chương 1 này sẽ tìm hiểu về hệ thống Wimax. Tổng quan về OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), ghép kênh tần số phân chia trực giao, là một trường hợp đặc biệt của ghép kênh phân chia tan số FDM. OFDM là nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến, là kỹ thuật điều biến và ghép kênh số, trong đó một tín hiệu được tách ra làm nhiều kênh băng hẹp tại những tần số khác nhau, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luéng tốc độ thấp hơn, truyền đi trên những sóng mang con trực giao. Uu điểm nôi bật của nó là kha năng chong lại fading chon lọc tân sô.
Nguyên lý co bản về OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu nối tiếp thành các luồng dit liệu song song va phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian ký tự tăng lên do các sóng mang con song song cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký tự OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký tự OFDM được bảo vệ theo chu ky dé tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phô và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phố có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng pho, ta có thé 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 cân trực giao với nhau. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chong lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận.
Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phd trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kế cho hệ thống OFDM bang 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. Chanell -**-~*~~~~~~ Channel10 hj/00Annnf— Tân sô c—-. Tiết kiệm băng thông v Tân sô (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) va kỹ thuật sóng mang chong xung (b).
Về ban chat, OFDM là một trường hop đặc biệt của phương thức phat da 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 bô một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đôi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian ký tự tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống. Hệ thống thông tin sử dụng điều chế đa sóng mang phát song song N,.
ký hiệu nguồn S,, với n= 0,. sóng mang con. Các ký hiệu nguồn có thê là kêt quả của quá trình mã hóa nguôn và mã hóa kênh, chèn và ánh xạ ký hiệu. Chu kỳ ký hiệu của chuỗi các ký hiệu nguồn nối tiếp là 7, sau khi chuyển đối nối tiếp — song song sẽ được các ký hiệu OFDM có chu kỳ là T,: 1y = NgTụ (1.1) Nguyên t e co bản của OFDM là điều chế N„ chuỗi con trên các sóng mang con có tần số cách đều nhau một khoảng: l hạ =—— (1.2) T1 Đề đạt được tính trực giao của các tín hiệu trên NV.
sóng mang con, sử dụng định dạng xung kiểu cửa số chữ nhật điều chế w, ký hiệu nguồn song song S, với n=0,1,.-1 được gọi là ký hiệu OFDM. sóng mang con có các tan sô là: f, = oe , n=Q,.4) Chúng ta cũng có thé kiểm chứng tính trực giao trong miễn tần số dựa vào pho của tín hiệu OFDM. Trong miền tần số, phố của mỗi sóng mang con có dang hàm sin(x)/x (do mỗi ký hiệu trong miễn thời gian được giới hạn bởi dạng xung chữ nhật). Phd của mỗi sóng mang con có một đỉnh ở trung tâm và các điểm 0 cách tần số trung tâm nay các khoảng băng khoảng cách tan số của các sóng mang.
Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang con này sẽ ứng với vi trí 0 của các sóng mang con khác. 9A -5 i | 1 2 93 4 5Š 6 6 6 +4 3 2 -!1 0 1 2 3 4 Frequency (Carrier spacings) Frequency (Carrier spacings) (a) (b) (a) phố mỗi sóng mang con và các mẫu rời rac nhận được ở máy thu (b)Ph6 của tín hiệu kết hợp bởi 5 sóng mang con Hình 1.2: Ph các sóng mang con trong h th ng OFDM Đường bao phức của ký hiệu OFDM theo phương pháp định dạng xung chữ nhật có dạng: 1 Next —, x(t) = — » Sen, O<t<T, C n=0 (1.-1) chính là các tín hiệu lay mau x(t) với tốc độ 1/7,. Đồng thời ta cũng nhận thay chúng là biến đối IDFT của chuỗi ký hiệu nguôn S,, voin=0,. Như đã biết, OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ nhiều sóng mang con mang các bit thông tin.
Bang cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự. Tuy nhiên, bất lợi là mỗi sóng mang cần có một máy phát sóng sine, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang con rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Nham giải quyết van dé này, giải thuật IDFT/DFT (Inverse Discrete Fourier Transform/ Discrete Fourier Transform) có vai trò như hàng loạt bộ điều chế và giải điều chế.
Thực tế, nếu dùng giải thuật IFFT/ FFT ( Inverse Fast Fourier Transform/ Fast Fourier Transform) ta có thể giảm độ phức tạp của hệ thống đi rất nhiều. IDFT N điểm yêu cầu N2 lần nhân phức, thực chất chỉ là các phép quay pha (phase rotation), tất nhiên cũng có phép cộng, nhưng sự phức tạp về phần cứng của phép cộng đơn giản hơn nhiều so với phép nhân hoặc dịch pha nên ta chỉ so sánh các phép nhân. IFFT giảm đáng kế số lượng phép tính bằng việc lợi dụng tính đều đặn trong hoạt động của IDFT. Sơ đồ khối hệ thống OFDM Dữ liệu|.
ha xa Chén +> Khuéch „|khoảngL „| P/S glđại điều Pe2Í sảu [7] S/P LoHEFT | bảo vệ chế RF i chế Kenh ron AWG < , Cân [ Dữ liệu bằng |\ <—|Loabỏi Tuệ ngõ ra | Giải |j_|P/S |e kênh |À_|FFT|, |khoảng|_|S/P[“ | ê en¿ <—| điều ê chế truyền bảo vệ Hình 1.3:Sơ đồ kh ¡xử lý tín hi u OFDM Hình 1.3 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống thu phát OFDM tiêu biểu. Đầu tiên dữ liệu nhị phân tốc độ cao sẽ được điều chế ánh xạ bang M-QAM va duoc ma hoa bang cách sử dung thuật toán sửa lỗi thuận (FEC) va được s p xếp theo một tự hỗn hợp. Các ký tự điều chế sau đó sẽ được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (SP: Serial/Parrallel). Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khói IDFT.
Khối này sẽ tính toán các mau thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miễn tân sô. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vao để giảm nhiễu xuyên ky tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường tạo thành các ký tự OFDM. Các ký tự OFDM song song qua bộ chuyển từ song song sang nối tiếp. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tan số cao dé truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu tr ng cộng AWGN. Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tan số thấp và tín hiệu rời rac dat được tại bộ thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miễn tan số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ điều chế được sử dung, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân băng băng bộ cân băng kênh.
Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được s p xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu được dòng dữ liệu nói tiếp ban đầu. Điều chế và giải điều chế: X, | d, - C 1, > | X0 > d, Signal x, Xx, Signal â Mapper 7 7” Demapper > * số. vay | N ly N¬1 œ »> O Hình 1.4: Bộ diéu chế và giải diéu chế Tung ký tự b bít sẽ được đưa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lượng kênh truyền.
Một ký tự b bit sẽ tương ứng một trong M = 2” trạng thái hay một vi trí trong giản đô chòm sao. e BPSK sử dụng ký tự Ibit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 0° hoặc 180°, tốc độ baund hay tốc độ chuỗi sẽ bang tốc độ bit Baund=ï, e QPSK sử dung ký tự 2 bit (Dibit), Baund =R;/2. e 8-PSK hay 8-QAM sử dung ky tự 3 bit (Tribit), Baund=E,/3. e 16-PSK hay 16-QAM sử dung ký tu 4 bit (Quabit), Baund=#,/4.
a Baud rate = /V Bit rate = NV [olo[T1[o[iT[o[oT[o[r[os[i[e[rT[e[rTs] ae Baud rate = NV Bit rate = 2/V }o of 4 0 | 1 0 | 0 0 | 1 0 | 1 0 | 1 1: 0 | a Baud rate = NV Bit rate = 3/V | O O i | O 1 lộ) | O O 1 | 18) 1 18) | 1 1 1 | O SG Baud rate = NV Bit rate = 4N | O O 1 18) | 1 0 lô) lô) | 1 O 1 O | 1 1 1 0 Hình I5:Quanh giữa ! c độ ký tự và t c độ bit phụ thuộc vào s bit trong mot ky tự Số bit được truyền trong một ký tự tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng thông Beticieney=Rp/Br=log2(M)=b[bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng sé tăng lên. Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường không nhiễu: C=2PlogazM trong đó B là băng thông của kênh truyền. Do đó ta không thé tăng Ä⁄ lên tùy ý được, công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một ký tự. Một số phương thức điều chế số thường dùng trong bộ Mapping: +M-PSK (M-Phase shift keying) Song mang chi thay đôi về pha phụ thuộc bit vào, mà không thay đổi biên độ.
nên công suất của tín hiệu không đổi. Một số dang PSK thường gap: - BPSK có 2 trạng thai pha phụ thuộc vào 1 bit vào.