Nghiên cứu các kỹ thuật đồng bộ và ước lượng kênh trong hệ thống nhiều người sử dụng MIMO OFDMA

Mô hình kênh truyền vô tuyến thường được phân chia thành hai loại:  Large scale fading: Trong loại này, độ suy giảm trên đường truyền của tín hiệu được mô hình bằng một hàm của khoảng c

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 11

1.1 Tổng quan 11

1.1.1 Tổng quan về kênh truyền 11

1.1.2 Kênh vô tuyến: 14

1.1.2.1 Suy hao đường dẫn: 15

1.1.2.2 Hiệu ứng fading 18

1.1.2.3 Hiệu ứng màn chắn (shadowing) 22

1.1.2.4 Đặc tính thời gian, tần số 23

1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 24

1.2.1 Mô hình hệ thống MIMO 25

1.2.2 Hệ thống OFDM 28

1.2.3 Hệ thống MIMO – OFDM 34

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ KÊNH TRONG HỆ THỐNG OFDM, OFDMA 36

2.1 Đồng bộ trong OFDM 36

2.1.1 Nhận biết khung 37

2.1.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE 39

2.1.2.1 Ước lượng phần thập phân 40

2.1.2.2 Ước lượng phần nguyên 41

2.1.3 Bám đuôi lỗi thặng dư 43

2.2 Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA 44

2.2.1 Các giao thức OFDMA 45

2.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con 47

2.2.3 Phương pháp ghép (Duplexing) 53

2.2.4 Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA 54

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO, OFDM 57

3.1 Ước lượng kênh trong hệ thống OFDM 57

3.1.1 Ước lượng 1D 57

3.1.1.1 Phương pháp ước lượng bình phương ít nhất (least squares estimation) 57

3.1.1.2 LMMSE (least minimum mean square error) 60

3.1.2 Ước lượng 2D 64

3.1.3 Ước lượng thích nghi 65

3.1.4 Nội suy 66

3.2 Ước lượng kênh trong hệ thống MIMO 67

3.2.1 Tổng quan phương pháp đồng bộ kênh sử dụng chuỗi training 68

3.2.1.1 Phương pháp ước lượng Least Squares 69

3.2.1.2 Phương pháp ước lượng MAP 70

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH LEAST SQUARED VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB 73

4.1 Bộ ước lượng kênh Least Squares: 73

4.2 Mô phỏng bộ ước lượng kênh Least Squares 76

CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH 84

KẾT LUẬN 88

PHỤ LỤC 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong viện Điện

tử - Viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường tốt

để tôi học tập và nghiên cứu Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào Tạo Sau Đại Học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện học tập và nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo

TS Nguyễn Quốc Khương đã quan tâm, tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn là công trình tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, ngoài các đoạn trích dẫn và tài liệu tham khảo trong luận văn thì các kiến thức mà tôi nghiên cứu tìm hiểu được là của riêng tôi Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung có trong luận văn này

Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Anh Quyền

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Noise

Nhiễu trắng cộng Gaussian

HLST Horizontal Layered Space Time Không gian Thời gian theo tầng ngang

Code

Lập mã không gian thời gian theo tầng

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

LMMSE Linear Minimum Mean Square

Error

Bình phương lỗi tối thiểu tuyến tính

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào – đa đầu ra

Sequence Estimation

Phương pháp ước lượng chọn chuỗi giá trị tối đa

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Modulation

Điều biên vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều biến pha vuông góc

multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

kiểu dàn

SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị riêng

TLSTC Threaded Layered Space Time

VLST Vertical Layered Space Time Không gian thời gian phân tầng ngang

Code

Lập mã không gian thời gian phân tầng ngang

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng số liệu mô phỏng phương pháp ước lượng kênh Least Squares với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK và đồng bộ kênh MMSE, ZF 78 Bảng 2: Bảng dữ liệu mô phỏng hệ thống MIMO 2x2 sử dụng phương pháp điều chế BPSK, ước lượng kêng Least Square,đồng bộ kênh MMSE với các tỷ lệ pilot trên data khác nhau: 82

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến 11

Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1]) 12

Hình 1.3: Mô hình hình học để tính toán trong mô hình hai tia 17

Hình 1.4: Truyền dẫn đa đường 18

Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu 21

Hình 1.6: Hệ thống MIMO 25

Hình 1.7: Dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 28

Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống OFDM 29

Hình 1.9: Phổ tín hiệu OFDM và FDM 31

Hình 1.10: Mô hình OFDM khi chèn pilot 33

Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ thống MIMO – OFDM 34

Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM 37

Hình 2.2 Nhận biết khung truyền 37

Hình 2.3: Tương quan theo chuỗi PN 39

Hình 2.4 OFDM 45

Hình 2.5 OFDMA 45

Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 47

Hình 2.7 Kênh con phân tập tần số DL 48

Hình 2.8 Mô hình AMC 49

Hình 2.9 Cấu trúc tỉ lệ cho UL PUSC 49

Hình 2.10 Bảng tần sô thời gian của OFDMA 50

Hình 2.11 OFDM và OFDMA 51

Hình 2.12 Mô tả về FDD và TDD 53

Hình 3.1: Thực hiện ước lượng LS 58

Hình 3.2: Thực hiện thuật toán nội suy FIR 60

Hình 3.3: Thực hiện ước lượng LMMSE 63

Hình 3.4: Thực hiện ước lượng 2D đơn giản 65

Hình 4.1: Kiến trúc máy phát trong mô phỏng 76

Hình 4.2: Kiến trúc máy thu trong mô phỏng 76

Hình 4.3: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, BPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số 79

Hình 4.4: Ảnh hưởng của hiệu ứng chọn lọc tần số tới hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, BPSK modulator 79

Hình 4.5: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, QPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số 80

Hình 4.6: Ảnh hưởng của hiện tượng chọn lọc tần số lên hệ thống MIMO 2x2

sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, QPSK modulator 81

Hình 4.7: So sánh hoạt động của LS estimator với MMSE & ZF equalizer, QPSK & BPSK modulator trong hệ thống MIMO 81

Hình 4.8: Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 2x2 sử dụng đồng bộ kênh MMSE, ước lượng kênh LS, điều chế BPSK với tỷ số Pilot trên Data khác nhau 83

Hình 5.1: Chương trình truyền dữ liệu 84

Hình 5.2: Chương trình nhận dữ liệu 85

Hình 5.3: Tín hiệu phát 85

Hình 5.4: Chòm sao điều chế 16 mức 86

Hình 5.5: Phổ của tín hiệu khi chèn khoảng bảo vệ 86

Hình 5.6: Nội dung truyền 87

Hình 5.7: Nội dung nhận được 87

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học

kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Trước nhu cầu ngày càng cao cả về chất lượng, dung lượng và tính đa dạng của khách hàng trong khi tài nguyên băng thông giới hạn, các dịch vụ viễn thông đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại ứng dụng các công nghệ tiên tiến Một trong số những công nghệ hiện nay đang được thế giới nghiên cứu và ứng dụng trong các thế hệ thông tin không dây tiếp theo là công nghệ MIMO

2 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống thông tin không dây tín hiệu truyền dẫn bị ảnh hưởng rất mạnh mẽ bởi kênh truyền Mặt khác kênh truyền lại không biết trước Do đó yêu cầu cần thiết là phải ước lượng và cân bằng kênh để tách được tín hiệu truyền dẫn Chất lượng của ước lượng kênh và cân bằng kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống thông tin

Vì vậy, em quyết định chọn đề tài này để nâng cao hiểu biết về các kỹ thuật đông bộ và ước lượng kênh truyền và hi vọng sau này có thể phát triển thêm các ứng dụng về các công nghệ này trong tương lai

3 Mục đích chọn đề tài

Nghiên cứu này chỉ ra được các kỹ thuật đồng bộ và ước lượng kênh trong hệ thống MIMO,OFDM, OFDMA để tận dụng được nguồn tài nguyên băng thông đang ngày càng hạn hẹp

4 Phạm vi nghiên cứu

Để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng, đối tượng nghiên cứu dựa trên nền tảng

kiến thức về lý thuyết về kỹ thuật đồng bộ, ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO, OFDM, OFDMA và các vấn đề có liên quan đến đề tài

5 Nội dung luận văn

Nội dung đề tài có cấu trúc như sau:

Phần mở đầu

Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến

Chương II: Các phương pháp đồng bộ kênh trong hệ thống OFDM, OFDMA Chương III: Các phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO, OFDM

Chương IV: Phương pháp ước lượng kênh Least squared

Chương V: Chương trình truyền dữ liệu giữa hai máy tính

Kết luận đã đạt được và hướng phát triển

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN

1.1 Tổng quan

1.1.1 Tổng quan về kênh truyền

Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến

Định nghĩa các đặc điểm của kênh vô tuyến là các biến của ảnh hưởng kênh truyền theo thời gian và tần số Mô hình kênh truyền vô tuyến thường được phân chia thành hai loại:

 Large scale fading: Trong loại này, độ suy giảm trên đường truyền của tín hiệu được mô hình bằng một hàm của khoảng cách và bị che chắn bằng các đối tượng lớn như tòa nhà và đồi núi Điều này xảy ra khi chúng ta xem xét khi thiết bị di động chỉ di chuyển trong khoảng cách nhỏ thuộc phạm

vi kích thước của một cell và đặc trưng là không phụ thuộc tần số

 Small scale fading: chúng ta xem xét những nhiễu có tính tích cực

và tiêu cực của đường dẫn đa tín hiệu giữa máy phát và máy thu Điều này có thể xảy ra tại các vùng không gian trong phạm vi của chiều dài bước sóng sóng mang, và là phụ thuộc vào tần số

Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1])

Mục đích của truyền thông vô tuyến là truyền dẫn tín hiệu xuyên qua kênh

vô tuyến Vì thế chúng ta phải hiểu rõ về kênh vô tuyến Trong phần này chúng ta hãy cùng tìm hiểu về một số mô hình và một số ảnh hưởng của kênh vô tuyến bằng cách phân tích các mô hình kênh vô tuyến Để tìm hiểu vấn đề này chúng ta xem xét bốn mô hình kênh sau đây:

 Kênh truyền dẫn (propagation channel): là kênh giữa hai anten: anten thu và

Tương tự/Số Kênh số

Kênh điều chế

Kênh truyền dẫn

Kênh vô tuyến

lên sóng điện từ Chúng ta sẽ thừa nhận các tính chất tuyến tính và tương hỗ của mô hình kênh này Hiện tượng chính của mô hình kênh truyền dẫn ảnh hưởng lên sự suy hao của tín hiệu phát và vì thế kênh truyền dẫn có các hiệu ứng nhân lên tín hiệu phát

 Kênh vô tuyến (radio channel): bao gồm kênh truyền dẫn và cả các anten thu

và các anten phát Do các anten được coi như tuyến tính, song phương và thụ động, kênh vô tuyến cũng được xem như tuyến tính và tương hỗ Vì thế tín hiệu chỉ chịu tác động của sự suy hao Tuy nhiên sự suy hao trong kênh vô tuyến có thể khác so với sự suy hao trong kênh truyền dẫn do ảnh hưởng của các anten thu và phát

 Kênh điều chế (modulation channel): bao gồm kênh vô tuyến cộng với kênh tất cả các thiết bị của hệ thống (như là bộ khuyếch đại và các thành phần khác của mach tần số vô tuyến) Hệ thống có tuyến tính hay không phụ thuộc vào các tính chất truyền dẫn của thiết bị giữa giải điều chế và điều chế và các anten Kênh cuãng có thể là không tương hỗ do ảnh hưởng của bộ khuyếch đại (thiết bị của hệ thống được cộng thêm vào kênh vô tuyến) là không tương

hỗ Thêm vào đó trong quá trình khuyếch đại tín hiệu thu, ta cần bổ sung các hiệu ứng cộng gây tác động xấu đến tín hiệu Các hiệu ứng đó là nhiễu noise

và interference Chúng có thể được thể hiện trong kênh vô tuyến, tuy nhiên nhiễu sinh ra do mạch điện tử đặc biệt được cộng thêm trong mô hình kênh này, do đó đặc tính đầy đủ của hiệu ứng cộng không thể được thể hiện trong

mô hình kênh vô tuyến Tín hiệu trong mô hình kênh này bao gồm tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được điều chế vào sóng mang

 Kênh số (digital channel): bao gồm kênh điều chế cộng với các bộ điều chế

và giải điều chế Nó liên kết từ tín hiệu số cơ sở ở phía phát đến tín hiệu số ở phía thu và miêu tả số bit lỗi trong quá trình truyền dẫn Kênh này không tuyến tính và không tương hỗ Trong mô hình kênh này không còn hiệu ứng nào ảnh hưởng xấu đến tín hiệu Tín hiệu ảnh hưởng bởi nhiễu được làm biến đổi thành các chuỗi bit, trong trường hợp tín hiệu bị làm ảnh hưởng qua nặng

bởi các hiệu ứng của kênh, chuỗi bit thu được sẽ sai lệch so với chuỗi bit thực được dự định vận chuyển Đầu vào của kênh là các bit, các bit này có thể được đóng gói thành các gói Các bit này được phân lại sau đó biến đổi thành các biểu diễn tương tự được gọi là ký tự Các ký tự này thuộc băng tần

cơ sở Sau đó, tín hiệu tương tự này được truyền qua bộ điều chế, bộ này điều chế tín hiệu băng tần cơ sở này lên đỉnh của sóng mang

1.1.2 Kênh vô tuyến:

Trong kênh vô tuyến, ảnh hưởng của tín hiệu thu được chỉ do các hiệu ứng nhân, hệ số suy hao a t , được cho bởi công thức cho trước Ở đây chúng ta sẽ phân biệt ra ba hiệu ứng khác nhau cùng dẫn đến sự suy hao của tín hiệu phát

Hiệu ứng đầu tiên được gọi là suy hao đường dẫn (path loss) Đó là hiệu ứng tất định chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa phía phát và phía thu Nó đóng vai trò quan trọng khi xét các khoảng thời gian lớn như giây và phút, vì khoảng cách giữa máy phát và máy thu trong hầu như các trường hợp không thay đổi đáng kể trong các khoảng thời gian ngắn cỡ miligiây hoặc giây

Hiệu ứng thứ hai được gọi là hiệu ứng màn chắn (shadowing) Hiệu ứng màn chắn không phải là hiệu ứng tất định Nó thay đổi trong cùng một khoảng thời gian, trong đó có thể suy hao đường dẫn là không thay đổi, điều này dẫn đến sự thay đổi lên xuống bất thường của biên độ tín hiệu tại điểm có cùng khoảng cách đến máy phát Tuy nhiên, đại lượng trung bình cho sự suy hao thông thường được coi là chỉ gồm suy hao đường dẫn

Hiệu ứng thứ ba là hiệu ứng fading Fading là hiệu ứng ngẫu nhiên, nhưng dẫn đến sự thay đổi đáng kể của suy hao trong khoảng thời gian nhỏ như mili giây hoặc thậm chí là micro giây Fading thường do môi trường truyền dẫn đa đường, do

sự phản xạ của môi trường sóng điện từ truyền dẫn thường được sao chép thành nhiều bản sao với các hệ số khác nhau gây ra nhiễu trên anten thu Tuy nhiên, chúng

và fading chậm (slow fading)

Tất cả ba hiệu ứng trên kết hợp thành suy hao trong thực tế của kênh vô tuyến.Do đó sự suy hao này có thể được khai triển theo công thức sau:

  PL( ). SH( ). FA( )

a t a t a t a t (1.1) Trong đó:

a t : suy hao do fading

1.1.2.1 Suy hao đường dẫn:

Suy hao đường dẫn là hiện tượng ảnh hưởng đến sóng điện từ truyền dẫn, nó

là đại lượng đặc trưng cho suy hao về công suất mà tín hiệu phát trải qua, suy hao này phụ thuộc vào khoảng cách và tần số

Nếu tín hiệu phát là s t , và công suất tín hiệu phát trung bình là

tương hỗ (đặc tính tương tự cho cả anten thu và phát) Anten được đặc trưng bằng hai đặc tính: hệ số khuyếch đại và đồ thị phương hướng của anten Hệ số khuyếch đại của anten là đại lượng đặc trưng cho sự khuyếch đại tín hiệu Đồ thị phương hướng của anten mô tả sự thay đổi của hệ số khuyếch đại của anten theo hướng,với

sự tham khảo là chính anten đó Đồ thị phương hướng của anten thường được thể hiện bằng sự suy giảm hệ số khuyếch đại so với hệ số khuyếch đại cao nhất của anten Hệ số khuyếch đại và đồ thị phương hướng là giống nhau đối với cả anten thu và phát Anten có thể phân loại thành anten đẳng hướng và định hướng, phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại có thay đổi theo hướng hay không Khi anten là định hướng, đồ thị phương hướng của anten phải được xét đến khi tính toán suy hao đường dẫn Giá trị của hệ số khuyếch đại được sử dụng là hệ số của hướng nhìn thẳng nối từ anten thu và anten phát.Hệ số khuyếch đại tổng của anten được tính như sau:

    

max

TxRx att

gG dB G dB (1.2) Trong đó Gmax dB là hệ khuyếch đại lớn nhất của anten và TxRx 

att

G dB là giá

trị được lấy từ đồ thị phương hướng của hướng nhìn thẳng từ anten phát đến anten thu (tất cả đều có đơn vị dB); dấu âm ở đây được lấy do giá trị này được so sánh với

hệ số khuyếch đại lớn nhất của anten

Truyền dẫn trong không gian tự do

Sự suy hao tín hiệu trải qua do truyền dẫn trong không gian tự do trên khoảng cách giữa hai anten giả thiết là tầm nhìn thẳng (LOS – line of sight) (không có màn chắn giữa hai anten), thông thường được gọi là suy hao không gian

tự do, được tính một cách chính xác bằng hệ thức Maxwell Hệ thức này để tính toán miền xa của anten và được tính theo công thức:

2

4

r

Tx Rx t

Công suất thu tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách và bình phương của tần số Giảng giải vật lý cho công thức đầu tiên rất đơn giản: trong không gian

tự do (không có sự cản trở hoặc bề mặt phản xạ) năng lượng bức xạ truyền dẫn đều nhau trên mọi hướng và sóng có thể được xem như một quả cầu có bán kính tăng dần.Vì năng lượng không bị mất đi nên nó sẽ bằng nhau bất kể khoảng cách của điểm bức xạ là ở đâu Vì thế tổng năng lượng trên quả cầu là bằng nhau, không phụ thuộc vào bán kính quả cầu, điều này dẫn đến năng lượng trên một đơn vị bề mặt sẽ phải giảm đi Do bề mặt tăng theo bình phương của bán kính, nên năng lượng trên một đơn vị bề mặt cũng giảm theo bình phương bán kính của quả cầu

Mô hình truyền dẫn hai tia

Do hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều diễn ra ở gần bề mặt trái đất, nên diễn tiến trong mô hình suy hao tự do là không thực tế Trong mô hình 2 tia, tia phản xạ do tín hiệu đập vào bề măt trái đất được cộng thêm vào trong tín hiệu thu

Nó cũng thừa nhận LOS và không có ảnh hưởng lên sự truyền dẫn bên cạnh bề mặt trái đất Mô hình này cũng thường được sử dụng để mô tả sự truyền dẫn trên mặt nước hoặc các trường mở khác

Trong mô hình này ta xét đến 3 sóng: sóng trực tiếp, sóng phản xạ tại bề mặt trái đất và sóng bề mặt.Nhưng sóng bề mặt là không đáng kể trong thông tin di động nên nó sẽ được bỏ qua

Hình 1.3: Mô hình hình học để tính toán trong mô hình hai tia

Trong hình trên, chúng ta có thể dễ dàng tính toán được các khoảng cách

truyền dẫn trong mô hình hai tia:

Cơ sở vật lý:

Hiệu ứng fading nhận được do sự truyền dẫn của nhiều bản sao của tín hiệu truyền dẫn, một tín hiệu truyền dẫn được truyền đi trên nhiều đường dẫn khác nhau, mỗi đường dẫn này lại tạo ra một bản sao của tín hiệu phát với các hệ số nhân khác nhau Fading cũng phụ thuộc vào môi trường giữa máy phát và thu

Trong môi trường truyền dẫn này có thể có nhiều hoặc chỉ một vài đối tượng gây ảnh hưởng đến tín hiệu vô tuyến phát đi Các đối tượng này được gọi là vật phản xạ (scatter) Vật phản xạ dẫn đến sự phản xạ của tín hiệu truyền dẫn giống như

trong trường hợp trong hình 1.4 và tín hiệu nhận được là tổng của các bản sao Hiệu

ứng này gọi là hiệu ứng phân tập đa đường

Trong môi trường có nhiều đường, mỗi đường dẫn i có khoảng cách truyền dẫn khác nhau d , vì thế chúng cũng có độ dài truyền dẫn khác nhau, và tất nhiên i

chúng có đường đi khác nhau Vì thế sự truyền dẫn trong các đường dẫn này có độ trễ khác nhau:

i i

d c

  (1.8)

Nếu như máy thu, vật phản xạ và máy phát không chuyển động, mỗi đường

có độ trễ khác nhau và độ suy hao khác nhau Mặt khác, độ trễ và độ suy hao của mỗi đường không thay đổi theo thời gian (do môi trường truyền không đổi) Nên kênh truyền trong trường hợp này được gọi là không thay đổi theo thời gian Nhưng nếu máy phát, máy thu và vật phản xạ không chuyển động, môi trường truyền dẫn

sẽ thay đổi Một số đường dẫn cũng sẽ thay đổi theo thời gian, vì thế khoảng cách truyền dẫn d và độ suy hao i a của các đường dẫn này cũng thay đổi theo Trong i

trường hợp này, kênh được gọi là kênh thay đổi theo thời gian

Mô hình toán học

Trong mô hình toán học ta xét tín hiệu được điều chế tại tần số f cvới đường bao phức ( ) Công thức toán học của tín hiệu:

2( ) ( ) jf c

i

y t  a s t e  (1.12) Kết hợp (1.10) và (1.12) chúng ta có:

Do đó với mô hình không có chuyển động, nhiễu trong trường hợp này là các

đa bản sao với độ suy hao khác nhau, độ dịch pha khác nhau và độ trễ khác nhau

Bây giờ, chúng ta sẽ xét đến kênh khi các đầu cuối di chuyển theo thời gian

Ta biểu thị góc tín hiệu tới của đường dẫn i với hướng của chuyển động của máy thu là i Độ thay đổi đường đi d ithay đổi như một hàm của tốc độ  và thời gian

t được cho bởi công thức   d i .cos(i).t

Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu

Do đó ta có hàm cho giá trị phức phụ thuộc thời gian như sau:

2

d i d i j

d i d i

y t a s t i e

c i

i

c i

t i j

Cuối cùng ta được hệ thức đơn giản hơn:

Khi số lượng vật phản xạ lớn, mô hình phản xạ rời rạc cần phải biến đổi thành

mô hình phản xạ liên tục, trong đó mỗi diễn biến đặc biệt được biểu thị được bằng hàm mật độ tăng ích (gain density) được cho bởi hàm sau:

sự suy hao của tín hiệu Hiện tượng này gọi là hiệu ứng màn chắn (shadowing) Do

đó với đường truyền có khoảng cách xác định, tần số và công suất phát cho trước,

hệ số suy hao không phải là đại lượng không đổi, nhưng nó thay đổi theo các màn chắn trong và xung quanh đường truyền dẫn

1.1.2.4 Đặc tính thời gian, tần số

Như chúng ta đã biết ở phần trước, sự biến động của môi trường dẫn đến sự dịch chuyển Doppler của tần số và thời gian trễ của thành phần ảnh hưởng nhiều đến tín hiệu nhất Trong các thí nghiệm truyền dẫn không dây trong trường hợp các đối tượng thay đổi, chúng ta cần chú ý đến 2 giá trị độ dịch tần Doppler f dvà độ

trễ  Để đơn giản hóa các biểu thức của tín hiệu nhận được chúng ta xem độ trễ của môi trường là rất nhỏ và bỏ qua chúng, sau đó chúng ta có biểu thức:

nên hệ số nhân phức cũng thay đổi theo

thời gian, kênh được gọi là kênh biến đổi theo thời gian Do có hiện tượng này nên

tín hiệu nhận được sẽ có tần số dịch chuyển trong khoảng f d,f d Do đó ( )y t bao gồm các thành phần tần số khác nhau thay đổi theo thời gian Kênh này còn được gọi là kênh chọn lọc thời gian (time selective) Hoặc nếu tần số Doppler lớn hơn rất nhiều so với tốc độ truyền dẫn, kênh cũng được gọi là kênh chọn lọc thời gian Mặt khác nếu tấn số Doppler quá nhỏ so với tốc độ truyền dẫn, kênh sẽ được gọi là kênh không chọn lọc thời gian Tương ứng vói hai khái niệm này, chúng ta có

hiệu ứng fading nhanh và fading chậm (fast và slow fading)

Bây giờ chúng ta sẽ phân tích độ dịch Doppler, chúng ta có hệ thức của kênh như sau:

y t i A s t i i g t s t (1.21)

Ở đây, kênh trở thành bộ lọc không phụ thuộc thời gian với đáp ứng xung được cho bởi công thức như sau:

( ) i ( i)

i

g t  A  t (1.22)Khi biến đổi sang miền tần số, chúng ta có hàm biến đổi phức

2

G f i A e i    (1.23)Nhìn vào biểu thức trên, ta biết rằng có một vài tần số bị triệt tiêu bởi  i

trong khi các tần số khác thì không Hiện tượng này được gọi là fading chọn lọc tần

số (frequency selective fading)

1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO

Ngày nay khi Internet và các ứng dụng viễn thông không dây thế hệ tiếp theo ngày càng phát triển Điều này đòi hỏi các thiết bị thông tin tốc độ cao cũng phát triển theo Trong trường hợp băng thông thực tế là có giới hạn, tốc độ dữ liệu cao hơn chỉ có thể đạt được bằng cách thiết kế hợp lý hơn trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu Các lý thuyết thông tin vừa được nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ số tăng dung lượng thông lượng thông tin là có thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ đa đầu

ra đa đầu vào (MIMO – multiple input multiple output) Một kênh MIMO được thiết lập từ đa nhân tố anten mảng ở cả hai đầu của liên kết không dây Kỹ thuật này hiện nay đang rất được quan tâm nhờ khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số

Công nghệ MIMO là công nghệ được dựa trên các lý thuyết cơ bản:

Mã hóa không gian thời gian (STC – Space time coding): mã hóa khác nhau trên các anten phát khác nhau Điều này cho sự trình diện tốt hơn do space time coding (STC) làm giảm sự tương quan của tín hiệu phát trên cả miền không gian và

Ghép kênh theo không gian (SM – Spatial Multiplexing): phát các dòng tín hiệu độc lập trên các anten một cách đồng thời Điều này cho phép tăng dung lượng truyền dẫn của hệ thống

H1N

H21

H22

H2N H31

H32

H3N

BỘ LẬP

MÃ MIMO

R XX E XX (1.24)

Trong đó E  là kỳ vọng và  H

 là biến đổi Hermitan của ma trận Công suất tổng của tín hiệu phát được giới hạn bởi P, không phụ thuộc vào số lượng anten phát n T Đại lượng này có thể biểu diễn theo công thức:

P tr R  XX (1.25) Với tr( ) là vết của ma trận.Nếu kênh truyền là không biết ở phía máy phát,

chúng ta giả thiết các tín hiệu đã phát tại mỗi anten có công suất bằng

Kênh truyền được mô phỏng bằng ma trận phức có định dạng n Rn T, ký

hiệu là Hệ số thứ ij của ma trận , ký hiệu là hij, mô tả hệ số fading của kênh truyền từ anten pháti đến anten thứ j Tín hiệu thu được biểu diễn bằng một ma trận cột có định dạng  nR 1 ,và r jlà tín hiệu nhận được tại anten thứ j

.

R  H X  n (1.27) Trong đó n là nhiễu tại máy thu và được mô tả bằng một ma trận cột có định dạng  nR 1  Đại lượng này cũng là một biến ngẫu nhiên phức phân bố Gaussian trung bình 0 (i.i.d) Ma trận hiệp phương sai của nhiễu máy thu như sau:

nn

R E nn (1.28)

Nếu không có tương quan giữa các thành phần của , ma trận hiệp phương sai nhiễu trở thành:

2

nn n R

R  I (1.30) Nếu chúng ta ký hiệu công suất tín hiệu ra của hệ thống MIMO là thì tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là:

2

Pr SNR



 (1.31)

Chúng ta giả thiết tổng công suất nhận được trên mỗi anten bằng công suất phát, SNR sẽ bằng tỷ số của công suất tổng và nhiễu trên mỗi anten nhận và nó không phụ thuộc vào số lượng anten thu n R, do đó nó được biểu diễn bằng công thức:

2

P SNR   (1.32)

Sử dụng (1.4) chúng ta có hiệp phương sai của tín hiệu nhận được như sau:

H

RR XX

R HR H (1.33) Trong hệ thống MIMO có một số thông số chúng ta cần chú ý:

 Thông số đặc trưng cho thông tin:

 Dung lượng kênh truyền,

 Dung lượng quá tải,

 Hệ số ghép kênh

 Các thông số đặc trưng cho tỷ lện lỗi:

 BER đối với SNR,

 Tỷ số phân tập

 Các thông số đặc trưng cho cấu trúc kênh MIMO

 Sự cân bằng giữa hệ số phân tập và tỷ số ghép kênh

-10 -5 0 5 10 15 20 0

5 10 15 20 25

Hình 1.7: Dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO

Hình trên là kết quả mô phỏng dung lượng của hệ thống thông tin MIMO dựa theo phương pháp waterfilling Qua đó, ta thấy ưu điểm về dung lượng của hệ thống MIMO Dựa trên mô phỏng ta thấy dung lượng của hệ thống tăng phụ thuộc vào số lượng anten thu và phát Khi số anten thu và phát càng cao, dung lượng của

hệ thống càng cao Tuy nhiên, khi áp dụng hệ thống MIMO chúng ta cần chú ý đến vấn đề tương quan giữa tín hiệu của các anten và kích thước của hệ thống khi sử dụng số lượng anten lớn

1.2.2 Hệ thống OFDM

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi song mang phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại Điều này cho phép đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ

Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống OFDM

Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0, D1,… D N-1, trong đó Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT:

Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A

để trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền

11

mà kỹ thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với các kỹ thuật trước là đơn sóng mang và

đa sóng mang không trực giao FDM

Qua bản chất của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy những ưu điểm và khuyết điểm của kỹ thuật này:

Hình 1.9: Phổ tín hiệu OFDM và FDM

• Ưu điểm của OFDM

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng cách cho phép chồng lấn những sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục dữ liệu Phù hợp thiết kế hệ thống băng rộng

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

- OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng Các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn

- Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ

- IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

Ngoài những ưu điểm thì kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế

• Nhược điểm:

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Đường bao biên

độ của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở cả phía phát và phía thu Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu trên năng lượng trung bình PARR cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng lẫn bức xạ ngoài băng

- Sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm hiệu suất sử dụng phổ do mang thông tin không có ích

- OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai

số đồng bộ OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM

Những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong tryền thông di động Những năm 1990 OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB

Hiện nay, kỹ thuật OFDM được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và

hệ thống thông tin di động thứ tư 4G Trong 4G, kỹ thuật OFDM sẽ được kết hợp với kỹ thuật đa anten thu phát MIMO nhằm nâng cao dụng lượng kênh thông tin vô tuyến, hay kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập

WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu

và cho phép các thuê bao truy nhập kênh Trong môi trường truyền dẫn đa đường, nhiễu xuyên kí tự ISI gây bởi tín hiệu phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ … là điều không tránh khỏi.Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường Còn OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên nhiều lần Bên cạnh đó, OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có thể đượcloại bỏ hoàn toàn OFDM mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề nhiễu lựa chọn tần số qua việc sử dụng tín hiệu dẫn đường pilot được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin

OFDM mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề nhiễu lựa chọn tần số qua việc sử dụng tín hiệu dẫn đường pilot được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin

Hình 1.10: Mô hình OFDM khi chèn pilot

Dữ liệu pilot giúp ta ước lượng và cân bằng kênh truyền Bên cạnh đó nó cũng giúp sửa lỗi sai pha tín hiệu và có thể sử dụng để thực hiện đồng bộ giữa bên phát và bên thu

D_f và D_t là những khoảng cách tương ứng về mặt tần số và thời gian chèn pilot Những giá trị này phải chọn thích hợp sao cho D_f phải nhỏ hơn độ sai lệch

về tần số cực đại của sự ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu Và D_t phải nhỏ hơn độ sai lệch về mặt thời gian mà kênh ảnh hưởng

1.2.3 Hệ thống MIMO – OFDM

NGUỒN

DỮ LIỆU MÃ KÊNHBỘ LẬP

BỘ ĐIỀU CHẾ SỐ

MÃ MIMO

GIẢI ĐIỀU CHẾ KÊNH

NtNr

1Nr Nt1

S / P

S / P

I F F T

I F F T

CP

CP

P / S

P / S

ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

BỘ GIẢI

MÃ MIMO

S / P

S / P

F F T

F F T

CP

CP

S / P

S / P

Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ thống MIMO – OFDM

Như chúng ta đã biết kĩ thuật lập mã không gian thời gian (STC – Space Time Coding) được sử dụng trong hệ thống thông tin không dây MIMO được đề xuất nhằm mục đích tăng tốc độ bit thực và làm suy giảm fading so với khi sử dụng

hệ thống anten đơn Đặc biệt hơn, hệ thống lập mã không gian thời gian trực giao (OSTBCs – Orthogonal Space Time Block Codes) mô tả một sự lựa chọn hấp dẫn

tạp thấp Sự kết hợp hệ thống MIMO với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Sự kết hợp này cho ta tận dụng cả ưu điểm của sự truyền dẫn đa anten và

đa sóng mang OFDM là phương thức điều chế trong đó các tín hiệu được phát đồng thời trên các sóng mang con khác nhau Hệ thống OFDM chia kênh lựa chọn tần số thành các đa kênh con, trong đó mỗi kênh con thể hiện các đặc tính fading phẳng Mỗi ký tự phát đi chiếm lĩnh một phần nhỏ của dải thông có sẵn Đáp ứng tần số trực giao và chồng chất lên nhau của các sóng mang con dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ Biến đổi Fourier ngược rời rạc tạo ra các ký tự OFDM Mã vòng (cyclic prefix) được chèn vào phía trước mỗi ký tự OFDM Mã vòng tạo nên khoảng bảo vệ xung quanh các ký tự OFDM riêng biệt, do đó nó cũng giảm được nhiễu xuyên ký tự Mã vòng là một bản copy của phần cuối cùng của ký hiệu OFDM Độ dài của ký tự OFDM lớn hơn độ trễ lớn nhất của kênh truyền Do đó, ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM) là một cách giải quyết vượt trội để chống lại hiện tượng fading lựa chọn tần số

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ KÊNH TRONG HỆ THỐNG OFDM, OFDMA

2.1 Đồng bộ trong OFDM

Đồng bộ là nhiệm vụ cơ bản của mỗi hệ thống thông tin số nói chung và hệ thống OFDM nói riêng Hệ thống OFDM có nhiều lợi ích trong việc sử dụng hiệu quả phổ tần nhờ tính trực giaocủa các sóng mang con và điều chế thích nghinhư đã trình bày Tuy nhiên chính những đặc điểm này lại làm cho hệ thốngsử dụng kỹ thuật OFDM đặc biệt dễ dàng bị ảnh hưởng lỗi do đồng bộ, lỗi vì sự sai lệch tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doopler khi di chuyển, gây ra nhiễu giao tần số ICI

Một hệ thống OFDM sẽ không thể thực hiện tốt nếu không có sự đồng bộ chính xác Như chúng ta đã biết, tín hiệu OFDM là tổng hợp của các sóng mang phụ trực giao với nhau, và ta chỉ có thể thu được tín hiệu chính xáckhi có các sóng mang

đó vẫn còn tính trực giao Các sóng mang này chỉ hoàn toàn trực giao khi bên phát

và bên thu sử dụng những tần số hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, bộ dao động ở bên phát và bên thu sẽ không thể hoạt động ở cùng một tần số như nhau được Hơn nữa với việc thực hiện truyền thông vô tuyến thì dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn thì các sóng mang con sẽ khó còn đảm bảo tính trực giao Ngoài ra, vì quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng kí tự không còn chính xác Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng

Vậy, nếu các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thuhoạt động chính xác thì khoảng dịch tần số sóng mangvà khoảng thời gian symbollà những yếu tố chính ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ Khoảng dịch tần số sóng mang gây ra nhiễu ICI và độ dịch khoảng thời gian gây ra nhiễu ISI

Tổng quát, một quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM sẽ phải qua 3 bước như hình 2.1:

- Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE: nhằm bù lại sự thay đổi về tần số ở phía thu

- Bám đuổi lỗi thặng dư FOE (Frequency Offset Estimation): sửa lỗi sai pha tín hiệu

Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM

Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân miền thời gian Để ước lượng khoảng dịch tần số, cần sử dụng mối tương quan trong miền thời gian của các symbol pilot hoặc các khoảng tiền tố lặp CP Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL)

2.1.1 Nhận biết khung

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các kí hiệu OFDM Bằng việc

sử dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một

sự định thời ổn định Ta giả sử luồng dữ liệu như hình bên dưới:

Hình 2.2 Nhận biết khung truyền

Ở đây có 2 điểm ta cần phải tìm ra để thực hiện kỹ thuật đồng bộ là điểm S

và điểm F Điểm S là điểm đầu của khung đầu tiên của luồng dữ liệu thu được

Nhận

biết

khung

Ƣớc lƣợng khoảng dịch tần

Trước điểm S là nhiễu của kênh vô tuyến do lúc này chưa phát dữ liệu Điểm F là điểm giáp ranh giữa các khung OFDM Do sự sai lệch xung dao động giữa bên phát

và bên thu và ảnh hưởng của nhiễu gây nên sự sai lệch về thời gian giữa 2 bên Để đảm bảo toàn vẹn dữ liệu thì cần phải đồng bộ nhiều lần trong khi phát và thu dữ liệu, tức tìm ra các điểm F

Để nhận biết khung, người ta sử dụng chuỗi PN (Pseudo Noise) miền thời gian được mã hóa vi phân Chuỗi PN được phát như là một phần đầu của symbol OFDM Loại chuỗi PN thường được sử dụng là chuỗi có độ dài (hay chu kỳ) cực đại còn gọi là m-sequence (chuỗi m) Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có cấu hình Fibonacci hay Galois (hai cấu hình này về mặt toán học thì tương đương nhau), được hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của thanh ghi tham gia hay không vào mạch hồi tiếp Đa thức sinh là một đa thức nguyên thủy (primitive polynomial), khi đó chuỗi chip lối ra sẽ là một chuỗi

PN có chu kỳ lặp lại lớn nhất, là N = 2m- 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi

Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dang thumb-nail Tức là khi chuỗi PN tính tương quan với một phiên bản của chính nó thì nếu 2 chuỗi này trùng khít nhau sẽ có giá trị tương quan đạt đỉnh (cực đại), còn nếu lệch pha nhau quá độ rộng 1 phần tử của chuỗi thì giá trị tương quan sẽ xấp xỉ 0 Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác Chuỗi

PN phía phát khi đồng bộ với phía thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan

Điểm mấu chốt là việc nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng khoảng dịch tần số nên sai lệch pha không được bù giữa các mẫu tín hiệu, khoảng dịch tần số sẽ phá vỡ tính tương quan chuỗi PN

Hình 2.3: Tương quan theo chuỗi PN

Ở đây, thuật toán để nhận biết đỉnh là sử dụng một bộ đệm có kích thước cố định, lưu các giá trị Metric định thời |M(g)| Ta nhận biết khung thành công khi - Phần tử trung tâm của bộ đệm là lớn nhất

- Tỷ lệ giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định Metric định thời M(g) được biểu diễn:

Trong đó, y(i): tín hiệu thu

g: khoảng dịch cửa sổ trượt

d(i): chuỗi PN dùng để thực hiện đồng bộ

N: chiều dài chuỗi PN

Do tính tương quan bị phá vỡ nên sự phân phối đỉnh tương quan có dạng Sin nên chuỗi PN được điều chế vi phân trên những tín hiệu lân cận Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và tính tương quan với chuỗi PN đã biết

2.1.2 Ƣớc lƣợng và bù khoảng dịch tần số FOE

Khoảng dịch tần số (FOE) là lỗi gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa

phía phát và phía thu Đây là vấn đề lớn nhất cần giải quyết trong khâu đồng bộ tín hiệu OFDM, bởi tín hiệu OFDM chỉ có thể thu được chính xác, tin cậy khi các song mang phụ vẫn đảm bảo tính trực giao với nhau

Ước lượng khoảng dịch tần số dựa vào những khoảng dữ liệu được phát đi giống nhau và với việc dựa tính chất của phép tương quan để ước lượng Ví dụ các pilot cách nhau đều đặn nếu chèn theo một quy luật cố định, các khoảng tiền tố lặp cách nhau đều đặn một khoảng thời gian T (bằng chiều dài symbol FFT) thì sẽ giống hệt nhau và chỉ khác nhau thừa số pha do chính sự sai lệch gây nên

( )

y l : mẫu tín hiệu thu

N: tổng số sóng mang phụ