Ước lượng kênh truyền sử dụng mô hình bộ lọc kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm nhiễu ici theo tiêu chuẩn wimax di động

- Nghiên cứu về bộ lọc Kalman mở rộng, từ đó xây dựng phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng áp dụng cho các chuỗi huấn luyện pilot dạng lược - Phân tích ảnh

Trang 1

L

TRƯỜNG -

NGU

ỢNG K LỌC K PHÁP G CHUẨN

Chuyê

Mã số

LUẬN

G ĐẠI HỌC -o0o-

UYỄN M

KÊNH T KALMA GIẢM

MẠNH TH

TRUYỀ

AN MỞ

M NHIỄ MAX D

: Kỹ thuậ

70

THẠC

KHOA -

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) 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 30 tháng 12 năm 2013 Thành phần Hội đồng 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 Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa Điện-Điện tử

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Thắng MSHV: 12143168

Ngày, tháng, năm sinh: 18- 10 - 1988 Nơi sinh: Quảng Bình

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Ước lượng kênh truyền sử dụng mô hình bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp phương pháp giảm nhiễu ICI theo tiêu chuẩn WiMAX di động

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu và nghiên cứu về kỹ thuật OFDM được sử dụng trong WiMAX, các chuẩn trong WiMAX di động, mô hình kênh truyền B, ITU-R

- Nghiên cứu về bộ lọc Kalman mở rộng, từ đó xây dựng phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng áp dụng cho các chuỗi huấn luyện pilot dạng lược

- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất phương pháp nhằm mục đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh

- Thực hiện mô phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử triệt nhiễu ICI so với phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ICI

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19-08-2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06 – 12 - 2013

Trang 4

Lời Cám ơn

Đầu tiên,tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy cô bộ môn Điện tử - Viễn thông đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt thời gian vừa qua,giúp tôi có những kiến thức đáng quý và bổ ích trong quá trình thực hiện luận văn cũng như trong suốt chặng đường sự nghiệp sau này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên, người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn Đồng thời tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Nguyễn Đức Quang vì những lời chỉ bảo, đóng góp ý kiến, hỗ trợ tài liệu, trao đổi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn các bạn học viên lớp Cao Học Kỹ thuật Điện tử 2012 vì những góp ý, trao đổi quan trọng trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên, chia sẻ, tạo động lực cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi đến gia đình, thầy cô, bạn bè, người thân lời kính chúc sức khỏe hạnh phúc và thành công

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2013 Học viên

Nguyễn Mạnh Thắng

Trang 5

Abstract

Mobile WiMAX is a rapidly growing broadband wireless access technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802 16e-2005 air-interface standards The OFDM has been chosen to be used in WiMAX since it shows many advantages OFDM divides the overall frequency band into a number of sub-band and transmits a low- rate data stream in each sub-band In addition, OFDM allows overlap of the sub-channels but keeps the orthogonality of the sub-carriers Therefore,high spectral efficiency is achieved It has been adopted in state-of-art communication standards Under the condition of same data rate, the symbol of an OFDM system is much longer than that of a single-carrier system

OFDM systems with long symbol durations are more vulnerable to time-selective fading than Single-carrier systems This is specially the case in mobile environments and closely related to Doppler spread Under this condition, the orthogonality between subchannels cannot be maintained and the inter-carrier interference (ICI) will be introduced ICI will decrease the signal to interference ratio (SIR) Low SIR will introduce an error floor in signal detection Therefore, ICI suppression has a great significance for WiMAX system

This thesis introduce the channel estimation system for mobile WiMAX and the method for ICI suppression The channel estimation can be performed by inserting pilot tones into OFDM symbol.In this thesis, channel estimation is studied for comb-type pilot The comb-type pilot channel estimation consists of al gorithms to estimate the channel

at pilot frequencies and to interpolate the channel.The interpolation of the channel for comb-type can use one of the different interpolation methods such as linear interpolation, second order interpolation, low-pass interpolation, spline cubic interpolation, and time domain interpolation

In this thesis,we introduce an ICI analysis in both time and frequency-domain while existing literatures analyze the ICI effects mainly in frequency domain Based on this analysis,we proposed a method to reduce ICI in mobile WiMAX system Then, I proposed a improvement algorithm based Extended Kalman Filter to estimate channel in mobile WiMAX system

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay,với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kèm theo đó là nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng cao, do đó đòi hỏi hệ thống thông tin đặc biệt là về viễn thông ngày càng phát triển nhanh chóng,chính xác.Nhiều kỹ thuật,công nghệ mới

đã ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó.Hệ thống WiMAX ra đời cũng không phải là một ngoại lệ

Hệ thống mobile WiMAX là hệ thống vừa mới ra đời vào tháng 12 năm 2005,

nó hứa hẹn có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai.Sự ra đời của nó đáp ứng cho sự thông tin liên lạc ở các vùng sâu,vùng xa, những nơi mà thông tin liên lạc còn hạn chế.Trên thế giới, công nghệ này đang ngày càng phát triển, nhưng ở Việt Nam thì nó còn đang trong quá trình khảo sát,nghiên cứu,chưa được ứng dụng rộng rãi WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại.WiMAX hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA Ưu điểm của phương pháp này cho phép linh động thay đổi băng tần lên hoặc xuống chứ không phải cố định như trong ADSL và CDMA

Kỹ thuật ngày càng đòi hỏi dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng Đồng thời môi trường truyền dẫn vô tuyến lại rất phức tạp do các hiện tượng như suy hao , xen nhiễu Phading ,hiệu ứng Doppler… gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu ở đầu thu Để đảm bảo và nâng cao việc nhận dạng tín hiệu đầu thu thì có khá nhiều phương pháp như

áp dụng kỹ thuật phân tập,mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền ,cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất hay băng thông Phương pháp được tôi lựa chọn nghiên cứu để giảm sự sai lệch tín hiệu giữa bên phát và bên thu là ước lượng kênh truyền dựa vào bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp với phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động

Trong thông tin vô tuyến,ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo và nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu Ước lượng kênh truyền có 3 phương pháp phổ biến : ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện pilot, ước lượng kênh mù và ước lượng kênh bán mù Trong giới hạn đề tài này,tôi tập trung nghiên cứu phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên chuỗi huấn luyện pilot dạng lược

Trang 7

sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng Ưu điểm của bộ lọc Kalman mở rộng khi sử dụng cho ước lượng kênh truyền là bám sát được sự thay đổi kênh truyền,cho kết quả ước lượng tốt hơn so với các giải thuật ước lượng như LS( Least Square) ,giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu phát và thu

Mặt khác WiMAX sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn và vì thế làm tăng khoảng bảo vệ lớn hơn độ trễ kênh truyền, điều này nhằm loại bỏ nhiễu liên ký tự ISI Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với các sóng mang khác Điều này

có nghĩa là tại tần số cực đại thì phổ mỗi sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẽ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra trên các sóng mang kế cận này được gọi là nhiễu xuyên kênh ICI Nhiễu này xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi 1 ký tự OFDM bị nhiễu ISI Việc xuất hiện nhiễu ICI trong quá trình truyền dẫn cũng gây ra tác động không nhỏ ảnh hưởng đến tín hiệu thu,dẫn đến sai sót trong quá trình khôi phục dữ liệu Vì vậy việc triệt nhiễu và làm giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX có ý nghĩa rất quan trọng.Trong đề tài này, tôi sẽ phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI, từ đó xây dựng một phương pháp mới nhằm làm giảm nhiễu ICI kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống WiMAX di động

Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :

- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất phương pháp nhằm mục đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng bộ lọc Kalman để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh

- Thực hiện mô phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử dụng triệt nhiễu ICI so với phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ICI

Trang 8

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi và thực

hiện dưới sự hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Liên

Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2013

Người Cam Đoan

Nguyễn Mạnh Thắng

Trang 9

MỤC LỤC

Chương I : Giới thiệu đề tài 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nội dung nghiên cứu trước đây 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 4

Chương II : Tổng quan về WiMAX 5

2.1 Sự ra đời của công nghệ Wimax 5

2.2 Các chuẩn khác nhau của WiMAX 6

2.3 Ứng dụng công nghệ WiMAX 9

2.3.1 Mạng đường trục: 10

2.3.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp: 10

2.3.3 Băng rộng theo nhu cầu: 10

2.3.4 Mở rộng nhanh vùng phủ sóng 11

2.3.5 Roaming dich vụ 11

2.4 Đặc điểm của hệ thống WiMAX 12

2.5 Tình hình chuẩn hóa công nghệ Wimax 17

Chương III : Kỹ thuật điều chế OFDM 19

3.1 Giới thiệu chương 19

3.2.Kĩ thuật OFDM 19

3.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM 19

3.2.1.1.Lịch sử phát triển 19

3.2.1.2.Khái niệm 20

3.2.1.3.Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM 21

3.2.2.Nguyên lý điều chế OFDM 21

3.2.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 21

3.2.2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM 23

3.2.3 Mô tả toán học - ứng dụng IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM 30

3.2.4 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 32

3.2.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 32

3.2.4.2 Các thông số trong miền thời gian TD 33

3.2.4.3 Các thông số trong miền tần số FD 33

3.2.4.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 34

Trang 10

3.2.4.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 35

3.2.5 Khoảng bảo vệ (guard interval) trong kỹ thuật OFDM 36

3.2.5.1.Khoảng bảo vệ 36

3.2.5.2.Ứng dụng của khoảng bảo vệ 37

3.2.6 Kĩ thuật điều chế tín hiệu trong OFDM 38

3.2.6.1 Điều chế BPSK 39

3.2.6.2 Điều chế QPSK 40

3.2.6.3 Điều chế QAM 42

Chương IV : Đặc tính kênh vô tuyến di động 44

4.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong kỹ thuật OFDM 44

4.2.1 Đặc tính chung kênh truyền vô tuyến 45

4.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 45

4.2.2.1 Trải trễ trong hiện tượng đa đường 45

4.2.2.2 Hiện tượng Doppler 46

4.2.3 Các loại Fading phạm vi hẹp 48

4.3 Kết luận chương 51

Chương V: Hệ thống ước lượng kênh truyền cho WiMAX di động 52

5.1.Giới thiệu chương 52

5.2.Hệ thống ước lượng kênh truyền 52

5.2.1.Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền 52

5.2.2.Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu 55

5.2.2.1 Block type pilot 55

5.2.2.2 Comb type pilot 56

5.2.3.Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược ( comb pilot) 57

5.2.3.1 Nội suy nearest neighbor 57

5.2.3.2 Nôi suy tuyến tính (linear interpolation) 57

5.2.3.3 Nội suy bậc 2 (second order) 58

5.2.3.4 Nội suy lowpass 58

5.2.3.5 Nội suy spline cubic 58

5.3 Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động 58

Trang 11

Chương VI : Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho ước lượng kênh truyền kết hợp

phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động 62

6.2 Nhiễu ICI và ảnh hưởng của nó trong hệ thống WiMAX di động 62

6.2.1 Nhiễu liên sóng mang ICI 62

6.2.2 Ảnh hưởng của nhiễu ICI 63

6.3 Bộ lọc Kalman mở rộng và ứng dụng trong ước lượng kênh truyền 64

6.3.1 Giới thiệu về bộ lọc Kalman mở rộng 64

6.3.2 Tổng quan về bộ lọc Kalman mở rộng 65

6.3.2.1 Xây dựng thuật toán cho bộ lọc Kalman 65

6.3.2.2 Xây dựng thuật toán cho bộ lọc Kalman mở rộng 74

Chương VII : Phương pháp thực hiện và kết quả mô phỏng 79

7.2 Phương pháp thực hiện 79

7.2.1 Sơ đồ giải thuật 79

7.2.2 Phương pháp khử nhiễu ICI 80

7.2.2.1 Phân tích nhiễu ICI trong OFDM 80

7.2.2.2 Phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX 82

7.3 Kết quả mô phỏng 89

7.3.1 Thông số mô phỏng thuật toán 89

7.3.2 Kết quả mô phỏng 90

7.3.2.1 Mô phỏng 1 90

7.3.2.2 Mô phỏng 2 101

Chương VIII : Kết luận và hướng phát triển của luận văn 104

8.1 Kết luận 104

8.2 Hướng phát triển của luận văn 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

Trang 12

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Chuẩn không dây toàn cầu 8

Hình 2.2 Mô hình triển khai mạng WIMAX 11

Hình 2.3 : Cấu trúc hệ thống WiMAX 15

Hình 3.1 So sánh kĩ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kĩ thuật sóng mang chồng xung (b) 22

Hình 3.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM 23

Hình 3.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM 24

Hình 3.5 : Phổ của sóng mang con 25

Hình 3.6 Truyền dẫn sóng mang đơn 25

Hình 3.7 Truyền dẫn đa sóng mang 26

Hình 3.8 Tích của 2 vec tơ trực giao bằng 0 27

Hình 3.9: Giá trị của sóng sin bằng 0 28

Hình 3.10: Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau 28

Hình 3.11: Tích hai sóng sin cùng tần số 29

Hình 3.12 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang 30

Hình 3.13 Cấu trúc tín hiệu OFDM 30

Hình 3.14 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng sóng mang con 30

Hình 3.15 Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM 30

Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 30

Hình 3.17 : Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 40

Hình 3 18 : Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 42

Hình 3.19: Chùm tín hiệu M-QAM 43

Hình 4.1 : Mô hình kênh truyền fading đa đường 46

Hình 4.2: Hiệu ứng Doppler 46

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền 52

Hình 5.2 : Sắp xếp pilot dạng khối 55

Hình 5.3 : Sắp xếp pilot dạng lược 56

Trang 13

Hình 6.1 Lỗi dịch tần gây ra nhiễu ICI 63

Hình 6.2 : Sơ đồ hệ thống Kalman 67

Hình 6.3 Sơ đồ tính toán độ lợi Kalman 72

Hình 6.4 Sơ đồ bộ dự đoán một bước của bộ lọc Kalman mở rộng 76

Hình 7.1: Sơ đồ giải thuật 79

Hình 7.2 : Đồ thị BER cho kênh truyền indoor 2km/h ,điều chế 4QAM 91

Hình 7.3 : Đồ thị BER cho kênh truyền indoor 2km/h ,điều chế 16QAM 92

Hình 7.4 : Đồ thị BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h ,điều chế 4QAM 93

Hình 7.5 : Đồ thị BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h ,điều chế 16QAM 94

Hình 7.6 : Đồ thị BER cho kênh truyền vehicular 10km/h điều chế 4QAM 95

Hình 7.12 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=15dB 101

Hình 7.13 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=20dB 102

Hình 7.14 : Đồ thị BER theo vận tốc cho kênh truyền vehicular tại SNR=20dB 102

Trang 14

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số của hệ thống WiMAX 13

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa các tham số OFDM 35

Bảng 3.2 :Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế 42

Bảng 4.1 : Các loại Fading phạm vi hẹp 48

Bảng 5.1: Mô hình kênh truyền indoor 59

Bảng 5.2: Mô hình kênh truyền pedestrian 60

Bảng 5.3 Mô hình kênh truyền vehicular 60

Bảng 7.1:Thông số mô phỏng thuật toán Kalman 89

Bảng 7.2 : Dữ liệu BER cho kênh truyền indoor 2km/h,điều chế 4QAM 91

Bảng 7.3 : Dữ liệu BER cho kênh truyền indoor 2km/h,điều chế 16QAM 92

Bảng 7.4 : Dữ liệu BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h,điều chế 4QAM 93

Bảng 7.5 : Dữ liệu BER cho kênh truyền pedestrian 5km/h,điều chế 16QAM 94

Bảng 7.6 : Dữ liệu BER cho kênh truyền vehicular 10km/h,điều chế 4QAM 95

Trang 15

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT OFDM Orthogonal Frequency Devision Multiplexing

GI Guard Interval

CP Cyclic Prefix

FDD Frequency Division Duplex

TDD Time Division Duplex

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineerings

FFT Fast Fourrier Transform

IFFT Inverse Fast Fourrier Transform

ICI Inter Channel Interference

ISI Inter Symbol Interference

QAM Quadrature Amplitude Modulation

ITU International Telecommunication Union

EKF Extended Kalman Filter

LS Least Square

BER Bit Error Rate

SNR Signal to Noise Ratio

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

Trang 16

Chương I : Giới thiệu đề tài 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay,với sự phát triển của khoa học kỹ thuật kèm theo đó là nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng cao, do đó đòi hỏi hệ thống thông tin đặc biệt là về viễn thông ngày càng phát triển nhanh chóng,chính xác Nhiều kỹ thuật,công nghệ mới

đã ra đời nhằm đáp ứng những nhu cầu đó Hệ thống WiMAX ra đời cũng không phải là một ngoại lệ

Hệ thống mobile WiMAX là hệ thống vừa mới ra đời vào tháng 12 năm 2005,

nó hứa hẹn có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai Sự ra đời của nó đáp ứng cho sự thông tin liên lạc ở các vùng sâu,vùng xa, những nơi mà thông tin liên lạc còn hạn chế Trên thế giới, công nghệ này đang ngày càng phát triển, nhưng ở Việt Nam thì nó còn đang trong quá trình khảo sát,nghiên cứu,chưa được ứng dụng rộng rãi WiMax cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại WiMAX hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kỹ thuật truy nhập TDMA/OFDMA Ưu điểm của phương pháp này cho phép linh động thay đổi băng tần lên hoặc xuống chứ không phải cố định như trong ADSL và CDMA

Kỹ thuật ngày càng đòi hỏi dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng Đồng thời môi trường truyền dẫn vô tuyến lại rất phức tạp do các hiện tượng như suy hao, xen nhiễu Phading ,hiệu ứng Doppler… gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu ở đầu thu Để đảm bảo và nâng cao việc nhận dạng tín hiệu đầu thu thì có khá nhiều phương pháp như

áp dụng kỹ thuật phân tập,mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất hay băng thông Phương pháp được tôi lựa chọn nghiên cứu để giảm sự sai lệch tín hiệu giữa bên phát và bên thu là ước lượng kênh truyền dựa vào bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp với phương pháp giảm nhiễu ICI cho hệ thống WiMAX di động

Trong thông tin vô tuyến, ước lượng kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo và nâng cao chất lượng tín hiệu đầu thu Ước lượng kênh truyền có 3 phương pháp phổ biến : ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện pilot, ước lượng

Trang 17

kênh mù và ước lượng kênh bán mù Trong giới hạn đề tài này,tôi tập trung nghiên cứu phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên chuỗi huấn luyện pilot dạng lược

sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng Ưu điểm của bộ lọc Kalman mở rộng khi sử dụng cho ước lượng kênh truyền là bám sát được sự thay đổi kênh truyền,cho kết quả ước lượng tốt hơn so với các giải thuật ước lượng như LS( Least Square), giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu phát và thu

Mặt khác WiMAX sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn và vì thế làm tăng khoảng bảo vệ lớn hơn độ trễ kênh truyền,điều này nhằm loại bỏ nhiễu liên ký tự ISI Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với các sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại thì phổ mỗi sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẽ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra trên các sóng mang kế cận này được gọi là nhiễu xuyên kênh ICI Nhiễu này xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi 1 ký tự OFDM bị nhiễu ISI Việc xuất hiện nhiễu ICI trong quá trình truyền dẫn cũng gây ra tác động không nhỏ ảnh hưởng đến tín hiệu thu,dẫn đến sai sót trong quá trình khôi phục dữ liệu Vì vậy việc triệt nhiễu và làm giảm ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX có ý nghĩa rất quan trọng.Trong đề tài này, tôi sẽ phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI, từ đó xây dựng một phương pháp mới nhằm làm giảm nhiễu ICI kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống WiMAX di động

1.2 Các nội dung nghiên cứu trước đây

Sự ra đời của công nghệ WiMAX với việc sử dụng kỹ thuật OFDM đã hứa hẹn

có một sự phát triển mạnh mẽ trong tương lai, khi mà công nghệ này có thể áp dụng cho những nơi ở vùng sâu, vùng xa, hải đảo.Vì vậy đã có khá nhiều nghiên cứu được áp dụng cho công nghệ này nhằm mục đích cải thiện hơn nữa chất lượng tín hiệu thu Đồng thời thách thức to lớn đối mặt trong hệ thống WiMAX là có được những thông tin trạng thái kênh chính xác,kịp thời phát hiện chuẩn xác của các ký hiệu thông tin Các thông tin trạng thái kênh có thể thu được qua việc ước lượng dựa trên huấn luyện, kênh mù hoặc kênh bán mù Ước lượng kênh mù được

Trang 18

định của tín hiệu phát Ước lượng kênh mù có những thuận lợi trong việc không mất chi phí và nó chỉ áp dụng cho các kênh thời gian biến đổi chậm do dựa trên bảng ghi dữ liệu tương đối dài Trong các giải thuật ước lượng dựa trên huấn luyện, các ký hiệu huấn luyện pilot được ghép cùng với dòng dữ liệu để ước lượng kênh truyền Kỹ thuật kênh bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật mù và huấn luyện,

sử dụng pilot và các liên kết tự nhiên khác để ước lượng kênh truyền

Phương pháp ước lượng dựa trên huấn luyện có thể được thực hiện dựa trên hai loại pilot là dạng lược (comb) hoặc dạng khối (block) Ước lượng kênh truyền pilot dạng khối, phát triển trên kênh truyền fading chậm; điều này giả sử rằng hàm truyền của kênh truyền không thay đổi nhanh trên các ký hiệu OFDM phát đi Ước lượng kênh truyền pilot dạng lược được dùng đến khi kênh truyền thay đổi trong một khối OFDM Ước lượng kênh truyền pilot dạng lược bao gồm các giải thuật ước lượng kênh tại các tần số pilot và phương pháp nội suy được sử dụng để tìm các tần số tín hiệu trên kênh Phương pháp nội suy của kênh truyền pilot dạng lược

có thể phụ thuộc nội suy tuyến tính, nội suy lowpass, và nội suy spline cubic Giải thuật ước lượng được sử dụng chủ yếu đối với ước lượng pilot dạng lược là phương pháp LS (Least Square),MMSE Các phương pháp này có giải thuật tính toán đơn giản,nhưng lại không bám sát được sự thay đổi của đặc tuyến kênh truyền Một phương pháp mới được ứng dụng gần đây cho ước lượng kênh truyền dạng lược là sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng Về lý thuyết thì phương pháp này cho kết quả ước lượng đáp ứng kênh truyền tốt hơn Bộ lọc Kalman đưa ra ước lượng của giá trị thực của phép đo và các giá trị liên quan của nó bằng cách dự đoán một giá trị, ước tính không chắc chắn các giá trị dự đoán và tính toán trọng số trung bình của giá trị dự đoán và giá trị đo

Trong kỹ thuật OFDM ,sử dụng nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang con lại trực giao với các sóng mang còn lại Một vấn đề quan trọng trong OFDM đó là sự lệch tần số giữa tín hiệu phát và tính hiệu thu, nguyên nhân được gây ra bởi sự dịch Doppler trong kênh truyền hoặc sự sai khác giữa tần số dao động cục bộ tại máy phát và máy thu dẫn đến sự mất tính trực giao giữa các sóng mang con và các tín hiệu truyền trên mỗi sóng mang con không còn độc lập với các sóng mang khác.Đây là nguyên nhân tạo nên nhiễu ICI Các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra các phương pháp khác nhau để giảm thiểu nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.Các phương pháp tiệm cận hiện tại đã được phát triển để giảm nhiễu ICI có thể phân loại như cân bằng miền tần số, cửa sổ trong miền thời gian và ICI self-canclelation

Trang 19

Ngoài ra còn có một số phương pháp thực hiện ước lượng kênh truyền để tính toán thành phần nhiễu ICI sau đó loại bỏ thành phần này trong quá trình tính toán.Trong

đề tài này,tôi sẽ tập trung vào phân tích thành phần nhiễu ICI từ đó đề xuất phương pháp giảm nhiễu ICI kết hợp với giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống WiMAX di động

1.3 Nội dung nghiên cứu

Trong đề tài này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :

- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI trong WiMAX di động, đề xuất phương pháp nhằm mục đích giảm nhiễu ICI cho hệ thống, kết hợp với phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng bộ lọc Kalman để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh

- Thực hiện mô phỏng nhằm đánh giá kết quả của phương pháp có sử dụng triệt nhiễu ICI so với phương pháp ước lượng thông thường bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ICI

Trang 20

Chương II : Tổng quan về WiMAX 2.1 Sự ra đời của công nghệ WiMAX

Ngày nay tỷ lệ người truy cập băng rộng còn rất ít, thấp hơn 20% dân số thế giới

và thậm chí còn nhỏ hơn tỷ lệ này nhiều Bởi vì các công nghệ đang tồn tại như DSL, cáp và vô tuyến cố định có các hạn chế như chi phí lắp đặt cao, có vấn đề lặp vòng, tốc độ đường lên (upstream) cần nâng cấp, giới hạn LOS và tính hướng mở kém Chính vì sự hạn chế này mà chúng ta đưa ra giải pháp truy cập internet băng rộng cố định/ di động có thể sẽ thay thế những công nghệ hiện nay và truy cập bất

cứ nơi đâu và bất cứ khi nào với tốc độ cao, đó chính là công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng Wimax

WiMax là công nghệ mới do tổ chức IEEE phát triển tập trung giải quyết các vấn

đề trong mạng vô tuyến ngoài trời băng rộng điểm – điểm, điểm – đa điểm Nó có nhiều ứng dụng, như kết nối tầm xa (kéo dài) cho nhà riêng và thương mại và kết nối backhaul các điểm nóng của mạng Wifi

Trong khi WiMAX chưa có lịch sử phát triển phổ biến như Wifi (802.11), nhưng chuẩn này đang có lợi thế đáng kể được sự hỗ trợ từ các nhà sản xuất tên tuổi lớn như Intel và các công ty cổ phần lớn khác công nghệ WiMAX (chuẩn 802.16) quan trọng như Internet cho phép kết nối tối đa lên đến 5 tỷ người Với việc cung cấp khả năng kết nối băng rộng không dây, công nghệ WiMAX cho phép thúc đẩy

sự phát triển công nghệ mới tạo điều kiện thuận lợi mang lại sự phát triển giáo dục

và y tế tốt hơn, tăng năng suất công-nông-thương nghiệp và thu nhập cho người dân, khả năng tiếp cận chính phủ điện tử và xây dựng các thành phố điện tử

WiMAX có thể sử dụng làm mạng vô tuyến theo nhiều cách giống như giao thức rất phổ biến hiện nay là WiFi WiMAX có thể là giao thức thế hệ thứ hai mà cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn, giảm nhiễu, mà còn cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn và khoảng cách xa hơn

Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các đặc tính kỹ thuật giao thức viễn thông Diễn đàn Wimax tạo cơ hội tiềm lực để các thiết bị đang thử nghiệm của các nhà sản xuất khác nhau tương thích với nhau, cũng như thiết kế một nhóm công nghệ chuyên dụng để khuyến khích phát triển và thương mại hóa công nghệ Chẳng bao

Trang 21

lâu nữa, WiMAX sẽ được chấp nhận để trở thành công nghệ truy cập Internet vô tuyến ở mọi nơi trên thế giới

Theo mô tả của IEEE 802.16, WiMAX có phạm vi phủ sóng đạt tới hơn 50km

và sẽ hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz, kết hợp được với nhiều dạng Anten như Parabol, Panel, Yagi, Ommi Với dải tần số hoạt động này, WiMAX cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng LOS (Line on Sight), tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Đây là một giải pháp lý tưởng cho việc truyền dữ liệu, hình ảnh, điện thoại IP Thiết bị WiMAX phải được thiết kế có thể hoạt động tốt trong các điều kiện nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường và sức gió Với băng tần như trên, dữ liệu truyền đi của WiMAX có thể đạt tới tốc độ 70Mbps, độ bảo mật cao và ổn định tuyệt đối

2.2 Các chuẩn khác nhau của WiMAX

Chuẩn 802.16 ban đầu được tạo ra với mục đích là tạo ra những giao diện (interface) không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung Kiến trúc mạng cơ bản của 802.16 bao gồm một trạm phát (BS - Base Station) và người sử dụng (SS - Subscriber Station) Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ sự truyền dữ liệu (traffic) Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông giữa hai SS với nhau Nối kết giữa BS và SS sẽ gồm một kênh uplink và downlink Kênh uplink sẽ chia sẻ cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm broadcast Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và

BS (line of sight), thông tin sẽ được trao đổi trên băng tần cao Ngược lại, thông tin

sẽ được truyền trên băng tần thấp để chống nhiễu

Ngoài ra còn có một số chuẩn bổ sung của WiMAX như sau:

- 802.16a : chuẩn này sử dụng băng tần từ 2-11GHz Đây là băng tần quan

trọng vì tín hiệu truyền có thể vượt chướng ngại vật trên đường truyền

Trang 22

802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong đó một thiết

bị cuối (terminal) có thể liên lạc với BS thông qua một thiết bị cuối khác

- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung

ứng dịnh vụ với chất lượng cao (QoS) Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service) Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a

- 802.16c: Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dãi băng tần từ 66GHz với mục đích cải tiến interoperability

10 802.16d: Có một số cải tiến nhỏ so với chuẩn 802.16a Chuẩn này được

chuẩn hóa 2004 Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này

- 802.16e : Đang trong giai đoạn hoàn thiện và chuẩn hóa Đặc điểm nổi bật

của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di động (vận tốc di chuyển lớn nhất mà vẫn có thể dùng tốt dịch vụ này là 100km/h)

Hiện nay còn có một số chuẩn bổ sung khác đang được triển khai hoặc đang trong giai đoạn chuẩn hóa như 802.16g, 802.16f, 802.16h

Chuẩn 802.16, giao tiếp dành cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định còn được biết đến với tên chuẩn giao tiếp không dây IEEE Wireless MAN Chuẩn được thiết kế mới hoàn toàn với mục tiêu cung cấp những trục kết nối trực tiếp trong mạng nội thị (Metropolitan Area Network-MAN) đạt băng thông tương đương cáp, DSL, giao diện T1/E1 phổ biến hiện nay

Trang 23

LAN MAN

WAN IEEE 802.20

IEEE 802.16 Wireless MAN IEEE 802.11

IEEE 802.15 ETSI

HIPERPAN

ETSI HIPERLAN

ETSI HIPERMAN

& HIPERACCESS

3GPP EDGE (GSM)

Hình 2.1 Chuẩn không dây toàn cầu

Tháng 1/2003, IEEE cho phép chuẩn 802.16a sử dụng băng tần từ 2GHz đến 11GHz; rộng hơn băng tần từ 10GHz đến 66GHz của chuẩn 802.16 phát hành tháng 4/2002 trước đó Nhờ đặc tính không dây mà các nhà cung cấp dịch vụ và vận hành có thể triển khai đường trục dễ dàng, tiết kiệm chi phí đến những vùng địa hình hiểm trở, mở rộng năng lực mạng tại những tuyến cáp đường trục đang quá tải; đặc biệt đường phố không bị "đào lên lấp xuống" như hiện nay Thiết bị phát IEEE 802.16a có thể lắp ngay trên nóc tòa nhà chứ không cần đầu tư đặt trên tháp cao hoặc đỉnh núi như những công nghệ khác Hệ thống 802.16a chuẩn có thể đạt đến bán kính 48km bằng cách liên kết các trạm có bán kính làm việc 6-9 km Trong quá trình phát triển 802.16, tính liên thông luôn được đề cao Đầu tiên, diễn đàn Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) được thành lập vào năm 2003 và qui tụ được nhiều công ty hàng đầu như Intel, LG Electronics, Motorola, Fujitsu, Siemens Để thúc đẩy các nhà sản xuất hệ thống truy xuất không dây băng rộng đưa ra thiết bị tương thích IEEE 802.16, WiMAX cũng đã hợp tác chặt chẽ với liên minh Wi-Fi để hỗ trợ tốt chuẩn IEEE 802.11 Để đạt được

sự liên thông, WiMAX buộc phải tạo một số System Profile tương ứng với qui định sử dụng tần số khác nhau của từng khu vực địa lý Ví dụ, nhà cung cấp dịch

vụ tại châu Âu dùng băng tần 3,5GHz với băng thông 14MHz đòi hỏi thiết bị hỗ trợ kênh băng thông 3,5MHz hoặc 7 MHz, chức năng TDD (Time Division Duplex) hoặc FDD (Frequency Division Duplex) Tương tự, nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây (WISP) tại Mỹ lại dùng băng tần 5,8GHz UNII nên thiết bị hệ thống cần phải hỗ trợ băng thông 10MHz và kỹ thuật TDD

Trong quá trình xây dựng khung chuẩn, 802.16a kế thừa các hệ thống đã có để

có thể được ứng dụng rộng rãi như thiết kế ban đầu OFDMA dùng trong 3 lớp

Trang 24

PHY được thiết kế mở để có thể điều chỉnh linh hoạt, thích ứng với tất cả các kênh

có độ rộng băng thông từ 1,75MHz đến 20MHz Single Carrier Access (SCa) trong Wi-Fi được giữ lại trong 802.16a làm đường liên kết xương sống, trong khi OFDM với FFT (Fast Fourier Transform) 256 điểm lại hỗ trợ những truy xuất cố định băng thông lên đến 10MHz Kỹ thuật OFDMA được cải tiến dựa trên OFDM để hỗ trợ hệ di động tốc độ cao, cho phép kênh hóa dữ liệu tải xuống (Downlink-DL) và tải lên (Uplink-UL), ấn định hằng số tỷ lệ giữa kích thước FFT với độ rộng kênh Lớp MAC 802.16 được thiết kế hỗ trợ ứng dụng điểm-đa điểm dựa trên CSMA/CA (Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance) MAC AP 802.16 quản lý tài nguyên UL, DL và gồm luôn cả chức năng định thời truyền và nhận Lớp MAC còn có một số chức năng hỗ trợ ứng dụng diện rộng mà tính di động không ổn định như tích hợp dịch vụ di động: bình chọn tức thời (realtime Polling Service) và không tức thời (non-realtime Polling Service) ; Đóng gói/phân mảnh để tăng độ hiệu quả sử dụng băng tần; Quản lý khóa riêng tư (PKM-privacy key management) để bảo mật từ lớp MAC; Hỗ trợ phát đa luồng; Chuyển mạch tốc

độ cao; Quản lý năng lượng PKM phiên bản 2 còn có khả năng kết hợp với giao thức xác thực mở rộng (EAP-Extensible Authentication Protocol)

Với tốc độ tải dữ liệu lên đến 75Mbps, một kênh đáp ứng của trạm 802.16a hoàn toàn đủ năng lực cùng lúc phục vụ 60 khách hàng kết nối cấp T1 và hàng trăm kết nối DSL gia đình, với băng thông kênh là 20MHz Trong thực tế, để đạt hiệu quả kinh tế, các nhà vận hành và cung cấp dịch vụ thường phải chấp nhận cân đối phục

vụ thành phần khách hàng doanh nghiệp doanh thu cao với thành phần thuê bao gia đình số đông Vì thế, chuẩn 802.16a đã hỗ trợ thiết thực nhà vận hành mạng, cho phép cấu hình mức ưu tiên cho từng cấp dịch vụ Như thế, doanh nghiệp có thể đặt chế độ ưu tiên dịch vụ cấp T1 cho doanh nghiệp hoặc dịch vụ tốc độ DSL cho người dùng gia đình Đặc tả 802.16a còn bao gồm tính năng bảo mật và QoS cần thiết để hỗ trợ những dịch vụ thoại và video trực tuyến Dịch vụ thoại 802.16 có thể dùng kỹ thuật thoại TDM (Time Division Multiplexed) hoặc VoIP (Voice over IP)

2.3 Ứng dụng công nghệ WiMAX

Sau khi ra đời, 802.16a đã nhanh chóng được triển khai tại châu Âu, Mỹ và thể hiện một số lợi ích cụ thể

Trang 25

2.3.1 Mạng đường trục:

802.16a là công nghệ không dây lý tưởng làm mạng trục nối các điểm hotspot thương mại và LAN không dây với Internet Công nghệ không dây 802.16a cho phép doanh nghiệp triển khai hotspot 802.11 linh hoạt khi gặp địa hình hiểm trở, đòi hỏi thời gian ngắn và nâng cấp linh hoạt theo nhu cầu thị trường

Chuẩn 802.16a cho phép triển khai những mạng trục tốc độ cao, chi phí thấp Tại châu Âu, nơi các nhà vận hành ít chấp nhận chia sẻ cáp trục với đối thủ cạnh tranh, mạng trục WiMAX đã có đất phát triển và được sử dụng trong 80% tháp sóng Riêng tại Mỹ, do có điều luật qui định các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba phải thuê tuyến cáp trục từ nhà cung cấp mạng trục Internet nên tốc độ ứng dụng WiMAX chậm hơn châu Âu Tuy vậy, tỷ lệ ứng dụng WiMAX làm mạng trục cũng đã chiếm đến 20% và sắp tới sẽ phát triển rất nhanh vì FCC đang chuẩn bị bỏ ràng buộc về tuyến cáp trục với các nhà cung cấp dịch vụ thứ ba Đối với các nước đang phát triển thì giải pháp kết nối không dây 802.16a cho phép nâng cấp năng lực dịch

vụ nhanh chóng theo nhu cầu thực tế mà không phải lo ngại về vấn đề đào đường, thay đổi kiến trúc hạ tầng

2.3.2 Kết nối mạng không dây doanh nghiệp:

Chuẩn 802.16a được dùng làm cơ sở để liên thông các mạng LAN không dây, hotspot WiFi 802.11 hiện có Doanh nghiệp có thể tự do mở rộng qui mô văn phòng mà môi trường mạng cục bộ vẫn được liên lạc nếu có mạng trung gian không dây chuẩn 802.16a Nhìn rộng hơn, doanh nghiệp có thể triển khai mạng LAN không dây thống nhất cho tất cả văn phòng trong phạm vi một quốc gia

2.3.3 Băng rộng theo nhu cầu:

Hệ thống không dây cho phép triển khai hiệu quả ngay cả khi sử dụng ngắn hạn Với sự hỗ trợ của công nghệ 802.16a, hệ thống hotspot 802.11 vẫn đủ năng lực phục vụ dịch vụ kết nối tốc độ cao tại những hội chợ, triển lãm có đến hàng ngàn khách Nhà cung cấp dịch vụ có thể nâng cấp hoặc giảm bớt năng lực phục vụ của

hệ thống theo nhu cầu thực tế, giúp nâng cao hiệu quả kinh doanh, tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp

Trang 26

2.3.4 Mở rộng nhanh vùng phủ sóng

Hệ thống 802.16a cho phép phủ sóng đến những vùng hiểm trở, thiếu cáp trước đây Do tuyến cáp DSL chỉ có thể đáp ứng trong bán kính 4,8km tính từ trạm điều phối trung tâm nên còn nhiều vùng địa hình hiểm trở mà nhà cung cấp không thể với tới Thống kê gần đây cho thấy có hơn 2.500 nhà cung cấp dịch vụ không dây (Wireless ISP) địa phương hoạt động hiệu quả trên 6.000 thị trường tại Mỹ Không chỉ triển khai dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, hệ thống còn cho phép triển khai dịch vụ thoại cho những người dùng ở vùng sâu vùng xa

2.3.5 Roaming dich vụ

Với công nghệ IEEE 802.16e mở rộng từ 802.16a, trong tương lai người dùng sẽ được hỗ trợ dịch vụ roaming tương tự điện thoại di động, tự động chuyển kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây địa phương ngay khi ra ngoài vùng phủ sóng của mạng gia đình, công ty Dự kiến đến 2006, công nghệ WiMAX sẽ được tích hợp vào máy tính xách tay, PDA như Wi-Fi hiện nay và từng bước hình thành nên những vùng dịch vụ không dây băng rộng mang tên "MetroZones"

Hình 2.2 Mô hình triển khai mạng WIMAX

Trang 27

2.4 Đặc điểm của hệ thống WiMAX

Một đặc điểm quan trọng của 802.16 là nó định nghĩa lớp MAC riêng để có thể

hỗ trợ nhiều đặc tả lớp vật lý khác nhau Điều này cho phép nhà sản xuất thiết bị đề xuất những chuẩn riêng của mình Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc WiMAX được xem như là “cơ sở cho sự phát triển của mạng không dây băng rộng” hơn chỉ là một chuẩn cài đặt tỉnh của công nghệ không dây Việc mở rộng các công nghệ hiện tại sang các công nghệ mới và tiềm năng sẽ được tích hợp trong lớp vật lý Xu thế hội tụ trong việc sử dụng đa chế độ (multi-mode), đa tần số (multi-radio) và thiết kế hệ thống sẽ được kết hợp hài hòa thông qua việc sử dụng chung lớp MAC, quản trị hệ thống, chuyển vùng, các băng tần ISM (Industrial Scientific & Medical) và các mức khác của hệ thống

Hai chế độ song công được áp dụng cho WiMAX là song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) và song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplexing) FDD cần có 2 kênh, một đường lên, một đường xuống Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian

Băng thông

Kích thước FFT

Trang 28

3.6GHz, 3.6GHz–

3.8GHz

10MHz 1,024 TDD

Bảng 2.1 Thông số của hệ thống WiMAX

Trong hệ thống WiMAX,WiMAX di động cũng có những đặc điểm giống

EV-DO hoặc HSxPA nhằm tăng tốc độ truyền thông (data rate) Những đặc điểm đó bao gồm: Mã hóa và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and Coding - AMC), kỹ thuật sữa lỗi bằng dò – lặp (Hybrid Automatic Repeat Request - HARQ), Phân bố nhanh (Fast Scheduling) và chuyển giao mạng (handover) nhanh

và hiệu quả Không giống như công nghệ 3G dựa trên CDMA được xây dựng nhằm vào dịch vụ thoại, WiMAX được thiết kế để đáp ứng dịch vụ truyền dữ liệu dung lượng lớn (trong đó có cả dịch vụ thoại VoIP) WiMAX sự dụng kỹ thuật trải phổ SOFDMA và hạ tầng mạng xây dựng trên nền IP

Một hệ thống WiMAX tiêu biểu gồm có 2 phần:

 Một trạm gốc WiMAX: Trạm gốc gồm các khối điện tử đặt trong nhà và một anten WiMAX Tiêu biểu, một trạm gốc có bán kính phủ sóng lên đến 10 km (Theo lý thuyết, một trạm gốc có bán kính phủ sóng lên đến 50 km, tuy

Trang 29

nhiên do điều kiện thực tế nên chỉ giới hạn ở bán kính khoảng 10 km) Bất

kỳ node vô tuyến nằm trong vùng phủ sóng điều có thể truy cập đến Internet

 Một máy thu WiMAX: máy thu và anten có thể là một hộp đơn hay là một card PCMCA gắn vào trong máy tính hoặc laptop Truy cập đến trạm gốc WiMAX giống như truy cập đến điểm truy cập của mạng Wifi, nhưng có vùng phủ sóng thì rộng hơn

Nhiều trạm gốc có thể kết nối lẫn nhau bằng cách sử dụng các liên kết Viba backhaul tốc độ cao Điều này cho phép các thuê bao WiMAX chuyển vùng từ trạm gốc này đến khu vực trạm gốc khác, cũng tương tự như chuyển vùng trong mạng điện thoại tế bào

Các đặc điểm kỹ thuật quan trọng trong công nghệ WiMAX (Wireless MAN IEEE 802.16)

 Bán kính phủ sóng: 50 km tính từ trạm gốc

 Tốc độ tối đa: 70 Mbps

 Non-Line-of-sight (NLoS) giữa người sử dụng và trạm gốc

 Các băng tần số: 2-11 GHz và 10-66 GHz (băng đăng ký và chưa đăng ký)

 Định nghĩa cả hai lớp MAC và PHY và cho phép nhiều chi tiết kỹ thuật lớp PHY

Mạng MAN vô tuyến WiMAX dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16 cung cấp truy cập Internet vô tuyến băng rộng tới nhà riêng và doanh nghiệp với cước phí thấp Tốc độ truyền chia sẽ lên đến 75Mbps từ một trạm đơn, có thể cung cấp truy cập băng rộng mà không cần có một đường truyền vật lý từ người dùng đầu cuối tới nhà cung cấp dịch vụ Giao dịch vụ tới khách hàng đầu cuối giống như giao kênh truyền 300Kbps cho nhà riêng và 2Mbps cho doanh nghiệp

Trang 30

Hình 2.3 : Cấu trúc hệ thống WiMAX

Giao dịch vụ tới khách hàng đầu cuối giống như giao kênh truyền 300Kbps cho nhà riêng và 2Mbps cho doanh nghiệp.Công nghệ này đặc biệt hữu ích cho các vùng nông thôn và các nơi khác mà ở đó chưa có truy cập băng rộng Cơ sở hạ tầng hiện hữu do các nhà cung cấp kéo cáp sở hữu chỉ cung cấp dịch vụ tới những vùng còn giới hạn, phù hợp cho truyền cáp, mở rộng để có khả năng cung cấp dịch

vụ băng rộng thì chi phí cao, vì thế sẽ ngăn cản phát triển đến những vùng có mật

độ dân cư thấp

Công nghệ DSL giới hạn người dùng đầu cuối phải ở trong vòng 3 dặm từ tổng đài PTC hoặc trạm phân phối của nhà khai thác, vì thế nhiều người đặc biệt ở những vùng nông thôn thì công nghệ DSL không đáp ứng được Ngược lại vùng phủ sóng rộng và môi trường truyền không dây đã giúp cho WiMAX vượt qua những giới hạn này Mặc dù vùng phủ sóng tối ưu là 4-6 dặm với tốc độ cao, tuy nhiên khi giảm tốc độ sẽ tăng khoảng cách lên xấp xỉ 30 dặm Chi phí tương đối thấp để triển khai dịch vụ WiMAX có liên quan đến cáp hoặc DSL, sẽ khuyến khích các nhà cung cấp dịch vụ mở rộng vùng phủ sóng tới những khách hàng nhà riêng và doanh nghiệp mới Trong khi công nghệ này không cung cấp dịch vụ băng rộng chung, lúc này nên mở rộng vùng dịch vụ hiện vượt quá giới hạn của họ và sẽ

có thể phủ hết các vùng dân cư

Mạng băng rộng tới các vùng chưa phát triển, chưa có dịch vụ, hạ tầng cơ sở mạng dây dẫn băng rộng cho nhà riêng, doanh nghiệp chưa tồn tại hoặc không đáng tin cậy Công nghệ vô tuyến tầm xa hứa hẹn mang lại dịch vụ có ích cho

Trang 31

nhiều vùng mà công nghệ dây dẫn truyền thống thực tế chưa có Mạng WiMAX cung cấp tương tác với kênh phân phối này từ khi họ không phụ thuộc vào hạ tầng

cơ sở đoạn cuối hiện có và họ cung cấp băng thông upstream lớn hơn rất nhiều so với cáp và DSL Các mạng này cũng có độ tin cậy cao từ khi các nhà cung cấp lắp thêm cell tới những vùng dịch vụ với mức chi phí thực thấp hơn so với mở rộng mạng cáp hoặc DSL Trong khi ở các quốc gia phát triển đã có sẵn mạng lớn cáp

và DSL phục vụ khu vực doanh nghiệp và dân cư đông Vì vậy, các phương thức phục vụ mới phải có thời gian cạnh tranh trên thị trường này, khi mà khách hàng ở đây có dịch vụ phục vụ tốt Vì vậy, WiMAX đem lại nhiều lợi ích ở vùng sâu, vùng xa và những vùng chưa có dịch vụ băng rộng, lợi ích mang lại cho nhà cung cấp ở đây là khá thấp và cản trở sự phát triển chung Một khía cạnh của chuẩn 802.16a đang tồn tại sẽ hấp dẫn các nhà cung cấp dịch vụ và cũng như khách hàng đầu cuối là cung cấp ở mức đa dịch vụ Trạm gốc đơn cung cấp đường truyền với tốc độ chia sẽ dữ liệu lên đến 75 Mbps và tới khách hàng doanh nghiệp bảo đảm có tốc độ 2 Mbps (tương đương luồng E1), cũng như tới khách hàng nhà riêng dịch vụ

128 kbps không bảo đảm “best-effort”

Theo nhu cầu của từng vùng nên đưa ra chuẩn đa dạng và dịch vụ rộng cho nhà cung cấp Cung cấp dịch vụ mềm dẻo và cấu trúc tới từng loại khách hàng, một nhà cung cấp Wimax có thể hấp dẫn bởi tính đa dạng về nhu cầu cho từng điểm phân phối.Ở vùng sâu, vùng xa khoảng cách giữa các khách hàng là lớn, 802.16 hỗ trợ điều chế thích nghi “adaptive modulation” cho phép tự động tăng vùng phủ sóng đồng thời sẽ giảm thông lượng ở những nơi cần thiết Điều chế (như QAM 64) cung cấp thông lượng cao với vùng phủ sóng phụ tối đa

Lược đồ điều chế do trạm gốc gán động tuỳ vào khoảng cách đến máy khách, cũng như thời tiết, nhiễu tín hiệu và các nhân tố nhất thời khác,… Tương lai sự mềm dẻo này cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng các khu vực phân phối riêng lẽ, và cho phép dịch vụ Wimax mang lại lợi ích cho các vùng địa lý và dân

cư rộng

Chuẩn 802.16 cũng hỗ trợ QoS khác nhau chi phối thỏa hiệp giữa tỷ lệ lỗi thực

và lỗi tiềm tàng Khả năng này cho phép công nghệ đưa ra hỗ trợ tốt hơn tới các loại đường truyền dữ liệu khác nhau Hầu hết các loại đường truyền dữ liệu chịu đựng mức độ lỗi tiềm tàng lớn nhưng tỷ lệ lỗi thực phải được điều khiển chặt Môi

Trang 32

trường thời gian thực như truyền thoại và hình ảnh, nói cách khác, là yêu cầu lỗi tiềm tàng thấp nhưng có một vài mức độ lỗi đường truyền có thể chấp nhận được

Vì vậy, QoS khác nhau cho phép một chuẩn truyền dữ liệu bắt tay được với tất cả các dịch vụ khác nhau có hiệu quả WiMAX cung cấp khả năng kết nối Internet không dây nhanh hơn so với WiFi, tốc độ uplink và downlink cao hơn, sử dụng được nhiều ứng dụng hơn, và quan trọng là vùng phủ sóng rộng hơn, và không bị ảnh hưởng bởi địa hình WiMAX có thể thay đổi một cách tự động phương thức điều chế để có thể tăng vùng phủ bằng cách giảm tốc độ truyền và ngược lại Để tăng vùng phủ, chuẩn WiMAX hoặc sử dụng mạng Mesh hoặc sử dụng antenna thông minh hoặc MIMO Dữ liệu truyền trong mạng WiMAX được phân chia thành 5 lớp dịch vụ với những ưu tiên khác nhau nhằm cung ứng QoS Ngoài ra bảo mật cũng là một đặc điểm vượt trội của WiMAX so với WIFI

2.5 Tình hình chuẩn hóa công nghệ Wimax

 Tháng 7/1999, IEEE thành lập nhóm làm việc về truy cập vô tuyến băng rộng gọi là BWA để xây dựng chuẩn mạng MAN vô tuyến có khả năng ứng dụng toàn cầu

 Kết quả sau 2 năm làm việc công bố chuẩn đầu tiên họat động ở băng tần 10-66 GHz được chấp nhận vào 12/2001

 Tháng 3/2002, IEEE thành lập nhóm nghiên cứu về truy cập vô tuyến băng rộng di động gọi tắt là MBWA

 Bộ tiêu chuẩn IEEE 802.16 về “giao diện vô tuyến cho hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng cố định” được công bố vào ngày 8/4/2002

 Nhóm nghiên cứu bổ sung sữa đổi chuẩn 802.16 mở rộng sang băng tần cấp phép và không cấp phép từ 2-11 GHz và đã được nhóm làm việc IEEE 802.16 và sau đó là ũy ban quản lý IEEE 802 chấp nhận làm chuẩn IEEE 802.16a vào 29/1/2003 và được công bố vào 01/04/2003

 Nhóm nghiên cứu bổ sung sữa đổi chuẩn 802.16 phát triển profile hệ thống băng tần 10-66 GHz để giúp đỡ đặc điểm tương tác giữa các thành phần và

đã được IEEE-SA Standards Board chấp nhận như chuẩn 802.16c vào ngày 11/12/2002

Trang 33

 Dự án 802.16d được thay thế bởi 802.16-RE-VD được IEEE-SA standards Board chấp nhận vào ngày 11/09/2003 và công bố như chuẩn IEEE 802.16-

2004 thay thế các bộ tiêu chuẩn 802.16-2001, 802.16c-2002 và

802.16a-2003

 Dự án 802.16e về lớp MAC và lớp vật lý cho di động và cố định ở băng tần cấp phép, được IEEE-SA Standards Board chấp nhận vào 07/12/2005 và chờ được công bố vào 01/2006

 Dự án 802.16f về quản lý thông tin được IEEE-SA Standards Board chấp nhận vào 22/09/2005 và công bố vào ngày 01/12/2005

 Dự án 802.16g về quản lý thủ tục và dịch vụ, dự án 802.16h đang phát triển Phiên bản tiêu chuẩn đầu tiên của WiMAX là 802.16 tập trung xử lý trong vùng băng tần 10-66 GHz; phiên bản mới hơn là 802.16a họat động trên phổ tần 2-11 GHz Kết hợp cả hai 802.16 và 802.16a định nghĩa một lược đồ điều chế sóng mang đơn giãn cho đường liên kết LOS ở băng tần phía trên 10 GHz Hơn nữa, định nghĩa thêm hai giao thức điều khiển truy cập môi trường OFDM cho đường liên kết NLOS phía duới 11 GHz và TDD/ FDD Bộ tiêu chuẩn không định nghĩa

cụ thể QoS và thuật toán lập chương trình, nhưng lại cho phép thực thi mềm dẻo giữa các nhà cung cấp

Trang 34

Chương III : Kỹ thuật điều chế OFDM 3.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay đặc biệt là trong hệ thống WiMAX di động Hiện nay kỹ thuật này ngày càng phát triển với việc cho ra đời nhiều chuẩn mới, nhưng nó vẫn dựa trên kỹ thuật OFDM cơ bản Ngoài ra OFDM cũng là một kỹ thuật được ứng dụng cho mạng 4G LTE đang được triển khai ở các nhà mạng hiện nay

Trong chương này sẽ trình bày khái niệm cơ bản ,những ưu nhược điểm, nguyên

lý điều chế, giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM Qua đó, chúng ta sẽ thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này được ứng dụng trong hệ thống WiMAX nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác

 Năm 1966, R.W Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ

 Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc) Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM

 Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI

 Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp

Trang 35

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh, ước lượng kênh để hạn chế lỗi xảy ra trên kênh truyền Do chất lượng kênh (độ fading

và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu

3.2.1.2.Khái niệm

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Như vậy OFDM là một giải pháp cho tính chọn lọc của các kênh pha đinh trong miền tần số Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số đồng nghĩa với tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn

so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô

Trang 36

tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh

3.2.1.3.Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một

số ưu điểm sau đây :

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền

(Inter OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng

- Cấu trúc máy thu đơn giản

Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

- Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền

- Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ

- Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu

3.2.2.Nguyên lý điều chế OFDM

3.2.2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Trang 37

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao.Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy 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

Hình 3.1 So sánh kĩ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kĩ thuật sóng

mang chồng xung (b)

Về bản chất ta có thể thấy rằng OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm

Trang 38

với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

3.2.2.2 Sơ đồ hệ thống OFDM

Hình 3.2 :Sơ đồ hệ thống OFDM

Theo sơ đồ hệ thống OFDM,dữ liệu nhị phân ban đầu được map và dữ liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng dữ liệu liệu thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp /song song (S/P) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp(chèn pilot) Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Tiếp theo, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,Fading…

Ở phía thu, tín hiệu tần số cao được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT bằng thuật toán FFT Sau

đó tùy vào cách mà tín hiệu điều chế ,sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (channel equalization)

Trang 39

Các symbol hỗn hợp thu được sẽ sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Hình 3.3 Hệ thống OFDM cơ bản

Hình 3.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng

dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có

Trang 40

tốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất.Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 3.5 : Phổ của sóng mang con

 Đơn sóng mang (single carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang

Hình 3.6 Truyền dẫn sóng mang đơn

Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	3,06 MB