Cấp phát tài nguyên trong hệ thống OFDMA

TÓM TẮT Trạm gốc đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho phép đa người dùng truyền cùng lúc trên những sóng mang phụ khác nhau trong cùng khoảng thời gian ký hiệu.. Tổng d

MỤC LỤC

ABSTRACT 5

TÓM TẮT 5

PHẦN I – TỔNG QUAN 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 8

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của các phương thức đa truy nhập 8

1.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA 9

1 3 M ụ c tiêu c ủ a đ ề tài 10

1.4 Tóm tắt nội dung luận văn 11

PHẦN II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 14

2.1 Large – scale 15

2.1.1 S u y h ao d o k h o ản g cách 15

2.1.2 S ự ản h h ư ở n g củ a p h ả n x ạ 17

2.1.3 S u y h ao d o sự ch e k h u ấ t 18

2.2 Small scale fading 19

2.2.1 H iện tư ợ n g D o p p ler 19

2.2.2 C ác th ô n g số củ a fad in g 20

2.2.2.1 T h ô n g số tán x ạ th ờ i g ian 20

2.2.2.2 B ă n g th ô n g k ết h ợ p 21

2.2.2.3 K h o ả n g Do p p le r v à th ờ i g ia n k ế t h ợ p 22

2.2.3 C ác lo ại k ên h tru yề n fad in g 23

2.2.3.1 P h â n lo ại d ự a trên k h o ả n g trễ 24

2.2.3.2 Phân loại dựa trên độ dịch Doppler 25

2 2 4 P h ân b ố R a yleig h 26

2.2.5 P h ân b ố R icean 27

2.2.6 Mô hình Clarke cho fading phẳng 29

2 3 T Ổ N G Q U A N C Á C K Ỹ T H U Ậ T Đ A T R U Y C Ậ P T R O N G H Ệ T H Ố N G V Ô T U Y Ế N 32

2 3 1 K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo tần số (F D M A ) 32

2 3 2 K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo th ờ i g ian (T D M A ) 33

2 3 3 K ỹ th u ật đ a tru y n h ập p h ân ch ia th eo m ã (C D M A ) 34

2 3 4 K ỹ th u ật p h ân ch ia th eo tần số trự c g iao (O F D M ) 34

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT OFDM/OFDMA 36

3 1 L Ý T H U Y Ế T C Ơ B Ả N V Ề O F D M 36

3 1 1 L ịch sử v à k h ái n iệ m 36

3 1 2 Ý n g h ĩa trự c g iao củ a O F D M 37

3.1.3 Sự hình thành các sóng mang sử dụng IFFT 39

3 1 4 C ác lo ại n h iễu ản h h ư ở n g tro n g O F D M 42

3 1 4 1 N h iễu liên só n g m an g IC I 42

3 1 4 2 N h iễu liên lý tự IS I 43

3 1 5 K h o ản g b ảo v ệ trán h IS I 44

3 1 6 C h ọ n lự a các th ô n g số củ a O F D M 46

3 1 7 Ư u đ iể m củ a O F D M 48

3.2 Khái niệm OFDMA 49

3 3 L ớ p v ật lý O F D M A tro n g ch u ẩn W irelessM A N IE E E 8 0 2 1 6 50

3.3.1 Giới thiệu 50

3.3.2 Những yêu cầu thiết kế đa sóng mang 51

3.3.3 Cấu trúc khung cơ bản của OFDMA 54

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CỦA OFDMA – WIMAX 57

4.1 Khái niệm 57

4.2 WiMax trong môi trường LOS và NLOS 58

4.2.1 Truyền sóng LOS và NLOS 58

4.2.2 Các giải pháp công nghệ NLOS 61

4.2.2.1 Công nghệ OFDM 61

4.2.2.2 Kênh con hoá 62

4.2.2.3 Anten trong các ứng dụng không dây cố định 63

4.2.2.4 Phân tập thu phát 64

4.2.2.5 Điều chế thích nghi 64

4.2.2.6 Các kỹ thuật hiệu chỉnh lỗi 64

4.2.2.7 Điều khiển công suất 65

4.3 Công nghệ WiMax ở Việt Nam 65

4.3.1 Giới thiệu 65

4.3.2 Kết quả triển khai thử nghiệm WiMax tại Lào Cai 66

4.3.2.1 Dịch vụ triển khai ở Lào Cai 67

4.3.2.2 Các kết quả thử nghiệm 67

PHẦN 3 – KẾT QUẢ THỰC HIỆN 69

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT 70

5.1 Các mô hình cấp phát tài nguyên 70

5.2 Mô hình hệ thống 72

5.3 Cấp phát sóng mang phụ và công suất tối ưu 75

5.3.1 Cấp phát sóng mang phụ tối ưu phụ 76

5.3.2 Cấp phát công suất tối ưu 78

5.3.2.1 Phân phối công suất cho một người dùng 79

5.3.2.2 Phân phối công suất giữa các người dùng 80

5.3.3 Sự tồn tại của mô hình hệ thống 83

5.3.4 Phân tích độ phức tạp 86

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 87

6.1 So sánh với trường hợp phân phối công suất max-min 87

6.2 So sánh hai thuật toán tuyến tính và phi tuyến 90

6.3 So sánh giữa hai phương pháp có bộ đệm và không có bộ đệm 91

6.4 Nhận xét chung 95

CHƯƠNG 7 TỔNG KẾT 96

7.1 Kết luận 96

7.2 Hướng phát triển 97

7.2.1 Vấn đề RNC 97

7.2.2 Vấn đề các BS 98

PHỤ LỤC 1 99

PHỤ LỤC 2 101

PHỤ LỤC 3 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) basestationsallow multiple users to transmit simultaneously on different subcarriersduring the same symbol period The sum capacity of OFDMA system ismaximized when each subcarrier is assigned to the user with the best signal-to-noise ratio for that subcarrier, with power subsequently distributed bywater-filling algorithm However, fairness among the users cannot generally

be achieved with such a scheme In this survey, a proportional rate adaptiveresource allocation method for OFDMA system is proposed Besides, amethod which use buffer for each user to reduce congestion probability incase bursty traffic is proposed It is also shown that with the proposedresource allocation algorithm, the sum capacity is distributed more fairly andflexibly among users than the sum capacity maximization method

TÓM TẮT

Trạm gốc đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép đa

người dùng truyền cùng lúc trên những sóng mang phụ khác nhau trong cùng

khoảng thời gian ký hiệu Tổng dung lượng của hệ thống OFDMA cực đại khimỗi sóng mang phụ ấn định cho người dùng có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm caonhất trên sóng mang phụ đó, với công suất sau đó được phân phối bởi thuậttoán water-filling Tuy nhiên, sự cân bằng giữa các người dùng thông thường

là không thể đạt được với mô hình như vậy Trong nghiên cứu này, phươngpháp cấp phát tài nguyên cân đối được đưa ra Bên cạnh đó, phương pháp sửdụng bộ đệm cho mỗi người dùng cũng được đưa ra để giảm xác suất tắcnghẽn trong trường hợp lưu lượng bùng nổ Như vậy với thuật toán cấp phát

tài nguyên đề xuất thì dung lượng được phân phối hợp lý và mềm dẻo giữacác người dùng hơn là một phương pháp làm cực đại dung lượng tổng.

PHẦN I

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển của các phương thức đa truy nhập

Từ khi ra đời tới nay, hệ thống thông tin di động đã cho loài người thấy những

bước tiến vượt bậc của nó trong ứng dụng hệ thống tế bào số và hệ thống

không dây số trên phạm vi toàn thế giới

Thông tin di động ra đời lần đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay nó đã

khoảng qua nhiều thế hệ Đầu tiên là thế hệ thông tin di động tương tự sửdụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (FrequencyDivision Multiple Access)

Từ năm 1991, mạng điện thoại tế bào số ứng dụng kỹ thuật Đa truy nhập phânchia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), điển hình là hệthống thông tin di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile

Communication) đã được ứng dụng rộng rãi tại châu Âu và nhiều nước trên

thế giới

Phương thức truy nhập mới đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code

Division Multiple Access) được coi là một ứng cử viên hàng đầu để hỗ trợ đadịch vụ trong thông tin di động vì nó mang các ưu điểm: Có khả năng đáp ứng

đa dịch vụ; cung cấp dung lượng cao hơn các phương thức truy nhập truyền

thống như TDMA và FDMA; chống lại việc chọn lọc theo tần số của kênhtruyền; tính bảo mật và khả năng chống nhiễu

Tiếp theo, hệ thống dựa trên nguyên tắc kết hợp CDMA và ghép kênh tín hiệuphân chia theo tần số trực giao (OFDM), gọi là hệ thống CDMA đa sóngmang (MC-CDMA) được đề xuất đã gây nên sự chú ý rất lớn vì có thể thuphát dễ dàng tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán biến đổi Fourie nhanh mà không

làm tăng đáng kể mức độ phức tạp của các thiết bị Hơn nữa đây còn là một

giải pháp đầy tiềm năng để phân chia kênh với việc sử dụng các tần số tốt mộtcách hiệu quả.

Mặc dù vậy, phải cần đánh giá năng lượng tạp âm cũng như giá trị xuyênnhiễu sóng mang Mặt khác, trong ứng dụng kênh đường lên, cần tách sóng đa

người dùng vì sự trực giao của mã giữa các người dùng hoàn toàn bị méo do

sự chọn lọc theo tần số của kênh truyền

Vào những năm 2000, một giải pháp đa truy nhập mới được phát minh, gâynên sự chú ý và lôi cuốn rất nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới Đó

là giải pháp đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA(Orthorgonal Frequency Division Multiple Access)

1.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

O F D M (O rth o g o n al F req u en c y D iv isio n M u ltip lex in g ), g h ép k ên h t ần số

p h ân ch ia trự c g iao , là m ộ t trư ờ n g h ợ p đ ặc b iệt củ a g h ép k ên h p h ân ch ia tần

số F D M T ro n g k ỹ th u ật n à y, các sóng mang được chia thành nhiều sóngmang phụ Trực giao có nghĩa là các tần số mang được chọn sao cho đỉnh củamột tần số này trùng hợp với điểm có giá trị bằng 0 của tần số cận kề Luồngtín hiệu đó được đổi từ nối tiếp thành song song và từng luồng song song

được đưa vào khối điều chế Với đặc điểm này nên kỹ thuật OFDM tiết kiệm

phổ tần nhiều lần so với kỹ thuật FDM truyền thống và đặc biệt thích hợp chocác ứng dụng không dây tốc độ cao

O F D M A c ũ n g đ ư ợ c co i là O F D M đ a n g ư ờ i d ù n g , đ ư ợ c x e m n h ư là m ộ t k ỹ

th u ật đ iều ch ế v à đ a tru y n h ập ch o m ạn g k h ô n g d â y th ế h ệ th ứ 4 O F D M A l à

m ở rộ n g củ a O F D M v à h iện n a y là sự lự a ch ọ n ch o n h ữ n g h ệ th ố n g tru y n h ập

d ữ liệu tố c đ ộ cao n h ư m ạn g L A N k h ô n g d â y IE E E 8 0 2 1 1 a/g (W iF i) v à các

h ệ th ố n g tru y n h ập b ăn g rộ n g k h ô n g d â y IE E E 8 0 2 1 6 a/d /e (W iM A X )

1.3 M ục tiêu của đề tài

Các mô hình kế hoạch tần số đang tồn tại có thể chia thành 3 loại: Cấp phátkênh tần số cố định (FCA: Fixed frequency Channel Allocation), cấp phát

kênh động (DCA: Dynamic Channel Allocation) và cấp phát kênh tần số phối

hợp (HCA: Hybrid Channel Allocation) HCA có thể được xem như kết hợpcủa DCA và FCA

Trong FCA, toàn bộ các kênh trong hệ thống được chia thành các nhóm rời và

được ấn định cho một tập hợp các cell, với mỗi cell chiếm giữ một nhóm

kênh Không giống FCA, cấp phát kênh trong DCA thích ứng theo thời giannên DCA hiệu quả hơn FCA về mặt sử dụng tài nguyên và giảm tắc nghẽn.[8]

Các giải thuật cấp phát tài nguyên vô tuyến FCA và DCA đã đuợc thực hiện

từ rất lâu Tuy nhiên OFDMA là một kỹ thuật đa truy nhập mới có từ năm

2000 và ứng dụng của OFDMA trong các mạng vô tuyến băng thông rộng,tốc độ cao vẫn đang còn được hoàn thiện Do đó vấn đề về OFDMA DCA vẫncòn có rất ít nghiên cứu đề cập đến

Trong một số nghiên cứu gần đây, một số giải thuật đã được đưa ra để cấpphát tài nguyên tối ưu trong hệ thống OFDMA [7] [9] Tuy nhiên trong cácnghiên cứu này chưa đề cập đến vấn đề cân bằng trong quá trình cấp phát tài

nguyên Điều này có nghĩa là những người dùng có độ lợi kênh trung bình caohơn sẽ được cấp phát hầu hết tài nguyên Trong khi đó những người dùng có

độ lợi kênh trung bình thấp có thể sẽ không nhận được bất kỳ dữ liệu gì do

hầu hết thời gian của các sóng mang phụ sẽ được ấn định cho các người dùng

có độ lợi kênh cao hơn

Trong [10], vấn đề cân bằng đã được đề cập nhưng nghiên cứu giả định là tàinguyên mạng lớn hơn nhiều so với yêu cầu của các người dùng do đó không

xảy ra trường hợp tắc nghẽn mạng Trong khi đó, thực tế thì việc tắc nghẽnmạng là có thể và thường xảy ra.

Do đó mục tiêu của đề tài là đưa ra giải thuật xem xét một cách hợp lý giữa

việc cấp phát tối ưu tài nguyên và cấp phát tài nguyên cân bằng giữa các

người dùng khác nhau, đồng thời đưa ra phương án làm giảm xác suất tắc

nghẽn mạng khi lưu lượng bùng nổ

1.4 Tóm tắt nội dung luận văn

Nội dung luận văn được chia thành hai phần chính: Cơ sở lý thuyết về kỹthuật OFDM/OFDMA và kết quả mô phỏng Nội dung của các chương trongluận văn được tóm tắt như sau:

Chương 1 – GIỚI THIỆU: Trình bày sơ lược lịch sử phát triển của cácphương thức đa truy nhập, giới thiệu qua về phương thức đa truy nhập

OFDMA và mục tiêu của đề tài

Chương 2 – KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN: Tìm hiểu đặc điểm của môitrường vô tuyến trong thông tin di động, trong đó chú trọng đến các đặc điểm

chính của kênh fading và các mô hình thống kê vô tuyến

Chương 3 – LÝ THUYẾT OFDM/OFDMA: Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của

kỹ thuật OFDM và cấu trúc lớ p v ật lý O F D M A tro n g ch u ẩn W irelessM A N

IE E E 8 0 2 1 6

Chương 4 – ỨNG DỤNG CỦA OFMDA – WIMAX: Trình bày những đặcđiểm chính trong hệ thống không dây WiMax và mối liên quan giữa OFDMA

và WiMax

Chương 5 – MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT: Trình bày một số hạn chế của các

nghiên cứu trước kia đồng thời đưa ra mô hình và giải thuật mới trong việccấp phát tài nguyên trong hệ thống OFDMA

Chương 6 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Trình bày kết quả mô phỏng dựa trên

thuật toán đã trình bày ở chương 5 và những nhận xét về kết quả Kết quả môphỏng được viết bằng phần mềm Matlab

Chương 7 – TỔNG KẾT: Đưa ra một số kết luận về luận văn và hướng phát

triển của đề tài

PHẦN II

CƠ SỞ

LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

T ro n g tru yề n d ẫ n v ô tu yế n , m ô i trư ờ n g k ê n h tru yề n c ó ả n h h ư ở n g rấ t lớ n

đ ến ch ất lư ợ n g h ệ th ố n g th ô n g tin K ên h tru yề n v ô tu yế n lu ô n lu ô n k h ô n g ổ n

đ ịn h v à th ư ờ n g tu ân th e o cá c q u i lu ậ t n g ẫ u n h iê n , rấ t k h ó d ự đ o á n h a y p h â n

tíc h ch ín h x á c N ó g â y ra n h ữ n g ả n h h ư ở n g , th iệ t h ạ i k h ô n g th ể lư ờ n gtrư ớ c đ ư ợ c, là m c h o cấ u trú c b ộ th u p h át v à c á c k ỹ th u ậ t s ử a lỗ i n g à y c à n g

p h ứ c tạ p K h i n g h iê n c ứ u tín h to án , n g ư ờ i ta c h ỉ có th ể x â y d ự n g cá c m ô

h ìn h x ấ p x ỉ m ộ t cá ch g ần đ ú n g n h ấ t, p h ù h ợ p th e o c á c tiêu c h í đ ặ t ra

M ô i trư ờ n g tru yề n v ô tu yế n lu ô n có cô n g trìn h c ao tầ n g , c â y c ố i, đ ồ i n ú i v à

x e c ộ d i ch u yể n V ì v ậ y tín h iệ u k h i tru yề n q u a s ẽ b ị p h ả n x ạ , k h ú c x ạ,

n h iễ u x ạ, tá n x ạ, … là m c h o tín h iệ u tại n ơ i n h ậ n b ị x ấ u đ i k h ô n g n h ư

m o n g đ ợ i Ta x e m x ét cá c ả n h h ư ở n g lê n tín h iệ u d ự a trê n m ô h ìn h L a rg e

sc ale fa d in g v à m ô h ìn h S m a ll sc ale fad in g

H ình 2.1 T ru y ề n só n g q u a m ô i trư ờ n g v ô tu y ế n

F ad in g g â y ra b ở i h ai h a y n h iề u p h iê n b ả n củ a tín h iệ u đ ư ợ c tru yề n tớ i b ộ

th u b ằ n g n h iề u c o n đ ư ờ n g k h á c n h a u tạ i n h ữ n g th ờ i đ iể m k h á c n h a u S ó n g

v ô tu yế n k h i tru yề n q u a m ộ t k h o ả n g c á ch lớ n sẽ b ị ả n h h ư ở n g b ở i cả

S m a ll sc ale fa d in g v à L a rg e sca le fa d in g H iệ n tư ợ n g fad in g là m b iế n đ ổ i

cư ờ n g đ ộ tín h iệ u só n g m a n g v ô tu yế n siêu ca o tầ n th u đ ư ợ c d o s ự th a y đ ổ i

m ô i trư ờ n g k h í q u yể n , m ư a g ió tro n g đ ư ờ n g tru yề n só n g T ín h iệ u n à y c ó

2.1.1 Suy hao do khoảng cách

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là

sóng được mở rộng theo hình cầu)

Công thức trường điện từ của một sóng phẳng đơn sắc :

Mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác

là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Công thức mật độ

thông luợng:

2 ( / )4

T T d

PR: Công suất tín hiệu thu (W)

PT: Công suất tín hiệu phát (W)

GR: Độ lợi anten thu

đ ư ờ n g th ẳ n g đ ứ n g P h ả n x ạ th e o p h ư ơ n g n g a n g tư ơ n g tự n h ư đ a đ ư ờ n g

th eo p h ư ơ n g th ẳn g đ ứ n g , đ ề u là m su y g iả m tín h iệ u trê n đ ư ờ n g tru yề n

V í d ụ n h ư ta x ét m ô h ìn h p h ả n x ạ 2 tia M ô h ìn h 2 tia g ồ m m ộ t đ ư ờ n gtru yề n trự c tiế p d u y n h ấ t g iữ a p h ía p h át v à p h ía th u v à m ộ t đ ư ờ n g p h ả n x ạ

m ạ n h , th ư ờ n g là từ m ặ t đ ấ t T rư ờ n g đ iệ n từ c h o tia trự c tiế p đ ư ợ c k ý h iệ u

Ed, v à trư ờ n g đ iệ n từ ch o tia p h ả n x ạ k ý h iệ u Er T rư ờ n g đ iệ n từ tổ n g cộ n g

Giả sử rằng khoảng cách d phân cách giữa các antenna là rất lớn so với chiều

cao antenna ht và hr, ta có được xấp xỉ 2h h t r

d

 

Sau một vài biến đổi, trường điện từ tổng cộng được xấp xỉ thành:

2.1.3 Suy hao do sự che khuất

K h i tru yề n q u a v ô tu yế n , tín h iệu lu ô n b ị ch e k h u ất b ở i đ ồ i n ú i, n h à c a o

tầ n g , … g iữ a n ơ i p h át v à n ơ i th u , đ ặ c b iệt sự ch e k h u ấ t h a y g ặ p ở c á c v ù n g

đ ô th ị T ù y v ào tầ n s ố sử d ụ n g m à c á c tín h iệ u v ô tu yế n n h iễ u x ạ từ v ật c h e

ch ắ n s ẽ tạ o ra c ác ả n h m ờ c ủ a tín h iệ u đ ằ n g sau c á c v ậ t n à y T ầ n số th ấ p s ẽ

n h iễ u x ạ n h iề u h ơ n tầ n s ố ca o D o đ ó v ớ i tín h iệ u tầ n số c a o đ ặ c b iệ t là U H F

v à só n g v i b a s ẽ p h ả i yê u c ầ u đ ư ờ n g tru yề n th ẳn g đ ể đ ả m b ả o c ư ờ n g đ ộ tín

h iệ u Đ ể k h ắ c p h ụ c v ấ n đ ề ch e k h u ấ t, b ộ p h át th ư ờ n g đ ặ t ở lên c àn g c a o

cà n g tố t đ ể lo ại b ỏ số v ậ t c h e k h u ấ t

2.2 Small scale fading

S m a ll scale fad in g là sự th a y đ ổ i đ ộ t n g ộ t v ề b iê n đ ộ v à p h a c ủ a tín h iệ u k h i

có s ự th a y đ ổ i n h ỏ v ề k h o ản g c á c h g iữ a b ộ p h át v à b ộ th u F ad in g ch ỉ là

c ác h g ọ i m ộ t c á ch rú t g ọ n đ ơ n g iả n c ủ a S m all sc ale fa d in g , k h i ản h h ư ở n g

củ a L a rg e sc ale đ ư ợ c b ỏ q u a

2.2.1 H iện tượn g D oppler

K h i tru yề n só n g , sự d i ch u yể n c ủ a b ộ p h át v à b ộ th u d ẫ n đ ế n d ịc h tầ n s ố

D o p p le r N g o ài ra, c ác v ật c h u yể n đ ộ n g tro n g m ô i trư ờ n g v ô tu yế n cũ n g

g â y n ê n h iện tư ợ n g D o p p le r H ìn h 2 3 m ô tả sự d i ch u yể n củ a b ộ th u đ an g

d i ch u yể n v ớ i tố c đ ộ v B ộ th u d i c h u yể n ở k h o ả n g c á c h d tro n g th ờ i g ia n

∆ t, v à đ ộ lệ ch v ề c h iề u d ài đ ư ờ n g đ i tư ơ n g ứ n g là d co sθ = v ∆ t.co s θ P h a

s

f f f

h ư ở n g củ a d ịc h D o p p le r

2.2.2 C ác thông số của fading

2.2.2.1 T hông số tán xạ thời gian

N n n

a a

N n n

a a

B ă n g th ô n g k ế t h ợ p Bc, đ ư ợ c đ ịn h n g h ĩa là k h o ả n g tầ n s ố m à k ên h tru yề n

có th ể đ ư ợ c co i là “p h ẳn g ”, n g h ĩa là k ên h tru yề n ch o q u a tấ t cả c á c th à n h

p h ầ n c ó p h ổ n ằ m tro n g k h o ả n g tần số đ ó v ớ i đ ộ lợ i g ầ n n h ư n h a u v à p h a

g ần n h ư tu yế n tín h B ă n g th ô n g k ế t h ợ p là d ải tầ n số m à tro n g đ ó k ê n h v ẫ n

g iữ b iên đ ộ c ó g iá trị h ằn g số

B ă n g th ô n g k ế t h ợ p BCtro n g đ ó h à m tư ơ n g q u a n g iữ a c ác tín h iệ u c ó tầ n

số tro n g k h o ả n g n à y ở m ứ c trê n 9 0 % đ ư ợ c x ấp x ỉ là :

150

h o ặ c d o sự d i c h u y ể n củ a c á c v ậ t th ể k h á c tro n g m ô i trư ờ n g tru yề n d ẫ n

K h ái n iệ m k h o ản g D o p p ler v à th ờ i g ia n k ết h ợ p là n h ữ n g th ô n g số m ô tả

T f

N ếu n g h ịch đ ảo b ăn g th ô n g củ a tín h iệu b ăn g tần g ố c n h ỏ h ơ n th ờ i g ian k ết

h ợ p th ì k ê n h tru yề n s ẽ th a y đ ổ i tro n g su ố t th ờ i g ian tru yề n tín h iệ u v à d o đ ó

g â y m é o ở b ộ th u

T h ậ t ra , th ờ i g ia n k ế t h ợ p là khoảng th ờ i g ian m à đ á p ứ n g x u n g c ủ a k ê n htru yề n k h ô n g th a y đ ổ i (k h o ả n g th ờ i g ia n m à 2 tín h iệ u có tư ơ n g q u a n v ớ i

n h a u v ề b iên đ ộ ) N ế u th ờ i g ia n k ế t h ợ p đ ư ợ c đ ịn h n g h ĩa l à th ờ i g ia n m à

h à m tư ơ n g q u a n th ờ i g ia n lớ n h ơ n 0 5 , k h i đ ó th ờ i g ia n k ế t h ợ p đ ư ợ c đ ịn h

n g h ĩa n h ư sa u :

916

2.2.3.1 P hân loại dựa trên khoảng trễ

Hình 2.4 Fading phẳng và fading chọn lọc tần số

P h ổ c ủ a tín h iệ u tru yề n c ó b ă n g th ô n g n h ỏ h ơ n b ă n g th ô n g k ế t h ợ p c ủ a k ê n htru yề n v à ch u k ỳ k ý tự lớ n h ơ n k h o ả n g trễ củ a k ê n h tru yề n th ì sẽ b ị ch ịu

fa d in g p h ẳ n g C á c đ ặ c tín h củ a p h ổ c ủ a tín h iệ u tru yề n đ ư ợ c b ả o to àn , m ọ i

th àn h p h ầ n tầ n số c ủ a tín h iệ u đ ư ợ c tru yề n q u a k ên h s ẽ c h ịu sự su y g iả m

v à d ịc h p h a g ầ n n h ư n h a u n h ư n g cư ờ n g đ ộ tín h iệ u th u lại th a y đ ổ i th e o th ờ i

g ia n , d o sự th ă n g g ián g th eo đ ộ lợ i k ê n h g â y ra b ở i đ a đ ư ờ n g T h e o th ờ i

g ia n , tín h iệ u th u s ẽ k h á c n h au th e o c á c đ ộ lợ i n h ư n g p h ổ tín h iệ u k h ô n g

đ ổ i K ê n h tru yề n fa d in g p h ẳ n g đ ư ợ c x e m n h ư là k ê n h th a y đ ổ i b iên đ ộ v à

cũ n g cò n đ ư ợ c g ọ i là k ên h tru yề n b ă n g h ẹ p

N g ư ợ c lạ i là k ên h fad in g c h ọ n lọ c tầ n số , n h ữ n g th àn h p h ầ n tầ n s ố k h á c

n h a u c ủ a tín h iệ u đ ư ợ c tru yề n đ i s ẽ ch ịu sự su y g iả m v à d ịc h p h a k h á c n h a u

T ín h iệ u th u b ị m é o b ở i v ì n ó g ồ m n h iều p h iê n b ả n k h á c n h a u củ a tín h iệ utru yề n , m ỗ i p h iê n b ả n c ó đ ộ su y g iả m v à trễ k h á c n h a u Đ ố i v ớ i n h ữ n g k ê n h

n à y, s ẽ c ó n h ữ n g sự b iế n đ ộ n g đ án g k ể tro n g đ á p ứ n g tầ n số tro n g d ả i b ă n g ,

v à th ô n g th ư ờ n g có n h ữ n g đ iể m k h ô n g tro n g đ á p ứ n g tầ n số , ở đ ó k ê n h su y

g iả m đ á n g k ể c á c p h ầ n c ủ a p h ổ C h u k ỳ k ý tự tru yề n b ị trả i rộ n g ra tro n g

m iề n th ờ i g ia n , ch ồ n g lắ p lên c á c k ý tự k ế c ận , sin h ra n h iễu liên k ý tự IS I

Fading dựa trên trải trễ thời gian đa đường

K ê n h tru yề n fa d in g c h ọ n lọ c tầ n số cò n đ ư ợ c g ọ i là k ê n h tru yề n b ă n g rộ n g

b ở i v ì b ă n g th ô n g tín h iệ u tru yề n lớ n h ơ n b ă n g th ô n g k ết h ợ p c ủ a k ên h

2.2.3.2 Phân loại dựa trên độ dịch Doppler

< Thời gian ký hiệu

3 Sự thay đổi kênh nhanh

hơn sự thay đổi tín hiệu

băng tần gốc

Fading chậm

1 Trải Doppler thấp

2 Thời gian kết hợp

> Thời gian ký hiệu

3 Sự thay đổi kênh chậm

hơn sự thay đổi tín hiệubăng tần gốc

x ả y ra k h i sự th a y đ ổ i đ áp ứ n g x u n g k ê n h tru yề n c h ậ m h ơ n tố c đ ộ củ a tín

h iệ u d ải n ề n p h á t K h i đ ó k ê n h tru yề n đ ư ợ c x e m n h ư là tĩn h , k h o ả n g D o p p le r

c ủ a k ê n h n h ỏ h ơ n b ă n g th ô n g tín h iệ u F ad in g c h ậ m c ó th ể g ọ i là lo ại

fa d in g k é o d à i Đ ó là c á c b iế n đ ộ n g trê n k ê n h x ả y ra tro n g k h o ản g h à n g

p h ú t, h à n g g iờ v à c ó th ể lâu h ơ n n ữ a N g u yê n n h ân c ó th ể từ c á c c h ư ớ n g

n g ại v ật lớ n , c á c h iệ n tư ợ n g k h í h ậ u x ấ u … k ế t q u ả là cô n g su ất th u tru n g

p h ẳ n g , ch ú n g ta x ấ p x ỉ đ á p ứ n g x u n g k ê n h tru yề n là h à m D e lta T rư ờ n g h ợ p

là fad in g c h ọ n lọ c tầ n số , k ên h fa d in g n h a n h c ó b iên đ ộ , p h a v à th ờ i g ia n trễ

củ a m ộ t số th àn h p h ầ n đ a đ ư ờ n g th a y đ ổ i n h an h h ơ n tố c đ ộ tín hiệ u p h á t

2.2.4 Phân bố R ayleigh

Trong các kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thông thường được sửdụng để mô tả thống kê thời gian khác nhau của đường bao thu của tín hiệuphadinh phẳng, hoặc đường bao của một thành phần đa đường độc lập Tabiết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu tạp âm Gauss trực giao tuân theophân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất như sau:

vượt quá một giá trị R được cho bởi hàm phân bố chồng chất (CDF) tươngứng:

2 2 0

2

R r

ac của đường bao tín hiệu:

Giá trị trung bình của r có được thông qua giải phương trình:

2.2.5 Phân bố R icean

T ro n g trư ờ n g h ợ p fa d in g R a yle ig h , k h ô n g có th à n h p h ầ n tín h iệ u đ ến trự c

tiế p m á y th u trong tầm nhìn thẳng L O S (L in e -o f-sig h t) K h i có th àn h p h ầ n

h ơ n

H à m m ậ t đ ộ p h â n b ố x ác su ất củ a p h ân b ố R ice a n :

2 2 2

2 0

2 2 , ( 0, 0)( )

A là biên độ đỉnh của thành phần LOS

I0 là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỷ

số giữa công suất tín hiệu xác định LOS và công suất các thành phần đa

đường:

2 2

2

A k



2 2

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Ricean trở thành phân bố Rayleigh

Hình 2.6 Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean với K = 0, K = 2

dB và K = 10 dB

2.2.6 Mô hình Clarke cho fading phẳng

Đây là mô hình thống kê thông dụng dành cho fading phẳng Bộ phát cố định,

bộ thu di động với tốc độ v, và tín hiệu phát bị phân tán bởi những vật thể cố

định xung quanh di động Hình 2.7 mô tả thuê bao di động di chuyển theohướng trục x Góc tới được đo trong mặt phẳng x – y Mỗi sóng tới thuê bao

di động sẽ chịu một khoảng dịch Doppler do sự di chuyển của bộ thu Đối với

Hình 2.7 Mặt phẳng sóng tới với góc ngẫu nhiên

Sóng tới tại trạm gốc di động theo mặt phẳng phân cực dọc có các thành phần

E và H được cho bởi:

0 1

x



Cả hai TC(t) và TS(t) là các quá trình ngẫu nhiên Gauss được xác định bởi TC

và TS tại bất kỳ thời gian t nào TC và TS là các biến ngẫu nhiên Gauss trịtrung bình 0 không tương quan có variance bằng nhau cho bởi:

_ 2 _ _

Trong đó gạch trên biểu thị giá trị trung bình

Đường bao của E thu được cho bởi:

( ) ( ) ( ) ( )

Do TC và TS là các biến ngẫu nhiên Gauss nên nó có thể biểu diễn thông quamột biến đổi Jacobean mà đường bao tín hiệu thu r có phân bố Rayleigh chobởi:

b a p h ư ơ n g p h áp c h ín h h iện tại trên th ế g iớ i đ ư ợ c đ ể ch ia sẻ b ăn g th ô n g ch o

n h iều n g ư ờ i d ù n g tro n g h ệ th ố n g k h ô n g d ây

H ình 2.8 C ác k ỹ th u ật tru y n h ập 2.3.1 K ỹ thuật đa truy nh ập phân chia theo t ần số (FD M A )

T ro n g h ệ th ố n g sử d ụ n g F D M A , b ăn g th ô n g sẵn có đ ư ợ c ch ia ra là m n h iều

k ên h co n có b ăn g th ô n g h ẹp h ơ n M ỗ i n g ư ờ i sử d ụ n g đ ư ợ c cấp p h át m ộ t d ải

tần số d u y n h ất đ ể p h át v à n h ận d ữ liệu T ín h iệu p h át tr ên m ỗ i k ên h là liên

tụ c ch o p h ép tru yề n t ư ơ n g tự F D M A đ ư ợ c sử d ụ n g h ầu h ết các h ệ th ố n g đ a

k ên h

2.3.2 K ỹ thuật đa truy nh ập phân chia theo th ời gian (T D M A )

T D M A ch ia b ăn g th ô n g s ẵn có th àn h n h iều k h e th ờ i g ian , v à cu n g c ấp m ỗ i

k h e th ờ i g ian ch o m ộ t n g ư ờ i d ù n g đ ể p h át v à n h ận d ữ liệu H in h d ư ớ i đ â y

ch o th ấ y m ỗ i k h e th ờ i g ian đ ư ợ c cấp ch o các n g ư ờ i d ù n g d ư ớ i d ạn g x o a y

v ò n g M ỗ i n g ư ờ i d ù n g đ ư ợ c cấp m ộ t k h e th ờ i g ian tro n g m ộ t fra m e d ữ liệu

H ệ th ố n g T D M A p h át d ữ liệu th eo p h ư ơ n g p h áp đ ệ m v à đ ẩ y (b u ffer-b u rst),

d o đ ó v iệc tru yề n củ a m ỗ i k ên h là k h ô n g liên tụ c D ữ liệu v ào đ ể p h át đ ư ợ c

đ ệ m q u a h ết ch u k ỳ c ủ a fra m e tr ư ớ c rồ i đ ư ợ c tru yề n đ i ở tố c đ ộ cao su ố t k h e

th ờ i g ian ch o k ên h đ ó T D M A k h ô n g th ể g ử i tín h iệu t ư ơ n g tự m ộ t cá ch trự ctiếp d o v iệc y êu c ầu p h ải đ ệ m tín h iệu v ì v ậ y ch ỉ đ ư ợ c sử d ụ n g đ ể tru yền d ữliệu số T D M A ch ịu ản h h ư ở n g củ a h iệu ứ n g đ a đ ư ờ n g d o tố c đ ộ tru yề n c ao ,

d ẫn đ ến n h iễu IS I

T D M A đ ư ợ c sử d ụ n g k ết h ợ p v ớ i F D M A đ ể ch ia b ăn g th ô n g tổ n g cộ n g th àn h

m ộ t v ài k ên h co n Đ i ều n à y đ ư ợ c th ự c h iện đ ể g iả m số n g ư ờ i d ù n g trên k ên h

ch o p h ép tố c đ ộ tru yề n d ữ liệu th ấp h ơ n Đ iều n à y g iú p g iả m h iệu ứ n g

k h o ản g trễ d o tru yền S au đ ó m ỗ i k ên h d ự a trên F D M A đ ư ợ c ch ia n h ỏ h ơ n

n ữ a sử d ụ n g T D M A , v ì v ậ y m ộ t số n g ư ờ i d ù n g có th ể p h át trên m ộ t k ên h K ỹ

th u ật tru yề n n à y đ ư ợ c sử d ụ n g tro n g h ầu h ết h ệ th ố n g đ iện th o ại th ế h ệ th ứ

h ai

H ình 2.9 H ệ th ố n g k ết h ợ p T D M A /F D M A 2.3.3 K ỹ thuật đa truy nh ập phân chia theo m ã (C D M A )

K ỹ th u ật C D M A đ ư ợ c p h át triển tro n g th ờ i k ỳ th ế ch iến th ứ h ai, các n h à

n g h iên c ứ u lú c đ ó tìm cách đ ể ch o v iệc tru yề n th ô n g đ ư ợ c đ ả m b ảo an to àn

2.3.4 K ỹ thuật phân chia theo tần số trực giao (O F D M )

K ỹ th u ật O F D M là k ỹ th u ật tru yề n đ a só n g m an g , ở đ ó b ăn g th ô n g tín h iệu

đ ư ợ c ch ia th àn h n h iều só n g m an g p h ụ n h ỏ h ơ n , m ỗ i só n g m an g p h ụ đ ư ợ c

đ iều ch ế b ở i m ộ t lu ồ n g d ữ liệu tố c đ ộ th ấp O F D M t ư ơ n g tự n h ư F D M A ở

ch ỗ v iệc ch o p h ép đ a tru y n h ập đ ạt đ ư ợ c n h ờ ch ia b ăn g th ô n g sẵn có th àn h

n h iều k ên h v à cấp p h át ch o n h iều n g ư ờ i d ù n g N h ư n g n ó có ư u đ i ể m so v ớ i

cả F D M A v à T D M A O F D M ch ia b ăn g th ô n g có s ẵn th àn h các k ên h co n

b ăn g h ẹp h ơ n C ác só n g m an g ch o m ỗ i k ên h trự c g iao v ớ i n h au , ch o p h ép

ch ú n g đ ư ợ c p h ân các h g ần n h au N g o ài ra v ì k h ô n g c ần p h ải p h ân k ên h th ờ i

g ian n h ư T D M A , s ẽ k h ô n g cần p h ải th êm v ào th ô n g tin k h i ch u y ể n m ạ ch

g iữ a các n g ư ờ i d ù n g K ỹ th u ật O F D M đ ư ợ c trìn h b à y ở ch ư ơ n g 3

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT OFDM/OFDMA

3.1 L Ý T H U Y Ế T C Ơ B Ả N V Ề O F D M

3.1.1 L ịch sử v à khái niệm

O F D M (O rth o g o n al F req u en c y D iv isio n M u ltip lex in g ), g h ép k ên h t ần số

p h ân ch ia trự c g iao , là m ộ t trư ờ n g h ợ p đ ặ c b iệt củ a g h ép k ên h p h ân ch ia tần

số F D M O F D M là n ằ m tro n g m ộ t lớ p c ác k ỹ th u ật đ iều ch ế đ a só n g m an gtro n g th ô n g tin v ô tu y ế n , là k ỹ th u ật đ iều b iến v à g h ép k ên h s ố , tro n g đ ó m ộ ttín h iệu đ ư ợ c tách ra là m n h iều k ên h b ăn g h ẹp tại n h ữ n g tần số k h ác n h au ,

lu ồ n g d ữ liệu tố c đ ộ cao đ ư ợ c ch ia th àn h n h iều lu ồ n g tố c đ ộ th ấp h ơ n , tru yền

đ i trên n h ữ n g só n g m an g p h ụ trự c g iao Ư u đ iể m đ ầu tiên c ủ a n ó là k h ả n ăn g

ch ố n g lại fad in g ch ọ n lọ c tần số K ỹ th u ật O F D M lần đ ầu ti ên đ ư ợ c g iớ i

th iệu tro n g b ài b áo c ủ a R W C h an g n ăm 1 9 6 6 v ề v ấn đ ề tổ n g h ợ p các tín

h iệu có d ải tần h ạn ch ế k h i th ự c h iện tru yền tín h iệu q u a n h iều k ên h co n T u y

n h iên , ch o tớ i g ần đ â y, k ỹ th u ật O F D M m ớ i đ ư ợ c q u an tâ m n h ờ có n h ữ n gtiến b ộ v ư ợ t b ậc tro n g lĩn h v ự c x ử lý tín h iệu v à v i đ iện tử v à b â y g iờ đ ư ợ c

k ết h ợ p rộ n g r ãi v à o tro n g các h ệ th ố n g k h ác n h au n h ư O F D M -M IM O ,

O F D M -C D M A , M C - C D M A , T ro n g th ập n iên 8 0 , O F D M đ ư ợ c n g h iên c ứ u

ch o th ô n g tin d i đ ộ n g số , các m o d e m tố c đ ộ c ao N h ữ n g n ă m 9 0 , O F D M

đ ư ợ c k h ai th ác ứ n g d ụ n g ch o tru yề n th ô n g d ữ liệu b ăn g rộ n g , đ ư ờ n g tru yề n

th u ê b ao s ố tố c đ ộ cao H D S L 1 6 M b p s, đ ư ờ n g tru yền th u ê b ao s ố b ất đ ố i

x ứ n g A D S L , V D S L 1 0 0 M b p s, D A B T ro n g các h ệ th ố n g th ô n g tin h ữ u tu yế n(v í d ụ h ệ th ố n g A S D L ,… ), k ỹ th u ật O F D M n à y th ư ờ n g đ ư ợ c n h ắc đ ến d ư ớ i

cái tên : đ a tần (D M T - D iscrete M u ltiT o n e )

T ro n g cá c h ệ th ố n g cũ , to àn b ộ d ải tần số tín h iệu đ ư ợ c ch ia th àn h N k ên h

k h ô n g ch ồ n g lấn lẫn n h au M ỗ i k ên h đ ư ợ c đ iều ch ế v ớ i m ộ t k ý h iệu riên g

b iệt v à N k ên h n à y đ ư ợ c trộ n tần v ớ i n h a u N h ư th ế ta trán h đ ư ợ c ch ồ n g p h ổ

n h ằ m lo ại b ỏ g iao th o a x u y ê n k ên h n h ư n g l ại sử d ụ n g n h iều b ăn g th ô n g Đ ể

g iải q u yết v ấn đ ề n à y, O F D M s ử d ụ n g d ữ liệu so n g so n g v à F D M (F req u en c y

D iv isio n M u ltip lex in g ) v ớ i các k ên h co n ch ồ n g lấn lẫn n h a u T ro n g đ ó m ỗ i

k ên h co n m a n g m ộ t tố c đ ộ d ữ liệu , đ ư ợ c đ ặt cách n h au m ộ t k h o ản g tần số đ ểtrán h s ự cân b ằn g tố c đ ộ c ao , ch ố n g lại n h iễu v à m é o đ a tu y ế n , cũ n g n h ư sử

d ụ n g h o àn to àn d ải th ô n g có sẵn

H ình 3.1 S o sán h k ỹ th u ật đ a só n g m an g F D M v à O F D M

3.1.2 Ý ng hĩa trự c giao của O F D M

T rư ớ c tiên ta tìm h iể u k h ái n iệ m trự c g ia o H ai h à m f(t) v à g (t) đ ư ợ c g ọ i là

trự c g iao v ớ i n h au trên đ o ạn [t0, t1] n ếu :

T ro n g đ ó f* (t) là liê n h ợ p p h ứ c củ a f(t).T ừ đ ịn h n g h ĩa tr ên có th ể th ấ y tập

h ợ p các h à m (co s0t, sin0t) trự c g iao từ n g đ ô i m ộ t tr ên cá c đ o ạn

N h ư v ậ y, ta có th ể d ù n g tập h ợ p trên n h ư m ộ t h ệ h à m v ecto r c ơ s ở trự c g iao

K ỹ th u ật O F D M ch ia cá c tín h iệu m a n g th ô n g tin ri ên g b iệt v ào m ỗ i só n g

m a n g p h ụ k h ác n h a u T ín h i ệu O F D M g ồ m c ác h à m sin cơ b ản , m ỗ i h à m

là các sĩ n g m a n g p h ụ trự c g iao v ớ i n h au , tín h iệu th u đ ư ợ c k h ơ n g cĩ n h iễu

i f j d

t

N

N i

s c

N i s

)

(

1 2

2

2

T t t t t t

) / ) )(

2 ( exp(  j N s tt s T

D ữ liệu

Q AM N ối tiếp sang

song song

Tín hiệu OFDM

H ình 3.2 B ộ đ iều ch ế O F D M

1 2

/ 2 2

( ) 0,

s

s s

N

N i

i j d

t t T

i j

s

s s s

s

N

N i

s N

i

T t

2

2 / exp( 2 ( )) ))

( 2

1 2