: có khả năng sử dụng thông tin một cách linh hoạt để đạt

được mục tiêu định sẵn

Từ đây chúng ta có thể tiến tới một định nghĩa chung nhất về Vô tuyến thông minh như sau:

Định nghĩa: Vô tuyến thông minh là một vô tuyến có khả năng phân tích môi

trường xung quanh nó, từ đó thay đổi các tham số truyền dẫn của nó để sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả

1.3 Hoạt động của vô tuyến thông minh

Từ định nghĩa trên ta có thể thấy vô tuyến thông minh có hai đặc điểm chính sau:

- Khả năng thông minh: Khả năng thông minh chỉ khả năng mà công nghệ vô

tuyến nắm bắt hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến Khả năng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng tần

số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng khác Thông qua khả năng này, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác định Từ

đó, ta có thể lựa chọn được phổ tốt nhất và các thông số hoạt động phù hợp nhất

- Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép Vô tuyến khả năng lập trình tự

động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, Vô tuyến thông minh

có thể được lập trình để truyền và nhận trên các tần số khác nhau và để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau được phần cứng hỗ trợ Một số

thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạt động, Điều chế, Công suất phát, Công nghệ truyền

Mục tiêu cơ bản của Vô tuyến thông minh là tận dụng được phổ tần có sẵn tốt nhất thông qua khả năng thông minh và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần đã được gán, nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần được cấp phép mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những người dùng được cấp phép khác

Vô tuyến thông minh cho phép sử dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm,

phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng (xem Hình 1.1) Nếu băng phổ này được người dùng chính (người dùng cấp phép) sử dụng tiếp thì các người dùng vô tuyến thông minh phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng thì phải thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh nhiễu

QUẢN LÝ PHỔ

DỊCH CHUYỂN PHỔ

Tín hiệu truyền đi Các tác nhân

Vô tuyến Thông tin về các

hố phổ

Thông tin Chuyển giao

Thông tin về các

hố phổ

Các tác nhân

Vô tuyến CHIA SẺ PHỔ

Lập lịch

Thông tin kênh

Hình 1.2 Chu trình thông minh

Hình 1.2 là một chu trình thông minh đơn giản nhất bao gồm các nhiệm vụ chính của một mạng Vô tuyến thông minh; các nhiệm vụ này có thể được phân loại thành:

- Cảm nhận phổ: Vô tuyến thông minh giám sát các băng phổ sẵn có, nắm bắt các thông tin của chúng và sau đó phát hiện ra các hố phổ

- Quản lý phổ: chiếm giữ phần phổ tần tốt nhất để đưa ra các kế hoạch phân bổ

- Dịch chuyển phổ: đảm bảo các yêu cầu truyền thông được thông suốt và liên tục

- Chia sẻ phổ: lập lịch phổ tần hợp lý giữa các người dùng vô tuyến thông minh đang cùng tồn tại

Các nhiệm vụ này sẽ được phân tích chi tiết hơn ở các phần sau của chương

Các mạng Vô tuyến thông minh cho phép các giao thức truyền thông nhận biết phổ Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra các ảnh hưởng bất lợi đến hiệu năng của các giao thức truyền thông thông thường mà đã được phát triển cho các băng tần

số cố định

Các thành phần trong mạng Vô tuyến thông minh và tác động giữa chúng được minh họa trong Hình 1.3 Chính sự tác động này đòi hỏi mạng Vô tuyến thông minh phải có chức năng thiết kế giữa các lớp Đặc biệt, việc cảm nhận phổ và chia sẻ phổ phải được kết hợp để nâng cao hiệu quả phổ Trong chức năng chia sẻ phổ và dịch chuyển phổ, các chức năng ở lớp ứng dụng, truyền tải, định tuyến, truy nhập phương tiện và lớp vật lí được thực hiện đồng thời

Chức năng

dịch chuyển

phổ

Chức năng quản lí phổ

Ứng dụng

Truyền tải

Lớp mạng

Chia sẻ phổ

Cảm nhận phổ Lớp vật lí

Điều khiển ứng dụng

Tổn thất, trễ chuyển giao

Thông tin định tuyến

Thông tin cảm nhận

Trễ lớp liên kết

Các yêu cầu về QoS

Tự cấu hình Quyết định chuyển giao, thông tin về phổ tần hiện tại và tương lai

Lớp liên kết dữ liệu

Hình 1.3 Các chức năng truyền thông trong mạng Vô tuyến thông minh

Như ta thấy, chức năng cảm nhận phổ tần được thực hiện tại lớp vật lý còn chức năng chia sẻ phổ được thực hiện chủ yếu tại lớp liên kết dữ liệu

1.4 Các chức năng chính của Vô tuyến thông minh

Các kỹ thuật Vô tuyến thông minh cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ phổ theo cơ hội Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép Vô tuyến thông minh hoạt động trong kênh tốt nhất có sẵn Cụ thể hơn, công nghệ Vô tuyến thông minh cho phép

những người dùng thông minh khả năng: (1) xác định các phần phổ sẵn có và phát hiện ra những người dùng chính khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép

(cảm nhận phổ), (2) lựa chọn kênh tốt nhất có sẵn (quản lí phổ), và (3) đồng truy nhập tới các kênh đó với những người dùng khác (chia sẻ phổ), và (4) bỏ kênh đó khi phát

hiện đã có người dùng chính (dịch chuyển phổ)

1.4.1 Cảm nhận phổ

Một yêu cầu quan trọng của mạng Vô tuyến thông minh là cảm nhận các hố phổ Như đã được đề cập, Vô tuyến thông minh được thiết kế để có thể hiểu biết và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh Chức năng cảm nhận phổ cho phép Vô tuyến thông minh thích ứng với môi trường xung quanh bởi việc phát hiện các hố phổ

Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùng chính đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó Tuy nhiên, trên thực tế rất khó cho một Vô tuyến thông minh để có thể đo trực tiếp các thông số về kênh đang sử dụng giữa máy phát và thu của người dùng chính Do vậy, phương pháp khả thi đầu tiên là tập trung vào việc phát hiện máy phát chính dựa trên các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến thông minh

Nói chung, các kỹ thuật cảm nhận phổ có thể được phân loại thành: phát hiện máy phát, phát hiện cộng tác và phát hiện dựa trên nhiễu đã được chỉ ra trên Hình 1.4

Cảm nhận phổ

Phát hiệnmáy phát

Phát hiện theo cơ chế hợp tác

Phát hiệndựa trên nhiễu

Phát hiện dựa trên

bộ lọc kết hợp

Phát hiện năng lượng

Phát hiện dựa trên đặc tính dừng

Hình 1.4 Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ

1.4.1.1 Phát hiện máy phát (phát hiện không hợp tác)

Vô tuyến thông minh phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng và các băng tần đã được sử dụng Bởi vậy, Vô tuyến thông minh cần có khả năng xác định xem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong một băng tần cụ thể hay không Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trên việc phát hiện tín hiệu yếu từ một máy phát chính thông qua các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến thông minh

1.4.1.1.1 Phát hiện dựa trên bộ lọc kết hợp

Khi đã biết được thông tin tín hiệu người dùng chính, thì phương pháp phát hiện tốt nhất trong môi trường nhiễu Gauss không đổi là bộ lọc kết hợp vì nó cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa Trong khi ưu điểm chính của bộ lọc kết hợp là yêu cầu ít thời gian để đạt được độ lợi xử lý cao, thì nó đòi hỏi phải biết trước thông tin về tín hiệu người dùng chính chẳng hạn như phương thức điều chế, dạng xung, và khuôn dạng gói Bởi vậy, nếu các thông tin này không chính xác thì bộ lọc kết hợp tỏ ra không hiệu quả

1.4.1.1.2 Phát hiện dựa trên năng lượng

Nếu máy thu không thể có được đủ thông tin hữu ích về tín hiệu người dùng chính, chẳng hạn nếu máy thu chỉ biết được công suất của nhiễu Gauss ngẫu nhiên, thì

bộ phát hiện tốt nhất trong trường hợp này là phát hiện dựa trên năng lượng Để đo năng lượng của tín hiệu đã nhận được, tín hiệu đầu ra của bộ lọc thông dải với băng thông W được bình phương và tích phân qua khoảng thời gian quan sát T Cuối cùng, đầu ra của bộ kết hợp được so sánh với một ngưỡng để quyết định xem có người dùng chính hay không

Hiệu năng của phát hiện năng lượng dễ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của công suất nhiễu Để giải quyết vấn đề này, một kênh hoa tiêu từ máy phát chính được sử dụng để cải thiện độ chính xác của bộ phát hiện dựa trên năng lượng Một thiếu sót nữa là bộ phát hiện dựa trên năng lượng không thể phân biệt các loại tín hiệu mà chỉ

có thể xác định sự có mặt của chúng

1.4.1.1.3 Phát hiện dựa trên đặc tính dừng

Một phương pháp phát hiện khác là phát hiện dựa trên đặc tính dừng Các tín hiệu đã điều chế thông thường được kết hợp với các sóng mang hình sin, các chuỗi xung, trải phổ lặp, nhảy tần, hoặc các tiền tố vòng Những tín hiệu đã điều chế này được mô tả như có tính dừng vì trung bình và tự tương quan của chúng tuần hoàn theo chu kỳ Những đặc tính này được phát hiện nhờ phân tích hàm tương quan phổ Ưu điểm chính của hàm tương quan phổ là nó phân biệt năng lượng nhiễu với năng lượng tín hiệu đã điều chế Bởi vậy bộ phát hiện đặc tính vòng tĩnh có thể hoạt động tốt hơn

bộ phát hiện năng lượng vì nó có thể tách được nhiễu ra tốt hơn bộ phát hiện dựa trên năng lượng Tuy nhiên, nó yêu cầu tính toán phức tạp và thời gian quan sát sẽ dài hơn đáng kể

1.4.1.2 Phát hiện theo cơ chế hợp tác

Phát hiện theo cơ chế hợp tác là phương pháp cảm nhận phổ tần mà thông tin từ nhiều người dùng vô tuyến thông minh được kết hợp lại để phát hiện người dùng

chính Phát hiện hợp tác có thể được thực hiện theo cả phương án tập trung hay phân tán Trong phương án tập trung, trạm gốc đóng vai trò để thu thập toàn bộ thông tin từ các người dùng vô tuyến thông minh và phát hiện các hố phổ Còn theo phương án phân tán, nó yêu cầu trao đổi các thông tin quan sát giữa các người dùng trong mạng với nhau

Phương pháp này cung cấp hiệu năng cảm nhận chính xác hơn, tuy nhiên nó tạo

ra các ảnh hưởng bất lợi trong các mạng hạn chế tài nguyên do các hoạt động bổ xung

và các lưu lượng mào đầu

1.4.1.3 Phát hiện dựa trên nhiễu

Gần đây một mô hình đo nhiễu mới đã được FCC giới thiệu, gọi là phương pháp nhiệt nhiễu được chỉ ra trên Hình 1.5

Tín hiệu cấp phép

Các cơ hội mới cho truy câp phổ

Vùng phục vụ nhỏ nhất với đỉnh nhiễu

Vùng phục vụ tại nhiễu nền

Hình 1.5 Mô hình nhiệt nhiễu

Mô hình này chỉ ra tín hiệu của một trạm vô tuyến được thiết kế để hoạt động trong một dải tại đó công suất thu gần với mức nhiễu nền Khi xuất hiện tín hiệu gồm

cả nhiễu thì nhiễu nền tăng lên tại các điểm khác nhau trong vùng dịch vụ, như chỉ ra bởi các đỉnh phía trên của nhiễu nền ban đầu Trong mô hình nhiệt nhiễu các thuê bao

vô tuyến thông minh được coi là các thuê bao có quyền ưu tiên hơn, các thuê bao khác

và can nhiễu chỉ như là một nguồn nhiễu Nguồn nhiễu đó sẽ giới hạn dung lượng của

hệ thống trên từng băng tần cụ thể từ đó hệ thống vô tuyến thông minh sẽ quyết định truyền hay không

Tuy nhiên vẫn có một số giới hạn trong việc đo đạc nhiệt nhiễu Phương pháp này xem xét các nhân tố như phương pháp điều chế tín hiệu không cấp phép, các anten, khả năng phát hiện các kênh cấp phép tích cực, điều khiển công suất và mức độ hoạt động của các người dùng chính và người dùng vô tuyến thông minh Tuy nhiên

mô hình này không xem xét ảnh hưởng của nhiều người dùng Hơn nữa, nếu người

dùng không có kiến thức về vị trí gần người dùng chính thì nhiễu không thể đo đạc được bằng phương pháp này

1.4.2 Quản lý phổ

Trong mạng vô tuyến thông minh, các băng tần phổ chưa sử dụng sẽ được trải

ra trên một vùng tần số rộng bao gồm cả băng tần cấp phát và không cấp phát Các băng tần phổ chưa sử dụng này được phát hiện thông qua cảm nhận phổ cho thấy các đặc điểm khác nhau không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn theo các thông tin băng tần phổ như tần số và băng thông hoạt động

Vì mạng Vô tuyến thông minh phải quyết định được băng tần phổ tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về QoS trên toàn bộ các băng tần có sẵn, nên các chức năng quản

lý phổ mới được yêu cầu để xem xét các đặc điểm phổ động

Chúng ta phân loại các chức năng này thành: cảm nhận phổ, phân tích phổ, và quyết định phổ Trong đó, cảm nhận phổ như đã đề cập ở trên là chức năng thuộc lớp vật lý, phân tích phổ và quyết định phổ thuộc chức năng của các lớp cao hơn

1.4.2.1 Phân tích phổ

Trong mạng vô tuyến thông minh các hố phổ có sẵn cho thấy các đặc tính khác nhau của phổ biến đổi theo thời gian Phân tích phổ cho phép phân loại các băng tần phổ khác nhau, từ đó có thể lựa chọn được băng tần phù hợp với yêu cầu của người dùng Để thấy được chất lượng của các băng tần phổ cụ thể cần phải phân tích các thông số như mức nhiễu, tỷ lệ lỗi kênh, suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, trễ lớp liên kết, và thời gian nắm giữ

- Nhiễu: các băng tần phổ khác nhau thường có các mức nhiễu khác nhau, do đó

cần xác định các đặc điểm nhiễu của kênh Từ mức nhiễu tại máy thu chính, ta

sẽ suy ra công suất cho phép của người dùng từ đó sử dụng cho việc ước tính dung lượng kênh

- Suy hao đường truyền: khi tần số hoạt động tăng thì suy hao đường truyền cũng

tăng Do đó, nếu công suất phát của người dùng giữ nguyên thì phạm vi truyền

sẽ giảm tại các tần số cao hơn Nếu ta tăng công suất phát để bù lại suy hao đường truyền thì sẽ tăng nhiễu đối với các người dùng khác

- Lỗi liên kết vô tuyến: dựa vào sơ đồ điều chế và mức nhiễu của băng tần phổ, tỷ

lệ lỗi của kênh được thay đổi

- Trễ lớp liên kết: để xác định suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, và

nhiễu thì yêu cầu các giao thức lớp liên kết dữ liệu là khác nhau tại các băng tần khác nhau Điều này dẫn tới trễ truyền dẫn gói lớp liên kết dữ liệu khác nhau

- Thời gian nắm giữ: các hoạt động của người dùng chính có thể ảnh hưởng tới

chất lượng kênh trong các mạng vô tuyến thông minh Thời gian nắm giữ là thời gian mà người dùng vô tuyến thông minh chiếm giữ một băng tần được cấp phép trước khi bị ngắt Hiển nhiên là thời gian nắm giữ càng lâu thì chất lượng càng tốt Có thể tăng thời gian nắm giữ bằng kỹ thuật chuyển giao thống kê

1.4.2.2 Quyết định phổ

Khi tất cả các băng tần phổ đã sẵn có, thì cần phải lựa chọn được băng tần phù hợp nhất với các yêu cầu về QoS và các đặc tính của phổ Do vậy, quản lý phổ cần phải biết được các yêu cầu về QoS của người dùng Dựa trên đó mà tốc độ dữ liệu, tỷ

lệ lỗi chấp nhận được, biên giới trễ, mô hình truyền dẫn và băng tần truyền sẽ được xác định Sau đó dựa vào các quy tắc quyết định mà sẽ chọn lựa các băng tần phù hợp Các quy tắc chọn lựa được đề xuất dựa trên tính công bằng và giá trị truyền thông

1.4.3 Dịch chuyển phổ

Dịch chuyển phổ có thể được định nghĩa là quá trình một người dùng Vô tuyến thông minh thay đổi tần số hoạt động của nó Quá trình này được gọi là quá trình chuyển giao phổ

Trong mạng Vô tuyến thông minh, chuyển giao phổ xảy ra khi các điều kiện kênh hiện thời có biểu hiện xấu đi hoặc có sự trở lại của người dùng chính Các giao thức đối với các tầng khác nhau của ngăn xếp mạng phải phù hợp với các tham số kênh Mục đích của việc dịch chuyển phổ trong vô tuyến thông minh là để đảm bảo quá trình truyền dẫn xảy ra liên tục và chất lượng

1.4.4 Chia sẻ phổ

Trong mạng vô tuyến thông minh, một trong những thách thức chính khi sử dụng phổ tần mở là việc chia sẻ phổ tần Không giống như cảm nhận phổ liên quan chính tới lớp vật lý, hay quản lý phổ liên quan tới các dịch vụ lớp cao hơn, các chức năng chia sẻ phổ tương tự với các công nghệ phân bổ tài nguyên và đa truy nhập đa người dùng trong lớp MAC của các hệ thống truyền thông đang tồn tại Vấn đề chính trong việc chia sẻ phổ là sự cùng tồn tại của các người dùng vô tuyến thông minh và các người dùng chính và quản lý các băng thông không liên tục có sẵn

Dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau, các kỹ thuật chia sẻ phổ có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau

Theo cấu trúc mạng, có thể phân thành chia sẻ phổ tập trung và không tập trung (phân tán), chia sẻ phổ tập trung nghĩa là toàn bộ các node trong mạng gửi thông tin cảm nhận phổ của chúng tới đơn vị điều khiển trung tâm, sau đó đơn vị điều khiển trung tâm sẽ thiết lập lược đồ phân bổ phổ; trong khi đó chia sẻ phổ phân tán nghĩa là toàn bộ các node tự quyết định truy nhập phổ theo cách riêng

Theo cách thức cấp phát phổ tần, có thể phân loại thành chia sẻ phổ hợp tác và không hợp tác, trong chia sẻ phổ hợp tác mỗi node chia sẻ kết quả cảm nhận phổ của

nó với các node khác, sau đó thuật toán phân bổ phổ sẽ quyết định dựa trên các thông tin này; trái lại chia sẻ phổ không hợp tác có nghĩa là các node tự nó quyết định chia sẻ phổ

Theo công nghệ truy nhập có thể phân thành chia sẻ phổ overlay và chia sẻ phổ underlay Overlay có nghĩa là người dùng vô tuyến thông minh truy nhập mạng thông qua hố phổ không được sử dụng, thực tế thì là ghép kênh phân chia thời gian giữa các người dùng vô tuyến thông minh và người dùng chính, do đó nhiễu tới người dùng chính là nhỏ nhất Underlay có nghĩa là một người dùng vô tuyến thông minh có thể dùng công nghệ trải phổ như CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) và UWB (siêu

di động băng rộng) để chia sẻ cùng một băng tần với người dùng cấp phép, trong trường hợp này thì người dùng cấp phép sẽ coi các người dùng thông minh như là nhiễu Hiển nhiên, khi người dùng vô tuyến thông minh biết toàn bộ thông tin về hệ thống cấp phép thì overlay thể hiện tốt hơn underlay, và ngược lại

1.5 Kiến trúc Vật lí của Vô tuyến thông minh

Kiến trúc tổng quan của bộ thu phát Vô tuyến thông minh được chỉ ra trên Hình 1.7(a) Thành phần chính của bộ thu phát Vô tuyến thông minh là đầu cuối RF (RF front-end) và khối xử lí băng gốc Mỗi thành phần có thể tự cấu hình thông qua một bus điều khiển để thích ứng với môi trường RF biến đổi theo thời gian Trong đầu cuối

RF, tín hiệu thu được khuếch đại, trộn và chuyển đổi A/D Trong khối xử lí băng gốc, tín hiệu được điều chế/giải điều chế, được mã hóa/giải mã Khối xử lí băng gốc của Vô tuyến thông minh về bản chất cũng tương tự như bộ thu phát đang tồn tại Tuy nhiên, điểm mới ở Vô tuyến thông minh nằm ở đầu cuối RF Vì vậy, ta sẽ tập trung vào đầu cuối RF của Vô tuyến thông minh

Điểm mới của bộ thu phát Vô tuyến thông minh là khả năng cảm nhận băng rộng của đầu cuối RF Chức năng này liên quan tới các công nghệ phần cứng RF như anten băng rộng, khuếch đại công suất, và bộ lọc thích ứng Phần cứng RF cho Vô tuyến thông minh có khả năng điều chỉnh tới bất kì phần nào của dải phổ tần rộng lớn Cảm nhận phổ cũng cho phép việc đo lường trong thời gian thực các thông tin phổ từ môi trường vô tuyến

Tần số vô tuyến (RF)

Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D)

Xử lí băng gốc

VCO

Bộ trộn

Bộ lọc lựa chọn kênh

Điều khiển

độ lợi tự động

Bộ chuyển đổi tương tự-số

Đầu cuối RF của Vô tuyến thông minh bao gồm các thành phần sau:

 Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng mong muốn bằng cách lọc thông dải tín

hiệu RF nhận được

 Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): LNA khuếch đại tín hiệu mong muốn trong

khi đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm

 Bộ trộn: Tại bộ trộn, tín hiệu nhận được được trộn với tần số RF nội, và được

chuyển đổi thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần (IF)

 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): VCO tạo ra tín hiệu tại một tần số

nhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quá trình này chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần

 Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở một tần số nhất

định và có thể được sử dụng để tạo ra các tần số chính xác

 Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh được sử dụng để lựa chọn kênh mong muốn và loại bỏ các kênh lân cận Có hai loại bộ lọc lựa chọn kênh “Máy thu chuyển đổi trực tiếp” sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh, còn “máy thu superheterodyne” lại sử dụng bộ lọc thông dải

 Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức công suất đầu

ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tín hiệu đầu vào Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF, được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) tốc độ cao, và việc đo đạc được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính Tuy nhiên, ở đây còn tồn tại nhiều hạn chế trong việc phát triển đầu cuối của Vô tuyến thông minh

Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạt động tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau Kết quả là, đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần số động lớn Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi A/D tốc độ vài GHz với độ phân giải cao, mà điều này thì rất khó thực hiện

Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi A/D tốc độ vài GHz cần phải giảm bớt dải động của tín hiệu Điều này có thể đạt được bằng cách lọc các tín hiệu mạnh Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dải phổ rộng lớn, nên cần phải có các bộ lọc chữ V khả chỉnh (tunable notch filters) Một cách khác nữa là sử dụng nhiều anten sao cho việc lọc tín hiệu được thực hiện trong miền không gian hơn

là trong miền tần số Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng cách sử dụng các công nghệ điều khiển búp sóng

Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của Vô tuyến thông minh là phát hiện chính xác các tín hiệu yếu của những người dùng chính qua một dải phổ tần rộng Do vậy, việc thực hiện đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyển đổi A/D là vấn đề hàng đầu trong các mạng Vô tuyến thông minh

Phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét mô hình tham khảo khi thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR – Software Defined Radio) Từ đó thấy được sự khác nhau cơ bản nhất giữa Vô tuyến thông minh và Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, đồng thời thấy được các ưu điểm vượt trội của Vô tuyến thông minh

1.6 Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh

1.6.1 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

Trước khi trình bày kiến trúc của Vô tuyến thông minh, ta sẽ đi sơ qua về vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó được coi là nền tảng cho việc thực hiện Vô tuyến thông minh trong tương lai

Vô tuyến định nghĩa phần mềm là một hệ thống truyền thông không dây có thể cấu hình lại, trong đó các tham số truyền dẫn (như băng tần hoạt động, phương thức điều chế, giao thức ) có thể được điều khiển một cách tự động Chức năng này được thực hiện bởi các thuật toán xử lý tín hiệu được điều khiển bằng phần mềm SDR là chìa khóa để thực thi Vô tuyến thông minh Dựa theo vùng hoạt động của nó thì SDR

có thể là:

- Một hệ thống đa băng tần: SDR sẽ hỗ trợ nhiều băng tần khác nhau được sử

dung bởi một vô tuyến (ví dụ, GSM 900, GSM 1800, GSM 1900)

- Một hệ thống đa chuẩn: SDR sẽ hỗ trợ nhiều chuẩn khác nhau (ví dụ GSM,

WCDMA, cdma2000, WiMAX, WiFi) Các giao diện vô tuyến khác nhau với cùng một chuẩn (ví dụ IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n trong chuẩn WiFi) cũng có thể được hỗ trợ bởi SDR

- Một hệ thống hỗ trợ đa dịch vụ: SDR sẽ hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ, ví dụ

như thoại tế bào hay truy cập Internet không dây băng rộng

- Một hệ thống đa kênh: SDR có thể hoạt động truyền/nhận dữ liệu trên nhiều

Hình 1.8 Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR

Hầu hết các thành phần trong cấu trúc của SDR (như bộ xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi tương tự - số, bộ xử lý băng tần cơ sở ) đều tương tự với vô tuyến truyền thống, chỉ khác ở chỗ là các thành phần này trong SDR có thể được điều khiển bởi các

giao thức ở các lớp cao hơn hoặc có thể được cấu hình lại bởi các module vô tuyến thông minh

Trong vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm các đặc tính về tần số sóng mang, băng thông tín hiệu, điều chế, và truy nhập mạng đều được định nghĩa bằng phần mềm Ngày nay, các SDR cũng được thực hiện các mật mã bảo mật cần thiết; mã hóa sửa lỗi trước (FEC); và mã hóa nguồn tiếng nói, hình ảnh, hoặc dữ liệu trong phần mềm

1.6.2 Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh

Như đã đề cập ở trên SDR là cơ sở để thực hiện Vô tuyến thông minh Lí do rất đơn giản: SDR cung cấp một mặt bằng vô tuyến rất mềm dẻo, ở đó ta có thể lập trình

và điều khiển thích ứng bởi một khối giám sát trung tâm Các công nghệ điện tử hiện tại, bao gồm ADC, DDC, bộ tổng hợp tần số tốc độ cao, phương pháp chế tạo vi điện

tử, … đã khiến cho SDR có thể thực hiện được với chi phí rất hợp lí và kích thước nhỏ gọn Các SDR hiện tại có thể thực hiện Vô tuyến thông minh thực sự trong tương lai

Hình 1.9 so sánh vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh

Xử lí thông minh (cảm nhận, quyết định, chia sẻ)

Hình 1.9 So sánh giữa Vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần

mềm và Vô tuyến thông minh.

Từ sơ đồ trên, ta có thể thấy rằng, Vô tuyến thông minh có thể thực hiện được hoàn toàn chỉ dựa trên những thay đổi ở cấu trúc phần mềm, chứ không phải thay đổi ở cấu trúc phần cứng bên trong như các hệ thống vô tuyến trước đây nữa Để phát triển

Vô tuyến thông minh từ SDR, ta chỉ cần thêm vào SDR các khối xử lí thông minh như DFS, TPC và IPD Điểm khác biệt chủ yếu của Vô tuyến thông minh so với Vô tuyến

được định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là khả năng thông minh, tự động thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của môi trường vô tuyến Trong khi SDR chỉ có thể thay đổi các quyết định theo môi trường trong phạm vi một tập các lựa chọn được cấu hình sẵn qua phần mềm, thì Vô tuyến thông minh có khả năng tự cấu hình, tức là nó có thể thích ứng ngay với điều kiện của môi trường mà không cần cấu hình trước Như vậy,

Vô tuyến thông minh thích nghi với môi trường phổ; trong khi SDR lại thích nghi với môi trường mạng, và chúng có một phần chồng lên nhau về chức năng

SDR thích nghi với môi trường mạng

CR thích nghi với môi trường phổ

Hình 1.10 Quan hệ giữa Vô tuyến thông minh và SDR

Sơ đồ khối của một Vô tuyến thông minh dựa trên các module SDR được chỉ ra trên Hình 1.11, ở đây có hai khối quan trọng nhất, một khối là module máy thu bao bởi các đường gạch ngang phía trên, và một khối là module máy phát được bao bởi khối đường gạch ngang phía dưới của sơ đồ

Khối đầu tiên bên trái hình vẽ là Anten băng rộng, khối này giống như cái cổng

vào Vô tuyến thông minh, nó thực hiện điều khiển băng tần Vô tuyến thông minh hoạt động bằng tần số RF của nó Một Vô tuyến thông minh có thể quét một băng tần tương đối rộng để đáp ứng với sự thay đổi của môi trường, và do đó, băng tần tổng cộng cho một Vô tuyến thông minh nhất định sẽ phụ thuộc vào các ứng dụng và dịch vụ của nó

Trên hình vẽ, băng tần tổng cộng cho anten băng rộng được biểu thị bởi 





N

i i

f

1 Băng

tần tổng cộng này phải được chia thành N phần, mỗi phần được gán một SDR nhất

định để hoạt động

Sau anten băng rộng, bộ ghép song công sẽ điều khiển anten chia sẻ với các tín hiệu thu và phát để có thể tách hiệu quả các tín hiệu đi vào và tín hiệu ra ngoài Khối lựa chọn tần số động DFS đã được đưa vào để tránh các tín hiệu radar của mạng IEEE

802.11a hoạt động trong băng 5 GHz U-NII, và ở đây DFS liên quan tới quá trình lựa chọn tần số tự động, nhằm đạt được một số mục tiêu nhất định (như tránh nhiễu có hại ảnh hưởng tới hệ thống vô tuyến với độ ưu tiên cao hơn) trong Vô tuyến thông minh

băng rộng

Bộ ghép song công

Cổng định thời

Điều khiển công suất phát (TPC)

Bộ tổng hợp thích ứng

Phát hiện thuê bao được cấp phép

Phối hợp lựa chọn

Hình 1.11 Sơ đồ khối thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên SDR

Có N khối SDR hoạt động song song trong module máy thu ở Hình 1.11, và

mỗi khối sẽ đảm nhiệm một phần băng tần riêng Lí do sử dụng nhiều SDR song song, thay vì sử dụng một SDR, là lượng dữ liệu cần xử lí trong mỗi phần băng tần khác

nhau (f i , trong đó i=1, …, N), trước khi thực hiện bất kì loại quyết định “thông minh”

nào trong Vô tuyến thông minh, là rất lớn Mặt khác, chúng ta cũng có thể thực hiện một Vô tuyến thông minh chỉ sử dụng một khối SDR duy nhất Tuy nhiên, trong trường hợp này, SDR đó yêu cầu phải có năng lực xử lí cao để thực hiện tất cả các việc

xử lí dữ liệu trong một khoảng thời gian đủ ngắn

Tất cả dữ liệu đầu ra sau đó sẽ được đưa đến một khối, khối này có nhiệm vụ đưa ra các quyết định thông minh Các quyết định này bao gồm việc lựa chọn và kết hợp các thông tin đã phát hiện được, nhằm có được các thông tin ở đầu ra mà ta thực

trong khối Cổng định thời (Timing Gate), khối này điều khiển các khe thời gian

truyền, để việc truyền từ Vô tuyến thông minh sẽ chỉ xảy ra khi vùng phổ đã trống

Kiến trúc phân lớp chung cho sơ đồ Vô tuyến thông minh chỉ ra trong Hình 1.11 được minh họa trong Hình 1.12, trong đó chỉ có hai lớp (vật lí và liên kết dữ liệu) được trình bày chi tiết vì tất cả các lớp cao hơn khác là các ứng dụng phụ thuộc và do

đó ta không cần quan tâm ở đây

Các lớp cao hơn

Giao thức quản

lí kết nối

Giao thức MAC

Giao thức quản

lí nhóm

Lớp con hội tụ Ngăn xếp

WWAN

Ngăn xếp WLAN

Ngăn xếp WPAN

Lớp liên kết dữ liệu

Truyền dữ liệu Quét phổ Đo đạc kênh Điều khiển công

suất truyền

Phát hiện người dùng chính

Hình 1.12 Kiến trúc phân lớp tổng quát cho Vô tuyến thông minh

Quét phổ (Spectrum scanning) là một trong những chức năng quan trọng nhất ở

lớp PHY của Vô tuyến thông minh Ở đây, tất cả vùng phổ của toàn bộ băng tần hoạt động đều được quét Việc quét này phải được thực hiện để lưu lại các chu kì của tần số sóng mang, cho phép Vô tuyến thông minh có thể tìm được đúng khe thời gian trong tần số sóng mang đúng để gửi dữ liệu Điều này sẽ đòi hỏi khả năng xử lí băng tần phổ rộng và sau đó là thực hiện phân tích thời gian, không gian và phổ Vô tuyến thông minh cần trao đổi các thông tin cảm nhận trong vùng nó hoạt động để phát hiện ra những người dùng đang gây nhiễu lẫn nhau một cách tối ưu Việc hợp tác giữa những người dùng vô tuyến thông minh khác nhau trong cùng một nhóm truyền thông sẽ rất quan trọng để ước tính chính xác nhiễu

Đo lường kênh (Channel measurement) phải được sử dụng để xác định chất

lượng của các kênh đã quét được chia sẻ với nhiều người dùng chính Các thông số kênh này (như công suất phát, tốc độ bít, …) phải được xác định dựa trên các kết quả

đo lường kênh

Vô tuyến thông minh phải có khả năng hoạt động tại tốc độ truyền dữ liệu, dạng điều chế biến đổi, các sơ đồ mã hóa kênh khác nhau, và truyền các mức công suất khác nhau Hệ thống MIMO cũng có thể được sử dụng để triệt nhiễu không gian và tăng thông lượng thông qua việc ghép kênh Kĩ thuật OFDM cũng có thể được sử dụng để

nâng cao hiệu quả băng tần và hiệu quả phát hiện Các chức năng khác của PHY, như TPC và IPD, … đã được đề cập ở các phần trước nên ta sẽ không trình bày ở đây

Lớp liên kết dữ liệu gồm ba khối chính, bao gồm Giao thức quản lí nhóm, Giao thức điều khiển truy nhập phương tiện (MAC), và Giao thức quản lí kết nối Giả sử

rằng bất kì một người dùng thông minh nào cũng đều thuộc một nhóm người dùng thông minh cấp nhất định Giao thức quản lí nhóm sẽ được sử dụng để phối hợp tất cả những người dùng thông minh trong cùng một nhóm Bất kì người dùng mới nào cũng

có thể lấy thông tin cần thiết về nhóm khi tham gia vào một nhóm nhất định Giao thức liên kết dữ liệu được sử dụng để lựa chọn một kênh phù hợp để tạo ra kết nối truyền thông Lựa chọn này nên được thực hiện dựa trên các thông tin lấy được từ việc quét phổ và IPD Một khi kết nối thứ cấp (secondary link) được thiết lập, các giao thức liên kết dữ liệu có trách nhiệm duy trì kết nối Giao thức MAC hoạt động dựa trên các thông tin đạt được từ PHY, như “quét phổ” và “IPD”… Giao thức MAC quyết định cách thức truy nhập vào kênh, phụ thuộc vào kiểu kênh chia sẻ hoạt động bởi người dùng chính

Lớp con hội tụ (Convergence Sublayer) trong lớp liên kết dữ liệu cung cấp một kĩ

thuật phối hợp trong Vô tuyến thông minh để hoạt động trong các môi trường không dây khác nhau, như WWAN, WLAN, và WPAN, …

1.7 Kết luận chương 1

Sự ra đời và phát triển của Vô tuyến thông minh đã giải quyết được những hạn chế trong sử dụng phổ tần hiện nay Công nghệ truy nhập phổ tần động cho phép Vô tuyến thông minh hoạt động tốt nhất trong kênh có sẵn Chương 1 đã trình bày tổng quan về Công nghệ Vô tuyến thông minh gồm định nghĩa, các nhiệm vụ chính như:

- Cảm nhận phổ: xác định các phần phổ sẵn có và phát hiện ra người dùng được

cấp phép khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép

- Quyết định phổ: lựa chọn kênh tốt nhất có sẵn

- Chia sẻ phổ: đồng truy nhập tới các kênh đó với những người dùng khác

- Dịch chuyển phổ: bỏ kênh đó khi phát hiện đã có người dùng được cấp phép

hoặc điều kiện kênh xấu

Ngoài ra, Chương 1 cũng đã trình bày hoạt động của Vô tuyến thông minh thông qua chu trình thông minh, kiến trúc ngăn xếp cũng như kiến trúc vật lý của Vô tuyến thông minh

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO

TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM) 2.1 Giới thiệu chương

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền OFDM là một phương thức điều chế lý tưởng cho các kênh có đáp tuyến tần số không bằng phẳng

Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, các nguyên lý cơ bản, và các kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Đặc biệt, ta cũng sẽ phân tích kỹ về kỹ thuật truyền dẫn OFDM không liên tục (NC-OFDM) mà được ứng dụng chính trong Vô tuyến thông minh Đồng thời phân tích và so sánh hiệu năng của NC-OFDM với các phương thức truyền dẫn khác Cuối chương sẽ đề cập tới một vài ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

2.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn

bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí hiệu Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang con

2.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM là phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao (Băng thông W) thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền chúng đồng thời qua nhiều sóng mang con Một giá trị đủ lớn của N tạo ra băng thông đơn lẻ (W/N) của

các sóng mang con hẹp hơn băng thông nhất quán của kênh (B c) Các sóng mang đơn

lẻ chỉ có fading phẳng và điều này có thể được bù đắp cho việc sử dụng một bộ cân bằng phân nhánh đơn lẻ miền tần số thông thường Sự lựa chọn sóng mang con đơn lẻ sao cho chúng trực giao với nhau cho phép các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau bởi vì tính trực giao đảm bảo sự riêng rẽ của các sóng mang con tại đầu cuối máy thu Phương pháp này đem lại hiệu quả phổ tần tốt hơn so với các hệ thống FDM – không cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang con

Ch 1 Ch 10

Tần số (a)

Tần số (b)

Tiết kiệm băng thông

Băng tần bảo vệ

Hình 2.1 Đa sóng mang trực giao (a) và đa sóng mang thông thường (b)

Hiệu quả phổ tần của một hệ thống OFDM được chỉ ra trong Hình 2.1, trong đó minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang không chồng lấn thông thường (như FDMA) và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lấn (như DMT, OFDM, …) Như chỉ ra trong Hình 2.1 việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lấn có thể đạt được hiệu quả phổ tần cao hơn Tuy nhiên, việc chấp nhận các lợi ích của kỹ thuật đa sóng mang chồng lấn đồng nghĩa với yêu cầu phải giảm xuyên nhiễu giữa chúng, đó là lý do ta sử dụng tính trực giao giữa các sóng mang con đã điều chế

Thuật ngữ “trực giao” chỉ một quan hệ toán học đặc biệt giữa các tần số của các sóng mang con trong các hệ thống OFDM cơ sở Trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, các sóng mang được tách biệt về mặt không gian sao cho các tín hiệu có thể được thu bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy thu như vậy, các băng tần bảo vệ được đặt giữa các sóng mang con khác nhau trong miền thời gian, dẫn tới sự lãng phí hiệu quả phổ tần Tuy nhiên,

có thể sắp xếp các sóng mang con trong một hệ thống OFDM sao cho các cạnh bên của phổ chồng lấn lên nhau và các tín hiệu vẫn nhận được mà không có nhiễu sóng mang lân cận Máy thu OFDM vì thế có thể được cấu trúc như một tập các bộ giải điều chế, chuyển mỗi sóng mang xuống bộ DC và sau đó lấy tích phân trong một chu kỳ ký hiệu để khôi phục dữ liệu được phát Những sóng mang con này có thể được tạo ra độc lập tuyến tính (ví dụ trực giao) nếu khoảng cách sóng mang là bội số của 1/T (T là chu

kỳ ký hiệu)

Tính trực giao của các sóng mang con được duy trì cả trong trường hợp kênh phân tán bằng cách sử dụng tiền tố vòng (CP) CP là phần cuối cùng của một hệ thống OFDM

Hình 2.3 Phổ của ký hiệu OFDM

Hình 2.2 mô tả phổ của một sóng mang đơn lẻ và Hình 2.3 mô tả phổ của một

ký hiệu OFDM Tín hiệu OFDM được ghép kênh bởi các phổ riêng lẻ với một khoảng cách tần số tương đương với băng thông truyền dẫn của mỗi sóng mang con như trên Hình 2.2 Hình 2.3 chỉ ra tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang con không có xuyên nhiễu từ các kênh khác Bởi vậy, nếu máy thu hoạt động tương quan với tần số trung tâm của mỗi sóng mang con, nó có thể khôi phục lại dữ liệu truyền mà không bị nhiễu Thêm vào đó, việc sử dụng kỹ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, ghép kênh phân chia

theo tần số được thực hiện bởi việc xử lý băng gốc đơn giản hơn xử lý thông dải tốn kém

2.4 Mô hình hệ thống OFDM

Một vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đó là việc ứng dụng biến đổi Fourier (FT-Fourier Transform) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu Kỹ thuật này phân chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức Sử dụng biến đổi Fourier nhanh ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phương pháp mã hóa (coding) và ghép xen (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao

Một lược đồ khối tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM điểm-điểm đơn giản được chỉ ra như Hình 2.4 dưới đây Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia luồng

dữ liệu tốc độ cao từ một nguồn dữ liệu thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Các luồng này sau đó được điều chế một cách độc lập sử dụng MPSK (M-ary Phase Shift Keying) hoặc MQAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation) Các luồng này được truyền đồng thời qua N sóng mang con trực giao sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp – song song (S/P) Các dữ liệu qua các sóng mang con này được tổng hợp lại thành một ký hiệu OFDM Theo định nghĩa toán học, nếu , k = 0, 1, 2, …, N – 1, là các

ký tự đầu vào phức của sóng mang con thứ k tại thời điểm thứ m, N là số sóng mang con, và T là khoảng thời gian ký hiệu, thì một ký hiệu OFDM bắt đầu tại trong

ký hiệu băng tần cơ sở dạng phức có thể được viết thành:

và giải điều chế các chòm sao dữ liệu trên các sóng mang con trực giao

Bộ điều

chế MPSK

(hoặc MQAM)

S/P

Xử

lý trên miền tần số

IFFT

Xử lý trên miền thời gian

P/S CP

Bộ điều chế MPSK (hoặc MQAM) P/S

Xử lý trên miền tần số

Bộ cân bằng FFT

Xử

lý trên miền thời gian

Loại CP S/P

(OC 1 )

(OC 2 )

^

^

Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của một bộ thu phát OFDM

Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế trong pha và pha vuông góc (I/Q) Các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM được cho bởi:

ký hiệu luôn luôn có một số nguyên chu kỳ với khoảng FFT Điều này được duy trì cho tới khi trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ (ví dụ như tiền tố vòng (CP)-là một sự lặp lại của một đoạn cuối của khối số liệu và được gán tới đầu của đoạn tải số liệu) và ảnh hưởng của kênh phân tán theo thời gian bằng với một vòng cyclic Dựa vào các đặc tính của vòng cyclic, nhiễu liên ký tự (ISI) có thể được loại bỏ bằng phương pháp cân

truyền dẫn OFDM Tiếp sau bộ chuyển đổi song song-nối tiếp (P/S), tín hiệu OFDM

băng gốc s(n) được lấy mẫu lên cao và đưa qua bộ chuyển đổi số-tương tự (D/A) để

chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự Tín hiệu OFDM băng gốc sau đó được lọc thông thấp, nâng tần tới tần số trung tâm mong muốn bằng cách sử dụng một bộ trộn

và một bộ tạo dao động nội (LO), và được khuếch đại bởi bộ khuếch đại công suất (PA)

Như đã chỉ ra trên Hình 2.4, máy thu hoạt động ngược lại so với máy phát, trộn tín hiệu RF thành tín hiệu băng gốc cho xử lý Sau đó, tín hiệu được lọc thông thấp, được chuyển đổi thành tín hiệu số sử dụng bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D), và lấy mẫu giảm xuống Luồng tín hiệu nối tiếp lấy mẫu theo thời gian này được chuyển đổi thành các luồng song song với một bộ chuyển đổi S/P và tiền tố vòng được loại bỏ từ

tín hiệu tổng hợp nhận được, r m,n Sau đó, DFT được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu miền thời gian sang miền tần số:

Tại máy thu, phát hiệu khung là một nhiệm vụ quan trọng Hơn nữa, sự đồng bộ

và định thời tần số được yêu cầu trước khi ký hiệu OFDM có thể được giải điều chế đúng Sự ước tính và cân bằng kênh một cách phù hợp cũng sẽ được yêu cầu tùy theo các đòi hỏi về BER của hệ thống truyền thông Một đoạn đã biết được gửi trước mỗi khung OFDM để cho phép máy thu đồng bộ và ước tính kênh

Dựa vào tổng của các sóng mang tại máy phát, tín hiệu OFDM tổng hợp trong miền thời gian có thể thể hiện các sự biến đổi lớn, mà được đặc trưng bởi một PAPR lớn Khi xảy ra PAPR cao, bộ chuyển đổi D/A và PA của máy phát phải có dải động lớn để tránh sự cắt xén biên độ, dẫn đến tăng tiêu thụ công suất và giá thành thiết bị của máy phát Có thể giảm PAPR của tín hiệu OFDM bằng cách sửa đổi các đặc trưng tín hiệu trong miền thời gian hoặc miền tần số, thông tin được phát tới máy thu thông qua kênh điều khiển (OC1) (nếu cần thiết) Thông tin này sẽ cho phép máy thu đảo ngược các thay đổi tại phía máy phát để giải điều chế chính xác các thông tin đã phát Tương tự, nếu tín hiệu OFDM được thay đổi trong miền thời gian, thì thông tin được truyền tới máy thu thông qua kênh điều khiển (OC2) (nếu cần thiết) như chỉ ra trên Hình 2.4

2.5 Các kỹ thuật điều chế số sử dụng trong OFDM

2.5.1 Điều chế QPSK

Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK bốn mức như sau:

2cos[2 ( ) ] 0( )

Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”, “11”, “10”

T = 2.T b (T b là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự)

E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự

Khai triển s(t) ta được :

2

2( )t sin[2 f t c ]; 0 t T b

4

i i

Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK

Cặp bit vào Pha của tín hiệu

ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số

Dạng tổng quát của điều chế QAM m mức (m - QAM) được xác định như sau: