NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG TWO WAY REPLAY

Mạng2G mang tới cho người sử dụng di động ba lợi ích tiến bộ trong suốt một thờigian dài, đó là: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộnghơn 1G và đặc biệt là sự xuất h

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG

TWO - WAY RELAY

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Bình Nam - 07ĐT3

Trà Trung Anh - 07ĐT4

Đà Nẵng - 2012

Nam

1.1 Lịch sử các hệ thống thông tin di động 9

1.1.1 Mạng di động thế hệ thứ nhất - 1G 9

1.1.2 Mạng di động thế hệ thứ hai - 2G 10

1.1.3 Mạng di động 2.5G 11

1.1.4 Mạng di động thế hệ thứ ba - 3G 12

1.1.5 Mạng di động thế hệ thứ tư - 4G 13

1.2 Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động 14

1.2.1 Suy hao trên đường truyền 14

1.2.2 Hiện tượng pha đinh đa đường (Multipath fading) 15

1.2.3 Kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số và kênh truyền pha đinh phẳng 17

1.2.4 Trải trễ và nhiễu liên ký tự ISI trong hiện tượng đa đường 19 1.2.5 Nhiễu trắng Gaussian 20

1.2.6 Hiệu ứng Doppler 20

1.3 Mô hình kênh pha đinh đa đường 21

1.4 Kết luận chương 23

Nam

2.1 Khái niệm về OFDM 25

2.2 Tín hiệu trực giao 27

2.3 Phép biến đổi FFT 30

2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 31

2.4.1 Máy phát OFDM 31

2.4.1.1 Khối mã hóa kênh 34

2.4.1.2 Bộ xáo trộn (Scrambler) 35

2.4.1.3 Điều chế số M-QAM 35

2.4.1.4 Tiền tố lặp Cyclic-Prefix 36

2.4.2 Máy thu OFDM 37

2.5 Ưu và nhược điểm của OFDM 39

2.5.1 Ưu điểm 39

2.5.2 Nhược điểm 40

2.6 Kết luận chương 41

3 HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG TWO-WAY RELAY 42 3.1 Đa truy chập phân chia theo không gian SDMA 42

3.1.1 Giới thiệu về SDMA 42

3.1.2 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing 45

3.2 Thông tin đa chặng 49

3.2.1 Tổng quan về thông tin đa chặng 49

3.2.2 Mục đích sử dụng relay 49

3.2.3 One-way relay 50

3.2.4 Ưu và nhược điểm của One-way relay 51

3.3 Two-way Relay 52

3.3.1 Mô hình hệ thống 52

3.3.2 Mô hình toán học 53

3.3.3 Thiết kế ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc 55

3.3.4 Thiết kế ma trận tiền mã hóa tại relay 56

3.4 Kết luận chương 59

Nam

1.1 Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động từ

1G đến 4G 14

1.2 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 16

1.3 Tín hiệu từ bên phát tới bên thu theo các đường khác nhau 17

1.4 Kênh truyền pha đinh lựa chọn tần số 18

1.5 Kênh truyền pha đinh phẳng 18

1.6 Hiện tượng trải trễ 19

1.7 Mô hình truyền tín hiệu trong kênh pha đinh đa đường 21

2.1 Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b) 26

2.2 Sơ đồ khối máy phát OFDM 32

2.3 Sơ đồ khối máy thu OFDM 32

2.4 Cấu trúc một symbol OFDM trong miền tần số 33

2.5 Biến đổi IFFT và chèn Cyclic-Prefix cho OFDM symbol 33

2.6 Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi ở máy phát 34

2.7 Các dạng điều chế số nhiều mức M-QAM 36

2.8 Các mẫu OFDM thu được tại máy thu 38

3.1 Mô hình hệ thống SDMA 44

3.2 Hệ thống SDMA sử dụng precoding 46

3.3 Mô hình hệ thống mạng di động LTE/LTE Advanced 50

3.4 Mô hình One-way relay 51

3.5 Mô hình Two-way Relay 52

và Thay_doi_MQAM_level_BER_at_BS 654.6 Đồ thị BER theo SNR tại thuê bao, số mức điều chế QAM thayđổi 664.7 Đồ thị BER theo SNR tại trạm gốc, số mức điều chế QAM thayđổi 66

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự

sang sốAWGN Additive White Gausian Noise Nhiễu Gaussian trắng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo mã

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số

sang tương tựDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạcFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo tần sôFDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo tần sốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

HSPA High-Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ caoICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

ngược nhanhIMD Inter-modulation Distortion Méo xuyên điều chế

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

MIMO Multi Input Multi Output Nhiều ngõ vào,

nhiều ngõ ra

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia

PS Parallel to Serial Biến đổi song song

sang nối tiếpQAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha

cầu phươngSDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo không gianSINR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu trên

plus Noise ratio can nhiễu cộng nhiễuSNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SP Serial to Parallel Biến đổi nối tiếp

sang song song

Nam

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo thời gianTDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo thời gian

Telecommunication System di động toàn cầu

• Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động

• Mô hình kênh pha đinh đa đường

1.1.2 Mạng di động thế hệ thứ hai - 2G

Đây là thế hệ thông tin di động mang tính cải cách và khác hoàn toàn

so với thế hệ đầu tiên Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệuanalog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja(hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) vào năm 1991 Mạng2G mang tới cho người sử dụng di động ba lợi ích tiến bộ trong suốt một thờigian dài, đó là: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộnghơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS.Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu

kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoạiđược lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Songsong đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn nănglượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tíchbên trong thiết bị hơn

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền tảng TDMA (Time Division tiple Access) và nền tảng CDMA (Code Division Multiple Access) cùng nhiềudạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từngphân vùng quốc gia:

Mul GSM sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA và song công FDD, khởinguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở thành chuẩn phổ biến trên toàn thế

- IS-136 còn được biết với tên gọi D-AMPS (Digital-AMPS), sử dụng kỹthuật đa truy cập TDMA và song công TDD Công nghệ này được triển khainhiều tại châu Mĩ, đặc biệt là ở Mĩ và Canada.

- IS-95 hay còn gọi là CDMA One (thuộc CDMA, thường được gọi ngắngọn là CDMA tại Mỹ) được sử dụng chủ yếu là châu Mỹ và một số vùng ởchâu Á

- PDC (Personal Digital Cellular) sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA

là chuẩn được phát triển và triển khai tại Nhật Bản

Mạng 2G trở nên phổ biến cũng do công nghệ này có thể triển khai một sốdịch vụ dữ liệu như Email và SMS Đồng thời, mức độ bảo mật cá nhân cũngcao hơn so với 1G

Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm, ví dụ ở nhữngnơi dân cư thưa thớt, sóng yếu có thể không tới được các tháp phát sóng Tạinhững địa điểm như vậy, chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi

sẽ bị giảm đáng kể

1.1.3 Mạng di động 2.5G

Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ

sở hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA Vàtiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển

dữ liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM Bên cạnh

đó, một vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTTcho CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi

vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbps), nhưng vẫn đượcxem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là nghe có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nóchậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự

hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với 2G là cho phéptruyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao

cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau

Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, capacity của hệ thống lớn, tănghiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn côngnghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS, CDMA2000

và TD-SCDMA

- UMTS (Universal Mobile Telecommunication System): dựa trên côngnghệ truy cập vô tuyến W-CDMA, là giải pháp nói chung thích hợp với cácnhà khai thác dịch vụ di động (Mobile network operator) sử dụng GSM/GPRS

để đi lên 3G, tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á, trong đó cóViệt Nam UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịutrách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE Tốc độ dữ liệu tối

đa là 1920 kbps (gần 2 Mbps) Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384kbps Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA (High-SpeedDownlink Packet Access) và HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) đãđược đề nghị Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung làHSPA HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3.5G

- CDMA2000: là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 (CDMAOne) Các đề xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoàikhuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA2000 được quản lýbởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP Và đã có nhiều công nghệ truyềnthông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm CDMA2000 1xRTT,CDMA2000 EV-DO và CDMA2000 EV-DV CDMA2000 cung cấp tốc độ dữ

Nam

liêu từ 144 kbps tới trên 3 Mbps Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU

- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China CommunicationsStandards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3Gcủa Trung Quốc TD-SCDMA dùng song công TDD TD-SCDMA có thể hoạtđộng trên một dãi tần hẹp 1.6 MHz (cho tốc độ 2 Mbps) hay 5 MHz (cho tốc

độ 6 Mbps) Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần Nhiềuthử nghiệm về công nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thếvận hội Olympic gần đây

1.1.5 Mạng di động thế hệ thứ tư - 4G

4G là thế hệ tiếp theo của mạng thông tin di động không dây 3G 4G làmột giải pháp để vượt lên những giới hạn và những điểm yếu của mạng 3G vớimong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện mà mạng 3G không thể đápứng được

Nhật, nhà cung cấp mạng NTT DoCoMo định nghĩa 4G bằng khái niệm

đa phương tiện di động (mobile multimedia) với khả năng kết nối mọi lúc, mọinơi, khả năng di động toàn cầu và dịch vụ đặc thù cho từng khách hàng NTTDoCoMo xem 4G như là một mở rộng của mạng thông tin di động tế bào 3G.Quan điểm này được xem như là một “quan điểm tuyến tính” trong đó mạng4G sẽ có cấu trúc tế bào được cải tiến để cung ứng tốc độ lên trên 100 Mbps.Mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng hiện có và đangphát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-4G,RFID, UWB, satellite để cung cấp một kết nối vô tuyến đúng nghĩa rộngkhắp (ubiquitous), mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung cấp nào,không kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì Người dùng trong tươnglai sẽ thực sự sống trong một môi trường “tự do”, có thể kết nối mạng bất cứnơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và mang tínhđặc thù cho từng cá nhân

Mặc dù thuật ngữ 4G vẫn chưa được bất kỳ một tổ chức chuẩn hóa nào

Hình 1.1: Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G

định nghĩa một cách rõ ràng, tuy nhiên mạng 4G được kỳ vọng đáp ứng cácđặc điểm sau

+ Cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi Để thỏa mãn được điều

đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau),kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa côngnghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loạimạng truy nhập khác nhau

+ Cung cấp giải pháp chuyển giao liên tục, không vết ngắt (seamless) giữanhiều công nghệ mạng khác nhau và giữa nhiều thiết bị di động khác nhau.Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ tầm 100 Mbps và cơ chế nhằmđảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực Để vượt lên khỏitình trạng bảo hòa của thị trường viễn thông, các nhà cung cấp mạng sẽ phảitìm kiếm khách hàng bằng các dịch vụ tùy biến theo yêu cầu của khách hàng.Mạng 4G sẽ lấy người dùng làm tâm điểm

1.2 Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động

1.2.1 Suy hao trên đường truyền

Sự suy hao trên đường truyền là sự suy giảm mật độ năng lượng của sóngđiện từ khi nó lan truyền trong không gian Suy hao trên đường truyền có thể

Khi tín hiệu được truyền từ máy phát qua không gian đến máy thu, giả

sử rằng không có bất kỳ một vật chắn nào và tín hiệu truyền trên một đườngthẳng từ máy phát đến máy thu (đây gọi là sự lan truyền của tín hiệu trongkhông gian tự do) Khi đó, công suất tín hiệu thu được tại máy thu là

Pr = PtGtGr

 λc4πd

2

(1.1)

trong đó: Pt là công suất phát ra ở máy phát, Gt và Gr lần lượt là độ lợi củaanten ở bên phát và bên thu, d là khoảng cách giữa anten phát và anten thu.Suy hao trong không gian tự do được đinh nghĩa là:

1.2.2 Hiện tượng pha đinh đa đường (Multipath fading)

Pha đinh được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang caotần tại anten thu, thường xảy ra đối với các hệ thống thông tin vô tuyến dotác động của môi trường truyền dẫn, như sự thay đổi không đồng đều về chỉ

số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền màsóng vô tuyến đi qua Các yếu tố gây ra pha đinh đối với các hệ thống vô tuyếnmăt đất bao gồm:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, sương mù Sự hấpthụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác, đăc biệt là dải tần số cao

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề mătnước và sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là

Nam

môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lansóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tínhiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiệntượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

Tín hiệu sóng mang cao tần khi truyền qua kênh vô tuyến sẽ lan tỏa trongkhông gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như

xe cộ, nhà cửa, cây cối gây ra các hiện tượng sau đây:

Hình 1.2: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

Khi tín hiệu va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số tín hiệu là bản saocủa nó, một số bản sao này sẽ tới được máy thu Do các bản sao này phản

xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khácnhau nên thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau (tức là độ trễpha giữa các thành phần này là khác nhau) và các bản sao có độ suy hao khácnhau (tức là biên độ của các thành phần này là khác nhau)

Tín hiệu tại máy thu sẽ là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào

Nam

Hình 1.3: Tín hiệu từ bên phát tới bên thu theo các đường khác nhau

biên độ và pha của các bản sao thì: tín hiệu thu được tăng cường (cộng hưởng)khi các bản sao đồng pha; hoặc tín hiệu thu bị triệt tiêu khi các bản sao ngượcpha Tuỳ theo mức độ của pha đinh đa đường ảnh hưởng tới đáp ứng tần sốcủa mỗi kênh truyền mà ta sẽ có kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số(frequency selective fading channel) hay kênh truyền pha đinh phẳng(flat fading channel)

1.2.3 Kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số và kênh truyền pha

đinh phẳng

Khi tần số sóng mang của tín hiệu thay đổi, đáp ứng tần số của kênhtruyền sẽ thay đổi theo Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số màtrong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần

số (có thể xem là phẳng) Khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth

và được ký hiệu là fo

Trong kênh truyền ở hình 1.4, khoảng tần số fo của kênh truyền nhỏ hơnnhiều băng thông của tín hiệu phát Đáp ứng tần số của kênh truyền trên băngthông W của tín hiệu biến thiên rất lớn tại các tần số khác nhau, do đó nhữngthành phần tần số khác nhau của tín hiệu sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha khác

Nam

Hình 1.4: Kênh truyền pha đinh lựa chọn tần số

Hình 1.5: Kênh truyền pha đinh phẳng

nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền pha đinh lựa chọntần số

Ngược lại, trong kênh truyền ở hình 1.5, khoảng tần số fo của kênh truyềnlớn hơn băng thông của tín hiệu phát Đáp ứng tần số của kênh truyền trênkhoảng băng thông W của tín hiệu gần như là bằng nhau tại các tần số khácnhau (gần như bằng phẳng) Mọi thành phần tần số của tín hiệu khi đi quakênh truyền sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha là gần như nhau Chính vì vậy,kênh truyền dạng này được gọi là kênh truyền pha đinh phẳng, hoặc kênhtruyền pha đinh không chọn lọc tần số

Hình 1.6: Hiện tượng trải trễ

Trong thông tin vô tuyến, trải trễ gây nên hiện tượng nhiễu xuyên ký tựISI (Inter-Symbol Interference) Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấnvới tín hiệu trước đó, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở những hệ thống

có tốc độ bit cao nếu như hệ thống không có cách khắc phục

Hình 1.6 cho ta thấy được ảnh hưởng của trải trễ trong hiệu ứng đa đườnggây ra nhiễu liên ký tự Tín hiệu phản xạ đến máy thu có biên độ nhỏ hơn vàđến đến trễ hơn tín hiệu đến trực tiếp Vì vậy tín hiệu thu tổng hợp sẽ là tổngcủa tín hai tín hiệu này và kết quả là không còn giống với tín hiệu đến trực

ô ICI (Inter-Cellular Interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên

kí tự ISI (Inter-Symbol Interference), nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-CarrierInterference) và méo xuyên điều chế IMD (Inter-modulation Distortion) Nhiễunày làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổcủa hệ thống phải được lựa chọn

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cáchchính xác bằng nhiễu Gaussian trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắngGaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễunày có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuântheo phân bố Gaussian Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịutác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầuhết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắngcộng tác động trên từng kênh con, vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặcđiểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắngcộng

1.2.6 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng trong đó tần số mà máy thu nhận được bịlệch so với máy phát phát ra khi độ dài đường liên lạc vô tuyến thay đổi theothời gian do máy thu và máy phát chuyển động tương đối với nhau, dẫn đếnthay đổi về pha liên tục Khi máy thu và máy phát di chuyển hướng về nhau

∆f = fov

trong đó: fo là tần số máy phát, v là vận tốc thay đổi đường truyền trực tiếp

từ máy phát đến máy thu, và c là vận tốc ánh sáng

Hiệu ứng Doppler gây ra méo trong thông tin vô tuyến băng rộng và ở cácbăng tần gốc đã được giải điều chế có hiện tượng giãn ra hoặc co lại

1.3 Mô hình kênh pha đinh đa đường

Hình 1.7: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh pha đinh đa đường

Tín hiệu s(t) được truyền vào không gian từ anten phát có thể được biểudiễn như sau:

s(t) = <[x(t)ej2πfc t

trong đó x(t) = sI(t) + jsQ(t) là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở Tín hiệux(t) được gọi là đường bao phức (complex envelope) hay tín hiệu tương đươngthông thấp phức (complex lowpass equivalent signal) của s(t) Ta gọi x(t) làđường bao phức của s(t) bởi vì biên độ và pha của x(t) cũng chính là biên độ

và pha của s(t)

so với tín hiệu s(t) một khoảng thời gian là τi(t).

Thay (1.5) vào (1.6) ta được:

= <y(t)ej2πf c t + n(t)Vậy tín hiệu y(t) nhận được ở băng tần cơ sở được biểu diễn như sau

với nb(t) là nhiễu nhiệt thu được ở băng tần cơ sở

Bước tiếp theo, ta sẽ thiết lập một kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyểnkênh truyền liên tục theo thời gian sang dạng kênh truyền rời rạc theo thờigian Sử dụng công thức thường dùng của định lý lấy mẫu, giả sử rằng tín hiệuđầu vào x(t) có băng tần giới hạn là W , khi đó x(t) có biểu diễn tương đươnglà

Mô hình tín hiệu thời gian rời rạc này được sử dụng rất rộng rãi trong các

kỹ thuật truyền ở lớp vật lý trong các hệ thống OFDM (ví dụ: Wifi, Wimax,LTE)

1.4 Kết luận chương

Chương này đã cho ta biết được quá trình phát triển của mạng thông tin

di động từ 1G đến 4G, những đặc trưng của kênh truyền thông không dây như

tự ISI Đặc biệt ta đã xây dựng được mô hình tín hiệu trên kênh truyền phađinh đa đường, từ đó làm cơ sở để ta tìm hiểu về một kỹ thuật được ứng dụngrộng rãi trong các hệ thống thông tin di động tiên tiến hiện nay - kỹ thuậtghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.

Chương này trình bày các nội dung sau:

• Khái niệm về OFDM

• Tín hiệu trực giao

• Phép biến đổi FFT

• Sơ đồ khối hệ thống OFDM

• Ưu và nhược điểm của OFDM

• Ứng dụng của OFDM

2.1 Khái niệm về OFDM

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một kỹthuật điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu (data symbol) đượcđiều chế thành những sóng mang phụ (hay sóng mang con) song song cách đềunhau Các sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết đểduy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổtín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần

số Với một băng tần có sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng mang con này sẽlàm tăng hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ thuật ghépkênh phân chia theo tần số thông thường

Nam

Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả

để khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong phađinh đa đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (Guard Interval - GI period)tại vị trí bắt đầu của mỗi symbol, và rất thích hợp cho các kênh truyền phađinh lựa chọn tần số trong thông tin vô tuyến bằng cách biến đổi kênh truyềnchọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng và cho phép luồngthông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh bănghẹp

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cáchrất gần nhau Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, lên sóng mang, phổcủa chúng sẽ chồng lấn lên nhau Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận đượctoàn bộ tín hiệu và giải điều chế chính xác dữ liệu Với các kỹ thuật trước đâynhư FDM, khi tín hiệu được truyền gần nhau thì chúng phải được tách biệtnhau để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và phải có khoảng băngbảo vệ giữa chúng Tuy nhiên với những cải tiến của OFDM, mặc dù phổ củacác sóng mang chồng lấn lên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu màkhông bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao với nhau

Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)

Một yêu cầu quan trọng trong các hệ thống phát và thu OFDM là chúng

Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của của hệ thống

đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ởđầu ra của máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh Trong khi công suấttrung bình rất thấp Điều này là không hiệu quả Để khắc phục, trong một số

hệ thống, công suất đỉnh bị hạn chế Mặc dù điều này sẽ làm méo tín hiệu vàlỗi sẽ cao hơn, nhưng hệ thống có thể sử dụng kỹ thuật sửa lỗi để khắc phục.Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuậtOFDM đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoahọc của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thểđược thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM cóthể được thực hiện bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự pháttriển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngàycàng rộng rãi Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụngphép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử lýtín hiệu ở máy phát và máy thu

2.2 Tín hiệu trực giao

Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Trựcgiao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênhtruyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực giao giữacác tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu làm giảm chất lượng thôngtin Có rất nhiều kỹ thuật ghép kênh liên quan đến vấn đề trực giao

- Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) truyền nhiều bảntin trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin hoạt động trên cùng một tần

số một khe thời gian Trong suốt một khe thời gian, chỉ có một bản tin duynhất được truyền đi Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy,

Ts và ∆f được gọi (tương ứng) là khoảng thời gian của ký tự (symbol duration)

và khoảng cách giữa các sóng mang con (subchannel space) OFDM Để bênthu có thể giải điều chế được tín hiệu OFDM thì Ts phải đủ lớn và thỏa mãn

Ts∆f = 1, đây còn được gọi là điều kiện trực giao của hệ thống OFDM

t=T s

t=0

= e

j2π(k−l)∆f T s− 1j2π(k − l)∆f

Các mẫu phức Xk có thể được giải điều chế như sau

Xk =

√N

Ở mục trước, ta đã có tín hiệu OFDM được biểu diễn như sau

2 log2N trong phép biến đổi DFT hoặcIDFT N -điểm Với sự trợ giúp của phép biến đổi FFT, việc thực hiện kỹ thuậtOFDM trở nên vô cùng đơn giản.

2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

2.4.1 Máy phát OFDM

Xét một hệ thống mã hóa OFDM sử dụng phương pháp điều chế số biên

độ cầu phương M-QAM

RF LO

Luӗng bit tin

Hình 2.2: Sơ đồ khối máy phát OFDM

RF

LO

Clk Osc

RF ADC CP S/P FFT Giҧi ÿiӅu chӃ – -1

M-QAM

Gi ҧi mã Lu ӗng bit tin

Hình 2.3: Sơ đồ khối máy thu OFDM

Dòng bit dữ liệu đầu vào trước khi được điều chế sẽ đi qua khối mã hóakênh (Convolutional Encoder) để tăng khả năng năng chống chọi lỗi, giảm tỉ

lệ lỗi bit BER (bit error rate) ở bên thu Sau đó, luồng bit này sẽ tiếp tụcđược xáo trộn (hay xen rẽ) theo một trình tự thích hợp bởi bộ xáo trộn, haycòn gọi là bộ xen rẽ (Scrambler, hay Interleaver) nhằm làm giảm ảnh hưởngcủa hiện tượng lỗi chùm (burst error) Tiếp theo, sau khi đã được mã hóa kênh

và xáo trộn, luồng bit này được nhóm lại thành từng cụm {dk,m} gồm Q bits(với Q = log2M và dk.m= [dk,m,0, , dk,m,Q−1]) rồi được ánh xạ (vào biên độ vàpha của sóng mang phụ) thành các symbol phức Xk,m sau khi đi qua bộ điềuchế số M-QAM (với m và k biểu thị chỉ số của symbol OFDM và thứ tự củacác sóng mang phụ trong symbol OFDM đó, một cách tương ứng) Các mẫuphức Xk,m tiếp tục được chia thành từng khung có chiều dài bằng nhau rồichèn thêm một số thích hợp các pilot cũng là các symbol phức (các pilot được

T Q m k m

k m

x

,

symbols QAM

m k

Hình 2.5: Biến đổi IFFT và chèn Cyclic-Prefix cho OFDM symbol

N sóng mang phụ này được chuyển từ nối tiếp sang song song khi đi qua

bộ S/P (Serial to Parallel) rồi được đưa tới đầu vào của khối IFFT để thựchiện biến đổi dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian, thu được một symbolOFDM mới là {xn,m} (với n ∈ {0, , N − 1}) Sau đó tiền tố lặp CP (CyclicPrefix) (là bản sao của phần cuối của symbol OFDM {xn,m}) có chiều dài là

Ng sẽ được chèn vào trước symbol {xn,m} đó (như hình (2.6)) để khắc phụcảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh vôtuyến di động đa đường

Sau khi thực hiện biến đổi IFFT và chèn thêm tiền tố lặp Cyclic-Prefix,