Ứng dụng công nghệ OFDM trong mạng không dây wimax

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, dưới sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt là lĩnh vực truyền thông có những bước nhảy vọt về công nghệ. Nhưng công nghệ truyền thông mới ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu của con người như: công nghệ hỗ trợ đa dich vụ, tốc độ hỗ trợ đa dich vụ, tốc độ cao, thuận lợi cho người dùng ở mọi lúc, mọi nơi… Công nghệ OFDM ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó của người sử dụng. Công nghệ OFDM hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình DVB – T, phát thanh số DAB hay mạng truy nhập Internet băng rộng ADSL …. Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng trong các hệ thống băng rộng WiMax theo chuẩn IEEE 802.16a hiện nay được xây dựng và trong hệ thống thông tin di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác. Để tiếp cận công nghệ mới này em chọn đề tài “ Ứng dụng công nghệ OFDM trong mạng không dây WiMax “ làm đồ án tốt nghiệp, do thầy giáo Thượng tá PGS, TS. Đinh Thế Cường hướng dẫn. Đồ án này được tổ chức thành 3 chương như sau: Chương 1 : Tổng quan về WiMAX và ứng dụng của OFDM Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về tín hiệu OFDM Chương 3 : Kỹ thuật chống nhiễu trong OFDM

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, dưới sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin, đặc biệt

là lĩnh vực truyền thông có những bước nhảy vọt về công nghệ Nhưng côngnghệ truyền thông mới ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu của con ngườinhư: công nghệ hỗ trợ đa dich vụ, tốc độ hỗ trợ đa dich vụ, tốc độ cao, thuậnlợi cho người dùng ở mọi lúc, mọi nơi… Công nghệ OFDM ra đời nhằm đápứng những nhu cầu đó của người sử dụng

Công nghệ OFDM hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêuchuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình DVB – T, phát thanh số DAB haymạng truy nhập Internet băng rộng ADSL … Trong tương lai công nghệ nàycòn được ứng dụng trong các hệ thống băng rộng WiMax theo chuẩn IEEE802.16a hiện nay được xây dựng và trong hệ thống thông tin di động toàn cầuthế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ thống viễn thông khác Để tiếp cận công nghệ

mới này em chọn đề tài “ Ứng dụng công nghệ OFDM trong mạng không

dây WiMax “ làm đồ án tốt nghiệp, do thầy giáo Thượng tá PGS, TS Đinh

Thế Cường hướng dẫn

Đồ án này được tổ chức thành 3 chương như sau:

Chương 1 : Tổng quan về WiMAX và ứng dụng của OFDM

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về tín hiệu OFDM

Chương 3 : Kỹ thuật chống nhiễu trong OFDM

Cuối cùng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Thượng tá PGS.TS ĐinhThế Cường, cùng các thầy giáo trong khoa vô tuyến điện tử đã đóng gópnhưng ý kiến quý báu cho sự hoàn thành đồ án này

Hà Nội, tháng 5 năm 2008

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ WIMAX VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM

1.1 Tổng quan về sự phát triển của thông tin di động

1.1.1 Sơ lược về các hệ thống thông tin di động

Kể từ khi được triển khai vào những năm đầu của thập niên 1980 chođến nay, thông tin vô tuyên di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sứcnhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốcgia, số luợng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định.Trongtương lai số luợng thuê bao di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và songsong với nó là sự gia tăng về nhu cầu của người sử dụng Điều này đã khiếncác nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu,

và đưa ra các giải pháp kỹ thuật, để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thôngtin Cho đến hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất

Hệ thống mạng di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào nhữngnăm cuối thập niên 70, hệ thống này sử dụng kỹ thuật tương tự Tất cả các hệthống 1G sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA(Frequency Division Multiple Access) Các hệ thống mạng di động 1G chỉđược dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng khá thấp nguyên dotình trạng nghẽn mạch và nhiễu xảy ra thường xuyên

Đại diện các hệ thống mạng di động 1G bao gồm : AMPS (AdvancedMobile Phone System) ở Mỹ, ETACTS (Enhanced Total Access CellularSystem) ở Châu Âu, và NMT (Nordic Mobile Telephone System) ở Bắc Âu

1.1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống mạng 2G được triển khai vào năm 1990 và hiện nay vẫn được

sử dụng rộng rãi, là một mạng thông tin di động số băng hẹp, sử dụng phươngpháp chuyển mạch kênh là chủ yếu Phương pháp đa truy cập TDMA (Time

Division Multiple Access) và CDMA (Code Division Multiple Access) được

sử dụng kết hợp với FDMA

Hệ thống mạng di động 2G sử dung cho dịch vụ thoại và truyền số liệu

Hệ thống mạng 2G bao gồm các hệ thống: PCS (Personal CommunicationSystem), TDMA, CDMA và GSM

PCS là hệ thống truyền dẫn ở tần số 1900MHz Ưu đỉểm của điện thoạiPCS là nhỏ, trọng lượng nhẹ, bảo mật tốt và thời gian Pin chờ lâu TDMA làmạng di động sử dụng kỹ thuật điều chế số phát triển từ mạng 1G AMPS,tăng dung lượng mạng bằng cách cho phép nhiều người dùng chung một kênh

vô tuyến mà vẫn bảo đảm chất lượng thoại TDMA được chia thành TDMAbăng rộng và TDMA băng hẹp, còn ở Châu Âu TDMA băng rộng hoạt động ở

2 chế độ: tương tự và số Trong thông tin TDMA, nhiều người sử dụng chungmột sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ

để dành cho nhiều người sử dụng Tuy nhiên cả hai hệ thống đều có thể đượccoi như tổ hợp FDMA và TDMA, vì người sử dụng thực tế dùng các kênhđược ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần Ngày nay,TDMA là chuẩn được sử dụng phổ biến ở Mỹ, Châu Mỹ Latin, New Zealand

và một số quốc gia thuộc khu vực Châu Á, Thái Bình Dương

Mạng CDMA đuợc triển khai năm 1995 Tương tự như TDMA, mạngCDMA cũng phục vụ đồng thời ở hai chế độ: tương tự và số Điểm khác biệtTDMA và CDMA là các kênh CDMA rộng hơn khoảng 6 lần và hệ thống cấpcho mỗi thuê bao một mã duy nhất

Hệ thống GSM ra đời năm 1988, sử dụng kết hợp hai phương pháp đatruy nhập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA Tại mỗi thời điểm có 8thuê bao có thể dùng chung một kênh GSM cho dịch vụ truyền thoại và faxvới tốc độ 9600 bit/s Máy Điện thoại GSM sử dụng một SIM-Card(Subcriber Indentify Module), để lưu trữ số điện thoại, thông tin và tài khoản

dụng ở các quốc gia Châu Á Thái Bình Dương GSM 1800 MHz cũng đượctriển khai ở Châu Âu và Châu Á nhưng không phổ biến như hệ thống GSM

900 MHz Hệ thống GSM 1800 được sử dụng phổ biến ở Châu Âu vàCanada

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 2.5 (2.5G)

Hệ thống mạng 2.5G là mạng chuyển tiếp giữa hệ thống mạng di động

Hệ thống hoàn toàn dựa trên cơ chế chuyển mạch gói Ưu điểm của hệ thống

di động 2.5G là tiết kiệm được không gian và tăng tốc độ truyền dẫn Nângcấp hệ thống mạng 2G lên 2.5G nhanh hơn và có chi phí thấp hơn so với việcnâng cấp mạng từ 2G lên 3G Hệ thống 2.5G như một bước đệm chuyển tiếp,không đòi hỏi môt sự thay đổi có tính chất đột biến Các hệ thống điển hìnhgồm có GPRS (Generic Packet Radio Services) và EDGE (Enhanced DataRate for Global Evolution)

GPRS là một hệ thống mới, đuợc triển khai trên nền của hệ thống GSM

sử dụng phương thức chuyển mạch gói và nhờ đó cước phí sử dụng được tínhdựa trên từng gói nhận, gửi đi, khác hẳn và có lợi hơn cho thuê bao so vớicách tính cước dựa trên thời gian kết nối GPRS có thể được xem như là sự

mở rộng của hệ thống di động thế hệ thứ 2G GSM, có khả năng cung cấp cáckết nối ảo, các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 171.2Kbps cho mỗingười dùng nhờ vào việc sử dụng đồng thời nhiều khe thời gian Bên cạnhmục đích cung cấp những số liệu mới cho các thuê bao di động, GPRS cònđược xem như là bước chuyển tiếp từ thế hệ 2G lên 3G Với việc xây dựng hệthống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP

để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như đã tạo ra một môi trường đểthử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệcủa thế hệ 3G sau này

Mạng EDGE cũng được xây dựng dựa trên nền tảng của mạng GSMnhưng lại cung cấp gần đạt đến các chuẩn dành cho 3G, tốc độ xấp xỉ 384Kbps.

1.1.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

3G là thế hệ thông tin di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ, có khả

năng truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xâydựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cungcấp một băng tần rộng theo yêu cầu, do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có nhiềutốc độ khác nhau

Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thànhmột tiêu chuẩn chung duy nhất và phục vụ lên đến 2Mbps Mặc dù 3G đượctính toán sẽ là một chuẩn mang tính toàn cầu nhưng chi phí xây dựng cơ sở hạtầng cho hệ thống này rất tốn kém

Các hệ thống mạng 3G tiêu biểu gồm có WCDMA (Wideband CodeDivision Multiple Access) và UMTS (Universal Mobile Telecommunication

System) WCDMA, hay còn gọi IMT-2000, là một chuẩn của ITU

(International Telecommunication Union) có nguồn gốc từ chuẩn CDMA.Công nghệ WCDMA cho phép tốc độ truyền dữ liệu đến các thiết bị di độngcao hơn nhiều so với khả năng di động hiện nay WCDMA có thể hỗ trợ việctruyền thoại, hình ảnh, video có tốc độ lên đến 2Mbps UMTS là một mạngthế hệ thứ 3 được triển khai ở Châu Âu Mạng này cung cấp cho người sửdụng các dịch vụ hoạt động ở tần số 2GHz, cho phép hình ảnh âm thanh,video, truyền hình … hiển thị trên các máy điện thoại di động UMTS đượcxem là một hệ thống mạng cải tiến từ mạng GSM

1.1.6 Các kỹ thuật đa truy nhập

1.1.6.1 FDMA

Công nghệ FDMA được sử dụng lần đầu tiên trong các hệ thống thông

băng tần nhỏ Mỗi thuê bao MS được phép truyền liên tục theo thời gian trênmột băng tần nhỏ đã được cấp phát cho MS đó, do đó sẽ không bị trùng Mỗibăng tần bao gồm băng tần tối thiểu cho việc truyền dữ liệu và hai dãy tầnphòng vệ hai bên để chống nhiễu xuyên kênh

Đặc điểm của FDMA là thuê bao MS sẽ được cấp phát một kênh đôi liênlạc suốt thời gian thông tuyến Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cậnnhau là đáng kể Trạm gốc BS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi thuêbao MS trong hệ thống di động

1.1.6.2 TDMA

Hệ thống thông tin di động TDMA được phát triển trên nền FDMA Ứngdụng kỹ thuật nén số đối với thoại cho phép mỗi thuê bao trong hệ thống cóthể truy cập toàn bộ băng tần vô tuyến của hệ thống ở các khe thời gian khácnhau Mỗi thuê bao được cấp một khe thời gian trong cấu trúc khung Khoảngthời gian không sử dụng giữa các khe lân cận là thời gian bảo vệ để giảmnhiễu

Trong hệ thống tế bào, phổ tần được chia thành các dải tần liên lạc trongkhe thời gian của nó để truyền thông tin dữ liệu Nếu phổ tần có sẵn được chiathành nhiều dải tần liên lạc cho các nhóm thuê bao riêng biệt thì gọi là TDMAbăng hẹp Còn nếu phổ tần cho phép đều được sử dụng cho mọi thuê bao thìgọi là phương pháp TDMA băng rộng

Điểm yếu của kỹ thuật TDMA là hiện tượng trễ truyền dẫn gây ra

sự trùng chập tín hiệu giữa hai khe thời gian lân cận nếu thời gian bảo vệ củamỗi khe không đủ Người ta đã chứng minh rằng nếu bán kính tế bào là Rthìthời gian trễ là Ttrễ =2R / c Để tránh chồng chập tín hiệu thì khoảng thời gianbảo vệ tối thiểu của mỗi khe thời gian phải là Gmin=2R / c, nhưng điều này sẽlàm giảm dung lượng kênh Để dung lượng kênh không bị giảm thì có thể sửdụng phương pháp thứ hai là không có thời gian bảo vệ mà thay thế bằngcách điều chỉnh định thời phát của thuê bao MS Tuy nhiên khi đó cần phải

xác định khoảng cách MS – BS và điều chỉnh định thời thích ứng Vì vậy, cầnphải tùy theo đặc điểm từng hệ thống mà lựa chọn phương pháp thích hợp

MS được gán một mã riêng và kỹ thuật trải phổ tín hiệu sẽ giúp cho các MSkhông gây nhiễu lẫn nhau mặc dù có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số.Nếu muốn thu được tín hiệu của kênh truyền thì phải biết được mã của kênh

đó

Đặc điểm của tín hiệu CDMA là sử dụng tín hiệu cao tần, dải tần rộnghảng MHz, sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trãi phổ cho phép tínhiệu vô tuyến sử dụng có mật độ phổ rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơnFDMA và TDMA Việc các MS trong tế bào dùng chung tần số khiến chothiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn

là vấn đề và chuyển giao trở thành mềm Điều khiển dung lượng trong tế bàorất linh hoạt Hệ thống CDMA cũng áp dụng kỹ thuật nén số như TDMAnhưng với tốc độ bit thay đổi theo tích cực thoại, nên tín hiệu thoại có tốc độbit trung bình nhỏ hơn Hệ thống CDMA điển hình là IS-95

1.2 Tổng quan về sự phát triển của WIMAX

1.2.1 Giới thiệu chung

WiMax là công nghệ không dây băng rộng mới đang được nhiều nhànghiên cứu, triển khai viễn thông trên thế giới quan tâm phát triển Đặc điểmchung của công nghệ WiMax bao gồm các chuẩn, các băng tần được cấp phép

1.2.2 Đặc điểm của công nghệ WiMax

WiMax là viết tắt của Worlwide Interoperability for Microware Access

- khả năng tương tác toàn cầu cho truy nhập vi ba

WiMax là một công nghệ dựa trên các chuẩn, cho phép truy cập băngrộng vô tuyến đầu cuối như một phương thức thay thế cho cáp và xDSL.WiMax cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử dụng có thể dichuyển được nhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sửdụng có thể di chuyển với tốc độ đi bộ) và di dộng mà không cần ở trong tầmnhìn thẳng (LOS) trực tiếp với một trạm gốc

WiMax không phải là một công nghệ mới, nhưng là công nghệ khôngdây đã được cải tiến rất nhiều để có được những tính năng ưu việt Về cơ bảnthì công nghệ WiMax không có nhiều khác biệt so với công nghệ WiFi, tuynhiên tuy nhiên WiMax không là sự mở rộng của công nghệ WiFi WiFiđược thực hiện trên bộ tiêu chuẩn kết nối mạng không dây nội bộ được pháttriển bởi nhóm làm việc theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 và được thiết kế để tạo

ra kết nối không dây, cho phép kết nối Internet tới một nhóm các máy tínhkhác trong một tòa nhà, văn phòng làm việc trong một phạm vi nhỏ hẹp (bánkính 100m) Trong khi đó WiMax được thiết kế cho phép truy nhập khôngdây băng rộng trong một pham vi rộng (bán kính 50km), là một phương thứcmới để người sử dụng có thể truy cập Internet băng rộng mọi nơi, mọi lúc vớigiá thành rẻ hơn, thuận lợi so với việc sử dụng các công nghệ dây dẫn khácnhư DSL và cáp Đây là hai tiêu chuẩn sử dụng chipset khác nhau, các hệthống tiêu chuẩn chất lượng dịch vụ (QoS) và an ninh khác nhau Tuy nhiên,điểm khác biệt quan trọng giữa WiMax và WiFi là ở việc sử dụng phổ tần số

vô tuyến điện WiFi chỉ sử dụng phổ tần không cấp phép, trong khi đóWiMax sử dụng phổ tần được cấp phép và phổ tần không được cấp phép

1.2.3 Đặc điểm của công nghệ WiMax

WiMax đã được tiêu chuẩn hóa ở IEEE 802.16 Hệ thống này là hệthống đa truy cập không dây có các đặc điểm sau:

• Khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát có thể lên tới 50km

• Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbps

• Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìnthẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS

• Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêuchuẩn hóa

• Trong WiMax, hướng truyền tin được chia thành hai đường lên vàxuống Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệOFDM để truyền OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang,trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con,mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang WiMax sử dụng điều chế nhiềumức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp với các phương phápsửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã hóa sửa lỗi Reed Solomon, mãxoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8

• Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chiathành nhiều băng con 1,75MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữanhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thờimột hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụngbăng tần Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA(OFDM Access)

• Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing)

và FDD (Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn củahướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink)

• Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được chia thành 4 lớp: Lớp

các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission), vàlớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hìnhOSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên.

• Về cấu hình: WiMax hỗ trợ nhiều cấu hình hệ thống, gồm cấu hìnhđiểm - điểm, cấu hình điểm – đa điểm, cấu hình lưới

1.2.4 Sự lựa chọn tham số cho WiMax

Các băng được WiMax tập trung xem xét và vận động cơ quan quản lýtần số các nước phân bổ cho WiMax là: 3600-3800MHz, 3400-3600MHz(băng 3.5GHz), 3300-3400MHz (băng 3.3GHz), 2500-2690MHz (băng2.5GHz), 2300-2400MHz (băng 2.3GHz), 5725-5850MHz (băng 5.8GHz) vàbăng 700-800MHz (dưới 1GHz)

1.2.4.1 Băng 3400-3600MHz (băng 3.5GHz)

Băng 3.5Ghz là băng tần đó được nhiều nước phân bổ cho hệ thống truycập không dây cố định (Fixed Wireless Access – FWA) hoặc cho hệ thốngtruy cập không dây băng rộng (Wireless Broadband Access - WBA) WiMaxcũng được xem là một công nghệ WBA nên có thể sử dụng băng tần này choWiMax Các hệ thống WiMax ở băng tần này sử dụng chuẩn 802.16-2004 đểcung cấp các ứng dụng cố định và nomadic, độ rộng phân kênh là 3.5MHzhoặc 7MHz, chế độ song công TDD hoặc FDD Một số nước quy định băngtần này chỉ dành cho các hệ thống cung cấp các dịch vụ cố định, nên để triểnkhai được WiMax cần thiết phải sửa đổi lại quy định này Đối với Việt Nam,

do băng tần này được ưu tiên dành cho hệ thống vệ tinh Vinasat nên hiện tạikhông thể triển khai cho WiMax

1.2.4.2 Băng 3600-3800MHz

Băng 3600-3800MHz được một số nước châu Âu xem xét để cấp choWBA Tuy nhiên, do một phần băng tần này (từ 3.7-3.8GHz) đang đượcnhiều hệ thống vệ tinh viễn thông sử dụng, đặc biệt là ở khu vực châu Á, nên

ít khả năng băng tần này sẽ được chấp nhận cho WiMax ở châu Á

1.2.4.3 Băng 3300-3400MHz (băng 3.3 GHz)

Băng tần này đã được phân bổ ở Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam đang

xem xét phân bổ chính thức Do Ấn Độ và Trung Quốc là hai thị trường lớn,nên dù chưa có nhiều nước cấp băng tần này cho WBA, nhưng thiết bịWiMax cũng đã được sản xuất

Chuẩn WiMax áp dụng ở băng tần này tương tự như với băng 3.5GHz,

đó là WiMax cố định, chế độ song công FDD hoặc TDD, độ rộng kênh3.5MHz hoặc 7.5MHz

1.2.4.4 Băng 2500-2690MHz (băng 2.5GHz)

Băng tần này là băng tần được WiMax ưu tiên lựa chọn cho WiMax diđộng theo chuẩn 802.16e Có hai lý do cho sự lựa chọn này Thứ nhất, so vớicác băng trên 3GHz, điều kiện truyền sóng của băng tần này thích hợp chocác ứng dụng di động Thứ hai là khả năng băng tần này sẽ được nhiều nướccho phép sử dụng WBA bao gồm cả WiMax Độ rộng kênh của WiMax ởbăng tần này có độ rộng kênh là 5MHz, chế độ song công là TDD và FDD

1.2.4.5 Băng 2300-2400MHz (băng 2.3GHz)

Băng 2.3GHz cũng có đặc tính truyền sóng tương tự như băng 2.5GHznên là băng tần được WiMax xem xét cho WiMax di động Hiện có một sốnước phân bổ băng tần này cho WBA như Hàn Quốc (triển khai WiBro), Úc,

Mỹ, Canada, Singapore Singapore đã cho đấu thầu 10 khối 5MHz trong dải2300-2350MHz để sử dụng cho WBA với các điều kiện tương tự như vớibăng 2.5GHz Úc chia băng tần này thành các khối 7MHz, không qui định cụthể về công nghệ hay độ rộng kênh, ưu tiên cho ứng dụng cố định Mỹ chiathành 5 khối 10MHz, không qui định cụ thể về độ rộng kênh, cho phép triểnkhai cả TDD và FDD

Đối với Việt Nam, đây cũng là một băng tần có khả năng sẽ được sửdụng để triển khai WBA/WiMax

Băng tần này được WiMax quan tâm vì đây là băng tần được nhiềunước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn sovới các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz, 5250-5350MHz), vốn thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà TheoWiMax thì băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộngphân kênh là 10MHz Phương thức song công được sử dụng là TDD, không

có FDD

1.2.4.7 Băng dưới 1GHz

Với các tần số càng thấp, sóng vô tuyến truyền lan càng xa, số trạm gốccần sử dụng càng ít, tức mức đầu tư cho hệ thống thấp đi Vì vậy, diễn đànWiMax cũng đang xem xét khả năng sử dụng các băng tần dưới 1GHz, đặcbiệt là băng 700MHz - 800MHz

Hiện nay, một số nước đang thực hiện việc chuyển đổi từ truyền hìnhtương tự sang truyền hình số, nên sẽ giải phóng được một phần phổ tần sửdụng cho WBA/WiMax Với Việt Nam, do đặc điểm có rất nhiều đài truyềnhình địa phương nên các kênh trong giải 470-806MHz dành cho truyền hìnhđược sử dụng dày đặc cho các hệ thống truyền hình tương tự Hiện chưa có lộtrình cụ thể nào để chuyển đổi các hệ thống truyền hình tương tự này sangtruyền hình số, nên chưa thấy có khả năng có băng tần để cấp choWBA/WiMax ở đây

1.2.5 Các cấu hình hệ thống

1.2.5.1 Cấu hình điểm-điểm

Hệ thống vô tuyến cố định đã có lịch sử tương đối lâu dài Các kết nốiđiểm - điểm đã được sử dụng cho thông tin thoại và truyền dữ liệu ở các mạngđường trục cho các công ty điện thoại, công ty truyền hình cáp, … và vẫn sẽtiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong cơ sở hạ tầng thông tin nhằm hỗ trợcho các yêu cầu kết nối tới các vị trí đơn lẻ Nhiều nhà cung cấp sản phẩmLAN vô tuyến đã tung ra thị trường các sản phẩm kết nối băng rộng Các sản

phẩm này chủ yếu hoạt động trong băng tần 2,4 GHz với tốc độ dữ liệu từ 1Mbit/s đến 11 Mbit/s trong khoảng cự ly lên đến từ 16 đến 40 km, tuỳ thuộcvào ăng ten sử dụng Đối với các cự ly xa hơn, thì khó đạt đến tốc độ ấy.Công nghệ này vẫn tiếp tục được phát triển cho những tần số cao hơn,như vậy ăng ten sử dụng sẽ có kích thước nhỏ hơn, do đó chi phí sẽ thấp hơn

và việc triển khai hệ thống cho mục đích sử dụng cá nhân sẽ dễ dàng hơn.Một tuyến điểm - điểm sẽ gồm tối thiểu hai thiết bị đầu cuối, trong đómỗi thiết bị đầu cuối sẽ có một khối ODU (OutDoor Unit) và một khối IDU(InDoor Unit) Khối ODU thường là ăng ten và các chức năng RF, còn khốiIDU là modem và các giao diện mạng Cấu hình hệ thống điểm - điểm đượcthể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1 Cấu hình hệ thống điểm - điểmCấu hình điểm - điểm kết nối đường trục chặng dài và mạch vòng cápquang đô thị với các toà nhà, doanh nghiệp Các mạng này tạo ra cơ sở hạtầng dữ liệu phức tạp và tin cậy, có thể dùng để truyền thoại qua IP Trongnhiều trường hợp có thể kết hợp công nghệ DSL trên đường dây đồng trongcác toà nhà với mạng vô tuyến cố định ngoài toà nhà để cung cấp dịch vụ dữliệu với chi phí thấp cho các công ty nhỏ

Với mô hình ứng dụng để triển khai dịch vụ Internet tốc độ cao cho khuvực trung du, miền núi thì giải pháp điểm - điểm có nhược điểm là chi phí đểlắp đặt hệ thống cao.

1.2.5.2 Cấu hình điểm – đa điểm

Khi mà các thuê bao vô tuyến phân tán theo vùng địa lý thì cấu hìnhđiểm - điểm không phù hợp vì cần nhiều ăng ten ở vị trí trung tâm và thiếuchi phí để trải rộng khắp vùng địa lý để bao trùm hết các điểm, và điều quantrọng hơn là người sử dụng sẽ phải dùng chung độ rộng băng tần Khi triểnkhai dịch vụ Internet cho các cụm dân cư, trường học ở các khu vực nôngthôn, miền núi thì các thuê bao sẽ phân tán trong vùng rộng với mật độ khônglớn Với đặc thù như thế, thì việc cấp dịch vụ Internet cho các khu vực nôngthôn, miền núi sẽ phù hợp hơn với cấu hình điểm – đa điểm Cấu hình nàycũng sẽ là đòn bẩy tốt khi số điểm kết nối tăng để điều chỉnh chi phí quản lý,điều khiển Hub, và khi yêu cầu dữ liệu không cao như trong giải pháp cấuhình điểm - điểm cung cấp Các hệ thống này đang và sẽ được phát triển trongnhiều băng tần

Đặc điểm chính của cấu hình điểm – đa điểm là có chi phí thấp, triểnkhai lắp đặt đơn giản, có khả năng phủ sóng hiệu quả, có khả năng cấp pháttốc độ dữ liệu cao có tính hiệu quả về mặt phổ, và quản lý và hỗ trợ sau khilắp đặt với chi phí thấp Một hệ thống với cấu hình điểm – đa điểm tối thiểu

sẽ có chín phần tử với các chức năng cơ bản như sau

• Thiết bị đầu cuối khách hàng như máy tính, ti vi, điện thoại ở phía đầucuối thuê bao để tương tác với dữ liệu mong muốn

• Một modem để mã hoá và giải mã thông tin

• Một bộ thu phát và ăng ten để chuyển thông tin sang và từ tần số vôtuyến

• Một ăng ten trạm gốc

• Máy phát, máy thu, và các chuyển mạch cho trạm gốc.

• Một Hub vô tuyến để mã hoá và giải mã thông tin cho và từ tất cả cácđối tượng sử dụng

• Công cụ quản lý mạng để giám sát tình trạng mạng và quản lý tất cảcác đối tượng sử dụng

• Một cổng và bộ định tuyến để kết nối hiệu quả tới các mạng khác vàphân bố và nhận thông tin cho tất cả các đối tượng sử dụng

• Một kết nối tới mạng thông tin

Việc triển khai hệ thống điểm – đa điểm sẽ cung cấp thông tin cho:

• Các cụm dân cư, bưu điện văn hoá xã ở vùng sâu, vùng xa, đặc biệt lànhững vùng chưa có cơ sở hạ tầng cáp thông tin hay chi phí xây dựng hạ tầngcáp để cung cấp dịch vụ DSL cao

• Các trường học, từ các trường phổ thông, nhà trẻ cho đến các trườngđại học, các trung tâm giáo dục, phòng giáo dục, …

Hệ thống điểm – đa điểm cho phép cấp truy nhập băng rộng tới nhiều vịtrí từ một modul AP Cấu hình hệ thống này được xây dựng với mục tiêu tối

ưu hoá chất lượng hệ thống trong từng môi trường mật độ dân số cao hay thấptrong điều kiện có nhiễu ngoài Cấu hình hệ thống thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Cấu hình hệ thống điểm – đa điểm

1.2.5.3 Cấu hình lưới

Khái niệm mạng hình lưới (Mesh Network) nói chung liên hệ tới hình

thuật mạng hình lưới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnhgiữa các nút xử lý, cho phép truyền thông liên tục và tự xác định lại cấu hìnhxung quanh đường đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút kháccho đến khi thiết lập được kết nối Mạng lưới có khả năng tự hàn gắn và tạo ramạng có độ tin cậy cao, có thể hoạt động khi có một nút bị lỗi hoặc chấtlượng kết nối mạng kém Trong lĩnh vực mạng không dây, mạng lưới được ápdụng để nới rộng phạm vi phủ sóng của mạng không dây truyền thống Cácnút trong mạng truyền thông trực tiếp với các nút khác và tham gia trongmạng lưới Nếu một nút có thể kết nối với một nút lận cận khác thì sẽ có kếtnối với toàn mạng.

Hình 1.3 Cấu hình lưới

1.2.6 Mô hình truyền thông WiMax

Một hệ thống WiMax gồm hai phần:

• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động vớicông suất lớn có thể phủ sóng tới một vùng rộng tới 8000km2

• Trạm thu: Có thể là các ăng ten nhỏ như như các thẻ (Card) mạng cắmvào hoặc được thiết lập có sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theocách mà WiFi vẫn dùng

Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đườngtruyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như mộttrạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line of Sigh), và chính vìvậy WiMax có thể phủ sóng tới những vùng rất xa

Hình 1.4 Mô hình truyền thông của WiMaxCác ăng ten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóngtruyền thẳng hoặc là các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, các ăngten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định

đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác

và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax

sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp, tínhiệu dễ dàng vượt qua các vật cản, có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòngqua các vật thể để đến đích Xem trên hình 1.4

1.3 Giới thiệu về OFDM trong WiMax

1.3.1 Các chuẩn trong WiMax

Bảng 1.1 Các chuẩn IEEE cho công nghệ không dây

Hệ thống WiMax dựa trên chuẩn giao diện IEEE 802.16, tiêu chuẩn này

đã phát triển vài năm Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE không đảm bảo rằng thiết

bị từ một nhà cung cấp này sẽ tương thích với thiết bị của nhà cung cấp khác.Trong diễn đàn WiMax, một tổ chức thương mại phi lợi nhuận bao gồm hơn

350 công ty thành viên đã tiếp tục những gì mà IEEE để lại Các thành viêncủa diễn đàn WiMax là nhà cung cấp dịch vụ, cung cấp thiết bị và nhà chếtạo chất bán dẫn WiMax cũng cộng tác với HiperMAN, một nhóm trong uỷban kỹ thuật ETSI BRAN, (xem bảng 1.1)

1.3.2 So sánh chuẩn IEEE.802.16d và IEEE.802.16e

WiMax được phát triển trên nền tảng của chuẩn 802.16 của IEEE Hiện

nay chuẩn 802.16d được dùng cho phiên bản WiMax cố định và 802.16eđược dùng cho phiên bản WiMax di động

802.16d: là giao thức cho phép các thiết bị 802.11 nhận thông tin điều

khiển cần cho việc cấu hình thiết bị đúng cách để có thể hoạt động tại bất kìđâu trên trái đất Việc triển khai tiêu chuẩn này dùng chế độ song công phânchia theo tần số FDD, cần có 2 kênh cho 1 đường lên, 1 đường xuống, (xembảng 1.2)

Bảng 1.2 Các profile cho WiMax cố định Tần số

là chuẩn cố định và 802.16e là chuẩn di động, trên thực tế chuẩn 802.16e hỗtrợ đầy đủ các tính năng cố định, normadic, mang xách được và di động Phầnnày sẽ đưa ra những lợi thế của 802.16e so với 802.16d và giải thích tại sao

802.16e hoạt động tốt hơn, hiệu quả hơn 802.16d ngay cả với những ứngdụng cho mạng cố định.

802.16e bổ sung khả năng di động dữ liệu cho chuẩn hiện thời, (xem

802.16e có thể tương thích với 802.16d Trong khi một số thiết bị trạmgốc 802.16d được đề xuất với phần cứng phức tạp và phần mềm có thể lậptrình được để cho phép chuyển mạch tới 802.16e, điều này sẽ không ảnhhưởng tới bất kỳ một thiết bị người dùng 802.16d nào đã được triển khai Cácthiết bị người dùng 802.16d này sẽ không hoạt động trong mạng 802.16e vàyêu cầu về giá thành thấp đối với thiết bị người dùng cuối sẽ cản trở việcthêm phần cứng vào các thiết bị đó cho phù hợp với chuẩn 802.16e Thêmvào đó, việc tăng dung lượng trạm gốc cũng sẽ dẫn tới kết quả là làm tăng giáthành

1.3.3 Công nghệ OFDM cho việc truyền dẫn vô tuyến ở mạng WiMax

WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữliệu và cho phép các thuê bao truy nhập kênh Cũng có nhiều công nghệ khácnhau ở giao diện này như FDM, CDMA Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ là nó

có những ưu việt hơn rất nhiều về tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu

quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn chotruyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE 802.16e Chú ý rằng môitrường truyền thông vô tuyến là một mỗi trường khắc nghiệt nhất trong truyềndẫn thông tin Nó gây suy hao tín hiệu về biên độ cũng như suy hao lựa chọntần số, kèm theo các hiệu ứng pha đinh đa đường Sự suy hao này đặc biệttăng nhanh theo khoảng cách và ở tần số cao, ngoài ra còn tùy thuộc vào địahình là thành thị, đồng bằng hay miền núi mà sự suy giảm cũng khác nhau.Hình 1.5 và ở bảng 1.4 ở dưới đây là nghiên cứu trên các hệ thống ISM tần số2,4GHz và UNII tần số 5,4GHz minh hoạ sự suy giảm theo khoảng cách vàtrên các loại địa hình với các điều kiện truyền dẫn khác nhau Trong môitrường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên ký tự ISI (IntersymbolInterference) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướngkhác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽlàm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lạiđược tín hiệu gốc ban đầu.

Hình 1.5 Sự suy giảm tín hiệu theo khoảng cáchBảng 1.4 sự suy giảm tín hiệu trong môi trường vô tuyến

Khu vực trung tâm thành phố nhiều nhà

cao tầng

20dB thay đổi từ phố này tới phốkhác

Khu vực ngoại ô ít nhà cao tầng tăng 10dB tín hiệu so với vùng

trung tâm

Khu nông thôn tăng 20dB tín hiệu so với vùng

ngoại ôKhu vực địa hình không đều và vùng

nhiều cây cối

công suất tín hiệu thay đổi từ 12dB

3-OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéodài thời gian truyền một ký tự lên nhiều lần Ngoài ra, OFDM còn chèn thêmmột khoảng bảo vệ GI (guard interval), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa củakênh truyền, giữa hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn

Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chấtlượng truyền thông tín hiệu Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMAkhi giải quyết vấn đề này OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua

tín hiệu dẫn đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin.

Ngoài ra, đối với các kênh con suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDMcòn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bít mã hoá chomột tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó

Mặc dù vậy, OFDM không phải không có nhược điểm Nó đòi hỏi khắtkhe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứngDoppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số ICI

(Intercarrier interference), mà kết quả là phá bỏ sự trực giao giữa các tần số

sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER) Tuy nhiên OFDM cũng có thểgiảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ (GI) Sửdụng chuỗi bảo vệ (GI) cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợpmặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng phổ tần

số Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung, có nghĩa là một xung tín

hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tựnhư trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.

1.4 Kết luận

Cho đến nay, công nghệ thông tin vô tuyến đã có những phát triển vượtbậc trong những năm gần đây Hầu hết các hệ thống WLAN hiện nay dùngtheo chuẩn IEEE802.11b, cung cấp tốc độ dữ liệu cực đại 11Mbps Các tiêuchuẩn WLAN mới như IEEE802.11a và HyperLAN2 dựa trên công nghệOFDM cung cấp tốc độ dữ liệu tới 54Mbps Tuy nhiên trong tương lai gầncác hệ thống sẽ yêu cầu các mạng WLAN có tốc độ dữ liệu lớn hơn 100Mbps

Do vậy cần phải cải thiện hơn nữa hiệu quả phổ và dung lượng dữ liệu củacác hệ thống OFDM trong các ứng dụng WLAN

Mạng di động thế hệ thứ ba và bốn là cung cấp cho khách hàng tốc độ dữliệu cao, phạm vi dịch vụ lớn như thông tin thoại, điện thoại truyềnhình(videophone) và truy cập internet với tốc độ cao Tốc độ dữ liệu cao cácmạng di động tương lai có thể được thực hiện nhờ tăng giá phổ phân phối chocác dịch vụ và bằng việc cải thiện hiệu quả phổ OFDM là một ứng cử viêntiềm năng của hệ thống mobile thế hệ thứ tư

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍN HIỆU OFDM 2.1 Nguyên lý chung của kỹ thuật OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing) rất giống với ghép kênh theo tần số FDD (Frequency DivisionMultiplexing) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM đểcho phép nhiều tin tức được gửi qua một kênh vô tuyến đơn Tuy nhiên nócho phép hiệu quả phổ tốt hơn OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phátthanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sửdụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa các đài Tuy nhiên không có

sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDMnhư là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kếthợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyềnkhi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ đóng gói nhiều sóng mang Tất cả cácsóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số vớinhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóngmang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữacác sóng mang ICI (Inter - Carrier Interference) do bản chất trực giao của điềuchế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữacác kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ

Tuy nhiên với OFDM, sự đóng gói trực giao các sóng mang làm giảmđáng kể khoảng bảo vệ và cải thiện hiệu quả phổ Tất cả các hệ thống truyềnthông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin, tạo thànhdạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm vi rộng các sơ đồđiều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóngtương tự và số Một số sơ đồ điều chế pha ( PM) , điều chế đơn biên ( SSB ),điều biên kèm sóng mang (VSB), điều biên chế áp sóng mang (DSBSC) Các

sơ đồ điều chế sóng mang đơn điển hình cho thông tin số bao gồm khóa dịchbiên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), khóa dịch pha (PSK), điều chế QAM.OFDM còn có tên gọi khác là “Điều chế đa sóng mang trực giao”(OMCM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các

luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng mang trực giao nhau Côngnghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT của Pháp phát minh từ đầu thậpniên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệucần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệtvới tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mangđược lọc ra riêng biệt để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không cóhiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưađuợc sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mangđược chọn sao cho những sóng mang trực giao chu kỳ ký hiệu thì những tínhiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ (hình 2.1)

Hình 2.1 Hoạt động của OFDM

2.1.1 Đa sóng mang

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cảbăng thông, thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp ứng kênh (hình 2.2) sẽ chỉ cómột phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở mà dữ liệu mà các sóng mang khácmang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích Điều này tương đương khi ghépkênh theo tần số (FDM) Do vậy, khi dùng nhiều sóng mang có tốc độ bitthấp, nhiều dữ liệu gốc sẽ được thu chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất,người ta dùng phương pháp sửa lỗi hương đi (FEC-Forward Error

Correction) Ở máy thu mỗi sóng mang được tách ra khi dùng các bộ lọcthông thường và giải điều chế Tuy nhiên để không có cần phải có khoảng bảo

vệ, dẫn tới hiệu quả phổ kém

Hình 2.2 Mô hình truyền sóngGiải pháp khắc phục việc hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ làgiảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnhnhau chồng lên nhau Sự chồng lấn này là được phép nếu khoảng cách giữacác sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng vớitrường hợp các sóng mang trực giao với nhau Đó là phương pháp ghép kênhtheo tần số trực giao (OFDM), (xem hình 2.3)

Hình 2.3 FDM thông thường và OFDMThật ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980.Nhưng do lúc đó còn hạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế

và giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh FourierIFFT (Inverse Fast Fourier Transform) nên cho tới nay dựa trên những thànhtựu của công nghệ mạch tích hợp phương pháp này mới được đưa vào thựctiễn

2.1.2 Sự trực giao (Orthogonal)

“Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa

các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDMthông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tínhiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chếthông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệutrước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dảibiên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chínhxác và không có sự can nhiễu giữa các sóng mang ICI Muốn được như vậycác sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu gồm các bộ giải điềuchế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC lấy tích phân tín hiệu nhận đượctrên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóngmang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trongmột chu kỳ symbol τ), thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là

0 Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảngcách giữa các sóng là bội số của 1/τ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi ICIcũng làm mất đi tính trực giao

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từnhóm trực chuẩn (Orthogonal basis ) {{Φi(t)/i = 0,1, …} có tính chất sau :

2 {

1

1 0

diện tích phần dưới đường cong Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể đượcviết như sau:

Hình 2.4 Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0

Hình 2.5 Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Biên độ

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khácnhau Ta nhận thấy kết quả cũng bằng 0 Điều này gọi là tính trực giao củadạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần

số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 thông tin này là điểm mấu chốt của đểhiểu quá trình điều chế OFDM

Nếu hai tích phân cùng tần số được mô tả hình 2.6

Hình 2.6 Tích phân các sóng hình sin có cùng tần sốNếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôndương, giá trị trung bình của nó luôn khác 0 (hình 2.6) Đây là cơ cấu rất quantrọng cho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tínhiệu thu đuợc từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến

đổi nhanh Fourier (FFT) Toàn bộ quá trình nay được lặp lại khá nhanh chóngcho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế Từphân tích trên ta có thể rút ra kết luận

- Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần

dùng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông,

do vậy bị ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

- Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để

tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùngcác sóng mang trực giao, khi đó phổ điều chế các sóng mang có thể trùng lắpnhau mà vẫn không gây can nhiễu

2.2 Mô tả toán học của OFDM

2.2.1 Các công thức cơ bản

Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào, máythu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tácđộng không hoàn hảo trong kênh truyền

Phương pháp điều chế OFDM truyền một số lớn sóng mang có dãi thônghẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền tần số Để tránh việc sử dụngmột số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát cũng như một số luợnglớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì phương pháp này phải sửdụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại

Trong toán học, mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức :

( ) ( ) j[ c c( )]t

S t = A t e ω +Φ (2.3)Tín hiệu thực là phần thực của S c (t) Cả A c (t) và Φc (t) (Biên độ và phatương ứng của sóng mang) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol

cơ bản Đối với điều chế QPSK, biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha

sẽ lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thôngthường Đối với symbol thứ p, trên khoảng thời gian (p-1)τ <t<pτ, Φ

sẽ chiếm một giá trị tập hợp góc 00, 900, 1800, 2700 Phương pháp điều chếOFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức Ss(t) được thể hiệnbởi công thức:

1

[ ( )]

0

1 ( ) ( ) n c

0

1 [( ] ] 0

Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức (2.8) với dạng tổng quát của biếnđổi Fourier ngược :

1

2 / 0

Nếu tích phân đuợc mở rộng ra cả pha của mỗi sóng mang thì biểu thức (2.5)được sửa lại như biểu thức (2.12) Đây là sự tính toán cần thiết cho máy thu.

2.2.2 Tạo tín hiệu OFDM

Hình 2.7 Tạo và thu OFDMHình 2.7 là sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM tiêu biểu Phần máyphát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các sóngmang con Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thờigian nhờ sử dụng biến đổi Fourier ngược rời rạc IDFT (Inverse DiscreteFourier Transform) Biến đổi Fourier ngược nhanh thực hiện cùng một thuậttoán như IDTF, ngoại trừ rằng nó tính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được

sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế Để truyền tín hiệu OFDM, tín hiệumiền thời gian được tính toán được phách lên tần số cần thiết Máy thu thựchiện thuật toán ngược lại với máy phát, bao gồm dịch tín hiệu RF xuống băng

cơ sở để xử lý sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tínhiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các sóng mang con đượcchọn ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số

2.2.3 Điều chế sóng mang con

Hình 2.8 Ví dụ chòm điểm (constellation) điều chế IQ 16 – QAM, với

mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí

Cứ mỗi lần sóng mang con được phấn phối bit để truyền, chúng đượcánh xạ vào biên độ và pha của sóng mang con nhờ dùng sơ đồ điều chế biểudiễn bởi véctơ đồng pha và vuông pha Nó chỉ ra chòm sao 16-QAM, ánh xạ

4 bit cho mỗi symbol Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1 véctơ duynhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ 2.8

2.3 Các cơ sở điều chế

Dữ liệu số được truyền trong kết nối OFDM bằng cách dùng sơ đồ điềuchế trên mỗi sóng mang con Sơ đồ điều chế là sự ánh xạ các bít dữ liệu vào

chòm sao thực (đồng pha) và ảo (vuông pha), được biết như chòm sao IQ(Inphase Quadrature) Ví dụ 256 – QAM có 256 điểm IQ trong mộtchùm sao,được cấu trúc thành hình vuông với 16 cột đặt cách điều nhau trong trục thực

và 16 hàng trong trục ảo Số bit có thể được truyền khi dùng một symboltương ứng với log2(M ) với M là số điểm trong chòm sao Do vậy 256 – QAMtruyền 8 bít trong một symbol Mỗi từ dữ liệu được ánh xạ vào một vị trí IQduy nhất trong chòm sao Véctơ phức g t I( ) + jQ tương ứng với biên độ

2 2

I +Q và pha arg I +jQ( ) với j = -1 Việc tăng số điểm trong chòm saokhông thay đổi dải thông truyền, do vậy việc dùng sơ đồ điều chế với nhiềuđiểm chòm sao sẽ cho phép cải thiện hiệu quả phổ (hoặc hiệu suất băngthông) Ví dụ 256 - QAM cho hiệu quả phổ (lý thuyết) là 8b/s/Hz so với1b/s/Hz của BPSK Tuy nhiên số điểm trong giản đồ chòm sao càng lớn baonhiêu thì việc quyết định chúng ở máy thu càng khó bấy nhiêu Khi đó các vịtrí IQ được đặt càng gần nhau nên chỉ cần một giá trị nhiễu nhỏ có thể gây ralỗi truyền Điều này dẫn đến sự dung hoà trực tiếp giữa tính chống nhiễu vàhiệu quả phổ của sơ đồ điều chế, đã được tổng kết trong lý thuyết thông tinShannon Lý thyết này phát biểu rằng tốc độ thông tin cực đại của kênh C cóbăng thông W với công suất tín hiệu S bị tác động bởi nhiễu trắng có côngsuất trung bình N được xác định theo công thức:

Hình 2.9 Sơ đồ điều chế OFDMGiả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành N c kênh con,với chỉ số các kênh con là n:

thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d k, n}, với chỉ số n là chỉ số của sóng mangphụ, I là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N c bit song song sau khi qua

bộ biến đổi nối tiếp/song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứngvới N c mẫu tín hiệu phức Điều chế băng tần cơ sở thường được sử dụng làM-QAM, QPSK, v v… Các mẫu tín hiệu phát {d k, n} lại được nhân với xung

cơ sở g t( )với mục đích mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóngmang Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông Sau khi nhânvới xung cơ sở tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông quaphép nhân với hàm phức e jLws t Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóngmang phụ trực giao với nhau Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịchtần được cộng lại với bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau:

2.3.1 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu phát sau bộ điều chế OFDM ở dạng tương tự

Trong đó, B là toàn bộ bề rộng của băng tần của hệ thống Ở tại thời điểm lấy