Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM

Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Trường đại học bách khoA hà nội

ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

L ỜI CẢM ƠN!

Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dìu dắt em trong suốt thời gian theo học tại trường Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là Thầy Trần Đức Hân người trực tiếp hướng dẫn tốt nghiệp đã đôn đốc, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Đồng thời, em cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè, đặc biệt là Thầy Nguyễn Văn Đức đã có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ em để em có thể thực hiện tốt bản luận văn này

Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế về mặt thời gian và kiến thức nên bản luận văn này của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được các thầy

cô giáo, các bạn bè đồng sự nhận xét, góp ý cho em để em có thể hoàn thiện bản luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày….tháng 10 năm 2005

Học viên

Nguyễn Thu Hà

ANSI America National Standards Institute

ATM Asynchronous Tranfer Mode

BER Bit Error Ratio

BLER Block Error Ratio

BPSK Birary Phase Shitf Keying

CS Channel Segregation - DCA

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/CA

CT2 2nd Generation Cordless Phone

DAB Digital Audio Broadcasting

DCA Dynamic Channel Allocation

DCA-LSWO DCA using Limited Search with Weight Ordering DCA-WCAR DCA with Weight Carrier Ordering

DCA-WCHN DCA with Weighted Channel Ordering

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DFT Discrete Fourier Tranform

DSP Digital Signal Processing

DVB Digital Video Broadcasting

DVB-C Digital Audio Broadcasting Cable

DVB-S Digital Audio Broadcasting Sateline

DVB-T Digital Audio Broadcasting

ETSI European Telecomunications Standards Institute

FA First Available DCA using interference power threshold

FDMA Frequency Division Multiple Accesss

FFT Fast Fourier Tranform

FIC Fast Imformation Channel

FIR Finite Impulse Response Filter

GSM Global Systems for Mobile Telecommunication

HCA Hybrid Channel Allocation

HDR High Data Rate

HIPERLAN High Performance radio LAN

HNN Hopfield Neural Network

HTA Highest Interference below Threshold Algorithm ICI Inter-Carrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform

IEEE Institute Electrical and Electronic Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Tranform

IP Internet Protocol

ISI Inter Symbol Interference

ITM International Mobile Telecommunication

ITU International Telecommunication Union

ITU-R International Telecommunication Union-Radio LAN Local Area Network

LCA Lowest Channel below Threshold Algorithm

LI DCA using the Least Interfered method

LTA Lowest Interference below Threshold AlgorithmMAC Media Access Cotroll

MS Mobile Station

MSC Main Service Channel

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAM Pulse Amplitude Modulation

PDC Personal Digital Cellular

PRBS Pseudo Random Binary Sequence

PSK Phase Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RND DCA using Random Channel Allocation

SIR Signal to Interference Ratio

SNR Signal to Noise Ratio

SRA Staggered Resource Allocation

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Accesss

TDMA/DSA Time Division Multiple Access with Dynamic Slot Assignment VDSL Very High Digital Subcriber Line

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 6

1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM 6

1.1.1 Mở đầu 6

1.1.2 Đa sóng mang 7

1.1.3 Sóng mang trực giao 13

1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM 14

1.1.5 Đặc điểm của OFDM 19

1.1.6 Tổ chức kênh trong OFDM 22

1.1.7 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang 26

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 28

1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM 31

1.3.1 Phát thanh quảng bá số (DAB) 31

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) 34

1.3.3 Wireless LAN 36

CHƯƠNG 2: MA TRẬN CẤP PHÁT KÊNH 39

2.1 Vấn đề chuyển giao 39

2.2 Ma trận cấp phát kênh 41

2.2.1 Phân tán không thực hiện đo 44

2.2.2 Tập trung không thực hiện đo 47

2.2.3 Phân tán có thực hiện đo 48

2.2.4 Tập trung có thực hiện đo 50

CHƯƠNG 3: SO SÁNH CẤP KÊNH TĨNH VÀ CẤP KÊNH ĐỘNG 52

3.1 Vấn đề cấp phát kênh trong di động 52

3.2 Cấp phát kênh tĩnh FCA 55

3.2.1 Các thuật toán dùng trong cấp phát kênh tĩnh 58

3.2.2 Cấp phát kênh tĩnh mức cao 65

3.3 Cấp phát kênh động DCA 66

3.3.1 DCA dựa trên mức ngưỡng 67

3.3.2 DCA trên cơ sở quyền ưu tiên 70

3.3.4 DCA trên cơ sở ma trận cấp kênh 79

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SO SÁNH DCA VÀ FCA CHO MẠNG OFDM/TDD CELLULLAR 81

4.1 Mô tả hệ thống cellular 81

4.2 Mô tả thuật toán 83

4.3 Các kết quả mô phỏng 90

4.4 Kết luận 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền 10

Hình 1-2 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang 10

Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang 11

Hình 1-4 Phổ tần số giữa các kênh con trong điều chế đa sóng mang 12

Hình 1-5 Các sóng mang trực giao 13

Hình 1-6 Biểu diễn các sóng mang com 13

Hình 1-7 Phổ mật độ công suất 15

Hình 1-8 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao 16

Hình 1-9 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM) 17

Hình 1-10 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống OFDM 19

Hình 1-11 Đáp ứng tần số kênh đa đường 20

Hình 1-12 Tín hiệu phản xạ trong khoảng bảo vệ 21

Hình 1-13 Phân chia kênh trong OFDM 23

Hình 1-14 Sắp xếp các sóng mang phụ 23

Hình 1-15 Chèn khoảng bảo vệ 24

Hình 1-16 Các sóng mang đồng bộ 25

Hình 1-17 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình 29

Hình 1-18 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB 32

Hình 1-19 Sơ đồ khối máy thu DAB 33

Hình 1-20 Khối OFDM trong hệ thống DVB-T 35

Hình 2-1 Microcell và Marcocell trong hệ thống mạng tổ ong phân 2 lớp 41

Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh 43

Hình 2-3 Cấp kênh trong mạng có phân bố lưu lượng đồng đều 46

Hình 3-1 Các phương pháp cấp kênh 53

Hình 3-2 Sơ đồ biểu diễn nơron thứ i 58

Hình 3-3 Mạng HNN (điểm chấm đen biểu diễn một điểm kết nối) 59

Hình 3-4: Quá trình trong thuật toán Genetic 60

Hình 3-5 Quá trình Sàng lọc 61

Hình 3-6 Biểu diễn chuỗi s của 1 cá thể 62

Hình 3-7 Lựa chọn Roulette Wheel – kích thước section tỷ lệ với hàm phù hợp ( s2) 62

Hình 3-8 Sắp xếp các khe thời gian-TS trong SRA (các chỉ số xác định chỉ số TS) 64

Hình 3-9 Thông lượng trung bình cho mỗi cell 76

Hình 3-10 Thông lượng trung bình khi dùng DCA như % lưu lượng đầu vào 77

Hình 3-11 Mật độ xác suất sử dụng kênh trong cell, DCA 78

Hình 4-1 Quá trình điều chế OFDM theo mô 82

Hình 4-2 Nhiễu đồng kênh trong mạng OFDM/TDD, hệ số sử dụng lại f là 100% 84

Hình 4-3 Khái niệm DCA phân bổ cho mạng OFDM/TDD hệ số sử dụng lại f 100% 84 Hình 4-4 Cấu trúc khung MAC của BS hoặc MS chế độ phát 86

Hình 4-5 Cấu trúc khung MAC của BS hoặc MS chế độ thu 86

Hình 4-6 Sơ đồ khối của thuật toán DCA kiến nghị cho các mạng OFDM/TDD 88

Hình 4-7 Thông lượng của hệ thống theo lượng tải trung bình 91

Hình 4-8: Thông lượng của hệ thống theo lượng tải trung bình 92

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 Vị trí các sóng mang pilot 26

Bảng 1-2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB 34

Bảng 1-3 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T 35

Bảng 1-4 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN 37

Bảng 1-5 Một số tham số vật lý của HiperLAN 2 và 802.11a 37

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM

1.1.1 M ở đầu

Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Để phục vụ cho “sau 3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng của IMT-2000 Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng chuyển động chậm Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin

Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên

Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth… Đồng thời hỗ trợ các dịch vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động

ổn định và dịch vụ chất lượng cao Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới Trong số các phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật điều chế đa sóng mang là chia luồng bít cần truyền thành nhiều luồng bít nhỏ để truyền trên nhiều kênh truyền con khác nhau Tốc độ dữ liệu trên các kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ dữ liệu tổng, điều này giúp

tránh nhiễu xuyên giữa các ký tự (ISI) Băng thông của các kênh con nhỏ nên đáp ứng của kênh truyền có thể coi như không phụ thuộc tần số và làm giảm độ phức tạp phần khôi phục và cân bằng kênh truyền

OFDM (Orthogonal Frequency Division Mutilplexing), một phương hướng

mở rộng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau Bên cạnh những ưu điểm được kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều

1.1.2 Đa sóng mang

Dạng đơn giản nhất của điều chế đa sóng mang là dữ liệu được chia thành nhiều luồng nhỏ để truyền qua các kênh con trực giao với nhau tại các tần số sóng mang khác nhau Số lượng sóng mang được lựa chọn sao cho độ dài ký tự tại các kênh con lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con hay băng thông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền Điều kiện đó ngăn chặn nhiễu giao thoa giữa các ký tự trong mỗi kênh truyền con

Trên hình 1.1 minh họa hiệu quả của chống nhiễu ISI trong hệ thống điều chế

đa sóng mang Với cùng tốc độ cần truyền, khi số lượng sóng mang tăng làm giảm tốc độ dữ liệu trên mỗi kênh truyền và tăng độ dài của mỗi ký tự Với hệ thống đơn sóng mang, đáp ứng của các bit bị chồng lấn lên nhau, nhiễu ISI lớn

Với một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông B

Giả sử kênh truyền là kênh Fading lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh truyền

(B c ) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (B c <B) Hệ thống được chia nhỏ thành N hệ

thống điều chế con, mỗi kênh truyền con có băng thông B N = B/N << B c , cho phép

ngăn chặn nhiễu fading trên mỗi kênh con Tương ứng trên miền thời gian TN ≈ 1/BN >> 1/BC ≈ Tmvới Tmlà thời gian trễ của kênh truyền Do vậy nếu N càng lớn

thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh truyền nên ngăn chặn được nhiễu ISI trong kênh truyền

Hình 1-1 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền

Tín hiệu điều chế đa sóng mang được tạo ra bởi hệ thống (hình 1.2), dữ liệu gồm N đường khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để sửa dạng tín hiệu thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BNvới β là hệ số của xung Tín hiệu điều chế kết hợp

của tất cả các kênh con được cộng lại để tạo dạng tín hiệu phát s(t)

N i

i i i

trong đó silà ký tự cần truyền trên sóng mang thứ i, φi là sai pha của sóng mang thứ

i, sóng mang thứ i có tần số f i = f 0 + i.B N với i = 0, 1, 2,…, N-1

Hình 1-2 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang

Khối mapper là khối chuyển đổi tương ứng một chuỗi bít thành ký tự phức, khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi như QAM, QPSK, …

Bộ thu cho kiểu điều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện như Tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền được

cho qua các bộ lọc để tách ra tín hiệu tương ứng trong từng kênh con khác nhau Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tương ứng và ánh xạ ngược các ký tự thu được để thu được chuỗi bit của từng kênh truyền Bộ chuyển đổi nối tiếp song song liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại dạng dữ liệu ban đầu

Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang

Xung sửa dạng bị giới hạn nên băng thông cần thiết cho mỗi kênh con cần

mở rộng thêm một lượng là ε T N Vì thế băng thông cần thiết cho mỗi kênh con là

(1+ +β ε ) T N và băng thông tổng cần thiết cho cả hệ thống N sóng mang là:

Hình 1-4 Phổ tần số giữa các kênh con trong điều chế đa sóng mang

Hệ thống điều chế đa sóng mang minh họa như trên có cách xử lý tín hiệu điều chế đa sóng mang một cách đơn giản và đầy đủ Điều chế đa sóng mang được ứng dụng trong các hệ thống thông tin băng rộng, tại đó băng tần dành cho hệ thống lớn (cỡ chục MHz) nên khi đó hàm truyền đạt của toàn bộ kênh truyền phụ thuộc vào tần số, việc khôi phục hàm truyền đạt sẽ rất phức tạp Khi ứng dụng điều chế đa sóng mang thì các kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn nên có thể coi như hàm truyền đạt của từng kênh con không phụ thuộc vào tần số Trong khoảng thời gian giữa hai lần đánh giá kênh truyền có thể coi như hàm truyền đạt không đổi, hàm truyền đạt vừa không phụ thuộc tần số vừa bất biến theo thời gian, rất dễ dàng khôi phục tín hiệu

1.1.3 Sóng mang trực giao

Hình 1-5 Các sóng mang trực giao

Hình 1-6 Biểu diễn các sóng mang com

Hình (1 a)(2a)(3a)(4a) biểu diễn các subcarrier tương ứng với 1,2,3,4 chu kỳ ký tự, pha của các subcarrier u là 0 (mỗi subcarrier là bội số nguyên chu kỳ ký tự)

Hình (1b) (2b) (3b) (4b) biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian tương ứng với hình (1a)(2a)(3a)(4a) H ình (4a) và (4b) là kết quả tổng hợp của 4 subcarrier

Trùc giao

Các hàm được coi là trực giao với nhau nếu thoả mãn điều kiện sau:

t íi

M 1,2,3 , k

T t 0 víi t)

v

kf t

0

2 sin(

)

(1.4) các hàm này biểu diễn các subcarrier cho tín hiệu OFDM chưa điều chế Trong đó f0

là khoảng cách giữa các subcarrier, M là số subcarrier, T là chu kỳ ký tự Do thành phần có tần số cao nhất là Mf0 nên băng tần cũng là f0

1.1.4 C ơ sở phương pháp OFDM

Thực chất phương pháp OFDM là chia dòng dữ liệu đầu vào thành nhiều dòng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần Sau đó truyền chúng trên trên những sóng mang phụ như là những kênh con Các sóng mang phụ được ghép tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu với nhau Việc ghép như vậy làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần rõ rệt

Một sóng mang phụ về mặt toán học ψi(t) được biểu diễn dưới dạng hàm Exp

như sau:

ψi(t) = Ae j(2πft) (1.5)trong đó f =

ft2sinA)

Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ trực giao nhau khi chúng thoả mãn điều kiện:

b

a

dt)t(

*m)

t(

n( t ) = e ϖ0

) t m ( j

0

2TT

1f

a

) t m ( j ) t n ( j b

a

* m

n( t ) ( t ) dt e e dt (1.14)

f

1/T-1/T

Ψ

O (khi : n ≠ m)

K (khi : n = m)

Do n ≠m (n,m ∈ N) nên

ej(n-m)2π = Cos[2π(n- m) ] + j sin[2π(n- m)] = 1 Vậy tích phân của 2 hàm Exp có tần số liên tiếp là ωn+1 = ωn+ 2π.1/T0 xác định trong khoảng (a, a+T0) có giá trị bằng 0 là trực giao nhau

Hình 1.8 biểu diễn mật độ phổ của 2 sóng mang có tần số liên tiếp trực giao nhau Ý nghĩa vật lý của nó là khi giải điều chế một sóng mang này bộ giải điều chế

sẽ "Không thấy" sóng mang kia Nghĩa là các sóng mang không gây nhiễu lẫn

nhau Về mặt phổ tín hiệu, điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang sẽ trùng với điểm phổ có năng lượng bằng không của sóng mang lân cận Do các sóng mang đặt rất gần nhau nên hiệu quả sử dụng phổ rất cao

Hình 1-8 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao

f

Hình 1-9 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM)

Như vậy, tính trực giao giữa các sóng mang phụ có thể được lý giải như sau Mỗi sóng mang phụ được điều chế bởi dòng dữ liệu con sẽ cho phổ như hình 1.7 Khi khoảng cách giữa các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho thỏa mãn tính trực giao nhau, nghĩa là đỉnh phổ của một sóng mang phụ trùng với các điểm không của phổ các sóng mang phụ còn lại Việc giải điều chế của từng sóng mang phụ vì thế

sẽ không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang phụ khác Điều này giống như việc giải điều chế kết hợp không có ISI (Inter Symbol Interference) thực hiện trong miền thời gian đối với tín hiệu số truyền qua kênh có đặc tính lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, ở đây chỉ khác là tính trực giao được xét trong miền tần số

Khi số lượng các sóng mang phụ lớn (hàng ngàn sóng mang), việc chế tạo dãy các bộ dao động hình sin và các bộ giải điều chế kết hợp trong hệ thống OFDM trở nên không thể thực hiện được Tuy nhiên, có thể thấy rằng tín hiệu đa tần như trên chính là biến đổi Fourier của chuỗi số liệu nối tiếp đầu vào, còn tập các bộ giải điều chế kết hợp tại máy thu lại chính là bộ biến đổi ngược Fourier

Xét dãy dữ liệu (d0, d1, d2… dN-1), trong đó mỗi thành phần dn là một số phức dn = an + jbn Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc DFT (Discrete Fourier

n

f

Transform) trên véc-tơ { dn}, n = 0, 1, 2,…, N-1 sẽ cho kết quả một véc-tơ S =

(S0, S1,… SN-1) gồm N số phức Sm

1 , , 1 , 0

;

1

0 2 1

0

) / 2

e d e

d S

N

n

t j n N

n

N nm j n m

m n

π

trong đó

tN

+π

+π

Hình 1.10 là sơ đồ nguyên lý đơn giản của hệ thống truyền dẫn tín hiệu số sử dụng OFDM Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Dòng dữ liệu đầu vào được mã hóa Gray thành dòng symbol, trong đó mỗi symbol Ck tương ứng với một

số phức ak+jbk (một điểm trên chòm sao tín hiệu) Dòng symbol nối tiếp được biến đổi thành N dòng thứ cấp song song Đó chính là dữ liệu đầu vào (Data in) N dòng

dữ liệu song song tiếp tục đưa vào khối biến đổi ngược Fourier rời rạc (IDFT), kết quả biến đổi ngược Fourier được chuyển đổi thành dạng nối tiếp, được xử lý bởi bộ

lọc thông thấp và tiếp tục đến bộ điều chế vuông góc (I-Q) để chuyển phổ lênh vùng tần số cao RF

Tại máy thu, tín hiệu được giải điều chế vuông góc, lấy mẫu theo tốc độ symbol 1/T0 và đưa đến bộ biến đổi Fourier rời rạc để khôi phục tín hiệu ban đầu Chuỗi symbol song song đầu ra này được biến đổi song song- nối tiếp và giải mã để nhận được dòng dữ liệu ban đầu

Hình 1-10 S ơ đồ khối nguyên lý hệ thống OFDM

1.1.5 Đặc điểm của OFDM

Khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường là một trong các đặc tính

ưu việt của phương pháp OFDM Đặc tính của kênh truyền sóng đa đường có dạng như trên hình 1.11, trong đó có tồn tại khe pha đinh chọn lọc tần số xuất hiện như một biến ngẫu nhiên Trên thực tế khe pha đinh có thể làm gián đoạn một số sóng mang và gây một số symbol lỗi Nhưng do việc chèn xen kẽ và sử dụng mã sửa sai, các symbol lỗi có thể sửa được dễ dàng

Trong miền thời gian, tín hiệu do phản xạ từ các chướng ngại vật sẽ đến máy thu trễ trong vòng hàng chục µs Do đó, nếu chu kỳ tín hiệu số trên sóng mang dài

hơn khoảng thời gian trễ nói trên thì tiếng vọng từ các symbol trước sẽ tắt trong một phần nhỏ của symbol đang xét Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được vì hệ thống OFDM thực hiện việc chuyển từ truyền nối tiếp sang truyền song song nên cho phép kéo dài symbol ứng với mỗi sóng mang phụ lên N lần

Hình 1-11 Đáp ứng tần số kênh đa đường

Ngoài ra, để ổn định sóng mang thì khoảng thời gian bảo vệ Tguard (lên tới

10 ÷ 25 % thời gian truyền tín hiệu) được chèn thêm vào trước khoảng thời gian symbol tích cực là TU Do có thêm khoảng thời gian bảo vệ này mà tại máy thu các tiếng vọng không được bộ giải điều chế xử lý khi chúng nằm trong khoảng bảo vệ

Việc tăng khoảng bảo vệ để giúp cho máy thu có thể thu sóng vô tuyến cao tần RF (Radio Frequency) từ nhiều đường sóng phản xạ có độ trễ lớn Nhưng ngược lại hiệu suất truyền dữ liệu bit sẽ giảm vì khoảng thời gian đó không được truyền dữ liệu Hiệu suất truyền tải dữ liệu khi chèn thêm khoảng bảo vệ như sau:

g U

UTT

T+

=

trong đó η : hiệu suất truyền tải dữ liệu

TU : thời gian của symbol tích cực

Tg : Khoảng thời gian bảo vệ

Tác dụng của khoảng bảo vệ trong miền thời gian với tín hiệu phản xạ nhiều đường được trình bày trong hình 1.12 Để đơn giản, ta giả định giá trị dữ liệu đầu vào chỉ

có một trạng thái không đổi (nghĩa là toàn bộ giá trị bit là 1 hoặc 0) Tín hiệu biên

độ và pha trên sóng mang phụ không đổi

Biên độ

Hình 1-12 Tín hiệu phản xạ trong khoảng bảo vệ

Để tạo nên tín hiệu truyền đa sóng mang OFDM, với quan hệ giữa symbol miền thời gian sang miền tần số, bằng phép toán biến đổi nhanh Fourier Một tín hiệu được phát đi chỉ là tín hiệu hàm cosin tuần hoàn

Khi sóng vô tuyến lan truyền tạo ra nhiều đường truyền Tại một điểm thu xác định, máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều đường, do sóng truyền thẳng và sóng phản xạ Tín hiệu phản xạ có cùng dạng với tín hiệu chính (truyền thẳng) nhưng bị dịch pha và biên độ có suy giảm Ngoài ra còn có tín hiệu nhận được từ một máy phát khác, phát đi trên cùng kênh sóng vô tuyến, có cùng chung nguồn dữ liệu đầu vào.Tại máy thu, tín hiệu thu được sẽ là tín hiệu tổng hợp bao gồm tín hiệu sóng

truyền thẳng, tín hiệu sóng phản xạ và tín hiệu từ một máy phát khác cùng kênh tần

số Do có sự tổng hợp biên độ và pha của các sóng và biến các sóng phản xạ không

có ích thành sóng có ích, nên sóng thu nhận tổng hợp sẽ được ổn định theo sau khoảng thời gian symbol tích cực TU

Hệ thống OFDM còn có khả năng chịu đựng nhiễu băng hẹp Nếu trong phạm vi phủ sóng có tồn tại nguồn nhiễu băng hẹp rơi vào kênh tần hoạt động của

hệ thống OFDM thì hệ thống có thể chấp nhận không truyền một số sóng mang bằng cách đặt biên độ các sóng mang đó bằng 0 Tình trạng này cũng tương tự như

trường hợp một số sóng mang bị suy giảm do tác động của pha đing chọn lọc tần số Khi đó chính hệ thống OFDM cũng giảm thiểu được việc gây nhiễu đến hệ thống được xem là nguồn nhiễu kia Khả năng này rất có ý nghĩa khi trong vùng phủ sóng

có tồn tại cả kênh truyền hình tương tự và truyền hình số

1.1.6 Tổ chức kênh trong OFDM

Phân chia kênh

Hệ thống OFDM thực hiện việc phân chia kênh truyền dẫn trong cả miền thời gian

và miền tần số, kênh tần số được tạo bởi các băng tần phụ và các đoạn thời gian liên tiếp Hình 1.13 mô tả sự phân kênh của OFDM

time

RF Channel bandwidth

frequency sub-band

time segment

Hình 1-13 Phân chia kênh trong OFDM Các sóng mang phụ

Trong mỗi symbol OFDM (ứng với mỗi time-segment), mỗi dải tần phụ có một sóng mang phụ Các sóng mang phụ được sắp xếp trực giao nhau, khoảng cách giữa các sóng mang phụ bằng nghịch đảo của một chu kỳ symbol Hình 1.14 biểu diễn sự sắp xếp của các sóng mang phụ

time

frequecy

OFDM symbol

Hình 1-14 S ắp xếp các sóng mang phụ

Chèn khoảng bảo vệ

Do có tiếng vọng (Echoes) gây nên bởi hiệu ứng truyền đa đường, nên phần đầu mỗi symbol sẽ bị nhiễu bởi symbol trước đó OFDM khắc phục điều này bằng cách chèn thêm một khoảng bảo vệ trước mỗi symbol như trên hình 1.15

frequency

Useful symbol duration Guard Interval

duration

OFDM symbol

ước lượng phần đầu của khung OFDM

Trong quá trình giải điều chế, máy thu phải lấy mẫu chính xác tín hiệu trong khoảng thời gian hữu ích của symbol OFDM Do vậy một cửa sổ thời gian sẽ được

ấn định trong khoảng thời gian đó

Hệ thống sử dụng các sóng mang phụ "pilot" trải đều trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò là các điểm đánh dấu đồng bộ (Synchronisation Markers) như trên hình 1.16 Tín hiệu pilot được sử dụng để đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian, đánh giá kênh truyền, nhân dạng mode truyền

Các sóng mang Pilot được xác định tại các vị trí cố định trong mỗi symbol OFDM

và có số lượng là 45 Pilot carriers cho mode 2K và 177 Pilot carriers cho mode 8K.Vị trí và số lượng sóng mang Pilot trong một chu kỳ symbol đối với mode 2K hoặc 8K được cho ở bảng 1.1

Hình 1-16 Các sóng mang đồng bộ

Tín hiệu Pilot được điều chế bởi chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) Chuỗi này cho phép khống chế pha ban đầu của tín hiệu tham số truyền TPS Bộ phát PRBS hoạt động theo đa thức:

Sự phân chia kênh, mã hoá dữ liệu, chèn khoảng bảo vệ và các sóng mang đồng bộ tạo ra các đặc tính cơ sở của phương pháp điều chế OFDM Các đặc tính này làm giảm khả năng truyền tải của kênh hay là tốc độ bit hiệu dụng Tuy nhiên, chúng tạo ra khả năng lựa chọn hợp lý giữa khả năng chống lỗi và dung lượng kênh

1.1.7 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang

Hệ thống OFDM có hiệu quả giảm ISI hơn hệ thống đơn sóng mang sử dụng

bộ cân bằng miền thời gian, đặc biệt cho các kênh với trễ lớn, thuật toán FFT thực hiện trong OFDM làm độ phức tạp tính toán giảm nhiều so với việc cân bằng miền thời gian trong hệ thống đơn sóng mang Tuy nhiên, với kích thước FFT lớn, một hệ thống đơn sóng mang có cân bằng miền tần số sẽ có ít phức tạp hơn cân bằng miền thời gian

Về khuếch đại công suất, nếu dãy số liệu được điều chế sử dụng PSK, tín hiệu ra của hệ thống đơn sóng mang có biến đổi đường bao ít Với hệ thống đa sóng mang, như OFDM, biến đổi đường bao lớn nên yêu cầu một bộ khuếch đại công suất hồi tiếp lớn, làm cho khuếch đại công suất không hiệu quả Do đó, bộ khuếch đại cho hệ thống đơn sóng mang có hiệu quả công suất cao hơn so với ở hệ thống OFDM

Thứ hai là tác động của mã hoá kênh đến hiệu năng hệ thống Hiệu năng của một hệ thống truyền thông thường được đo bằng BER với SNR xác định Xét trường hợp kênh fading lựa chọn tần số, với hệ thống đơn sóng mang sử dụng phương thức cân bằng miền tần số kênh được cân bằng trong miền tần số, tín hiệu được biến đổi về miền thời gian trước khi quyết định các bit Điều này nghĩa là năng lượng của một bit riêng biệt được phân bố trên toàn bộ phổ tần số Còn đối với một hệ thống OFDM, năng lượng của một bit riêng biệt chỉ chiếm một phần nhỏ của phổ tần số vì xử lý quyết định được thực hiện trong miền tần số Kết quả là với một rãnh V sâu tại một dải tần chính trên độ rộng băng kênh làm giảm năng lượng bit nhỏ đối với một hệ thống đơn sóng mang, nhưng với OFDM nó có thể ảnh hưởng lớn năng lượng bit tại một vài sóng mang con làm cho các bit trên các sóng mang con này là không tin cậy

Trong thực tế, BER cho hệ thống đơn sóng mang bị quyết định bởi SNR trung bình trên toàn bộ độ rộng băng tần của kênh, trong khi với OFDM nó bị quyết định bởi các sóng mang con có SNR nhỏ nhất Để giảm BER của OFDM gây bởi fading lựa chọn tần số, có thể lập về 0 biên độ các sóng mang con (gọi là sóng mang con ảo) mà tại các rãnh V sâu trước khi thực hiện IFFT ở phía phát Tuy nhiên nếu kênh phân tán thời gian, các rãnh V sâu sẽ xuất hiện ngẫu nhiên trên độ rộng băng kênh Trường hợp này, mã hoá kênh với khả năng hiệu chỉnh lỗi là cần thiết để làm cho các bit trên các rãnh V sâu đáng tin cậy hơn và giảm BER

Ưu điểm

- Hiệu quả sử dụng phổ cao do các subcarrier chồng lên nhau

- Do chia nhỏ thành các băng hẹp nên các subcarrier chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng, dễ cân bằng Một trong lý do chính sử dụng OFDM là tăng khả

năng chống nhiễu băng hẹp và fading lựa chọn tần số

- Loại bỏ được nhiễu xen ký tự do sử dụng cyclic prefix

- Mã hoá và ghép xen kênh thích hợp giúp cho việc khôi phục dữ liệu đã mất nhờ lựa chọn tần số của kênh đó

- Cân bằng kênh đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng thích nghi sử dụng trong các

hệ thống đơn sóng mang

Nh ược điểm

- Tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng bởi tạp âm biên độ với dải động lớn, do đó đòi hỏi bộ khuếch đại công suất RF có mức đỉnh cao so với tỷ số công suất trung bình

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 1-17 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình

Khối biến đổi nối tiếp sang song song

Luồng số liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2 bít/từ cho QPSK) và chuyển thành dạng song song Dữ liệu được phát song song bằng cách gán mỗi từ cho một sóng mang để điều chế tín hiệu

Khối biến đổi Fourier ngược

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

Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Thông thường, N được lấy là một luỹ thừa nguyên của 2, cho phép ứng dụng các thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả cao hơn cho điều chế và giải điều chế

Khối chèn khoảng bảo vệ

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

Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ gia tăng lớn nhất của kênh nhiễu

đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu

Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 tới 1/4 thời gian ký tự, làm giảm SNR tới 0.5–1 dB

Sau khi chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu được biến đổi trở lại dạng nối tiếp là tín hiệu băng gốc trong truyền dẫn OFDM

Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, mô hình cho phép điều khiển tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và cắt công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một số lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đường được mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất trong khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi

Máy thu

Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát Góc pha của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải điều chế

pha thu được Các từ số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích thước giống nhau như ban đầu

Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM tốt Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký tự OFDM và để đồng chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải điều chế

Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được thực hiện đủ chính xác thì dẫn đến mất tính trực giao của các sóng mang con do nhiễu ISI và ICI

1.3 Một số hệ thống ứ ng dụng OFDM.

Sự phát triển của kỹ thuật xử lý số và mạch vi điện tử với tốc độ cao, dẫn tới sự kết hợp của hai kỹ thuật này tạo được các vi mạch DSP có khả năng tính toán nhanh giúp tạo tín hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả Nhờ vậy kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin khác nhau như: hệ thống phát thanh

số (DAB), hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB-T), mạng LAN không dây …

1.3.1 Phát thanh quảng bá số (DAB)

DAB (Digital Audio Broadcasting) là chuẩn truyền dẫn số mới, được phát triển bởi dự án Eureka147, đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế giới DAB có thể đem đến cho người nghe tín hiệu không có nhiễu, âm thanh chất lượng cao, dễ dàng trong xử dụng và không hạn chế khả năng mở rộng mạng thông qua việc phát triển các trạm phát, phát triển các dịch vụ mới

DAB tuy mới là mạng phát thanh quảng bá mặt đất nhưng có thể mở rộng thành mạng phát thanh quảng bá qua vệ tinh trong tương lai Chúng ta có thể nhận được chất lượng chương trình radio tương đương chất lượng chương trình trong đĩa

CD trên xe hơi chỉ với một chiếc anten vô hướng nhỏ DAB hỗ trợ truyền dẫn đa mục đích, ngoài khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được ảnh text, dữ liệu, thậm chí cả hình ảnh Hãy tưởng tượng vừa nghe nhạc vừa xem lời bài hát cùng một

lúc, đồng thời cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình thời tiết trong ngày Không cần đọc bản đồ để tìm đường vì hệ thống có thể cung cấp đường đi gần nhất, trạng thái của các trạm gửi xe và tình hình giao thông trong thành phố Nếu chiếc xe

là một trạm làm việc lưu động người dùng cũng có thể truy cập internet thông qua DAB radio

Được ETSI chuẩn hóa năm 1995, DAB là tiêu chuẩn đầu tiên của OFDM DAB tạo một mạng tần số đơn và xử lý hiệu quả trễ đa đường để cải thiện âm thanh chất lượng CD, các dịch vụ số liệu mới và hiệu qủa sử dụng phổ cao hơn

Hình 1-18 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB

Tín hiệu của các dịch vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất của các nguồn tin, mã hóa chống lỗi và mã hóa kênh Sau đó các dịch vụ được ghép kênh trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Channel) Tín hiệu ra khỏi MSC được liên kết với tín hiệu điều khiển ghép kênh và tín hiệu đồng bộ dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC), để tạo dạng khung truyền trong bộ ghép kênh Cuối cùng OFDM được sử dụng để tạo dạng tín hiệu DAB gồm một số lượng lớn các

Mã hóa Audio

Mã hóa Kênh

Mã hóa Kênh Trộn gói

Tần số Radio

Đồng bộ dịch vụ Đồng bộ ghép kênh

FIC

sóng mang Tín hiệu truyền đi xa bằng sóng vô tuyến điện cao tần bằng các phương pháp điều chế thông thường

Hiện nay trên thế giới có khoảng 300 nghìn người xử dụng hơn 600 dịch vụ của DAB Máy thu tín hiệu DAB đã được thương mại hóa từ mùa hè năm 1998, cho đến nay đã có khoảng 80 loại khác nhau Hình thể hiện cấu trúc chung của bộ nhận tín hiệu DAB Toàn bộ tín hiệu DAB được lựa chọn bởi lựa chọn tín hiệu tương tự (bộ lọc tương tự), tín hiệu sau khi giải điều chế cao tần được đưa qua giải mã OFDM và giải mã hóa kênh để thu được thông tin dạng tín hiệu số Những thông tin trong kênh FIC được đưa tới giao diện người cho việc lựa chọn các dịch vụ và các đường dữ liệu tương ứng Dữ liệu trong kênh dữ liệu chính (MSC) được xử lý trong

bộ giải mã Audio để tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải hoặc trong bộ giải

mã dữ liệu để tách thành các đường dữ liệu tương thích

Hình 1-19 Sơ đồ khối máy thu DAB

Chọn

Giải mã Audio

Giải trộn gói

Điều khiển

GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG

CONTROL BUS

Giải điều chế OFDM

Dịch vụ Data

MSC

FIC

Dịch vụ Audio

Hệ thống DAB có 3 kiểu khác nhau với số lượng sóng mang trong điều chế OFDM khác nhau Mode 1 được ứng dụng truyền với khoảng cách xa, ít vật cản, Mode 2 và Mode3 dùng trong khoảng cách ngắn, có nhiều chướng ngại vật, nhiễu lớn

1,536MHz

758 DQPSK

250 µs ts/4 (62,5 µs) 2,4Mbps

1,536MHz

384 DQPSK

125 µs ts/4 (31,25 µs) 2,4Mbps

Bảng 1-2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB)

Các chuẩn về truyền hình số mặt đất (DVB) bắt đầu được khởi động từ năm

1993 DVB hệ thống truyền dẫn dựa trên nền tảng chuẩn MPEG2, một phương thức nén âm thanh và hình ảnh chất lượng cao DVB ra đời thúc đẩy sự thay thế các chuẩn truyền hình tương tự, nó cung cấp đường truyền lý tưởng cho các dịch vụ âm thanh, hình ảnh và data Chuẩn DVB chỉ ra các giao thức được ứng dụng trong các môi trường truyền dẫn khác nhau như vệ tinh (DVB-S), cáp (DVB-C), mặt đất (DVB-T) Lớp vật lý của các chuẩn này đều nhằn đạt tới mục tiêu tối ưu hóa kênh truyền Truyền hình vệ tinh sử dụng đơn sóng mang dùng điều chế QPSK cho phép dịch tần Doppler lớn, và cho hiệu xuất sử dụng năng lượng cao Nhưng kiểu truyền này không thích hợp với truyền dẫn mặt đất bởi nhiễu đa đường làm giảm tốc độ truyền đơn sóng mang OFDM được sử dụng trong chuẩn truyền dẫn mắt đất của DVB (DVB-T) DVB-T có hai kiểu truyền dẫn khác nhau số sóng mang sử dụng