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

Đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA. Phân tích chuyên sâu về các phương pháp đồng bộ tần số, thời gian trong OFDM/OFDMA.

• Tác giả: Hồ Thị Tường Vi
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Huyền Trang
• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghệ Thông tin Hữu nghị Việt - Hàn
• Chuyên ngành: Tin Học Viễn Thông
• Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• i. MỤC LỤC
• ii. DANH MỤC HÌNH VẼ
• iv. DANH MỤC BẢNG
• vi. CÁC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• I. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN
• 1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
• 2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
• 3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN
• 3.1. Suy hao truyền dẫn
• 3.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)
• II. CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN KỸ THUẬT OFDM
• 1. TỔNG QUAN VỀ OFDM
• 2. SỰ TRỰC GIAO TRONG OFDM (ORTHOGONAL)
• 2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM
• 2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM
• 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG OFDM
• 4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC
• 4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục
• 4.1.1. Nhiễu ISI và những ảnh hưởng
• 4.1.2. Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI
• 4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục
• 4.2.1. Nhiễu ICI và những ảnh hưởng
• 4.2.2. Giải pháp khắc phục ảnh hưởng ICI
• 4.3. Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray
• 4.4. Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần
• 4.4.1. Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng
• 4.4.2. Phương pháp dùng bộ lọc băng thông
• III. CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDM
• 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM
• 1.1. Nhận biết khung
• 1.2. Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE
• 1.2.1. Ước lượng phần thập phân
• 1.2.2. Ước lượng phần nguyên
• 1.2.3. Bám đuổi lỗi thặng dư
• 2. ĐỒNG BỘ KÍ TỰ
• 2.1. Đồng bộ kí tự dựa vào tiền tố lặp CP
• 2.2. Đồng bộ kí tự dựa vào Pilot
• 2.3. Đồng bộ kí tự dựa trên mã đồng bộ khung FSC
• 3. ĐỒNG BỘ TẦN SỐ
• 3.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu
• 3.2. Đồng bộ tần số sóng mang
• 3.2.1. Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot
• 3.2.2. Ước lượng CFO dựa vào tiền tố lặp CP
• 3.2.3. Ước lượng khoảng dịch tần số dựa trên chính dữ liệu
• IV. CHƯƠNG IV: KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG OFDMA
• 1. CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT OFDMA
• 1.1. Các giao thức OFDMA
• 1.1.1. Phân hóa kênh con. Sự ánh xạ các bản tin. Sự sắp xếp
• 1.1.2. Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con
• 1.2. Phương pháp ghép (Duplexing)
• 2. PHÂN TÍCH KHUNG DOWNLINK VÀ PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ OFDMA
• 3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tóm tắt

I. Nền tảng đồng bộ OFDM OFDMA Lý thuyết và tầm quan trọng

Trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hiện đại, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là nền tảng cốt lõi. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống 4G LTE, 5G NR và Wi-Fi 6 (802.11ax) nhờ khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cao và hiệu suất sử dụng phổ tần vượt trội. Tuy nhiên, để đạt được hiệu năng tối ưu, một yêu cầu tiên quyết là phải đảm bảo đồng bộ hóa chính xác giữa phía phát và phía thu. Đồng bộ OFDM/OFDMA không phải là một tùy chọn mà là một nhiệm vụ bắt buộc. Nguyên nhân là do bản chất của OFDM dựa trên sự trực giao tuyệt đối giữa các sóng mang con. Bất kỳ sự sai lệch nào về thời gian hoặc tần số đều sẽ phá vỡ tính trực giao này, dẫn đến suy giảm hiệu năng nghiêm trọng. Một hệ thống OFDM sẽ không thể hoạt động hiệu quả nếu thiếu các thuật toán đồng bộ mạnh mẽ. Quá trình đồng bộ hóa bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp: từ việc xác định điểm bắt đầu của một khung dữ liệu, ước lượng và hiệu chỉnh các sai lệch về tần số sóng mang, cho đến việc đảm bảo tần số lấy mẫu ở hai phía phải khớp nhau. Thiếu đồng bộ sẽ gây ra hai loại nhiễu chính: nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) và nhiễu xuyên sóng mang con (ICI). Các loại nhiễu này trực tiếp làm tăng tỷ lệ lỗi bit (BER), khiến việc khôi phục tín hiệu gốc trở nên bất khả thi. Do đó, việc nghiên cứu các kỹ thuật và thuật toán đồng bộ là một phần không thể thiếu trong bất kỳ đồ án nào liên quan đến OFDM.

1.1. Hiểu đúng OFDM là gì và nguyên lý trực giao cốt lõi

Về cơ bản, OFDM là gì? Đây là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó một luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi luồng con này được điều chế lên một sóng mang con riêng biệt. Điểm đặc biệt là các sóng mang con này được lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau. "Trực giao" có nghĩa là tại tần số trung tâm của một sóng mang con bất kỳ, biên độ của tất cả các sóng mang con khác đều bằng không. Đặc tính này cho phép phổ của các sóng mang con chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu, từ đó tăng hiệu quả sử dụng phổ tần lên mức tối đa. Trong khi đó, OFDMA là gì? Nó là một phiên bản đa người dùng của OFDM, cho phép cấp phát các nhóm sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau trong cùng một thời điểm, tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên vô tuyến. Sự trực giao chính là "viên đá tảng" của công nghệ này, và quá trình đồng bộ hóa chính là công cụ để bảo vệ viên đá tảng đó.

1.2. Tầm quan trọng của việc đồng bộ hóa trong hệ thống OFDM

Tầm quan trọng của đồng bộ hóa xuất phát trực tiếp từ yêu cầu duy trì tính trực giao. Một hệ thống OFDM chỉ hoạt động chính xác khi các bộ dao động tại máy phát và máy thu hoạt động ở cùng một tần số và cùng một pha. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này là không thể. Sự không hoàn hảo của các bộ dao động, cùng với hiệu ứng Doppler do sự di chuyển của thiết bị, gây ra sự sai lệch tần số. Tương tự, độ trễ lan truyền tín hiệu qua kênh fading đa đường gây ra sai lệch về thời gian. Nếu không được hiệu chỉnh, các lỗi đồng bộ này sẽ phá vỡ cấu trúc trực giao, dẫn đến nhiễu loạn nghiêm trọng, làm giảm đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tăng vọt tỷ lệ lỗi bit (BER). Vì vậy, mọi bộ thu OFDM đều phải triển khai các cơ chế đồng bộ phức tạp để ước tính và bù trừ cho các sai lệch này, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáng tin cậy.

II. Phân tích các loại lỗi đồng bộ OFDM và ảnh hưởng tới BER

Trong một hệ thống truyền thông lý tưởng, tín hiệu tại máy thu sẽ là một bản sao hoàn hảo của tín hiệu phát. Tuy nhiên, kênh truyền vô tuyến và sự không hoàn hảo của phần cứng tạo ra nhiều loại lỗi đồng bộ. Các lỗi này là thách thức lớn nhất mà các kỹ sư phải đối mặt khi thiết kế một hệ thống OFDM/OFDMA. Có hai loại lỗi chính cần được phân tích kỹ lưỡng trong một đồ án: sai lệch thời gian và sai lệch tần số. Sai lệch thời gian ký hiệu (STO) xảy ra khi bộ thu không xác định chính xác thời điểm bắt đầu của một ký hiệu OFDM, dẫn đến việc cửa sổ FFT bị đặt sai vị trí. Hậu quả trực tiếp của STO là nhiễu xuyên ký hiệu (ISI), nơi một phần năng lượng của ký hiệu trước đó rò rỉ sang ký hiệu hiện tại, và sự xoay pha của các sóng mang con. Mặt khác, sai lệch tần số sóng mang (CFO) xuất phát từ sự khác biệt giữa tần số của bộ dao động tại máy phát và máy thu, hoặc do hiệu ứng Doppler. CFO là kẻ thù nguy hiểm nhất của OFDM vì nó phá hủy hoàn toàn tính trực giao, gây ra nhiễu xuyên sóng mang con (ICI). ICI có nghĩa là tín hiệu trên một sóng mang con sẽ gây nhiễu cho tất cả các sóng mang con khác, làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng tín hiệu. Như được đề cập trong các tài liệu tham khảo, một sai lệch tần số nhỏ cũng có thể gây ra sự sụt giảm SNR đáng kể, được thể hiện qua Bảng 3.1 "Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ" trong tài liệu gốc.

2.1. Sai lệch thời gian ký hiệu STO và nhiễu xuyên ký hiệu ISI

Hiện tượng sai lệch thời gian ký hiệu (STO) xảy ra khi điểm bắt đầu lấy mẫu FFT tại bộ thu không trùng khớp với điểm bắt đầu thực sự của ký hiệu OFDM. Nếu sai lệch này nhỏ và vẫn nằm trong khoảng của tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix - CP), ảnh hưởng của nó chỉ là một sự xoay pha tuyến tính trên các sóng mang con, có thể được hiệu chỉnh tương đối dễ dàng thông qua khối ước lượng kênh (channel estimation). Tuy nhiên, nếu STO vượt quá độ dài của CP, một phần của ký hiệu trước đó hoặc ký hiệu kế tiếp sẽ lọt vào cửa sổ FFT của ký hiệu hiện tại. Điều này gây ra nhiễu xuyên ký hiệu (ISI), một loại nhiễu nghiêm trọng làm méo dạng tín hiệu và phá vỡ cấu trúc ký hiệu. Đồng thời, nó cũng gây ra nhiễu ICI do mất tính tuần hoàn của tín hiệu trong cửa sổ FFT. Việc khắc phục STO là bước đầu tiên và cơ bản trong quá trình đồng bộ.

2.2. Sai lệch tần số sóng mang CFO và nhiễu xuyên sóng mang ICI

Sai lệch tần số sóng mang (CFO) là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất trong hệ thống OFDM. Nó gây ra hai tác động tiêu cực: (1) suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn trên mỗi sóng mang con, và (2) tạo ra nhiễu xuyên sóng mang con (ICI) từ các sóng mang khác. ICI là kết quả của việc mất tính trực giao; năng lượng từ mỗi sóng mang con bị "rò rỉ" sang các sóng mang con lân cận. Mức độ nghiêm trọng của ICI tỷ lệ thuận với độ lớn của CFO. Ngay cả một CFO rất nhỏ, chỉ bằng một vài phần trăm khoảng cách giữa các sóng mang con, cũng có thể làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), dẫn đến việc tăng tỷ lệ lỗi bit (BER). CFO được chia thành hai phần: phần nguyên (Integer Frequency Offset - IFO) gây ra sự dịch chuyển vị trí của các sóng mang con, và phần thập phân (Fractional Frequency Offset - FFO) gây ra ICI. Việc ước lượng và hiệu chỉnh cả hai thành phần này là tối quan trọng.

III. Phương pháp đồng bộ thời gian OFDM dựa trên cấu trúc khung

Để giải quyết vấn đề sai lệch thời gian ký hiệu (STO), các kỹ thuật đồng bộ hóa thời gian được phát triển dựa trên các đặc điểm cấu trúc của tín hiệu OFDM. Mục tiêu chính là xác định chính xác ranh giới của từng ký hiệu để cửa sổ FFT có thể được đặt đúng vị trí. Có hai phương pháp tiếp cận chính được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thực tế và thường được mô phỏng trong các đồ án. Phương pháp thứ nhất khai thác sự tồn tại của tiền tố tuần hoàn (Cyclic Prefix - CP). Vì CP là một bản sao của phần cuối ký hiệu, nó tạo ra một sự lặp lại có chủ đích trong tín hiệu. Bằng cách sử dụng các thuật toán dựa trên tự tương quan (auto-correlation), bộ thu có thể trượt một cửa sổ dọc theo tín hiệu nhận được và tìm kiếm vị trí có độ tương quan cao nhất giữa hai khối dữ liệu cách nhau một khoảng bằng độ dài FFT. Đỉnh của hàm tương quan này sẽ chỉ ra điểm bắt đầu của ký hiệu OFDM. Phương pháp thứ hai sử dụng các ký hiệu huấn luyện (training symbols) hoặc chuỗi preamble được thiết kế đặc biệt. Các chuỗi này được chèn vào đầu mỗi khung truyền và có cấu trúc đã biết trước. Bộ thu thực hiện tương quan chéo (cross-correlation) giữa tín hiệu nhận được và chuỗi preamble đã lưu sẵn để tìm ra đỉnh tương quan, từ đó xác định thời điểm bắt đầu khung.

3.1. Kỹ thuật đồng bộ sử dụng tiền tố tuần hoàn Cyclic Prefix

Kỹ thuật này là một trong những phương pháp phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả. Nó không yêu cầu thêm bất kỳ tín hiệu phụ nào ngoài tiền tố tuần hoàn (CP) vốn đã có sẵn để chống ISI. Ý tưởng cốt lõi là tín hiệu trong khoảng CP giống hệt với tín hiệu ở phần cuối của vùng dữ liệu hữu ích. Thuật toán sẽ tính toán hàm tương quan giữa hai cửa sổ tín hiệu cách nhau N mẫu (với N là kích thước FFT). Khi các cửa sổ này nằm đúng vào vùng CP và phần cuối tương ứng của ký hiệu, hàm tương quan sẽ đạt giá trị cực đại. Các thuật toán kinh điển như của Van de Beek et al. sử dụng kỹ thuật này để đồng thời ước lượng cả STO và CFO. Tuy nhiên, phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi kênh đa đường, làm cho đỉnh tương quan bị "phẳng" và khó xác định chính xác trong môi trường SNR thấp.

3.2. Thuật toán Schmidl Cox Đồng bộ dựa trên Preamble

Thuật toán Schmidl & Cox là một phương pháp kinh điển sử dụng một chuỗi preamble được thiết kế đặc biệt. Preamble này bao gồm hai nửa giống hệt nhau. Ví dụ, một ký hiệu preamble P có thể được tạo ra bằng cách lặp lại một chuỗi A: [A A]. Bộ thu sẽ tính toán hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được với một độ trễ bằng một nửa độ dài preamble (N/2). Khi cửa sổ tương quan trượt qua đúng preamble [A A], nó sẽ tạo ra một đỉnh rất rõ nét trên metric thời gian, cho phép xác định chính xác điểm bắt đầu ký hiệu. Hơn nữa, góc pha của giá trị tương quan tại đỉnh này có thể được sử dụng để ước lượng phần thập phân của CFO. Các biến thể như thuật toán Minn và thuật toán Park được phát triển sau đó để cải thiện độ chính xác và giảm thiểu các đỉnh giả mà thuật toán Schmidl & Cox có thể tạo ra.

IV. Hướng dẫn các kỹ thuật đồng bộ tần số sóng mang CFO

Việc hiệu chỉnh sai lệch tần số sóng mang (CFO) là một trong những nhiệm vụ phức tạp và quan trọng nhất trong đồng bộ hóa tần số của hệ thống OFDM. Như đã phân tích, CFO phá vỡ tính trực giao và gây ra nhiễu ICI nghiêm trọng. Quá trình ước lượng và hiệu chỉnh CFO thường được chia thành hai giai đoạn: ước lượng thô (coarse estimation) và ước lượng tinh (fine estimation). Ước lượng thô nhằm mục đích xác định phần nguyên của CFO (IFO), tức là số lần dịch chuyển của các sóng mang con. Giai đoạn này thường sử dụng các cấu trúc đặc biệt trong chuỗi preamble, ví dụ như các chuỗi lặp lại ngắn, để tạo ra các đỉnh tương quan rõ rệt. Sau khi phần nguyên được bù trừ, giai đoạn ước lượng tinh sẽ xác định phần thập phân của CFO (FFO). Phần thập phân này chính là nguyên nhân trực tiếp gây ra ICI. Các thuật toán ước lượng tinh thường khai thác sự thay đổi pha gây ra bởi CFO trên các mẫu hoặc ký hiệu lặp lại. Ví dụ, góc pha của hàm tự tương quan trên tiền tố tuần hoàn (CP) hoặc trên các phần lặp lại của preamble có thể được sử dụng để tính toán chính xác FFO. Sau khi ước lượng, bộ thu sẽ nhân tín hiệu nhận được với một sóng sin phức để xoay pha ngược lại, loại bỏ ảnh hưởng của CFO trước khi đưa vào khối FFT.

4.1. Ước lượng CFO sử dụng góc pha của hàm tự tương quan

Đây là một kỹ thuật phổ biến để ước lượng phần thập phân của CFO. Nó tận dụng một thực tế là CFO gây ra một sự xoay pha tuyến tính theo thời gian. Khi có hai đoạn tín hiệu giống hệt nhau cách nhau một khoảng thời gian T (ví dụ như hai nửa của preamble trong thuật toán Schmidl & Cox, hoặc CP và phần cuối ký hiệu), CFO sẽ tạo ra một độ lệch pha là Δθ = 2π * CFO * T. Bằng cách tính tự tương quan của hai đoạn tín hiệu này, ta sẽ thu được một số phức. Góc pha của số phức này chính là Δθ. Từ đó, ta có thể dễ dàng tính toán giá trị CFO: CFO = arg(R) / (2πT), trong đó R là giá trị tự tương quan. Phương pháp này rất hiệu quả để ước lượng tinh FFO. Nó có thể được áp dụng trên preamble để ước lượng ban đầu, hoặc trên từng CP của mỗi ký hiệu dữ liệu để theo dõi sự thay đổi của CFO theo thời gian (tracking).

4.2. Đồng bộ tần số dựa trên ký hiệu Pilot Pilot aided

Trong các hệ thống OFDM, các ký hiệu pilot (hoặc sóng mang con pilot) được chèn vào giữa các ký hiệu dữ liệu ở những vị trí đã biết trước. Chức năng chính của chúng là để ước lượng kênh (channel estimation), nhưng chúng cũng có thể được tận dụng hiệu quả cho việc đồng bộ hóa tần số. Vì cả phía phát và phía thu đều biết giá trị của các pilot, bộ thu có thể so sánh tín hiệu pilot nhận được với giá trị gốc. Sự sai khác về pha giữa chúng sẽ phản ánh tổng hợp ảnh hưởng của kênh truyền và lỗi pha do CFO gây ra. Bằng cách quan sát sự thay đổi pha của cùng một pilot qua các ký hiệu OFDM liên tiếp, bộ thu có thể tách riêng và ước lượng được phần lỗi pha do CFO thặng dư (residual CFO) sau bước hiệu chỉnh thô. Kỹ thuật này rất quan trọng cho việc bám đuổi và hiệu chỉnh các thay đổi nhỏ, chậm của CFO trong quá trình thu dữ liệu, đảm bảo duy trì đồng bộ trong suốt phiên truyền.

V. Mô phỏng đồng bộ OFDM và ứng dụng thực tiễn trong đồ án

Đối với một đồ án kỹ thuật, việc chuyển từ lý thuyết sang thực hành là bước quan trọng nhất. Mô phỏng MATLAB và Simulink là những công cụ không thể thiếu để kiểm chứng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán đồng bộ OFDM. Một quy trình mô phỏng điển hình bao gồm các bước: xây dựng sơ đồ khối hệ thống OFDM hoàn chỉnh từ phát đến thu, tạo ra tín hiệu OFDM, cho tín hiệu đi qua một mô hình kênh truyền (ví dụ: kênh AWGN, kênh kênh fading đa đường Rayleigh), sau đó chủ động đưa các lỗi STO và CFO vào tín hiệu. Tại phía thu, sinh viên sẽ lập trình và triển khai các thuật toán đồng bộ đã nghiên cứu (ví dụ, thuật toán Schmidl & Cox, thuật toán dựa trên CP) để ước lượng và hiệu chỉnh các lỗi này. Hiệu năng của thuật toán được đánh giá bằng cách so sánh các giá trị ước lượng với giá trị lỗi thực tế, và quan trọng hơn là qua việc vẽ đồ thị tỷ lệ lỗi bit (BER) so với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Một đồ án thành công không chỉ dừng lại ở mô phỏng mà còn cần liên hệ đến các ứng dụng thực tiễn, phân tích cách các chuẩn như hệ thống 5G NR hay Wi-Fi 6 (802.11ax) triển khai các chuỗi preamble và tín hiệu tham chiếu để thực hiện đồng bộ hóa một cách hiệu quả.

5.1. Xây dựng mô hình mô phỏng MATLAB Simulink cho hệ thống

Để bắt đầu, cần xây dựng một chuỗi xử lý tín hiệu hoàn chỉnh trong MATLAB. Phía phát sẽ bao gồm các khối: tạo dữ liệu ngẫu nhiên, điều chế (ví dụ: QPSK, 16-QAM), ánh xạ lên các sóng mang con, thực hiện IFFT, chèn tiền tố tuần hoàn (CP) và chèn chuỗi preamble. Sau đó, mô hình kênh truyền sẽ được thêm vào, có thể là kênh nhiễu trắng cộng (AWGN) đơn giản hoặc kênh fading đa đường phức tạp hơn. Tại đây, các giá trị CFO và STO xác định trước sẽ được áp dụng lên tín hiệu. Phía thu sẽ thực hiện quy trình ngược lại, bắt đầu bằng khối đồng bộ. Khối này sẽ triển khai các thuật toán như tự tương quan hoặc tương quan chéo để tìm điểm bắt đầu khung và ước lượng CFO. Sau khi hiệu chỉnh, tín hiệu sẽ đi qua các khối gỡ bỏ CP, FFT, cân bằng kênh và giải điều chế. Cuối cùng, tỷ lệ lỗi bit (BER) được tính bằng cách so sánh dữ liệu thu được với dữ liệu gốc.

5.2. Phân tích kết quả và đánh giá hiệu năng các thuật toán

Sau khi xây dựng mô hình, bước tiếp theo là chạy mô phỏng với các giá trị SNR khác nhau và các mức độ lỗi đồng bộ khác nhau. Kết quả chính cần phân tích là đường cong hiệu năng BER vs. SNR. Cần có ba đường cong để so sánh: (1) hệ thống với đồng bộ hoàn hảo (làm đường tham chiếu), (2) hệ thống không có đồng bộ (để thấy tác động tàn phá của lỗi), và (3) hệ thống có triển khai thuật toán đồng bộ. Sự gần gũi giữa đường cong (3) và (1) cho thấy hiệu quả của thuật toán. Ngoài ra, cần đánh giá độ chính xác của các giá trị STO và CFO ước lượng bằng cách tính toán sai số bình phương trung bình (MSE). Một đồ án xuất sắc sẽ so sánh hiệu năng của nhiều thuật toán khác nhau (ví dụ, Schmidl & Cox vs. Minn) trong cùng một điều kiện kênh truyền để đưa ra kết luận về ưu và nhược điểm của từng phương pháp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN (Mô hình kênh) Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế (source coding) (channel coding) (modulation) Kênh vô tuyến (channel) Tín hiệu Giải mã nguồn Giải mã kênh Giải điều chế đích (source (Channel (Demodulation) (Destination) decoding) Decoding) Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền đi được xa.

Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến.

 Kênh truyền Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau. Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 2 Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA  Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi.

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn.  Sóng mang Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích.

Tuy nhiên, nhờ sóng mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin.

 Quản lý tài nguyên vô tuyến Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp. Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất.

Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ thống phát thanh và truyền hình.

Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ảnh. Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như hệ thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm). Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 3 Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Có thể phân loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường và ở khoảng cách ngắn). SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số.

Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ … và do đó gây ra hiện tượng đa đường. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa đường, … đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến. Suy hao truyền dẫn Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao.

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.

Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R  PR  PT GT GR (1.1) 4 R _ PR : Công suất tín hiệu thu được (W) _ PT : Công suất phát (W) _ GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) _ GT : Độ lợi anten phát _  : bước sóng của sóng mang _ R: bán kính truyền sóng vô tuyến Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: Lpt (db)  PT (db)  PR (db)  10 lg(GT )  10 lg(GR )  20 lg( f )  20 lg( R)  47, 6(db) (1.2) Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 4 Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau: Lpt (db)  10 lg(GT )  10 lg(GR )  20 lg(hBS )  20 lg(hMS )  40 lg( R) (1.3) Với _ hBS , _ hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station). Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) Đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu luôn có chướng ngại vật nên sẽ gây ra hiệu ứng fading.

Khi đó, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau và có độ trải trễ khác nhau và độ lợi cũng khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc. Có 3 trường hợp có thể xảy ra trên đường truyền vô tuyến: hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng. Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.

Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng. Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: - Thời điểm các bản sao này tới máy thu sẽ khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các phần này khác nhau. - Các bản sao này sẽ có công suất tới máy thu khác nhau do suy hao khác nhau, hay biên độ của các thành phần là khác nhau.

Hồ Thị Tường Vi_CCVT03A Trang 5 Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA Tán xạ LOS Phản xạ Nhiễu xạ Phát Thu Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các thành phần mà ta sẽ thu được - Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha. Tăng cường ở đây không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều hơn. - Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần ngược pha  Fading nhanh và fading chậm Ta xem xét 2 loại fading xem xét về mặt thời gian - Fading nhanh: gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh thiết bị thu. Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có thời gian truyền khác nhau.

Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay pha tín hiệu. Mỗi tín hiệu sẽ bị quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hay suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha.

- Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên. Sự thay đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100 lần bước sóng) và phụ thuộc kích thước vật cản gây nên. Sự thay đổi này xảy ra chậm nên được gọi là fading chậm.