Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM

Chương 1 TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 VÀ WIMAX FORUM TỔNG QUAN HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.16 VÀ WIMAX FORUM

2.7.3. Cấu trúc lớp vật lý WirelessMAN OFDM

Các thông số chính của WirelessMAN OFDM OFDM đựơc cho trong bảng 2.3 (cho trường hợp băng thông 3,5MHz)

Bảng 2.3 Các thông số chính WirelessMAN OFDM

Thông số Giá trị

Băng thông 3,5MHz

Tỷ lệ tần số lấy mẫu trên băng thông, n=fs/B

Đối với băng thông là bội số 1,75 GHz:

n=8/7, đối với băng thông là bội số 1,5 GHz: n=86/75, đối với băng thông là bội số 1,25 GHz: n=144/125, đối với băng thông là bội số 2,75GHz: n=316/275, đối với băng thông là bội số 2GHz: n=57/50; Đối với băng thông không đựơc đặc tả khác: n=8/7.

Số điểm FFT 256

Số sóng mang con tích cực 200 Số sóng mang con bảo vệ (trái) 28 Số sóng mang con bảo vệ (phải) 27 Chỉ số dịch tần của các sóng mang con

bảo vệ

-128, -129,...,-101 +101, +102,..., +127 Khoảng cách tần số sóng mang con

(kHz), f

15,625 Thời gian ký hiệu hữu ớch (às), TFFT 64 Khoảng bảo vệ với giả thiết 12% (às),

TGP

8 Thời gian ký hiệu OFDM (às), T 72 Tỷ lệ độ dài tiền tố trên độ dài hiệu

dụng của ký hiệu OFDM (TG/TFFT)

1/4, 1/8, 1/16, 1/32

2.7.3.2. Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM

Máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM có thể được chia thành 2 phần:

phần băng gốc và phần vô tuyến (xem hình 2.11).

Băng gốc

D/A

D/A

IF LO

RF LO

90

RF LO

IF LO

A/D

A/D

Băng gốc

90

Sync Re

Im Luồng bit

Luồng bit Re

Im Máy phát vô tuyến

Máy thu vô tuyến

o

Ký hiệu:

Re: Phần thực, Im: Phần ảo, D/A: biến đổi số vào tương tự, A/D: biến đổi tương tự vào số, IFLO: Bộ giao động nội trung tần, RF LO: Bộ giao động nội vô tuyến, Sync: Mạch đồng bộ

Hình 2.11. Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM

Trước hết luồng bit tại đầu ra của MAC được đưa đến băng gốc của máy phát, sau xử lý băng gốc, luồng số được chia thành phần thực (Re) và phần ảo (Im). Sau biến đổi số và tương tự (D/A), phần thực và phần ảo đựơc biến đổi vào các sóng đồng pha và vuông góc. Sóng đồng pha được nhân với sóng mang trung tần hàm cos, còn sóng vuông góc được nhân với sóng mang trung tần hàm sin. Sau đó hai sóng này đựơc cộng với nhau để tạo thành sóng mang trung tần được điều chế. Cuối cùng sóng này được nhân với sóng mang vô tuyến để được biến đổi nâng tần trước khi vào anten.

Tại máy thu, các thao tác ngược được thực hiện theo thứ tự ngược lại. Cần đảm bảo đồng bộ chính xác để đảm bảo xử lý băng gốc chính xác. Cần đồng bộ tín hiệu OFDM cần thiết để phát hiện gói. Đồng bộ bao gồm đồng bộ ký hiệu và đồng bộ tần số.

Phát hiện gói nhằm tìm ra vị trí đầu của gói, quá trình này được thực hiện với sự hỗ trợ của các ký hiệu hoa tiêu (chẳng hạn các tiền tố). Có hai cách để thực hiện điều này: (1) Lấy tự tương quan tín hiệu thu, trong trường hợp này tiền tố thường bao gồm hai phần giống nhau; (2) Lấy tương quan tín hiệu thu với các tiền tố. Vị trí nhận đựơc giá trị đỉnh chính là điểm đầu của gói.

Các tín hiệu thu tương tự cần được lấy mẫu tại thời điểm chính xác của chu ký lấy mẫu (chu kỳ A/D)cho quá trình xử lý tín hiệu số. Tuy nhiên pha và chu kỳ lấy mẫu

luôn khác nhau giữa D/A (phía phát) và A/D (phía thu). Có thể hiệu chỉnh khác biệt này bằng vòng khóa pha trễ (DPLL: Delay Phase Locked Loop) và VCO để điều chỉnh tần số A/D. Vì phía thu luôn có thể xác định chính xác được vị trí cảu các hoa tiêu trên chùm tín hiệu và lấy mẫu sai chỉ dẫn đến quay chùm tín hiệu, vì thế dựa trên khoảng cách quay ta có thể tính ra được các tần số cần thiết để điều chỉnh A/D.

Các hệ thống OFDM rất nhậy cảm với dịch tần vì đây là nguyên nhân dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang con. Dịch tần được ước tính với sự hỗ trợ cuả các tiền tố vì dịch pha trên chùm tín hiệu dẫn đến dịch tần số các sóng mang con. Có thể thực hiện ước tính trong cả miền thời gian lẫn miền tần số dựa trên một tiêu chuẩn thống kê nào đó, chẳng hạn khả giống cực đại. Đầu ra của bộ ước tính đựơc đưa ngược trở về để điều chỉnh VCO.

Cấu trúc băng gốc được trình bầy trên hình 2.12.

Ngẫu nhiên hóa

Mã hóa

kênh Điều chế Lắp ráp

khung

256 IFFT

Chèn

CP P/S

Kênh

Đồng bộ Loại CP S/P

256 FFT Ước tính kênh

Cân bằng miền tần số

Tháo gỡ

khunng Giải điều chế Giải mã kênh

Giải ngẫu nhiên Băng gốc phát

Băng gốc thu

Hình 2.12. Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM Trước hết luồng bit từ MAC được ngẫu nhiên hóa, sau đó được mã hóa kênh để chống lại các ảnh hưởng là giảm chất lượng của kênh như: tạp âm, phađinh và nhiễu.

Để tăng hiệu quả mã hóa kênh luồng số sau mã hóa kênh được đan xen. Mã hóa kênh có thể là Reed-Solomon, xoắn kết hợp chích bỏ (để điều chỉnh tốc độ bit). Mã turbo và mã turbo xoắn (CTC) cùng với đan xen CTC cũng có thể được sử dụng ở dạng tùy chọn.

Điều chế thực hiện sắp xếp tín hiệu số vào dạng tương tự để có thể truyền nó trên kênh. Điều chế đựơc sử dụng là BPSK. QPSK, 16QAM và 64QAM mã Gray.

Điều chế OFDM bao gồm ba phần: lắp ráp khung OFDM, tạo lập tín hiệu OFDM bằng IFFT và chèn tiền tố chu trình (CP: Cyclic Prefix).

Tại phía thu ngoài các khối thực hiện thao tác ngược so với phát, ngoài ra còn có thêm bộ cân bằng kênh. Có ba dạng bộ cân bằng kênh trong miền tần số: bộ cân bằng LS được hỗ trợ bởi hoa tiêu, bộ cân bằng LMMSE với hỗ trợ hoa tiêu và bộ cân bằng LS với hỗ trợ tiền tố.

Kênh truyền là kênh AWGN và phađinh Rayleigh.

2.7. 4. Mô tả các khối

2.7.4.1. Ngẫu nhiên hóa, PBRS

Khối đầu tiên cuả máy phát là khối ngẫu nhiên hóa. Khối này được sử dụng để tránh xấy ra các chuỗi dài toàn "1" hoặc toàn "0". Các gói số liệu được ngẫu công modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence:

chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên). Trong chuẩn WirelessMAN OFDM, bộ ngẫu nhiên hóa là một thanh ghi dịch 15 bit có hai cổng XOR (xem hình 2.13).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Số liệu vào Số liệu ra

Hình 2.13. Bộ ngẫu nhiên hóa

Đa thức thức tạo mã của bộ ngẫu nhiên hóa trong trường hợp này là:

g(x)=x15+x+14+1. Tại khởi đầu của mỗi cụm thanh ghi dịch PRBS được xóa và được nạp bởiột chuỗi hai giống 100101010000000. Ngẫu nhiên hóa chr áp dụng cho các bit thông tin.

Tại máy thu sơ đồ này cũng đựơc sử dụng để giải ngẫu nhiên.

2.7.4.2. Khối mã hóa kênh

Mã hóa kênh được thực hiện bằng cách móc nối hai mã Reed-Solomon và mã hóa xoắn có tỷ lệ tương thích (RS-CC). Hỗ trợ mã BTC (Bock Turbo Code: mã turbo khối) và CTC (Convolutional Turbo Code: mã turbo xoắn) là tùy chọn. Tỷ lệ mã RS- CC 1/2 luôn được sử dụng khi yêu cầu truy nhập mạng (trừ các chế độ phân kênh con trong đó chỉ sử dụng mã xoắn 1/2) và trong các cụm FCH.

Trước hết luồng số được chia thành các khối và đưa vào bộ mã hóa RS, sau đó được đưa vào bộ mã hóa xoắn CC (Convolutional Code) với kết cuối bằng không.

Mã Reed-Solomon

Vai trò của mã hóa kênh là chèn thêm các bit dư trước khi khi phát để sửa lỗi phía thu. Khối đầu tiên trong mã hóa kênh là bộ mã hóa Reed-Solomon. Mã Reed- Solomon là mã khối cho phép hiệu chỉnh lỗi cụm tốt. Các mã này đựơc ký hiệu ở dạng (N,K,T), trong đó N là số byte đầu ra, K là số byte đầu vào và T là số byte có thể sửa lỗi được. Với K byte đầu vào bộ mã hóa, ta được K byte này tại đầu ra bộ mã hóa với tiếp sau là N-K byte dư bổ sung để hiệu chỉnh lỗi. Bộ mã hóa Reed-Solomon được rút ra từ bộ mã hóa RS hệ thống chuẩn RS(N=255,K=239,T=7).

Bộ mã hóa xoắn/ giải mã Viterbi

Bộ mã hóa xoắn được trình bầy trên hình 2.14 để sửa lỗi ngẫu nhiên. Bộ mã hóa xoắn này có tỷ lệ mã 1/2 và độ dài hạn chế 7.

D1 D2 D3 D4 D5 D6

Vào số liệu

Ra số liệu

Y X

Hình 2.14. Bộ mã hóa xoắn

Đa thức tạo mã trong trường hợp này như sau:

G1=(171)OCT cho X (2.1)

G2=(133)OCT cho Y (2.2)

Tại phía thu bộ giải mã Viterbi được sử dụng để giải mã với độ sâu của lưới là 34.

2.7.4.3. Bộ đan xen/ giải đan xen

Tất cả các bit sau mã hóa kênh RS-CC đều sẽ được đan xen khối bởi bộ đan xen khối với kích thước tương ứng với số các bit sau mã hóa trên các kênh con được ấn định trên ký hiệu OFDM, Ncbps. Phụ thuộc vào sơ đồ điều chế BPSK, QPSK, 16QAM hay 64QAM, Ncbps bằng 192, 384, 768, 1152. Đan xen được thực hiện theo hai bước hoán vị. Hoán vị bứơc 1 đảm bảo rằng các bit cạnh nhau đựơc sắp xếp lên các sóng mang không cạnh nhau. Vì thế khi phađinh sâu làm hỏng một bit thì bit cạnh nó không bị ảnh hưởng của phađinh nhờ vậy có thể hiệu chỉnh được ảnh hưởng cuả phađinh này.

Hoán vị thứ hai đảm bảo rằng các bit cạnh nhau luân phiên được đặt vào các bit có trọng số cao hơn hoặc thấp hơn của chùm tín hiệu. Nhờ vậy tách tín hiệu chính xác hơn và tránh được các đoạn dài các bit có độ tin cậy thấp. Giải đan xen được thực hiện ngược lại.

Phương trình (2.3) biểu diễn quan hệ giữa các chỉ số k, mk và jk của bit sau khi đan xen lần thứ nhất và lần thứ hai. Trong đó Nc là tổng số các bit trong khối, s=M/2, trong đó M là bậc của điều chế (2 đối với QPSK, 4 đối với 16QAM và 6 đối với 64QAM). Và d là một thông số bất kỳ được đặt bằng 16:

mod( )

oor k d

c

k d

m N k fl

d

   

      (2.3a)

k

mod( )

.

. oor m oor

s

k

k k c

c d

j s fl m N fl d m

N

  

 

        (2.3b) Trong đó: k=0,1,…., Nc-1

mod( )

. oor oor .

j s c

c d

j d j

m s fl j N fl

N

  

          (2.4a)

  j

c

1 . oor d.m

j c N

k dm  N fl  

     (2.4b)

trong đó hàm floor(x) là hàm lấy giá trị nguyên của (x) 2.7.4.4. Điều chế/ giải điều chế

Sau đan xen, luồng bit được đưa lên bộ sắp xếp điều chế để đựơc sắp đặt lên chùm tín hiệu. Điều chế BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM mã Gray được sử dụng (trong băng miễn phép 64-QAM là tùy chọn). Chùm tín hiệu này sẽ đựơc nhân với một hằng số c để cân bằng công suất trung bình. c bằng 1 cho BPSK, 1/ 2 cho QPSK, 1/ 10 cho 16QAM và 1/ 42 cho 64QAM.

Bảng 2.4 cho thấy quan hệ giữa điều chế và tỷ lệ mã được sử dụng trong cụm đường xuống đầu tiên ngay sau FCH.

Bảng 2.4. Quan hệ giữa điều chế và tỷ lệ mã Nhận dạng tỷ lệ

(Rate_ID)

Điều chế Tỷ lệ mã RS-CC

0 BPSK 1/2

1 QPSK 1/2

2 QPSK 3/4

3 16QAM 1/2

4 16QAM 3/4

5 64QAM 2/3

6 64QAM 3/4

7-15 dự phòng

Hình 2.15 cho thấy các chùm tín hiệu của điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM và 64 QAM.

b0=0

b0=1 Q

I c=1

b1 b0

Q

I 1

-1

-1 1

0

1

1 0

Q

c 1/ 2

-5

-7 5 7

5

-5

-7 7

I 011

010

000

001

101

100

110

111

111 110 100 101 001 000 010 011 b5b4b3

b2b1b0

1

-1

-1 1

-3 3

3

-3

1

-1

-1 1

-3 3

3

-3 Q

I 01

00

10

11

11 10 00 01

b1b0

b3b2

c / 10

c / 42

Hình 2.15. Các chùm tín hiệu điều chê BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 2.7.4.5. IFFT và FFT

Để đảm bảo tính trực giao, các sóng mang con của hệ thống OFDM là các hàm sin có tần số là bội số của tần số cơ bản. Một chu kỳ TFFT của ký hiệu OFDM chứa một số nguyên lần chu kỳ các sóng mang con. FFT thực hiện biến đổi tín hiệu trong miền thời gian vào miền tần sô ở dạng một hàm phụ thuộc vào chu kỳ lấy mẫu và số các mẫu được sử dụng. Tần số cơ bản của FFT là 1/Ts (Ts thời gian lẫy mẫu của FFT).

IFFT thực hiện thao tác ngược của FFT, nó biến đổi tín hiệu từ miền tần số vào miền thời gian. Các giá trị đầu ra IFFT là tổng của nhiều mẫu của nhiều hàm sin như sau:

j 

 

     

   

     









RF,k

R (t - kT) =

x

c

i =N/2 -1 i,k i =-N/2 FFT

GD FFT

e w(t - kT) x exp f + i (t - kT) , T

kT - T t kT +T

0, nếu khác

2

(2.5)

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu gốc có thể bị méo dạng do phản xạ nhiều đường (ISI). Để chống lại ISI, tiền tố chu trình (CP) được chèn vào đầu ký hiệu OFDM. Điều này được thực hiện bằng cách copy phần cuối của phần hiệu dụng ký

hiệu OFDM vào phần đầu của nó. Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005, có thể áp dụng CP thích ứng với độ dài 1/4; 1/8; 1/16; 1/32. Tại phía thu thao tác ngược được thực hiện.

2.7.4.6. Bộ ước tính kênh và cân bằng 1. Mô hình kênh

Kênh truyền có các đặc tính sau:

 Tổn hao đường truyền (che tối chẳng hạn)

 Trải trễ đa đường

 Các đặc tính phađinh

 Trải Doppler

 Nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận Tổn hao đường truyền

Tổn hao đường truyền phụ thuộc rất nhiều vào địa hình và mật độ các vật chắn trên đường truyền sóng. Mật độ vật chắn cao và địa hình đồi núi sẽ dẫn đến tổn hao lớn.

Trải trễ đa đường

Môi trường tán xạ dẫn đến tin hiệu truyền đến điểm thu theo nhiều đường với các thời gian trễ khác nhau. Tín hiệu tại điểm thu sẽ là tổng vectơ của các tín hiệu đến từ các đường khác nhau nói trên.

Phađinh

Phađinh là quá trình trong đó tín hiệu thu bị thăng giáng một cách ngẫu nhiên.

Phađinh được đặc trưng bằng một mô hình phân bố thống kê. Khi có rất nhiều đường truyền không trực xạ từ BS đến SS và công suất của chúng lớn hơn nhiều so với công suất của đường trực xạ, ta có phađinh Rayleigh. Trong trường hợp đường truyền trực xạ nổi trội so với các đường truyền không trực xạ ta có phađinh Rice.

Dịch Doppler

Dịch tần Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát. Đối với môi trường thông tin vô tuyến di động, phụ thuộc vào địa hình ta có thể có phân bố mật độ phổ xông suất Doppler dạng Jake hoặc Gauss.

Ngoài các yếu tố kênh nói trên, khoảng cách nhất quán, nhiễu đồng kênh, hệ số giảm độ lợi anten cũng cần được xem xét trong hệ thống thông tin đa kênh và MIMO.

2. Ước tính kênh và cân bằng kênh

Các tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng của phađinh đa đường và hiệu ứng Doppler khi truyền trên kênh vô tuyến. Để có thể giải điều chế và giải mã kênh chính xác, máy thu cần ước tính được hàm truyền đạt kênh. Tiếp sau ước tính kênh là cân bằng kênh.

Ước tính kênh có thể được thực hiện cả trong miền tần số và miền thời gian. Đối với hệ thống OFDM, FFT cần được thực hiện cho tất cả các sóng mang con vì thế xử lý trong miền tần số được thực hiện trực tiếp. Vì thế dưới đây ta sẽ xét ước tính kênh và cân bằng kênh trong miền tần số cho hệ thống SISO (một anten phát và một anten thu).

Ta ký hiệu X là tín hiệu được phát, H là đáp ứng xung kim,  là tạp âm trắng của kênh, tín hiệu thu sẽ là:

Y=X*H+ (2.6)

X=(Y-)/H=Y/ ˆH (2.7)

trong đó ˆH là hàm truyền đạt kênh ước tính. Để khôi phục lại tín hiệu Y ta cần biết ˆH. Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005, ta có một số tín hiệu biết trước tại máy thu: các hoa tiêu và các tiền tố. Bằng cách phân tích sự thay đổi của các tín hiệu này khi chúng được truyền đến máy thu từ phía phát, máy thu có thể tính ra đựơc ˆH dựa trên một số tiêu chí thống kê. Dưới đây là ba phương pháp ước tính kênh dựa trên cả các hoa tiêu và các tiền tố dài:

 Bộ ước tính kênh LS với hỗ trợ hoa tiêu

 Bộ ước tính kênh LMMSE với hỗ trợ hoa tiêu

 Bộ ước tính kênh LS với hỗ trợ tiền tố dài

Các tiêu chí thông kê được chọn cho ba phương pháp này sẽ là: (1) ước tính theo bình phương trung bình (LS: Least Mean Square), ước tính theo bình phương trung bình cực tiểu tuyến tính (LMMS: Linear Minimum Mean Square).

Trong ước tính kênh dựa trên LS, hàm truyền đạt kênh ước tính được tính toán đơn giản bằng cách chia tín hiệu thu theo tín hiệu được phát chính xác.

ˆHLS=Y/X (2.8)

trong đó Y là vectơ thu còn X là vectơ phát.

Trong ước tính kênh dựa trên LMMSE,

ˆHLMMSE=Rhh{Rhh+2N (XXh)-1 ˆHLS (2.9)

Rhh=E{ ˆHLS. ˆHhLS} (2.10)

trong đó 2N là phương sai của tạp âm Gauss trắng cộng, chỉ số h phía trên là chuyển vị Hermitian của ma trận.