Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa zero forcing trong hệ thống mimo – ofdm đa người dùng di dộng

Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Nguyễn Lê Hùng đã hướng dẫn tận tình cho chúng em trong suốt thời gian làm đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa ĐT-VT đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức để em có thể hoàn thành được đồ án này. Tuy có sự quan tâm giúp đỡ tận tình Thầy và bản thân chúng em đã nỗ lực hết mình nhưng do khả năng về kiến thức cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót sai lầm là điều khó tránh khỏi, kính mong quí thầy cô cùng các bạn thông cảm và góp ý để đồ án được hoàn thiện. Đà Nẵng, ngày 25 tháng 05 năm 2011 Sinh viên thực hiện Trang 1 Lời cảm ơn Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA ZERO-FORCING TRONG HỆ THỐNG MIMO – OFDM ĐA NGƯỜI DÙNG DI DỘNG ” do tôi thực hiện, không phải là bản sao của bất kỳ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Đồ án này là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Qua đây, chúng tôi xin chân thành cảm ơn GVHD.TS.Nguyễn Lê Hùng đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng,Ngày 25 Tháng 5 Năm 2011 Sinh viên thực hiện Trang 2 Lời cảm ơn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 2 MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 6 DANH MỤC VIẾT TẮT ...................................................................................... 8 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM ....................................... 9 1.1. Giới thiệu chương ........................................................................................... 9 1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM ................................................................... 9 1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier) ................................................................... 13 1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier) ...................................................................... 14 1.5. Sự trực giao (Orthogonal) ............................................................................. 16 1.6. Mô tả toán học OFDM .................................................................................. 17 1.7. Các kỷ thuật điều chế trong OFDM .............................................................. 20 1.7.1. Điều chế BPSK ................................................................................. 20 1.7.2 Điều chế QPSK ................................................................................. 21 1.7.3 Điều chế QAM .................................................................................. 23 1.7.4 Mã Gray .............................................................................................. 25 1.8. Các đặc tính của OFDM ................................................................................ 26 1.8.1. Ưu điểm ............................................................................................ 26 1.8.2. Nhược điểm ....................................................................................... 27 1.9. Kết luận chương ............................................................................................ 27 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG LTE ................................ 28 2.1. Giới thiệu chương ......................................................................................... 28 2.2. Giới thiệu về công nghệ LTE ........................................................................ 28 2.3. Xu thế phát triển của LTE ............................................................................. 29 2.4. Kiến trúc miền thời gian toàn phần ............................................................... 29 2.5. Đương xuống của của LTE ........................................................................... 31 2.5.1. OFDMA ............................................................................................. 31 Trang 3 Lời cảm ơn 2.5.2. Tham số OFDMA .............................................................................. 33 2.5.3. Dữ liệu truyền đường xuống ............................................................. 35 2.6. Đường lên của LTE ....................................................................................... 36 2.7. Khái niệm về hệ thống MIMO ...................................................................... 38 2.8. Mô hình hệ thống MIMO .............................................................................. 38 2.9. Mô hình kênh truyền trong hệ thống thông tin không dây ........................... 40 2.10. Kết luận chương .......................................................................................... 44 Chương 3: Kỹ Thuật Tiền Mã Hóa Zero – Forcing Trong SDMA ............... 45 3.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 45 3.2. Giới thiệu về SDMA ..................................................................................... 45 3.3. Smart antennas and beamforming ................................................................. 46 3.4. Ước lượng SINR trong SDMA ..................................................................... 48 3.5. Kỹ thuật precoding ........................................................................................ 50 3.5.1. Giới thiệu về Precoding ..................................................................... 50 3.5.2. Zero-forcing pecoding ( ZF precoding ) ........................................... 53 3.5.2.1 Giới thiệu kỹ thuật ZF precoding .................................................... 53 3.5.2.2. Xây dựng kỹ thuật ZF precoding ................................................... 54 3.5.2.2.1. Mô hình tín hiệu phát .................................................................. 54 3.5.2.2.2. Mô hình lựa chọn kênh truyền .................................................... 54 3.5.2.2.3. Mô hình tín hiệu nhận ................................................................. 55 3.5.2.2.4. Thuật toán Zero-forcing precoding ............................................. 55 3.5.2.2.5. Thuật toán Greedy Scheduling .................................................... 56 3.6. Kết luận chương ............................................................................................ 57 Chương4: KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA ZERO-FORCING TRONG HỆ THỐNG MIMO .................................................................................................. 58 4.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 58 4.2. Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 58 4.2.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính ............................................... 58 4.2.2. Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cở sở .................................................. 60 Trang 4 Lời cảm ơn 4.2.3. Lưu đồ thuật toán tạo kênh truyền fading ......................................... 60 4.2.4. Lưu đồ thuật toán lựa chọn user và tính toán Sum-rate .................... 62 4.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 63 4.3.1. Khảo sát sum-rate khi thay đổi số user với user di chuyển với vận tốc 100 km/h và 400 km/h.......................................................................................... 63 4.3.2. Khảo sát thay đổi Sum – rate khi số anten phát thay đổi .................. 64 4.3.3. Khảo sát sum-rate theo số DPS – BEM và với user thay đổi với vận tốc 100km/h và 400km/h............................................................................................ 65 4.3.4. Khảo sát theo sự thay đổi vận tốc user .............................................. 66 4.4. Kết luận chương ............................................................................................ 67 4.5. Hướng phát triển đề tài.................................................................................. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 69 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 70 Trang 5 Lời cảm ơn LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba với công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng, Mặc dù các hệ thống thông tin di động thể hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trỡ thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE ( Long Term Evolution ). Các cuộc thử nghiệm và trình diển này đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE đã đến rất gần. Với LTE, người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch vụ thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu vv… với một tốc độ siêu tốc. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ 3 ( 3G ) và mạng di động thế hệ thứ tư ( 4G ). Xuất phát từ những mục tiêu muốn cải thiện khả năng nhận tín hiệu của máy thu, cải thiện hiệu suất sử dụng, dung lượng đường xuống của hệ thống, vì vậy em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TIỀN MÃ HÓA ZERO – FORCING TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ĐA NGƯỜI DÙNG DI ĐỘNG”. Để thực hiện đề tài em đã tìm hiểu về phương pháp tiền mã hóa zero-forcing, ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu phát, tìm hiểu về tổng quan hệ thống Trang 6 Lời cảm ơn MIMO-OFDM và viết code bằng phần mềm Matlap để khảo sát dung lượng đường xuống của LTE khi có ảnh hưởng các thông số: số anten phát, số user được sử dụng, vận tốc của user di chuyển, ảnh kênh truyền biến đổi theo thời gian. Đề tài của em bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM Chương 2: Ứng dụng kỹ thuật của OFDM trong LTE Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-Forcing trong SDMA Chương 4: Mô phỏng tiền mã hóa Zero – Forcing trong hệ thống MIMO Do đây là công nghệ vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện cũng như là do những giới hạn về kiến thức của mình nên đồ án này vẫn chưa đề cập hết các vấn đề và không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn. Trang 7 Lời cảm ơn DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT OFDM Orthogonal Frenquency Division Multiple LTE Long Term Evolution P/S Parallel To Serial SDMA Space Division Multiple Access TDMA Time Division Multiple Access FDMA Frequency Division Multiple Access FDM Frequency Division Multiplexing FFT Fast Fourier Transform AWGN Additive White Gaussian Noise IFFT Inverse Fast Fourier Transform QAM Quadrature Amplitude Modulation IDFT Inverse Discrete Fourier Transform CP Cyclic Prefix ISI Intersymbol Interference ICI Intercarrier Interference PSK Phase-Shift Keying MIMO Multiple Input Multiple Output SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access PAPR Peak-to-Average Power Ratio SNR Signal To Noise Ratio HSPA High Speed Packet Access MMSE Minimum mean square error DPC Dirty paper coding Trang 8 Lời cảm ơn CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM 1.1. Giới thiệu chương Hiện nay, kỷ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được dùng làm chuẩn trong các hệ thống phát thanh số ở Châu âu. Kỹ thuật này đang được đề nghị đưa vào ứng dụng ở Mỹ cũng như nghiên cứu để phát triển trong lĩnh vực truyền hình số. Chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý cơ bản, mô hình toán học của OFDM, kỷ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỷ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó sẽ trình bày một số ưu điểm và nhược điểm của OFDM để giải thích vì sao OFDM lại được sử dụng trong hệ thống thông tin di động, truyền hình số …. 1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM Trong hệ thống dữ liệu nối tiếp thông thường, tín hiệu (symbols) được truyền đi một cách tuần tự với phổ tần số của mỗi tín hiệu cho phép chiếm toàn bộ băng thông hiện có.Trong OFDM, dữ liệu được chia ra trong nhiều sóng mang gần nhau. Thay vì truyền theo cách tuần tự, dữ liệu được truyền theo cách song song. Chỉ một phần nhỏ dữ liệu được truyền đi trên mỗi kênh và bằng cách giảm tốc độ bit trên mỗi kênh, ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự được giảm đáng kể. Hình 1.1 cho ta thấy, giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Hình 1.1: So sánh sự sử dụng băng thông của FDM và OFDM Trang 9 Lời cảm ơn Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong FDM, mỗi tổng đài phát một tần số khác nhau, giữa các tần sô này được ngăn cách bằng các khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các kênh, điều này làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông , tuy nhiên không có sự đồng bộ ở mỗi trạm với trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không can nhiễu nhờ bản chất trực giao. Mô hình hệ thống OFDM: Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM Trang 10 Lời cảm ơn Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua phương pháp điều chế QAM. Tín hiệu dẫn đường pilot được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT, chuỗi bảo vệ CP được chèn vào. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số/tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN). Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp. Chức năng của các khối trong hệ thống OFDM: - Khối Interleaved  : Tránh hiện tượng lỗi chùm ,trong dãy bít được truyền đi thì bị lỗi do hiện tượng đa đường vv…, nếu ký tự được mã hóa bằng các bít liên tiếp thì khi bị lỗi các bit liên tiếp thì đầu thu sẽ khó giải mã được các bit truyền đi, nếu sử dụng Interleaved thì các bit truyền được xáo trộn, khi bị lỗi bít thì ở đầu thu sử dụng khối đảo các bit lại trật tự ban đầu ,khi đó ta có thể giải mã các bít truyền đi. - Khối MQAM mapping: Tín hiệu vào khối MQAM mapping là một chuỗi bít xáo trộn, ở đầu ra các bít được chuyển sang dạng phức. - Khối Pilot insertion: Chèn các pilot là một kỹ thuật đơn giản để ước lượng kênh. Việc chèn các tín hiệu pilot bên thu và bên phát đều biết trước. Có hai kiểu sắp xếp pilot chính: + Sắp xếp các pilot theo kiểu khối ( Block type) Trang 11 Lời cảm ơn + Sắp xếp các pilot theo kiểu răng lược (Comp type) - Khối S/P và P/S: Theo cấu trúc của IFFT có đầu vào song song mà tín hiệu là chuỗi bit nối tiếp. Chính vì thế cần có sự chuyển đổi giữa tín hiệu nối tiếp đó phù hợp với đầu vào IFFT. - Khối IFFT/FFT: OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT. - Khối Insert CP: Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là Trang 12 Lời cảm ơn một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự) Ta có Ts = Tg + TFFT Hình 1.3: Tiền tố lặp trong OFDM - Các khối vô tuyến: Trước khi tín hiệu được truyền lên kênh truyền vô tuyến thì cần được xử lý ở một số khâu. Tín hiệu cần được điều chế tại tần số được chọn mỗi sóng mang con trước khi truyền. Tín hiệu xử lý trong các khối trước là tín hiệu số nên khi truyền cần phải chuyển từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự ( DAC). Tại đầu thu tín hiệu thu được là tín hiệu tương tự mà tín hiệu cần xử lý tại đầu thu là tín hiệu số nên cần có bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC). Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI và giao thoa giữa các sóng mang ( ICI) 1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Trang 13 Lời cảm ơn Hình 1.4: Truyền dẫn sóng mang đơn. Hình 1.4 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang. 1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín trên nhiều sóng mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang ta có thể khôi phục dữ liệu có ích. Hình 1.5:Truyền nhiều sóng mang con :Một luồng tốc độ cao R bps được chia thành L luồng song song, mỗi nhánh có tốc độ R/L bps và sau đó được nhân với một tần số sóng mang khác Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Trang 14 Lời cảm ơn Hình 1.6: Ở máy thu, mỗi sóng mang được giải mã một cách riêng biệt Cần đến L bộ nhận độc lập Việc tín hiệu trên nhiều sóng mang, thì gây ra hiện tượng chồng phổ hay nhiễu xuyên ký tự. Phương pháp để khắc phục nhiễu xuyên ký tự trong khi truyền tín hiệu trên nhiều mang là giữa các sóng mang phải có một khoảng bảo vệ. Nhưng việc chèn khoảng bảo vệ giữa các sóng mang thì làm hiệu quả sử dụng băng thông không cao, tốc độ thấp.Chính vì vậy OFDM là một giải pháp tốt để có thể truyền tín hiệu trên nhiều sóng mang mà không bị can nhiễu nhau, hiệu quả sử dụng cao. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự… Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Giải pháp khắc phục hiệu quả sử dụng phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang Trang 15 Lời cảm ơn cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. 1.5. Sự trực giao (Orthogonal) Tín hiệu được gọi là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền mà không có sự can nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rốn loạn giữa các tín hiệu làm giảm chất lượng thông tin. Các tín hiệu là trực giao nếu: b *  ( t )  (t )dt =   Kfor p=q 0 for p # q a Ở đây * là liên hợp phức và khoảng [a, b] là một chu kỳ ký tự (symbol)… OFDM có được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao. Tần số góc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại của symbol.Trong thời gian tồn tại của symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau, phổ tần của chúng sẽ chồng lấn lên nhau nhưng chúng không gây nhiễu cho nhau. Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chổ: tại mỗi đĩnh của mỗi sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0. Ở phía thu, khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên tục mà là phổ rời rạc. Các mẫu được biểu diễn bởi các khuyên tròn (0) trên hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ tương ứng với các đĩnh của các sóng mang con. Như vậy sự chồng phổ các sóng mang con không ảnh đến máy thu. Trang 16 Lời cảm ơn Hình 1.7: Biểu diễn các mẫu của tín hiệu OFDM trong miền tần số 1.6. Mô tả toán học OFDM Tín hiệu trong hệ thống OFDM được mã hóa theo phương pháp điều chế MQAM. Luồng bit mã hóa là chuỗi bít được xáo trộn, kết quả của dãy bít xáo trộn đó được tổ chức như là một dãy của Q bit với Q = log 2 M và d k ,m = d k ,m,0 ,......, d k ,m,Q −1  T Dãy bít đó được ánh xạ đến nhiều giá trị của ký tự X K ,m  A với A là ký hiệu ký tự điều chế M mức theo phương pháp QAM và m, k là ký tự của OFDM và sóng mang con trong mỗi ký tự OFDM. Mỗi ký tự của OFDM chứa N sóng mang con Xk,m , k = 0, …,N-1 với N là kích cỡ khung của thuật toán (FFT) và thuật toán ngược lại của nó ( IFFT) sử dụng trong việc truyền nhiều sóng mang. Trang 17 Lời cảm ơn Sau khi biến đổi IFFT và khoảng bảo vệ CP được chèn vào, tín hiệu truyền băng cơ sở của m ký tự OFDM có dạng như sau: xn ,m = 1 N N −1 X k =0 k ,m  j 2 kn  exp    N    Với n  − N g ,....,0,...., N − 1 , Ng là chiều dài của CP được chèn vào. Đối với kênh truyền biến đổi đa đường: Tín hiệu nhận tại bộ thu có dạng: ym =  xm−l hl ,m + b (m / w) l Đáp ứng của kênh biến đổi theo thời gian lth bị ảnh hưởng của bộ lọc của bộ truyền, bộ nhận và các ảnh do đa đường như bị tán xạ, khúc xạ, che chắn …vv được biểu diễn hl ,n,m .Với n,m là các mẫu trong miền thời gian và các ký tự của OFDM. Khung tín hiệu sau khi chèn CP ở trước ký tự OFDM. . Trang 18 Lời cảm ơn Tín hiệu OFDM nhận được: Tín hiệu nhận được tại bộ thu sau khi loại bỏ CP, n th tại bộ thu trong m th ký tự OFDM có thể biểu diễn bằng: L −1 yn ,m =  hl ,n ,m xn −l ,m + zn ,m l =0 Với n = 0,….,N-1 và zn,m là nhiễu (AWGN) biến đổi theo N0. Tín hiệu nhận được với n = 0: y0,m = hNg ,0,m xN −Ng ,m + .... + h1,0,m xN −1,m + h0,0,m x0,m Tại máy thu, sau khi loại bỏ CP và qua phép biến đổi FFT thì những mẫu trong miền tần số được biểu diễn như sau: Yk ,m = 1 N N −1 y n =0 n ,m e− j 2 kn / N = H k ,m X k ,m + k ,m + Z k .m Với H k ,m = Z k ,m  k ,m 1 N 1 = N N −1 L−1  h n =0 l =0 l .n.m N −1 z n =0 n ,m e e − j 2 kl / N  2 kn  − j  N   N −1 L−1 1 N −1   = X i ,m    hl ,n ,me− j 2 il / N  e j 2 n (i −k )/ N  N i =0,i # k n =0  l =0  Ký tự QAM truyền đi được khôi phục lại trong miền tần số bằng: ^ X k ,m = arg min Yk ,m − H k ,m X k ,m 2 Dựa vào ký tự QAM đã tìm được, các bít dữ liệu truyền được khôi phục bằng giải mã kênh truyền. Trang 19 Lời cảm ơn 1.7. Các kỷ thuật điều chế trong OFDM Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK. Dạng điều chế M An,bn 2 BPSK 1 4 QPSK 1 16 16-QAM 1 , 3 64 QAM-64 1 , 3 , 5 , 7 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. 1.7.1. Điều chế BPSK Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau: Si (t ) = 2 Eb cos[2f ct +  (t ) +  ] Tb  (t ) = (i − 1) ;0  t  Tb ; i = 1,2 Hay: S 2 (t ) = Trong đó, S1 (t ) = 2 Eb cos[2f c t +  ] Tb 2 Eb 2 Eb cos[2f c t +  +  ] = − S1 (t ) = − cos[2f c t +  ] Tb Tb Tb : Độ rộng của 1bit Eb : Năng lượng của 1 bit θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế Trang 20