Đánh giá hiệu năng các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống mimo ofdm

Bên cạnh đó, các kỹ thuật điều chế và ghép kênh ở đầu phát cũng được nghiên cứu và phát triển để truyền tín hiệu tốc độ cao và có khả năng chống chịu tốt với môi trường kênh truyền.. Các

Các bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồ Văn Khương

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày … tháng … năm… Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1988 Nơi sinh: Long An

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá hiệu năng các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO-OFDM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

+ Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến, đưa ra khái niệm, nguyên nhân và ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến đối với tín hiệu

+ Khảo sát kênh truyền MIMO và hệ thống OFDM Đưa ra phương trình của tín hiệu thu được trong hệ thống MIMO-OFDM

+ Tìm hiểu về các kỹ thuật tách sóng ZF, MMSE, ML và SD Tập trung chủ yếu vào phương pháp SD

+ Mô phỏng, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hệ thống, kênh truyền đến chất lượng hệ thống Từ đó, lựa chọn kỹ thuật tách sóng phù hợp với môi trường truyền nhằm nâng cao chất lượng mà vẫn cân bằng được với độ phức tạp thực hiện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồ Văn Khương

Tp HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2013

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS HỒ VĂN KHƯƠNG, thầy đã tận

tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô trong khoa Điện–Điện

tử Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, nhất là các thầy cô trong

bộ môn Viễn Thông đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 12 năm 2013

Học Viên

Trần Quang Thành

mastering these characteristics, errors in detection process can be minimized In addition, some modulation and multiplexing techniques applied to transmited signals have been studied and developed in order to maximize transmission rate and enhance robustness against severe fading Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) was proposed as a solution Moreover, the OFDM technique

is often combined with multiple-input multiple-output (MIMO) channel to improve channel capacity and communication reliability Therefore, MIMO-OFDM will be a promising technology for high data rate communications

However, the detection process at the receiver in MIMO-OFDM systems becomes complicated, dependent of the number of transmit antennas and the number of bits

in a symbol Two linear signal detection techniques, zero-forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE), as well as one non-linear signal detection technique sphere decoding (SD) are addressed in this thesis For the linear case, the detection is done simply by multiplying the received signals by the inverse channel matrix The inverse channel matrix is different for different techniques Meanwhile, the SD is more challenging The SD aims to limit solution space for maximum likelihood detection problem In other words, the SD is to find the closest lattice point to a given point inside the sphere This problem is equivalent to an integer least squares problem The sphere decoding algorithm is presented after geometric interpretation and tree representation

Matlab simulation results illustrate that SD technique’s symbol error rate (SER) performance is better than ZF and MMSE ones However, the choice of the modulation constellation size and the number of transmit antennas and receive antennas affects the quality of the detection process in MIMO-OFDM systems

được các đặc tính này sẽ giúp cho quá trình tách sóng hiệu quả và chính xác hơn Bên cạnh đó, các kỹ thuật điều chế và ghép kênh ở đầu phát cũng được nghiên cứu

và phát triển để truyền tín hiệu tốc độ cao và có khả năng chống chịu tốt với môi trường kênh truyền Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ra đời để giải quyết vấn đề trên Ngoài ra, OFDM thường kết hợp với kênh truyền đa anten phát đa anten thu (MIMO) để tăng dung lượng kênh truyền Do đó, MIMO-OFDM sẽ hứa hẹn là một công nghệ cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao

Tuy nhiên, quá trình tách sóng ở đầu thu trong hệ thống MIMO-OFDM trở nên rất phức tạp tùy vào số lượng anten phát và số bit trong một ký tự Luận văn này tập trung vào phân tích hai kỹ thuật tách sóng tuyến tính (ZF, MMSE) và một kỹ thuật tách sóng phi tuyến SD (tách sóng cầu) Quá trình thực hiện tách sóng tuyến tính khá đơn giản bằng cách nhân nghịch đảo ma trận kênh truyền với tín hiệu thu được

Ma trận nghịch đảo này khác nhau cho từng kỹ thuật Trong khi đó, kỹ thuật tách sóng cầu phức tạp hơn rất nhiều Phương pháp tách sóng cầu đi từ ý tưởng ban đầu

là giới hạn không gian tìm kiếm nghiệm cho phương trình tách sóng maximum likelihood Đó là bài toán tìm kiếm điểm nút lưới gần nhất với một nút lưới đã cho trước trong không gian cầu Bài toán này tương đương với bài toán tìm bình phương nhỏ nhất cho trường hợp số nguyên Giải thuật tách sóng cầu được đưa ra sau quá trình phân tích hình học và sơ đồ cây

Kết quả mô phỏng bằng chương trình Matlab cho thấy kỹ thuật tách sóng SD cho kết quả xác suất lỗi ký tự (SER) thấp hơn so với hai kỹ thuật tách sóng ZF và MMSE Tuy nhiên, việc lựa chọn kích thước chòm sao điều chế và số lượng anten phát, anten thu có ảnh hưởng đến chất lượng các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO-OFDM

nào đã có từ trước

ABSTRACT ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Lý do chọn đề tài 1

1.3 Mục đích nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 6

2.1 Hiện tượng đa đường 6

2.2 Hiệu ứng Doppler 8

2.3 Hiện tượng fading 9

2.3.1 Fading tầm rộng 9

2.3.2 Fading tầm hẹp 10

2.4 Các kiểu kênh truyền 14

2.4.1 Kênh truyền nhiễu trắng phân bố Gaussian (AWGN) 14

2.5 Nhiễu liên sóng mang ICI 17

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 19

3.1 Hệ thống MIMO 19

3.1.1 Giới thiệu hệ thống MIMO 19

3.1.2 Kênh truyền MIMO 19

3.1.3 Dung lượng kênh truyền MIMO 22

3.2 Hệ thống OFDM 23

3.2.1 Giới thiệu hệ thống OFDM 23

3.2.2 Tính trực giao trong OFDM 24

3.2.3 Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix (CP) 24

3.2.4 Ưu và nhược điểm của OFDM 25

3.2.5 Các thành phần chính trong hệ thống OFDM 26

3.3 Hệ thống MIMO-OFDM 30

CHƯƠNG 4: CÁC KỸ THUẬT TÁCH SÓNG 33

4.1 Kỹ thuật tách sóng tuyến tính 33

4.1.1 Kỹ thuật tách sóng ZF 33

4.1.2 Kỹ thuật tách sóng MMSE 34

4.2 Kỹ thuật tách sóng ML 34

4.3 Phương pháp Sphere Decoding (SD) 35

4.3.1 Giới thiệu 35

4.3.2 Bài toán tìm bình phương nhỏ nhất cho trường hợp số nguyên 35

4.3.3 Tách sóng cầu (Sphere Decoding) 39

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49

5.3 So sánh ba kỹ thuật tách sóng: ZF, MMSE, và SD 53

5.4 Thay đổi số đa đường 56

5.5 Thay đổi N trong biến đổi FFT 58

5.6 So sánh các hệ thống MIMO-OFDM với nhau 60

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

3GPP-LTE 3rd Generation Partnership Project - Long Term Evolution

ICI Inter-carrier Interference

IEEE Institude of Electrical and Electronics Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SM-MIMO Spatial Multiplexing Multiple-Input Multiple-Output

WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter

Hình 2.2: Phân loại kênh truyền fading 9

Hình 2.3: Trường hợp kênh truyền phẳng 12

Hình 2.4: Trường hợp kênh truyền chọn lọc tần số 13

Hình 3.1: Hệ thống MIMO 19

Hình 3.2: Hai loại MIMO: MIMO diversity và MIMO Spatial Multiplexing 20

Hình 3.3: Ký tự OFDM khi thêm vào CP 25

Hình 3.4: Chi tiết khối phát OFDM 27

Hình 3.5: Chi tiết khối thu OFDM 29

Hình 3.6: Hệ thống MIMO-OFDM 30

Hình 4.1: Biểu diễn hình học cho mắt lưới hình chữ nhật 36

Hình 4.2: Biểu diễn hình học cho bài toán tìm bình phương nhỏ nhất cho số nguyên 37

Hình 4.3: Biểu diễn hình học của phân tích QR 39

Hình 4.4: Biểu diễn hình học của hình tròn trong không gian 2 chiều 42

Hình 4.5: Sơ đồ cây tạo ra bởi tách sóng cầu trong không gian mắt lưới 2 chiều 42

Hình 5.1: So sánh SER mô phỏng dùng kỹ thuật tách sóng ZF trong một số phương pháp điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM 50

Hình 5.2: So sánh SER mô phỏng dùng kỹ thuật tách sóng MMSE trong một số phương pháp điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM 51

Hình 5.3: So sánh SER mô phỏng dùng kỹ thuật tách sóng SD trong một số phương pháp điều chế 4-QAM, 16-QAM và 64-QAM 52

trong phương pháp điều chế 16-QAM 54

Hình 5.6: So sánh SER mô phỏng dùng các kỹ thuật tách sóng ZF, MMSE và SD trong phương pháp điều chế 64-QAM 55

Hình 5.7: Ảnh hưởng của môi trường đa đường (thay đổi giá trị nTap=3,6,9) đến chất lượng các kỹ thuật tách sóng 57

Hình 5.8: Đáp ứng tần số của kênh truyền khi nTap=3, 6, 9 tại SNR = 10 57

Hình 5.9: Ảnh hưởng giá trị N-FFT đến chất lượng các kỹ thuật tách sóng 59

Hình 5.10: Đáp ứng tần số của kênh truyền khi N=32, 64, 128 tại SNR = 10 59

Hình 5.11: Xác suất lỗi ký tự SER của kỹ thuật tách sóng ZF trong hệ thống MIMO-OFDM 1x1, 2x2, 3x3 61

Hình 5.12: Xác suất lỗi ký tự SER của kỹ thuật tách sóng MMSE trong hệ thống MIMO-OFDM 1x1, 2x2, 3x3 63

Hình 5.13: Xác suất lỗi ký tự SER của kỹ thuật tách sóng SD trong hệ thống MIMO-OFDM 1x1, 2x2, 3x3 65

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu

Nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao trong thông tin vô tuyến là rất lớn Khi truyền dữ liệu ở tốc độ cao, thì băng thông của tín hiệu tăng lên Khi đó, tín hiệu truyền đi bị ảnh hưởng rất nhiều bởi fading chọn lọc tần số của kênh truyền Kỹ thuật OFDM ra đời để hạn chế vấn đề trên Nguyên lý hoạt động của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu ở tốc độ thấp hơn và được phát trên các sóng mang con trực giao nhau Vì tính trực giao của các sóng mang con, nên các sóng mang con này có thể chồng lấn lên các sóng mang con lân cận Nó dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông tăng lên Ngoài ra, do băng thông của các sóng mang này nhỏ nên làm hạn chế tối đa ảnh hưởng fading chọn lọc tần số của kênh truyền Bên cạnh đó, một khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào ký tự OFDM để hạn chế độ trải trễ đa đường của kênh truyền [1] Do đó, kỹ thuật OFDM có thể hạn chế tối đa nhiễu xuyên ký tự

Các nghiên cứu gần đây trong lý thuyết thông tin cho thấy dung lượng kênh truyền vô tuyến trong hệ thống thông tin MIMO có thể tăng tuyến tính với số lượng

ít nhất của anten phát và anten thu bằng phương pháp ghép kênh không gian (spatial multiplexing) [2, 3] Tuy nhiên, MIMO sẽ chủ yếu được dùng trong hệ thống băng thông rộng mà sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều bởi fading chọn lọc tần số hay nói cách khác là nhiễu xuyên ký tự (ISI) [4, 5] Do đó, MIMO thường được kết hợp với kỹ thuật OFDM để khắc phục hạn chế trên [6]

MIMO-OFDM là một kỹ thuật dùng để kết hợp ưu điểm của kỹ thuật OFDM trên kênh truyền MIMO MIMO-OFDM đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển Nó hứa hẹn sẽ mang đến những giải pháp đột phá cho quá trình truyền dữ liệu tốc độ cao

1.2 Lý do chọn đề tài

Mặc dù kỹ thuật OFDM trên kênh truyền MIMO có nhiều ưu điểm để truyền

dữ liệu ở tốc độ cao với độ tin cậy cao, tuy nhiên ở đầu thu, các kỹ thuật tách sóng thường rất phức tạp tùy vào số lượng anten phát và số bit trong một ký tự [7, 8] Tùy trường hợp, các phương pháp loại nhiễu (phương pháp tách sóng) khác nhau được sử dụng để loại nhiễu ra khỏi tín hiệu thu được để thu được tín hiệu gần đúng nhất với tín hiệu được phát đi

Một số kỹ thuật tách sóng cơ bản có thể áp dụng trong hệ thống OFDM Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra là lựa chọn kỹ thuật tách sóng nào phù hợp cho các ứng dụng khác nhau, trong các trường hợp khác nhau? Thông thường, mức

MIMO-độ phức tạp khi lựa chọn các kỹ thuật tách sóng thường được xem xét đến Bên cạnh đó, chất lượng tin cậy của thông tin thu được sau khi thực hiện tách sóng (tỷ lệ lỗi ký tự SER) cũng được cân nhắc

Do đó, có một nhu cầu là cần phải đánh giá các ưu và nhược điểm của các kỹ thuật tách sóng này trong hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp khác nhau

để đưa ra những giải pháp phù hợp nhất cho các ứng dụng cần thiết Ngoài ra, trên

cơ sở đánh giá các ưu và nhược điểm của các kỹ thuật tách sóng hiện hữu, luận văn

có thể đề xuất giải pháp mới nhằm khắc phục khuyết điểm đó

1.3 Mục đích nghiên cứu

Mặc dù hai kỹ thuật tách sóng ZF và MMSE có mức độ phức tạp khi thực hiện thấp nhưng chất lượng tách sóng của chúng không được cao Trong một số trường hợp (chẳng hạn khi SNR là nhỏ), thì xác suất lỗi ký tự trong quá trình tách sóng của ZF và MMSE là không thể chấp nhận được Có một vài giải pháp để khắc phục vấn đề trên Thay thế hai phương pháp tách sóng ZF và MMSE bằng một phương pháp tách sóng tốt hơn, maximum likelihood (ML), là một trong những giải pháp đó Tuy nhiên, kỹ thuật tách sóng ML có nhược điểm là thời gian tìm kiếm lâu

do đó tiêu thụ nhiều năng lượng trong quá trình tách sóng Phương pháp tách sóng cầu (SD) ra đời để khắc phục nhược điểm đó của ML nhưng mức độ phức tạp khi

thực hiện SD rất cao Do đó, việc lựa chọn các phương pháp tách sóng ở đầu thu rất quan trọng nhằm để đảm bảo sự cân bằng giữa chất lượng hệ thống và độ phức tạp thực hiện của các phương pháp đó

1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Một trong những ứng dụng của MIMO-OFDM là WLAN (Wireless Local Area Networks) hay Wifi WLAN dựa vào hệ tiêu chuẩn IEEE 802.11 Với tiêu chuẩn IEEE 802.11n, công nghệ WLAN dựa vào MIMO-OFDM được phát triển tiên phong bởi Airgo Networks làm gia tăng đáng kể hiệu suất trong cả phạm vi và tốc độ so với WLAN thông thường Kết quả hiệu suất cho thấy thông lượng có thể đạt được trên 100Mbps, gấp khoảng 4 lần so với thông lượng lớn nhất có thể đạt được khi sử dụng IEEE 802.11a/g [9, 10, 11]

Ngoài ra một ứng dụng khác của MIMO-OFDM được biết đến là WiMAX WiMAX được quy định bởi hệ tiêu chuẩn IEEE 802.16 Nếu tiêu chuẩn 802.11 chủ yếu được sử dụng trong các mạng LAN nhỏ thì tiêu chuẩn 802.16 được thiết kế như

là một phương tiện để truy cập mạng không dây băng thông rộng trên một phạm vi rộng như là một giải pháp thay thế cho dây dẫn và các kết nối DSL [12] Đầu năm

2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di chuyển, đạt được tiêu chuẩn thế hệ di động 4G [13,14] Một công nghệ khác đang cạnh tranh với Mobile WiMAX cho thế hệ di động 4G là 3GPP LTE cũng phát triển dựa vào

MIMO-OFDM [15, 16, 17]

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số lên hệ thống MIMO-OFDM

+ Các kỹ thuật tách sóng ở đầu thu trong hệ thống MIMO-OFDM : Zero Forcing, Minimum Mean Square Error, Sphere Decoding

+ Mô phỏng và đánh giá các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống OFDM dựa vào SER

MIMO-1.6 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sử dụng trong quá trình nghiên cứu bao gồm: Phân tích, tổng hợp,

mô phỏng và so sánh

Phân tích: phân tích các kỹ thuật tách sóng cơ bản có thể được sử dụng

trong hệ thống MIMO-OFDM như là Zero Forcing, MMSE, Maximum Likelihood, Sphere Decoding Các kỹ thuật tách sóng này sẽ được phân tích từ các nguồn tài liệu khác nhau nhưng chủ yếu vẫn là các bài báo từ IEEE Các biểu thức toán học, phương trình mô tả, biểu diễn cho các quá trình tách sóng sẽ phải được phân tích cẩn thận và chi tiết

Tổng hợp: tổng hợp các kiến thức thu được trong quá trình phân tích để bảo

đảm rằng có thể hiểu và nắm bắt được cách hoạt động của các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MIMO-OFDM trong kênh truyền fading chọn lọc tần số Từ đó, mối quan hệ giữa các hệ số trong biểu thức và phương trình tách sóng với các tính chất của kênh truyền, hệ thống có thể được suy luận ra Các thông số đó khi thay đổi sẽ

có tác động như thế nào lên hệ thống?

Mô phỏng: dựa vào phần mềm Matlab để mô phỏng và kiểm tra lại mối

quan hệ của các tham số trong phương trình, biểu thức tách sóng với các tính chất của kênh truyền, hệ thống Sau đó, xem xét mức độ ảnh hưởng lên hệ thống khi các tham số thay đổi

So sánh: so sánh kết quả mô phỏng của từng kỹ thuật tách sóng Sau đó nhận

xét về ưu và khuyết điểm của từng loại tách sóng Từ đó, lựa chọn kỹ thuật tách sóng phù hợp với ứng dụng đang khảo sát, nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa chất

lượng và mức độ thực hiện

1.7 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm 6 chương:

Chương 1: Mở đầu

Giới thiệu về đề tài, lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu,

ý nghĩa thực tiễn của đề tài và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

Trình bày các kiến thức cơ bản về kênh truyền vô tuyến như hiện tượng đa đường, hiện tượng fading và các kiểu kênh truyền thường gặp

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Thực hiện mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM trong kênh truyền chọn lọc tần số bằng phần mềm Matlab Đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng hệ thống, qua đó rút ra nhận xét và đưa ra hướng chọn thông số và kỹ thuật tách sóng phù hợp

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Kênh truyền đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin Thông thường, kênh truyền được chia làm hai loại: kênh truyền vô tuyến và kênh truyền hữu tuyến Không như kênh truyền hữu tuyến, kênh truyền vô tuyến rất phức tạp trong việc phân tích vì tính chất ngẫu nhiên của nó Do đó, tín hiệu nhận được tại đầu thu cũng

có tính chất ngẫu nhiên Điều này làm cho quá trình tách sóng trở nên phức tạp Tuy nhiên, nếu có thể biết được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến, quá trình tách sóng có thể trở nên đơn giản hơn và chính xác hơn

2.1 Hiện tượng đa đường

Hiện tượng đa đường (multipath) là hiện tượng khi một tín hiệu phát truyền qua kênh truyền đến anten thu bởi hai hay nhiều đường Các nguyên nhân ảnh hưởng đến hiện tượng đa đường có thể do:

+ Phản xạ (reflection): là hiện tượng xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một bề mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng của tín hiệu RF đó

+ Nhiễu xạ (diffraction): là hiện tượng xảy ra khi đường truyền sóng giữa đầu phát và đầu thu bị cản trở bởi một vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng của tín hiệu RF đó

+ Tán xạ (scattering): là hiện tượng xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào mặt phẳng lớn, không bằng phẳng hoặc mặt phẳng có kích thước so sánh với bước sóng của tín hiệu RF đó làm cho năng lượng bị tán xạ hoặc phản xạ ra tất cả các hướng Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường là sự giao thoa tăng hay giao thoa giảm tùy thuộc vào pha của các bản sao của tín hiệu phát tại anten thu Giao thoa giảm sẽ dẫn tới hiện tượng fading Khi đó, nếu mà biên độ của các tín hiệu đến bởi các đường khác nhau có phân bố Rayleigh thì được gọi là kênh truyền fading Rayleigh Ngược lại, nếu biên độ của các tín hiệu đến trên các đường khác nhau có phân bố Rician thì được gọi là kênh truyền Rician fading

Mô hình toán học của hiện tượng đa đường có thể được biễu diễn bằng phương pháp đáp ứng xung được dùng trong hệ thống tuyến tính Giả sử rằng một xung Dirac lý tưởng được phát đi qua kênh truyền tại thời điểm không:

)()(t t

Tại nơi nhận, phương trình tín hiệu nhận do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường:

)()

()

()(

2

l L

l

L l l l

f j

a h

với:

+ h() : đáp ứng xung của kênh

+ l: chỉ số của tuyến truyền dẫn

+ : biến trễ truyền dẫn

+ l : trễ truyền dẫn tương ứng với tuyến l

+ L : số tuyến truyền dẫn

Trong kênh truyền đa đường, tín hiệu trên mỗi đường này có thời gian trễ và độ lợi khác nhau không đáng kể Khi đó, thời gian trễ lớn nhất giữa các đường này được gọi là trải trễ cực đại (delay spread) Trải trễ cực đại là thông số quan trọng trong kênh truyền vô tuyến Thông thường, nó là khoảng thời gian khác nhau giữa thành phần đường đi ngắn nhất (là một đường LOS) và thành phần đường đi dài nhất Khái niệm về thông tin trễ công suất (power delay profile hay multipath delay profile hay multipath intensity profile) đặc trưng cho công suất trung bình của tín hiệu sau khi đi qua kênh truyền đa đường, được tính theo hàm của thời gian trễ

2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler được gây ra bởi chuyển động tương đối giữa các thành phần trong hệ thống thông tin Ngoài sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, khi các vật thể trong kênh truyền chuyển động, chúng cũng có thể gây ra hiệu ứng Doppler Hiện tượng Doppler làm cho phổ của tín hiệu thu bị xê dịch đi một khoảng được gọi là tần số Doppler Để minh họa hiện tượng này, một ví dụ khi MS (Mobile Station) nhận tín hiệu từ BS (Base Station) di chuyển từ điểm A đến điểm

B có khoảng cách d [18] như hình 2.1

Hình 2.1: Hiệu ứng Doppler trên thiết bị di động

Khi đó, công thức tính tần số Doppler như sau:

+ v: vận tốc di chuyển của MS

+ c: bước sóng sóng mang của hệ thống

+ : góc hợp bởi đường truyền tín hiệu với phương chuyển động

Công thức trên cho thấy tần số Doppler là một hàm phụ thuộc vào vận tốc di chuyển tương đối của MS và góc  của hướng di chuyển của MS với hướng đến của các sóng tới Ngoài ra, khi MS di chuyển ra xa BS, thì tần số Doppler là âm Ngược lại, khi MS di chuyển về hướng BS, thì tần số Doppler là dương.Khi  0, tần số Doppler sẽ lớn nhất

c m

v f





2.3 Hiện tượng fading

Fading là một hiện tượng phổ biến trong thông tin vô tuyến Thông thường fading được chia làm 2 loại: fading tầm rộng (large scale fading) và fading tầm hẹp (small

scale fading) như hình 2.2

Hình 2.2: Phân loại kênh truyền fading

2.3.1 Fading tầm rộng

Fading tầm rộng bao gồm độ suy hao kênh truyền (path loss) hoặc sự suy yếu công suất trung bình của tín hiệu do việc truyền tín hiệu trong một khu vực rộng lớn

Độ suy hao kênh truyền: là các trường hợp mất công suất của sóng điện từ khi nó

được truyền đi qua không gian Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến suy hao đường truyền như các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Ngoài ra, độ suy hao kênh truyền còn ảnh hưởng bởi môi trường truyền sóng (không khí ẩm hay khô), khoảng cách giữa nơi thu và nơi phát, độ cao và vị trí của các anten Trong môi trường không gian tự

do (free space), công suất thu được tại anten thu được tính như sau:

L d

G G P d

r 2 2

2

)4()(

+ G : độ lợi anten thu r

+ L : hệ số suy hao của kênh truyền

+  : bước sóng

Shadowing là hiện tượng khi các vật cản lớn như đồi núi hay những tòa nhà lớn che

khuất đi đường truyền tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu làm cho biên độ của tín hiệu

bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách rộng lớn và tốc độ thay đổi chậm

2.3.2 Fading tầm hẹp

Fading tầm hẹp nói đến sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha của tín hiệu do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa đầu phát và đầu

thu tín hiệu Fading tầm hẹp bị ảnh hưởng bởi hai thông số - sự trải trễ và tính chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền Trong hệ thống di động, kênh truyền thường xuyên bị biến đổi theo thời gian do sự di chuyển của bên phát và bên thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Fading tầm hẹp gây ra bởi hiện tượng đa đường do quá trình kết hợp nhiều bản sao các tín hiệu truyền với các độ trễ khác nhau ở phía nhận Công thức biển diễn của

+ hc(t): độ lợi tổng hợp của kênh truyền tại thời điểm t

+ ak : độ lợi đường thứ k

+ k : độ trễ truyền dẫn được chuẩn hóa tương ứng với đường thứ k

+ 0 : độ trễ truyền dẫn được chuẩn hóa tương ứng với đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight)

+   k  k 0: độ lệch thời gian giữa đường thứ k so với đường LOS

Từ phương trình trên, những tín hiệu phản xạ bị trễ được cộng vào tín hiệu chính, làm cho hoặc là tăng cường độ mạnh của tín hiệu hoặc là mức tín hiệu quá nhỏ và gần như mất tín hiệu

Theo định nghĩa của fading tầm hẹp trên, tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền

và băng thông của tín hiệu, độ trải trễ hoặc thời gian ổn định của kênh truyền (coherence time) và chu kỳ ký tự của tín hiệu, kênh truyền được phân ra thành các nhóm như sau:

+ Kênh truyền chọc lọc tần số (frequency selective) và kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency non-selective)

+ Kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading) và kênh truyền biến đổi chậm (slow fading)

Kênh truyền chọc lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Tín hiệu từ nơi phát đi qua nhiều đường khác nhau đến đầu thu nên thời gian đến phía thu không giống nhau mà có những khoảng thời gian trễ, làm cho đáp ứng xung của kênh truyền kéo dài Trong miền tần số, tần phổ của kênh truyền phụ thuộc theo thời gian trễ này Khái niệm băng thông ổn định (coherence bandwidth) xuất hiện để chỉ đến một khoảng tần số mà đáp ứng tần số của kênh truyền là gần giống nhau tại mọi tần số Băng thông ổn định được tính theo công thức của trải trễ

đa đường Tm:

1

c m

f T

 

(2.6) Nếu băng thông của tín hiệu nhỏ hơn băng thông ổn định f c của kênh truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền fading không chọn lọc tần số

Hình 2.3: Trường hợp kênh truyền phẳng

Trên hình 2.3, băng thông ổn định f ccủa kênh truyền lớn hơn so với băng thông W của tín hiệu Do đó, mọi thành phần tần số của tín hiệu bị tác động cùng một mức

gần như nhau Vì thế, kênh truyền này là kênh truyền không chọn lọc tần số hay kênh truyền fading phẳng (flat fading)

Nếu kênh truyền có băng thông ổn định f c nhỏ hơn so với băng thông của tín hiệu, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền fading chọn lọc tần số

Hình 2.4: Trường hợp kênh truyền chọn lọc tần số

Trên hình 2.4, băng thông ổn định f ccủa kênh truyền nhỏ hơn so với băng thông

W của tín hiệu Do đó, những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi qua kênh truyền sẽ bị méo do có sự suy hao và dịch pha khác nhau Vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số

Kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading) và kênh truyền biến đổi chậm (slow fading)

Khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, hiện tượng Doppler xảy ra Nó làm cho phổ tần số của tín hiệu nhận bị dịch chuyển Sự dịch chuyển tần

số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống OFDM Ngoài ra, sự dịch chuyển tần số của phổ tần tín hiệu đồng nghĩa với sự thay đổi của đáp ứng kênh truyền trong miền thời gian Nếu hiệu ứng Doppler làm mức dịch chuyển phổ tần của tín hiệu nhỏ thì tương ứng với sự thay đổi của kênh truyền diễn ra tương đối chậm và ngược lại Khái niệm thời gian ổn định của kênh truyền (coherence time) xuất hiện để chỉ đến khoảng thời gian mà kênh truyền không thay

đổi hay thay đổi không đáng kể Mối quan hệ giữa coherence time và tần số Doppler được tính như sau [19]:

m m

c

f f

Nếu kênh truyền có coherence time t c lớn hơn so với thời gian của một ký tự T s

của tín hiệu, kênh truyền đó được gọi là kênh truyền fading không chọn lọc thời gian (time non-selective fading ) hay kênh truyền fading chậm

Nếu kênh truyền có coherence time t c nhỏ hơn so với thời gian của một ký tự T s

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

2.4 Các kiểu kênh truyền

Trong thông tin vô tuyến, có ba kiểu kênh truyền thường được sử dụng: kênh truyền AWGN, kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rician

2.4.1 Kênh truyền nhiễu trắng phân bố Gaussian (AWGN)

Kênh truyền AWGN là loại kênh truyền phổ biến có mặt trong hầu hết các hệ thống Nhiễu nhiệt là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu AWGN tác động đến kênh truyền dẫn

Do đó, nó thường được sử dụng khi mô phỏng một kênh truyền mặc dù còn một nhiễu khác như nhiễu liên ký tự (ISI) Một thông số nữa cũng rất quan trọng trong kênh truyền AWGN đó là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Nhiễu cộng trắng có phân

bố Gaussian N(0,2)với trung bình 0 và phương sai 2:

)2

exp(

2

1)

(2.8)

2.4.2 Kênh truyền phân bố Rayleigh

Khi tín hiệu thu được là tổng của các thành phần tín hiệu tán xạ (NLOS) nhưng không có thành phần của tín hiệu truyền thẳng (LOS), đường bao của tín hiệu thu thường có phân bố Rayleigh

Xét một tín hiệu truyền đi x(t), tín hiệu tại bộ thu có dạng:

)()

(1

i L

i

i x t t

)()()

(t 2 t a2 t

(2.11)

)(

)()

t

t tg t

kê theo hàm Gaussian có giá trị trung bình bằng 0 a(t) có đặc tính thống kê theo

hàm phân bố Rayleigh :

2 2 2 2)



a

a a p



với 2 là phương sai của quá trình ngẫu nhiên Gauss

Trong khi đó, góc pha có phân bố đều trong khoảng 0,2

2.4.3 Kênh truyền phân bố Rician

Kênh truyền Rician là kênh truyền mà có cả thành phần tín hiệu truyền thẳng (LOS)

và thành phần tín hiệu bị tán xạ (NLOS) Tín hiệu thu được là các thành phần đa đường ngẫu nhiên với các góc khác nhau xếp chồng lên tín hiệu truyền thẳng Tín hiệu truyền thẳng với công suất lớn kết hợp với thành phần đa đường (có công suất yếu hơn) tạo thành phân bố Rician rất rõ Khi thành phần tín hiệu truyền thẳng bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp của các thành phần đa đường sẽ có dạng như phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố Rayleigh là một trường hợp đặc biệt của phân bố Rician khi thành phần tín hiệu truyền thẳng bị suy yếu hay mất đi

Xét một tín hiệu truyền đi x(t), tín hiệu tại bộ thu có dạng:

)()

(1

i L

i

i x t t

trong đó:

+ L: số đa đường

+ i : thời gian trễ của đường thứ i

+ i: là hệ số suy hao dạng phức có dạng như sau:

))()()

)()()

(t 2 t a2 t

(2.16)

)(

)()

t

t tg t

Trong các công thức trên, r (t) và j (t)là các quá trình ngẫu nhiên độc lập thống

kê theo hàm Gaussian có giá trị trung bình khác 0 a(t) có đặc tính thống kê theo

hàm phân bố Rician:

,)()

2 2 2 2 0 2







A a

e

aA I

a a p

0

cos 0

2

1)(

(2.19)

Ngoài ra, phân bố Rician thường được đặc trưng bởi thông số k, được định nghĩa là

tỷ số giữa công suất đường truyền sóng thẳng và công suất thành phần tán xạ:

2 2

2

A

(2.20)

với k được gọi là hệ số Rician Khi k = 0, tương ứng với A = 0, thành phần tín hiệu

truyền thẳng bị suy giảm về biên độ, phân bố Rician trở thành phân bố Rayleigh Khi k, tương đương với mẫu gần bằng không, kênh truyền sẽ giống như kênh truyền AWGN [20]

2.5 Nhiễu liên sóng mang ICI

Nhiễu ICI là một hiện tượng phổ biến trong hệ thống OFDM Nhiễu sóng mang ICI

là hiện tượng mà khi tín hiệu thu trên một sóng mang con nào đó không những phụ thuộc vào tín hiệu được phát đi tại sóng mang con đó mà còn phụ thuộc vào các tín hiệu phát trên các sóng mang con khác Các nguyên nhân dẫn đến nhiễu ICI thường

do kênh truyền thay đổi theo thời gian, đặc biệt là ở kênh truyền fading nhanh Hiệu

ứng Doppler trên gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, dẫn đến tính mất trực giao giữa chúng Nhiễu ISI của các ký tự OFDM cũng có thể dẫn đến nhiễu ICI Ngoài

ra, sự đồng bộ tần số giữa đầu phát và đầu thu có thể giúp tránh được nhiễu ICI

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 3.1 Hệ thống MIMO

3.1.1 Giới thiệu hệ thống MIMO

MIMO được phát triển tiên phong bởi Jack Winters tại Bell Laboratories (phòng thí nghiệm Bell) trong một bài báo vào năm 1984 MIMO là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu nhằm để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu Vì ưu điểm này mà MIMO được áp dụng cho rất nhiều ứng dụng thực tế Các chuẩn Wi-Fi như 802.11n, 802.11a sử dụng công nghệ MIMO trong các router vô tuyến có khả năng cải thiện độ truyền dữ liệu, tầm phủ sóng và độ tin cậy

Hình 3.1: Hệ thống MIMO

3.1.2 Kênh truyền MIMO

Kênh truyền MIMO có thể được chia thành 2 nhóm:

+ Kênh truyền MIMO dùng kỹ thuật phân tập (diversity)

+ Kênh truyền MIMO dùng kỹ thuật hợp kênh không gian (Spatial Multiplexing-SM)

Với kỹ thuật phân tập, cùng một tín hiệu được phát trên nhiều anten phát và do đó làm tăng mức độ phân tạp của hệ thống Kỹ thuật phân tập dùng để giảm sự ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của sự truyền dẫn mà không cần

tăng công suất phát hay băng thông Kỹ thuật phân tập đòi hỏi nhiều bản sao tín hiệu tại bộ thu Ý nghĩa cơ bản của sự phân tập là nếu có hai hay nhiều mẫu tín hiệu độc lập được phát, những tín hiệu này sẽ suy giảm theo những cách không giống nhau, có những tín hiệu sẽ suy hao nghiêm trọng trong khi các tín hiệu khác lại suy giảm không đáng kể Điều đó có nghĩa rằng xác suất để tất cả tín hiệu đồng thời dưới mức ngưỡng là thấp hơn nhiều so với xác suất tín hiệu riêng biệt thấp hơn ngưỡng Vì thế, một sự kết hợp chính xác của những mẫu khác biệt sẽ cho kết quả tốt trong việc làm giảm thiểu fading sâu và cải thiện độ tin cậy

Với kỹ thuật Spatial Multiplexing, mỗi anten phát sẽ truyền đồng thời một luồng các tín hiệu khác nhau Dễ dàng thấy rằng, kỹ thuật SM làm cho tốc độ truyền dữ liệu tăng lên nhưng đã làm mất đi độ lợi phân tập như khi dùng kỹ thuật phân tập

Hình 3.2: Hai loại MIMO: MIMO diversity và MIMO Spatial Multiplexing

Giả sử kênh truyền MIMO có N anten phát và T N anten thu Trong trường hợp R

tổng quát, khi kênh truyền có trải trễ đa đường và thay đổi theo thời gian (thường xảy ra trong hệ thống di động) Ma trận kênh truyền có dạng như sau:

,()

,(

),()

,()

,(

),()

,()

,()

,(

2 1

2 22

21

1 12

11

t h

t h t h

t h t

h t h

t h t

h t h t H

T R R

R

T T

N N N

N

N N

+ h : hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ j và anten nhận thứ i ij

+ : biến trễ

+ t : biến thời gian

Mỗi hệ số kênh truyền là một hàm không những của thời gian t vì tính chất di động

của thiết bị mà còn còn là khoảng thời gian trễ so với các đường khác

Nếu tín hiệu truyền đi là x j (t), j = 1,…, N và tín hiệu thu được là T y i (t), i = 1,…,

j ij

j ij

i t h t x t d h t x y

)(

*),()

(),()

trong đó: i = 1,2,…, N R

Biểu thức (3.2) có thể viết lại dưới dạng ma trận:

)(

*),()(t H t x t

T T

N N N

N

N N

h h

h

h h

h

h h

h H

2 22

21

1 12

11

(3.5)

Trong trường hợp này, biểu thức (3.4) có thể được rút gọn đơn giản hơn:

)()(t Hx t

Biểu thức (3.6) mô tả mối quan hệ vào ra qua một kênh truyền fading phẳng và biến đổi thời gian chậm Đây được xem như là mô hình truyền dẫn tín hiệu đơn giản nhất trong hệ thống MIMO

3.1.3 Dung lượng kênh truyền MIMO

Dung lượng của hệ thống được định nghĩa là tốc độ truyền tín hiệu cao nhất có thể với điều kiện là xác suất lỗi ở mức có thể chấp nhận được Talatar và Foschini, trong các bài báo của họ đã khẳng định rằng trong hệ thống MIMO, dung lượng hệ thống tăng tuyến tính với số lượng anten phát và anten thu [21, 22]

Khi băng thông tín hiệu phát là hẹp đủ để đáp ứng tần số của nó là phẳng, có thể xem như tín hiệu truyền qua kênh truyền fading phẳng Giả sử rằng hệ thống MIMO

log

) (

H xx T N

N R

N

SNR I

C

R T

+ C: dung lượng kênh truyền (bit/s/Hz)

+ R xx : ma trận tự tương quan của x

Khi đầu phát không có được thông tin kênh truyền và giả sử rằng các tín hiệu phát

từ mỗi anten có công suất bằng nhau Khi đó, R xx trở thành ma trận đơn vị và dung lượng kênh truyền có thể được viết lại như sau:

)det(

T

N HH N

SNR I

C

R 

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền so với mô hình đơn anten phát

và đơn anten thu truyền thống Dung lượng tăng lênh này có thể dùng chỉ để nâng cao tốc độ truyền tin hay cải thiện độ tin cậy của quá trình truyền tin Tùy vào mục đích sử dụng, hai kỹ thuật này cũng có thể kết hợp lại với nhau

3.2 Hệ thống OFDM

3.2.1 Giới thiệu hệ thống OFDM

Ý tưởng về kỹ thuật OFDM đầu tiên được đưa ra vào những năm 1970 Tuy nhiên, chỉ trong mười lăm năm gần đây, OFDM mới được nghiên cứu và phát triển để đưa đến nhiều ứng dụng trong viễn thông Một số công nghệ như LTE, WiMAX, Wi-Fi

sử dụng nó như là một kỹ thuật nền tảng Nó là một vừa là một kỹ thuật điều chế vừa là một kỹ thuật ghép kênh được dùng chủ yếu trong hệ thống vô tuyến băng thông rộng Nó cho thấy được khả năng truyền tốc độ cao và giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của môi trường kênh truyền

Ý tưởng cơ bản về hoạt động của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn, được phát đồng thời trên các sóng

mang con trực giao nhau Trong hệ thống truyền dữ liệu song song cổ điển, các tín hiệu này được điều chế theo kỹ thuật đa sóng mang Từng kênh con được điều chế với một sóng mang riêng lẻ nhưng không trực giao nhau Tuy nhiên, kỹ thuật này sử dụng băng tần không hiệu quả Để giải quyết vấn đề này, khái niệm trực giao của các sóng mang con được giới thiệu để các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau

mà không gây ra nhiễu liên sóng mang ICI

3.2.2 Tính trực giao trong OFDM

Tính trực giao trong hệ thống đa sóng mang về khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang Tuy nhiên, các sóng mang trong OFDM có thể được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng chồng lắp lên nhau mà các tín hiệu vẫn thu được chính xác mà không bị ảnh hưởng của nhiễu liên sóng mang Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học

Xét hai tín hiệu x1(t) và x2(t), hai tín hiệu này trực giao với nhau khi và chỉ khi:

0)()(2

e T dt

e e T t

x t

t jw t jw N

T

T

12

1lim2

1lim)()

2 1 2

3.2.3 Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix (CP)

Trong hệ thống OFDM, việc dùng khoảng bảo vệ CP có thể bảo đảm tính trực giao giữa các tín hiệu thậm chí khi chúng đi qua kênh truyền đa đường để tránh bị ảnh hưởng của nhiễu ICI [24] Ngoài ra, khoảng bảo vệ CP này còn giúp hạn chế đối đa

của nhiễu xuyên ký tự (ISI) Để tránh hiện tượng ISI, điều kiện được đưa ra là: max

T

T G  phải được thỏa mãn, với T G là thời gian CP và Tmax là thời gian trải trễ cực đại

Hình 3.3: Ký tự OFDM khi thêm vào CP

Như hình 3.3, một CP là một bản sao chép của phần cuối cùng của một ký tự

OFDM và được đặt ở phần trước của ký tự đó Giả sử số lượng thành phần bản sao chép là N G, khi đó chu kỳ của một ký tự OFDM thực tế là TT G , trong đó: T là

chu kỳ cho biến đổi FFT, T G là thời gian khoảng bảo vệ, mà được thêm vào để khử

đi ISI Một ký tự OFDM bao gồm thành phần CP có thể được biểu diễn như sau:

N

in j N i i nt

t

n s t d e s

x



2 1

0

|)

+ d i : giá trị của tín hiệu điều chế

Phép tính giữa tín hiệu và kênh truyền thay đổi từ nhân chập tuyến tính sang phép nhân chập vòng (cyclic convolution) khi CP được thêm vào Nhờ vào đó mà có thể tránh nhiễu ISI, trong khi đó vẫn luôn đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con

3.2.4 Ưu và nhược điểm của OFDM

Do đó, nó có thể tận dụng được tài nguyên băng tần hạn chế tối đa

+ Độ phức tạp giảm nhờ thực hiện FFT và IFFT trên luồng dữ liệu nhị phân thay cho bộ điều chế sóng mang phụ

+ OFDM có khả năng giảm thiểu hiện tượng nhiễu đa đường Trong hệ thống OFDM, luồng dữ liệu chính tốc độ cao được chia thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn Khi đó, khoảng chu kỳ ký tự tăng lên và lớn hơn khoảng trải trễ của kênh truyền Hiệu ứng này làm giảm ảnh hưởng của nhiễu ISI giữa các ký tự mà tốc độ chung của hệ thống OFDM vẫn được đảm bảo

+ Việc sử dụng kỹ thuật OFDM có thể dẫn đến tỷ số PAPR cao Khi mà tỷ

số PAPR cao, nó có thể ngoài vùng khuếch đại công suất tuyến tính

3.2.5 Các thành phần chính trong hệ thống OFDM

Trong phần này, các thành phần chính của một hệ thống OFDM sẽ được giới thiệu Các chức năng cơ bản, đầu vào và đầu ra của mỗi thành phần sẽ được miêu tả tổng quát