Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA. Xây dựng chương trình C truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật OFDM

đệm lớn nhất Tỷ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định. Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan Hình 3.6 là hình ảnh khi ta thực hiện nhân tương quan tín hiệu thu được tại bên thu với cửa sổ trượt chính bằng khoảng tiền tố lặp CP và 2 mẫu tín hiệu nhân tương quan cách nhau chiều dài bằng chiều dài symbol khi chưa thêm khoảng bảo vệ là NFFT. Sau khi thực hiện nhân tương quan, ta sẽ thu được kết quả có các đỉnh tương quan lớn nhất nằm ở những vị trí chính là điểm đầu của mỗi khung OFDM. Đồng bộ dựa vào giá trị trung bình bình phương tối thiểu Xét 2 khoảng tín hiệu thu cách nhau N (NFFT) bước. Với N là số sóng mang phụ bằng NFFT. N bằng số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích của symbol OFDM, chúng phải là bản sao của nhau nên d(m) thấp. Nếu r(m) và r(m-N) tương ứng với các mẫu phát nằm trong thời khoảng của cùng một symbol OFDM, d(m) là hiệu của hai biến ngẫu nhiên không tương quan. Công suất của d(m) là |d(m)|2 trong trường hợp này bằng hai lần công suất trung bình của symbol OFDM. Nếu sử dụng một cửa sổ trượt có độ rộng thời gian bằng khoảng thời gian của CP (điểm cuối của cửa sổ trùng với điểm bắt đầu của symbol OFDM) thì khi cửa sổ này trùng với thành phần CP của symbol OFDM sẽ có một cực tiểu về công suất trung bình của các mẫu d(m) trong cửa sổ này. Do đó, có thể ước lượng được thời điểm bắt đầu của symbol OFDM, và đồng bộ kí tự được thực hiện. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot Pilot có thể được hiểu như những mẫu kí tự dẫn đường, làm hoa tiêu. Tín hiệu bên phát khi truyền qua kênh vô tuyến thì biên độ và pha đã bị thay đổi. OFDM sẽ dụng pilot để ước lượng và cân bằng kênh truyền. Nhờ đó có thể thu lại tín hiệu có hình dạng giống như bên phát. Bên cạnh chức năng chính đó, người ta cũng có thể sử dụng luôn pilot cho khâu đồng bộ. Bên phát và bên thu đều biết trước về pilot, biết trước về cách chèn pilot, mô hình pilot. Hình 3.4 là hình ảnh thực tế trong hệ thống mô phỏng đã chèn pilot vào luồng dữ liệu tuần tự sau vài khung dữ liệu. Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế Thuật toán đồng bộ gồm 3 bước: Nhận biết công suất (Power Detection), đồng bộ "thô" (Coarse Synchronization) và đồng bộ "tinh" (Fine Synchronization). Nhiệm vụ của việc nhận biết công suất là xác định xem tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách đo công suất thu và so sánh với mức ngưỡng. Trong bước đồng bộ "thô", tín hiệu sẽ được đồng bộ lúc đầu với độ chính xác thấp bằng một nửa khoảng thời gian lấy mẫu. Mặc dù độ chính xác trong bước này không cao nhưng nó sẽ làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bộ trong bước tiếp theo. Để thực hiện được sự đồng bộ "thô", người ta tính tương quan giữa tín hiệu thu được với pilot mà bên thu và bên phát đã cố định từ trước rồi tìm đỉnh tương quan. Tần số ước lượng của các điểm phải gấp khoảng 4 lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan. Trong bước đồng bộ "tinh", do thời gian đồng bộ chính xác nhỏ hơn mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng của lỗi đồng bộ và đáp ứng xung kênh chắc chắn nằm trong khoảng của CP (vì khoảng thời gian của CP phải lớn hơn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh ít nhất là một mẫu). Vì vậy, lỗi pha ở các sóng mang của các kênh phụ chắc chắn là do lỗi thời gian gây nên. Lỗi này có thể được ước lượng bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính. Khi đó, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng. Các symbol pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC Bên trên là các thuật toán đồng bộ khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ giữa khoảng bảo vệ GI và phần sau của symbol, hay dựa vào sự biết trước symbol pilot ở cả bên phát và bên thu. Tuy nhiên, các thuật toán đó có nhược điểm là chỉ phát hiện chính xác điểm đầu kí tự với điều kiện là tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR là cao. Nếu tỷ số đó mà thấp quá thì biện pháp đồng bộ sẽ không hiệu quả. Các thuật toán này không thể phát hiện chính xác vị trí bắt đầu của kí tự do nhiễu ISI trong kênh fading đa đường. Chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp đồng bộ sử dụng mã đồng bộ khung. Ta sẽ truyền dữ liệu cộng thêm một khung dữ liệu đồng bộ bổ sung vào đầu của luồng dữ liệu OFDM. Cấu trúc khung có thể được chia thành vùng mã đồng bộ khung FSC cho đồng bộ khung symbol và vùng dữ liệu cho truyền dẫn symbol OFDM. Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC Dữ liệu truyền GI GI GI FSC data data data data GI Khung đồng bộ Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau: Trong đó, TFSC : Khoảng thời gian symbol FSC Tại phía phát, chuỗi các mẫu ở dạng số được phát gồm có chuỗi CA(n) của FSC và khoảng bảo vệ GI và các mẫu dữ liệu không có GI đã qua FFT là: Trong đó, CL : Độ dài bit của FSC. sm(n) : Chuỗi các mẫu của symbol OFDM thứ m trong miền thời gian khi không thêm GI. xm(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m trong miền tần số. N : Số sóng mang con. Các mẫu CA(n) được ứng dụng trực tiếp để s(n) là số bắt đầu khung Tín hiệu FSC là một chuỗi tuần tự các mẫu, , với n = 1,2,… CL được tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2),..., C()} gồm các CL giá trị nhị phân. Đối với mã C(n) có giá trị "1", chúng ta thực hiện đảo cực tính luân phiên để tạo ra tín hiệu 3 mức . Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} thì = {1, 0, 0, -1, 1, -1, 0, 1}. Bằng cách này, ta có thể duy trì số giá trị '1' và '-1' bằng nhau tại phía phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động. Cấu trúc đồng bộ khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, bộ nhận biết bit '0' hay '1', thanh ghi dịch CL, bộ cộng Modulo -2 được giảm bớt, bộ tổng, bộ nhận biết đỉnh. Thuật toán đồng bộ khung symbol nhờ FSC gồm có 3 bước: Nhận biết FSC, xác định các mức ngưỡng tối ưu Th1 và Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung symbol. Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC Xác định mức ngưỡng Th1 Mức ngưỡng Th1 nhằm xác định ra những bit nhị phân ‘0’ và ‘1’ từ tín hiệu tương tự thu được. Đối với mỗi môi trường khác nhau thì ảnh hưởng của môi trường lên tín hiệu sẽ khác nhau và sự khác biệt giữa những tín hiệu mức cao và mức thấp sẽ ít hơn. Do đó, đối với mỗi môi trường thì mức ngưỡng Th1 sẽ khác nhau. Đối với môi trường càng tốt thì tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR càng cao, tín hiệu có chất lượng càng ổn định và sự phân biệt giữa những giá trị mức cao và mức thấp càng rõ rệt. Khi đó mức ngưỡng Th1 có thể chọn thấp hơn. Th1 phải tối ưu để sao cho không nhầm lẫn giữa nhiễu và tín hiệu mức cao. Để thu được một mức ngưỡng tối ưu trong môi trường đa đường là rất khó. Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ giữa giá trị ngưỡng tối ưu Th1 và tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Th1 có thể chọn càng nhỏ khi SNR càng cao. Theo lý thuyết, Th1 tối ưu có thể tính theo công thức: : Hàm ngược của Bessel bậc 0: : Phương sai của các biến ngẫu nhiên Gaussian trong các kênh I và Q P : Giá trị biên độ được định nghĩa trong tín hiệu Đầu ra của bộ cộng modul có kết quả là ‘1’ nếu các bit giống nhau và là ‘-1’ nếu các bit khác nhau. Các giá trị này sẽ được tính tổng và đưa ra so sánh với mức ngưỡng Th2 để xác định chính xác FSC. Xác định mức ngưỡng Th2 Giá trị tổng sau khi thực hiện ở bước trên sẽ được đem ra so sánh với mức ngưỡng Th2 để tìm ra vị trí chính xác của khung FSC. Qua bước tính tổng và xét cộng modul ở trên thì nếu khung đem ra so sánh với khung FSC đã biết trước mà giống nhau nhất thì giá trị tổng sẽ cao nhất. Việc của ta là phải đặt ra mức ngưỡng Th2 sao cho khi giá trị tổng kia vượt qua cái ngưỡng Th2 đó thì chắc chắn đó chính là khung FSC truyền ở phía phát. Đây gọi là sự nhận biết trượt. Nếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu ra của các vùng dữ liệu khác có thể ở trên Th2 và được xem như là FSC, tức là đã nhận biết nhiễu chính là FSC, gọi là xác suất dự phòng sai PF. Chiều dài CL của khung FSC càng dài thì xác suất nhận biết trượt giảm, tức là khả năng nhận biết đúng tăng. Như vậy, thuật toán đồng bộ khung symbol có thể chọn chiều dài và kiểu FSC. Điều này phụ thuộc vào môi trường kênh và hiệu suất hệ thống. Khi môi trường kênh xấu, ta có thể mở rộng chiều dài và thay đổi các mức ngưỡng sao cho hợp lý. Đồng bộ tần số Như chúng ta đã biết, kỹ thuật OFDM rất nhạy cảm với những sai lỗi về sự sai dịch tần số. Lỗi tần số ở đây là sự lệch tần số có nguyên nhân do sự sai khác giữa hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần do hiệu ứng Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hình sinc) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh phụ do mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Và các sóng mang con tự bị sai lệch tần số do môi trường tác động và cũng không còn đảm bảo tính trực giao và có một sự quay pha theo biến thời gian của tín hiệu nhận. Chúng ta có thể nhìn thấy điều này qua hình 3.11 bên dưới. Hình 3.11 chỉ ra sự khác biệt của 2 trường hợp: Giả sử lý tưởng không có sự sai khác tần số giữa bên phát và bên thu. Có sự sai khác tần số giữa bên phát và bên thu. Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ Một điều hiển nhiên là không thể có 2 bộ dao động ở phía phát và phía thu hoàn hảo giống hệt nhau nên chắc chắn sẽ có sự sai lệch trong việc lấy mẫu tín hiệu và gây ra sự sai lệch về tần số lấy mẫu. Do hệ thống thực hiện truyền thông qua môi trường vô tuyến, là môi trường có điều kiện xấu và bất ổn nhất nên chắc chắn các sóng mang sẽ phải chịu ảnh hưởng từ đó và dẫn đến sự sai khác về tần số sóng mang và gây ra mất đồng bộ. Đồng bộ tần số lấy mẫu Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ Ta chắc chắn sẽ có sự sai khác về tần số lấy mẫu giữa bên phát và bên thu vì không thể có 2 bộ dao động giống nhau 100%. Sự sai lệch tần số lấy mẫu này sẽ ảnh hưởng lên tất cả các sóng mang con, nhưng với mỗi sóng mang khác nhau thì ảnh hưởng sẽ khác nhau. Đối với sóng mang có tần số hoạt động càng lớn thì sự sai lệch về tần số lấy mẫu càng lớn. Sự sai khác tần số lấy mẫu giữa bên phát và bên thu: Sự chênh lệch nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI. Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ nhất là sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp VCO; giải pháp thứ hai là thực hiện xử lý số để động bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu. Đặt độ lệch tần số chuẩn hóa trên symbol thứ l: Với N >>: Với ∆S <<: Trong đó, k là các sóng mang con, l sóng mang con đang xét. xk vị trí sóng mang thứ k. Đồng bộ tần số sóng mang Mỗi sóng mang con trong symbol OFDM sẽ bị lệch một khoảng tần số là ∆FC so với phía phát khi tới phía thu do có sự ảnh hưởng của môi trường. Vì thế mà sự trực giao giữa các sóng mang con bị phá vỡ. Để có thể thu được thông tin chính xác chúng ta phải bù lại khoảng dịch tần số này. Nếu việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, hiệu suất của hệ thống cũng như ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang giảm đi đáng kể. Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ Hình 3.13 cho thấy, tất cả các sóng mang con đều chịu ảnh hưởng của sự sai lệch tần số sóng mang có thể coi là như nhau vì môi trường truyền là như nhau. Đặt độ lệch tần số chuẩn hóa là: Khoảng dịch tần số cho symbol thứ l Qua công thức ta có thể thấy đồng bộ tần số sóng mang trong kỹ thuật OFDM là hết sức quan trọng, vì nếu không thực hiện đồng bộ chính xác và ∆FC vẫn khác 0 thì 1 sóng mang sẽ chịu ảnh hưởng của rất nhiều các sóng mang khác và gây ra lỗi nghiêm trọng. Để có thể đồng bộ ta phải ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset). e-j(2𝜋(fc-∆ffrac)t+𝜃) f=f(∆ffrac) P/S Loại bỏ CP và thực hiện FFT A/D và S/P Phát hiện độ lệch tần số sóng mang ∆ffrac Dao động tại chỗ có PLL (VCO) Tín hiệu cao tần Xử lý số Số liệu ra Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO Chúng ta sẽ tìm hiểu 3 phương pháp ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO là ước lượng dựa vào kí hiệu dẫn đường pilot, dựa vào tiền tố lặp CP và dựa vào chính dữ liệu. Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot Một số sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu pilot thường được chọn là các tín hiệu giả ngẫu nhiên PN. Tính chất tương quan cao của chuỗi PN thì chúng ta đã biết, dựa vào đó ta sẽ thực hiện đồng bộ. Nguyên lý đồng bộ gồm 2 giai đoạn: acquisition và tracking. Giai đoạn Acquisition Khi bắt đầu quá trình đồng bộ, do chuỗi PN hàm chứa trong tín hiệu thu được (do quá trình nhân trực tiếp dãy dữ liệu d(t) với chuỗi PN khi trải phổ ở phần phát) và chuỗi PN ở máy thu lệch pha nhau, sai pha này là một giá trị ngẫu nhiên, phân bố đều trong khoảng từ 0 tới (N.Tc) (Tc là độ rộng một chip), do vậy khả năng rất cao là sai pha đó lớn hơn Tc. Khi đó quá trình acquisition diễn ra với mục tiêu là kéo cho sai pha giữa chuỗi PN của máy thu và chuỗi PN trong tín hiệu thu giảm xuống còn dưới một Tc. Về bản chất, quá trình này thực hiện tính tương quan giữa chuỗi PN của máy thu với chuỗi PN có trong tín hiệu thu được. Nếu giá trị tương quan chéo này (và cũng là giá trị hàm tự tương quan với biến tau chính là lượng sai pha) vẫn còn bằng 0 hoặc rất nhỏ thì máy thu tiếp tục dịch mã PN của mình cho tới khi giá trị tương quan chéo tính được vượt quá một mức cho trước (một điện áp ngưỡng nào đó, ấn định rằng tau đã nhỏ hơn Tc) thì dừng quá trình acquisition, chuyển sang quá trình tracking (tinh chỉnh để sai pha tau được kéo về 0). Giai đoạn Tracking Để thực hiện điều chỉnh tinh, một mạch đồng bộ sớm-muộn gồm 2 nhánh thường được sử dụng. Về bản chất, đây là 2 vòng khóa pha PLL nhận cùng một tín hiệu lối vào, song trên hai nhánh thì tín hiệu lối vào được tính tương quan với hai chuỗi PN tạo ra cùng từ cùng một bộ tạo mã PN song có pha đầu được làm lệch đi +Tc/2 và -Tc/2 một cách tương ứng. Trên đầu ra của 2 bộ tính tương quan trên hai nhánh sẽ có các điện áp khá lớn (do sai pha tau lúc này đã nhỏ dưới một Tc) và khác nhau. Hiệu của 2 điện áp này, sau bộ lọc mạch vòng, sẽ được sử dụng để điều khiển dịch mã PN (tức là sẽ điều chỉnh chính bộ tạo mã PN nói trên của máy thu), cực tính của điện áp hiệu sẽ quyết định chiều dịch mã nhanh pha lên hay chậm pha đi. Trong suốt quá trình điều chỉnh này, giá trị tuyệt đối của hiệu điện áp nói trên sẽ giảm dần, giảm cho tới 0 thì chuỗi PN của máy thu đã hoàn toàn đồng bộ với chuỗi PN trong tín hiệu thu được. Kết thúc quá trình đồng bộ mã PN (hay đồng bộ chip). Ước lượng CFO dựa vào tiền tố lặp CP Dựa vào đặc điểm của tiền tố lặp CP là khoảng dữ liệu được copy từ cuối chuỗi dữ liệu lên đầu chuỗi, người ta đưa ra giải pháp ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang dựa vào khoảng CP này. Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP CP CP Gọi T là chiều dài của 1 symbol. Đặt . Giá trị tổng tương quan xét cho 1 khoảng dữ liệu có chiều dài L (chính là chiều dài của khoảng tiền tố lặp CP) và 1 khoảng dữ liệu khác cách khoảng đầu tiên là chiều dài N (là chiều dài dữ liệu sau khi IFFT). Vậy, ta có giá trị ước lượng: Trong đó, J* là giá trị liên hiệp phức của J. Arg[.]: là giá trị biên độ. Ước lượng thô: Thực hiện giống như trên với một khoảng dữ liệu ngắn hơn, ở đây ta chọn với một phần tư chiều dài khoảng CP, là L/4. Giá trị ước lượng: Từ đây, ta cũng sẽ có công thức ước lượng: Giá trị ρ/4 là không đủ để xác định ra ước lượng ρ. Mặt khác, do chiều dài L/4 là quá ngắn và sẽ không đủ chính xác. Vì vậy, ước lượng thô chỉ chúng ta giá trị đúng của phần nguyên của ρ. Kết hợp giữa ước lượng thô và ước lượng tinh ở trên, ta sẽ thu được ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang: Trong đó, là phép lấy phần nguyên, làm tròn xuống. Ước lượng khoảng dịch tần số dựa trên chính dữ liệu Tín hiệu ở phía thu được biểu diễn Hk: đáp ứng xung của hàm truyền đạt. Tín hiệu thu sẽ được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số với phép biến đổi FFT: Ta có thể tách hai phần sau khi qua FFT: = Hàm ước lượng: Hình 3.16 Khung OFDM CP Giá trị chỉ thỏa mãn ước lượng khi , khi phải được thực hiện tại một giả định ban đầu. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ tới chỉ tiêu chất lượng hệ thống Người ta đánh giá ảnh hưởng của sự sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ Loại/ lượng lỗi đồng bộ Độ suy giảm SNR (dB) Lỗi tần số sóng mang ε1, kênh AWGN Lỗi tần số sóng mang ε1, kênh fading Nhiễu pha sóng mang, độ rộng Lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu , tại sóng mang phụ thứ n D ≈ 10 log Lỗi thời gian Không đáng kể Trong đó, Es/N0 : là năng lượng mỗi symbol tín hiệu trên mật độ phổ công suất nhiễu. ε : là độ sai lệch tần số sóng mang. Dựa vào bảng có thể đưa ra một số nhận xét: Sự đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (kể cả kênh fading đa đường lẫn kênh nhiễu trắng AWGN). Suy hao SNR [dB] tỷ lệ bình phương với độ sai lệch tần số sóng mang. Độ rộng nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang. Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên khi tăng số lượng sóng mang. Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối. Ta có thể giảm thiểu lỗi này bằng việc sử dụng tần số lấy mẫu ở phía thu lớn gấp 4 lần tần số lấy mẫu ở phía phát. Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng thời gian của CP. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian OFDM chịu được lỗi thời gian vì có khoảng bảo vệ giữa các symbol miễn là khoảng bảo vệ đó dài hơn trải trễ cực đại của hiện tượng fading đa đường. Đối với kênh không có multipath, độ lệch thời gian có thể bằng khoảng bảo vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ. Sự quay pha được sửa nhờ vào sự ước lượng và cân bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm hiệu suất. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số OFDM nhạy cảm với sai lỗi offset về mặt tần số. Và đặc biệt là lỗi tần số sóng mang do làm mất tính trực giao nghiêm trọng giữa các sóng mang con, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang con, gây nhiễu ICI. Các lỗi tần số thường do 2 nguyên nhân chính: do lỗi của bộ tao dao động bên phát và bên thu không khớp nhau hoàn toàn và do hiệu ứng Doppler gây lệch tần số khi tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến. Một độ lệch bất kỳ dẫn đến sự quay pha các vector tải phụ thu được. Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn. Nếu kênh chỉ thực hiện ở đầu mỗi frame thì các lỗi tần số sẽ không được giải quyết, do đó hiệu suất của hệ thống sẽ giảm dần. Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ có SNR hiệu dụng cực đại, SNR sẽ giảm bị ở cuối frame. Trong môi trường di động nhiều người sử dụng thì vấn đề này càng phức tạp hơn vì tín hiệu truyền từ mỗi người sử dụng có tần số offset khác nhau. Nếu người sử dụng được đồng bộ tốt với một BS thì vẫn có độ lệch tần do độ lệch tần Doppler. Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu. Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều người sử dụng thì vấn đề sửa lỗi tần là không đơn giản. Kết luận Chúng ta vừa điểm qua những kỹ thuật đồng bộ truyền thống trong các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Khâu đồng bộ trong một hệ thống truyền thông nói chung và trong hệ thống truyền thông vô tuyến nói riêng là một trong những nhiệm vụ vô cùng quan trọng và cần nghiên cứu thực hiện kỹ lưỡng. Đặc biệt là đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM thì kỹ thuật đồng bộ hoàn hảo sẽ quyết định hiệu suất của cả hệ thống. Chúng ta có rất nhiều kỹ thuật để thực hiện đồng bộ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên, môi trường truyền thông vô tuyến là rất phức tạp và ở mỗi môi trường khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng khác nhau. Vì thế, nếu nghiên cứu và áp dụng được kỹ thuật đồng bộ càng tốt thì ta sẽ có thể tạo được hệ thống có mức đáp ứng nhu cầu tốt hơn cho thực tế. Chương 4. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA Mở đầu Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Đồng thời nghiên cứu cơ bản vấn đề đồng bộ trong hệ thống hoạt động theo kỹ thuật này. Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm và những tồn tại của kỹ thuật này trong hệ thống truyền thông vô tuyến. Từ đó có thể ứng dụng nó một cách đúng đắn. Cơ bản về kỹ thuật OFDMA Orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang trực giao. Đây là công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kỹ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể. Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là một kế hoạch ghép kênh/đa truy nhập để cung cấp hoạt động ghép kênh của luồng dữ liệu từ nhiều người sử dụng trên các kênh con đường xuống và đa truy nhập đường lên bởi các kênh con đường lên. Nhiều người dùng cùng chia sẽ một băng tần nền được gọi là OFDMA. Mỗi người dùng có thể dùng một số sóng mang con đã định trước hoặc thay đổi tùy theo thông tin cần truyền (sự điều khiển này phụ thuộc vào lớp MAC). OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năng chia tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm của các sóng mang không kề nhau, mà những user khác nhau được chỉ định các sóng mang khác nhau. Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM để cho nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm. OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho một người dùng cũng khác nhau. OFDMA được dùng trong công nghệ mạng 802.16e (WiMAX di động), 3G Hình 4.1 OFDM LTE, … Hình 4.2 OFDMA Từ hai hình trên ta thấy điểm khác nhau là OFDMA chia các subcarrier thành từng nhóm gọi là subchannel (màu sắc khác nhau). Và mỗi một subchannel sẽ dành riêng cho 1 người dùng user. Các giao thức OFDMA Phân hóa kênh con Trong wimax, các user được cấp các khối sóng mang con hơn là các sóng mang con riêng biệt để giảm sự phức tạp cho thuật toán cung cấp sóng mang con và làm đơn giản việc ánh xạ các bản tin. Giả sử rằng một user k được cấp một khối Lk các sóng mang con, các sóng mang con này có thể được phân bố trên toàn băng thông theo mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối, hoặc cùng một dãy tần số theo mô hình sắp xếp sóng mang con kế cận. Ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con phân phối là tăng tính đa dạng và mạnh mẽ của băng thông; ưu điểm của mô hình sắp xếp sóng mang con kế tiếp là tăng tính đa dạng của nhiều user. Sự ánh xạ các bản tin Để cho mỗi MS biết là những sóng mang con nào được dành cho nó BS phát quãng bá thông tin này trong các bản tinh DL MAP. Cũng như BS cho mỗi MS biết những sóng mang con nào cho nó truyền bản tin UL MAP. Ngoài việc cấp các sóng mang con truyền thông UL và DL cho MS thì MS cũng phải hiểu các burst profile được sử dụng cho UL và DL. Burst profile dựa trên việc đo SINR và BLER cho cả hai đường và nhận dạng mức độ thích ứng của sự mã hóa và điều chế. Sự sắp xếp Khi mỗi MS xác định khoảng cách đến BS. Nó quyết định sự đồng bộ các kí hiệu và cân bằng mức công suất thu giữa các MS. Quá trình này được gọi là sự sắp xếp. Khi khởi đầu, việc sắp xếp yêu cầu BS dự đoán độ mạnh của kênh và thời gian đến của MS. Sự đồng bộ đường xuống thì không cần thiết khi đường này luôn được đồng bộ trước. Nhưng trong đường lên, các user cần được đồng bộ tối thiểu trong một chu kỳ khoảng thời gian chèn. Nếu không thì nhiễu xuyên ký tự và nhiễu giữa các sóng mang sẽ xảy ra. Tương tự, thông qua điều khiển công suất đường xuống được yêu cầu để giảm sự can nhiễu qua cell khác. Điều khiển công suất đường lên để tăng thời gian sống của pin và giảm xuyên nhiễu giữa các cell. Trong wimax gồm có 4 loại thủ tục sắp xếp: khởi tạo, khoảng chu kỳ, yêu cầu băng thông và chuyển giao. Sắp xếp được thực hiện trong 2 hoặc 4 ký tự liên tục mà không có sự kết hợp pha, điều này cho phép BS biết một MS đã mất đồng bộ, mất kết nối định thời rộng hơn so với tiền tố vòng. Nếu thủ tục sắp xếp thành công BS gửi một bản tin đáp ứng sắp xếp để chỉ thị MS điều chỉnh thời gian offset thích ứng, làm đúng tần số offset và thiết lập công suất. Nếu sắp xếp không thành công, MS sẽ tăng mức công suất và gửi một bản tin sắp xếp mới để tiếp tục quá trình này đến khi thành công. Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA Cấu trúc symbol OFDMA gồm 3 loại sóng mang con như hình trên - Sóng mang con dữ liệu (data) cho truyền dữ liệu. - Sóng mang con dẫn đường (pilot) cho mục đích ước lượng, cân bằng kênh và đồng bộ. - Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn; được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC. Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và dẫn đường) được nhóm thành các tập con gọi là các kênh con. Lớp vật lý OFDMA 802.16e hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con: phân tập và liền kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó cung cấp phân tập tần số và trung bình hoá nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc. Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kí hiệu, có cấp phát pilot và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như trong hình 4.4. Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con pilot. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con trong nhóm. Các sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con. Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có dạng như hình 4.6. Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe. Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con pilot trong 3 kí hiệu OFDM Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC (mã hóa và điều chế thích ứng đường xuống) và UL AMC (mã hóa và điều chế thích ứng đường lên), và có cấu trúc tương tự. Hinh 4.5 mo hinh AMC +) Một bin gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 sóng gán cho dữ liệu và 1 sóng gán cho pilot. +) Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6), trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề. Vì vậy các tổ hợp được phép là (6 bin / 1 kí hiệu), (3 bin / 2 kí hiệu), (2 bin / 3 kí hiệu), (1 bin / 6 kí hiệu). Hoán vị AMC cho phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con có đáp ứng tần số tốt nhất. AMC được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống. Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di động còn hoán vị sóng mang con liền kề phù hợp trong các môi trường cố định hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép nhà thiết kế hệ thống cân bằng tính di động cho thông lượng. Đặc điểm Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác. Và nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA Hình 4.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7 người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang t f phụ có sẵn, khác với những người còn lại. Thí dụ này thực tế là sự  hỗn hợp của OFDMA và TDMA bởi vì mỗi người sử dụng chỉ phát ở một trong 4 khe thời gian, chứa 1 hoặc vài symbol OFDM. 7 người sử dụng từ a đến g  đều  được đặt cố định (fix set) cho các sóng mang  theo bốn khe thời gian. OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định đươc cải thiện.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 sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng. Hình 4.8 ODFM và OFDMA Trên hình chỉ ra sự khác nhau cơ bản giữa OFDM và OFDMA là sự sắp xếp nhiều người sử dụng trong OFDMA vào các sóng mang. Sự sắp xếp gần giống với FDMA. Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác. Trong DL có 4 thành phần mà nó mang thông tin cho phép máy thu giải điều chế tín hiệu: preamble, FCH, DL-MAP và UL-MAP. Preamble Preamble là ô bắt đầu của mỗi khung downlink. Nó bao gồm các sóng mang điều chế (BPSK,QAM, …) và có độ dài 1 symbol OFDMA. Preamble được sử dụng vào hai mục đích: - Bố trí tuần tự pilot vào trong ô preamble để làm cho nó dễ dàng hơn cho máy thu trong việc đánh giá lỗi tần số và pha và để đồng bộ với máy phát. Chúng được sử dụng để đánh giá và cân bằng kênh. - Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng. Các Sóng mang 0,3,6... chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng, các sóng mang 1,4,7... chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8,.. chỉ ra segment 3 được dùng. FCH Frame control header(FCH) được điều chế (QPSK, …) và có độ dài 2 symbol OFDMA. Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không có thông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ. Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và các tham số truyền dẫn khác sẽ được cho bên dưới. DL-MAP /UL-MAP DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong Downlink Zones. Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian (=symbol) và tần số (= subchannel). UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đường xuống(downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụng khác nhau. Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau. Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao. OFDMA theo tỉ lệ (SOFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho không gian sóng mang con không thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóng mang con. Phương pháp ghép (Duplexing) Có hai phương pháp song công: song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing), song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing). Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần số khác nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở những thời gian khác nhau. - Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe - FDD cần có 2 kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink). Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian. Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA OFDMA rất nhạy với sự dịch về tần số và thời gian giống như OFDM vậy. Chúng ta sẽ phân tích sự đồng bộ ở khung Downlink sử dụng kí hiệu Preamble. Phân tích rõ ràng về giá trị trung bình và phương sai của biểu thức Metric định thời. Đặt giá trị những mẫu Preamble và dữ liệu trong miền thời gian tương ứng là xp(n) và xd(n). Khi đó, tín hiệu truyền x(n) được viết lại: Tín hiệu OFDMA được truyền qua kênh lựa chọn tần số. Gọi h(n) là đáp ứng xung của kênh có chiều dài L1. Tín hiệu sau khi truyền qua kênh: Giả sử có 1 sự dịch tần số giữa các bộ giao động bên phát và bên thu. Khoảng dịch tần số sóng mang là ε và sẽ gây ra sự quay pha 2πεn/N. Thừa nhận là lấy mẫu hoàn hảo không có lỗi về tần số lấy mẫu. Khi đó, kí hiệu OFDM thu được sẽ là: Trong đó: θ0 : góc pha ban đầu. ϑ(n) : là giá trị trung bình của nhiễu trắng với phương sai Không mất tính tổng quát, ta đặt d là khoảng vị trị bắt đầu ở tiền tố lặp CP, giá trị metric về mặt thời gian là: Với, P(d) là giá trị tổng của biểu thức nhân tương quan giữa các mẫu CP với các mẫu ở cuối kí hiệu: N : số mẫu trong kí hiệu thu. R(d) ước lượng năng lượng của N mẫu đang xét ở phía thu: Đặt Trong đó, Phương thức đồng bộ khung vẫn là tính toán giá trị metric định thời, sử dụng một bộ đệm chứa giá trị tính toán được. Ta sẽ tìm được điểm đầu khung và thực hiện đồng bộ nếu giá trị ở vị trí trung tâm của bộ đệm là lớn nhất và thỏa mãn lớn hơn một giá trị ngưỡng nhất định. Sau đây thì ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc giá trị trung bình (kỳ vọng) và phương sai (độ phân tán) của giá trị metric định thời trong OFDMA vào SNR. Xem xét giá trị trung bình và phương sai của M(d) Phương sai là đại lượng nhằm đo lường độ phân tán. Để tìm giá trị trung bình và phương sai của M(d) ta sẽ đi tìm giá trị trung bình và phương sai của |P(d)| và R(d). Từ biểu thức : Giá trị độ lớn của P(d) sẽ là: Trong đó, và đại diện cho giá trị pha của thành phần T theo thành phần ψ là góc của . Thành phần là rất nhỏ so với thành phần nên có thể bỏ qua. Và: Giá trị trung bình Mean của |P(d)| Trong đó, PI(d) là P(d) đối với kênh lý tưởng không có nhiễu và không có sự lệch tần số. Vậy, giá trị trung bình của metric định thời phụ thuộc vào đáp ứng xung của kênh. Nếu đáp ứng xung của kênh đầu tiên là trội nhất, h(0) là lớn nhất thì: Trong đó, là năng lượng của kí hiệu Preamble: Giá trị trung bình của |P(d)| sẽ cho ta giá trị chính xác của điểm đầu khung ở vị trí d=L. Phương sai của |P(d)| Phương sai của kênh lựa chọn tần số có thể viết gọn lại: Cuối cùng ta sẽ thu được biểu thức: Giá trị trung bình của R(d) Phương sai của R(d) Thực tế, giá trị SNR sẽ quyết định giá trị . Cuối cùng ta sẽ thu được, tại điểm đầu khung, giá trị trung bình của Metric định thời sẽ là: Phương sai của giá trị Metric đối với các kênh lựa chọn tần số: Trong đó, Chương 5. Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết quả Mở đầu C là ngôn ngữ rất có hiệu quả và được ưa chuộng nhất để viết các phần mềm hệ thống, mặc dù nó cũng được dùng cho việc viết các ứng dụng. C là một ngôn ngữ lập trình tương đối nhỏ gọn vận hành gần với phần cứng và nó giống với ngôn ngữ Assembler hơn hầu hết các ngôn ngữ bậc cao. Hơn thế, C đôi khi được đánh giá như là "có khả năng di động", cho thấy sự khác nhau quan trọng giữa nó với ngôn ngữ bậc thấp như là Assembler, đó là việc mã C có thể được dịch và thi hành trong hầu hết các máy tính, hơn hẳn các ngôn ngữ hiện tại trong khi đó thì Assembler chỉ có thể chạy trong một số máy tính đặc biệt. Vì lý do này C được xem là ngôn ngữ bậc trung. C đã được tạo ra với một mục tiêu là làm cho nó thuận tiện để viết các chương trình lớn. Một ưu điểm nữa của ngôn ngữ C đó là cho phép người lập trình có thể tạo ra những hệ thống thời gian thực. Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án, chúng em quyết định sử dụng ngôn ngữ C để xây dựng chương trình thu và phát thực hiện truyền dữ liệu giữa 2 máy tính thông qua card âm thanh. Với sự trợ giúp của phần mềm Visual Studio C++ 6.0, chúng em xây dựng nên giao diện hoàn chỉnh của phần mềm ở phía phát và phía thu, giúp hệ thống thân thiện hơn với người sử dụng. Xây dựng mô hình Phía thu Phía phát Mã hóa 16-QAM Chèn zeros Chèn pilot Thực hiện IFFT Chèn GI Đưa ra sound card TX Đọc file Giải mã 16-QAM Loại bỏ zeros Tách pilot Thực hiện FFT Loại bỏ GI Thu từ sound card RX Ghi lại file Kênh truyền Có nhiễu Hình 5.1 Mô hình truyền dẫn OFDM Hình 5.1 mô tả mô hình truyền sử dụng kỹ thuật OFDM. Phía phát: thực hiện đọc file muốn truyền dưới dạng nhị phân. Sau đó, ta thu được dãy bit mã hóa của file. Gộp lần lượt thành những nhóm ứng với mã hóa 16-QAM là 4 bit và thực hiện điều chế 16-QAM. Sau khi thực hiện QAM, ta thu được dữ liệu dưới dạng số ảo (chính là biểu diễn dữ liệu dưới dạng biên độ và pha); thực hiện chèn zeros; thêm kí hiệu dẫn đường pilot; biến đổi IFFT để tạo thành các mẫu symbol chứa các sóng mang con trực giao nhau; sau đó chèn khoảng bảo vệ và đưa dữ liệu ra card âm thanh để truyền. Phía thu: thực hiện quá trình ngược lại với phía phát để giải mã ghi lại thành file. Phía thu muốn thu được đúng dữ liệu trước và khi giải mã cần có quá trình đồng bộ giữa bên phát và bên thu. Các thông số của mô hình truyền sử dụng OFDM Bảng 5.1 Các thông số của mô hình Tham số Giá trị Kích thước FFT (NFFT) 64 Kích thước dữ liệu (ND) 48 Khoảng bảo vệ (GI) 32 Khoảng cách chèn pilot miền thời gian (D_t) 5 Khoảng cách chèn pilot miền tần số (D_f) 1 Phương thức điều chế 16-QAM Tần số lấy mẫu fs 11025 Hz Chương trình truyền OFDM và OFDMA Hệ thống truyền dẫn được thực hiện với giao diện bên phát và bên thu. Giao diện chia ra thành các khu vực giúp thân thiện với người sử dụng. Có thể dễ dàng thay đổi theo ý muốn. Hình 5.2 Giao diện chương trình phía truyền Hình 5.2 là giao diện của chương trình ở phía truyền Giao diện đồ họa gồm có: Menu: các tác vụ cơ bản và giới thiệu về chương trình. Vùng thể hiện tín hiệu tương tự của dữ liệu phía truyền sau khi đã qua sound card. Khu vực điều khiển (Control): để điều khiển, chạy chương trình. +) Có thể chọn thực hiện với hệ thống OFDM hoặc OFDMA với việc chọn tương ứng. Chương trình lập trình với OFDMA cấu trúc là 1 máy truyền và 2 máy nhận. +) Sau khi đã chọn file để truyền, chọn Transfer để bắt đầu truyền file. Chọn Reset để thiết lập lại từ đầu và nút Exit để thoát chương trình. Khu vực hiện thị trạng thái đang làm việc của chương trình. Hiển thị các thông số đầu vào của hệ thống truyền dẫn như: +) NFFT (kích thước FFT) mặc định là 64; +) M_ary kiểu điều chế QAM mặc định là 16-QAM; +) N_D là kích thước dữ liệu trên 1 symbol OFDM mặc định là 32 và có thể thay đổi từ 0-NFFT; +) GI là chiều dài khoảng bảo vệ có giá trị từ 0-NFFT và có thể thay đổi. +) Sample_rate là tần số lấy mẫu ở phía phát được sử dụng ở sound card để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự để phát đi. +) Speed thể hiện tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống (kbps). +) Status thể hiện trạng thái hệ thống đang làm việc (như đang truyền file, hay đã dừng truyền …). Hình 5.3 là giao diện của chương trình ở phía thu. Giao diện gồm có: Khu vực Menu Khu vực hiển thị tín hiệu tương tự thu được từ sound card của máy thu. Và 1 hình ảnh về chòm sao QAM của tín hiệu thu được. Khu vực điều khiển: cũng gồm các thông số đầu vào hệ thống như bên phát. Các giá trị thay đổi ở bên phát cũng phải thay đổi theo ở bên thu thì mới có thể giải mã đúng dữ liệu. +) Nút điều khiển Receiver: để bắt đầu thu tín hiệu vào sound card phục vụ cho việc giải mã dữ liệu. +) Nút Reset để đặt lại toàn bộ giá trị như mặc định ban đầu và thực hiện lại. Hình 5.3 Giao diện chương trình phía nhận Bên trên là hình ảnh của chương trình ở bên phát và bên thu khi mới khởi động, chưa thực hiện truyền nhận. Dưới đây là chương trình của chúng ta khi thực hiện truyền và nhận file. Để đơn giản, chương trình thực hiện truyền và nhận với những file text. Ở đây để đơn giản ta thực hiện truyền 1 file text: “C:\a.txt”. Các số liệu để mặc định và truyền. Hình 5.4 Giao diện phía truyền khi chạy thật Ở đây cần chú ý khi thực hiện chương trình truyền dữ liệu qua sound card của máy tính PC, dữ liệu khi đưa ra card âm thanh cần được biến đổi sao cho giá trị nằm trong khoảng từ -1 đến 1. Vì nếu nằm ngoài khoảng này thì sound card sẽ tự cắt bỏ phần thừa và làm cho dữ liệu truyền đi không còn nguyên vẹn (bị cắt đỉnh). Và ta sẽ không thể giải mã trong những trường hợp như vậy. Ở chương trình này ta sử dụng việc phép biến đổi D/A tuyến tính. Nếu muốn hệ thống có hiệu suất cao, chất lượng hơn ta có thể thực hiện biến đổi phi tuyến, tức là lượng tự, lấy mẫu theo mật độ của dữ liệu. Ở những vị trí dữ liệu có sự thay đổi nhiều thì ta lượng tử, lấy mẫu càng mau. Và ngược lại. Kỹ thuật OFDMA cũng có nhiều kiểu chèn dữ liệu. Ở đây, hệ thống thực hiện mô phỏng trường hợp đơn giản nhất là chèn theo miền tần số. Tức là chia băng tần sử dụng ra cho những người sử dụng ở phía phát đều nhau. Mỗi người sẽ chiếm những tần số cố định trong băng. Hình 5.5 Giao diện chương trình phía nhận khi chạy thật Ở đây ta nhìn thấy tín hiệu tương tự thu được ở phía thu gần giống như tín hiệu ở phía phát. Chòm sao QAM cũng gần với những giá trị lý tưởng của kiểu điều chế 16-QAM ta thực hiện ở phía thu. Sở dĩ có sự lệch ra như trên là do có sự ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu truyền. Chúng ta chỉ cần làm sao chòm sao đó có những điểm tụ lại như ở phía phát. Sau khi làm tròn lại giá trị, ta có thể giải mã ra file ban đầu. Kết quả thu được 1 file “C:\kq.txt” Chương trình phụ thuộc khá nhiều vào việc xử lý sound card. Một điều chú ý là khi thu và giải mã dữ liệu qua sound card, ta cần điều chỉnh volume thu để sao cho tín hiệu có biên độ không vượt quá giới hạn từ -1 đến 1. Vì sound card chỉ nhận những giá trị từ -1 đến 1 khi thu âm thanh. Nếu vượt quá thì dữ liệu sẽ không được vẹn toàn. Và ta cần đặt các thông số đầu vào của hệ thống giữa bên phát và bên thu là giống nhau để chương trình có thể hoạt động. Hướng phát triển hệ thống Do thời gian có hạn nên đồ án vẫn chưa thể phát triển để chương trình có thể chạy theo thời gian thực, chưa thể nghiên cứu những kỹ thuật cao hơn trong OFDM. Nguyên tắc để thu và giải mã file ở đây là: trước khi phát phải bắt đầu quá trình thu trước. Bên thu sẽ thực hiện thu tín hiệu âm thanh trong một khoảng thời gian định trước. Trong khoảng thời gian đó ta phải phát xong dữ liệu để đảm bảo bên thu có thể nhận được và nhận đủ. Sau khi nhận được dữ liệu từ card âm thanh, chương trình thực hiện quá trình đồng bộ để giải mã ra file đã truyền. Có thể tiếp tục phát triển chương trình để có thể: Thu – Phát theo thời gian thực như sau: Bên phát sẽ phát từng khung gồm một số lượng symbol OFDM cố định. Ta phải tính toán thời gian cụ thể và chính xác cho việc xử lý và truyền khung OFDM này. Bên thu sẽ thực hiện thu từng khung OFDM và thực hiện giải mã ngay từng khung đó. Tính toán, ước lượng ra khoảng thời gian truyền và xử lý của khung này. Mỗi lần thu này ta đều phải thực hiện quá trình đồng bộ đối với khung này. Bên phát sẽ phải chờ trong khoảng thời gian truyền và xử lý với giả thiết khoảng thời gian này là cố định. Với mức độ cao hơn là khoảng thời gian này là có thể thay đổi đúng như thực tế là có điểm thu xa, có điểm thu gần, ta cần có sẽ xác minh lại từ phía thu là đã thu xong (feedback). Bên thu và bên phát cần có bộ đệm thu và bộ đệm phát: trong khi truyền và nhận thì phía thu và phía phát có thể tận dụng thời gian đó để xử lý dữ liệu và lưu vào bộ đệm. Kích thước bộ đệm sẽ gấp 2 lần khung OFDM muốn truyền. Khung OFDM này càng nhỏ thì chương trình càng thể hiện giống chương trình thời gian thực, nhưng không được nhỏ quá vì xử lý sẽ khó hơn cho việc tính toán và thực hiện. Phát triển các kỹ thuật phức tạp hơn Kỹ thuật OFDM thích nghi (AOFDM): +) Ước lượng chất lượng kênh +) Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo. Ví dụ có thể điều chế thích nghi. Đối với kênh chất lượng càng tốt thì mức điều chế càng cao. Các sóng mang trong cùng băng con được sử dụng cùng bậc điều chế. Hình 5.6 Điều chế thích nghi AOFDM +) Thích nghi theo thông lượng cố định. Hoàn thiện thực hiện đồng bộ tinh cả về thời gian và tần số Chương trình hiện tại mới chỉ thực hiện đồng bộ sử dụng phương pháp tương quan của khoảng tiền tố lặp. Đồng bộ về mặt thời gian thì ta tìm hiểu và ứng dụng dùng chuỗi giả ngẫu nhiên PN để thực hiện đồng bộ. Chuỗi PN cũng có thể tạo ra từ phần cứng, dùng những flipflop nên có thể chế tạo phần cứng dễ dàng. Muốn thực hiện đồng bộ tinh về mặt tần số cần sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng. ta ước lượng ra khoảng dịch tần số và dùng vòng khóa pha số DPLL để thực hiện bù khoảng dịch đó. Đồng bộ càng chính xác thì việc ta phải thêm zeros để bảo vệ, chèn pilot nhiều để chống nhiễu có thể giảm và hiệu suất của hệ thống sẽ tăng lên đáng kể hơn. Nghiên cứu những kỹ thuật ước lượng và cân bằng kênh Có nhiều kỹ thuật ước lượng và cân bằng kênh có thể tìm hiểu bên cạnh kỹ thuật ước lượng tuyến tính được sử dụng trong chương trình như: phương pháp sử dụng bộ lọc ép không (ZF), sử dụng bộ lọc tối ưu Wiener (cũng là bộ lọc bình phương cực tiểu MMSE). Thực hiện chèn pilot cả về mặt thời gian và tần số Để có thể đảm bảo dữ liệu truyền ít bị ảnh hưởng nhất, phía giải mã đạt hiệu suất tốt nhất thì cần chèn pilot cả về mặt thời gian và tần số. Đảm bảo ít nhất ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu. Tuy nhiên, nếu chèn nhiều quá mức thì sẽ gây lãng phí tài nguyên. Nghiên cứu và ứng dụng mã sửa sai vào hệ thống để tăng chất lượng của hệ thống. Trong bất kỳ một hệ thống truyền thông vô tuyến nào cũng không thể tránh khỏi bị ảnh hưởng bởi kênh truyền bất định. Và chắc chắn khi thu dữ liệu sẽ có lỗi xảy ra. Việc nghiên cứu đến các loại mã sửa sai và áp dụng vào hệ thống sẽ là cần thiết nếu muốn đưa ra sử dụng thực tế. Nghiên cứu tạo thành ứng dụng nhúng. Đưa ra ứng dụng vào thực tế vẫn là một vấn đề quan trọng cần xem xét. Thực hiện hệ thống Mimo OFDM Mục đích cuối là có thể tạo một hệ thống mạng truyền thông vô tuyến ứng dụng được những lợi ích mà OFDM mang lại Kết quả đạt được Hình 5.7 Ảnh file text truyền thử nghiệm Ta thực hiện kiểm nghiệm chương trình với việc phát 1 file text “C:\a.txt”: Kết quả thu được ghi lại thành file “C:\kq.txt” được chỉ ra ở hình 5.8 ở bên dưới Do ta thực hiện với kích thước dữ liệu là N_D = 32, NFFT=64 nên việc thu hoàn toàn không có lỗi. Do kích thước zeros được chèn vào để bảo vệ, làm cho tín hiệu phát đi tương đối đẹp nên thu sẽ không có lỗi. Nếu ta thực hiện lại hệ thống với việc chọn N_D lớn lên như N_D = 48 thì ta sẽ thấy file thu có lỗi, và không thể giải mã đúng hoàn toàn như file phát. Vì lúc này thì số lượng zeros chèn để bảo vệ là zeros = NFFT-N_D = 16 là hơi ít để đảm bảo cho dữ liệu bên thu. Hình 5.8 Ảnh file text thu khi thực hiện Kết luận Chúng ta đã điểm qua những điểm quan trọng nhất của hệ thống truyền nhận dữ liệu thực hiện qua sound card của máy tính mà chúng tôi đã thực hiện.Trong điều kiện và kiến thức có hạn nên hệ thống mới chỉ truyền và nhận file text đơn giản. Điều đặc biệt là nhờ đó nó giúp ta hiểu rõ tất cả các quy trình của một hệ thống truyền thông vô tuyến nói chung và hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM nói riêng. Mong rằng sau này sẽ có thể phát triển tiếp hệ thống này để có thể đạt được kết quả tốt hơn nữa. KẾT LUẬN CHUNG Xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông vô tuyến tương lai chắc chắn sẽ sử dụng kỹ thuật OFDM bởi những ưu điểm nổi bật của nó. Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI và nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, việc sử dụng OFDM còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh hẹp. Hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và thực hiện điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi FFT. Các hệ thống có thể ứng dụng kỹ thuật OFDM như: hệ thống phát thanh số DAB, hệ thống HyperLan/2 (IEEE802.11a), hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e), truyền hình số mặt đất DVB-T và thế hệ di động thứ tư 4G. Trong đồ án, em đã nghiên cứu rõ ràng về công nghệ OFDM, mô hình hệ thống truyền dẫn dữ liệu sử dụng kỹ thuật OFDM, cách tạo và thu tín hiệu. Ta đã phân tích rõ ảnh hưởng của các loại nhiễu điển hỉnh ISI, ICI đến hiệu suất hệ thống và hiệu quả của kỹ thuật OFDM trong việc khắc phục các loại nhiễu đó. Đồ án cũng nghiên cứu về các kỹ thuật đồng bộ trong OFDM như đồng bộ thời gian, đồng bộ tần số … Tuy nhiên, hệ thống thực hiện chưa có sự tham gia, kết hợp với phần cứng nên chưa thể kiểm nghiệm rõ các phương pháp đồng bộ tinh được như nghiên cứu. Đi sâu vào vấn đề đồng bộ thì còn nhiều vấn đề khó khăn nhưng qua đây ta phần nào đã hiểu những vấn đề chính trong khâu đồng bộ và cách giải quyết chúng. Mong rằng, trong thời gian tới em có thể phát triển và hoàn thiện những nội dung đồ án chưa làm được và nghiên cứu, khắc phục được những nhược điểm của kỹ thuật này. Từ đó áp dụng đưa vào sử dụng thực tế. Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức có hạn nên trong đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót, mong rằng qua việc thực hiện đồ án này em sẽ có được những kinh nghiệm hữu ích cho mình sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô đã giúp em hoàn thành đồ án này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Đức, “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 2: Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nxb KHKT Hà Nội, 2006. [2] Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Quốc Khương, … “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 4: Thông tin vô tuyến”, Nxb KHKT Hà Nội, 2006. [3] Haiyun Tang, Kam Y. Lau, and Robert W. Brodersen, “Synchronization Schemes for Packet OFDM System”, Berkeley Wireless Research Center,2003. [4] Trần Đình Việt Hà, Nguyễn Hoàng Hải, Lâm Văn Đà, “Quá trình truyền sóng VHF/UHF/VIBA và phương pháp xác định tổn hao truyền sóng”, [online]: