Tài liệu Hiệu quả của mẫu pilot cho ước lượng kênh truyền dẫn ofdm

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HƯỜNG HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT CHO ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN DẪN OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Hà Nội – 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HƯỜNG HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT CHO ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN DẪN OFDM Ngành : Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ: Công nghệ Điện tử - Viễn thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.NGUYỄN QUỐC TUẤN Hà Nội – 2012 3 MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 1 2. Mục đích của luận văn .............................................................................. 1 3. Bố cục của luận văn .................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. KỸ THUẬT OFDM .................................................................... 3 1.1. Giới thiệu chƣơng .................................................................................. 3 1.2. Nguyên tắc cơ bản của OFDM ............................................................... 3 1.2.1. Nguyên tắc cơ bản .................................................................................... 3 1.2.2. Hệ thống OFDM ....................................................................................... 5 1.3. Tính trực giao ......................................................................................... 6 1.4. Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM ............................................................ 7 1.5. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang.............................. 8 1.5.1. Khái niệm ................................................................................................. 8 1.5.2. Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu .................................................... 8 1.6. Hoạt động của kênh vô tuyến ............................................................... 11 1.6.1. Tổng quan .............................................................................................. 11 1.6.2. Hiệu ứng đa đƣờng ................................................................................. 15 1.6.3. Dịch tần Doppler .................................................................................... 18 1.6.4. Nhiễu AWGN ......................................................................................... 18 1.7. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM ......................................................... 19 1.7.1. Ƣớc lƣợng tham số kênh ......................................................................... 19 1.7.2 Đồng bộ trong OFDM ............................................................................. 20 1.7.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) ........................................... 22 1.8. Ƣu khuyết điểm của OFDM ................................................................. 23 1.8.1. Ƣu điểm.................................................................................................. 23 4 1.8.2. Khuyết điểm ........................................................................................... 23 1.9. Ứng dụng OFDM cho mạng 4G ........................................................... 24 1.9.1. Lộ trình tiến lên 4G ................................................................................ 24 1.9.2. Các hệ thống thông tin di động hiện đại WCDMA/HSDPA/HSUPA ...... 27 1.9.3. Tƣơng lai phát triển của OFDM .............................................................. 29 1.10. Tổng kết chƣơng ................................................................................ 32 CHƢƠNG 2. ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM VÀ HIỆU QUẢ CỦA MẪU PILOT ................................................................................ 33 2.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 33 2.2. Ƣớc lƣợng và cân bằng kênh ................................................................ 33 2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 33 2.2.2. Ƣớc lƣợng kênh ...................................................................................... 33 2.2.3. Cân bằng cho hệ thống OFDM .............................................................. 34 2.3. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh ........................................................ 36 2.3.1. Ƣớc lƣợng kênh dùng tín hiệu Pilot (Pilot-Aided Channel Estimation PACE) .............................................................................................................. 36 2.3.2. Ƣớc lƣợng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Estimation - DDCE) . 36 2.3.3. Ƣớc lƣợng kênh bằng phƣơng pháp mù (Blind/Semi-Blind Channel Estimation -BCE) ............................................................................................. 36 2.4. Phƣơng pháp sử dụng pilot ................................................................... 36 2.4.1. Sắp xếp các nhóm pilot ........................................................................... 42 2.4.2. Ƣớc lƣợng kênh có quyết định hồi tiếp ................................................... 42 2.4.3. Sắp xếp pilot theo hình răng lƣợc............................................................ 43 2.4.5. Kỹ thuật nội suy ..................................................................................... 44 2.4.6. Nội suy thông thấp .................................................................................. 45 2.4.7. Nội suy trong miền thời gian .................................................................. 45 2.5. Ƣớc lƣợng kênh sử dụng bộ lọc ............................................................ 45 2.5.1. Ƣớc lƣợng kênh sử dụng bộ lọc 2D ........................................................ 45 2.5.2. Ƣớc lƣợng kênh sử dụng bộ lọc 2x1D .................................................... 45 2.5.3. Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh một chiều (1D) ................................................ 49 2.6. Kết luận ................................................................................................ 51 CHƢƠNG III. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ ......................................................... 52 3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 52 5 3.2. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 52 KẾT LUẬN……………………………………………………………… ... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 57 6 DANH MỤC VIẾT TẮT BCE Blind/Semi-Blind Channel Estimation Ƣớc lƣợng kênh bằng phƣơng pháp mù CDMA Code Division Multiple Access CP DAB Cyclic Prefix Đa truy cập phân chia theo mã Tiền tố lặp Các hệ thống phát thanh DDCE Decision-Directed Channel Estimation Digital Video Boadcasting –Terrestrial Ƣớc lƣợng kênh đệ quy Frequency Division Multiple Access. DVB–T FDMA Digital Audio Broadcasting Truyền hình số quảng bá ICI LAN Inter-carrier Interference Wireless Local Area Network Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số Sóng mang lân cận Mạng không dây LS Least-Squared Bình phƣơng tối thiểu MMSE Minimum Mean Squared Error Tối thiểu sai lỗi trung bình bình phƣơng OFDM Orthogonal Multiplexing PACE Pilot-Aided Channel Estimation PAPR Peak to Average Power Ratio PLL Phase Lock Loop Pilot signal assisted Modulation PSAM TDMA Frequency Time Division Mutiple Access Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Ƣớc lƣợng kênh dùng tín hiệu Pilot Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Vòng khóa pha Tín hiệu dẫn đƣờng Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM ...................................................... 4 Hình 1.2. ........................................................................................................... 4 a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang ..................................... 4 b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang ............................................ 4 Hình 1.3. Sơ đồ một hệ thống OFDM .............................................................. 5 Hình 1.4. Phổ của các sóng mang trực giao ...................................................... 7 Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang trực giao ...................................................... 9 Hình 1.6. Phổ của bốn sóng mang không trực giao ......................................... 10 Hình 1.7. Ảnh hƣởng của ISI ......................................................................... 10 Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống............................................... 11 Hình 1.9. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix .................................................. 11 Hình1.10. Các ảnh hƣởng của môi trƣờng lên sự truyền sóng ......................... 12 Hình 1.11. Mô hình kênh truyền ..................................................................... 13 Hình1.12. Phân loại kênh truyền ..................................................................... 15 Hình 1.13. Tín hiệu đa đƣờng ......................................................................... 15 Hình 1.14. Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển ............................. 16 Hình 1.15. Trải trễ đa đƣờng ........................................................................... 17 Hình 1.16. Lộ trình tiến lên 4G. ...................................................................... 24 Hình 1.17. Tƣơng lai phát triển của OFDM. ................................................... 29 Hình 2.1. Tín hiệu bị méo dạng do kênh truyền .............................................. 34 Hình 2.2. Các pilot trong miền thời gian và tần số .......................................... 37 Hình 2.3. Các dạng pilot thông dụng (802.11, 802.16, DVB_T,…) ................ 39 Hình 2.4. Hệ thống OFDM cơ bản ................................................................. 40 Hình 2.5. Pilot đƣơc sắp xếp một cách đều đặn theo hình răng lƣợc ............... 44 Hình 2.6. Ƣớc lƣợng kênh Pilot 2x1D ............................................................ 48 Hình 3.1. Giản đồ chòm sao với hệ thống OFDM ........................................... 52 Hình 3.2. Giản đồ chòm sao với ƣớc lƣợng kênh theo luật LS ........................ 53 8 Hình 3.3. Giản đồ chòm sao với ƣớc lƣợng kênh theo luật MMSE ................. 54 Hình 3.4. Giản đồ so sánh ƣớc lƣợng kênh theo luật LS v à MMSE ............... 55 9 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh ................................. 16 Bảng 1.2. Các giá trị trải trễ thông dụng ......................................................... 18 Bảng 1.3. Các mạng di động hiện đại.............................................................. 28 Bảng 1.4. Các hệ thống di động trong tƣơng lai .............................................. 31 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) là một kỹ thuật truyền đồng thời tập hợp những sóng mang trực giao với nhau. Kỹ thuật OFDM đƣợc biết đến cách đây khoảng 40 năm nhƣng mới đƣợc ứng dụng rộng rãi những năm gần đây. Những sản phẩm ứng dụng kỹ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide interoperationability for Microwaves Access), WLAN (WirelessLocal Area Network) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital VideoBroadcasting). OFDM là có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống đƣợc nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, chống đƣợc fading chọn lọc tần số. Do đó OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao. Tuy nhiên để có thể đem vào áp dụng thì ƣớc lƣợng kênh truyền là một trong các vấn đề cần phải đƣợc giải quyết. Trong ƣớc lƣợng kênh truyền tín hiệu pilot chiếm vai trò quan trọng. Vì vậy em đã chọn đề tài “Hiệu quả của mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh truyền dẫn OFDM” để nghiên cứu cho luận văn của mình. 2. Mục đích của luận văn Luận văn tìm hiểu về kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Trong đó, luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả của mẫu Pilot. 3. Bố cục của luận văn Luận văn chia làm 3 chƣơng : Chương 1: Kỹ thuật OFDM Trong chƣơng này sẽ lần lƣợt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng mô hình hệ thống. Chương 2: Ước lượng kênh truyền trong OFDM và hiệu quả của mẫu Pilot Trong chƣơng này sẽ trình bày về kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống OFDM , từ đó đƣa ra hiệu quả của mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh. Chương 3: Mô phỏng kết quả 2 Trong chƣơng này sẽ mô phỏng kết quả đạt đƣợc của hiệu quả mẫu Pilot cho ƣớc lƣợng kênh truyền dẫn OFDM và đƣa ra hƣớng phát triển của đề tài trong tƣơng lai. 3 CHƢƠNG 1. KỸ THUẬT OFDM 1.1. Giới thiệu chƣơng Trong hệ thông tin vô tuyến cần thiết phải có sóng mang cao tần để truyền thông tin. Các kỹ thuật điều chế cho phép bố trí dữ liệu trên sóng mang. Các hệ thống thông tin một tần số hạn chế tốc độ dữ liệu và hạn chế về dung lƣợng. Để giảm nhiễu thì các phƣơng pháp phát tín hiệu tƣơng tự trƣớc đây nhƣ AM, FM cần thiết phải tăng công suất máy phát, băng tần rộng hiệu quả sử dụng băng tần thấp. Đa phân chia để chia sẻ độ rộng băng tần với nhiều kênh dữ liệu độc lập khác nhau. Năm 1980 trung tâm nghiên cứu của Pháp (tập đoàn Telecom) CCETT (Centre Commun d'Étude en Dédiufftion ét Télécommunication), đƣa ra phƣơng pháp mới để truyền tín hiệu số mà vẫn tiết kiệm đƣợc băng tần đó là OFDM. OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia toàn bộ băng tần ra thành nhiều sóng mang nhánh mà các sóng mang này phải trực giao. Ngày nay, kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB–T (Digital Video Boadcasting –Terrestrial). OFDM còn là giải pháp kỹ thuật đƣợc đề cử cho các chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network). Do vậy, trong chƣơng này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM, nguyên tắc cơ bản của OFDM, tính chất trực giao trong OFDM, nhiễu ISI và ICI, thuật toán FFT/IFFT, các vấn đề kỹ thuật và xây dựng mô hình hệ thống OFDM. 1.2. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 1.2.1. Nguyên tắc cơ bản [9] Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N chuỗi con song song (1,2,…, N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời. Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier 4 Interference). Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 1.1 f Phổ của tín hiệu FDM Tiết kiệm băng thông f Phổ của tín hiệu OFDM Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM [9 ] Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hƣởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều đƣợc giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu. f f Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ƣu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hƣởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.2a). Nhƣng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hƣởng (Hình 1.2b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phƣơng pháp mã hoá sửa sai. 5 1.2.2. Hệ thống OFDM Nhiễu Hình 1.3. Sơ đồ một hệ thống OFDM Sơ đồ hệ thống OFDM đƣợc cho nhƣ hình 1.3. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P đƣợc biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu đƣợc một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk. Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT: j2 1 N 1 D k .e Nk 0 d n (do k n N fk n fs f k nTs k n N j2 f t 1 N 1 k n D k .e Nk 0 (1.1) f k t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng mang) Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian. y ( n) Re{d[n]} 1 N N 1 Re{( Ak jBk ).(cos2 f k t n jsin2 f k t n )} k 0 1 N N 1 ( Ak cos 2 f k t n k 0 Bk sin2 f k t n ) (1.2) 6 Các mẫu y(n) này đƣợc chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), đƣợc khuếch đại, đƣa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền. y(t ) 1 N N 1 ( Ak cos2 f k t Bk sin2 f k t ) (1.3) k 0 Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. Ở máy thu, ta làm quá trình ngƣợc lại: Tín hiệu OFDM đƣợc đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi đƣợc đƣa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu N 1 Dk d n .e k n N j2 (1.4) n 0 1.3. Tính trực giao Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin đƣợc truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại đƣợc hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con đƣợc chồng lắp với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu đƣợc gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện. TS S (t).S* (t)dt i j K i 0 j i j (1.5) với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: f k (t) sin(2 0 với k = 0, 1, …, N-1 k t) TS 0  t  TS t (0, TS ) (1.6) 7 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng FS 1 và trực giao TS từng đôi một do thỏa điều kiện (1.5). Ta xét hai sóng mang Sin 2 TS k1 k t và Sin 2 2 t TS TS k k Sin 2 π 1 t .Sin 2 π 2 t dt TS TS 0 1 2 TS cos2 π k 1 k 2 0 t t cos2 π k 1 k 2 dt 0 (1.7) TS TS f Hình 1.4. Phổ của các sóng mang trực giao [9 ] Các sóng mang thuộc tập (1.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian đƣợc giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.4). Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau. 1.4. Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu đƣợc truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,....Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận đƣợc khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Nhằm giải quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT có vai trò giống nhƣ hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế. 8 Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là N 1 X (k ) x ( n )e j 2 Nkn , k = 0, 1, …, N-1 (1.8) n 0 - Công thức của phép biến đổi IDFT là N 1 x ( n) 1 N X ( k )e j 2 Nkn , k = 0, 1, …, N-1 (1.9) k 0 - Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (1.8), (1.9) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm: + Thời gian thực hiện phép nhân phức. + Thời gian thức hiện phép cộng phức. + Thời gian đọc các hệ số e j 2N . + Thời gian truyền số liệu. Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì ngƣời ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì ngƣời ta phải giảm đƣợc số lƣợng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT. Để tính trực tiếp cần N 2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là N log 2 N . Vì vậy tốc 2 2N . log 2 N Ngoài ra FFT còn có ƣu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. 1.5. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang [7] 1.5.1. Khái niệm Trong môi trƣờng đa đƣờng, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đƣờng khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trƣớc đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thƣờng đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trƣớc đó. 9 Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang trực giao Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhƣng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng zero. Máy thu lấy mẫu các ký tự data trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kế cận đƣợc xem là nhiễu xuyên kênh (ICI). Tính chất trực giao của sóng mang có thể đƣợc nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này tƣơng ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 1.5 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trƣờng hợp trực giao. Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ miền thời gian, tƣơng ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT. Hình 1.6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao. Biên độ 10 tần số Hình 1.6. Phổ của bốn sóng mang không trực giao ICI xảy ra khi kênh đa đƣờng khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đƣờng gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM. 1.5.2 Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu Phiên bản trễ của ký hiệu trƣớc Vùng bị ISI Ký hiệu trƣớc Ký hiệu hiện tại Hình 1.7. Ảnh hưởng của ISI Hình 1.7 cho ta thấy một ký hiệu và pên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ này gây ra nhiễu ảnh hƣởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI. 11 Chu kỳ ký hiệu Ký hiệu mong muốn Phiên bản trễ Khoảng bảo vệ Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống Để loại bỏ sự ảnh hƣởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trƣớc đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng rỗng do đó sẽ đƣợc chèn vào giữa hai ký hiệu (Hình 1.8), nhƣng nhƣ vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế ngƣời ta chèn khoảng bảo vệ ∆G đƣợc copy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó nhƣ hình 1.9. Khoảng bảo vệ này đƣợc gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần đƣợc hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhƣng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ đƣợc nhiễu ISI. Ở máy thu, khoảng bảo vệ này đƣợc loại bỏ trƣớc khi thực hiện giải điều chế Chu kỳ ký hiệu Ký hiệu mong muốn Cắt và dán Phiên bản trễ Khoảng bảo vệ Hình 1.9. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 1.6. Hoạt động của kênh vô tuyến 1.6.1. Tổng quan Trên thực tế, sóng vô tuyến truyền từ trạm phát (BS: base station) đến đầu thu di động (MS: mobile station) sẽ chịu tác động của rất nhiều yếu tố của