Mở đầu Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency- division multiplexing) là một phƣơng pháp mã hóa các dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một 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 với tốc độ thấp hơn cho nên lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM đƣợc bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Trong OFDM, các kênh truyền con có khả năng chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con trực giao với nhau. Bên cạnh những ƣu điểm đƣợc kế thừa từ điều chế đa sóng mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều.2 Đa sóng mang Số lƣợng sóng mang đƣợc lựa chọn sao cho độ dài ký tự tại các kênh con lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con hay băng thông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền. Điều kiện đó ngăn chặn nhiễu giữa các ký tự trong mỗi kênh truyền con.
Với một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông B. Giả sử kênh truyền là kênh Fading lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh truyền (Bc) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (Bc<B). Hệ thống đƣợc chia nhỏ thành N hệ thống điều chế con, mỗi kênh truyền con có băng thông BN = B/N << Bc, cho phép ngăn chặn nhiễu fading trên mỗi kênh con. Tƣơng ứng trên miền thời gian TN ≈ 1/BN >> 1/BC ≈ Tm với Tm là thời gian trễ của kênh truyền.
Do vậy nếu N càng lớn thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh truyền nên ngăn chặn đƣợc nhiễu ISI trong kênh truyền. Tín hiệu điều chế đa sóng mang đƣợc tạo ra bởi hệ thống (Hình 1.1), dữ liệu gồm N đƣờng khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để sửa dạng tín hiệu thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BN với β là hệ số của xung. Tín hiệu điều chế kết hợp của tất cả các kênh con đƣợc cộng lại để tạo dạng tín hiệu phát s(t) N 1 si t si g t cos2f i t i (1.1) i 1 trong đó si là ký tự cần truyền trên sóng mang thứ i, i là sai pha của sóng mang thứ i, sóng mang thứ i có tần số fi = f0 + i. Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang [2] Khối mapper là khối chuyển đổi tƣơng ứng một chuỗi bít thành ký tự phức, khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi nhƣ QAM, QPSK, … Bộ thu cho kiểu điều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện nhƣ hình 1.
Tín hiệu thu đƣợc gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền đƣợc cho qua các bộ lọc để tách ra tín hiệu tƣơng ứng trong từng kênh con khác nhau. Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tƣơng ứng và ánh xạ ngƣợc các ký tự thu đƣợc để thu đƣợc chuỗi bit của từng kênh truyền. Bộ chuyển đổi nối tiếp sóng sóng liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại dạng dữ liệu ban đầu.2 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang [2] 1.3 Sóng mang trực giao Các hàm đƣợc coi là trực giao với nhau nếu thoả mãn điều kiện sau: T C khi i j 0 s i (t ) s j (t )dt 0 khi i j (1.2) Các hàm sin thoả mãn phƣơng trình sau là trực giao Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3) 0 víi t cßn l¹i các hàm này biểu diễn các subcarrier cho tín hiệu OFDM chƣa điều chế. Trong đó f0 là khoảng cách giữa các subcarrier, M là số subcarrier, T là chu kỳ ký tự.
Do thành phần có tần số cao nhất là Mf0 nên băng tần cũng là f0.3 Các sóng mang trực giao Hình 1.4 Biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian.4 Cơ sở phƣơng pháp OFDM Thực chất phƣơng pháp OFDM là chia dòng dữ liệu đầu vào thành nhiều dòng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần. Sau đó truyền chúng trên trên những sóng mang phụ nhƣ là những kênh con. Các sóng mang phụ đƣợc ghép tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu với nhau. Việc ghép nhƣ vậy làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần rõ rệt.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 Một sóng mang phụ về mặt toán học i(t) đƣợc biểu diễn dƣới dạng hàm Exp nhƣ sau: i(t) = Ae j(2ft) (1.5) T Độ rộng phổ của hàm i(t) đƣợc tính theo biểu thức: sin 2ft i ( f ) A (1.6) 2 ft Mật độ phổ công suất của sóng mang i(t) nhƣ công thức (1. Trong đó phổ có một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm 0 tại các tần số biên tƣơng ứng với các bội số tốc độ của dãy symbol đƣa vào điều chế. Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ trực giao nhau khi chúng thoả mãn điều kiện: b O (khi : n m) n (t ).7) a Trong đó *m(t) là giá trị liên hợp phức của m(t); K là hằng số; n và m là số nguyên dƣơng thuộc N. Xét 2 hàm số có tần số liên tiếp trực giao: n (t ) e j( n0t ) (1.5 Phổ mật độ công suất Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.14) Vậy tích phân của 2 hàm Exp có tần số liên tiếp là n+1 = n+ 2.1/T0 xác định trong khoảng (a, a+T0) có giá trị bằng 0 là trực giao nhau.6 biểu diễn mật độ phổ của 2 sóng mang có tần số liên tiếp trực giao nhau.
Ý nghĩa vật lý của nó là khi giải điều chế một sóng mang này bộ giải điều chế sẽ "Không thấy" sóng mang kia. Nghĩa là các sóng mang không gây nhiễu lẫn nhau. Về mặt phổ tín hiệu, điểm phổ có năng lƣợng cao nhất của một sóng mang sẽ trùng với điểm phổ có năng lƣợng bằng không của sóng mang lân cận. Do các sóng mang đặt rất gần nhau nên hiệu quả sử dụng phổ rất cao.6 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao n f Hình 1.7 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM) Nhƣ vậy, tính trực giao giữa các sóng mang phụ có thể đƣợc lý giải nhƣ sau.
Mỗi sóng mang phụ đƣợc điều chế bởi dòng dữ liệu con sẽ cho phổ nhƣ hình 1. Khi khoảng cách giữa các sóng mang phụ đƣợc lựa chọn sao cho thỏa mãn tính trực giao nhau, nghĩa là đỉnh phổ của một sóng mang phụ trùng với các điểm không của phổ các sóng mang phụ còn lại. Việc giải điều chế của từng sóng mang phụ vì thế sẽ không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang phụ khác. Điều này giống nhƣ việc giải điều chế kết hợp không có ISI (Inter Symbol Interference) thực hiện trong miền thời gian đối với tín hiệu số truyền qua kênh có đặc tính lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất, ở đây chỉ khác là tính trực giao đƣợc xét trong miền tần số.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.8 Sơ đồ khối thu phát OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng dữ liệu sóng sóng tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/sóng sóng (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu sóng sóng sau đó đƣợc mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và đƣợc sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đƣờng. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đƣợc tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT.
Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu đƣợc sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và đƣợc giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận đƣợc dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.2 Đặc điểm của OFDM Phân chia kênh Trong OFDM, kênh truyền đƣợc tạo nên dựa trên sự phân chia nguồn tài nguyên thành các sóng mang con (sub-carrier) và các ký hiệu (symbol). Kênh truyền bởi tất cả các sóng mang con của ký hiệu đƣợc dùng để cung cấp dữ liệu cho một ngƣời dùng xác định.10 mô tả sự phân kênh của OFDM.
Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.9 Phân chia tài nguyên [4] Hình 1.10 Phân chia kênh trong OFDM [10] Chèn khoảng bảo vệ và đồng bộ Do hiệu ứng truyền đa đƣờng, nên phần đầu mỗi symbol sẽ bị nhiễu bởi symbol trƣớc đó. OFDM khắc phục điều này bằng cách chèn thêm một khoảng bảo vệ trƣớc mỗi symbol nhƣ trên hình 1. Guard Interval Useful symbol duration duration time OFDM symbol frequency Hình 1.11 Chèn khoảng bảo vệ [2] Hệ thống sử dụng các sóng mang phụ "pilot" trải đều trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò là các điểm đánh dấu đồng bộ (Synchronisation Markers) nhƣ trên Điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Tín hiệu pilot đƣợc sử dụng để đồng bộ khung, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian, đánh giá kênh truyền, nhân dạng mode truyền.