Ofdm và ứng dụng trong wimax 273624
- 95 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN DOÃN ĐỨC
OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
…………………….
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. PHẠM MINH VIỆT
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn tham
khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Hà nội, 30 tháng 03 năm 2014
Học viên thực hiện
Nguyễn Doãn Đức
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, PGS. TS. Phạm Minh Việt,
vì thầy đã có sự định hướng quan trọng và liên tục hướng dẫn các mục tiêu nghiên cứu
trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, vì đã hết sức tạo
điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn.
Hà Nội, 30 tháng 03 năm 2014.
Nguyễn Doãn Đức
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………..…...II
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………..............III
CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT …………………………………….............VI
DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………………………………………….…..X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ …………………………………………………..…..XI
PHẦN MỞ ĐẦU …………………………………………………………………...XIV
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ………………………….…1
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM ……………………………………………………1
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM …………………………………………….1
1.3 Mô tả toán học các tín hiệu OFDM ……………………………………………...3
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM …………………………………………………….4
1.5 Các phương pháp điều biến trong OFDM ……………………………………….5
1.6 Mã Gray ………………………………………………………………………….7
1.7 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM …………………………………………..8
1.8 Kết luận chương ………………………………………………………………..10
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ……………….……….11
2.1 Khái niệm về WiMAX …………………………………………………………11
2.2 Giới thiệu về các chuẩn IEEE 802.16 …………………………………………12
2.3 Các đặc điểm của WiMAX …………………………………………………….15
2.3.1 Đặc điểm WiMAX cố định (Fixed WiMAX) …………..……………..15
2.3.2 Đặc điểm WiMAX di động (Mobile WiMAX) …………..……………16
2.4 So sánh WiMAX với một số công nghệ khác ………………………………….17
iv
2.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX ……………………………………….20
2.6 Tình hình triển khai công nghệ WiMAX ………………………………………22
2.6.1 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ………………..…………..22
2.6.2 Tình hình triển khai WiMAX tại Việt Nam ………………..………….22
2.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..24
CHƯƠNG 3 - CÁC LOẠI NHIỄU CHÍNH TRONG WIMAX VÀ CÁC BIỆN
PHÁP KHẮC PHỤC …………………………..…………………………………….26
3.1 Các loại nhiễu chính trong WiMAX …………………………………...………26
3.1.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền ……………………………………26
3.1.2 Hiện tượng che chắn (shadowing) ………………………………..……27
3.1.3 Hiện tượng đa đường (multipath) …………………………………...…28
3.1.4 Sự dịch tần Doppler ……………………………….…………………...29
3.1.5 Nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference) …………………..30
3.2 Các biện pháp khắc phục nhiễu trong WiMAX ………………………………..31
3.2.1 Phương pháp tái sử dụng tần số phân đoạn ……………………………31
3.2.2 Đa truy nhập phân tần trực giao (OFDMA ) …………………………………33
3.2.3 Các biện pháp giảm fađin ……………………………………………...34
3.2.4 Sử dụng bộ cân bằng …………………………………………………..37
3.2.5 Phương pháp mã hoá và điều biến thích ứng (ACM)
…………………...37
3.2.6 Mã hoá kênh ……………………….…………………………………..40
3.3 Kết luận chương ………………………………………………………………..41
CHƯƠNG 4 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ
THỐNG OFDM……..………………………………………………………………..42
4.1 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên tín hiệu hoa tiêu ……………………….42
4.1.1 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối (Block Type) ……………………….43
v
4.1.2 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược (Comb Type) ………………….44
4.1.3 Kiểu mạng lưới (Lattice Type) ………………………………………...45
4.2 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên ký hiệu huấn luyện ……………………46
4.2.1 Ước lượng kênh bình phương nhỏ nhất (LS – Least Squares) ….……..47
4.2.2 Ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình tối thiểu (MMSE –
Minimum Mean Square Error) ………………………………………………48
4.3 Ước lượng kênh dựa trên biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete Fourier
Transform) ……………………………………………………………………….…51
4.4 Ước lượng kênh định hướng quyết định (DDCE - Decision-Directed Channel
Estimation) …………………………………………………………………………52
4.5 Một số kỹ thuật ước lượng kênh cải tiến ………………………………….……54
4.5.1 Ước lượng kênh sử dụng tín hiệu được xếp chồng ……………………54
4.5.2 Ước lượng kênh mò (Blind Channel Estimation) ……..………………56
4.6 Các phương pháp ước lượng kênh được đề xuất ……………….………………57
4.6.1 Mô tả hệ thống …………………………………………………………57
4.6.2 Các bộ ước lượng kênh ………………………………….……………..60
4.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..65
CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH ……………………….………66
5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng …………………………………….…………….66
5.2 Các nội dung mô phỏng …………………………………………..…………….67
5.3 Kết luận chương ………………………………………………….…………….76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………………77
vi
CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự-số
ACM Adaptive Coding and Modulation Mã hoá và điều biến thích ứng
ARQ Auto Repeat ReQuest Yêu cầu lặp tự động
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
BLER Block Error Rates Tỷ lệ lỗi khối
BPSK Binary Phase-Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu - phát cơ sở
CC Convolutional Code Mã chập
CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã
CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoà
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CSMA/ Carrier Sense Multiple Access with Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CA Collision Avoidance tránh xung đột
CTC Convolutional Turbo Code Mã turbo chập
DAC Digital to Analog converter Bộ biến đổi số-tương tự
DDCE Decision-Directed Channel Uớc lượng kênh định hướng quyết
Estimation định
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DL Downlink Liên kết xuống
DSL Digital Subcriber Line Đường thuê bao số
FDD Frequency Division Duplexing Song công phân tần
FDM Frequency Division Multiplexer Bộ dồn kênh phân tần
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Communications
HPSA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử
Electronics Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược
IQ Inphase Quadrature Vuông góc đồng pha
vii
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
ITU International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế
Union
LAN Local Area Network Mạng nội bộ
LMDS Local Multipoint Distribution Hệ thống phân phối đa điểm nội bộ
System
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
LS Least-Square Bình phương nhỏ nhất
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MAN Metropolian Area Network Mạng vùng đô thị
MMSE Minimum-Mean-Square-Error Lỗi bình phương trung bình tối
thiểu
MSE Mean Square Error Lỗi bình phương nhỏ nhất
NLOS Non Line of Sight Không có tầm nhìn thẳng
OFDM Orthogonal Frequency Division Dồn kênh phân tần trực giao
Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân tần trực giao
Multiple Access
PCMCIA Personal Computer Memory Card Hiệp hội quốc tế thẻ nhớ máy tính
International Association cá nhân
PDA Personal Digital Assistant Máy trợ giúp cá nhân số
PDP Power Delay Profile Profin trễ công suất
PHY Physic layer Lớp vật lý
PMP Point to Multi-Point Điểm đến đa điểm
PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha
PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công
Network cộng
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biến biên độ cầu phương
QPSK Quadrature Shase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RS Reed-Solomon Mã Reed-Solomon
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu
SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
Ratio âm
SNR Signal-to-Noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân tần trực giao khả
Division Multiplexing Access biến tỷ lệ
viii
TDD Time Division Duplexing Song công phân thời
UL Uplink Liên kết lên
UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông di động toàn
Telecommunications System cầu
VLSI Very-Large-Scale Integration Tích hợp cỡ rất lớn
VoIP Voice Over Internet Protocol Thoại qua giao thức internet
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân mã băng rộng
Access
WiMAX Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu với
Microwave Access Truy nhập vi sóng
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số dạng điều biến. .................................................................................... 5
Bảng 1.2: Bảng mã Gray. ................................................................................................. 8
Bảng 2.1: So sánh sơ lược về các chuẩn IEEE 802.16 .................................................. 15
Bảng 2.2: So sánh WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác. ................. 18
Bảng 5.1: Các thông số cho các bộ ước lượng kênh cụ thể được mô phỏng. ................ 71
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau. ........................................ 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM. ......................................................... 4
Hình 1.3: Sơ đồ điều biến QPSK ..................................................................................... 6
Hình 1.4: Sơ đồ chùm tín hiệu M-QAM. ......................................................................... 7
Hình 1.5: Giản đồ IQ cho 16-PSK kết hợp với việc sử dụng mã Gray............................ 8
Hình 1.6: Khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. ......................................................... 9
Hình 2.1: Mô hình đơn giản của mạng WiMAX. .......................................................... 12
Hình 2.2: So sánh tốc độ và độ di động của các hệ thống không dây: Wifi, HSPA,
UMTS, GSM. ................................................................................................................. 19
Hình 3.1: Sự truyền sóng trong không gian tự do. ........................................................ 27
Hình 3.2: Các hiện tượng che chắn, tổn hao trên đường truyền tín hiệu. ...................... 27
Hình 3.3: Hiện tượng đa đường. .................................................................................... 28
Hình 3.4: Hai tín hiệu đa đường tăng cường. ................................................................. 29
Hình 3.5: Hai tín hiệu đa đường triệt tiêu nhau. ............................................................ 29
Hình 3.6: Hiện tượng dịch tần Doppler.......................................................................... 30
Hình 3.7: Nhiễu đồng kênh. ........................................................................................... 31
Hình 3.8: Mô hình tái sử dụng tần số phân đoạn. .......................................................... 32
Hình 3.9: OFDMA so với OFDM: các kênh con và các sóng mang con ...................... 34
Hình 3.10: Phân tập không gian chọn phần tín hiệu mạnh hơn trong hai nhánh tín hiệu.
........................................................................................................................................ 36
Hình 3.11: Mối liên quan giữa kênh truyền và bộ cân bằng. ......................................... 37
Hình 3.12: Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và phương pháp điều biến được sử dụng.
........................................................................................................................................ 38
Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống mã hoá và điều biến thích ứng (AMC). ...................... 38
xi
Hình 3.14: Biểu đồ dung lượng của các phương pháp điều biến và tốc độ mã hoá khác
nhau. ............................................................................................................................... 39
Hình 3.15: Tác dụng của việc mã hoá kênh trong việc giảm BER. ............................... 40
Hình 3.16: Sơ đồ các khối chức năng của mã hoá kênh. ............................................... 41
Hình 4.1: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối. .................................................................. 43
Hình 4.2: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược. .......................................................... 45
Hình 4.3: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu mạng lưới. ......................................................... 46
Hình 4.4: Mô hình ước lượng kênh MMSE. .................................................................. 49
Hình 4.5: Phương pháp ước lượng kênh dựa trên DFT. ................................................ 52
Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu nhận được trước và sau khi bù kênh. .................................. 52
Hình 4.7: Sơ đồ khối của bộ nhận OFDM với ước lượng kênh định hướng quyết định.
........................................................................................................................................ 53
Hình 4.8: Tín hiệu được xếp chồng để ước lượng kênh. ............................................... 54
Hình 4.9: Hệ thống OFDM dải cơ sở. ............................................................................ 58
Hình 4.10: Khe hở giữa các nhánh kênh (tap) đối với kênh liên tục ............................. 58
Hình 4.11: Các kênh Gauss song song. .......................................................................... 59
Hình 4.12: Cấu trúc bộ ước lượng tổng quát. ................................................................ 60
Hình 4.13: Cấu trúc bộ ước lượng cải tiến. .................................................................... 63
Hình 5.1: Đồ thị so sánh SER giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.2: Đồ thị so sánh MSE giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.3: Phân bố năng lượng của ma trận tự tương quan kênh Rgg trên các nhánh
kênh trong các trường hợp (A), (B), (C), (D), (E), (F) của hàm đáp ứng kênh g(t). ..... 70
Hình 5.4: So sánh MSE của ước lượng LS và các ước lượng MMSE, MMSE1-5,
MMSE1-15, MMSE1-20, MMSE1-25. ......................................................................... 72
xii
Hình 5.5: So sánh lỗi bình phương trung bình đối với bộ ước lượng LS, MMSE,
MMSE2-5, MMSE2-15, MMSE2-25. ........................................................................... 74
Hình 5.6: So sánh MSE của các bộ ước lượng kênh: bộ ước lượng LS, MMSE1-15,
MMSE2-15. .................................................................................................................... 75
xiii
PHẦN MỞ ĐẦU
Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Kỹ thuật ghép kênh phân tần trực giao (OFDM) đã được biết đến từ lâu, với
những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, khả năng cho hiệu suất
phổ cao, khả năng chống nhiễu tốt, đơn giản và hiệu quả trong điều biến và giải điều
biến tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được
phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như internet không dây. Hiện nay,
WiMAX - một công nghệ truyền thông dựa trên OFDM, đang là một trong những công
nghệ băng rộng không dây hàng đầu được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng
rãi trên toàn thế giới.
WiMAX có những ưu điểm nổi bật như: tốc độ truy nhập lên tới 70 Mbps trong
bán kính phủ sóng 40 km của chuẩn WiMAX cố định; có khả năng duy trì kết nối với
tốc độ di chuyển lên tới 120 km/h của chuẩn WiMAX di động; có khả năng truy nhập
tốc độ cao ngay cả trong môi trường không có tầm nhìn thẳng; có thể triển khai nhanh
chóng và đơn giản. Nói chung công nghệ WiMAX hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách
mạng thực sự trong việc thay đổi cách thức truy cập internet của con người trong một
vài năm tới.
Kỹ thuật WiMAX đã được thử nghiệm và nghiên cứu bởi nhiều doanh nghiệp
viễn thông hàng đầu Việt Nam: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN, v.v. từ năm 2007 đến
nay. Điều này đã chứng tỏ WiMAX thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà đầu
tư, do những ưu điểm và lợi ích đối với cả doanh nghiệp và người tiêu dùng.
Chi phí đầu tư lắp đặt thiết bị ban đầu cao là một trong các nguyên nhân chính
khiến các nhà kinh doanh viễn thông còn ngần ngại triển khai hệ thống WiMAX. Tuy
nhiên, hiện nay một số hãng sản xuất lớn trên thế giới như SamSung, Huawei, v.v. đã
xiv
chế tạo được các sản phẩm WiMAX được cấp chứng nhận (chuẩn 802.16e). Do đó,
trong tương lai không xa, theo lộ trình giảm giá, thiết bị công nghệ WiMAX hoàn toàn
có thể được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Để chuẩn bị triển khai công nghệ WiMAX ở Việt Nam, việc nghiên cứu để nắm
bắt và cải thiện công nghệ ngày là rất cần thiết. Do đó, mục đích nghiên cứu của luận
văn là tìm hiểu về công nghệ WiMAX, đồng thời cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh để
thu-phát OFDM.
Phạm vi nghiên cứu và nội dung luận văn
Luận văn này nghiên cứu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM và công nghệ
WiMAX (di động và cố định), đồng thời luận văn cũng đề xuất phương pháp ước
lượng kênh cải tiến tiến để thu – phát OFDM. Chương 4 của luận văn đề cập đến
phương pháp ước lượng kênh cải tiến, phương pháp này có được ưu điểm về độ chính
xác cao của phương pháp MMSE (ước lượng lỗi bình phương trung bình tối thiểu)
trong khi độ phức tạp tính toán đã được giảm đi đáng kể so với phương pháp MMSE.
Chương 5 sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống thu – phát sử dụng phương pháp ước lượng
kênh cải tiến.
Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM, trình bày về sự trực giao sóng mang
theo tần số, đưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các
sơ đồ điều biến của kỹ thuật này;
- Chương 2: Giới thiệu về công nghệ WiMAX, trình bày khái niệm chung về công
nghệ WiMAX, đặc điểm chung, mục đích và vai trò của WiMAX so với những công
nghệ đang tồn tại. Ngoài ra, chương này còn đề cập tới tình hình ứng dụng WiMAX
trên thế giới và thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam tính đến thời điểm hiện tại;
- Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục, đề
cập đến các ảnh hưởng cơ bản của nhiễu trong các kênh băng rộng không dây và cách
khắc phục;
xv
- Chương 4: Các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày
các một số phương pháp ước lượng kênh đã biết và phương pháp ước lượng kênh được
đề xuất;
- Chương 5: Mô phỏng ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày và phân
tích các kết quả mô phỏng hệ thống thu - phát OFDM sử dụng bộ ước lượng kênh được
đề xuất.
xvi
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
Kỹ thuật dồn kênh phân tần trực giao (OFDM – Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trong những nền tảng của công nghệ WiMAX. Vì vậy, trước hết
ta đề cập đến kỹ thuật OFDM. Chương này sẽ trình bày một cách khái quát những đặc
điểm cơ bản về kỹ thuật OFDM.
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một dòng dữ liệu đầu vào tốc độ cao
thành nhiều dòng dữ liệu đầu ra tốc độ thấp hơn, sau đó truyền song song (đồng thời)
các dòng dữ liệu tốc độ thấp trên nhiều sóng mang con (băng con) chồng lấn nhau,
các băng con này cùng thuộc một băng tần cấp phát của hệ thống.
Việc sử dụng các băng con chồng lấn nhau tạo ra hiệu quả sử dụng phổ tần
cao, ngoài ra còn có tác dụng phân tán lỗi khối khi truyền qua kênh, nhờ đó khi kết
hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh sửa lỗi, hiệu suất truyền của hệ thống được cải
thiện đáng kể.
Ngoài ra, để thực hiện được việc tách sóng các tín hiệu từ các sóng mang con
chồn g lấn nha u trong băng tần tổng, trong hệ thống OFDM, các sóng mang
con này phải trực giao với nhau.
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM
Về mặt toán học, các tín hiệu OFDM thuộc tập hợp các phần tử ψ , trong đó ψ p
là phần tử thứ p, và điều kiện để các tín hiệu này trực giao với nhau từng đôi một là:
b
k (≠ 0) , p = q
∫ψ p (t )ψ q (t )dt =
*
(1.1)
a 0 ,p≠q
1
trong đó ψ q* (t ) là liên hợp phức của ψ q (t ) , khoảng thời gian a đến b là chu kỳ của tín
hiệu.
Trong hệ thống OFDM sự trực giao của các sóng mang con được thực hiện bằng
cách lấy phổ tín hiệu của sóng mang con thứ p nhân với e jpωst , trong đó
1
= π fs 2π
ωs 2= , fs là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp, Ts là
Ts
chu kỳ ký hiệu. Nhờ đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Với điều kiện trực giao này, ở bộ thu sẽ tách sóng một dòng tín hiệu trên một
sóng mang con bằng cách nhân các sóng mang nhận được với một liên hợp phức của
sóng mang trong máy thu có tần số và pha tương ứng như bên phát. Sau đó lấy tích
phân được thực hiện, tích phân này sẽ bằng không nếu sóng mang con nhận được và
sóng mang con trong máy thu khác nhau, cho kết quả là một hằng số nếu sóng mang
con nhận được và sóng mang con trong máy thu giống nhau.
Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau.
Như được thể hiện trên hình 1.1, khi xét trong miền tần số, mỗi sóng mang con
có đáp ứng tần số sinc(sin(x)/x). Mỗi sóng mang con có một đỉnh tại tần số trung tâm
và các giá trị không (null) cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang con. Để
đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thì đỉnh của sóng mang con này phải
tương ứng với các điểm null của các sóng mang con khác.
2
1.3 Mô tả toán học các tín hiệu OFDM
Mỗi sóng mang (sóng mang con) được mô tả dưới dạng một hàm phức:
Sn (t ) = An (t )e j[ωnt +Φ n t] . (1.2)
trong đó, An(t) và Фn(t) là biên độ và pha tương ứng của sóng mang.
OFDM sử dụng nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức truyền đi Ss(t) được thể
hiện bởi công thức:
1 N −1
Ss (t ) = ∑ An (t )e j[ωnt +Φ n (t)] , (1.3)
N n =0
trong đó: ωn= ωo+nΔω. Đây là một tín hiệu liên tục.
Trong một chu kỳ ký hiệu thì các biến số An(t) và Фn(t) sẽ nhận các giá trị cố định
tuỳ thuộc vào tần số (ωn) của sóng mang cụ thể đó, nên có thể viết lại như sau:
Фn(t) → Фn
An(t) → An .
Lấy mẫu tín hiệu Ss (t ) với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T (với T là chu kỳ lấy
mẫu), thì tín hiệu sau khi lấy mẫu được thể hiện bởi công thức:
1 N −1
Sk (kT ) = ∑ An e j[(ω0 + n∆ω ) kT +Φ n ] (1.4)
N n =0
trong đó k là chỉ số của mẫu thứ k trong số N mẫu.
Đơn giản biểu thức trên mà không làm mất tính tổng quát bằng cách cho ωo = 0,
thì tín hiệu trên trở thành:
1 N −1
Ss (kT ) = ∑ An e jΦ n e j ( n∆ω ) kT . (1.5)
N n =0
Biểu thức nêu trên có dạng giống như dạng tổng quát của biến đổi Fourier rời rạc
ngược (IDFT - Inverse Discrete Fourier Transform):
3
1 N −1 n j 2π nk / NT
g (kT ) = ∑ G e
N n =0 NT . (1.6)
Như vậy, khi biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương ta có thể điều biến các tín
hiệu OFDM bằng cách sử dụng thuật toán IDFT, và điều kiện là:
1 1
∆=
f = ( Ts =NT). (1.7)
NT Ts
Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang con bằng nghịch đảo của
chu kỳ ký hiệu, cũng là điều kiện để các sóng mang trực giao từng đôi một với nhau.
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM
Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM.
Như được thể hiện trên hình 1.2, bộ phát điều biến dữ liệu số cần truyền bằng
các phương pháp điều biến như QPSP, các loại QAM khác nhau, v.v., để ánh xạ dữ
liệu thành biên độ và pha của các sóng mang con. Sau đó nó biến đổi dữ liệu số thành
biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian sử dụng thuật toán IDFT. Để tăng hiệu quả tính
toán, ta thay thuật toán IDFT bằng thuật toán biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT -
Inverse Fast Fourier Transform), và khi giải điều biến bộ thu cũng sử dụng thuật toán
biến đổi Fourier nhanh ngược (FFT - Fast Fourier Transform) tương ứng, đây cũng là
4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN DOÃN ĐỨC
OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
…………………….
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. PHẠM MINH VIỆT
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn tham
khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Hà nội, 30 tháng 03 năm 2014
Học viên thực hiện
Nguyễn Doãn Đức
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, PGS. TS. Phạm Minh Việt,
vì thầy đã có sự định hướng quan trọng và liên tục hướng dẫn các mục tiêu nghiên cứu
trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, vì đã hết sức tạo
điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn.
Hà Nội, 30 tháng 03 năm 2014.
Nguyễn Doãn Đức
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………..…...II
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………..............III
CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT …………………………………….............VI
DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………………………………………….…..X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ …………………………………………………..…..XI
PHẦN MỞ ĐẦU …………………………………………………………………...XIV
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ………………………….…1
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM ……………………………………………………1
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM …………………………………………….1
1.3 Mô tả toán học các tín hiệu OFDM ……………………………………………...3
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM …………………………………………………….4
1.5 Các phương pháp điều biến trong OFDM ……………………………………….5
1.6 Mã Gray ………………………………………………………………………….7
1.7 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM …………………………………………..8
1.8 Kết luận chương ………………………………………………………………..10
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ……………….……….11
2.1 Khái niệm về WiMAX …………………………………………………………11
2.2 Giới thiệu về các chuẩn IEEE 802.16 …………………………………………12
2.3 Các đặc điểm của WiMAX …………………………………………………….15
2.3.1 Đặc điểm WiMAX cố định (Fixed WiMAX) …………..……………..15
2.3.2 Đặc điểm WiMAX di động (Mobile WiMAX) …………..……………16
2.4 So sánh WiMAX với một số công nghệ khác ………………………………….17
iv
2.5 Ưu nhược điểm của công nghệ WiMAX ……………………………………….20
2.6 Tình hình triển khai công nghệ WiMAX ………………………………………22
2.6.1 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ………………..…………..22
2.6.2 Tình hình triển khai WiMAX tại Việt Nam ………………..………….22
2.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..24
CHƯƠNG 3 - CÁC LOẠI NHIỄU CHÍNH TRONG WIMAX VÀ CÁC BIỆN
PHÁP KHẮC PHỤC …………………………..…………………………………….26
3.1 Các loại nhiễu chính trong WiMAX …………………………………...………26
3.1.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền ……………………………………26
3.1.2 Hiện tượng che chắn (shadowing) ………………………………..……27
3.1.3 Hiện tượng đa đường (multipath) …………………………………...…28
3.1.4 Sự dịch tần Doppler ……………………………….…………………...29
3.1.5 Nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference) …………………..30
3.2 Các biện pháp khắc phục nhiễu trong WiMAX ………………………………..31
3.2.1 Phương pháp tái sử dụng tần số phân đoạn ……………………………31
3.2.2 Đa truy nhập phân tần trực giao (OFDMA ) …………………………………33
3.2.3 Các biện pháp giảm fađin ……………………………………………...34
3.2.4 Sử dụng bộ cân bằng …………………………………………………..37
3.2.5 Phương pháp mã hoá và điều biến thích ứng (ACM)
…………………...37
3.2.6 Mã hoá kênh ……………………….…………………………………..40
3.3 Kết luận chương ………………………………………………………………..41
CHƯƠNG 4 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ
THỐNG OFDM……..………………………………………………………………..42
4.1 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên tín hiệu hoa tiêu ……………………….42
4.1.1 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối (Block Type) ……………………….43
v
4.1.2 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược (Comb Type) ………………….44
4.1.3 Kiểu mạng lưới (Lattice Type) ………………………………………...45
4.2 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên ký hiệu huấn luyện ……………………46
4.2.1 Ước lượng kênh bình phương nhỏ nhất (LS – Least Squares) ….……..47
4.2.2 Ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình tối thiểu (MMSE –
Minimum Mean Square Error) ………………………………………………48
4.3 Ước lượng kênh dựa trên biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete Fourier
Transform) ……………………………………………………………………….…51
4.4 Ước lượng kênh định hướng quyết định (DDCE - Decision-Directed Channel
Estimation) …………………………………………………………………………52
4.5 Một số kỹ thuật ước lượng kênh cải tiến ………………………………….……54
4.5.1 Ước lượng kênh sử dụng tín hiệu được xếp chồng ……………………54
4.5.2 Ước lượng kênh mò (Blind Channel Estimation) ……..………………56
4.6 Các phương pháp ước lượng kênh được đề xuất ……………….………………57
4.6.1 Mô tả hệ thống …………………………………………………………57
4.6.2 Các bộ ước lượng kênh ………………………………….……………..60
4.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..65
CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH ……………………….………66
5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng …………………………………….…………….66
5.2 Các nội dung mô phỏng …………………………………………..…………….67
5.3 Kết luận chương ………………………………………………….…………….76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………………77
vi
CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự-số
ACM Adaptive Coding and Modulation Mã hoá và điều biến thích ứng
ARQ Auto Repeat ReQuest Yêu cầu lặp tự động
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
BLER Block Error Rates Tỷ lệ lỗi khối
BPSK Binary Phase-Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân
BTS Base Tranceiver Station Trạm thu - phát cơ sở
CC Convolutional Code Mã chập
CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã
CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoà
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CSMA/ Carrier Sense Multiple Access with Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
CA Collision Avoidance tránh xung đột
CTC Convolutional Turbo Code Mã turbo chập
DAC Digital to Analog converter Bộ biến đổi số-tương tự
DDCE Decision-Directed Channel Uớc lượng kênh định hướng quyết
Estimation định
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DL Downlink Liên kết xuống
DSL Digital Subcriber Line Đường thuê bao số
FDD Frequency Division Duplexing Song công phân tần
FDM Frequency Division Multiplexer Bộ dồn kênh phân tần
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Communications
HPSA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử
Electronics Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược
IQ Inphase Quadrature Vuông góc đồng pha
vii
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
ITU International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế
Union
LAN Local Area Network Mạng nội bộ
LMDS Local Multipoint Distribution Hệ thống phân phối đa điểm nội bộ
System
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
LS Least-Square Bình phương nhỏ nhất
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
MAN Metropolian Area Network Mạng vùng đô thị
MMSE Minimum-Mean-Square-Error Lỗi bình phương trung bình tối
thiểu
MSE Mean Square Error Lỗi bình phương nhỏ nhất
NLOS Non Line of Sight Không có tầm nhìn thẳng
OFDM Orthogonal Frequency Division Dồn kênh phân tần trực giao
Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân tần trực giao
Multiple Access
PCMCIA Personal Computer Memory Card Hiệp hội quốc tế thẻ nhớ máy tính
International Association cá nhân
PDA Personal Digital Assistant Máy trợ giúp cá nhân số
PDP Power Delay Profile Profin trễ công suất
PHY Physic layer Lớp vật lý
PMP Point to Multi-Point Điểm đến đa điểm
PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha
PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công
Network cộng
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biến biên độ cầu phương
QPSK Quadrature Shase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RS Reed-Solomon Mã Reed-Solomon
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu
SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
Ratio âm
SNR Signal-to-Noise ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân tần trực giao khả
Division Multiplexing Access biến tỷ lệ
viii
TDD Time Division Duplexing Song công phân thời
UL Uplink Liên kết lên
UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông di động toàn
Telecommunications System cầu
VLSI Very-Large-Scale Integration Tích hợp cỡ rất lớn
VoIP Voice Over Internet Protocol Thoại qua giao thức internet
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân mã băng rộng
Access
WiMAX Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu với
Microwave Access Truy nhập vi sóng
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số dạng điều biến. .................................................................................... 5
Bảng 1.2: Bảng mã Gray. ................................................................................................. 8
Bảng 2.1: So sánh sơ lược về các chuẩn IEEE 802.16 .................................................. 15
Bảng 2.2: So sánh WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác. ................. 18
Bảng 5.1: Các thông số cho các bộ ước lượng kênh cụ thể được mô phỏng. ................ 71
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau. ........................................ 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM. ......................................................... 4
Hình 1.3: Sơ đồ điều biến QPSK ..................................................................................... 6
Hình 1.4: Sơ đồ chùm tín hiệu M-QAM. ......................................................................... 7
Hình 1.5: Giản đồ IQ cho 16-PSK kết hợp với việc sử dụng mã Gray............................ 8
Hình 1.6: Khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. ......................................................... 9
Hình 2.1: Mô hình đơn giản của mạng WiMAX. .......................................................... 12
Hình 2.2: So sánh tốc độ và độ di động của các hệ thống không dây: Wifi, HSPA,
UMTS, GSM. ................................................................................................................. 19
Hình 3.1: Sự truyền sóng trong không gian tự do. ........................................................ 27
Hình 3.2: Các hiện tượng che chắn, tổn hao trên đường truyền tín hiệu. ...................... 27
Hình 3.3: Hiện tượng đa đường. .................................................................................... 28
Hình 3.4: Hai tín hiệu đa đường tăng cường. ................................................................. 29
Hình 3.5: Hai tín hiệu đa đường triệt tiêu nhau. ............................................................ 29
Hình 3.6: Hiện tượng dịch tần Doppler.......................................................................... 30
Hình 3.7: Nhiễu đồng kênh. ........................................................................................... 31
Hình 3.8: Mô hình tái sử dụng tần số phân đoạn. .......................................................... 32
Hình 3.9: OFDMA so với OFDM: các kênh con và các sóng mang con ...................... 34
Hình 3.10: Phân tập không gian chọn phần tín hiệu mạnh hơn trong hai nhánh tín hiệu.
........................................................................................................................................ 36
Hình 3.11: Mối liên quan giữa kênh truyền và bộ cân bằng. ......................................... 37
Hình 3.12: Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và phương pháp điều biến được sử dụng.
........................................................................................................................................ 38
Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống mã hoá và điều biến thích ứng (AMC). ...................... 38
xi
Hình 3.14: Biểu đồ dung lượng của các phương pháp điều biến và tốc độ mã hoá khác
nhau. ............................................................................................................................... 39
Hình 3.15: Tác dụng của việc mã hoá kênh trong việc giảm BER. ............................... 40
Hình 3.16: Sơ đồ các khối chức năng của mã hoá kênh. ............................................... 41
Hình 4.1: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối. .................................................................. 43
Hình 4.2: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược. .......................................................... 45
Hình 4.3: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu mạng lưới. ......................................................... 46
Hình 4.4: Mô hình ước lượng kênh MMSE. .................................................................. 49
Hình 4.5: Phương pháp ước lượng kênh dựa trên DFT. ................................................ 52
Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu nhận được trước và sau khi bù kênh. .................................. 52
Hình 4.7: Sơ đồ khối của bộ nhận OFDM với ước lượng kênh định hướng quyết định.
........................................................................................................................................ 53
Hình 4.8: Tín hiệu được xếp chồng để ước lượng kênh. ............................................... 54
Hình 4.9: Hệ thống OFDM dải cơ sở. ............................................................................ 58
Hình 4.10: Khe hở giữa các nhánh kênh (tap) đối với kênh liên tục ............................. 58
Hình 4.11: Các kênh Gauss song song. .......................................................................... 59
Hình 4.12: Cấu trúc bộ ước lượng tổng quát. ................................................................ 60
Hình 4.13: Cấu trúc bộ ước lượng cải tiến. .................................................................... 63
Hình 5.1: Đồ thị so sánh SER giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.2: Đồ thị so sánh MSE giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.3: Phân bố năng lượng của ma trận tự tương quan kênh Rgg trên các nhánh
kênh trong các trường hợp (A), (B), (C), (D), (E), (F) của hàm đáp ứng kênh g(t). ..... 70
Hình 5.4: So sánh MSE của ước lượng LS và các ước lượng MMSE, MMSE1-5,
MMSE1-15, MMSE1-20, MMSE1-25. ......................................................................... 72
xii
Hình 5.5: So sánh lỗi bình phương trung bình đối với bộ ước lượng LS, MMSE,
MMSE2-5, MMSE2-15, MMSE2-25. ........................................................................... 74
Hình 5.6: So sánh MSE của các bộ ước lượng kênh: bộ ước lượng LS, MMSE1-15,
MMSE2-15. .................................................................................................................... 75
xiii
PHẦN MỞ ĐẦU
Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Kỹ thuật ghép kênh phân tần trực giao (OFDM) đã được biết đến từ lâu, với
những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, khả năng cho hiệu suất
phổ cao, khả năng chống nhiễu tốt, đơn giản và hiệu quả trong điều biến và giải điều
biến tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được
phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như internet không dây. Hiện nay,
WiMAX - một công nghệ truyền thông dựa trên OFDM, đang là một trong những công
nghệ băng rộng không dây hàng đầu được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng
rãi trên toàn thế giới.
WiMAX có những ưu điểm nổi bật như: tốc độ truy nhập lên tới 70 Mbps trong
bán kính phủ sóng 40 km của chuẩn WiMAX cố định; có khả năng duy trì kết nối với
tốc độ di chuyển lên tới 120 km/h của chuẩn WiMAX di động; có khả năng truy nhập
tốc độ cao ngay cả trong môi trường không có tầm nhìn thẳng; có thể triển khai nhanh
chóng và đơn giản. Nói chung công nghệ WiMAX hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách
mạng thực sự trong việc thay đổi cách thức truy cập internet của con người trong một
vài năm tới.
Kỹ thuật WiMAX đã được thử nghiệm và nghiên cứu bởi nhiều doanh nghiệp
viễn thông hàng đầu Việt Nam: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN, v.v. từ năm 2007 đến
nay. Điều này đã chứng tỏ WiMAX thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà đầu
tư, do những ưu điểm và lợi ích đối với cả doanh nghiệp và người tiêu dùng.
Chi phí đầu tư lắp đặt thiết bị ban đầu cao là một trong các nguyên nhân chính
khiến các nhà kinh doanh viễn thông còn ngần ngại triển khai hệ thống WiMAX. Tuy
nhiên, hiện nay một số hãng sản xuất lớn trên thế giới như SamSung, Huawei, v.v. đã
xiv
chế tạo được các sản phẩm WiMAX được cấp chứng nhận (chuẩn 802.16e). Do đó,
trong tương lai không xa, theo lộ trình giảm giá, thiết bị công nghệ WiMAX hoàn toàn
có thể được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Để chuẩn bị triển khai công nghệ WiMAX ở Việt Nam, việc nghiên cứu để nắm
bắt và cải thiện công nghệ ngày là rất cần thiết. Do đó, mục đích nghiên cứu của luận
văn là tìm hiểu về công nghệ WiMAX, đồng thời cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh để
thu-phát OFDM.
Phạm vi nghiên cứu và nội dung luận văn
Luận văn này nghiên cứu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM và công nghệ
WiMAX (di động và cố định), đồng thời luận văn cũng đề xuất phương pháp ước
lượng kênh cải tiến tiến để thu – phát OFDM. Chương 4 của luận văn đề cập đến
phương pháp ước lượng kênh cải tiến, phương pháp này có được ưu điểm về độ chính
xác cao của phương pháp MMSE (ước lượng lỗi bình phương trung bình tối thiểu)
trong khi độ phức tạp tính toán đã được giảm đi đáng kể so với phương pháp MMSE.
Chương 5 sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống thu – phát sử dụng phương pháp ước lượng
kênh cải tiến.
Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương:
- Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM, trình bày về sự trực giao sóng mang
theo tần số, đưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các
sơ đồ điều biến của kỹ thuật này;
- Chương 2: Giới thiệu về công nghệ WiMAX, trình bày khái niệm chung về công
nghệ WiMAX, đặc điểm chung, mục đích và vai trò của WiMAX so với những công
nghệ đang tồn tại. Ngoài ra, chương này còn đề cập tới tình hình ứng dụng WiMAX
trên thế giới và thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam tính đến thời điểm hiện tại;
- Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục, đề
cập đến các ảnh hưởng cơ bản của nhiễu trong các kênh băng rộng không dây và cách
khắc phục;
xv
- Chương 4: Các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày
các một số phương pháp ước lượng kênh đã biết và phương pháp ước lượng kênh được
đề xuất;
- Chương 5: Mô phỏng ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày và phân
tích các kết quả mô phỏng hệ thống thu - phát OFDM sử dụng bộ ước lượng kênh được
đề xuất.
xvi
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
Kỹ thuật dồn kênh phân tần trực giao (OFDM – Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trong những nền tảng của công nghệ WiMAX. Vì vậy, trước hết
ta đề cập đến kỹ thuật OFDM. Chương này sẽ trình bày một cách khái quát những đặc
điểm cơ bản về kỹ thuật OFDM.
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một dòng dữ liệu đầu vào tốc độ cao
thành nhiều dòng dữ liệu đầu ra tốc độ thấp hơn, sau đó truyền song song (đồng thời)
các dòng dữ liệu tốc độ thấp trên nhiều sóng mang con (băng con) chồng lấn nhau,
các băng con này cùng thuộc một băng tần cấp phát của hệ thống.
Việc sử dụng các băng con chồng lấn nhau tạo ra hiệu quả sử dụng phổ tần
cao, ngoài ra còn có tác dụng phân tán lỗi khối khi truyền qua kênh, nhờ đó khi kết
hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh sửa lỗi, hiệu suất truyền của hệ thống được cải
thiện đáng kể.
Ngoài ra, để thực hiện được việc tách sóng các tín hiệu từ các sóng mang con
chồn g lấn nha u trong băng tần tổng, trong hệ thống OFDM, các sóng mang
con này phải trực giao với nhau.
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM
Về mặt toán học, các tín hiệu OFDM thuộc tập hợp các phần tử ψ , trong đó ψ p
là phần tử thứ p, và điều kiện để các tín hiệu này trực giao với nhau từng đôi một là:
b
k (≠ 0) , p = q
∫ψ p (t )ψ q (t )dt =
*
(1.1)
a 0 ,p≠q
1
trong đó ψ q* (t ) là liên hợp phức của ψ q (t ) , khoảng thời gian a đến b là chu kỳ của tín
hiệu.
Trong hệ thống OFDM sự trực giao của các sóng mang con được thực hiện bằng
cách lấy phổ tín hiệu của sóng mang con thứ p nhân với e jpωst , trong đó
1
= π fs 2π
ωs 2= , fs là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp, Ts là
Ts
chu kỳ ký hiệu. Nhờ đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Với điều kiện trực giao này, ở bộ thu sẽ tách sóng một dòng tín hiệu trên một
sóng mang con bằng cách nhân các sóng mang nhận được với một liên hợp phức của
sóng mang trong máy thu có tần số và pha tương ứng như bên phát. Sau đó lấy tích
phân được thực hiện, tích phân này sẽ bằng không nếu sóng mang con nhận được và
sóng mang con trong máy thu khác nhau, cho kết quả là một hằng số nếu sóng mang
con nhận được và sóng mang con trong máy thu giống nhau.
Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau.
Như được thể hiện trên hình 1.1, khi xét trong miền tần số, mỗi sóng mang con
có đáp ứng tần số sinc(sin(x)/x). Mỗi sóng mang con có một đỉnh tại tần số trung tâm
và các giá trị không (null) cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang con. Để
đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thì đỉnh của sóng mang con này phải
tương ứng với các điểm null của các sóng mang con khác.
2
1.3 Mô tả toán học các tín hiệu OFDM
Mỗi sóng mang (sóng mang con) được mô tả dưới dạng một hàm phức:
Sn (t ) = An (t )e j[ωnt +Φ n t] . (1.2)
trong đó, An(t) và Фn(t) là biên độ và pha tương ứng của sóng mang.
OFDM sử dụng nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức truyền đi Ss(t) được thể
hiện bởi công thức:
1 N −1
Ss (t ) = ∑ An (t )e j[ωnt +Φ n (t)] , (1.3)
N n =0
trong đó: ωn= ωo+nΔω. Đây là một tín hiệu liên tục.
Trong một chu kỳ ký hiệu thì các biến số An(t) và Фn(t) sẽ nhận các giá trị cố định
tuỳ thuộc vào tần số (ωn) của sóng mang cụ thể đó, nên có thể viết lại như sau:
Фn(t) → Фn
An(t) → An .
Lấy mẫu tín hiệu Ss (t ) với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T (với T là chu kỳ lấy
mẫu), thì tín hiệu sau khi lấy mẫu được thể hiện bởi công thức:
1 N −1
Sk (kT ) = ∑ An e j[(ω0 + n∆ω ) kT +Φ n ] (1.4)
N n =0
trong đó k là chỉ số của mẫu thứ k trong số N mẫu.
Đơn giản biểu thức trên mà không làm mất tính tổng quát bằng cách cho ωo = 0,
thì tín hiệu trên trở thành:
1 N −1
Ss (kT ) = ∑ An e jΦ n e j ( n∆ω ) kT . (1.5)
N n =0
Biểu thức nêu trên có dạng giống như dạng tổng quát của biến đổi Fourier rời rạc
ngược (IDFT - Inverse Discrete Fourier Transform):
3
1 N −1 n j 2π nk / NT
g (kT ) = ∑ G e
N n =0 NT . (1.6)
Như vậy, khi biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương ta có thể điều biến các tín
hiệu OFDM bằng cách sử dụng thuật toán IDFT, và điều kiện là:
1 1
∆=
f = ( Ts =NT). (1.7)
NT Ts
Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang con bằng nghịch đảo của
chu kỳ ký hiệu, cũng là điều kiện để các sóng mang trực giao từng đôi một với nhau.
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM
Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM.
Như được thể hiện trên hình 1.2, bộ phát điều biến dữ liệu số cần truyền bằng
các phương pháp điều biến như QPSP, các loại QAM khác nhau, v.v., để ánh xạ dữ
liệu thành biên độ và pha của các sóng mang con. Sau đó nó biến đổi dữ liệu số thành
biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian sử dụng thuật toán IDFT. Để tăng hiệu quả tính
toán, ta thay thuật toán IDFT bằng thuật toán biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT -
Inverse Fast Fourier Transform), và khi giải điều biến bộ thu cũng sử dụng thuật toán
biến đổi Fourier nhanh ngược (FFT - Fast Fourier Transform) tương ứng, đây cũng là
4