Đồ án Tốt nghiệp: Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo Nguyễn Thị

Huyền Trang, đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình viết đồ án tốt nghiệp.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Công Nghệ Thông

Tin Ứng Dụng, đặc biệt là các Thầy, Cô trong Ngành Tin Học Viễn Thông Trường CĐ

CNTT Hữu Nghị Việt Hàn đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 3 năm học tập. Với

vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình

nghiên cứu đồ án mà còn là hành trang quí báu để tôi bước vào đời một cách vững

chắc và tự tin.

Tôi cũng thầm biết ơn sự ủng hộ của gia đình, bạn bè những người thân yêu luôn

là chỗ dựa vững chắc cho tôi.

Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe và thành

công trong sự nghiệp cao quý.

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013

Trang i

Sinh viên thực hiện Hồ Thị Tường Vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i

MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ iv

DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................... vii

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN ..................................... 2

1.1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN.......................................... 2

1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ..................................................... 3

1.3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN ........................................................ 4

1.3.1. Suy hao truyền dẫn ........................................................................................... 4

1.3.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) ................................................. 5

CHƯƠNG II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM ..................................... 9

2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM ...................................................................................... 9

2.2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL) .................................... 12

2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM ............................... 12

2.2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM .................................... 13

2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM .......................................................................... 14

2.4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC

PHỤC ......................................................................................................................... 16

2.4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục ......................................................................... 16

2.4.1.1. Nhiễu ISI và những ảnh hưởng ................................................................ 16

2.4.1.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI .................................................. 17

2.4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục ......................................................................... 18

2.4.2.1. Nhiễu ICI và những ảnh hưởng................................................................ 18

2.4.2.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI ......................................................... 18

2.4.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray ......................... 18

2.4.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần ............................................................... 20

2.4.4.1. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng. ........................................ 20

2.4.4.2Phương pháp dùng bộ lọc băng thông ........................................................ 21

CHƯƠNG III. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ....................................... 24

3.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 24

Trang ii

3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ................................................ 24

3.2.1 Nhận biết khung .............................................................................................. 25

3.2.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE .................................................. 27

3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân ........................................................................ 28

3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên ............................................................................ 29

3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư .................................................................................... 30

3.3. ĐỒNG BỘ KÍ TỰ ................................................................................................. 31

3.3.1. Đồng bộ kí tự dựa vào tiền tố lặp CP ............................................................ 31

3.3.2. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot ........................................................................... 35

3.3.3. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC .......................................... 36

3.4. ĐỒNG BỘ TẦN SỐ .............................................................................................. 40

3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu .................................................................................. 41

3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang .............................................................................. 42

3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot .............. 43

3.4.2.2 Ước lượng CFO dựa vào tiền tố lặp CP ................................................... 44

3.4.2.3 Ước lượng khoảng dịch tần số dựa trên chính dữ liệu ........................... 46

3.5. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 49

CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDMA .................................... 50

4.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 50

4.2. CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT OFDMA ................................................................. 50

4.2.1. Các giao thức OFDMA ................................................................................... 51

4.2.1.1 Phân hóa kênh con...................................................................................... 51

4.2.1.2. Sự ánh xạ các bản tin ................................................................................. 51

4.2.1.3. Sự sắp xếp .................................................................................................. 52

4.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con .............................................. 52

4.2.3 Đặc điểm ......................................................................................................... 55

4.2.4 Phương pháp ghép (Duplexing) .................................................................... 57

4.3. PHÂN TÍCH KHUNG DOWNLINK VÀ PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ

OFDMA ........................................................................................................................ 58

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................... 61

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ ix

Trang iii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ................................................................ x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Tên hình

Số hiệu hình

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin 2

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 6

Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số 8

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số 8

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM 10

Hình 2.2 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số 14

Hình 2.3. Mô hình của hệ thống OFDM 15

Hình 2.4 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI 16

Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 17

Hình 2.6 Sơ đồ chòm sao 16-QAM 20

Hình 2.7 Cấu trúc khoảng bảo vệ RC 21

Hình 2.8 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser β=3.4 22

Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM 25

Hình 3.2 Nhận biết khung truyền 26

Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN 27

Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 32

Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu 32

Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan 34

Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế 35

Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC 37

Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC 38

Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR 39

Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ 40

Trang iv

Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ 41

Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ 42

Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO 43

Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP 45

Hình 3.16 Khung OFDM 47

Hình 4.1 OFDM 51

Hình 4.2 ODFMA 51

Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 52

Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL 53

Hình 4.5 Mô hình AMC 54

Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC 54

Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA 55

Hình 4.8 ODFM và OFDMA 56

Trang v

Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD 58

DANH MỤC BẢNG

Trang

Tên bảng

Số hiệu bảng

Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu. 7

Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray 19

Trang vi

Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 48

CÁC TỪ VIẾT TẮT

A

AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Ghép kênh đa sóng mang trực

Division Multiplexing giao thích nghi

AMC Adaptive Modulation and Codding Mã hóa và điều chế thích ứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng (nhiễu cộng)

A/D Analog/Digital Chuyển đổi Tương tự/Số

B

BER Bit Error Ratio Tỷ lệ bit lỗi

BLER Block Error Ratio Tỷ lệ lỗi theo khối

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

D

DL Downlink Đường xuống

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số

DPLL Digital Phase Losked Loop Vòng khóa pha số

DSP Digital Signaling Process Bộ xử lý tín hiệu số

DVB-T Digital Video Broadcasting – Truyền hình số mặt đất

Terrestrial

D/A Digital/Analog Bộ chyển đổi Số/Tương tự

F

Frame control header Khung tiêu đề điều khiển FCH

Frequency Division Deplex Song công phân chia theo tần số FDD

Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDM

Fast Fourier Transform Chuyển đổi Furier nhanh FFT

I

IEEE Institute of Electrical and Electronic Học viện của các kỹ sư điện và

Engineers điện tử

ISI Inter-Symbol Interface Nhiễu liên kí tự

Inter-Channel Interface Nhiễu liên kênh ICI

Trang vii

Inphase-Quaderature IQ

M

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều

đầu ra

MMSE Minimum Mean Square Error Bộ lọc trung bình bình phương tối

thiểu

O

OFDM Orthoganal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing trực giao

OFDMA Orthoganal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần

Multiple Access số trực giao

P

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

PLL Phase Losked Loop Vòng khóa pha

Q

QAM Quaderate Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

R

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

S

SNIR Signal Noise – Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm + nhiễu

SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

T

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời

gian

TDMA Time Division Multiple Access Ghép kênh phân chia theo thời

gian

W

WiMax Worldwide Interoperability for Khả năng khai thác liên mạng

Microwave Access trên toàn cầu đối với truy cập vi

ba

Z

Trang viii

ZF Zero Forcing Bộ lọc ép không

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống

thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống

thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ

tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ

thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng

đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng

quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một

giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao

OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông

vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải

pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ

thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con

trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu.

Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập

OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có

nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ.

Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường Cao Đẳng

CNTT Hữu Nghị Việt Hàn cùng với sự định hướng, giúp đỡ của cô giáo Nguyễn Thị

Huyền Trang, em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống

OFDM và OFDMA”.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị

Việt Hàn đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân

thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong

quá trình thực hiện đồ án này.

Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều

thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 1

đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

(Mô hình kênh)

(source coding)

(modulation)

(channel coding)

Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế Nguồn tin

(channel)

Kênh vô tuyến

(Channel

(source

(Demodulation)

Tín hiệu Giải mã nguồn Giải mã kênh Giải điều chế

Decoding)

decoding)

(Destination)

đích

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin

Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn

tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa

kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế

để có thể truyền đi được xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh

truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải

qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu

thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác

nhau.

Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến.

 Kênh truyền

Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi

trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 2

Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu

phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi.

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu

không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn.

 Sóng mang

Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra

anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tuy nhiên, nhờ sóng

mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được

điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi

phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường

truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông

thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông

tin.

 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho

phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất

lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp.

Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước

hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất.

Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu

suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề

rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu

suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài

nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho

hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu.

1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ

thống phát thanh và truyền hình. Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ảnh.

Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như hệ

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 3

thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm).

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Có thể phân loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền

dẫn trong tầm nhìn thẳng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường

và ở khoảng cách ngắn).

1.3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những khó

khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số. Các tín hiệu khi truyền

qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ … và do đó gây ra

hiện tượng đa đường. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường

truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa đường, …

đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến.

1.3.1. Suy hao truyền dẫn

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi

hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất.

Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay

cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ

được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả

khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới

dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó

do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay

nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình

(1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R

(1.1)

_ : Công suất tín hiệu thu được (W)

: Công suất phát (W)

: Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

_ _ _ : Độ lợi anten phát

: bước sóng của sóng mang

_ _ R: bán kính truyền sóng vô tuyến

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 4

(1.2)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các

tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến

liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông

tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn

phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với

nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do

không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:

(1.3)

Với _ , _ << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của

trạm di động MS (Mobile Station).

1.3.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)

Đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu luôn có chướng ngại vật nên sẽ

gây ra hiệu ứng fading. Khi đó, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau và có

độ trải trễ khác nhau và độ lợi cũng khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc.

Có 3 trường hợp có thể xảy ra trên đường truyền vô tuyến: hiện tượng phản xạ,

tán xạ và nhiễu xạ.

Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.

Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có

chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.

Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài

bước sóng.

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao

này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và

theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

- Thời điểm các bản sao này tới máy thu sẽ khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các

phần này khác nhau.

- Các bản sao này sẽ có công suất tới máy thu khác nhau do suy hao khác nhau,

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 5

hay biên độ của các thành phần là khác nhau.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Tán xạ

LOS

Phản xạ

Nhiễu xạ

Phát

Thu

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và

pha của các thành phần mà ta sẽ thu được

- Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha. Tăng cường ở đây

không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều hơn.

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần

ngược pha

 Fading nhanh và fading chậm

Ta xem xét 2 loại fading xem xét về mặt thời gian

- Fading nhanh: gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh thiết bị thu. Tín

hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có thời gian

truyền khác nhau. Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó. Đối với tín hiệu tần

số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay pha tín hiệu. Mỗi tín hiệu sẽ

bị quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng

cường hay suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha.

- Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên. Sự thay

đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100 lần bước sóng)

và phụ thuộc kích thước vật cản gây nên. Sự thay đổi này xảy ra chậm nên được gọi là

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 6

fading chậm.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng

Đây là 2 loại fading xem xét về mặt tần số. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và

vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách

truyền của mỗi thành phần đa đường là khác nhau nên sự thay đổi pha cũng sẽ khác

nhau.

Định nghĩa: Băng thông Coherent BC là độ rộng băng thông ∆f khi hệ số đường

bao kết hợp giữa 2 tín hiệu bằng một nửa giá trị lớn nhất của nó.

(1.4)

Trong đó: δ: độ trải trễ tùy theo môi trường truyền vô tuyến.

Băng thông Coherent:

(1.5)

Một số giá trị phổ biến đột trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau.

Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu.

Môi trường Độ trải trễ

Bên trong các tòa nhà < 0.1μs

Ngoài trời < 0.2μs

Ngoại ô 0.5μs

Thành thị 3 μs

Đối với mỗi môi trường có độ trải trễ khác nhau ta sẽ tính được băng thông

Coherent tương ứng.

- Fading lựa chọn tần số: nếu băng thông của tín hiệu đã điều chế lớn hơn nhiều

so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có

các đặc tính fading khác nhau. Các kênh lựa chọn tần số được gọi là kênh phân tán

thời gian. Bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung cũng bị thay đổi. Tức tín hiệu

truyền qua kênh này sẽ bị méo nghiêm trọng.

- Fading phẳng: độ rộng băng thông của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông

Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có đặc tính fading như

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 7

nhau. Với fading phẳng thì chỉ có biên độ của xung thay đổi. Mọi kênh truyền vô

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần số vô tuyến. Tuy nhiên,

kênh truyền có thể được xem là bằng phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.

Hình 1.3 là một ví dụ về đáp ứng của kênh lựa chọn tần số. Qua đó ta thấy ở các

tần số khác nhau thì tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng cả về biên độ và pha khác nhau và vì

thế sẽ khó có thể khôi phục dữ liệu một cách chính xác như ban đầu.

Vấn đề fading lựa chọn tần số sẽ là vấn đề gây khó khăn trong việc dự đoán

đường truyền khi truyền thông vô tuyến. Nó gây ra méo tuyến tính. Tuy nhiên, với kỹ

thuật OFDM, bằng việc chia nhỏ tín hiệu thành nhiều sóng mang con để truyền, mỗi

sóng mang con chỉ chiếm một dải tần hẹp đủ để thỏa mãn không còn bị fading chọn

lọc tần số mà chỉ bị fading phẳng nên đã giải quyết được vấn đề này một cách dễ dàng.

Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 8

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CHƯƠNG II. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM

2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing

(OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi

trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các

hệ thống thông tin vô tuyến.

Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên

toàn bộ băng tần B. Toàn hệ thống được điều chế trên 1 sóng mang duy nhất f0. Tần số

lấy mẫu của tín hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là:

(2.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần

số. Tần số lấy mẫu rất lớn nên chu kỳ lấy mẫu (độ dài 1 mẫu tín hiệu) sẽ rất bé.

 Nhược điểm của phương pháp:

- Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường

đối với tín hiệu thu là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên nhiễu gây liên tín

hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu.

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

lớn.

- Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với trường

hợp điều chế đa sóng mang.

Hiện nay, điều chế đa sóng mang chủ yếu được dùng trong hệ thống thông tin

băng hẹp, GSM …

Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (ghép kênh phân chia theo tần số),

toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ

cho mỗi băng con là khác nhau.

Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng:

(2.2)

B: bề rộng cả băng tần hệ thống (Hz).

Bn: bề rộng mỗi kênh phụ (Hz).

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 9

N: số kênh phụ.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Độ dài 1 mẫu tín hiệu:

(2.3)

Độ dài 1 mẫu tín hiệu trong điều chế FDM dài gấp N lần độ dài mẫu trong điều

chế đơn sóng mang. Chính vì thế, nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ

ảnh hưởng đến 1 số ít mẫu tín hiệu.

 Khắc phục được 1 số hạn chế của phương pháp điều chế đơn sóng mang:

- Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể.

- Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể.

- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm.

 Những nhược điểm vẫn còn:

- Độ dài 1 mẫu tín hiệu tăng lên, do đó hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ

thuộc thời gian của kênh.

- Giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang.

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời khắc phục khả năng

sử dụng phổ, kế thừa những ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang FDM.

OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang đặc biệt, trong đó mỗi sóng mang

phụ được chọn sao cho nó trực giao với các sóng mang phụ còn lại. Điều này cho phép

đặt các sóng mang phụ chồng lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ. OFDM

được sử dụng nhiều trong thông tin vô tuyến.

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM

Hình 2.1 cho ta thấy rõ ưu điểm trong việc sử dụng tài nguyên vô tuyến đó chính

là tần số. Các sóng mang con trong OFDM thì chồng lấn lên nhau nên dải tần mà kỹ

thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với các kỹ thuật trước là đơn sóng mang và đa sóng

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 10

mang không trực giao FDM.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Qua bản chất của kỹ thuật OFDM ta có thể thấy những ưu điểm và khuyết điểm

của kỹ thuật này:

 Ưu điểm của OFDM

- OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng cách cho phép chồng lấn những

sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục dữ liệu. Phù hợp thiết kế hệ

thống băng rộng.

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi

bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

- OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon

lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng. Các hệ thống

OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.

- Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng

mang ICI có thể loại bỏ.

- IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và

giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu

được điều chế và giải điều chế đơn giản.

- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng

được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.

Ngoài những ưu điểm thì kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế.

 Nhược điểm:

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Đường bao biên độ

của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công

suất ở cả phía phát và phía thu. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu trên năng lượng

trung bình PARR cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này sẽ làm tăng độ

phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút

ngắn tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.

- Sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm hiệu suất sử dụng

phổ do mang thông tin không có ích.

- OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai số

đồng bộ. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống

đơn sóng mang. Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 11

trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu phải

đạt trong bộ thu OFDM.

2.2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL)

“ORTHOGONAL” (Sự trực giao) chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính

xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM

thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu

có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường.

Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được tính toán đặt trước các sóng

mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng

phổ của hệ thống.

Tuy nhiên có thể sắp xếp, tạo ra các sóng mang trong OFDM sao cho các dải

biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà

không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn như vậy các sóng mang phải trực

giao về mặt toán học. Nếu mất tính trực giao giữa các sóng mang con sẽ tạo ra sự

chồng lặp hỗn độn và làm cho đầu thu khó khôi phục lại hoàn toàn dữ liệu thông tin

ban đầu. Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ

thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và thực hiện tích phân

trên một chu kỳ tín hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu.

2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM

Xét một tập các sóng mang con (n = 0,1,2, … N-1)

Các sóng mang con trực giao với nhau khi thỏa mãn

(2.4)

Trong đó, fn : sóng mang phụ thứ n

k là hằng số không phụ thuộc vào T, n hoặc m.

Trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể viết là

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 12

Trong đó, f0: tần số offset ban đầu.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Ta có thể chứng minh tính trực giao của các sóng mang con OFDM. Xét biểu

thức (2.4)

(2.5)

= 0 với n ≠ m.

Khi n = m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.

Nếu các sóng mang con trực giao với nhau thì biểu thức (2.4) phải xảy ra nên

biểu thức (2.5) luôn đúng.

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống

các tần số bằng một số nguyên lần 1/T (T là chu kỳ tín hiệu), thì chúng sẽ có tích phân

bằng 0 trên một chu kỳ tín hiệu. Như vậy các sóng mang sẽ là độc lập tuyến tính hay

trực giao với nhau nếu các sóng mang có độ giãn cách là 1/T.

Trong thực tế khi thiết kế hệ thống, ta nhận thấy phép biến đổi Furier nhanh IFFT

chính là 1 biện pháp để chia tín hiệu thành những sóng mang con có tính trực giao với

các sóng mang con còn lại.

Công thức tính IFFT với chuỗi số chiều dài N:

(2.6)

Do đó, IFFT sẽ được sử dụng trong OFDM bên hệ thống phía phát. Bên hệ thống

phía thu sẽ phải thực thực hiện việc giải mã ngược lại bằng cách sử dụng biến đổi FFT.

2.2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.

Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sinc (sin(x)/x). Trong

miền tần số, mỗi sóng mang phụ OFDM có đáp ứng tần số là hàm sinc. Đó là kết quả

của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang. Mỗi

symbol OFDM được truyền trong một khoảng thời gian cố định (TFFT). Thời gian

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 13

symbol này tương ứng với khoảng cách tải phụ 1/TFFT (Hz). Dạng Sinc có một búp

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

chính hẹp, với nhiều búp bên có biên độ giảm dần theo tần số khi đi xa khỏi tần số

trung tâm. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không

được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực

giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi sóng mang phụ tương ứng với Nulls

của các sóng mang phụ khác.

Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sóng mang con nhất định sẽ rơi

đúng vào các điểm bằng 0 (null) của các sóng mang con khác (Hình 2.3). Sử dụng các

tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các sóng mang con khác

nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang con với mật độ lớn trong miền tần số do đó sẽ

đạt được hiệu quả phổ cao.

Hình 2.2 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số

Hình 2.3 mô tả đáp ứng của mỗi sóng mang con có dạng hàm số Sinc. Tại vị trí

đỉnh phụ của các sóng mang con khác sẽ trùng với đỉnh búp sóng chính của sóng mang

xem xét. Điều đó thể hiện tính trực giao về mặt tần số của tín hiệu OFDM.

2.3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM

Phía phát (Transmitter): mã hóa luồng dữ liệu số phát theo mã Gray để giảm tỷ

lệ bit lỗi khi truyền, sau đó chuyển thành pha và biên độ các sóng mang con biểu diễn

dưới dạng các số ảo qua phép điêu chế BPSK, QPSK hoặc M-QAM. Các sóng mang

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 14

con được lấy mẫu trong miền tần số. Sử dụng phép biến đổi IFFT chuyển phổ các sóng

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

mang con vào miền thời gian, mỗi sóng mang con trực giao với nhau. Tín hiệu OFDM

sau khi được đóng gói sẽ được xử lý tương tự nâng tần và truyền vô tuyến.

Máy thu (Receiver): Thực hiện đồng bộ và tiến hành ngược lại phía phát, giải

mã trả về dữ liệu ban đầu.

Hình 2.3. Mô hình của hệ thống OFDM

Ta sẽ xem xét từng khâu trong mô hình hệ thống OFDM để tạo ra tín hiệu

OFDM.

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra một số lượng

lớn các bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự.

Đầu tiên, dữ liệu số cần truyền ở dạng nối tiếp sẽ được biến đổi thành song

song với chiều dài dữ liệu cố định. Dữ liệu sau đó sẽ được ánh xạ vào biên độ và pha

của các sóng mang phụ thông qua một trong các phép điều chế số (FSK, PSK, QPSK,

M-QAM). Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của dữ liệu vào miền thời gian nhờ sử

dụng phép biến đổi Fourier rời rạc đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện

cùng một thuật toán như IDFT nhưng hiệu quả hơn nhiều. Để truyền tín hiệu OFDM,

tín hiệu miền thời gian kia sẽ được phối hợp siêu cao tần để đưa lên tần số RF cần

thiết.

Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 15

băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT).

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

2.4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

Công nghệ OFDM thiết kế trong các hệ thống để hoạt động trong các môi trường

kết nối đa dạng từ: Đường dẫn thẳng LOS (Line of sight) đến đường dẫn bị che khuất

OLOS (Obstructed Line of sight) và không có đường dẫn thẳng NLOS (Non Line of

sight). Đây chính là ưu điểm của OFDM. Tuy nhiên, do làm việc với nhiều loại môi

trường truyền dẫn khác nhau như vậy nên tín hiệu đa đường dẫn là tổ hợp của tín hiệu

gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu. Các tín hiệu

phản xạ thường đến trạm thu không cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi

và thường đến sau so với tín hiệu gốc (truyền thẳng). Do không đến cùng nhau nên xảy

ra hiện tượng nhiễu. Ngoài nhiễu do sự chênh lệch thời gian còn có nhiễu do sự sai

lệch tần số giữa các sóng mang con làm mất tính trực giao giữa chúng.

2.4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục

2.4.1.1. Nhiễu ISI và những ảnh hưởng

ISI (Inter-Symbol interference), là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do

hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên kí hiệu trước

đó.

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh fading trong miền thời gian, tính bất ổn

định của kênh gây ra sự giao thoa tín hiệu.

Ảnh hưởng của ISI: gây ra sự nhận định sai kí hiệu, gây khó khăn trong việc khôi

phục tín hiệu gốc tại phía thu.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 16

Hình 2.4 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Hình 2.5 chỉ rõ sự thu tín hiệu không như mong muốn ở phía thu. Chúng ta sẽ

không chỉ thu duy nhất 1 bản tín hiệu gốc bên phát mà thu được nhiều bản sao của nó.

Mỗi bản sao sẽ có độ trải trễ khác nhau. Và tín hiệu sau sẽ chồng lên tín hiệu trước gây

khó khăn cho việc khôi phục nếu ta không khử được nhiễu này.

2.4.1.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI

Copy

Khoảng

Khoảng

Chèn khoảng thời gian bảo vệ

bảo vệ

bảo vệ

IFFT IFFT IFFT

TG TIFFT

Tsymbol

Kí hiệu thứ N+1 Kí hiệu thứ N Kí hiệu thứ N-1

Hình 2.5 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM

Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách copy phần cuối kí hiệu lên phần đầu của

cùng kí hiệu. Nhờ đó tín hiệu sẽ có tính liên tục, không bị gián đoạn tại điểm nối, đảm

bảo tính trực giao xuyên suốt. Đồng thời có lợi dụng việc copy đó để thực hiện bước

đồng bộ kí hiệu qua phương pháp nhân tương quan.

Chiều dài tổng của kí hiệu là Tsymbol = TG + TIFFT, trong đó, Tsymbol là tổng chiều

dài của kí hiệu, TG là chiều dài của khoảng bảo vệ, và TIFFT là kích thước IFFT được

sử dụng để tạo ra tín hiệu OFDM.

OFDM có thể khắc phục hoàn toàn được nhiễu ISI bằng việc dùng khoảng bảo

vệ. Và theo hình 2.5, điều kiện để đảm bảo tín hiệu không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI

là:

Trong đó, là độ trải trễ cực đại

Tx: khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu thu dữ liệu ở máy thu cho đến khi thực

hiện lấy mẫu tín hiệu.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 17

Tg: độ dài khoảng bảo vệ phải được áp dụng vào dữ liệu bên phát.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Điều này là hiển nhiên, khi chiều dài khoảng bảo vệ lớn hơn độ trải trễ cực đại

thì symbol sau sẽ hoàn toàn không ảnh hưởng đến symbol trước do hiệu ứng fading đa

đường. Tuy nhiên, khoảng bảo vệ là khoảng dữ liệu không mang thông tin, là dữ liệu

truyền vô ích nên tùy điều kiện môi trường để chọn cho hợp lý, tiết kiệm băng tần.

2.4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục

2.4.2.1. Nhiễu ICI và những ảnh hưởng

ICI (Inter-Channel Interference) là nhiễu xuyên kênh, là nhiễu phát sinh do tín

hiệu của các kênh nằm cạnh nhau gây nhiễu lên nhau.

ICI (Inter-Cell Interference) là nhiễu liên tế bào hay nhiễu giữa các tế bào, là

nhiễu phát sinh do tín hiệu cùng băng tần trên các tế bào (Cell) khác nhau trong mạng

di động gây nhiễu lên nhau.

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống

OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng

năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính

trực giao của các sóng mang con.

Nguyên nhân chính là do hiện tượng Doppler do tính di động của máy phát và

máy thu, có sự chuyển động tương đối giữa chúng. Do tính chọn lọc tần số của kênh

fading.

Ảnh hưởng của ICI: những sóng mang con bị mất tính trực giao sẽ không thể

khôi phục chính xác như đã phát.

2.4.2.2 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI

Để hạn chế ảnh hưởng của ICI, người ta chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách

tuần hoàn và dùng pilot dẫn đường giúp ước lượng và cân bằng kênh khi khôi phục tín

hiệu ở phía thu.

2.4.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray

Bất kỳ một hệ thống nào cũng đều phải xem xét, tính đến ảnh hưởng của tạp âm

và nhiễu đến hệ thống, ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi truyền, hòa hợp giữa mức tạp âm và

hiệu quả phổ tần. Đặc biệt đối với hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng của tạp

âm và nhiễu lên tín hiệu nhiều hơn nhiều so với các hệ thống khác.

Tạp âm và nhiễu sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) và làm giảm hiệu

quả sử dụng phổ tần của hệ thống. Tạp âm ở đây có thể có tạp âm ở các máy phát, máy

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 18

thu. Trong hệ thống truyền thông vô tuyến thì tạp âm cần quan tâm giải quyết nhất là

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

tạp âm trên chính kênh truyền ISI, ICI, IMD. Nếu không làm giảm, không có biện

pháp khắc phục những ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm thì tín hiệu sẽ bị sai lệch và

không thể khôi phục.Giải pháp để khắc phục, làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và tạp

âm chính là sử dụng phương pháp mã hóa Gray. Mã hóa Gray là phương pháp mã hóa

dữ liệu mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit. Nhờ đó sẽ giảm

xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một kí hiệu đơn.

Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray

Cơ số 10 Mã Gray Cơ số 10 Mã Gray

0000 1100 0 8

0001 1101 1 9

0011 1111 2 10

0010 1110 3 11

0110 1010 4 12

0111 1011 5 13

0101 1001 6 14

0100 1000 7 15

Giản đồ IQ (Imphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vectơ truyền cho

tất cả các từ mã dữ liệu. Mỗi từ mã dữ liệu phải được phân phối một vectơ IQ duy

nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm cạnh nhau

trong chòm sao chỉ khác nhau 1 bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì

nó giảm cơ hội nhiễu lỗi bit xảy ra từ một symbol đơn.

Mã hoá Gray có thể sử dụng cho toàn bộ các sơ đồ điều chế PSK (QPSK, 8-PSK,

16-PSK,…) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM,…). Đối với QAM thì mỗi trục

sẽ được ghép riêng sử dụng mã hoá Gray.

Hình 2.7 minh họa sơ đồ IQ cho phép điều chế 16-QAM sử dụng mã Gray. Đây

là phép điều chế sẽ được sử dụng trong sản phẩm thực hiện hệ thống truyền thông

OFDM ở bên dưới. Như trong hình của phép điều chế thì ta có thể thấy rõ thì mỗi từ

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 19

mã đứng cạnh nhau chỉ sai khác nhau 1 bit theo pháp mã hóa Gray

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

.

Hình 2.6 Sơ đồ chòm sao 16-QAM

2.4.4 Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần

Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng

phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần. Trong thực tế

với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thông OFDM ít phức tạp hơn so với

một thệ thống đơn sóng mang.

Phổ của tín hiệu OFDM là phổ tổng hợp của các thành phần tần số sóng mang

con có dạng sinc [xin(x)/x]. Các sóng mang con trong kỹ thuật OFDM chồng lấn lên

nhau, trực giao với nhau, nhờ đó mà băng tần trong kỹ thuật OFDM sử dụng đã tiết

kiệm hơn rất nhiều so với các kỹ thuật ghép kênh khác. Tuy nhiên, phổ tổng hợp của

chúng vẫn sẽ có một đường bao bên chiếm một lượng băng tần khá lớn. Các đường

bao này chính là thành phần tần số ngoài băng và cần loại bỏ nó.

Tần số ngoài băng sẽ được loại bỏ khi sử dụng một bộ lọc băng thông hoặc dùng

khoảng bảo vệ cosin tăng. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 2 giải pháp này.

2.4.4.1. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng.

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để loại bỏ bớt đường bao bên của

phổ tín hiệu OFDM là tạo khoảng bảo vệ cosin tăng. Phương pháp này thực hiện làm

dốc khoảng bảo vệ ép nhọn nó đến ‘0’ trước kí hiệu tiếp theo. Sự ép nhọn khoảng bảo

vệ chuyển giao giữa các kí hiệu sẽ làm giảm công suất đường bao bên, thực hiện tối ưu

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 20

hơn cho việc loại bỏ tín hiệu ngoài băng.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Hình 2.7 Cấu trúc khoảng bảo vệ RC

Khoảng bảo vệ cosin tăng Raise Cosin (RC) được tạo ra với hình dạng một hàm

cosin bình phương. Tính chất giảm dần đến ‘0’ của khoảng RC được chọn rất nhỏ và

có thể bỏ qua ở phía thu. Nhiễu ISI do nó gây ra sẽ rất thấp.

Một ví dụ về hình dạng hàm cosin tăng: (i = 1:delta)

cos_val = cos( i*PI/(2.0*(delta - 1)) );

cos_Table[i] = float(cos_val * cos_val);

Với delta là khoảng chiều dài ta chọn thực hiện làm khoảng bảo vệ RC.

Bảng cosin tăng cos_Table sẽ được kết hợp với tín hiệu OFDM để tạo thành

khoảng RC.

Trên thực tế, khoảng bảo vệ RC được chọn theo phần phẳng của tín hiệu OFDM

và chọn sao cho nó có thể bỏ qua ở phía thu mà vẫn thu được dữ liệu bình thường.

(2.7)

RC là phần trăm cosin tăng.

TRC là độ dài khoảng RC.

TFFT là độ dài tín hiệu OFDM sau khi thực hiện IFFT chưa thêm khoảng bảo vệ.

TGI là độ dài khoảng bảo vệ phẳng GI.

Trên thực tế thì việc thêm khoảng bảo vệ là không đủ để giảm đường bao bên

đáng kể, vì thế cần phải dùng thêm bộ lọc băng thông.

2.4.4.2Phương pháp dùng bộ lọc băng thông

Chúng ta đã xem xét việc sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng để cắt bớt thành

phần tần số ngoài băng giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, để có thể sử

dụng triệt để hơn, chúng ta phải sử dụng đến bộ lọc băng thông. Sự cắt của bộ lọc băng

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 21

thông là rất gọn, điều này cho phép phân chia các khối tín hiệu OFDM một cách hiệu

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

quả. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép các khối tín hiệu OFDM có thể được xếp rất

gần nhau trong miền tần số, nhờ đó giúp cải thiện việc sử dụng phổ tần. Tuy nhiên sự

cắt rất khít này sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (signal noise rate) SNR.

Cần xem xét ảnh hưởng của nó khi thiết kế một hệ thống OFDM dùng bộ lọc.

Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số sang

dạnh sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ. Trong OFDM loại bỏ

hiệu quả một số búp sóng trên tín hiệu OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc

vào dạng bộ lọc được sử dụng. Bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỷ lệ

cắt cao hơn nhiều so với bộ lọc tương tự. Do đó, chúng giúp ích nhiều trong việc hạn

chế băng thông vô ích của tín hiệu OFDM.

Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài,

làm méo dạng tín hiệu và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI.

 Độ phức tạp của tính lọc băng thông FIR

Việc sử dụng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các

búp sóng bên do các tín hiệu OFDM có dạng Sinc ở miền tần số. Để thực hiện bộ lọc

băng thông FIR, số tap cần thiết (số lượng nhánh của bộ lọc FIR) tương ứng với:

(2.8)

Ntaps: số tap (nhánh) của bộ lọc FIR.

Wt: độ rộng quá độ của cửa sổ dùng để chế tạo bộ lọc FIR.

NFFT: kích thước FFT để tạo tín hiệu.

Ft: độ rộng quá độ của bộ lọc chuẩn hóa cho khoảng cách tải phụ.

Ceil: phép làm tròn về phía lớn hơn.

Hình 2.9 mô tả đặc tuyến của bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị ft khác

nhau. Ta thấy ft càng nhỏ thì tác dụng cắt càng hiệu quả.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 22

Hình 2.8 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser β=3.4

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

Trong miền thời gian, symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy

giảm dạng sinc trong miền tần số. Và nếu sử dụng bộ lọc băng thông áp dụng đến tín

hiệu OFDM thì dạng sóng tín hiệu trong tần số sẽ có dạng hình chữ nhật và suy giảm

trong miền thời gian sẽ có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này gây thêm

nhiễu ISI giữa các symbol OFDM làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật.

Ta có thể loại bỏ nhiễu ISI do bộ lọc gây ra bằng việc dùng khoảng bảo vệ có độ

dài thích hợp một cách dễ dàng. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 23

khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CHƯƠNG III. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

3.1. MỞ ĐẦU

Bất kỳ một hệ thống viễn thông nói chung nào cũng đều cần có khâu đồng bộ

giữa tín hiệu bên phát và tín hiệu bên thu để kỳ vọng có thể thu được tín hiệu đúng như

tín hiệu gốc ban đầu. Đồng bộ càng chính xác thì hiệu năng của hệ thống càng cao.

Đặc biệt, nhược điểm của hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM là dễ bị ảnh

hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là lỗi đồng bộ tần số do mất tính trực giao giữa các

sóng mang phụ thì vấn đề đồng bộ càng là một vấn đề quan trọng cần xem xét.

Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn các lỗi gây ra sự mất đồng bộ và các phương pháp

xử lý chúng: đồng bộ kí tự (symbol) để nhận biết khung; đồng bộ tần số lấy mẫu để

điều chỉnh sai số lấy mẫu; đồng bộ tần số sóng mang để sửa chữa khoảng dịch tần số.

Chúng ta sẽ xem xét thêm ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến hiệu suất của hệ thống.

3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

Đồng bộ là nhiệm vụ cơ bản của mỗi hệ thống thông tin số nói chung và hệ thống

OFDM nói riêng. Hệ thống OFDM có nhiều lợi ích trong việc sử dụng hiệu quả phổ

tần nhờ tính trực giao của các sóng mang con và điều chế thích nghi như đã trình bày.

Tuy nhiên chính những đặc điểm này lại làm cho hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM

đặc biệt dễ dàng bị ảnh hưởng lỗi do đồng bộ, lỗi vì sự sai lệch tần số, ảnh hưởng của

hiệu ứng Doopler khi di chuyển, gây ra nhiễu giao tần số ICI.

Một hệ thống OFDM sẽ không thể thực hiện tốt nếu không có sự đồng bộ chính

xác. Như chúng ta đã biết, tín hiệu OFDM là tổng hợp của các sóng mang phụ trực

giao với nhau, và ta chỉ có thể thu được tín hiệu chính xác khi có các sóng mang đó

vẫn còn tính trực giao. Các sóng mang này chỉ hoàn toàn trực giao khi bên phát và bên

thu sử dụng những tần số hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, bộ dao động ở bên phát và

bên thu sẽ không thể hoạt động ở cùng một tần số như nhau được. Hơn nữa với việc

thực hiện truyền thông vô tuyến thì dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn thì các

sóng mang con sẽ khó còn đảm bảo tính trực giao. Ngoài ra, vì quá trình điều chế và

xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng kí tự không còn

chính xác. Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng.

Vậy, nếu các đồng hồ tần số lấy mẫu ở phía phát và phía thu hoạt động chính xác

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 24

thì khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng thời gian symbol là những yếu tố chính

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

ảnh hưởng đến sự mất đồng bộ. Khoảng dịch tần số sóng mang gây ra nhiễu ICI và độ

dịch khoảng thời gian gây ra nhiễu ISI.

Tổng quát, một quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM sẽ phải qua 3 bước như

hình 3.1:

- Nhận biết khung: tìm ra điểm đầu của khung OFDM.

- Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE: nhằm bù lại sự thay đổi về tần số

ở phía thu.

- Bám đuổi lỗi thặng dư FOE (Frequency Offset Estimation): sửa lỗi sai pha tín

hiệu.

Bám Nhận Ước Ước lượng Giải FFT đuổi biết lượng khoảng mã pha khung kênh dịch tần

Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM

Quá trình nhận biết khung được thực hiện bằng cách sử dụng chuỗi PN vi phân

miền thời gian. Để ước lượng khoảng dịch tần số, cần sử dụng mối tương quan trong

miền thời gian của các symbol pilot hoặc các khoảng tiền tố lặp CP. Sự dịch pha do

ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa

pha số (DPLL).

3.2.1 Nhận biết khung

Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các kí hiệu OFDM. Bằng việc sử

dụng sự tương quan giữa những phần tín hiệu OFDM được lặp lại để tạo ra một sự

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 25

định thời ổn định.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Ta giả sử luồng dữ liệu như hình bên dưới:

Điểm S Điểm F

Symbol Pilot

Symbol Data

Hình 3.2 Nhận biết khung truyền

Ở đây có 2 điểm ta cần phải tìm ra để thực hiện kỹ thuật đồng bộ là điểm S và

điểm F. Điểm S là điểm đầu của khung đầu tiên của luồng dữ liệu thu được. Trước

điểm S là nhiễu của kênh vô tuyến do lúc này chưa phát dữ liệu. Điểm F là điểm giáp

ranh giữa các khung OFDM. Do sự sai lệch xung dao động giữa bên phát và bên thu

và ảnh hưởng của nhiễu gây nên sự sai lệch về thời gian giữa 2 bên. Để đảm bảo toàn

vẹn dữ liệu thì cần phải đồng bộ nhiều lần trong khi phát và thu dữ liệu, tức tìm ra các

điểm F.

Để nhận biết khung, người ta sử dụng chuỗi PN (Pseudo Noise) miền thời gian

được mã hóa vi phân. Chuỗi PN được phát như là một phần đầu của symbol OFDM.

Loại chuỗi PN thường được sử dụng là chuỗi có độ dài (hay chu kỳ) cực đại còn gọi là

m-sequence (chuỗi m). Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có cấu hình

Fibonacci hay Galois (hai cấu hình này về mặt toán học thì tương đương nhau), được

hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của thanh ghi tham

gia hay không vào mạch hồi tiếp. Đa thức sinh là một đa thức nguyên thủy (primitive

polynomial), khi đó chuỗi chip lối ra sẽ là một chuỗi PN có chu kỳ lặp lại lớn nhất, là N = 2m - 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi.

Một đặc điểm cơ bản của chuỗi m là có hàm tự tương quan dạng thumb-nail. Tức

là khi chuỗi PN tính tương quan với một phiên bản của chính nó thì nếu 2 chuỗi này

trùng khít nhau sẽ có giá trị tương quan đạt đỉnh (cực đại), còn nếu lệch pha nhau quá

độ rộng 1 phần tử của chuỗi thì giá trị tương quan sẽ xấp xỉ 0. Nhờ đặc điểm tự tương

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 26

quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN phía phát khi

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

đồng bộ với phía thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan

sát đỉnh tương quan.

Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN

Điểm mấu chốt là việc nhận biết khung được thực hiện trước khi ước lượng

khoảng dịch tần số nên sai lệch pha không được bù giữa các mẫu tín hiệu, khoảng dịch

tần số sẽ phá vỡ tính tương quan chuỗi PN.

Ở đây, thuật toán để nhận biết đỉnh là sử dụng một bộ đệm có kích thước cố

định, lưu các giá trị Metric định thời |M(g)|. Ta nhận biết khung thành công khi

- Phần tử trung tâm của bộ đệm là lớn nhất

- Tỷ lệ giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất

định.

Metric định thời M(g) được biểu diễn:

(3.1)

Trong đó, y(i): tín hiệu thu.

g: khoảng dịch cửa sổ trượt.

d(i): chuỗi PN dùng để thực hiện đồng bộ.

N: chiều dài chuỗi PN.

Do tính tương quan bị phá vỡ nên sự phân phối đỉnh tương quan có dạng Sin

nên chuỗi PN được điều chế vi phân trên những tín hiệu lân cận. Tại phía thu, tín hiệu

được giải mã vi phân và tính tương quan với chuỗi PN đã biết.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 27

3.2.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Khoảng dịch tần số (FOE) là lỗi gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía

phát và phía thu. Đây là vấn đề lớn nhất cần giải quyết trong khâu đồng bộ tín hiệu

OFDM, bởi tín hiệu OFDM chỉ có thể thu được chính xác, tin cậy khi các sóng mang

phụ vẫn đảm bảo tính trực giao với nhau.

Ước lượng khoảng dịch tần số dựa vào những khoảng dữ liệu được phát đi giống

nhau và với việc dựa tính chất của phép tương quan để ước lượng. Ví dụ các pilot cách

nhau đều đặn nếu chèn theo một quy luật cố định, các khoảng tiền tố lặp cách nhau

đều đặn một khoảng thời gian T (bằng chiều dài symbol FFT) thì sẽ giống hệt nhau và

chỉ khác nhau thừa số pha do chính sự sai lệch gây nên .

Để xác định khoảng dịch tần số, người ta phân khoảng dịch ra thành phần nguyên

và phần thập phân:

(3.2)

Trong đó, A : phần nguyên

ρ : phần thập phân thuộc (-1/2 ; 1/2)

Phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tín hiệu

cách nhau một khoảng thời gian T. Phần nguyên được tìm bằng cách sử dụng chuỗi

PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ.

3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân

Khi không có nhiễu ISI, các mẫu tín hiệu thu được biểu diễn:

(3.3)

Trong đó, l : chỉ số mẫu (miền thời gian).

y(l) : mẫu tín hiệu thu.

N : tổng số sóng mang phụ.

z(l) : nhiễu.

Tín hiệu s(l) được biểu diễn như sau:

(3.4)

Trong đó, k : chỉ số sóng mang phụ (miền tần số).

U(k) : dữ liệu điều chế trên sóng mang phụ.

C(k) : đáp ứng tần số sóng mang phụ.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 28

Tính tương quan giữa các mẫu cách nhau khoảng T (tức N mẫu) ta có:

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

(3.5)

Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau:

(3.6)

Nếu SNR cao và bỏ qua mọi xuyên nhiễu như (3.4). J có thể được triển khai sắp

xếp lại thành phần tín hiệu và phần nhiễu Gaussian. Định nghĩa phần lỗi ước lượng

phần thập phân:

(3.7)

Độ lệch chuẩn được tính như sau:

(3.8)

3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên

Đối với ước lượng phần nguyên, 2N mẫu tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài

là phần thập phân đầu tiên được bù:

Giả sử sự ước lượng phần ước lượng thập phân là hoàn hảo, các mẫu tín hiệu

được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT:

Vector ρ có các thành phần:

,

Vì hai ký hiệu FFT có cùng vector tín hiệu, một ký hiệu FFT mới có thể được tạo

ra bằng cách cộng chúng với nhau để tăng SNR lên gần 3dB, tức là:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 29

Sử dụng y/2 và nhiễu cùng tỷ lệ theo đó. FFT cho y/2:

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

= { U(k) C(k)} + Z(n)

Một chuỗi PN được mã hóa vi phân qua các sóng mang phụ lân cận để ước lượng

xoay quanh phần nguyên A. Giải mã vi phân các Y(n) rồi tính tương quan giữa kết quả

với các phiên bản xoay vòng của chuỗi PN ta sẽ tìm được một đỉnh biên độ duy nhất

xác định A.

3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư

Xét một hệ thống OFDM với một chu kỳ kí hiệu: TS= Tg+T hoặc NS=Ng+N biểu

diễn số mẫu tín hiệu.

Tg : chiều dài khoảng bảo vệ.

T : chiều dài FFT.

Thừa số pha của khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu

OFDM được biểu diễn:

(3.9)

Trong đó, m : chỉ số symbol,

l : chỉ số mẫu.

A : phần nguyên khoảng lệch tần số.

𝜌 : phần thập phân khoảng lệch tần số.

Nếu cho FOE đúng, khi đó thừa số pha sau khi bù khoảng dịch tần số là:

(3.10)

: phần lỗi ước lượng phần thập phân.

.

Giá trị gây ra lỗi pha do sai số lấy mẫu,

còn số hạng gây ra nhiễu ICI do sai số tần số sóng mang.

Tín hiệu sau biến đổi FFT được biểu diễn:

(3.11)

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 30

Lỗi pha do sai số lấy mẫu ( ) tăng tuyến tính trên các symbol.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Có thể bám đuổi lỗi pha bằng cách dùng vòng khóa pha số DPLL. Hàm truyền

đạt của DPLL là:

(3.12)

Trong đó, : hệ số tắt dần

: tần số của DPLL

3.3. ĐỒNG BỘ KÍ TỰ

Đồng bộ kí tự cũng chính là đồng bộ thời gian vì nó khắc phục được lỗi thời

gian. Nhiệm vụ của đồng bộ kí tự là phải xác định được thời điểm kí tự bắt đầu. Hiện

nay với việc sử dụng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) thì việc đồng bộ kí tự trở nên dễ

dàng hơn nhiều.

Hai yếu tố cần quan tâm khi thực hiện đồng bộ kí tự là lỗi thời gian và nhiễu pha

sóng mang.

Lỗi thời gian và thực hiện đồng bộ

Lỗi thời gian gây ra do sự sai lệch trong việc lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi

nhịp và lỗi định thời do symbol tự gây ra do sự sai lệch thời gian thời điểm bắt đầu kí

tự thu. Dù đồng hồ lấy mẫu có độ chính xác cao thế nào đi nữa thì vẫn sẽ có sai số và

gây ra lỗi về thời gian lấy mẫu.

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu của ký tự thu

được. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong thời

khoảng của thành phần CP trong tín hiệu OFDM thì nó sẽ không gây ảnh hưởng đến

chất lượng hệ thống. Trong trường hợp ngược lại, nếu lỗi thời gian lớn hơn thời

khoảng của CP, nhiễu ISI sẽ xảy ra. Khi đó, yêu cầu về đồng bộ phải chặt chẽ hơn.

Có 3 phương pháp thực hiện đồng bộ kí tự là đồng bộ dựa vào tiền tố lặp CP, dựa

vào pilot và đồng bộ khung dựa trên mã đồng bộ khung.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 31

3.3.1. Đồng bộ kí tự dựa vào tiền tố lặp CP

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Copy

Khoảng

Khoảng

Nsymbol

copied

bảo vệ

IFFT IFFT

NIFFT

Giống nhau CP

Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ

Hình 3.4 cho ta thấy đặc điểm cấu trúc 1 khung OFDM, đó là sử dụng một

khoảng tín hiệu copy từ cuối kí hiệu OFDM lên đầu kí hiệu. Khoảng tín hiệu này vừa

có chức năng cơ bản là làm khoảng bảo vệ chống nhiễu ISI vừa có chức năng đóng vai

trò giúp thực hiện đồng bộ kí tự. Từ đây ta có những thuật toán tương tự nhau giúp cho

việc đồng bộ kí tự.

Copy Copy

Điểm đầu khung

Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu

Hình 3.5 chỉ ra những phần tín hiệu giống nhau của luồng dữ liệu và có thể sử

dụng nó để thực hiện đồng bộ.

 Lý thuyết về các hàm tương quan của các quá trình xác suất

Hàm tương quan đánh giá sự tương quan (có thể hiểu là sự liên hệ với nhau, so

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 32

sánh sự tương tự, giống nhau đến mức nào) của 2 quá trình xác suất.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

- Định nghĩa hàm tương quan chéo của 2 quá trình xác suất

(3.13)

- Hàm tự tương quan của một quá trình xác suất

(3.14)

Tính chất của hàm tự tương quan:

(3.15)

(3.16)

(3.17)

Trong đó, E[x]: kỳ vọng của biến ngẫu nhiên x.

mx: momen bậc 1 của biến ngẫu nhiên x là kỳ vọng của biến xác suất đó.

- Hệ số tự tương quan

: phương sai của biến ngẫu nhiên x.

(3.18)

- Hệ số tương quan chéo

(3.19)

Hai quá trình được gọi là không tương quan nếu hệ số tương quan chéo của

chúng bằng 0. Hai quá trình độc lập xác suất thì bao giờ cũng không tương quan.

Trường hợp ngược lại không luôn luôn đúng.

Mỗi quan hệ giữa mật độ phổ năng lượng và hàm tự tương quan của một quá

trình xác suất

 Đồng bộ dựa vào tính tương quan

Theo đặc tính của hàm tương quan chéo là một hàm số đánh giá sự tương quan,

sự giống nhau của 2 mẫu tín hiệu được đem ra so sánh. Nếu 2 chuỗi tín hiệu này càng

giống nhau thì giá trị đỉnh tương quan của phép nhân tương quan chéo này càng lớn.

Đó là khi 2 chuỗi tín hiệu giống hoàn toàn nhau và phép nhân tương quan chéo trở

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 33

thành tự tương quan.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Do đó ta sẽ thực hiện nhân tương quan chuỗi số có độ dài đúng bằng chiều dài

chuỗi bảo vệ. Ta sử dụng 1 cửa sổ trượt có chiều dài bằng chiều dài chuỗi bảo vệ thì

khi cửa sổ nằm đúng tại điểm đầu khung OFDM ta sẽ đạt được đỉnh tương quan lớn

nhất. Bằng cách đi tìm đỉnh lớn nhất này ta sẽ xác định được điểm đầu khung dữ liệu.

Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng 1 bộ đệm có kích thước cố định để lưu kết quả

tính toán tạm thời là giá trị các đỉnh tương quan khi cho cửa sổ trượt trong khi thu tín

hiệu. Sự nhận biết khung thành công khi:

- Phần tử trung tâm của bộ 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.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 34

(3.20)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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.

3.3.2. 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.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 35

Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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.

3.3.3. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 36

FSC cho đồng bộ khung symbol và vùng dữ liệu cho truyền dẫn symbol OFDM.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

F

data S data GI GI data data GI GI

C

Dữ liệu truyền

Khung đồng bộ

Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC

Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM như sau:

(3.21)

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:

(3.22)

Trong đó, : Độ dài bit của FSC. CL

: Chuỗi các mẫu của symbol OFDM thứ m trong miền thời gian khi sm(n)

không thêm GI.

: Symbol truyền dẫn phức thứ m trong miền tần số. xm(k)

: Số sóng mang con.

N 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 37

phát để hạn chế khoảng dịch DC và duy trì một mức cố định cho dải động.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 38

đa đường là rất khó.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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:

(3.23)

: 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 39

là đã nhận biết nhiễu chính là FSC, gọi là xác suất dự phòng sai PF.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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.

3.4. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 40

vô tuyến, là môi trường có điều kiện xấu và bất ổn nhất nên chắc chắn các sóng mang

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

sẽ phải chịu ảnh hưởng từ đó và dẫn đến sự sai khác về tần số sóng mang và gây ra

mất đồng bộ.

3.4.1 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:

(3.24)

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:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 41

Với N >>:

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Với ∆S <<:

(3.25)

Trong đó, k là các sóng mang con, l sóng mang con đang xét.

xk vị trí sóng mang thứ k.

3.4.2 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 42

(3.26)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Qua công thức (3.26) 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).

Loại bỏ CP và Tín hiệu A/D và S/P P/S thực hiện FFT cao tần

Số e-j(2𝜋(fc-∆ffrac)t+𝜃)

liệu

ra Phát hiện độ lệch Dao động tại f=f(∆ffrac) tần số sóng mang chỗ có PLL

∆ffrac (VCO)

Xử lý số

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.

3.4.2.1 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.

a) 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 43

trong khoảng từ 0 tới (N.Tc) (Tc là độ rộng một chip), do vậy khả năng rất cao là sai

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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).

b) 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).

3.4.2.2 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 44

mang dựa vào khoảng CP này.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CP CP

Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp 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:

(3.27)

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:

(3.28)

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:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 45

(3.29)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Trong đó, là phép lấy phần nguyên, làm tròn xuống.

3.4.2.3 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:

(3.30)

Ta có thể tách hai phần sau khi qua FFT:

=

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 46

Hàm ước lượng:

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CP

Hình 3.16 Khung OFDM

Giá trị chỉ thỏa mãn ước lượng khi , khi phải được thực

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 47

hiện tại một giả định ban đầu.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

3.4.3. 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

Độ suy giảm SNR (dB)

Loại/ lượng lỗi đồng bộ 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 D ≈ 10 log mang phụ thứ n

Không đáng kể Lỗi thời gian

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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 48

OFDM chịu được lỗi thời gian vì có khoảng bảo vệ giữa các symbol miễn là

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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 tạo 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.

3.5. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 49

hơn cho thực tế.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDMA

4.1. 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.

4.2. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 50

nghệ mạng 802.16e (WiMAX di động), 3G LTE,..

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Hình 4.1 OFDM

Hình 4.2 ODFMA

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.

4.2.1. Các giao thức OFDMA

4.2.1.1 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.

4.2.1.2. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 51

mang con truyền thông UL và DL cho MS thì MS cũng phải hiểu các burst profile

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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.

4.2.1.3. 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.

4.2.2 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 52

đồng bộ.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

- 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 53

OFDM

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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.

Hình 4.5 Mô hình 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 54

động cho thông lượng.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

4.2.3 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

Hình 4.7 mô tả một ví dụ về bảng tần số thời gian của OFDMA, trong đó có 7

biệt những người dùng khác nhau.

người dùng từ a đến g và mỗi người sử dụng một phần xác định của các sóng mang

phụ có sẵn.

Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA

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 được 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-

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 55

MAI). Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 56

dụng để đánh giá và cân bằng kênh.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

- 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.

4.2.4 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.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 57

- Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

- 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

4.3. 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:

(4.1)

(4.2)

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:

(2.3)

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:

(4.4)

Trong đó: θ0 : góc pha ban đầu.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 58

ϑ(n) : là giá trị trung bình của nhiễu trắng với phương sai

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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:

(4.5)

Với, P(d) là giá trị tổng của biểu thức nhân tương quan giữa các mẫu CP với các

mẫu ở cuối kí hiệu:

(4.6)

N : số mẫu trong kí hiệu thu.

R(d) ước lượng năng lượng của N mẫu đang xét ở phía thu:

(4.7)

Đặt

(4.8)

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 (4.6):

(4.9)

Giá trị độ lớn của P(d) sẽ là:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 59

(4.10)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

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:

(4.11)

Giá trị trung bình Mean của |P(d)|

(4.12)

Trong đó, PI(d) là P(d) đối với kênh lý tưởng không có nhiễu và không có sự lệch

tần số.

(4.13)

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:

(4.14)

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:

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 60

(4.15)

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

Cuối cùng ta sẽ thu được biểu thức:

(4.16)

- Giá trị trung bình của R(d)

(4.17)

- Phương sai của R(d)

(4.18)

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:

(4.19)

Phương sai của giá trị Metric đối với các kênh lựa chọn tần số:

(4.20)

Trong đó,

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã giới thiệu cho ta thấy được đăc tính của OFDMA và những

ưu điểm vượt trội của nó so với OFDM. OFDMA có thể tạo kênh phụ sẽ xác định các

kênh để có thể gán cho các thuê bao khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và

các yêu cầu dữ liệu của chúng. Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt

hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài

nguyên hiệu quả hơn. Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời

gian để phát, nhưng chỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian

duy nhất. Trong OFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 61

cùng một thờ gian qua các kênh con được gán cho chúng.

Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

KẾT LUẬN CHUNG

Xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông tin vô tuyến tương lai hứa hẹn 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 hình 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 … Đồng thời

em cũng trình bày về kỹ thuật OFDMA và cũng nghiên cứu về đồng bộ của nó. 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

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A

Trang 62

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”.

Trang ix

[5] www.doc.edu.vn

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

..................................................................................................................

Trang x