TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG WIMAX

Mục tiêu thứ hai làtìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênhphân tần trực giao và kỹ thuật OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HÔ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-oOo -BÁO CÁO ĐỀ TÀI:

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU

TRONG WIMAX MÔN: CÔNG NGHỆ VỆ TINH

GIẢNG VIÊN:

Thầy: Trần Bá Nhiệm NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Lý Tuấn Anh – 08520011

Lê Hoàng Chánh – 08520036 Nguyễn Chí Duy Đức – 08520100

TP HỒ CHÍ MINH, 01/05/2013

MỤC LỤC Lời giới thiệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Giới thiệu về WiMAX 1

1.2 Mô hình hệ thống 1

1.3 Các ưu nhược điểm của WiMAX 4

1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX 4

1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX 5

1.4 Cấu trúc của WiMAX 6

1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý (PHY) 6

1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) 7

1.5 So sánh WiMAX với WiFi 8

1.6 Các dải tần áp dụng 9

1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz 9

1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz 9

1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz 10

1.7 Ứng dụng của WiMAX 10

1.7.1 Các mạng riêng 10

1.7.2 Các mạng công cộng 15

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 18

2.1.1 Khái niệm 18

2.1.2 Lịch sử phát triển 19

2.1.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuyật OFDM 20

2.2 Nguyên lý điều chế OFDM 21

2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 21

2.2.2 Sơ đồ điều chế 22

2.2.3 Thực hiện điều chế bằng thuật toán IFFT 23

2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 24

2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản 25

2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 26

2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường 26

2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 27

2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM 29

2.4.1 Hệ thống DRM 29

2.4.2 Các hệ thống DVB 30

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 35

3.2 Đặc điểm 35

3.3 OFDMA nhảy tần 36

3.4 Hệ thống OFDMA 37

3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 41

3.4.2 Điều chế thích nghi 42

3.4.3 Các kỹ thuật sửa lỗi 43

3.5 Điều khiển công suất 48

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink 49

4.2 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình 52

4.2.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 52

4.2.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM 53

4.2.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM 54

4.2.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER 55

4.3 So sánh tín hiệu QAM và OFDM 56

Kết luận và hướng phát triển 58

LỜI GIỚI THIỆU

Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷnguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển Nó mang đếnnhững thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảotrì Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trongthực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G Tất cả những đặc tính đầy hứahẹn này của WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆUTRONG WiMAX” Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới củaWiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập Mục tiêu thứ hai làtìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênhphân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đatruy nhập phân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc môphỏng quá trình xử lý tín hiệu trongWiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM

Nội dung đồ án gồm 4 chương chính như sau :

Chương 1: Tổng quan về công nghệ WiMAX

Trong chương 1 này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, cácbăng tần sử dụng,các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM

Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế

và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này

Chương 3: Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX

Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổibật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua đó chúng ta có thể thấy đượcnhững ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyềnnhận tín hiệu nói chung và ứng dụngtrong công nghệ WiMAX nói riêng

Chương 4: Chương trình mô phỏng hệ thống OFDM

Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước.Trong chươngcuối cùng này, sẽ trình bày chương trình mô phỏng quá trình xử lýtín hiệu trong WiMAX dựatrên kỹ thuật điều chế OFDM Đây là chương trình đượcviết bằng Matlab, chương trình bao gồm

sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thuOFDM, mô phỏng kênh truyền, tính BER so sánh tín hiệu

OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab.Trong thờigian làm đồ án, nhóm đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu

đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bộ chuẩn và các bài báo tiếng Anh trên mạng nên

đồ án còn nhiều sai sót trong quá trình dịch thuật Nhóm rất mong nhận được sự phê bình, các ýkiến đóng góp chân thành của thành

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WiMAX

Giới thiệu chương: Trong chương 1 này sẽ tìm hiểu về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các

băng tần sử dụng trong hệ thống mạng WiMAX Qua đó chúng ta có thể thấy được các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX so với các phương thức truyền thông khác.

1.1 Giới thiệu về wimax

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu vớitruy nhập vi ba) là một công nghệ ra đời dựa trên chuẩn 802.16 của IEEE cho phép truy cập vôtuyến đầu cuối (last mile) như một phương thức thay thế cho cáp, DSL và WLAN

Họ tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các giao diện vô tuyến trong mạng vô tuyến nội thị(WiMAX) cho việc truy nhập vô tuyến băng rộng cố định (BWA), nó cung cấp “chặng cuối” chocông nghệ truy nhập tới các hotpot với thoại, video và những dịch vụ dữ liệu tốc độ cao Ưuđiểm nổi bật nhất của BWA là nó có chi phí thấp cho sự lắp đặt và bảo trì so với những mạnghữu tuyến truyền thống hoặc so với mạng truy nhập quang, đặc biệt là cho những vùng xa xôihoặc những vùng có địa hình khó khăn.WiMAX chính là một giải pháp cho việc mở rộng mạngtruyền dẫn quang và nó có thể cung cấp một dung lượng lớn hơn so với các mạng cáp hoặc cácđường thuê bao số (DSL) Các mạng WiMAX có thể được xây dựng dễ dàng trong một thời gianngắn bằng cách triển khai một số lượng nhỏ các trạm gốc (BS) trên các toà nhà hoặc trên các cộtđiện để tạo ra những hệ thống truy nhập vô tuyến dung lượng lớn

Hệ thống WiMAX cho phép kết nối băng rộng vô tuyến cố định (người sử dụng có thể di chuyểnnhưng cố định trong lúc kết nối), mang xách được (người sử dụng có thể di chuyển ở tốc độ đibộ), di động với khả năng phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km dưới các điều kiệntầm nhìn thẳng (LOS) và bán kính lên tới 8km không theo tầm nhìn thẳng (NLOS)

1.2 Mô hình hệ thống

Mô hình phủ sóng mạng WiMAX tương tự như một mạng điện thoại di động :

Hình 1.1 Mô hình hệ thống WiMAX

Một hệ thống WiMAX được mô tả như hình gồm có 2 phần :

• Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn, cóthể phủ sóng khu vực rộng tới 8000km2

• Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các loại card mạng tích hợp (hay gắn thêm) trêncác mainboard của máy tính như WLAN

Các trạm phát được kết nối tới mạng Internet thông qua các đuờng truyền Internet tốc độ caohay kết nối tới các trạm khác như là trạm trung chuyển theo đường truyền trực xạ (line of sight)nên WiMAX có thể phủ sóng đến những khu vực xa

Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin qua qua các đường truyền LOS hay NLOS.Trongtrường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cố định tại các điểm trên cao, tín hiệu trongtrường hợp này ổn định và đạt tốc độ truyền tối đa Băng tần sử dụng có thể ở tần số cao, khoảng66GHz, vì ở tần số này ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng lớn Mộtđường truyền LOS yêu cầu phải có đặc tính là toàn bộ miền Fresnel thứ nhất không hề cóchướng ngại vật, nếu đặc tính này không được bảo đảm thì cường độ tín hiệu sẽ suy giảm đáng

kể Không gian miền Fresnel phụ thuộc vào tần số hoạt động và khoảng cách giữa trạm phát vàtrạm thu.

Hình 1.2 Miền Fresnel trong trường hợp LOS

Trong trường hợp truyền NLOS, hệ thống sử dụng băng tần thấp hơn 2-11GHz, tương tựnhư WLAN, tín hiệu có thể vượt các vật chắn thông qua đường phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ ….đểđến đích Các tín hiệu nhận được ở phía thu bao gồm sự tổng hợp các thành phần nhận được từđường đi trực tiếp, các đường phản xạ, năng lượng tán xạ và các thành phần nhiễu xạ Những tínhiệu này có những khoảng trễ, sự suy giảm, sự phân cực và trạng thái ổn định liên quan tớiđường truyền trực tiếp là khác nhau

Hình 1.3 Truyền sóng trong trường hợp NLOS

Hiện tượng truyền sóng đa đường cũng là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi phân cực tín hiệu Do

đó sử dụng phân cực cũng như tái sử dụng tần số mà được thực hiện bình thường trong triển khaiLOS lại khó khăn trong các ứng dụng NLOS Nếu chỉ đơn thuần tăng công suất phát để “vượtqua” các chướng ngại vật không phải là công nghệ NLOS Điều kiện phủ sóng của cả LOS vàNLOS bị chi phối bởi các đặc tính truyền sóng của môi trường, tổn hao trên đường truyền (pathloss) và quỹ công suất của đường truyền vô tuyến

1.3 Các ưu và nhược điểm của công nghệ WiMAX

1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX

1.3.1.1 Lớp vật lí của WiMAX dựa trên nền kĩ thuật OFDM (ghép kênh phân tần trực giao)

Kỹ thuật này giúp hạn chế hiệu ứng phân tập đa đường, cho phép WiMAX hoạt động tốt trongmôi truờng NLOS nên độ bao phủ rộng hơn, do đó khoảng cách giữa trạm thu và trạm phát cóthể lên đến 50km

Cũng nhờ kĩ thuật OFDM, phổ các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau nên sẽ tiết kiệm, sửdụng hiệu quả băng thông và cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao: phổ tín hiệu 10MHz hoạtđộng ở chế độ TDD (song công phân thời) với tỉ số đường xuống/đường lên (downlink-to-uplinkratio) là 3:1 thì tốc độ đỉnh tương ứng sẽ là 25Mbps và 6.7Mbps

1.3.1.2 Hệ thống WiMAX có công suất cao

Trong WiMAX hướng truyền tin chia thành hai đường : hướng lên( uplink) và hướng xuống(downlink), hướng lên có tần số thấp hơn hướng xuống và đều sử dụng kĩ thuật OFDM OFDM

sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32kênh con, mỗi kênh con tương đương 48 sóng mang WiMAX còn sử dụng thêm điều chế nhiềumức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256 - QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi như ngẫunhiên hoá, mã hoá sửa lỗi Reed Solomon,mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, làm tăng độ tin cậy kếtnối với hoạt động phân loại sóng mang và tăng công suất qua khoảng cách xa hơn

Ngoài ra WiMAX còn cho phép sử dụng công nghệ TDD và FDD cho việc phân chia truyền dẫnhướng lên và hướng xuống

1.3.1.3 Lớp MAC dựa trên nền OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access- truy nhập OFDM)

Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHZ đến trên 20MHz được chia nhỏ thành nhiều băng con1.75Mhz, mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nhờ kĩ thuật OFDM, cho phép nhiều thuê baotruy cập đồng thời một hay nhiều kênh một cách linh hoạt, đảm bảo hiệu quả sử dụng băngthông.OFDMA cho phép thay đổi tốc độ dữ liệu để phù hợp với băng thông tương ứng nhờ thayđổi số mức FFT ở lớp vật lí; ví dụ một hệ thống WiMAX dùng biến đổi FFT lần lượt là: 128 bit,

512 bit, 1048 bit tương ứng với băng thông kênh truyền là: 1.25MHz, 5MHz, 10MHz; nhờ vậy

sẽ dễ dàng hơn cho user kết nối giữa các mạng có băng thông kênh truyền khác nhau

1.3.1.4 Chuẩn cho truy cập vô tuyến cố định và di động tương lai

• WiMAX do diễn đàn WiMAX đề xuất và phát triển dựa trên nền 802.16, tập chuẩn về hệthống truy nhập vô tuyến băng rộng cho di động và cố định của IEEE, nên các sản phẩm,thiết bị phần cứng sẽ do diễn đàn WiMAX chứng nhận phù hợp, tương thích ngược vớiHiperLAN của ETSI cũng như Wi-Fi

• Hỗ trợ các kĩ thuật anten: phân tập thu phát, mã hoá không gian, mã hoá thời gian

• Hỗ trợ kĩ thuật hạ tầng mạng trên nền IP : QoS (trong các dịch vụ đa phương tiện, thoại),ARQ (giúp bảo đảm độ tin cậy kết nối), …

• CPE vô tuyến cố định có thể sử dụng cùng loại chipset modem được sử dụng trong máytính cá nhân (PC) và PDA, vì ở khoảng cách gần các modem có thể tự lắp đặt trong nhàCPE sẽ tương tự như cáp, DSL và các trạm gốc có thể sử dụng cùng loại chipset chungđược thiết kế cho các điểm truy cập WiMAX chi phí thấp và cuối cùng là số lượng tăngcũng thỏa mãn cho việc đầu tư vào việc tích hợp mức độ cao hơn các chipset tần số vôtuyến (RF), làm chi phí giảm hơn nữa

1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX

• Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm hạn chế sự phổ biếncông nghệ rông rãi

• Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo mật

• Tuy được gọi là chuẩn công nghệ nhưng thật sự chưa được “chuẩn” do hiện giờ đang sửdụng gần 10 chuẩn công nghệ khác nhau Theo diễn dàn WiMAX chỉ mới cókhoảng 12 hãng phát triển chuẩn WiMAX được chứng nhận bao gồm : Alvarion, SelexCommunication, Airspan, Proxim Wilreless, Redline, Sequnas, Siemens, SRTelecom,Telsim, Wavesat, Aperto, Axxcelera

• Về giá thành: Dù các hãng, tập đoàn sản xuất thiết bị đầu cuối (như Intel, Alcatel,Alvarion, Motorola…) tham gia nghiên cứu phát triển nhưng giá thành vẫn còn rất cao

• Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông tin chính thức nào

đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc phục hậu quả sự cố ra sao Ngay

cả ở Việt Nam,VNPT ( với nhà thầu nước ngoài là Motorola, Alvarion) cũng đã triểnkhai ở một số tỉnh miền núi phía Bắc, cụ thể là ở Lào Cai nhưng cũng chỉ giới hạn là các

điểm truy cập Internet tại Bưu điện tỉnh, huyện chứ chưa có những kết luận chính thức vềtính hiệu quả đáng kể của hệ thống.

1.4 Cấu trúc của WiMAX

Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp:

• Lớp con tiếp ứng (convergence) làm giữ vai trò giao diện giữa lớp đa truy nhập và cáclớp bên trên

• Lớp đa truy nhập ( MAC layer)

Có 3 kiểu lớp vật lý ( PHY) được đưa ra trong chuẩn 802.16 :

• WirelessMAN PHY SC: Sử dụng điều chế đơn sóng mang

• WirelessMAN PHY OFDM 256 điểm FFT: Sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiao có 256 điểm biến đổi Fourier nhanh (FFT) Điều này là bắt buộc cho các băng tầnđược miễn cấp phép

• WirelessMAN PHY OFDMA 2048 điểm FFT: Sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao có 2048 điểm FFT Đa truy nhập được sử dụng bằng cách gửi một tập connhiều sóng mang cho các máy thu riêng biệt

Đầu tiên là Wireless Metropolitan Area Network Single carrier physical layer (MAN vô tuyến lớp vật lý đơn sóng mang) dựa trên tập chuẩn 802.16c, hoạt động ở băng tần 11-66GHz Trạmgốc (Base Station-BS) chỉ cần một anten đẳng hướng, truyền dữ liệu hướng xuống các user đã có

-mã số nhận dạng kết nối (Connection Identifer - CID) Các máy thu (Subcriber Station - SS) vớicác anten định hướng, hướng về phía các BS (máy phát) Tín hiệu xử lí phía máy phát bao gồm:ngẫu nhiên hoá, mã hoá sửa lỗi, sắp xếp các kí hiệu, sửa dạng xung (pulse shaping) truớc khitruyền đi Ngẫu nhiên hoá để bảo đảm khôi phục tín hiệu phía đầu thu vì nếu tín hiệu không được

mã hoá giả ngẫu nhiên thì năng lượng sẽ tập trung tại một số tần số nào đó như phổ vạch, điềunày tạo ra nguy hiểm cho máy thu, bộ dao động VCO của máy thu có thể khoá pha tại các tần sốnày thay vì tại tần số sóng mang sẽ dẫn đến không giải điều chế được và sẽ mất thông tin củaluồng dữ liệu Bộ mã hoá sửa lỗi FEC bao gồm mã Reed Solomon, mã chập (mã xoắn), có thể

có thêm mã kiểm tra chẳn lẻ hay mã xoắn turbo (Convolution turbo code - CTC) Tỉ lệ mã phụthuộc vào điều kiện của kênh truyền và tỉ số bít lỗi (Bit error rate- BER) Các kĩ thuật điều chếthường là QPSK, 16-QAM, đôi khi sử dụng 64 - QAM Chuẩn này áp dụng cho kết nối vi bađiểm - điểm (point to point- PPP) và điểm - đa điểm (point to multi point- PMP); giúp tiết kiệmthời gian, chi phí hơn so với việc lắp đặt cáp

Ngoài ra, tập chuẩn 802.16a cũng hỗ trợ WirelessMAN PHY SC nhưng dành cho băng tần dưới11GHZ và hoạt động trong NLOS SS có thể là một máy tính với vớ modem gắn ngoài nối vớimột anten đẳng hướng Tập chuẩn này cũng hỗ trợ song công TDD và FDD, như 802.16c, sửdụng thêm các kĩ thuật cân bằng và uớc lượng kênh để khắc phục hiệu ứng đa đường, và để nângchất lượng tín hiệu vẫn phải sử dụng TCM( trellis coded modulation), FEC, ghép xen, hệ thốnganten thích ứng (Adaptive Antenna System - AAS), mã hoá không gian thời gian (Space Timecoding - STC).

WirelessMAN 256 sóng mang dựa trên tập chuẩn 802.16d, cung cấp dịch vụ kết nối băng rộngtrong nhà Các SS là các thiết bị anten dùng trong nhà và có thể di chuyển với tốc độ thấp(portable) Nhờ sử dụng OFDM nên cho phép kết nối NLOS dưới 11GHz, và làm bỏ bớt khốicân bằng trong bộ thu.Các kĩ thuật hỗ trợ cũng gồm: FEC với Reed-Solomon, AAS, STC, ghépxen; thời gian kí hiệu và số điểm FFT có thể thay đổi cho phù hợp với băng thông tương ứng.Với WirelessMAN OFDMA 2048 sóng mang: tương tự như WirelessMAN 256 sóng mangnhưng có nhiều ưu điểm hơn Dựa trên tập chuẩn 802.16e (2005), với sự hỗ trợ của OFDMA ởlớp vật lý, cho phép các user (SS) di chuyển với tốc độ cao, khoảng gần 125km/s, sử dụng mãhoá kênh là mã xoắn, mã xoắn turbo, mã khối, mã kiểm tra chẳn lẻ mật độ thấp (Low DensityParity Check- LDPC); dữ liệu được ngẫu nhiên hoá, ghép xen để tránh tổn thất khi khôi phục vàlỗi cụm.Ngoài kĩ thuật AAS, STC còn sử dụng thêm phân tập thu phát (Multi In Multi Out –MIMO)

1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC)

Hình 1.4 Phân lớp của WiMAX so với mô hình OSI

Chuẩn 802.16 của IEEE đưa ra cùng một lớp MAC cho tất cả lớp PHY (đơn sóng mang, 256OFDM, 2048 OFDMA) Lớp MAC này là kết nối được định hướng điểm - đa điểm.Hoạt độngtruy nhập kênh ở lớp MAC của WiMax hoàn toàn khác so với WiFi WiMax hỗ trợ phương pháptruyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA Ưu điểm củaphương pháp này là nó cho phép linh động thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống, dẫn đến cóthể thay đổi tốc độ phát (Upload) hoặc thu (Download) dữ liệu chứ không phải là cố định nhưtrong ASDL hay CDMA.Trong WiFi tất cả các trạm truy nhập một cách ngẫu nhiên đến điểmtruy cập (Access point - AP), chính vì vậy khoảng cách khác nhau từ mỗi nút đến AP sẽ làmgiảm thông lượng mạng Ngược lại,ở lớp MAC của 802.16, lịch trình hoạt động cho mỗi thuêbao được định trước, do vậy các trạm chỉ có duy nhất một lần cạnh tranh kênh truyền dẫn là thờiđiểm gia nhập mạng Sau thời điểm này, mỗi trạm được trạm phát gốc gắn cho một khe thờigian Khe thời gian có thể mở rộng hay co hẹp lại trong quá trình truyền dẫn Ưu điểm của việcđặt lịch trình là chế độ truyền dẫn vẫn hoạt động ổn định trong trường hợp quá tải và số lượngthuê bao đăng ký vượt quá cho phép, và nó cũng có thể tăng được hiệu quả sử dụng băng tần.Việc sử dụng thuật toán lịch trình còn cho phép trạm phát gốc điều khiển chất lượng dịch vụ(Quality of Service -QoS) bằng việc cân bằng nhu cầu truyền thông giữa các thuê bao.

1.5 So sánh WiMAX với WiFi

WiMAX và WiFi sẽ cùng tồn tại và trở thành những công nghệ bổ sung ngày càng lớn cho cácứng dụng riêng.Đặc trưng của WiMAX là không thay thế WiFi Hơn thế WiMAX bổ sung choWiFi bằng cách mở rộng phạm vi của WiFi và mang lại những thực tế của người sử dụng "kiểuWiFi" trên một quy mô địa lý rộng hơn.Công nghệ WiFi được thiết kế và tối ưu cho các mạngnội bộ (LAN), trong khi WiMAX được thiết kế và tối ưu cho các mạng thành phố (MAN).Trongkhoảng thời gian từ 2008 - 2010, hy vọng cả 802.16 và 802.11 sẽ xuất hiện trong các thiết bịngười sử dụng từ laptop tới các PDA, cả hai chuẩn này cho phép kết nối vô tuyến trực tiếp tớingười sử dụng tại gia đình, trong văn phòng và khi đang di chuyển Mặc dù có cùng mục đíchnhư nhau nhưng chúng ta thấy công nghệ sử dụng trong mạng WiMAX có một số ưu điểm sovới WiFi:

• Sai số tín hiệu truyền nhận ít hơn

• Khả năng vượt qua vật cản tốt hơn

• Số thiết bị sử dụng kết nối lớn hơn hàng trăm so với hàng chục trong WiFi

• Lớp vật lý MAC (Medium Access Control) dùng trong WiMAX dựa trên kỹ thuật phânchia theo khe thời gian cho phép đồng nhất băng tần giữa các thiết bị (TDMA) hiệu quảhơn sơ với WiFi (sử dụng CSMA-CA rất gần CSMA-CD sử dụng trong mạng Ethernet).Chính vì vậy phổ sóng vô tuyến sẽ đạt được tốt hơn

Mạng WiMAX không thể thay thế được WiFi trong các ứng dụng nhưng nó góp phần bổ sung đểhình thành mạng không dây Xu hướng chung của mạng không dây đó là cải thiện phạm vi phủsóng với hiệu quả tốt nhất Kỹ thuật nổi bật đó là chiếm lĩnh về không gian, tích hợp với các kỹthuật hiện tại và quan tâm đến các yếu tố cơ bản như công suất tiêu thụ thấp, phạm vi lớn, tốc độ

truyền dữ liệu cao Trong mạng không dây chất lượng tại lớp thấp nhất để có thể điều khiển trễtrong quá trình truyền và các dịch vụ như thoại, video.

WiMAX và WiFi ứng dụng trong hai môi trường khác nhau Mục đích của WiMAX sẽ hướng tớikhông chỉ là phạm vi phủ sóng mạng di động mà cả những mạng công cộng khác Một trongcác hướng phát triển quan trọng khác của WiMAX đó là giải quyết kết nối cho mạng VoIPtrong tương lai không xa

1.6 Các dải tần áp dụng

1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz

Dải tần từ 11-66 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng ngắn,tầm nhìn thẳng(LOS) và ảnh hưởng của đa đường là không đáng kể Thông thường, độ rộng băng tần của kênhtrong dải tần này là 25 MHz hoặc 28 MHz.Ở dải tần này, giao diện vô tuyến áp dụng kiểu điềuchế sóng mang đơn WirelessMAN SC

1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz

Các tần số dưới 11 GHz hoạt động trong các môi trường vật lý có bước sóng lớn hơn,điều kiệnLOS là không cần thiết và có thể chấp nhận đa đường lớn hơn

Nó có khả năng hỗ trợ LOS gần và NLOS

Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến

1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz)

Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới caohơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250MHz ), thường được sử dụngtrong các ứng dụng trong nhà Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộngkênh là 10 MHz

Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL và cáp chưa thểvươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng Điều này đặc biệt phù hợp ở các nướcđang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận

Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông Nó cung cấp hoàn toàn tự do chonhững người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụhình ảnh WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thếgiới, hoàn toàn không có đường nối Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng đượcphân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: cácmạng công cộng và riêng

1.7.1 Các mạng riêng

Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh doanh, cungcấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin cậythoại, dữ liệu và hình ảnh.Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tớiđiểm hoặc điểm tới đa điểm

1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển lưu lượng từtrạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở hình 1.5

Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ

Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô tuyến có đăng kýđộc quyền Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ mạng WSP được xem nhưmột hot zone Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS củaWiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng chuyển về Thiết bị WiMAX có thểđược triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP Như đãđược minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chiphí hoạt động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gianđáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không có lợinhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bản của DSL,công nghệ cápkhông cung cấp được dung lượng yêu cầu cho các mạng này

1.7.1.2 Các mạng giáo dục

Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục

Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở bantrong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới Một số yêu cầu chính cho hệ thống trườnghọc là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps), khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độphủ rộng Các mạng giáo dục dựa vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêucầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên),email, truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả cáctrường trong vùng; giữa các trường với nhau

Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt cho các trường ởnông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị phân tán khắp nơi Khi ban phụtrách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng,họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí

và cách bố trí các tiện nghi của họ

Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm Các giải pháp có dây khôngthể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết các phiên bản DSL,công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các mạng giáo dục này

1.7.1.3 An ninh công cộng

Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu hoả, tìm kiếm và cứu hộ, cóthể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình huống cấp cứu và tình trạng khNncấp khác,như được minh hoạ ở hình 1.7.

Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết nhanh và các độiđáp lại tình trạng khNn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ liệu từ địa điểm vụ tai nạnhoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển Dữ liệu này có thể được tiếp sóng tới các đội chuyên giacấp cứu hoặc nhân viên khNn cấp, là những người có thể phân tích các tính huống trong thờigian thực, như thể là họ đang ở đó WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khácnhau Các giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể thiếtlập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ tự nhiên trongkhoảng vài phút Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở về trung tâm giải quyếtnhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện hành

Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng

Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể dự đoán, không ổnđịnh của các vụ tai nạn và các thảm hoạ Ở đây có lẽ cũng yêu cầu cả tính di động, ví dụ như:một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một phương tiện chuyển động, hoặc môt línhcứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòanhà đang bị cháy Các máy quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin vềtình trạng của bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện Trong tất cả các trường hợp

đó, WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp không thểchuyển được.

1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ

Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các tuyến nối thông tinliên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu, các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạtđộng từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8

Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức tạp, kiểm tra địnhhướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu Ví dụ, các đoạn video của các thành phần hoặc cáccụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia trên mặt đất để phân tích An ninh gồm:kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video Các phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email,truy cập internet, trao đổi video

Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ

1.7.2 Các mạng công cộng

Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người sử dụng khácnhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt Nói chung mạng công cộng yêu cầulợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố địnhhoặc có thể dự đoán được Các ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữliệu, mặc dù truyền thông video đang trở nên phổ biến hơn An ninh là một yêu cầu then chốt, vìnhiều người sử dụng cùng chia sẻ một mạng Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là giảipháp an ninh được sử dụng Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng được minh hoạdưới đây

1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng

Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung cấp kết nối tới cảkhu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu là thoại và internet), đượcminh hoạ ở hình 1.9

Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ

WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà bắt đầu việc kinhdoanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt Vì WiMAX rất dễ để triển khai, nênCLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóngmang tổng đài nội hạt).

Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được mang bởi CLEC.QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu cầu dịch vụ khác nhau củakhách hàng Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảmchi phí thu được từ khách hàng, và tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng).WSP chỉ cần một hệ thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng

Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của họ Các nhà vậnhành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển khai giải pháp WiMAX sẽ

mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ Tất cả các giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang,DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu đáng kể để xây dựng cơ sở hạ tầng Nói cụ thể, các giảipháp có dây không phù hợp với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nôngthôn, thị trấn nhỏ hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn

1.7.2.2 Kết nối nông thôn

Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị trường ít được quantâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố, như được minh hoạ ở hình 1.10

Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn

Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát triển và các vùng ítđược quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giátrị Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ internet và điện thoại Vì WiMAX cung cấpvùng phủ rộng nên đây là một giải pháp mang lại lợi nhuận nhiều nhất

Kết Luận chương : Với những nội dụng được trình bày trong chương 1 đã cho chúng ta một cái

nhìn tổng quát về công nghệ WiMAX, chúng ta cơ bản hiểu được cấu trúc bên trong, ưu nhược điểm của wimax, và những ứng dụng trong thực tế của nó Khi đã nắm vững những kiến thức cơ bản đó rồi thì chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như cách thức xử lý tín hiệu trong WiMAX sẽ được trình bày trong các chương sau.

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

Giới thiệu chương: Trong chương 2 sẽ trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm,

nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM Qua đó chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này khi được ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác.

2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM

2.1.1 Khái niệm

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chếFDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đócác sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệucủa các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lạiđược tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sửdụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu.Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định

256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộngkênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợpvới độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), đểduy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóngmang với độ rộng kênh

a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM

• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằngphương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phépbiến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc).Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT vàFFT cho bộ điều chế OFDM.

• Năm 1999, tập chuNn IEEE 802.11 phát hành chuNn 802.11a về hoạt động củaOFDM ở băng tần 5GHz UNI

• Năm 2003,IEEE công bố chuNn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz vàphát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các

hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp

Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trongthông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóavới nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền Do chất lượng kênh(độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điềuchế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thíchnghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băngrộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu

2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sauđây :

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-SymbolInterference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớnnhất của kênh truyền

• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

• Cấu trúc máy thu đơn giản

Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưngchuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đườngtruyền làm giảm hiệu suất đường truyền

• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạycảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời( time offset) do sai

2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t) Để đảmbảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau :

Trong đó:

: là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con

T là thời gian ký hiệu,

N là số các sóng mang con,N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian

Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m= 1,2….thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.Theo định nghĩa, haivectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) vàtích của 2 vectơ là bằng 0

Hình 2.3 Tích của hai vectơ vuông góc

2.2.2 Sơ đồ điều chế:

Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM

Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh conlà n, n ∈ {− L,−L+1, ,−1,0,1, , L −1, L}, nên NFFT=2L+1 Dòng dữ liệu đầu vào{ ai } chia thành NFFT dòngsong song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song Dòng bittrên mỗi luồng song song{ ai } lại được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức dk,n , n làchỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộS/P, k là chỉ số khe thờigian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức Các mẫu tín hiệu phát dk,n , đượcnhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh contương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejL ω s t , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giaonhau Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng đượcbiểu diễn như sau:

Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là:

Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệuISI

Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chếOFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sửdụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chếOFDM Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một sốlượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp.

2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên đượclấy mẫu với tần số lấy mẫu:

Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại :

Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiệnmột cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT

2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông

mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference)nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ) Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệtương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước củamẫu tín hiệu như hình vẽ sau:

với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh

a ) Không có GI

Hình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoácấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệkhông mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốnbăng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lượng là:

2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản

Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ bản.Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trongtrường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệthống khác Trong OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúngbằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữnhật Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG

Hình 2.7 Xung cơ bản

Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raisecosine filter)

2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM

2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) vàhàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thờigian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyềnđạt của kênh

Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung:

Hình 2.8 Mô hình kênh truyền