Chương 1: Giới thiệu Một trong số những công nghệ 4G nổi bật và đang được triển khai trên thế giới là mạng mobie WiMAX, một công nghệ được phát triển theo tiêu chuẩn IEEE 802. Mục tiêu của hệ thống này là khắc phục được những vấn đề về đa đường và môi trường vô tuyến khó có thể ước lượng trong hệ thống thông tin di động, vì vậy mà WiMAX tích hợp những công nghệ tiên tiến như MIMO (multi input multi output), OFDMA (multi-user Orthogonal Frequency Division Multiplexing), AMC (adaptive modulation and coding). Để thực hiện việc thiết kế một cách chính xác hệ thống vô tuyến thì việc đánh giá và ước lượng chính xác mô hình kênh truyền cực kì quan trọng vì môi trường thông tin di động luôn thay đổi và khó tìm hàm truyền của kênh truyền một cách hoàn hảo, nhiều mô hình kênh truyền được đề xuất theo môi trường thực tế và mô hình tính toán cho kênh truyền vô tuyến [4], các giải thuật ước lượng kênh truyền dưới sự ảnh hưởng của các loại nhiễu như ISI, nhiễu Gauss, môi trường đa đường cũng được nghiên cứu trong đề tài này. Ước lượng kênh có thể thực hiện bằng cách đưa một số tone pilot vào mỗi ký tự OFDM.
Đó là phương pháp ước lượng kênh pilot kết hợp dạng lược (comb) và khối ( block), được đưa ra để đáp ứng cần thiết cho cân bằng khi kênh thay đổi nhanh, thậm chí thay đổi ngay trong một khối OFDM. Ước lượng kênh pilot dạng kết hợp bao gồm giải thuật để ước lượng kênh tại tần số pilot và nội suy kênh tại các tần số chứa dữ liệu [5]. Các bộ cân bằng miền tần số được sử dụng phổ biến là LS (Least Square), MMSE (Minimum Mean Squared Error), ML (Maximun Likelyhood)…Tuy nhiên các bộ cân bằng này không cho kết quả tốt trong điều kiện fading [6]. Vì vậy những bộ cân bằng có thể thay đổi thích nghi dựa vào điều kiện của kênh truyền được ứng dụng trong trường hợp này.
Kalman là họ bộ lọc thích được nghiên cứu ứng dụng trong hệ thống ước lượng kênh truyền do giải thuật cho kết quả tốt trong môi trường fading. Đề tài này phát triển bộ lọc Unscented Kalman (UKF) [1], [2], [3] kết hợp với phương pháp ước lượng dựa trên cấu trúc Pilot dạng comb để xây dựng bộ cân bằng thích nghi cho hệ thống ước lượng kênh truyền có khả năng đáp ứng tốt trong môi trường fading, sử dụng các tham số mô phỏng theo tiêu chuẩn WiMAX di động để xây dựng hệ thống OFDM. 1 HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ths Nguyễn Đức Quang Điều chế OFDM Chương 2 Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM 2.Giới thiệu chương Kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được sử dụng phổ biến hiện nay đặc biệt là trong hệ thống WiMAX di động. Hiện nay kỹ thuật này ngày càng phát triển với việc cho ra đời nhiều chuẩn mới, nhưng nó vẫn dựa trên kỹ thuật OFDM cơ bản.
Trong chương này sẽ trình bày khái niệm cơ bản, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế của kỹ thuật điều chế OFDM. Qua đó, thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này được ứng dụng trong hệ thống Wimax nói chung và những kỹ thuật truyền thông khác.Giới thiệu về kỹ thuật OFDM 2.Lịch sử phát triển OFDM là thuật ngữ mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng thuật ngữ này đã xuất hiện cách đây hơn 40 năm: Năm 1966, R. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ. Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc).
Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM. Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI. Năm 2003, IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh, ước lượng kênh để hạn chế lỗi xảy ra trên kênh truyền.
Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi 2 HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ths Nguyễn Đức Quang Điều chế OFDM Chương 2 (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu.Khái niệm Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu.
Con số này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định. Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh. Các ưu và nhược điểm của kĩ thuật OFDM Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một số ưu điểm sau đây : - Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter- Symbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.
- OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng. - Cấu trúc máy thu đơn giản. Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau : 3 HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ths Nguyễn Đức Quang Điều chế OFDM Chương 2 - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền. - Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ.
- Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.Nguyên lý điều chế OFDM 2.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường giảm xuống. Nhiễu ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
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. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. 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. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, 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. 4 HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Ths Nguyễn Đức Quang Điều chế OFDM Chương 2 Hình 2.1 So sánh kĩ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kĩ thuật sóng mang chồng xung (b) Về bản chất ta có thể thấy rằng OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên.
Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các 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 nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế.
Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Sơ đồ hệ thống OFDM: 5 HVTH: Phạm Phú Mỹ GVHD: PGS.
