Kỹ thuật ofdm trong công nghệ wimax

Sự ra đời của chuẩn 802.16 cho mạng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access - Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) nó đánh dấu sự bắt đầu cho một kỷ nguyên truy nhập không dây băng rộng cố định đang đến giai đoạn phát triển. Nó mang đến những thách thức lớn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp khi lắp đặt và bảo trì. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền thông vô tuyến đường dài (lên tới 50km) trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế cho mạng 3G. Tất cả những đặc tính đầy hứa hẹn này của WiMAX sẽ mang lại một thị trường lớn trong tương lai. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, em đã lựa chọn đề tài “KỸ THUẬT OFDM TRONG WiMAX”. Mục tiêu đầu tiên của đồ án này là nghiên cứu những đặc tính mới của WiMAX và tập trung chủ yếu vào việc phân tích lớp vật lý và lớp truy nhập. Mục tiêu thứ hai là tìm hiểu về kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple – Ghép kênh phân tần trực giao) và kỹ thuật OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao) được sử dụng trong WiMAX Mục tiêu thứ ba là thực hiện việc mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật OFDM MỤC LỤC Lời giới thiệu Thuật ngữ và viết tắt tiếng Anh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX . Trang 1 1.1 Giới thiệu về WiMAX . 1 1.2 Mô hình hệ thống . 1 1.3 Các ưu nhược điểm của WiMAX . 4 1.3.1 Một số ưu điểm chính của công nghệ WiMAX . 4 1.3.2 Một số nhược điểm của công nghệ WiMAX . 6 1.4 Cấu trúc của WiMAX 6 1.4.1 Các đặc tính của lớp vật lý (PHY) . 7 1.4.2 Các đặc tính của lớp truy nhập (MAC) . 8 1.5 So sánh WiMAX với WiFi 9 1.6 Các dải tần áp dụng 10 1.6.1 Các dải tần cấp phép 11-66 GHz . 10 1.6.2 Các dải tần cấp phép dưới 11 GHz 10 1.6.3 Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) 11 1.7 Ứng dụng của WiMAX 11 1.7.1 Các mạng riêng . 12 1.7.2 Các mạng công cộng 16 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM . 19 2.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM . 19 2.1.1 Khái niệm 19 2.1.2 Lịch sử phát triển 20 2.1.3 Các ưu nhược điểm của kỹ thuyật OFDM 21 2.2 Nguyên lý điều chế OFDM . 22 2.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu 22 2.2.2 Sơ đồ điều chế 23 2.2.3 Thực hiện điều chế bằng thuật toán IFFT 24 2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM . 25 2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản . 26 2.3 Nguyên lý giải điều chế OFDM 27 2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường . 27 2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 28 2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM 29 2.4.1 Hệ thống DRM . 29 2.4.2 Các hệ thống DVB 31 CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WIMAX 36 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA . 36 3.2 Đặc điểm 36 3.3 OFDMA nhảy tần . 37 3.4 Hệ thống OFDMA . 38 3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 42 3.4.2 Điều chế thích nghi 43 3.4.3 Các kỹ thuật sửa lỗi 44 3.5 Điều khiển công suất . 49 CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 51 4.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình 51 4.1.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền . 54 4.1.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM 54 4.1.3 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER . 55 4.2. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink . 56 Kết luận

doc59 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Lượt xem: 2878 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Kỹ thuật ofdm trong công nghệ wimax, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
DD, FDD WirelessHUMANTM Các băng tần dưới 11 GHz được miễn cấp phép AAS, ARQ, Mesh, STC TDD Bảng 1.1 Đặc tính của các giao diện vô tuyến Các dải tần được miễn cấp phép dưới 11 GHz (chủ yếu từ 5-6 GHz) Đây là băng tần được nhiều nước cho phép sử dụng không cần cấp phép và với công suất tới cao hơn so với các đoạn băng tần khác trong dải 5GHz (5125-5250 MHz ), thường được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà. Băng tần này thích hợp để triển khai WiMax cố định, độ rộng kênh là 10 MHz. 1.7 Ứng dụng của WiMAX Đối với các doanh nghiệp, WiMAX cho phép truy cập băng rộng với chi phí hợp lý. Vì phần lớn các doanh nghiệp sẽ không được chia thành khu vực để có đường cáp, lựa chọn duy nhất của họ đối với dịch vụ băng rộng là từ các nhà cung cấp viễn thông địa phương. Điều này dẫn tới sự độc quyền. Các doanh nghiệp sẽ được hưởng lợi từ việc triển khai các hệ thống WiMAX, nhờ tạo ra sự cạnh tranh mới trên thị trường,giảm giá và cho phép các doanh nghiệp thiết lập mạng riêng của mình. Điều này đặc biệt phù hợp đối với các ngành như khí đốt, mỏ, nông nghiệp, vận tải, xây dựng và các ngành khác nằm ở những vị trí xa xôi, hẻo lánh. Đối với người sử dụng là hộ gia đình ở những vùng nông thôn (nơi dịch vụ DSL và cáp chưa thể vươn tới), WiMAX mang lại khả năng truy cập băng rộng. Điều này đặc biệt phù hợp ở các nước đang phát triển nơi mà hạ tầng viễn thông truyền thống vẫn chưa thể tiếp cận. Công nghệ WiMAX cách mạng hoá phương pháp truyền thông. Nó cung cấp hoàn toàn tự do cho những người thường xuyên di chuyển, cho phép họ lưu lại kết nối thoại, dữ liệu và các dịch vụ hình ảnh. WiMAX cho phép ta đi từ nhà ra xe, sau đó đi đến công sở hoặc bất cứ nơi nào trên thế giới, hoàn toàn không có đường nối. Để minh hoạ khả năng của WiMAX cho các ứng dụng được phân cấp trong phần trước, một vài mô hình sử dụng tiêu biểu được nhóm thành hai loại lớn: các mạng công cộng và riêng. 1.7.1 Các mạng riêng Các mạng riêng, được dùng dành riêng cho một tổ chức, cơ quan hoặc cơ sở kinh doanh, cung cấp các liên kết thông tin chuyên dụng đảm bảo chuyển giao tin cậy thoại, dữ liệu và hình ảnh. Triển khai đơn giản và nhanh thường được ưu tiên cao, và các cấu hình tiêu biểu là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm. 1.7.1.1 Chuyển về các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng thiết bị WiMAX để chuyển lưu lượng từ trạm gốc về các mạng truy cập của họ, như được minh hoạ ở hình 1.5 Hình 1.5 Minh hoạ chuyển về nhà cung cấp dịch vụ Các mạng truy cập dựa trên WiFi, WiMAX hoặc bất kỳ công nghệ truy cập vô tuyến có đăng ký độc quyền. Nếu mạng truy nhập sử dụng thiết bị WiFi, thì toàn bộ mạng WSP được xem như một hot zone. Vì các WSP thường cung cấp thoại, dữ liệu và hình ảnh, nên đặc điểm QoS của WiMAX gắn liền sẽ giúp ưu tiên, tối ưu hoá dung lượng chuyển về. Thiết bị WiMAX có thể được triển khai nhanh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giới thiệu nhanh mạng WSP. Như đã được minh hoạ, điều kiện thuận lợi chuyển về thuê từ công ty điện thoại địa phương sẽ tăng chi phí hoạt động, và triển khai giải pháp cáp quang có thể rất tốn kém và yêu cầu lượng thời gian đáng kể, tác động chống lại sự giới thiệu dịch vụ mới.Hơn nữa, cáp quang, DSL không có lợi nhuận trong các vùng nông thôn, ngoại thành, và hầu hết các phiên bản của DSL,công nghệ cáp không cung cấp được dung lượng yêu cầu cho các mạng này. 1.7.1.2Các mạng giáo dục Hình 1.6 Minh hoạ về mạng giáo dục Các ban phụ trách trường học có thể sử dụng mạng WiMAX để kết nối các trường với trụ sở ban trong một quận (huyện), như được minh hoạ ở dưới. Một số yêu cầu chính cho hệ thống trường học là NLOS, độ rộng băng tần cao (>15 Mbps), khả năng điểm tới điểm điểm tới đa điểm, và độ phủ rộng. Các mạng giáo dục dựa vào WiMAX sử dụng QoS, có thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu thông tin liên lạc, bao gồm hệ thống thoại, hoạt động dữ liệu (như các báo cáo của sinh viên), email, truy cập internet, intranet (dữ liệu), giáo dục từ xa (hình ảnh) giữa trụ sở ban và tất cả các trường trong vùng; giữa các trường với nhau. Giải pháp WiMAX cung cấp vùng phủ rộng, làm cho nó có lợi nhuận, đặc biệt cho các trường ở nông thôn không có hoặc có ít cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, bị phân tán khắp nơi. Khi ban phụ trách trường học sở hữu, vận hành các mạng riêng, họ có thể đáp ứng lại những thay đổi về vị trí và cách bố trí các tiện nghi của họ. Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành các tuyến thuê hàng năm. Các giải pháp có dây không thể cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng, giá thành thấp, và hầu hết các phiên bản DSL, công nghệ cáp không có thông lượng được yêu cầu bởi các mạng giáo dục này. 1.7.1.3 An ninh công cộng Các cơ quan an ninh công cộng của chính phủ, như: cảnh sát, cứu hoả, tìm kiếm và cứu hộ, có thể sử dụng các mạng WiMAX để hỗ trợ đáp lại những tình huống cấp cứu và tình trạng khẩn cấp khác,như được minh hoạ ở hình 1.7. Ngoài ra còn cung cấp truyền thông thoại hai chiều giữa trung tâm giải quyết nhanh và các đội đáp lại tình trạng khẩn cấp, mạng tiếp sóng các hình ảnh video, dữ liệu từ địa điểm vụ tai nạn hoặc thảm họa tới trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có thể được tiếp sóng tới các đội chuyên gia cấp cứu hoặc nhân viên khẩn cấp, là những người có thể phân tích các tính huống trong thời gian thực, như thể là họ đang ở đó. WiMAX QoS cho phép mạng xử lý các loại lưu lượng khác nhau. Các giải pháp WiMAX có khả năng triển khai cao, do đó đội đáp ứng ban đầu có thể thiết lập một mạng vô tuyến tạm thời tại địa điểm vụ tai nạn, sự kiện, hoặc thảm hoạ tự nhiên trong khoảng vài phút. Họ cũng có thể tiếp sóng lưu lượng từ mạng này trở về trung tâm giải quyết nhanh hoặc trung tâm điều khiển, qua mạng WiMAX hiện hành. Các giải pháp có dây không phải là các giải pháp thích hợp, do tính không thể dự đoán, không ổn định của các vụ tai nạn và các thảm hoạ. Ở đây có lẽ cũng yêu cầu cả tính di động, ví dụ như: một cảnh sát đang phải truy cập cơ sở dữ liệu từ một phương tiện chuyển động, hoặc môt lính cứu hoả phải tải thông tin về tuyến đường tốt nhất tới nơi xảy ra hoả hoạn hoặc kiến trúc của tòa nhà đang bị cháy. Các máy quay video trong xe cứu thương có thể cung cấp trước thông tin về tình trạng của bênh nhân, trước khi xe cứu thương đến bênh viện. Trong tất cả các trường hợp đó, WiMAX hỗ trợ tính di động và độ rộng băng tần cao, mà các hệ thống băng hẹp không thể chuyển được. ` Hình 1.7 Minh hoạ về mạng an ninh công cộng 1.7.1.4 Các phương tiện liên lạc xa bờ Các nhà sản xuất ga, dầu có thể sử dụng thiết bị WiMAX để cung cấp các tuyến nối thông tin liên lạc từ các phương tiện trên mặt đất tới các giàn khoan dầu, các bệ khoan, để hỗ trợ các hoạt động từ xa, các phương tiện liên lạc cơ bản và an ninh, như được minh hoạ ở hình 1.8. Các hoạt động từ xa bao gồm: việc xử lý sự cố từ xa các vấn đề thiết bị phức tạp, kiểm tra định hướng địa điểm, và truy cập cơ sở dữ liệu. Ví dụ, các đoạn video của các thành phần hoặc các cụm lắp ráp gặp sự cố được truyền tới đội chuyên gia trên mặt đất để phân tích. An ninh gồm: kiểm tra đèn cảnh báo, giám sát video. Các phương tiện liên lạc cơ bản gồm: điện thoại, email, truy cập internet, trao đổi video. Hình 1.8 Minh hoạ về mạng liên lạc xa bờ 1.7.2 Các mạng công cộng Trong mạng công cộng,các tài nguyên được truy cập, chia sẻ với những người sử dụng khác nhau, gồm cả các hãng kinh doanh và các cá nhân riêng biệt. Nói chung mạng công cộng yêu cầu lợi nhuận qua việc cung cấp vùng phủ song khắp nơi, vì vị trí của người sử dụng hoặc là cố định hoặc có thể dự đoán được. Các ứng dụng chính của mạng công cộng là truyền thông thoại và dữ liệu, mặc dù truyền thông video đang trở nên phổ biến hơn. An ninh là một yêu cầu then chốt, vì nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một mạng. Hỗ trợ kèm theo VLAN và mã hoá dữ liệu là giải pháp an ninh được sử dụng. Mạng công cộng bao gồm một số bối cảnh sử dụng được minh hoạ dưới đây. 1.7.2.1 Nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến truy cập mạng Các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến (WSPs) sử dụng mạng WiMAX để cung cấp kết nối tới cả khu dân cư (thoại, dữ liệu và video) và hãng kinh doanh (chủ yếu là thoại và internet), được minh hoạ ở hình 1.9. Hình 1.9 Minh hoạ về mạng WiMAX của nhà cung cấp dịch vụ WSP có thể là một CLEC (các nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh trạnh) mà bắt đầu việc kinh doanh với ít hoặc không có cơ sở hạ tầng được lắp đặt. Vì WiMAX rất dễ để triển khai, nên CLEC có thể lắp đặt mạng nhanh chóng và ở vào thế cạnh tranh với ILEC (nhà cung cấp sóng mang tổng đài nội hạt). Kỹ thuật QoS gắn liền với WiMAX rất phù hợp với hỗn hợp lưu lượng được mang bởi CLEC. QoS MAC cũng đưa ra dịch vụ đa mức để cung cấp cho các nhu cầu dịch vụ khác nhau của khách hàng. Hỗ trợ nhiều loại dịch vụ cho phép các luồng thu nhập khác nhau, tuy nhiên nó giảm chi phí thu được từ khách hàng, và tăng ARPU (thu nhập trung bình trên mỗi người sử dụng). WSP chỉ cần một hệ thống quảng cáo và một cơ sở dữ liệu khách hàng. Các nhà vận hành tế bào cũng quan tâm tới ứng dụng WiMAX trong mạng của họ. Các nhà vận hành đã có các cơ sở hạ tầng quảng cáo và khách hàng, nhưng triển khai giải pháp WiMAX sẽ mở rộng thị trường trong vùng dịch vụ của họ. Tất cả các giải pháp có dây (bao gồm: cáp quang, DSL, và cáp) yêu cầu các chi phí ban đầu đáng kể để xây dựng cơ sở hạ tầng. Nói cụ thể, các giải pháp có dây không phù hợp với các thị trường đang phát triển ở các nước, như các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ hoặc rìa ngoại ô của các trung tâm lớn. 1.7.2.2 Kết nối nông thôn Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng WiMAX để phát triển dịch vụ cho các thị trường ít được quan tâm trong các vùng nông thôn, vùng ngoại ô của các thành phố, như được minh hoạ ở hình 1.10. Hình 1.10 Minh hoạ về mạng WiMAX cho kết nối ở vùng nông thôn Sự phân phát kết nối nông thôn là vấn đề then chốt trong các nước đang phát triển và các vùng ít được quan tâm của những nước phát triển, mà ở đó không có hoặc có rất ít cơ sở hạ tầng có giá trị. Kết nối thông thôn chủ yếu cung cấp dịch vụ internet và điện thoại. Vì WiMAX cung cấp vùng phủ rộng nên đây là một giải pháp mang lại lợi nhuận nhiều nhất. CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 2.1Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 2.1.1Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Hình 2.1: So sánh giữa FDMA và OFDM Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh. a) Tín hiệu OFDM b) Phổ OFDM Hình 2.2 Tín hiệu và phổ OFDM 2.1.2 Lịch sử phát triển: Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được xuất hiện cách nay hơn 40 năm: Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ. Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM. Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI. Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp. Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu. 2.1.3 Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây : Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter-Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền. OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng. Cấu trúc máy thu đơn giản. Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau : Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền. Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ. Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu. 2.2Nguyên lý điều chế OFDM 2.2.1Sự trực giao của hai tín hiệu Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau : k, i=j 0, i≠j (2.1) (2.2) sk (t) = 0 , k khác e(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N Trong đó : Δf= là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là số các sóng mang con, N.Δf là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian. Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0. Hình 2.3 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 Hình 1.10 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 2.2.2 Sơ đồ điều chế m(t) m,(t) e- jLt ejnt ejLt X X X Xung cơ sở Xung cơ sở Xung cơ sở Hình 2.4 Bộ điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n , nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song lại được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức, n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejLt , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau m’k(t)= (2.3) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là m(t)== (2.4) Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp. 2.2.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu ta=== (2.5) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại : m’k(kTs+lta) = S0 =S0 (2.6) Do ωSkTS = 2, kết quả Tương tự như vậy, với , (2.6) được viết lại: m’k(kTs+lta)=S0 (2.7) Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. 2.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau: Phần tín hiệu có ích Phần tín hiệu có ích GI Hình 2.5 Chuỗi bảo vệ GI Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài TG thì tín hiệu này có chiều dài là T = TS+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài TG sẽ dễ dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG ≥τ MAX như hình vẽ mô tả thì phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là: TG ≥τ MAX (2.8) với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh. a ) Không có GI b) Có GI Hình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu. Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lượng là: (2.9) 2.2.5 Phép nhân với xung cơ bản Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là TS + TG. S(t) TS -TG T 0 Hình 2.7 Xung cơ bản Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise cosine filter). 2.3Nguyên lý giải điều chế OFDM 2.3.1 Truyền dẫn phân tập đa đường Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp ứng xung h(τ, t) và hàm truyền đạt H(j , t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh H(jω,t) = (2.10) Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung: u(t) h(τ,t) H(jω,t) m(t) Hình 2.8 Mô hình kênh truyền Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) = m(t) * h() = (2.11) 2.3.2 Nguyên tắc giải điều chế 2.3.2.1 Sơ đồ u(t) ejLt ejnt e- jLt Giải điều chế Giải điều chế X X X Giải điều chế Hình 2.9 Bộ thu tín hiệu OFDM Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp t (k-1)T (k-1)TS kT kTS Hình 2.10 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)=u(kT+t) (2.12) 2.3.2.2 Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Khi đó độ rộng một mẫu là : ta = (2.13) Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u’(t) => uk’(kTs + nta) , n=0,1,2,....,NFFT – 1 (2.14) Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế được biểu diễn dưới dạng số: = (2.15) Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (2.15) được viết lại dưới dạng: = (2.16) Với , thì Mặt khác, nên (2.16) viết lại: = ( 2.17) Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT. 2.4 Ứng dụng và hướng phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM Ngày nay, kĩ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống AM), các hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) và ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ kĩ thuật OFDM.Nhờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng kể. 2.4.1 Hệ thống DRM Mã hoá nguồn Tiền mã hoá Ghép kênh Tiền mã hoá Phân tán năng lượng Mã hoá kênh Ghép xen Phát pilot Mã hoá kênh Phân tán năng lượng Phân tán năng lượng Mã hoá kênh Tiền mã hoá Thông tin truy nhập kênh Thông tin mô tả DV Dữ liệu Dữ liệu Ánh xạ OFDM Hình 2.11 Hệ thống DRM DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh truyền thống AM. Tần số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, nhỏ hơn 30MHz, phù hợp cho việc truyền sóng khoảng cách lớn. Môi trường truyền sóng của hệ thống là kênh phân tập đa đường có sự tham gia phản xạ mặt đất và tầng điện li nên phạm vi phủ sóng của DRM rất lớn, có thể phủ sóng đa quốc gia hay liên lục địa. Các tham số cơ bản của DRM theo ETSI, như sau: Độ rộng băng: B=9.328kHz Độ dài FFT: NFFT= 256. Số sóng mang được sử dụng để truyền tin: NC=198. Do trễ truyền dẫn tương đối lớn nên hệ thống DRM được thiết kế chỉ dành cho các máy thu tĩnh hay xách tay. Điều này khác hẳn so với hệ thống DAB hay DVB được thiết kế cho máy thu có tốc độ di chuyển tương đối lớn như ô tô, tàu hoả…. 2.4.2 Các hệ thống DVB 2.4.2.1 DVB-T Giới thiệu : Thế hệ máy phát số ra đời khắc phục nhược điểm của máy phát tương tự như khả năng mang nhiều chương trình trên một kênh RF, hỗ trợ khả năng thu tín hiệu đa đường và thu di động… Máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự giống nhau, chỉ khác nhau phần điều chế. Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ DVB-T Đặc điểm : Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành từng khung, cứ 4 khung liên tiếp tạo thành 1 siêu khung.Lí do của việc tạo khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số của phía phát bằng các sóng mang báo hiệu thông số phía phát (Transmission Parameters Signalling carriers- TPS). Việc hình thành siêu khung là để chèn đủ số nguyên lần gói mã sửa sai reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 dù ta chọn bất kì cấu hình nào để tránh việc chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian được đánh số từ 0 đến 67.Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 với chế độ 8K, 1705 với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8MHz (ở nước ta chọn dải thông 8MHz, một số nước khác chọn 7MHz). Như vậy, một symbol ODFM sẽ chứa: Sóng mang dữ liệu: được điều chế M-QAM, với mode 8K là 6048 sóng mang và mode 2K là 1512. Sóng mang dẫn đường (pilot symbol, mang thông tin phía phát để khôi phục tín hiệu: các pilot này thường được điều chế BPSK với mức công suất 2.5dB Pilot liên tục: gồm 177 pilot với mode 8K, 15 với mode 2K, có vị trí cố định trong 8MHz để phía thu sửa lỗi tần số và pha, tự động điều chỉnh tần số. Pilot rời rạc: 524 với mode 8K, 131 với mode 2K, không có vị trí cố định trong miền tần số nhưng được rải đều trong dải tần 8MHz, giúp đầu thu tự động điều chỉnh để đạt đáp ứng kênh tốt nhất. Sóng mang thông số phát TPS: chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK, gồm 68 sóng mang trong mode 8K, 17 trong mode 2K luôn có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao BPSK và trong dải thông 78MHz. Để tránh nhiễu giữa các kí hiệu ISI và nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang ICI, nguời ta thực hiện chèn thêm chuỗi bảo vệ GI vào mỗi symbol. Việc chèn thêm này được thực hiện bên phía phát với thời gian bảo vệ TG khác nhau theo quy định của DVB: 1/4 TU, 1/8 TU, 1/16TU, 1/32 TU (TU: chiều dài phần tín hiệu có ích). 2.4.2.2 DVB-H : Điện thoại di động truyền hình Sơ đồ: Hình 2.13 Sơ đồ thu của DVB-H Cấu trúc máy thu của điện thoại di động DVB-H được cho trên hình gồm 2 phần: Một bộ giải điều chế DVB-H (gồm khối điều chế DVB-T, module Time slicing và module MPE-FEC) và một đầu cuối DVB-H. Tín hiệu vào là tín hiệu DVB-T. Khối điều chế DVB-T thu lại các gói dòng truyền tải MPEG-2, tín hiệu này cung cấp các mode truyền dẫn (2K, 8K và 4K) với các tín hiệu mang thông số truyền dẫn - TPS tương ứng.Module Time Slicing giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ và hỗ trợ việc chuyển giao mạng linh hoạt hơn. Module MPE-FEC cung cấp mã sửa lỗi tiến cho phép bộ thu có thể đương đầu với các điều kiện thu đặc biệt khó khăn. Tín hiệu ra khỏi giải điều chế DVB-H có dạng các gói của dòng truyền tải TS hoặc các IP Datagrams (khi thu tín hiệu DVB-H).Đầu cuối DVB-H giải mã các IP Datagrams,hiển thị nội dung của các chương trình DVB-H. Hiện nay nhiều hãng sản xuất điện thoại đã có các thế hệ ĐTDĐ DVB-H đầu tiên: NOKIA 7700 và 7710, PHILIPS HoTMAN 2, SIEMENS… Kiến trúc ban đầu của các máy ĐTDĐ DVB-H hiện nay gồm: Điện thoại tích hợp 3 băng tần số: GSM, GPRS và UMTS (3G). Bộ thu DVB-H. Camera 1.3M pixel. Màn hiển thị VGA (640 x 480). Màn hình cảm biến - touch screen. Âm thanh ngõ ra Stereo. Hỗ trợ chuẩn không dây Bluetooth. Bộ nhớ trong có dung lượng 1Gbit Hãng NOKIA tuyên bố từ nay hãng sẽ tung ra thị trường khoảng 60 thiết bị sang trọng có tích hợp DVB-H . DVB-H đang có những ưu thế vượt trội của mình: Tiết kiệm năng lượng Pin tới 90%, thu tín hiệu trong môi trường di động tốt, tín hiệu được đóng gói dạng IP và truyền tín hiệu dưới dạng quảng bá tới các máy điện thoại di động. Bởi vậy ứng dụng công nghệ quảng bá DVB-H cho đường xuống (downlink) của các máy điện thoại trong mạng di động dường như là một giải pháp mang tính đột phá mà các thế hệ mạng viễn thông 2G (GSM); 2,5G (GPRS) và 3G (UMTS) hiện nay chưa thể khắc phục ngay được. Đó là không bị hạn chế về băng thông khi tại cùng một thời điểm số thuê bao sử các dụng dịch vụ truyền hình trực tuyến tăng vọt. Sự hội tụ giữa công nghệ quảng bá DVB-H và viễn thông đang được các hãng truyền thông lớn trên thế giới thử nghiệm tại nhiều nước trên thế giới (mô hình DVB-H & GPRS hay DVB-H & UMTS) và đã chính thức đưa ra sản phẩm của mình vào đầu năm 2005 như Nokia, Philips, Siemens...các hãng sản suất máy phát số hàng đầu thế giới (Harris, Intelco, Rohde&Schwarz...) cũng đã xuất xưởng các thiết bị tích hợp công nghệ DVB-H. Cuộc đua giữa điện thoại di động 3G và điện thoại di động truyền hình DVB-H đã bắt đầu! Với những ưu thế của mình, ĐTDĐ truyền hình công nghệ DVB-H đang mở ra những triển vọng mới cho người sử dụng. STT Đặc điểm DVB-T DVB-H 1 Tốc độ bit của một kênh truyền hình có độ nét tiêu chuẩn SDTV 4-5 Mbit/s 128-384 Kbit/s 2 Màn hiển thị Màn hình TV cỡ trung bình và lớn. Màn hình điện thoại nhỏ. 3 Anten Anten trên mái nhà (anten Yagi), trong nhà (anten roi) hoặc anten trên ôtô. Anten bên trong điện thoại. 4 Nguồn cung cấp Cố định và là nguồn liên tục. Nguồn năng lượng Pin và có giới hạn. 5 Chế độ thu Thu cố định, thu xách tay trong nhà và thu trên phương tiện giao thông. Các máy cầm tay di động. Bảng 2.1 So sánh giữa DVB-T và DVB-H Hiện nay với công nghệ phát số mặt đất (DVB-T) chúng ta có thể phát được khoảng 6-7 chương trình TV (SDTV) trên một kênh sóng (với tốc độ tổng là 27,14 Mbit/s). Trong khi đó công nghệ IP Datacast (DVB-H) dễ dàng tương thích với các màn hình cỡ nhỏ (vài inch) của các đầu cuối cầm tay. Với màn hình nhỏ thì chỉ với tốc độ 128-384 Kbit/s trên một kênh (hay một chương trình TV yêu cầu) đã có thể phân phối một kênh video chất lượng cao. Chính công nghệ này đã làm tăng hiệu quả của quá trình phát quảng bá và có thể truyền được từ 10 đến 55 chương trình TV trên một kênh sóng. Ngoài ra, trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G), kĩ thuật OFDM còn còn thể kết hợp với các kĩ thuật khác như phân tập anten (MIMO- Multi In Multi Out- đa anten phát thu) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập vào mạng.Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong OFDM; tuy nhiên, khả năng ứng dụng những kĩ thuật này cần được kiểm chứng trong tương lai. CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT OFDMA TRONG WiMAX 3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ 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. 3.2 Đặc điểm 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) Hình 3.1 ODFM và OFDMA Hình 3.2 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 phụ có sẵn,khác với những người còn lại. F A d A D a D A d A D a D A c e A c E a c E A c e A c E a c E B e g B E g b E g B e g B E g b E g B F g B F g b F g B F g B F g b F g t Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA. Thí dụ cụ thể 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. 3.3 OFDMA nhảy tần Trong ví dụ trước của OFDMA, mỗi người sử dụng đều có một sự sắp đặt cố định (fix set) cho sóng mang. Có thể dễ dàng cho phép nhảy các sóng mang phụ theo khe thời gian như được mô tả trong hình. Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ  biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. f A b c c B A B c B a C A t Hình 3.3 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c  đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian. Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. Một ví dụ của việc nhảy tần như vậy được mô tả trong hình 3.4 cho N sóng mang phụ,nó luôn luôn có thể tạo ra N mẫu nhảy trực giao. A F e D c b B A f E d c C B a F e d D C b A f e E D c B a f F E d C b a Hình 3.4 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau Hệ thống OFDMA Nguồn tín hiệu làm một bít được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK ,M- QAM… Tín hiệu dẫn đường (bản tin dẫn đường, kênh hoa tiêu - pilot symbol) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ GI. Luồng tín hiệu số được chuyển thành tín hiệu tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu này sẽ bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng AWGN( Addictive White Gaussian Noise ). Điềuchế băng tần gốc Chèn ký tự dẫn đường IFFT Chèn GI DAC DAC Tách GI IFFT Tách ký tự dẫn đường Cân bằng kênh Khôi phục kênh truyền Giải điều chế băng tần gốc Kênh truyền Hình 3.5: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu, được phát kèm với tín hiệu có ích nhằm khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Hình 3.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA Phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với máy phát. Để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền phải được khôi phục nhờ vào mẫu tin dẫn đường đi kèm. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền, sau đó lại được đưa đến bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đối với kênh hướng xuống : Hình 3.7 OFDMA downlink Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM trong miền thời gian, chứa N sóng mang. Mỗi sóng mang có thể được điều chế khác nhau. Đối với kênh hướng lên : Hình 3.9 OFDMA uplink Hình 3.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink Cấu trúc cụm gồm 1 kênh con trong miền tần số và 3 kí hiệu OFDM trong miền thời gian, mỗi cụm chứ 144 sóng mang dữ liệu, sử dụng điều chế thích nghi trên từng user; mỗi user có thể yêu cầu từ 1 đến 32 kênh con; 2 kênh con được sử dụng làm ranging (phép đo cự li bằng cách đo thời gian truyền của tín hiệu điện từ) và yêu cầu băng thông (nếu có) của user . Khi cấp sóng mang cho các user, OFDMA tạo ra một dãy cơ bản các sóng mang rồi thực hiện dịch vòng dãy khi cấp cho các user khác nhau. 3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian t f Hình 3.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian Mẫu tin dẫn đường có thể được chèn cùng với mẫu tin có ích ở cả miền tần số và miền thời gian như trên hình. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tín hiệu dẫn đường liên tiếp nhau tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự biến đổi kênh vô tuyến phụ thuộc thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh τmax (maximum propagation delay or delay spread). Với rf là tỉ số lấy mẫu (oversampling) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang con, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường ở miền tần số Df phải thoả mãn điều kiện sau: (3.1) Tỉ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1. Tỉ số này có thể lớn hơn 1, khi đó, số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn mức cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như trên, rf <1, thì kênh truyền không thể được khôi phục hoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường. Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp trong miền thời gian Dt cũng phải thỏa mãn điều kiện lấy mẫu tương ứng. Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler. Theo tiêu chuẩn lấy mẫu thì khoảng cách Dt phải thoả mãn điều kiện: (3.2) Tỉ số rt được gọi là tỉ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường hợp điều kiện trên không thoả mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn ở máy thu. 3.4.2 Điều chế thích nghi Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống điều chỉnh nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với tình trạng fading thực tế. Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích nghi là một trong những ưu việt của OFDM vì nó cho phép tối ưu hoá mức điều chế trên mỗi kênh con dựa trên chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) và chất lượng kênh truyền dẫn. Hình 3.12 Điều chế thích nghi 3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi Ngoài mã xoắn rất phổ biến sử dụng trong các hệ thống vô tuyến, WiMAX cũng như cá hệ thống OFDM thường sử dụng một số mã sau: 3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check) Với những người thiết kế thông tin, đặc biệt trong lĩnh vực không dây và hệ thống mạng, giới hạn Shannon được xem như là kỳ vọng cao nhất. Đến nay các nhà thiết kế đã phát triển và cải thiện các kỹ thuật mã hoá sửa sai nhằm đưa hiệu suất kênh ngày càng tiến gần tới giới hạn Shannon. Việc tìm ra các phương án FEC là một nhu cầu trong việc nâng cao hiệu suất truyền tin, LDPC là một trong những phương án đó. Mã LDPC đã đưa đến giải pháp FEC mà khi thực hiện tiến gần hơn tới giới hạn Shannon. Mã LDPC dựa trên cơ sở ma trận H chứa một vài giá trị "1".Mã hoá được thực hiện bằng việc sử dụng các đẳng thức từ ma trận H để tạo ra các bit kiểm tra chẵn lẻ. Quá trình giải mã được thực hiện bằng sử dụng "cổng vào mềm" với các đẳng thức trên để xác định các trị số đã gửi. Quá trình xử lý được lặp theo phương pháp tương tác trong bộ mã hoá tốc độ cao. Mã LDPC có thể gây ra nền lỗi là điểm yếu chung của TCCs. Để chỉ ra nền lỗi, các mã đầu ra như là phương pháp BCH có thể phối hợp với công nghệ LDPC.Mã đầu ra BCH có hiệu ứng nền lỗi thấp. Các công nghệ quảng bá video số sử dụng phương pháp này để phát triển tiêu chuẩn DVB-S2. Với khả năng linh hoạt của LDPC, mã có thể được xây dựng chính xác theo đúng kích cỡ của khối hoặc tỷ lệ mã, tuy vậy thực hiện thực tế có thể buộc phải xác định trước kích cỡ khối và tốc độ mã có thể đạt được. Sau khi xác định kích cỡ khối và tốc độ mã, ma trận H được xây dựng với n cột và (n-k) hàng có chứa một vài giá trị “1”. Ma trận H được xây dựng thích hợp là ma trận có khoảng cách tối thiểu (dmin) lớn. Khi đó sẽ có số lượng “1” trong ma trận H nhỏ và như vậy số lượng cột của H cần có để có tổng bằng 0 hướng tới như các mã được xây dựng ngẫu nhiên. Khoảng cách tối thiểu trong ví dụ mã sau chỉ là 4, do đó có thể chỉ cần xem xét các cột 0, 1, 3 và 4 của ma trận H. Ví dụ về tạo mã: Một bộ tạo mã LDPC đơn giản được sử dụng để giới thiệu về mã (16,9) với ma trận H sau.Các tham số trong ví dụ là: k bit bản tin = 9 n-k bit chẵn lẻ = 7 Tỷ lệ mã = k/n = 9/16 Trong ví dụ mã trên, các cột từ n0 đến n8 tương ứng với phần bản tin của khối mã, còn các cột từ n9 đến n15 tương ứng với (n-k) bit chẵn lẻ và ở ma trận con thì phía dưới có dạng hình tam giác nhằm đơn giản hoá hơn quá trình mã hoá.Ví dụ, mã hoá bit chẵn lẻ n9 chỉ cần biết n0, n1 và n2. Đẳng thức logic cơ số 2 có thể viết được trực tiếp từ hàng của ma trận H theo dạng của bộ tạo mã LDPC như sau: Viết đẳng thức chẵn lẻ cho hàng đầu tiên để tạo mã n9 Hình 3.13 Ví dụ về một ma trận mã LDPC n0 + n1 + n2 + n9 = 0 n9 = n0 + n1 + n2 Tiếp tục thực hiện với các hàng còn lại sẽ có đầy đủ 7 đẳng thức n9 = n0 + n1 + n2 n10 = n3 + n4 + n5 n11 = n6 + n7 + n8 n12 = n0 + n3 + n6 n13 = n1 + n4 + n7 n14 = n2 + n5 + n8 n15 = n12 + n13 + n14 Để hoàn chỉnh bộ tạo mã LDPC, người thiết kế cần chuyển các đẳng thức logic cơ số 2 thành các mạch điện 3 đầu vào đảo (exclusive) hoặc cổng XOR và thanh ghi các đầu ra. Để mã hoá có hệ thống,thứ tự các bit truyền trong kênh cần bảo đảm thứ tự là n0 ... n15. Sử dụng phương pháp này sẽ không cần đến yêu cầu xác định ma trận sinh mà thay vào đó là phương pháp sử dụng lần lượt các đẳng thức ma trận sinh để mã hoá dữ liệu. Bộ giải mã LDPC Bộ giải mã LDPC nhận các khối dữ liệu,gồm cả các bit sai do nhiễu, với 5 hoặc 6 bit sửa sai sẽ quyết định giá trị 0 hay 1 của bit nhận được. Giải mã khối sử dụng quá trình lặp gồm việc giải (n-k) đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ của ma trận H.Việc giải các đẳng thức trong trường hợp này có nghĩa cập nhật các giá trị thật của các bit trong các đẳng thức là 1 hay 0 sử dụng truyền lan tin cậy hoặc các xấp xỉ đơn giản của truyền lan tin cậy. Quá trình này được lặp lại nhiều vòng, thường từ 30 đến 60, để giải mã hoàn toàn khối dữ liệu nhận được. Bộ giải mã có thể dừng khi một từ mã đã được xác định đúng (thoả mãn tất cả các đẳng thức kiểm tra chẵn lẻ) hoặc khi thời gian qui định hết mà không tìm được từ mã. Các khối kích thước lớn và tương tác mở rộng sẽ nâng cao hiệu suất của mã nhưng cả hai sẽ yêu cầu năng lực xử lý, tốc độ dữ liệu và bộ nhớ chiếm dụng cao hơn. Mã LDPC đang chứng minh rằng nó đạt độ tăng ích mã tuyệt vời với dải tỷ lệ mã và kích cỡ khối rộng. Lợi ích chính khi sử dụng LDPC là hiệu suất tăng ích đo được theo dB có thể được sử dụng theo nhiều cách như giảm công suất truyền,tăng thông lượng số liệu,khoảng cách truyền xa hơn, hoặc tăng độ tin cậy của đường truyền thông tin. Khi công suất phát bị giới hạn thì độ tăng ích mã hoá do mã LDPC tạo ra sẽ là sự khác biệt giữa thông tin chính xác và không có thông tin. 3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon Giới thiệu: Đặc điểm quan trọng của mã RS là khoảng cách tối thiểu trong bộ mã (n,k) là n-k+1. Với bất kì giá trị nguyên dương t≤ 2m-1 luôn tồn tại mã RS sửa t symbol lỗi.Ví dụ: n = 2m-1 n-k=2t k= 2m-1-2t dmin = 2t+1=n-k+1 Đa thức sinh sẽ là: = (3.3) với là các nghiệm. Ví dụ: m = 8 , t = 16 n = 255 k = n – 2t = 223 dmin = 33 (3.4) Cách tạo mã: Cho đa thức m(x) là thông tin cần mã hoá, k = n-2t m(x) = m0+m1x+…+mk-1xk-1 Thực hiện chia x2tm(x) cho g(x), ta được b(x) là phần dư: x2tm(x) = a(x)g(x)+b(x) b(x) = b0+b1x+…b2t-1x2t-1 (3.5) Cuối cùng, đa thức mã hoá sẽ là : b(x)+x2tm(x) Sơ đồ tạo mã: Hình 3.14 Sơ đồ tạo mã RS Giãi mã: Với c(x) là đa thức mã gửi đi, r(x) là đa thức nhận được và e(x) là lỗi tác động. (3.6) Giả sử e(x) có v lỗi tại các vị trí xj1, xj2, xjv.. (3.7) Vị trí các lỗi là: Các giá trị lỗi là: Tính syndrome: Hình 3.15 Sơ đồ syndrome thu của RS (3.8) với là các nghiệm trong đa thức sinh. Ta có mối quan hệ: Syndrome nhận đựơc là: với các giá trị: 3.5 Điều khiển công suất Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm điều khiển công suất vòng hở và điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công suất phát của MS tương ứng với khoảng cách với BTS. Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường tại điểm thu, tính ra cự li, tính ra công suất phát phù hợp. Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường,gửi lên BSC, BSC sẽ tính tóan cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, các thuật toán điều khiển công suất được sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể của hệ thống, nó được thực hiện nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới từng CPE để ổn định mức công suất phát sao cho mức thu được tại trạm gốc luôn ở mức định trước. Trong một môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước này có nghĩa là CPE chỉ truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược lại mức công suất phát của CPE sẽ không phù hợp. Công suất phát sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng của CPE và nhiễu tiềm ẩn từ các trạm gốc lân cận.Với LOS, công suất phát của CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách của nó tới trạm gốc, với NLOS nó phụ thuộc rất nhiều vào khoảng trống và chướng ngại vật. CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 4.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình 4.1.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền Bắt đầu Chuẩn hóa tất cả các dữ liệu trước khi sử dụng kênh để so sánh Thiết lập và tính toán hiệu ứng xén tín hiệu Thiết lập và tính toán hiệu ứng đa đường Thiết lập và tính toán nhiễu Kết thúc Hình 4.8 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền 4.1.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM Bắt đầu Bắt đầu Chia dữ liệu thành tập hợp song song Đọc dữ liệu vào Thực hiện FFT Chuyển đổi dữ liệu nhị phân {0,1} thành phân cực {-1,1} Chuyển đổi dữ liệu phân cực {1,1} thành nhị phân {0,1} Thực hiện IFFT Khôi phục dòng bit bởi đặt dữ liệu miền tần số thành chuỗi nối tiếp Chuyển tín hiệu song song thành chuỗi nối tiếp Kết thúc Ghi dữ liệu Kết thúc Hình 4.9 Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM Hình 4.19 Lưu đồ mô phỏng thu Ký tự OFDM 4.1.3 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER Hình 4.11 Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER Bắt đầu Số lượng bit lỗi = 0 i = 1 Lỗi = | Dữ liệu vào(i) - Dữ liệu ra(i)| Số bit lỗi = số bit lỗi + 1 Kết thúc i=i+1 BER = 100*số bit lỗi/ Độ dài dữ liệu (%) Lỗi>0 i<= Độ dài dữ liệu vào Đ S Đ S 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulinkHình 4.1 Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM Đầu tiên, bộ phát nhị phân Bernoulli sẽ tạo chuỗi tín hiệu.Chuỗi dữ liệu đầu vào được mã hoá bởi bộ mã Reed-Solommon và được điều chế bởi bộ Mapping QPSK. IFFT là hữu ích cho OFDM vì nó phát ra các mẫu của dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao. Dữ liệu sau khi được biến đổi sẽ được chèn thêm CP và chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh và đồng bộ ở máy thu. Mô phỏng kênh truyền đưa ra các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến chung như nhiễu, đa đường và xén tín hiệu. Dùng hai khối trong Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM nhận Hình 4.2 Phổ tín hiệu OFDM truyền Tín hiệu thu sau khi loại bỏ CP và chuỗi huấn luyện sẽ được đưa vào IFFT để chuyển các mẫu miền thời gian trở lại miền tần số. Đưa vào bộ ước lượng kênh và bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu.Cuối cùng, tín hiệu được giải điều chế và giải mã RS Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận Hình 4.7 Chòm sao QPSK sau CE Hình 4.6 Chòm sao QPSK trước CE Hình 4.2 và 4.3 cho thấy tác động của kênh truyền đến phổ tín hiệu OFDM. Vì kênh truyền là một kênh fading chọn lọc tần số nên phổ tín hiệu OFDM nhận ở những tần số khác nhau chịu sự tác động khác nhau. Hình 4.4 và 4.5 cho thấy biên độ tín hiệu OFDM nhận nhỏ hơn biên độ tín hiệu OFDM truyền đi. Hình 4.6 và 4.7 cho thấy tác dụng của bộ ước lượng và bù kênh.Hình 4.6 chòm sao QPSK trước khi ước lượng kênh có biên độ và pha rất không ổn định. Hình 4.7 chòm sao QPSK sau khi ước lượng kênh những điểm chỉ dao động nhỏ quanh một vị trí cố định tức là biên độ và pha gần như ổn định. KẾT LUẬN Chuẩn WirelessMAN IEEE 802.16 nói chung và WiMAX nói riêng đã định nghĩa các chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho cả thiết bị cố định, xách tay và di động.Nó chứa đựng nhiều ưu điểm vượt trội, như tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao, có khi lên tới 70 Mb/s trong phạm vi 50 km, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt, hỗ trợ multicast cũng như di động, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép. WiMAX thực sự đang được các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà sản xuất quan tâm. Chính vì thế mà đồ án đã chọn công nghệ WiMAX cũng như ứng dụng của nó làm chủ đề nghiên cứu.Đồ án đã tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến công nghệ WiMAX như sau: Giới thiệu một cách tổng quát nhất về công nghệ WiMAX, nêu ra được sự hình thành của chuẩn IEEE 802.16, nêu vắn tắt các chuẩn của chuẩn IEEE 802.16, đồng thời so sánh được WiMAX và WIFI. Ngoài ra cũng đưa ra các mô hình ứng dụng và minh hoạ nổi bật nhất của công nghệ WiMAX, qua đó làm rõ được tính khả thi của công nghệ WiMAX. Trình bày những khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế và giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM, và những ứng dụng của kỹ thuật này. Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA.Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng. Thực hiện chương trình mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trong WiMAX dựa trên kỹ thuật điều chế OFDM.Đây là chương trình được viết bằng Matlab,chương trình bao gồm sơ đồ khối mô phỏng sự phát và thu OFDM, mô phỏng kênh truyền, tính BER, so sánh tín hiệu OFDM và QAM, sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink của Matlab. Nghiên cứu về công nghệ WiMAX là một quá trình lâu dài về cả lý thuyết và thực nghiệm. Trên cơ sở những nội dung mà em đã trình bày, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là: Thứ nhất, hoàn thiện phần mô phỏng để nêu bật được đặc điểm của công nghệ WiMAX Thứ hai, tìm hiểu nghiên cứu về quy hoạch mạng WiMAX. Thứ ba, tìm hiểu khả năng ứng dụng của công nghệ WiMAX ở Việt Nam

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docKy Thuat OFDM Trong Cong Nghe WIMAX.doc