Nghiên cứu kỹ thuật mimo OFDMA và ứng dụng trong thông tin di động tế bào

Nhưng đã có thể thấy trong tương lai không xa, một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông : - Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: Do giá thành ngày càng hạ, ngày càng có

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA

VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

HÀ NỘI – 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGÔ VĂN TÚC

NGÔ VĂN TÚC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA

VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO

HÀ NỘI - 2011

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ Khoa học này là do tôi nghiên cứu và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Đức Các kết quả tham khảo từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa học khác được trích dẫn đầy đủ Nếu có gì sai phạm về bản quyền, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

HỌC VIÊN

Ngô Văn Túc

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CƠ SỞ 13

1.1 Tình hình hệ thống thông tin di động hiện tại: 13

1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation): 13

1.1.2 Thế hệ 2G (Second Generation): 13

1.1.3 Thế hệ 3G (Third Generation): 14

1.1.4 Công nghệ 4G: 16

1.2 Các vấn đề cơ bản của kênh vô tuyến: 19

1.2.1 Suy hao đường truyền: 19

1.2.2 Hiện tượng Multipath-Fading: 20

1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng: 22

1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm: 26

1.2.5 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean[17]: 28

1.3 Các phương thức ghép kênh[4]: 30

1.3.1 Ghép kênh theo tần số FDM: 31

1.3.2 Ghép kênh theo thời gian TDM: 31

1.3.3 Ghép kênh theo mã CDM: 32

1.3.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM: 32

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây: 33

1.4.1 Hệ thống SISO: 34

1.4.2 Hệ thống SIMO: 34

1.4.3 Hệ thống MISO: 35

1.4.4 Hệ thống MIMO: 35

1.5 Kết luận chương: 36

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO 37

Trang 3

2.1 OFDM: 37

2.1.1 Sự phát triển của OFDM: 37

2.1.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM: 40

2.1.2.1 Sóng mang trực giao: 40

2.1.2.2 Mô hình hệ thống OFDM: 41

2.2 Hệ thống MIMO: 52

2.2.1 Kênh MIMO: 52

2.2.2 Các kỹ thuật phân tập tín hiệu: 54

2.2.2.1 Phân tập tần số: 55

2.2.2.2 Phân tập thời gian: 55

2.2.2.3 Phân tập không gian: 57

2.2.2.4 Các độ lợi trong hệ thống MIMO[19]: 58

2.2.3.Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO: 59

2.2.4 Mã hóa không gian - Thời gian STC: 63

2.2.4.1 Mã hóa không gian - Thời gian khối STB: 64

2.2.4.2 Mã hóa không gian - Thời gian lưới STTC: 66

2.2.4.3 Mã hóa không gian - Thời gian lớp BLAST: 69

2.5 Kết luận chương: 69

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 70

3.1 Hệ thống MIMO–OFDM: 71

3.1.1 Mô hình hệ thống MIMO–OFDM: 71

3.1.1.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti: 73

3.1.1.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST: 77

3.1.2 Dung lượng của hệ thống MIMO–OFDM: 80

3.2 Hệ thống MIMO-OFDMA: 81

3.2.1 Công nghệ đa truy nhập OFDMA: 81

3.2.1.1 Khái niệm: 82

3.2.1.2 Đặc điểm: 82

Trang 4

3.2.1.3 OFDMA nhảy tần: 84

3.2.2 Hệ thống OFDMA: 85

3.3 Ứng dụng MIMO-OFDMA trong thông tin di động tế bào: 86

3.3.1.Ứng dụng trong 4G LTE: 86

3.3.2 Hệ thống MCMC-CDMA: 91

3.4 Kết luận chương: 92

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG MIMO-OFDMA BẰNG MATLAB 93

4.1 Hệ thống thu phát SC-FDMA: 94

4.2 Mô phỏng hệ thống SCFDMA 10 user trong các trường hợp: cố định, di chuyển chậm (đi bộ), di chuyển nhanh (đi xe): 101

4.3 So sánh hệ thống SC-FDMA và MCMC-CDMA: 103

4.4 Kết luận chương: 105

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

Trang 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog-to-digital converter Chuyển đổi tương tự-số

Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

Kênh truyền có nhiễu trắng cộng

Đa truy nhập phân chia theo

mã

D-BLAST

Diagonal-Bell-Laboratories Layered Space-Time Code

DAC Digital-to-analog converter Chuyển đổi số- tương tự

FFT Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi Fourier nhanh

Trang 6

GSM

Global System for Mobile Communications

Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược

Không nằm trong tầm nhìn thẳng

Tỉ số công suất tương đối cực đại

QAM Quadrature Amplitute Modulation

SC-FDMA

Single Carrier Frequency Division Multiple Access

Trang 7

Mã khối không gian-thời gian

STMLD

Space-Time Maximum Likelihood Decoder

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

V-BLAST

Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 20

Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian 21

Hình 1.3: Đáp ứng tần số của kênh truyền 22

Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường 23

Hình 1.5: Kênh truyền thay đổi theo thời gian 26

Hình 1.6: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 30

Hình 1.7: Các phương thức ghép kênh 31

Hình 1.8: Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động 33

Hình 1.9: Phân loại hệ thống thông tin không dây 34

Hình 2.1: FDM truyền thống 37

Hình 2.2: Hệ thống thông tin đa sóng mang 38

Hình 2.3: Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM 39

Hình 2.4: Ba tín hiệu sin trực giao 40

Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 41

Hình 2.6: Bộ S/P và P/S 42

Hình 2.7: Bộ Mapper và Demapper 43

Hình 2.8: Bit và Symbol 43

Hình 2.9: Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK 44

Hình 2.10: Sơ đồ điều chế và giải điều chế DPSK 45

Hình 2.11: Giản đồ chòm sao QAM 46

Hình 2.12: Bộ IFFT và FFT 46

Hình 2.13: Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 47

Hình 2.14: Bộ A/D và D/A 49

Hình 2.15: Bộ Up-Converter và Down-Converter 50

Hình 2.16: Bộ Equalizer miền tần số 52

Hình 2.17: Mô hình trực quan của một hệ thống MIMO[2] 53

Hình 2.18: Mô hình kênh MIMO vô tuyến [2] 53

Trang 9

Hình 2.19: Phân tập theo thời gian 56

Hình 2.20: Các phương pháp phân tập 57

Hình 2.21: Kỹ thuật Beamforming 58

Hình 2.22: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 58

Hình 2.23: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 59

Hình 2.24: Mô hình tương đương của kênh truyền SISO [2] 60

Hình 2.25: Mô hình tương đương của kênh truyền MISO [2] 60

Hình 2.26: Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO [2] 61

Hình 2.27: Dung lượng kênh MIMO pha đinh Rayleigh [2] 63

Hình 2.28: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu [7] 64

Hình 2.29: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti [7] 65

Hình 2.30: Sơ đồ mã lưới 67

Hình 2.31: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 68

Hình 2.32: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 68

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO –OFDM [16] 71

Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ phát OFDM [16] 71

Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ thu OFDM [16] 72

Hình 3.4: Ma trận kênh truyền [7] 73

Hình 3.5: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti [2] 73

Hình 3.6: Máy thu MIMO - OFDM Alamouti [2] 74

Hình 3.7: Máy phát MIMO -OFDM VBLAST [15] 77

Hình 3.8: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST [15] 80

Hình 3.9: OFDM và OFDMA [9] 83

Hình 3.10: Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA [9] 83

Hình 3.11: Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian [9] 84

Hình 3.12: 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau [9] 85

Hình 3.13: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA [9] 85

Hình 3.14: Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA [9] 86

Trang 10

Hình 3.15: Kế hoạch đa truy nhập/ ghép kênh người dùng 87

Hình 3.16: Phân chia ghép kênh người dùng 87

Hình 3.17: Kế hoạch truyền Broadcast 88

Hình 3.18: Truyền broadcast và Unicast 89

Hình 3.19: Sơ đồ khối DFT-s-OFDM 90

Hình 3.20: Phương pháp phân phối sóng mang con cho nhiều thuê bao 91

Hình 4.1: Giao diện mô phỏng 93

Hình 4.2: Mô phỏng hệ thống thu phát SC-FDMA 94

Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống SC-FDMA 95

Hình 4.4: Tín hiệu phát tại A 96

Hình 4.5: Tín hiệu tại B 97

Hình 4.6: Tín hiệu tại C 97

Hình 4.7: Tín hiệu tại D 98

Hình 4.8: Tín hiệu tại E 98

Hình 4.9: Tín hiệu tại F 99

Hình 4.10: Tín hiệu tại G 99

Hình 4.11: Tín hiệu tại H 100

Hình 4.12: Tín hiệu tại I 100

Hình 4.13: Tín hiệu tại K 101

Hình 4.14: Tín hiệu thu tại L 101

Hình 4.15: So sánh hiệu suất hệ thống khi thuê bao thay đổi trạng thái 102

Hình 4.16: Kết quả mô phỏng 102

Hình 4.17: So sánh SC-FDMA với MCMC-CDMA 103

Hình 4.18: Kết quả so sánh SC-FDMA và MCMC-CDMA với M=16 104

Hình 4.19: Kết quả so sánh SC-FDMA và MCMC-CDMA với M=64 104

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai Một trong những giải pháp được đưa ra là

sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM

Nhu cầu về thông tin di động có xu hướng tăng rất nhanh cả về số lượng và chất lượng, vì cuộc sống của con người ngày càng bận rộn, phạm vi di chuyển rộng hơn Con người ngày càng đòi hỏi khắt khe hơn, đó là vừa đa dạng về dịch vụ như thoại hay data, vừa đòi hỏi băng thông rộng, tốc độ nhanh phục vụ cho nhu cầu công việc, học tập và giải trí… Hệ thống thông tin di động tế bào ra đời là một bước đột phá của loài người, nhưng từ đó công nghệ không ngừng thay đổi, cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Vòng đời công nghệ ngày càng được rút ngắn Trong khi đó, sự giới hạn về phổ tần số như đang chống lại trào lưu trên, không đủ khả năng để đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của con người Song song với việc thương mại hóa dịch vụ thông tin di động thế hệ thứ 3(3G), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4(4G) đã và đang được nghiên cứu hoàn thiện, và đang trong quá trình thử nghiệm, tiến tới thương mại hóa cung cấp dịch vụ trên diện rộng

Các chuẩn 4G và các bộ tiêu chuẩn 3G(3GPP và 3GPP2) đều chỉ ra công nghệ đa truy nhập phân chia tần số trực giao OFDMA là lựa chọn tối ưu cho việc truy nhập vô tuyến lớp vật lý với hai ưu điểm chính là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tránh nhiễu phân tập đa đường Một ưu điểm nổi bật khác của OFDMA

là khả năng kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu nhiều anten phát và anten thu (MIMO), cho phép cải thiện dung lượng của hệ thống Sự kết hợp của hai kỹ thuật này đã và đang dành được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và được đánh giá là xu hướng chủ đạo cho các hệ thống dữ liệu tốc độ cao trong tương lai

Trang 12

Đó chính là lý do vì sao em chọn đề tài này sau một thời gian dài học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Đức

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian vừa qua

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Học viên

Ngô Văn Túc

Trang 13

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.1 Tình hình hệ thống thông tin di động hiện tại:

1.1.1 Thế hệ 1G (First Generation):

Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần số FM với các đặc điểm:

- Phương thức truy nhập: FDMA

- Dịch vụ đơn thuần là thoại

- Dung lượng tăng

- Chất lượng thoại tốt hơn

Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: UMTS (dùng cả FDD lẫn TDD), CDMA2000 và TD-SCDMA:

- UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) sử dụng kỹ thuật đa truy cập WCDMA UMTS được chuẩn hoá bởi 3GPP UMTS là công nghệ 3G được lựa

chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps) Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps thôi Để cải tiến tốc độ dữ liệu của3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G

- HSDPA: Tăng tốc độ downlink (đường xuống, từ NodeB về người dùng di động) Tốc độ tối đa lý thuyết là 14,4Mbps, nhưng trong thực tế nó chỉ đạt tầm

1,8Mbps (hoặc tốt lắm là 3,6Mbps) Theo một báo cáo của GSA tháng 7 năm 2008,

207 mạng HSDPA đã và đang bắt đầu triển khai, trong đó 207 đã thương mại hoá ở

89 nước trên thế giới

- HSUPA: tăng tốc độ uplink (đường lên) và cải tiến QoS Kỹ thuật này cho

Trang 15

phép người dùng upload thông tin với tốc độ lên đến 5,8Mbps (lý thuyết) Cũng

trong cùng báo cáo trên của GSA, 51 nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động đã triển khai mạng HSUPA ở 35 nước và 17 nhà cung cấp mạng lên kế hoạch triển khai mạng HSUPA

- CDMA2000: Bao gồm CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission

Technology), CDMA2000 (Evolution-Data Optimized) và CDMA2000 EV-DV (Evolution-Data and Voice)

- CDMA2000 1xRTT: Chính thức được công nhận như là một công nghệ 3G, tuy nhiên nhiều người xem nó như là một công nghệ 2,75G đúng hơn là 3G Tốc độ

của 1xRTT có thể đạt đến 307Kbps, song hầu hết các mạng đã triển khai chỉ giới hạn tốc độ đỉnh là 144Kbps

- CDMA2000 EV-DO: Sử dụng một kênh dữ liệu 1,25MHz chuyên biệt và có thể cho tốc độ dữ liệu đến 2,4Mbps cho đường xuống và 153Kbps cho đường lên

1xEV-DO Rev A hỗ trợ truyền thông gói IP, tăng tốc độ đường xuống đến 3,1Mbps

và đặc biệt có thể đẩy tốc độ đường lên đến 1,2Mbps Bên cạnh đó, 1xEV-DO Rev

B cho phép nhà cung cấp mạng gộp đến 15 kênh 1,25MHz lại để truyền dữ liệu với tốc độ 73,5Mbps

- CDMA2000 EV-DV: Tích hợp thoại và dữ liệu trên cùng một kênh 1,25MHz CDMA2000 EV-DV cung cấp tốc độ đến 4,8Mbps cho đường xuống và

đến 307Kbps cho đường lên Tuy nhiên từ năm 2005, Qualcomm đã dừng vô thời hạn việc phát triển của 1xEV-DV vì đa phần các nhà cung cấp mạng CDMA như Verizon Wireless và Sprint đã chọn EV-DO

- TD-SCDMA là chuẩn di động được đề nghị bởi "China Communications Standards Association" và được ITU duyệt vào năm 1999 Đây là chuẩn 3G của

Trung Quốc TD-SCDMA dùng song công TDD TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps) Ngày xuất hành của TD-SCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần Nhiều thử nghiệm về công

nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây

Trang 16

1.1.4 Công nghệ 4G:

Nhu cầu đối với các hệ thống sau 3G

Khi nhìn vào tương lai, câu hỏi chính đặt ra cho các nhà cung cấp thiết bị mạng là khi nào và tại sao người dùng cần đến các mạng không dây sau 3G Mười mấy năm trước, điện thoại là ứng dụng đầu tiên được di động hóa Vài năm sau thì SMS trở thành ứng dụng truyền dữ liệu di động đầu tiên vào được thị trường đại chúng Đến nay thì những mạng điện thoại di động đơn giản nhất cũng có khả năng truyền SMS do bởi yêu cầu thấp về băng thông của nó Có thể xem SMS chính là dịch vụ tiên phong của những dịch vụ truyền dữ liệu khác như e-mail di động, duyệt Web di động và nhiều dịch vụ khác nữa Những ứng dụng như vậy trở thành hiện thực nhờ sự xuất hiện các mạng không dây truyền các gói dữ liệu theo giao thức IP Đến nay thì dung lượng các mạng 3G và 3.5G vẫn đủ cho yêu cầu về băng thông của các ứng dụng này và số lượng người dùng hiện có Nhưng đã có thể thấy trong tương lai không xa, một số xu hướng sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông :

- Mức độ sử dụng mạng không dây ngày càng tăng: Do giá thành ngày càng

hạ, ngày càng có nhiều người sử dụng các ứng dụng không dây cần truy cập internet

- Nội dung đa phương tiện: Tuy những nỗ lực đầu tiên di động hóa Web chỉ đạt được các trang Web chủ yếu là văn bản, nhưng nội dung đồ họa ngày càng trở nên phổ biến hơn Một hình ảnh có thể nói thay cho hàng ngàn từ ngữ, nhưng nó cũng làm tăng lượng dữ liệu cần được truyền đi cho mỗi trang Web Việc tải xuống

âm nhạc và phim ảnh cũng đang trở nên phổ biến hơn, làm tăng hơn nữa yêu cầu về băng thông

- Các mạng xã hội di động: Tương tự như trong Internet đường dây cố định, có một dòng ứng dụng mới đang thay đổi cách thức con người sử dụng Internet Trong quá khứ, người dùng chủ yếu chỉ tiêu thụ nội dung Ngày nay thì các blog, các website chia sẻ hình ảnh và các cổng truyền tải phim đang định hình lại Internet, bởi

vì người dùng không chỉ tiêu thụ nội dung nữa mà nay đã dùng mạng để chia sẻ những ý tưởng, hình ảnh và phim ảnh của họ với người khác

Trang 17

- Voice over IP: Thế giới thoại đường dây cố định đang nhanh chóng chuyển sang hướng VoIP Nhiều khả năng là chỉ khoảng năm năm nữa, nhiều mạng thoại đường dây cố định hiện nay sẽ chuyển hoàn toàn sang truyền thoại dựa trên IP Tương tự như vậy, về phương diện truy cập mạng, nhiều người dùng sẽ sử dụng VoIP như dịch vụ thoại chính của họ Hiện nay có thể thấy những động thái chuyển dịch này rồi, bởi vì thị trường thoại chuyển mạch kênh đang chịu áp lực ngày càng tăng do sự sụt giảm số lượng thuê bao và lưu lượng Kết quả là, nhiều nhà cung cấp dịch vụ thoại đường dây cố định không còn đầu tư vào công nghệ chuyển mạch kênh nữa Có thể quan sát thấy một xu hướng tương tự trong các mạng không dây Tuy nhiên, sự dịch chuyển ở đây chậm hơn nhiều, đặc biệt là do yêu cầu về băng thông cao hơn để truyền các cuộc thoại qua một đường truyền chuyển mạch gói

- Sự thay thế cho đường dây cố định: Trong khi lượng thông thoại ngày càng tăng thì doanh thu ngày càng giảm ở các mạng đường dây cố định lẫn không dây do cước thuê bao ngày càng giảm Vì vậy, ở nhiều nước, các nhà cung cấp dịch vụ không dây đang cố gắng giữ hoặc tăng doanh thu bình quân trên mỗi thuê bao bằng cách chào mời khả năng truy cập Internet cho máy PC, máy tính xách tay và các thiết bị di động trên các mạng UMTS/HSDPA hoặc CDMA của họ Như vậy là họ bắt đầu cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ DSL và cáp Muốn cạnh tranh thành công, họ cũng phải tăng thêm băng thông trên mạng của mình

Sự cạnh tranh từ những nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây khác: ở một

số nước, các nhà cung cấp dịch vụ khác đã và đang chào mời khả năng truy cập Internet không dây broadband bằng các mạng Wifi hoặc Wimax/802.16 Những nhà cung cấp như thế cạnh tranh trực tiếp với các nhà cung cấp dịch vụ UMTS và CDMA truyền thống vẫn đang hoạt động trong thị trường này

Một số công nghệ không dây hiện đang được xây dựng hoặc đang trong giai đoạn triển khai ban đầu, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tương lai này: LTE của 3GPP, HSPA+ và Wimax Câu hỏi đặt ra là trong bối cảnh như vậy, những công nghệ nào là 3G hiện nay, và công nghệ nào được xem là 4G trong tương lai ?

Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng

Trang 18

không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là IMT Advanced và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp 3GPP LTE

là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền

dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA

3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 3km/h, và đạt 30Mb/s khi di chuyển ở tốc độ cao 120km/h Tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HSDPA (truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao) Do công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng các dịch vụ nội dung có dung lượng lớn với độ phân giải cao ở cả điện thoại di động, máy tính bỏ túi PDA, điện thoại thông minh

Ưu điểm nổi bật:

- Dung lượng truyền trên kênh đường xuống có thể đạt 100 Mbps và trên kênh đường lên có thể đạt 50 Mbps

- Tăng tốc độ truyền trên cả người sử dụng và các mặt phẳng điều khiển

- Sẽ không còn chuyển mạch kênh Tất cả sẽ dựa trên IP VoIP sẽ dùng cho dich vụ thoại

- Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời Tuy nhiên mạng 3GPP LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai 3GPP LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

- OFDMA và MIMO được sử dụng trong 3G LTE thay vì CDMA như trong 3G

Trang 19

1.2 Các vấn đề cơ bản của kênh vô tuyến:

1.2.1 Suy hao đường truyền:

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được phát đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một

P R T T R

π

λ (1.1) Trong đó P R : Công suất tín hiệu thu được (W)

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2

L pt(dB) = P T(dB) −P R(dB)

=−10log10G T −10log10G R +20log10 f +20log10R−47.6dB (1.3) Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản) như các

Trang 20

tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện

về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:

R h

h G

G

L pt = − 10 log10 T − 10 log10 R − 20 log10 BS − 20 log10 MS − 40 log10 (1.4) Với h BS , h MS<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station)

1.2.2 Hiện tượng Multipath-Fading:

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên … và gây ra các hiên tượng sau:

a) Hiện tượng phản xạ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiên tượng nhiễu xạ

Hình 1.1: Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

- Phản xạ (reflection): Khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng(hình 1.1a)

- Tán xạ (scattering): Khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (hình 1.1b)

- Nhiễu xạ (diffraction): Khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.1c)

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật

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

và pha của các bản sao

- Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha

Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice

Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian

Hình 1.2 mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau, tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm xung kích thích khác nhau

Trang 22

1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng:

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không bằng phẳng trong một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số, hay kênh truyền phẳng; ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền

có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó

Hình 1.3: Đáp ứng tần số của kênh truyền Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng

Trên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định thông số của kênh truyền

Trang 23

Hình 1.4: Tín hiệu tới phía thu theo L đường Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1.4 (chưa tính đến nhiễu) có dạng

y

1

) (

)

Với αi = αi( t ) ∠ φi( t ): hệ số suy hao biên độ và xoay pha

τi = τi(t ): thời gian trễ có giá trị thực

Tổng quát tín hiệu tơi máy thu có dạng sau:

) , (

* ) ( )

, ( ).

( )

1

) ( ).

( )

2 2 1 1

* 2

1 2

f

Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1, t2, τ1, τ2) nên để đơn giản trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter)

WSS: quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào

) , ( ) , ( )

, , ,

( t1 t1 + ∆ t τ1 τ1 + ∆ τ = R ∆ t τ = P ∆ t τ1 δ τ1 − τ2

Với P h(∆t,τ1) là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)

Khi ∆t =0 , P h(τ)=P h(∆t,τ)được gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền Do đó công suất ra của tín hiệu được tính theo công thức:

2

) , ( )

,

Ta sẽ dùng công thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm

2

) ( )

, 0 ( )

Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số (∆f ) C tại đó tỉ số

)0(

)(

- Nếu kênh truyền có (∆f ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng

- Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường được dùng khi xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn trung bình TAEX ( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng τRMS (RMS delay spread) của kênh truyền

k k AEX

P

P T

L

k

k AEX k RMS

P

P T

1 1

2 ) (τ

Với Tk thời gian trễ của bản sao thứ k

Pk là công suất của bản sao thứ k

Trang 26

Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τRMS so sánh được với Tsymbol

1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm:

Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có thể được xây dựng thêm hay bị phá hủy đi… Hình 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi

tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian

Hình 1.5: Kênh truyền thay đổi theo thời gian

Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay kênh truyền biến đổi chậm; ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian, hay kênh truyền biến đổi nhanh Môi trường trong nhà ít thay đổi nên có thể xem là kênh truyền biến đổi chậm, môi trường ngoài trời thường xuyên thay đổi nên được xem là kênh truyền biến đổi nhanh Trong các cell di động, khi thuê bao MS

di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS theo thời gian, tức

là địa hình thay đổi liên tục Điều này có nghĩa là kênh truyền liên tục thay đổi theo

f = ± 0

Với f0 là tần số tại máy phát

v là vận tốc của thuê bao MS

c là vận tốc ánh sáng

MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại

Sau đây ta sẽ xét kỹ hơn các thông số xác định kênh truyền là kênh truyền biến đổi chậm hay kênh truyền biến đổi nhanh

Từ (1.13) nếu ∆ f =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô

tả tương quan giữa các khoảng thời gian ∆ t của kênh truyền

t f j H

Mọi kênh truyền đều có một khoảng thời gian (∆ t)C tại đó

) 0 (

) (

+ Nếu kênh truyền có (∆ t)C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự

Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel)

+ Nếu kênh truyền có (∆ t)C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự

Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không

Trang 28

chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel)

1.2.5 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean[17]:

Tùy theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS là đường

mà ánh sáng có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu và không bị cản trở) Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh được đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Rayleigh fading Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng NLOS (NonLight Of Sight) không đóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rice nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Ricean fading

Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng

y

1

) (

)

Các hệ số suy hao αi là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng:

) (

) ( ) ( )

) ( )

t

t tg

Nếu αr (t) và αi (t) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì:

e

a a

phương sai của quá trình Gauss

))(var(

))(var(

-

)(

)()

t

t tg t

r

i

α

α

ta có kênh truyền Rayleigh fading

Nếu αr (t) và αi (t) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì

α σ

0

)

2 2

2 2 0 2

Ae

A I a

α σ

0

)

2 2

2 2 0 2

Ae

A I a

2

1)

1.3.2 Ghép kênh theo thời gian TDM:

Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian TDM ra đời với hiệu suất sử dụng kênh truyền cao hơn Với TDM trục tần số được chia thành nhiều khe thời gian (time slot) Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng thời gian nhất định (hình 1.7b) Luồng bit tốc độ thấp của mỗi kênh sẽ được ghép lại thành một luồng bit tốc độ cao duy nhất, và đưa lên kênh truyền Do đó TDM cần

sự đồng bộ chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu TDM được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số

Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz được chia thành 125 kênh với băng thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM Mỗi kênh 200KHz này

Trang 32

được chia thành 8 khe thời gian sử dụng kĩ thuật TDM Mỗi user sẽ chiếm giữ một khe thời gian, do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyền tăng lên đáng kể

1.3.3 Ghép kênh theo mã CDM:

Trong kỹ ghép kênh theo mã CDM tất cả các kênh sẽ sử dụng đồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực giao Mỗi kênh sẽ được gán một mã nhất định (hình 1.7c) Dữ liệu của các kênh trước khi phát đi sẽ được nhân với một mã trải phổ để giãn phổ tín hiệu ra toàn băng thông, ở phía thu

dữ liệu sẽ được khôi phục bằng cách nhân lại với mã trải phổ tương ứng CDM là một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp đòi hỏi sự đồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật điều khiển công suất chính xác

1.3.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM:

OFDM là một kỹ thuật ghép kênh ra đời khá lâu, tương tự kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích do các dải bảo vệ này hoàn toàn không chứa đựng tin tức OFDM ra đời đã giải quyết vấn đề này, bằng các sử dụng tập tần

số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chộng lấn lên nhau (hình 1.7d), do đó không cần dải bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiêm băng thông hơn hẳn FDM

Kỹ thuật này sẽ được xem xét kỹ hơn trong chương 2

Trang 33

Hình 1.8: Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động Hình 1.8 cho ta thấy các ứng dụng của các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin di động, trong đó OFDM đang được nghiên cứu để ứng dụng vào hệ thống thông tin di động thứ tư

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây:

Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn

hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.9

1.4.2 Hệ thống SIMO:

Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, phía phát sử dụng một anten, phía thu

sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là

hệ thống SIMO Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu

từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật

1.4.4 Hệ thống MIMO:

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và

độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cức đại có thể xác định theo biểu thức 1.31

Trang 36

1.5 Kết luận chương:

Chương 1 đã trình bày tổng hợp về hệ thống thông tin di động từ khi bắt đầu

và phát triển đến ngày nay, cũng như xu hướng công nghệ cho tương lai Đồng thời chương 1 cũng trình bày những lý thuyết cơ sở cho việc nghiên cứu truy nhập vô tuyến cho các chương tiếp theo

Trang 37

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO

Lời giới thiệu

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật 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

Hệ thống MIMO được định nghĩa là tuyến thông tin điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

2.1 OFDM:

2.1.1 Sự phát triển của OFDM:

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua một đường dây điện thoại Mỗi kênh được xác định bằng một tần số trung tâm và các kênh được phân cách bởi các dải bảo vệ nhằm đảm bảo phổ của mỗi kênh không chồng lấn lên nhau Dải bảo vệ này

là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông trong FDM Hình 2.1 mô tả việc sử dụng băng thông trong hệ thống FDM

Hình 2.1: FDM truyền thống

Trang 38

Truyền dẫn đa sóng mang

Truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) là một dạng FDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng MC không được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song Dạng MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền con trực giao Sau đó, N luồng này điều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh và đưa lên kênh truyền Ở phía thu thì làm ngược lại là phân kênh, giải điều chế, và ghép các luồng dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như ban đầu N được chọn đủ lớn sao cho độ rộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền hoặc băng thông từng luồng nhỏ hơn coherence bandwidth của kênh truyền, nhằm đảm bảo các luồng con không bị ISI nghiêm trọng

n

f f

f1, 2, K

Hình 2.2: Hệ thống thông tin đa sóng mang

Kỹ thuật ghép kênh theo tần sồ trực giao OFDM

MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực giao nhau Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với nhau Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí null của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống Hình 2.3 cho thấy ưu thế của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả băng thông