Công nghệ OFDM và wimax và ứng dụng trong e learning

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAA Authentication Authorization & Account Nhận thức, cấp phép và lập tài khoản AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interfere

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Nga

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ OFDM 14

1.1 Tổng quan 14

1.1.1 Lịch sử phát triển 14

1.1.2 Cấu trúc, chức năng hệ thống OFDM 15

1.1.2.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song 15

1.1.2.2 Khối điều chế 15

1.1.2.3 Khối biến đổi Fourier ngược (IFFT) 15

1.1.2.4 Khối chèn khoảng bảo vệ 16

1.1.2.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến 16

1.1.2.6 Máy thu 16

1.1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 16

1.1.3.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới 16

1.1.3.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 17

1.1.4 Các hướng phát triển trong tương lai 17

1.2 Điều chế OFDM 17

1.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 18

1.2.2 Bộ điều chế OFDM 18

1.2.3 Chuỗi bảo vệ 21

1.2.4 Phép nhân với xung cơ bản 22

1.3 Giải điều chế OFDM 22

1.3.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường 22

1.3.2 Bộ giải điều chế OFDM 23

1.4 Mô phỏng hệ thống OFDM 24

1.5 Kỹ thuật MIMO 28

1.5.1 Mô hình hệ thống MIMO 28

1.5.2 Dung lượng hệ thống trong một số hệ thống sử dụng kỹ thuật MIMO 31

1.5.2.1 MIMO có kênh không được biết ở phía phát 31

1.5.2.2 MIMO có kênh được biết ở phía phát 31

1.5.2.3 Kênh xác định (các phần tử H được xác định trước) 32

1.5.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO 33

1.5.4 So sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 34

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ WIMAX 36

2.1 Khái niệm về WiMax 36

2.1.1 Công nghệ WiMax 36

2.1.2 Lợi ích của chuẩn WiMax 38

2.1.2.1 Đối với các nhà khai thác 38

2.1.2.2 Đối với khách hàng 38

2.1.2.3 Đối với các nhà sản xuất linh kiện 38

2.1.2.4 Đối với các nhà sản xuất thiết bị 38

2.2 Tiến trình phát triển và các chuẩn WiMax 39

2.2.1 IEEE 802.16-2001 39

2.2.2 IEEE 802.16a-2003 40

2.2.3 IEEE 802.16c-2002 42

2.2.4 IEEE 802.16-2004 42

2.2.5 IEEE 802.16e 43

2.3 Kiến trúc WiMax 43

2.3.1 Các lớp giao thức trong WiMax 43

2.3.2 Đặc tính kỹ thuật lớp MAC và lớp vật lý 45

2.3.2.1 Lớp MAC 45

2.3.2.2 Lớp vật lý 48

2.4 Triển khai thử nghiệm WiMax di động tại Huế của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam 54

2.4.1 Sơ đồ kết nối 54

2.4.2 Các thành phần chính trong hệ thống 55

2.4.2.1 Thiết bị đầu cuối 55

2.4.2.2 Base Station 55

2.4.2.3 WiMax Access Controller: 55

2.4.2.4 OMC-R/Client quản lý mạng cho phần BS và WAC: 56

2.4.2.5 Home Agent: 56

2.4.2.6 Domain Name Server/DHCP: 56

2.4.2.7 AAA Server 56

2.4.3.1 Truy cập internet không dây: 56

2.4.3.2 Ứng dụng Media Booth-IP Camera: 57

2.4.4 Đánh giá tổng thể về hệ thống WiMax Alcatel 57

2.4.4.1 Thiết bị đầu cuối 58

2.4.4.2 Phần Radio Access Network (RAN) 58

2.4.4.3 Phần mạng Core 58

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM & WIMAX TRONG 69

E-LEARNING 69

3.1 Tổng quan về e-learning 69

3.2 Các đặc điểm chung của e-Learning 70

3.2.1 E-Learning là một loại hình đào tạo năng động 70

3.2.2 E-Learning là hoạt động thực tế 70

3.2.3 E-learning là loại hình đào tạo mà học viên là chủ đạo 70

3.2.4 E-learning là một loại hình đào tạo mang tính cá nhân 71

3.2.5 E-learning là loại hình đào tạo tổng quát 71

3.2.6 E-learning là loại hình đào tạo hiệu quả 71

3.2.7 E-learning là loại hình đào tạo tiết kiệm thời gian 71

3.2.8 E-Learning là hình thức học có tính tương tác cao: 72

3.3 Tầm quan trọng của E-Learning 72

Dưới đây là 8 lí do khiến E-Learning là một cuộc cách mạng trong học tập 3.3.1 E-learning xóa bỏ khoảng cách địa lý: 73

3.3.2 E-learning chú trọng học đi đôi với thực hành: 73

3.3.3 Việc học trở lên sinh động và thú vị hơn với E-learning 73

3.3.4 Kết quả học tập E-learning được kiểm nghiệm 74

3.3.5 E-learning giúp người học chủ động 74

3.3.6 E-learning giúp người học tiến hành đồng thời trong khi làm việc 74

3.3.7 E-learning giúp việc học trở lên năng động hơn 74

3.3.8 E-learning giúp việc học trở lên tập trung hơn 75

3.4 E-learning có thể thay thế được cách học truyền thống không? 75

3.5 Cụ thể hoá các kiểu học tập E-learning trên cơ sở cách học truyền thống 76

Có rất nhiều kiểu học tập, trao đổi thông tin 3.5.1 Kiểu học tập: Một - Một 76

3.5.2 Kiểu học tập: Một – Nhiều 77

3.5.3 Kiểu học tập: Nhiều - Một 77

3.5.4 Kiểu học tập: Nhiều – Nhiều 78

3.6 Kiến trúc hệ thống E-learning 79

3.6.1 Hệ thống quản lý học tập và hệ thống quản lý nội dung học tập 81

3.6.1.1 Phân loại 81

3.6.1.2 Các tính năng chính 82

3.6.1.3 Khả năng ứng dụng trong e-Learning 82

3.6.1.4 Thuận lợi và khó khăn 82

3.6.1.5 Ví dụ thực tế 83

3.6.2 Các công cụ làm bài giảng 83

3.6.2.1 Công cụ tạo website 83

3.6.2.2 Công cụ soạn bài điện tử 85

3.6.2.3 Công cụ mô phỏng 87

3.6.2.4 Công cụ tạo bài thi 90

3.6.2.5 Công cụ chat 92

3.6.2.6 Công cụ tạo diễn đàn 94

3.6.2.7 Công cụ hội thảo trực tuyến 96

3.6.2.8 Công cụ tạo bài trình bày có multimedia 98

3.6.3 Chuẩn hóa bài giảng e-learning 100

3.6.3.1 Định nghĩa chuẩn 100

3.6.3.2 Tại sao phải chuẩn hóa? 101

3.6.3.3 Các chuẩn E-learning hiện có 102

3.7 Ứng dụng công nghệ OFDM & WiMax trong e-learning 108

3.7.1 Một số ứng dụng cụ thể trong E-Learning của giáo dục Việt Nam 108

3.7.1.1 Những chủ trương và giải pháp lớn 108

3.7.1.2 Một số hoạt động triển khai E-Learning 109

3.7.2 E-Learning cho học sinh phổ thông của một số quốc gia 114

3.7.3 Một số khó khăn khi triển khai E-Learning 115

3.7.3.1 Xây dựng nguồn tài nguyên bài giảng 115

3.7.3.2 Về phía người học 116

3.7.3.3 Cơ sở vật chất 116

3.7.3.4 Nhân lực phục vụ website E-learning 116

3.7.4 Đề xuất giải pháp 116

3.7.4.1 Về nhận thức 116

3.7.4.2 Tăng cường tập huấn 117

3.7.4.3 Online hóa trường học 117

3.7.4.4 Vai trò của người giáo viên 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

 Hoạt động mong muốn

f(x) Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x

F(x) Hàm phân phối tích lũy của x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAA Authentication Authorization &

Account

Nhận thức, cấp phép và lập tài khoản

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận

ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân

CCI Co Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

E-learning Electronic Learning Học tập điện tử

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược LCMS Learning Content Management

LSB Least Significant Bit Bit ít ý nghĩa nhất

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương

tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

MSB Most Significant Bit Bit nhiều ý nghĩa nhất

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp dịch vụ truy

nhập mạng

NNI Network Network Interface Giao diện mạng – mạng NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng OFDM Orthogonal Frequence Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao OFDMA Orthogonal Frequence Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất

PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp

PKM Privacy Key Management Quản lý khóa bảo mật

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa chuyển pha cầu phương SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SINR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng

tạp âm SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal to Noise Ration Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SSCS Specify Services Convergence

Sublayer

Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TDD Time Divesion Duplex Song công phân chia

UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết

hợp UNI User Network Interface Giao diện người sử dụng

mạng

ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không

WiMAX World Interoperability for

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thuộc tính và phiên bản của 802.16 40 Bảng 2.2 Mô tả giao diện không gian 53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống OFDM 15

Hình 1.2 Sự trực giao của tín hiệu OFDM 18

Hình 1.3 Bộ điều chế OFDM 19

Hình 1.4 Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 21

Hình 1.5 Mô hình kênh truyền dẫn 23

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM 23

Hình 1.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM 24

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM miền thời gian 26

Hình 1.9 Phổ tín hiệu OFDM trong miền tần số 26

Hình 1.10 Dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu 27

Hình 1.11 Tỉ lệ lỗi bit tương ứng với SNR trong trường hợp chỉ có nhiễu trắng (đường màu xanh) và có cả hiệu ứng đa đường (đường màu đỏ) 28

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống MIMO 29

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống SIMO 1xnr, yi(i=1,….,nr) là các giá trị đầu ra, h1j(j=1,…,nr) là các kênh con giữa các cặp thu phát 32

Hình 1.14 Hệ thống MISO ntx1, x1 và x2 là các tín hiệu đầu vào, y là tín hiệu đầu ra, h1,1 và h1,2 là đáp ứng xung kim của các kênh con giữa các cặp thu phát 32

Hình 1.15 Dung lượng kênh MIMO nxn, MISO nx1 và SIMO 1xn theo số anten n với SNR=0 [07] 34

Hình 2.1 Các lớp trong WiMax 44

Hình 2.2 Mô hình kết nối mạng WiMax di động tại Huế 54

Hình 2.3 Trang chủ media booth 57

Hình 2.4 Vùng phủ sóng dự kiến 59

Hình 2.5 Vùng phủ sóng thực tế tại viễn thông Huế 60

Hình 2.6 Vùng phủ sóng thực tế tại Huế Thành 62

Hình 2.7 Vùng phủ sóng thực tế tại Nam Giao 63

Hình 2.8 Vùng phủ sóng thực tế tại Phú Thượng 65

Hình 3.1 Đào tạo tổng quát của E-Learning 71

Hình 3.2 Mô hình học tập kết hợp BLENDED SOLUTION 76

Hình 3.3 Kiểu học tập một – một 77

Hình 3.4 Kiểu học tập một – nhiều 77

Hình 3.5 Kiểu học tập nhiều – một 78

Hình 3.6 Kiểu học tập nhiều – nhiều 78

Hình 3.7 Kiến trúc hệ thống E-learning 79

Hình 3.8 Phần mềm Macromedia Breeze 98

Hình 3.9 Chuẩn giữa học viên – người sản xuất khóa học trong hệ thống học tập 102

Hình 3.10 Chuẩn đóng gói 103

Hình 3.11 Trao đổi thông tin giữa hệ thống quản lý và đối tượng học tập 104

Hình 3.12 Hình thức học tập E-Learning qua điện thoại di động 110

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công nghệ không dây được đề cập đến nhiều

và được coi là một trong những giải pháp hữu hiệu cho nhiều loại hình mạng Mạng không dây là một trong những bước tiến lớn nhất của ngành truyền thông Mạng không dây sau đó tiếp tục được quan tâm hơn nhiều nhờ sự phổ biến mạnh mẽ của kết nối Internet băng rộng tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở thành phương thức dễ nhất để cho phép nhiều máy tính chia sẻ một đường truy cập băng rộng Công nghệ WiMax là một trong số các công nghệ đang được các nhà đầu tư nghiên cứu, phân tích và thương mại hóa

Công nghệ WiMax là công nghệ không dây băng thông rộng, được hỗ trợ bởi nền công nghiệp máy tính và viễn thông với chi phí thấp và được chuẩn hóa WiMax cung cấp những dịch vụ cố định và không dây mới nhất như: VOIP, Audio

và Video với chi phí thấp, vùng phủ sóng rộng lớn, tính năng vượt qua những nhà công nghệ hiện có như Wi-Fi hay 3G Ở Việt Nam, công nghệ WiMax đang được các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp rất quan tâm

Để làm chủ công nghệ cũng như triển khai ứng dụng rộng rãi WiMax ở Việt Nam cần phải nắm vững và hiểu biết sâu sắc bản chất công nghệ mà hệ thống sẽ sử dụng và biết rõ các ứng dụng mà WiMax mang lại đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục e-learning

Với lý do này và với sự định hướng, gợi ý của PGS TS Nguyễn Văn Khang tôi chọn đề tài: Công nghệ OFDM & WiMax và ứng dụng trong e-learning” Luận văn được chia thành ba chương với các vấn đề nghiên cứu sau đây:

- Chương 1: Công nghệ OFDM – Điều chế đa sóng mang trực giao

- Chương 2: Công nghệ WiMax

- Chương 3: Ứng dụng công nghệ OFDM & WiMax trong e-learning Luận văn đã được hoàn thiện sau một thời gian nghiên cứu, làm việc nghiêm túc và nỗ lực hết mình nhưng chắc chắn vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi xin cảm ơn và mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô

giáo, bạn bè và những ai quan tâm đến nhằm hoàn thiện hơn nữa luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Sư phạm Kỹ thuật và khoa Điện tử Viễn thông đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn cũng như truyền đạt những kiến thức bổ ích cho tôi trong suốt quá trình vừa qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Văn Khang,

người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình để luận được hoàn thành một cách tốt nhất

Cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn cổ vũ động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thời gian làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 03 năm 2012

Học viên: Nguyễn Thị Nga Lớp cao học SPKT Điện tử khóa 2009-2012

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Tổng quan

Trong những năm gần đây, các công nghệ không dây được đề cập đến nhiều

và được coi như là một trong những phương pháp hữu hiệu cho nhiều loại hình mạng

1.1.1 Lịch sử phát triển

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng

dụng với những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong

đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ đó OFDM chia dòng

dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Kỹ thuật OFDM do R.W.Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ [12] Trải qua hơn 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

1.1.2 Cấu trúc, chức năng hệ thống OFDM

Sơ đồ khối một hệ thống OFDM được minh họa theo hình sau:

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống OFDM

1.1.2.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song

Luồng số liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (điều chế QAM) và chuyển thành dạng song song Dữ liệu được phát song song bằng cách gắn mỗi từ cho 1 sóng mang để điều chế tín hiệu

1.1.2.2 Khối điều chế

Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hóa vi sai và điều chế mã M-QAM Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu được bổ sung vào đầu chuỗi Dữ liệu trên mỗi ký tự sau đó được gắn với một góc pha nhất định dựa theo phương thức điều chế Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên

độ không đổi và đơn giản để giảm các vấn đề biến đổi pha do fading

1.1.2.3 Khối biến đổi Fourier ngược (IFFT)

Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời gian tương ứng biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi

trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Trong trường hợp, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế

1.1.2.4 Khối chèn khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần, một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời ký hiệu nhờ tách sóng đường bao

Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh nhiễu đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 đến 1/4 thời gian ký tự, làm giảm SNR từ 0,5 đến 1dB

1.1.2.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát Mô hình cho phép điều khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường được

mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi

1.1.2.6 Máy thu

Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát

1.1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM

1.1.3.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới

Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới như:

- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting For

Terrestrial Transmission)

- Hệ thống phát thanh số đường dài DRM (Digital Radio Mondiale)

- Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber

Line)

- Các chuẩn IEEE 802.11a, IEEE 802.11g

- Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High

Pefomance Local Area NetWork type 2)

- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy nhập internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn WiMax)

1.1.3.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện nay đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HyperLAN/2, IEEE 802.11a và IEEE 802.11g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam Hiện tại, trong thông tin di động đã có một số công ty của Việt Nam thử nghiệm WiMax ứng dụng công nghệ OFDM như: VTC, VNPT, Viettel

1.1.4 Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện 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 các hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần thêm thời gian để kiểm chứng

1.2 Điều chế OFDM

Điều chế OFDM dựa trên cơ sở sự trực giao tín hiệu và được thực hiện thông qua bộ điều chế OFDM

1.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Trong hệ thống OFDM, trực giao nghĩa là mỗi sóng mang ở vị trí sao cho nó xuất hiện ở điểm tần số năng lượng Zero của tất cả các sóng mang khác

Hình 1.2 Sự trực giao của tín hiệu OFDM

Và hàm sin(x)/x để diễn tả cho đặc tính này, nó được sử dụng như là 1 sóng mang trong OFDM Để chắc chắn điều kiện trực giao thì vị trí không gian tần số

của các sóng mang phải cố định Trong thời gian tín hiệu hữu ích, mỗi sóng mang

trực giao với sóng mang khác từng đôi một Nếu lấy miền thời gian tín hiệu của 1 sóng mang là p nhân với miền thời gian tín hiệu của sóng mang khác là q (p≠q) và kết quả tích hợp quá thời gian tín hiệu hữu ích, kết quả sẽ là 0 Như trình bày trong các phần tiếp theo, OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ

ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc

độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau

1.2.2 Bộ điều chế OFDM

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể

Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân

do tích phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc của phép điều chế OFDM trong bộ điều chế OFDM hình 1.3

Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {ai} được chia thành NFFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n} lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {dk,n}, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/ song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK… Các mẫu tín hiệu phát {dk,n} lại được nhân với xung cơ sở g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông Sau khi nhân với xung cơ sở tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức j n s t

e  Phép nhân này làm

các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau như chứng minh ở trên Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau:

1.2.3 Chuỗi bảo vệ

Hình 1.4 Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts như hình 1.4 chuỗi bảo vệ

là 1 chuỗi tín hiệu có độ dài là Tg ở phía sau sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu này Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Giả thiết máy phát phát đi 1 khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Ts Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T=Ts+Tg Do hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, ta chỉ mô tả tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn, trong đó 1 tuyến truyền dẫn không có trễ, tuyến còn lại trễ so với tuyến đầu tiên là max Ở tuyến đầu tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều này là do ta đã giả sử rằng tuyến đầu tiên không có trễ truyền dẫn Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k một khoảng là max do trễ truyền dẫn Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là max Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này Trong trường hợp Tg≥max, thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Tskhông bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ

Chuỗi bảo

vệ

Phần tín hiệu có ích

trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là

a x

T  (1.4) Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ,

do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thống bị giảm đi một hệ

1.2.4 Phép nhân với xung cơ bản

Trong bất kỳ hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào, tín hiệu trước khi được truyền đi đều được nhân với xung cơ bản Mục đích của phép nhân này là giới hạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng cho phép của kênh truyền cho phép Trong trường hợp bề rộng của phổ tín hiệu phát lớn hơn bề rộng kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát này sẽ gây ra xuyên nhiễu kênh đối với các hệ thống khác

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản

là S’(t) Xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM Sau khi chèn chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản ký hiệu là S(t) có độ rộng là Ts+Tg

1.3 Giải điều chế OFDM

1.3.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường được biểu hiện về mặt toán học thông qua đáp ứng xung h(,t) và hàm truyền đạt H(j,t) Đối với đáp ứng xung h(,t), biến  ký hiệu là trễ truyền dẫn của kênh Trễ truyền dẫn là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu chuyển từ máy phát đến máy thu Biến t là thời gian tuyệt đối (hay

là thời điểm quan sát kênh)

Biến đổi Fourier của đáp ứng xung đối với biến  cho ta hàm truyền đạt của kênh:

 ,   ,  j

H j  t h  t e    d 

 

Để đơn giản hóa cho việc mô tả nguyên tắc điều chế, môi trường truyền dẫn

được giả thiết không có can nhiễu tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian

Noise) Mối liên hệ giữa tín hiệu phát m(t), tín hiệu thu u(t) và đáp ứng xung của

kênh h( ,t) được mô tả như ở hình (1.5)

Hình 1.5 Mô hình kênh truyền dẫn

Ở miền thời gian tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh

Với ký hiệu  là phép tích chập của hai tín hiệu

1.3.2 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM

Gi¶i ®iÒu chÕ

ejnwst

dx,n ©i,n

Gi¶i ®iÒu chÕ

u(t) m(t)

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như hình 1.6 Tín hiệu

đưa vào bộ giải điều chế u(t)

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế Gồm 4 bước:

- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

- Nhân với hàm số phức j n s t

e  (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng

mang về băng tần gốc như trước khi điều chế)

- Giải điều chế ở các sóng mang phụ

- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

Tín hiệu sau khi giải điều chế có thành phần can nhiễu liên kênh bị triệt tiêu trong trường kênh không thay đổi về thời gian trong một chu kỳ tín hiệu do các sóng mang trực giao với nhau

1.4 Mô phỏng hệ thống OFDM

Để hiểu rõ hơn hệ thống OFDM, ta tiến hành khảo sát việc mô phỏng hệ thống OFDM đơn giản dùng Matlab/Simulink Sơ đồ khối hệ thống OFDM đơn giản mô phỏng trên ngôn ngữ Matlab/Simulink 7.0 được trình bày trong hình 1.8

Hình 1.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM

Song song/nèi tiÕp

ChÌn kho¶ng b¶o vÖ Kªnh v«

tuyÕn T¸ch kho¶ng b¶o vÖ Nèi tiÕp/song song FFT

Song song/nèi tiÕp D÷ liÖu

- Nguồn tin: có thể là một chuỗi bit bất kỳ, sóng dạng sin, file văn bản

dạng.txt, hay file âm thanh dạng.wav

- Khối nối tiếp/song song: sẽ chuyển luồng bit sau mã hóa thành N luồng bit

song song (N=số sóng mang) được thể hiện dưới dạng ma trận (có số hàng là

symbol OFDM, số cột là số sóng mang)

- Khối IFFT: chuyển tín hiệu từ miền tần số về miền thời gian Đầu vào của

khối này là ma trận gồm các phần tử phức và liên hiệp của nó, sau khi đi qua khối IFFT sẽ chỉ có các phần thực được giữ lại Đầu ra của khối IFFT là một ma trận có

số hàng là số symbol, có số cột là kích thước FFT

- Khối song song/nối tiếp: Chuyển đổi các luồng bit song song thành một

luồng bit nối tiếp Quá trình này là việc chuyển ma trận đầu ra của khối IFFT về ma

trận có một hàng và có số cột là tích của số symbol với kích thước của FFT

- Chèn khoảng bảo vệ: tín hiệu sau khối song song/nối tiếp được chèn

khoảng bảo vệ ở đây là chuỗi bảo vệ Việc này được thực hiện bằng cách copy phần cuối của mỗi symol (có chiều dài FFT bit) một đoạn có chiều dài là bằng chiều dài của khoảng bảo vệ, rồi chèn đoạn copy này vào đầu symol để tạo thành một symbol mới có chiều dài là tổng của symbol cũ và khoảng bảo vệ Đầu ra của khối này là một ma trận có 1 hàng và có chiều dài là tích của số symbol với tổng của kích thước

FFT và khoảng bảo vệ

- Kênh truyền: tín hiệu sau khi qua khối chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa

thẳng vào kênh truyền Kênh truyền ở đây chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng và hiệu

ứng đa đường (một đường LOS và 2 đường NLOS)

Phía thu sẽ thực hiện các quá trình ngược lại: tách khoảng bảo vệ, chuyển luồng bit từ nối tiếp thành song song rồi đưa vào khối FFT, sau đó chuyển thành luồng bit nối tiếp, qua giải mã rồi khôi phục lại tín hiệu ban đầu Kết quả sẽ được so sánh với đầu vào ban đầu để tính toán số bit lỗi và tỉ số lỗi bit Hình 1.9 mô tả tín hiệu OFDM trong miền thời gian Tín hiệu OFDM vẽ cho 16 ký hiệu OFDM, mỗi

ký hiệu OFDM có 256 sóng mang con

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM miền thời gian

Còn phổ của tín hiệu OFDM vẽ cho 16 ký hiệu OFDM, mỗi ký hiệu OFDM

có 256 sóng mang con được minh họa trên hình 1.9

Hình 1.9 Phổ tín hiệu OFDM trong miền tần số

Ta có thể thấy, đáp ứng của kênh OFDM là không bằng phẳng, đây là nhược điểm chung của hệ thống OFDM Để giảm sự không bằng phẳng này thì người ta sử dụng nhiều sóng mang con, khi đó đáp ứng của kênh sẽ gần như bằng phẳng

Hình 1.10 Dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu

Hình 1.10 mô tả dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu Từ kết quả mô phỏng ta thấy các tín hiệu số sau khi qua bộ điều chế QPSK được điều chế thành các tín hiệu phức Dạng tín hiệu OFDM bên thu nhận được khác so với dạng tín hiệu OFDM bên phát là do kênh truyền có tạp âm trắng cộng (AWGN) AWGN làm cho tín hiệu thu được bị méo dạng đi

Để đánh giá thêm ưu việt của hệ thống OFDM, ta sẽ khảo sát việc mô phỏng

hệ thống trên kênh đa đường và nhiễu trắng

Các tham số của hệ thống như sau:

- Kích thước FFT: 128

- Số sóng mang con: 32

- Kích thước khoảng bảo vệ: 8

- Kênh đa đường: đường NLOS 1: trễ d1=6, suy hao a1=30%; đường NLOS 2: trễ d2=9, suy hao a2=0.25%; đường LOS

- SNR: 15dB

Hình 1.11 mô tả quan hệ giữa tỉ số SNR và BER khi chỉ xét kênh có nhiễu trắng và khi xét kênh có nhiễu trắng cũng như phân tập đa đường:

Hình 1.11 Tỉ lệ lỗi bit tương ứng với SNR trong trường hợp chỉ có nhiễu trắng

(đường màu xanh) và có cả hiệu ứng đa đường (đường màu đỏ)

Ta có thể nhận thấy tỉ lệ lỗi bit BER giảm khi SNR tăng và BER tăng thì SNR giảm Qua đây ta cũng thấy hệ thống OFDM có khả năng khắc phục hay chịu đựng tốt hiệu ứng đa đường

Truyền thông không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tạo ra yêu cầu cần phải nâng cao tốc độ và chất lượng truyền dẫn Trong khi đó, phổ tần và băng thông ngày càng bị hạn chế Thực tế có rất nhiều giải pháp, trong số các giải pháp

đó là kết hợp công nghệ OFDM – điều chế đa sóng mang trực giao kết hợp với đa anten phát – đa anten thu MIMO Chúng ta cùng đi nghiên cứu kỹ thuật MIMO

1.5 Kỹ thuật MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) là kỹ thuật với nhiều anten ở cả phía

phát và phía thu để cải thiện dung lượng và độ tin cậy của hệ thống mà không yêu cầu mở rộng băng tần và công suất tín hiệu Để hiểu rõ về vấn đề này, chúng ta nghiên cứu kỹ thuật MIMO Do giới hạn của luận văn, chúng ta không đi sâu nghiên cứu thực hiện các phân tích toán học và những kết quả được xem xét trong

cả trường hợp kênh xác định và kênh ngẫu nhiên

1.5.1 Mô hình hệ thống MIMO

Công nghệ MIMO khai thác kỹ thuật truyền dẫn đa đường để tăng thông lượng truyền tín hiệu Hệ thống MIMO bao gồm nhiều bộ phận thu và phát tín hiệu

Để khai thác hiệu quả các hệ thống MIMO, cần một môi trường bức xạ đa đường để tạo ra các kênh lan truyền độc lập Như vậy, sẽ tạo ra nhiều kênh con song song ở cùng tần số, điều này làm cho dung lượng hệ thống cao hơn mà không cần mở rộng băng tần

Ta xét hệ thống MIMO với nt anten phát và nr anten thu Sơ đồ hệ thống được thể hiện như sau:

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống MIMO

Ma trận phát là ma trận s gồm nt cột si là thành phần cột thứ i Giả thiết, tín hiệu phát trên mỗi anten có công suất như nhau và bằng Es/nt Ma trận hiệp phương sai cho tín hiệu phát này được thể hiện:

Với Es là công suất phát bất kể số anten nt và Int là một ma trận đồng nhất

ntxnt Độ rộng băng tần tín hiệu phát quá hẹp đến nỗi tần số đáp ứng của nó có thể xem như không thay đổi Ma trận kênh H là một ma trận phức nrxnt. Thành phần hijcủa ma trận là hệ số fading của anten phát thứ j tới anten thu thứ i Ta giả thiết, công suất thu của mỗi anten thu bằng tổng công suất phát E Điều này có nghĩa là ta mặc

nhiên bỏ qua suy hao tín hiệu, độ lợi anten… Bởi vậy, chúng ta đạt được sự chuẩn hóa cho thành phần của H, với một kênh định trước là:

 H

n n E n n

R  (1.10) Nếu ở đây không có tương quan giữa các thành phần của n, ma trận hiệp phương sai được biểu diễn như sau:

0

s

E N

  (1.12) Vectơ thu được thể hiện:

r  H s  n (1.13)

Ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu được định nghĩa là  H

1.5.2 Dung lượng hệ thống trong một số hệ thống sử dụng kỹ thuật MIMO

Dung lượng hệ thống được định nghĩa như tỷ lệ truyền dẫn tối đa có thể đạt được sao cho xác suất lỗi nhỏ bất kỳ Giả thiết kênh không được biết bởi phía phát

và chỉ biết ở phía thu Dung lượng kênh MIMO được xác định là:

1.5.2.1 MIMO có kênh không được biết ở phía phát

Nếu kênh không được biết ở phía phát, các tín hiệu độc lập và công suất phát được chia đều giữa các anten phát Khi đó dung lượng của kênh MIMO bằng tổng dung lượng của m kênh SISO, mỗi kênh có độ lợi công suất là 1 và công suất phát

Điều này có nghĩa rằng công nghệ đa anten ở phía phát và phía thu mở ra

nhiều đường dữ liệu vô hướng giữa phía phát và thu

1.5.2.2 MIMO có kênh được biết ở phía phát

Trong trường hợp phía phát có kiến thức về thông tin trạng thái kênh, nó có thể thực hiện phương pháp kết hợp tối ưu trong suốt quá trình gán công suất Trong

đó, công suất của các kênh được điều chỉnh dựa trên độ lợi của các kênh Các kênh

có độ lợi cao hơn sẽ được cấp nhiều công suất hơn Và trong trường hợp này, vì chỉ tập trung vào các kênh chất lượng tốt và bỏ qua các kênh xấu nên phương pháp này cung cấp dung lượng bằng hoặc lớn hơn dung lượng trong trường hợp kênh không được biết ở phía phát…

1.5.2.3 Kênh xác định (các phần tử H được xác định trước)

a Hệ thống SISO

Là trường hợp đặc biệt của hệ thống MIMO Hệ thống SIMO bao gồm một anten phát và nr anten thu Mô hình hệ thống được thể hiện như sau:

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống SIMO 1xn r , y i (i=1,….,n r ) là các giá trị đầu ra,

h 1j (j=1,…,n r ) là các kênh con giữa các cặp thu phát

Hệ thống được độ lợi phân tập là nr so với trường hợp hệ thống SISO Vì thế min( r, t) 1

m n n  nên dung lượng kênh SISO không thay đổi trong trường hợp kênh được biết ở phía phát

b Hệ thống MISO

Hệ thống MISO là hệ thống bao gồm nhiều anten phát và một anten thu, tức

là nr=1 Mô hình hệ thống được thể hiện như hình vẽ sau:

Hình 1.14 Hệ thống MISO n t x1, x 1 và x 2 là các tín hiệu đầu vào, y là tín hiệu đầu

ra, h 1,1 và h 1,2 là đáp ứng xung kim của các kênh con giữa các cặp thu phát

Dung lượng kênh MIMO nhỏ hơn dung lượng kênh SIMO và bằng kênh SISO Đây là trường hợp, khi kênh không được biết ở phía phát Lý do cho kết quả này là do có độ lợi dàn của phía phát và vì phía phát không biết được các tham số của kênh

Nếu kênh được biết ở phía phát, phía phát sẽ đánh giá đường truyền dẫn, điều này phụ thuộc vào hệ số kênh vì m=1 nên chỉ có một giá trị Như vậy, hệ thống đạt được độ lợi phân tập là nt so với trường hợp kênh SISO khi kênh được biết ở phía phát

Trong thực tế, ngoài kênh được xác định còn có trường hợp khi kênh được lựa chọn ngẫu nhiên Trong trường hợp này, dung lượng cũng thay đổi ngẫu nhiên

và để nghiên cứu về nó vì khuôn khổ luận văn không cho phép Chúng ta sẽ tìm hiểu trong tài liệu tham khảo

1.5.3 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO cung cấp các ưu điểm sau:

- Độ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, độ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ

sóng và cự ly Điều này có lợi cho các vùng xa xôi ít người khi có thể sử dụng ít BTS hơn Mặt khác, cũng có thể giảm công suất phát của các thiết bị đầu cuối nhờ tăng độ lợi của BTS thu

- Độ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động ngẫu

nhiên (hoặc yếu dần) Phân tập là một kỹ thuật mạch để truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số

và không gian để phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát Điều này sẽ làm giảm

tỉ lệ lỗi bit Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số Tuy nhiên, phân tập không gian được ưu thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn

- Độ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO đưa ra sự tăng tuyến tính của

dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten riêng biệt

- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số

trong kênh không dây Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để giảm giao thoa

- Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten được thực hiện ở đường

xuống và mỗi anten được điều khiển bởi 1 bộ khuyếch đại công suất với tốc độ tương đương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M)

Bên cạnh các ưu điểm, hệ thống MIMO cũng có một số nhược điểm đó là ảnh hưởng của các tham số vật lý đến dung lượng kênh MIMO cụ thể là ảnh hưởng của sự tương quan fading, ảnh hưởng của đường truyền trực tiếp LOS, …

Tuy nhiên, chúng ta vẫn không thể phủ nhận các ưu điểm của kỹ thuật MIMO Chúng ta cùng làm một phép so sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO

1.5.4 So sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO

Hình vẽ 1.15 cho thấy sự so sánh dung lượng các hệ thống MIMO nxn, MISO nx1 và SIMO 1xn

Hình 1.15 Dung lượng kênh MIMO nxn, MISO nx1 và SIMO 1xn theo số anten n

với SNR=0 [07]

Như vậy, dung lượng kênh MIMO và kênh SIMO tăng khi số anten tăng còn dung lượng kênh MISO không thay đổi khi số anten tăng

Kết luận

Công nghệ điều chế đa sóng mang trực giao OFDM có nhiều tính năng vượt trội so với điều chế đơn sóng mang truyền thống như khả năng thích hợp cho hệ thống tốc độ cao; khả năng thích hợp với các ứng dụng không dây cố định; tính hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn; khả năng chống fading đa đường và fading chọn lọc tần số Ngoài ra công nghệ này có thể loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các ký hiệu Đặc biệt OFDM có thể khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn Tuy nhiên OFDM không phải không có nhược điểm, đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng

bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch

pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số ICI (Inter Carrier Interference) mà kết quả là

phá bỏ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bit lỗi (BER) Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung

Kỹ thuật MIMO là một giải pháp cho phép tăng dung lượng hệ thống cũng như khả năng chống fading đa đường thông qua việc sử dụng nhiều anten song song cho phát và thu Những ưu điểm của hệ thống MIMO so với hệ thống SISO thông thường cũng như những yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống MIMO

Từ đó, cho thấy việc sử dụng và khai thác các hệ thống MIMO cho truyền thông không dây đang được rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ quan tâm và hứa hẹn nhiều triển vọng cho truyền thông băng rộng Công nghệ OFDM áp dụng kỹ thuật MIMO cung cấp những dịch vụ cố định và không dây mới như: VoIP, Audio, Video, … với chi phí thấp đang là xu hướng khai thác của các nhà mạng

Chương 2, ta sẽ đi nghiên cứu công nghệ OFDM áp dụng kỹ thuật MIMO -

hệ thống WiMax ở Việt Nam nói chung

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ WIMAX 2.1 Khái niệm về WiMax

2.1.1 Công nghệ WiMax

WiMax (World Interoperability for Microwave Access: khả năng khai thác

liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập viba dựa trên cơ sở hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16) có nhiều đặc điểm nổi trội hơn về tốc độ, phạm vi phủ sóng so với chuẩn kết nối không dây hiện nay là WiFi Không giống như WiFi chỉ có thể phủ sóng trong một khu vực nhỏ, WiMax có thể phủ sóng một vùng rộng hơn và đạt tốc độ cao hơn gấp nhiều lần Phiên bản 802.16a có triển vọng được sử dụng trong các kết nối không dây cố định, các phiên bản mới hơn được dự kiến cung cấp kết nối cho các thiết bị di động: máy tính xách tay và điện thoại di động Sử dụng WiMax về cơ bản sẽ mang lại khả năng kết nối không dây cho toàn bộ một thị trấn Giải pháp này giúp thu ngắn khoảng cách giữa vùng quê xa xôi hẻo lánh với những vùng thành thị hiện đại Dưới đây là một số tính năng có trong WiMax:

- Kiến trúc linh động (Flexible Architecture): WiMax hỗ trợ một nhiều kiến

trúc bao gồm điểm tới điểm (P2P), điểm tới đa điểm (PMP) Lớp MAC WiMax hỗ trợ cấu trúc PMP bởi việc lập lịch các khe thời gian cho các trạm thuê bao SS Nếu chỉ có một trạm SS trong mạng thì BS trao đổi với SS theo cơ cấu P2P Trạm BS trong cấu trúc P2P có thể sử dụng chùm anten hẹp hơn trong PMP để có được độ bao phủ rộng hơn

- Bảo mật cao (High Security): WiMax hỗ trợ cả hai thuật toán AES và

3DES Bằng cách mã hóa các liên kết giữa BS và SS, WiMax cung cấp cho các thuê bao sự bảo vệ an toàn qua giao diện không gian

- Chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service): WiMax hỗ trợ 4 dạng dịch

vụ UGS, RtPS, NrtPS, BE

+ Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (Unsolicited Grant Service): được thiết

kế cho các luồng dữ liệu thời gian thực có chiều dài cố định như các luồn T1/E1 hoặc VoIP Các gói tin được phát đi đều đặn theo chu kì Đặc điểm của loại dịch vụ này là dữ liệu loại này có tốc độ cao, độ ổn định lớn

+ Dịch vụ quay vòng thời gian thực RtPS (Realtime Polling Service): được

thiết kế cũng cho các luồng dữ liệu thời gian thực nhưng các gói tin có chiều dài thay đổi như MPEG video Loại dịch vụ này dữ liệu có tốc độ lớn, độ ưu tiên, độ ổn định cao

+ Dịch vụ quay vòng thời gian không thực NrtPS (Non realtime Polling

Service): được thiết kế cho các luồng dữ liệu có chiều dài thay đổi mà khả năng chịu

được độ trễ cao, tốc độ nhỏ Nó đặc biệt thích hợp cho các dịch vụ dữ liệu cơ bản

như FTP (File Transfer Protocol), Email

+ Nỗ lực cao nhất BE (Best Effort): được thiết kế cho các luồng dữ liệu mà

không có yêu cầu cụ thể về chất lượng dịch vụ, dữ liệu luôn được truyền trong khả năng tốt nhất

- Triển khai nhanh chóng (Quickly Deployment): So sánh với triển khai

mạng có dây thì WiMax yêu cầu cấu trúc đơn giản hơn nhiều Ví dụ, đào hố chôn cáp là không cần thiết Trong trường hợp việc triển khai một mạng WiMax chỉ mất

có vài giờ

- Dịch vụ đa cấp (Multi-Level Service): Thông thường, dựa trên sự đồng ý

mức dịch vụ SLA (Service Level Agreement) giữa nhà cung cấp dịch vụ và người

dùng cuối Xa hơn, một nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra các SLA khác nhau cho các thuê bao khác nhau hay thậm chí là cho các người dùng khác trong một SS

- Tính liên thông (Interoperability): WiMax xây dựng dựa trên chuẩn quốc

tế làm cho người dùng cuối dễ dàng tương thích trong các vùng địa lý khác nhau, các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Tính liên thông ngăn cản độc quyền bởi vậy người dùng có thể mua thết bị từ các nhà sản xuất khác nhau và từ đó giá thành thiết

bị sẽ giảm xuống

- Di động xách tay (Portability): Khi SS tham gia vào mạng SS tự động thiết

lập các liên kết với BS sau đó SS sẽ được đăng ký vào cơ sở dữ liệu của hệ thống

- Tính di động (Mobility): Chuẩn IEEE 802.16e được thêm các tính năng để

hỗ trợ khả năng di động

- Hiệu quả chi phí (Cost effect): WiMax là một chuẩn mở và do vậy giá cả

sản xuất chipset ngày càng giảm

- Bao phủ rộng (Wider Coverage): WiMax hỗ trợ nhiều mức điều chế bao

gồm: BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM Hệ thống WiMax có thể bao phủ một vùng địa lý rộng lớn nếu khoảng cách giữa BS và SS không có vật cản

- Tầm nhìn không thẳng (NLOS: Non Light Of Sight): WiMax hoạt động

dựa trên công nghệ OFDM mà có khả năng hoạt động không trong tầm nhìn thẳng

- Dung lượng cao (High Capacity): Sử dụng điều chế mức cao và độ rộng

kênh lớn giúp cho WiMax có thể cung cấp băng thông lớn tới người dùng

2.1.2 Lợi ích của chuẩn WiMax

2.1.2.1 Đối với các nhà khai thác

- Các hệ thống không dây giảm thiểu rủi ro trong việc đầu tư kinh doanh

- Giá thành thiết bị không dây ngày càng hạ, thúc đẩy cạnh tranh lành mạnh

và khuyến khích đổi mới

- Chi phí đầu tư ban đầu thấp, lợi nhuận mang lại gia tăng

- Không có sự độc quyền trong việc cung cấp thiết bị

2.1.2.2 Đối với khách hàng

- Giúp cho các khách hàng ở ngoài vùng mạng băng rộng được sử dụng các dịch vụ băng rộng

- Tăng thêm sự lựa chọn đối với các dịch vụ truy nhập băng rộng

- Tiết kiệm được nhiều chi phí khi triển khai, chi phí dịch vụ hàng tháng thấp

2.1.2.3 Đối với các nhà sản xuất linh kiện

- Tiêu chuẩn hóa tạo cơ hội lớn cho các nhà cung cấp silicon, các nhà sản xuất chipset

2.1.2.4 Đối với các nhà sản xuất thiết bị

- Tập trung vào chuyên môn hóa (ví dụ: trạm gốc hoặc thiết bị truy cập khách hàng) mà không cần sản xuất dàn trải cho mỗi thiết bị của toàn bộ tuyến hệ thống

- Trên cơ sở tiêu chuẩn xác định chung, thúc đẩy việc đổi mới, mở rộng thiết

IEEE802.16-2001 sử dụng điều chế đơn sóng mang trong dải tần 10-66GHz

và cho song công cả đường lên và đường xuống TDD và FDD Giản đồ điều chế có thể được dùng là QPSK, 16-QAM và 64-QAM Sự quan trọng của các giản đồ sửa lỗi và điều chế khác nhau là có thể dùng được trong mạng chịu nhiều điều kiện thời tiết khác nhau mà đó chính là nguồn gốc ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ QoS

(Quality of Service)

Trạm gốc BS tạo ra các bản đồ uplink và downlink mà sau đó được chia sẻ với tất cả các nút của mạng Các bản đồ này bao gồm thời gian truyền, khoảng thời gian và sự điều chế Các thuê bao chỉ cần tập trung vào trạm BS và không cần lắng nghe các nút khác của mạng Do sử dụng thuật toán lập lịch, mạng không phải chịu đựng tình trạng quá tải hoặc tình trạng vượt quá lượng thuê bao

SS có thể thương lượng để được cấp băng thông theo từng cụm Các SS có thể sử dụng các giản đồ điều chế khác nhau QPSK, 16-QAM và 64-QAM và các khung khác nhau cũng có thể dùng các giản đồ điều chế này Giản đồ điều chế thực hiện tính ổn định và chất lượng của kết nối

Tính năng quan trọng trong chuẩn 802.16-2001 là nó có khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau Một ID của luồng dịch vụ sẽ thực hiện kiểm soát QoS Các luồng dịch vụ được mô tả bởi các tham số QoS Các luồng dịch vụ có thể

được bắt nguồn từ một trong hai BS hoặc SS 802.16-2001 hoạt động trong tầm nhìn thẳng LOS

2.2.2 IEEE 802.16a-2003

Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10-66GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002, được công bố vào tháng 1/2003 và có nhiều sự thay đổi so với chuẩn 802.16-2001 trước đó Sự thay đổi quan trọng nhất là nó thêm vào tính năng hỗ trợ hoạt động trong tần số cấp phép 2-11GHz Tính năng này quan trọng là

vì sẽ có rất nhiều công nghệ hoạt động trong dải tần đó Tính năng quan trọng nhất

là IEEE 802.16-2003 hỗ trợ hoạt động trong tầm nhìn không thẳng NLOS Với tính năng này có thể mở rộng mạng hơn rất nhiều so với khi hoạt động trong chuẩn 802.16-2001 Trong chuẩn 802.16a-2003 cũng có nhiều sự thay đổi trong giản đồ điều chế Cùng với điều chế đơn sóng mang, QPSK, 16-QAM và 64-QAM thì OFDM cũng là một tùy chọn của chuẩn này Trong phạm vi tần số 2-11GHz thì có thể sử dụng OFDMA

IEEE 802.16a hỗ trợ thêm kiến trúc mạng Mesh Có nghĩa là: lưu lượng có thể được định tuyến từ SS này tới một SS khác Do vậy, nên trong lớp MAC có một vài sự thay đổi để có thể truyền dẫn từ SS đến SS

Bảng 2.1 Các thuộc tính và phiên bản của 802.16