Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong thông tin di động

Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong thông tin di động Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong thông tin di động Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong thông tin di động 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

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐINH THỊ MƠ

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFBMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

K Ỹ THUẬT ĐIỆN TỬ TIN HỌC

N GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUY ỄN VĂN ĐỨC

1.3 Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 18

1.3.3.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 26

1.3.4.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế 30

1.3.4.3 Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi

nhanh FFT

32

miền thời gian

34

1.3.7 Ảnh hưởng của fading đa đường lên tín hiệu thu OFDM 38

1.3.8 Bảo vệ chống lại ảnh hưởng của fading đa đường 40

1.3.8.1 Bảo vệ chống lại dịch thời gian 40

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP

TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

53

3.1.1 Sự phát triển các chuẩn truy nhập vô tuyến băng rộng 53

3.1.3 Wimax- Công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng 56

3.1.4.5 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 60

3.1.6.2.5 Hoán vị kênh và sóng mang con 74

3.1.6.2.5.1 Sử dụng toàn bộ đường xuống của các sóng

mang con DL-FUSC

75

3.1.6.2.5.2 Sử dụng một phần đường xuống của các sóng

mang con DL-PUSC

78

3.1.6.2.5.3 Sử dụng một phần đường lên của các sóng mang 80

con UL-PUSC

3.1.6.2.6 Cấu trúc khe và khung 82

3.1.6.3 Các đặc tính của lớp truy nhập MAC 85 3.2 Ứng dụng cho mạng di động sau 3G (LTE và LTE

CHƯƠNG 4 – CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ CHO CẤP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC ANALOG TO DIGITAL

CONVERTER

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

REQUEST

Yêu cầu lặp tự động

AWGN ADDITIVE WHITE

Kiểm tra dư thừa vòng

INFORMATION

Thông tin trạng thái kênh

DAC DIGITAL TO ANALOG

Biến đổi Fourier rời rạc

COMMUNICATIONS COMMISSION

Ủy ban thông tin quốc gia

FCH FRAME CONTROL HEADER Mào đầu điều khiển khung

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA FREQUENCY DIVISION

Sử dụng toàn bộ sóng mang con

GSM GLOBAL SYSTEM FOR

MOBILE COMMUNICATION

Thông tin di động toàn cầu

H-FDD HALF FREQUENCY

DIVISION DUPLEXING

Bán song công phân chia theo tần

số HSDPA HIGH SPEED DOWNLINK

PACKET ACCESS

Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao IDFT INVERSE DESCREAT

FOURIER TRANSFORM

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

ICI INTER - CARRIER

INTERFERENCE

Nhiễu giữa các sóng mang

IEEE INSTITUTE OF

ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS

Viện kỹ sư điện và điện tử

IP INTERNET PROTOCOL Giao thức Intenet

ISI INTER - SYMBOL

INTERFERENCE

Nhiễu liên mẫu tín hiệu

LAN LOCAL AREA NETWORK Mạng máy tính cục bộ

LLR LOG LIKELIHOOD RATIO Tỷ số Likelihood log

LSB LEAST SIGNIFICANT BIT Bit có trọng số nhỏ nhất

MAC MEDIA ACCESS CONTROL Điều khiển truy nhập đa phương

tiện

NETWORK

Mạng khu vực đô thị

MSB MOST SIGNIFICANT BIT Bit có trọng số lớn nhất

NLOS NON - LINE OF SIGHT Không trong tầm nhìn thẳng

FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING

Ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao

FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

OSI OPEN SYSTEM INTER -

Tỷ số công suất đỉnh/ trung bình

PAR PEAK - TO - AVERAGE

RATIO

Tỷ số đỉnh/ trung bình

QOS QUALITY OF SERVICE Chất lượng dịch vụ

Khóa dịch pha cầu phương

S/P SERIAL TO PARALLEL Chuyển đổi nối tiếp-song song

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOFDMA SCALABLE OFDMA OFDM tích hợp

SPID SUB - PACKET IDENTITY Xác định gói con

SS SUBSCRIBER STATION Trạm thuê bao

STBC SPACE/TIME BLOCK CODE Mã khối không gian/ thời gian TDD TIME DIVISION

TCH TRAFFIC CHANNEL Kênh lưu thông và báo hiệu

DESCRIPTOR

Bộ mô tả kênh đường lên

UMTS UNIVERSAL MOBILE

TELECOMMUNICATIONS SYSTEM

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

WIMAX WORLDWIDE

INTEROPERABILITY FOR MICROWAVE ACCESS

Khả năng khai thác liên mạng toàn cầu đối với truy nhập viba

WLAN WIRELESS LOCAL AREA

NETWORK

Mạng LAN không dây

WMAN WIRELESS

METROPOLITAN AREA NETWORK

Mạng MAN không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Tổng hợp dung lượng kênh theo thông số kênh và điều chế 38

Bảng 3.2 Tốc độ dữ liệu theo Mbps cho các chế độ mã hóa bắt buộc 71

Bảng 3.3 Tiểu sử cụm đường lên và xuống trong IEEE 802.16e-2005 76

Bảng 3.4 Các thông số của hoán vị sóng mang con FUSC 77

Bảng 3.5 Các thông số của hoán vị sóng mang con DL FUSC 79

Hình 1.3 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM 20

Hình 1.6 Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 25

Hình 1.8 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 27

Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM 30

Hình 1.12 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 33

Hình 1.14 Chèn tín hiệu dẫn đường trong miền tần số và thời gian 35

Hình 1.16 Các sóng mang con trực giao trong miền tần số 39

Hình 1.17 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI không có

multipath

41

Hình 1.18 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI có multipath 41

Hình 1.19 Sự loại bỏ nhiễu khi thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP) 42

Hình 1.20 OFDM truyền trên kênh fading đa đường với tiếp đầu tuần

hoàn

43

Hình 2.7 Hai chế độ làm việc cơ bản của hệ thống OFDMA 50

Hình 3.1 Các chuẩn về mạng truy cập vô tuyến băng rộng 53

Hình 3.2 Cấu trúc phân lớp của Wimax 63

Hình 3.3 Các khối chức năng của lớp vật lý Wimax 67

Hình 3.5 Bộ mã hóa chập với tailbiting trong IEEE 802.16e-2005 70

Hình 3.6 Bộ mã hóa turbo trong IEEE 802.16e-2005 73

Hình 3.8 Phương thức hoán vị sóng mang con FUSC 78

Hình 3.9 Phương thức hoán vị sóng mang con DL PUSC 80

Hình 3.10 Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC 81

Hình 3.11 Cơ chế hoán vị sóng mang con UL PUSC tối ưu 81

Hình 3.13 Nguyên tắc của OFDMA đối với các cuộc truyền hướng

xuống

88

Hình 3.14 Điều chế SC – FDMA cho đường truyền hướng lên 91

Hình 3.16 Các kênh truyền hướng lên và hướng xuống của LTE 93

Hình 4.1 Mặt cắt mức ngưỡng nhiễu cho phép với mức công suất tín

hiệu báo bận nhận được tại máy phát cho biết các sóng mang phụ thích hợp phục vụ cho việc truyền dữ liệu

95

Hình 4.2 Ảnh hưởng của mức ngưỡng đến việc sử dụng kênh 95

Hình 4.3 So sánh thông lượng của hệ thống khi sử dụng cấp phát

kênh ngẫu nhiên và khi sử dụng DCA có quan tâm đến nhiễu

96

PHẦN MỞ ĐẦU

- Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hóa, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú Sự phát triển của thông tin di động toàn cầu đã một phần đáp ứng được nhu cầu thông tin của người sử dụng

OFDMA làm tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó giảm những tác động như nhiễu đa truy xuất

Nội dung của đề tài tập trung vào việc nghiên cứu: Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, Kỹ thuật đa truy nhập OFDMA, Ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin di động, Các kết quả mô phỏng số cho cấp phát kênh động OFDMA

- Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu kỹ thuật OFDMA, các ứng dụng trong thông tin di động và sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng và đưa ra các kết quả

- Để thực hiện luận văn này tôi đã được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của

thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức, sự giúp đỡ của các Thầy Cô khoa Điện tử viễn thông cùng các Thầy cô Trung tâm đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách khoa

Hà nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy, các thầy, cô giáo đa giúp

đỡ đào tạo em trong suốt quá trình hoàn thành bản luận văn này!

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, tháng 11 năm 2011

Học viên

CHƯƠNG 1 – KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO

OFDM 1.1 Điều chế đơn sóng mang

Trong phương thức điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần

và mẫu tín hiệu có độ dài là:

B

Kí hiệu: TR SC Rlà độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s)

B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz)

(Theo[4-17]) Phổ tín hiệu của hệ thống được mô tả như ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ thống được điều chế trên sóng mang là fR 0 R Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh

vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu TR SC Rsẽ rất nhỏ Do vậy, phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau:

• Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn Điều này được giải thích như sau: Giả thiết trễ

Mật độ phổ năng lượng

f0 Tần số

B

truyền dẫn lớn nhất của kênh là τmax, tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu TR SC R là:

SC SC T

Tỷ số này lớn hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang Điều này được giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu TR SC R là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nên nhiễu liên tín hiệu ISI(Inter-Symbol Interference) ở nhiều mẫu tín hiệu thu

• Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn

• Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay được sử dụng chủ yếu trong hệ thống thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm kể trên

1.2 Điều chế đa sóng mang FDM.

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ phần băng tần của

hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang con cho mỗi băng con là khác nhau Ý tưởng của phương pháp này được mô tả ở hình 1.2

Hình 1 2 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang(Theo[4-18])

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm NR C R=2L+1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

C S N

C SC

MC MC

N

R T

(1.5)

Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một

số ít các mẫu tín hiệu Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân tập đa đường Các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế đa sóng mang so với phương pháp điều chế đơn sóng mang có thể liệt kê như sau:

• Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể

• Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency selectivity effect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được chia ra làm nhiều kênh phụ

• Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhược điểm cơ bản:

• Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity) Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất

sử dụng phổ Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế

đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

1.3 Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

1.3.1 Khái niệm về OFDM

OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM được phát minh vào năm 1966, ứng dụng trong các hệ thống truyền hình số và truyền thanh số băng rộng OFDM không sử dụng các bộ lọc thông dải để tách rời phổ các sóng mang như trong kỹ thuật FDMA mà sử dụng kỹ thuật biến đổi Fourier IDFT/DFT hay IFFT/FFT để xử lý tín hiệu

Từ luồng tín hiệu băng rộng truyền nối tiếp tốc độ cao được chia thành M đường song song tốc độ thấp, sau đó từng luồng dữ liệu sẽ được ánh xạ vào các sóng mang thành phần, để hình thành tín hiệu điều chế OFDM

Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn lên nhau làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu

OFDM thực chất là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, ở đây chuỗi dữ liệu đơn tốc độ cao được chia nhỏ thành những chuỗi tốc độ thấp hơn

và phát đồng thời trên các sóng mang con Điều đáng chú ý ở đây là nó được xem như một thay đổi về kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh Một trong những lí do chính để sử dụng OFDM là nó tăng khả năng chống lại chọn lọc tần số và chống lại nhiễu băng hẹp Trong một hệ thống đơn sóng mang, một đơn hoặc nhiễu có thể là

lí do làm suy hao dẫn đến hỏng đường truyền, nhưng ở hệ thống đa sóng mang, chỉ một phần nhỏ trong số các sóng mang con bị ảnh hưởng Mã sửa lỗi có thể được dùng để sửa những lỗi nhỏ đó của các sóng mang con Khái niệm của việc sử dụng phát dữ liệu song song và ghép kênh phân chia theo tần số được phổ biến vào giữa những năm 1960

Hình 1.3: Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM(Theo[4-20])

Trong một hệ thống dữ liệu song song trước đây, toàn bộ băng tần số tín hiệu được chia thành N kênh con có tần số không lẫn lên nhau Mỗi kênh con được điều chế với một chuỗi ký hiệu và sau đó N kênh con được ghép kênh theo tần số Nó được xem như là một biện pháp tốt để tránh sự chồng lẫn phổ của kênh truyền gây

ra nhiễu đồng kênh Tuy nhiên, làm như vậy sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để đối phó với điều này, những ý kiến được đề xuất từ giữa năm 1960 là sử dụng số liệu song song và điều chế FDM với các kênh con chồng lẫn lên nhau, ở đây mỗi một sóng mang mang theo một tín hiệu tốc độ b sẽ được đặt cách nhau khoảng b về tần số, điều này cho phép giảm các bộ san bằng tốc độ cao và chống lại ảnh hưởng của các xung tạp âm và nhiễu đa đường Vì vậy cho phép ta tận dụng một cách đầy

đủ phổ tần, tăng hiệu quả sử dụng tần số

Hình 1.3 thể hiện sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang thông thường không chồng lẫn phổ và kỹ thuật điều chế OFDM Nhìn trên hình vẽ ta thấy

kỹ thuật điều chế OFDM cho phép tiết kiệm 50% băng tần Tuy nhiên chúng ta cần phải loại trừ sự ảnh hưởng lẫn nhau của các sóng mang con, điều này có nghĩa là chúng ta muốn có một sự trực giao giữa các sóng mang được điều chế khác nhau

1.3.2 Các đặc điểm của kỹ thuật OFDM

Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép chúng

kênh truyền dẫn vô tuyến Suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu Trong OFDM, fading chỉ ảnh hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như toàn bộ các sóng mang con băng hẹp cùng với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo chất lượng qua các kênh vô tuyến

Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu không cần bộ cân bằng mà vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần số Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán thời gian do đó không yêu cầu bộ cân bằng trễ đường

Kỹ thuật OFDM giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDMA và TDMA OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời gian như TDMA

Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thông rất hẹp, do đó tốc

độ ký hiệu thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền dẫn đa đường, trễ truyền dẫn đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký hiệu ISI đáng kể

(khoảng trên 100 sµ )

1.3.3 Nguyên lý điều chế OFDM

1.3.3.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Về mặt toán học xét tập các tín hiệu ψ với ψp là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập ψ trực giao đôi một với nhau là:

q p k

dt t t a

b

q p

, 0

, )

( )

Hình 1.4: Sơ đồ bộ điều chế OFDM(Theo[4-23])

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của các sóng mang con được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang con thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức jp s t

e ω , trong đó

s s

s

s s

q p j

s

T k

kT

t q p j t

jq t

jp

q p T

q p kT

t

T k t e

q p j dt e

dt e

1 (

) (

,

,0)

1()

(

1)

a,+

n i

a,

L i

a,−

L k

d ,+

n k

d ,

L k

' t

m

Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống là B được chia thành N Ckênh con, với chỉ số của kênh con là n, n∈{−L,−L+1, ,−1,0,1, ,L−1,L}

Dòng dữ liệu đầu vào {a l}được chia thành N FFT dòng song song với tốc độ

dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i ,n} lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức

}

{d k ,n , với n là chỉ số của sóng mang con, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N C bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, k là chỉ số của khe thời gian ứng với N C mẫu tín hiệu phức

Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK,

Các mẫu tín hiệu phát {d k ,n} lại được nhân với xung cơ sở (basic impulse) )

t jn n

k

s

e kT t s d t

t jn n

k k

k

s e kT t s d t

m t

ở đây tín hiệu m′ (t)là tín hiệu m k′(t)với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn

1.3.3.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả

về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễu liên ký hiệu ISI thông qua việc sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval) Do vậy tín hiệu OFDM trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu liên ký hiệu ISI

Hình 1.5: Mô tả chuỗi bảo vệ (Theo [4-24])

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là T S, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài T G ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như ở hình 1.5 Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu liên ký hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là T S, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T G thì tín hiệu này có chu kỳ là T =T S +T G

Do hiệu ứng phân tập đa đường, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau với trễ truyền dẫn khác nhau Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này, hình 1.6 mô tả tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn , trong đó một tuyến truyền dẫn không có trễ, tuyến còn lại trễ so với tuyến đầu tiên là τmax ở tuyến đầu tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều này

là do ta đã giả sử rằng tuyến đầu tiên không có trễ tuyền dẫn Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k một khoảng là τmax do trễ truyền

GI

t

OFDM symbol

dẫn Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là τmax Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu ở tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ gây ra xuyên nhiễu ký hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này Trong trường hợp T G ≥τmax như mô tả

ở hình 1.6 thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây ra nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài T S không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị loại bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Do đó, điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là:

maxτ

≥

G

Hình 1 6: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, có bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của

hệ thống bị giảm đi một hệ số là:

G S

S T T

Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ sở Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng cho phép của kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu phát lớn hơn độ rộng kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát này sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ sở có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ sở kí hiệu là s (t) có độ rộng là T S +T G Dạng xung cơ sở đơn giản nhất là xung vuông được mô tả như ở hình 1.7 sau

nÕu0

)

Trong thực tế xung cơ sở thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng

1.3.3.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự như ở công thức (1.9) được viết lại như sau:

t jn n

k k

s e kT t s d t

S S

FFT a

N

T f

N B

Trong đó: B là toàn bộ bề rộng băng tần của hệ thống Ở tại thời điểm lấy mẫu

0)(

=+

L n

L

L n

lt jn kT jn n k lt

kT jn n k a

S k

a s S s a

S

e d s lt kT

f k f kT

S S S

S =2 1 =2 , kết quả là jn S kT S =1

Tương tự, ta có thể khai triển S FFT FFT

S a

nl j N

f

l f jn lt jn

e e

e

π π

ω = 2 = 2 Do đó công thức (1.16) được viết lại:

∑+

−

=+

L n

N

nl j n k a

S k

FFT e d s lt kT m

π 2 , 0

)

Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở công thức (1.17) trùng với phép biến đổi IDFT Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp N FFT là bội số của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT

Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT thể hiện như ở hình 1.8

1.3.4 Nguyên lý giải điều chế OFDM

1.3.4.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường

n i

L i

L k

n k

L k

)(lt a

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường, về mặt toán học, được biểu diễn thông qua đáp ứng xung h ( tτ, ) và hàm truyền đạt H(jω,t) Đối với đáp ứng xung )

,

( t

hτ , biến τ ký hiệu là trễ truyền dẫn của kênh Trễ truyền dẫn là khoảng thời

gian cần thiết để tín hiệu chuyển từ máy phát đến máy thu Biến t là thời gian tuyệt

đối (hay là thời điểm quan sát kênh) Biến đổi Fourier của đáp ứng xung đối với biến τ cho ta hàm truyền đạt của kênh:

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

,(

*)()(

τ

τττ

τ t h t m t d h

t m t

với ký hiệu ‘*’ là phép tích chập của hai tín hiệu

1.3.4.2 Bộ giải điều chế OFDM

Với tín hiệu phát m (t) ở công thức (1.10), biểu diễn của u (t) được viết tiếp dưới dạng:

)(

τ

τ

τ kT e h t d t

s d t

u

k

L

L n

kT t jn n

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

• Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

• Nhân với hàm số phức jn S t

e ω (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế )

• Giải điều chế các sóng mang con

• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

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

Hình 1 10: Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM (Theo [4- 30])

1.3.4.2.1 Tách khoảng bảo vệ

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u (t), luồng tín hiệu nhận được

sẽ là:

k T t t

kT u t kT

u′( S + )= ( + ) nÕu0≤ ≤ S,∀ (1.21)

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

)

(t

u

L k

L k

n i

L i

L i

}ˆ{a l

)

(t u′

Hình 1.11 : Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM (Theo [4– 31])

Tuỳ theo độ dài của chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh cũng như là điều kiện của kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ thuộc thời gian) ta sẽ có kết quả khác nhau sau khi giải điều chế

1.3.4.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế

Bộ giải điều chế trên mỗi sóng mang con là mạch tích phân thực hiện chức năng sau:

kT

t jl k l

T d

) 1 ( 0 , 1 ( )

Trong đó dˆk,l là tín hiệu ra của bộ tích phân nằm ở sóng mang con thứ l và mẫu tín hiệu OFDM thứ k (khe thời gian thứ k ) Thay cách biểu diễn của u k′(t)từ công thức (1.21) kết hợp với biến đổi của u k (t) ở công thức (1.20), ta có thể viết lại công thức (1.22) như sau:

S

T k

kT

L

L n

kT t l n j jn

S n

k l

T

d

) 1

(

) )(

( 0

, 0

,

max

)(

),(1

τ

τ

ω ττ

T k

kT

L

L n

kT t l n j jn

n k l

) )(

( 0

, 0

0 ,

max

),(

),()

,(

τ

τ

ω ττ

ω t h t e d n

T k

kT

L

L n

kT t l n j S n

k l

T

s d

) 1 (

) )(

( ,

0

0

Trong công thức trên, kết quả tích phân cho trường hợp n= l sẽ cho ta tín hiệu

có ích d k U,l, còn kết quả tích phân cho các trường hợp n≠lsẽ là kết quả của can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-Carier Interference) ICI

l k

d , Phần tín hiệu có ích được biểu diễn bởi công thức sau:

kT

s l

k

U l

T

s d

) 1 ( , 0

T k

kT L

l n L n

kT t l n j S n

k S

ICI l

T

s d

) 1 (

) )(

( ,

0

Giả sử kênh vô tuyến không phụ thuộc vào thời gian trong độ dài của một mẫu tín hiệu T S , có nghĩa là biến thời gian t trong hàm truyền đạt của kênh H(nωs,t)được loại bỏ trong phép lấy tích phân, thì thành phần có ích được viết lại dưới dạng:

)(0

U l

k s H l

Thành phần nhiễu giữa các sóng mang được viết lại:

0)

(

) 1 (

) )(

( ,

T k

kT

kT t l n j L

l n L n

S n

k S

ICI l

T s

Do các sóng mang trực giao với nhau, kết quả tích phân ở công thức (1.31) rõ ràng là bằng không Do vậy thành phần can nhiễu giữa các sóng mang sẽ triệt tiêu trong trường hợp kênh không thay đổi về thời gian trong một chu kỳ tín hiệu

1.3.4.3 Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT

Bộ điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân thể hiện ở công thức (1.22) ở dạng mạch số, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là t a Giả thiết một mẫu tin OFDM T được chia thành S N FFT mẫu tín hiệu, khi đó độ rộng của một chu kỳ lấy mẫu là:

FFT

S a

2,1,0),

()

a l

a l

S

N

t T

ω =2 1 = 2 Do vậy công thức (1.35) được viết lại như sau:

số, phép biến đổi DFT được dễ dàng thực hiện Đặc biệt là khi N FFT là bội số của

cơ số 2, phép biến đổi DFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh FFT

Sơ đồ khối của bộ giải điều chế OFDM thực hiện bằng phép biến đổi nhanh FFT được mô tả như trong hình 1.12:

(Theo[4-35])

1.3.5 Sơ đồ hệ thống OFDM

1.3.5.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Tổng quan hệ thống OFDM được mô tả như ở hình 1.13 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và được chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương

tự qua bộ biến đổi số-tương tự trước khi được truyền trên kênh truyền qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise)

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở cả phía phát và phía thu,

và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

n i

L i

L k

n k

L k

)(lt a u′

)(lt a u

)

(t

Hình 1 13 : Sơ đồ tổng quan hệ thống OFDM (Theo[4-41])

Máy thu thực hiện chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy

nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải

được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện

thông qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau

khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất

là tín hiệu có ích được đưa tới bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tín

hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được

khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.3.5.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Mẫu tin dẫn đường (hay còn được gọi là tín hiệu dẫn đường hoặc kênh hoa

tiêu) có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số và miền thời gian

như trên hình 1.14 Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên

tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian

Data Giải điều chế ở

băng tần cơ sở Cân bằng

kênh FFT Tách chuỗi

bảo vệ

Tách tín hiệu dẫnđường

Khôi phục kênh truyền

Biến đổi tương tự

số-Kênh truyền

Biến đổi tương tự-số

Data Điều chế ở băng

tần cơ sở Chèn tín hiệu dẫn đường IFFT Chèn chuỗi

bảo vệ

Nhiễu trắng (AWGN)

Hình 1.14: Chèn tín hiệu dẫn đường trong miền tần số và thời gian (Theo[4-42])

Ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền

dẫn lớn nhất của kênh τmax Với r f là tỉ số lấy mẫu (oversampling rate) ở miền

tần số, f S là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thoả mãn điều kiện sau:

11

f D

tiếp trong miền thời gian D t cũng phải thỏa mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng

Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler Theo tiêu chuẩn lấy mẫu thì khoảng cách D t phải thoả mãn điều kiện:

2

1

max

≥+

=

G S t D t

T T D f

Tỉ số r t được gọi là tỉ số lấy mẫu ở miền thời gian Trong trường hợp điều kiện trên không thoả mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn ở máy thu

1.3.6 Dung l ượng kênh truyền OFDM

1.3.6.1 Giới thiệu

Một trong các mục tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lượng Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) được xác định bằng công thức nổi tiếng sau:

[ ]bps SNR

B

Trong đó C là dung lượng kênh, B là băng thông

1.3.6.2 Tính toán dung lượng kênh của hệ thống OFDM

Giả thiết cấu hình các kênh sóng mang thành phần giống nhau thì tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM được tính như sau:

[ ]bps

hiÖu kýgianThêi

conmangsãngSè

* hiÖu)con/Kýmang

bit/SãngSè

T

T B M r

T

f B M r

T

N M r

(1.41)

Từ phương trình (1.41) ta thấy để tăng tốc độ bit tổng, ta cần tăng hoặc mức

điều chế M , hoặc tỷ lệ mã r hoặc tỷ số N/T c

Dễ dàng nhận thấy để tăng N/T ta cần tăng N giữ T không đổi hoặc giảm T giữ N không đổi Ta có thể sử dụng 3 phương pháp để tăng tốc độ bit:

(1) Tăng mức điều chế hoặc tỷ lệ mã

(2) Tăng băng thông truyền dẫn thông tin

FSR B M r

R Max( tb)=( c.log2 ) (1.42)

Trường hợp tổng quát ta không thể sử dụng cấu hình các sóng mang thành phần như nhau, mỗi sóng mang thành phần sẽ có các giá trị thông số khác nhau Trong trường hợp này tốc độ bit tổng sẽ là tổng tốc độ bit của các sóng mang thành phần và được viết lại như sau:

Trong đó: rR ci R: là tỉ số mã hoá của sóng mang thứ i

MR i R: là số mức điều chế của kênh thứ i

f

f i =∆

∆ : là dung lượng kênh truyền trong kênh OFDM tỉ lệ với số mức điều chế, tỉ số FSR, tỉ số mã và băng thông trong một số truờng hợp cụ thể được tính như bảng (1.1) Trong điều kiện kênh truyền AWGN, điều chế 4PSK, băng thông 20MHz, T FFT =12µs thì dung lượng kênh truyền của hệ thống OFDM là 32 Mhz

Bảng 1.1: Tổng hợp dung lượng kênh theo thông số kênh và điều chế

Chu kỳ FFT

Chu kỳ bảo vệ

Băng thông thành phần

1.3.7 Ảnh hưởng của fading đa đường lên tín hiệu thu OFDM

1.3.7.1 Ảnh hưởng của fading đa đường

Tín hiệu OFDM trên kênh fading đa đường với độ trễ truyền dẫn lớn nhất τmax

Dưới tác dụng của kênh fading đa đường đối với tín hiệu OFDM, tín hiệu giải điều chế bên cạnh thành phần tín hiệu mong muốn và tạp âm nhiệt, còn tồn tại hai thành phần nhiễu ISI, và ICI Hình 1.15 biểu thị thành phần nhiễu ISI và ICI đối với tín hiệu Chúng ta cần phải loại trừ những thành phần nhiễu này để việc tách tín hiệu được chính xác

Hình 1.15: Tín hiệu OFDM và nhiễu