Tài liệu KỸ THUẬT OFDM pptx

Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ OFDM hiện nay đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong các tiêu
chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng
truy nhập Internet băng thông rộng ADSL, …Hiện nay công nghệ này đang được ứng
dụng trong hệ thống truy nhập Internet không dây băng rộng WIMAX theo các tiêu
chuẩn IEEE 802.16 và trong hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 cũng như nhiều hệ
thống viễn thông khác.
WIMAX là một công nghệ không dây băng thông rộng mang lại tốc độ kết nối
nhiều Megabit và thông lượng cao cho phép truy cập một khối lượng lớn các dữ liệu
như phim và các nội dung đa phương tiện, đồng thời có phạm vi phủ sóng rộng giúp
mang lại khả năng truy cập tới các dữ liệu trong khoảng cách xa.
Hiện nay nhiều hãng sản xuất các thiết bị điện tử như Laptop, điện thoại và các
thiết bị văn phòng khác đã tích hợp các phần cứng cũng như các phần mềm ứng dụng
của công nghệ WIMAX vào các sản phẩm của mình để đáp ứng được nhu cầu ngày
càng cao và phong phú của khách hàng.
Các thiết bị WIMAX này đã được kiểm tra về khả năng tương thích với nhau sẽ
giúp khách hàng dễ dàng hơn khi chuyển vùng từ hệ thống mạng này sang hệ thống
mạng khác với các thiết bị Internet của mình, mang lại cho người sử dụng một trải
nghiệm di động luôn được kết nối .
Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ WIMAX chúng ta hãy đi vào tìm hiểu cơ
sở và các ứng dụng của kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-
Othogonal Frequency Division Multiplex ) trong hệ thống WIMAX mà điển hình là kĩ
thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM của WIMAX.
SVTH: ………………. Trang 1
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
MỤC LỤC
SVTH: ………………. Trang 2
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
SVTH: ………………. Trang 3
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM

Chương I. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Lịch sử phát triển
OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ
bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự
tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả
sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống
không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ
bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể thay
đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng
của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang rriêng có thể hoạt động ở tốc độ
bit nhỏ dẫJn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài . Ví dụ, nếu muốn truyền
với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ
hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa
đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang,chu kỳ của
mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn
giản hơn.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ
vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên
thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng
phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và
phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu
những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en
Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề
xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó
là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự
phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng
trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi
nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày
nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông
tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded

OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã
kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất
SVTH: ………………. Trang 4
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác
nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế
khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật
OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ
thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng
HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn
IEEE.802.11a.
1.2 Ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM
1.2.1 Ưu điểm
+ Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
+ Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng
mang phụ chỉ chịu fading phẳng.
+ Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm
khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.
+ Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.
+ Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao.
+ Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
1.2.2 Nhược điểm
+ Nhạy với offset tần số
+ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ.
Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler.
+ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập
tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu
được.
+ Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh
hưởng của ICI và ISI.

+ Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio)
là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau.
Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn.
Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy,
PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
+ Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng
tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol. Với một kênh
truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet có thể bằng khoảng bảo
SVTH: ………………. Trang 5
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
+ Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi
một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có
ích.
1.3 Các cột mốt và ứng dụng của kĩ thuật OFDM
1957: Kineplex, multi-carrier HF modem
1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM
1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ
1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động
1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting
1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên
1997: Chuẩn ETSI DVB-T
1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN
1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN
2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM)
2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16
2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN
2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)
2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN
(WiMAX)
Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN
2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)
Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)
1.4 Ứng dụng của kĩ thuật OFDM ở việt nam
Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền
trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng
mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ
thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet
thông thường.
SVTH: ………………. Trang 6
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ở
Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất
DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và
DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về
thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai
thác một cách rộng rãi ở Việt Nam.
1.5 Hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ
thuậtOFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu
(MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công
nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu
với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi
Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất
đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy
nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn

nữa trong tương lai.
SVTH: ………………. Trang 7
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Chương II. Ước Lượng Kênh truyền trong hệ thống OFDM
2.1 Giới thiệu
Kỹ thuật điều chế có thể được phân làm hai loại là điều chế vi sai (differential) và
điều chế kết hợp (coherent). Khi dùng kỹ thuật điều chế vi sai thì không cần phải ước
lượng kênh truyền vì khi đó thông tin đã được mã hóa sao cho có sự sai biệt nhau giữa
hai ký tự liên tiếp nhau. Đây là một kỹ thuật được dùng phổ biến trong hệ thống thông
tin vô tuyến vì khi không yêu cầu phải ước lượng kênh truyền thì độ phức tạp ở phía
thu sẽ giảm đi. Điều chế vi sai được dùng trong chuẩn DAB (Digital Audio
Broadcast) của Châu Âu. Điều gây trở ngại khi dùng kỹ thuật điều chế này là nó sẽ
làm gia tăng nhiễu thêm 3dB và ta cũng không thể sử dụng những kỹ thuật điều chế
chòm sao đa biên độ một cách hiệu quả được (efficient multiamplitude constellations).
Một trong số các kỹ thuật DPSK được quan tâm là điều chế khóa dịch pha biên độ vi
sai (differential amplitude phase shift keying), khi đó ta sẽ có được hiệu quả phổ tốt
hơn DPSK nếu sử dụng tốt mã hóa biên độ vi sai. Hiển nhiên điều này yêu cầu sự phân
phối biên độ không đồng đều (non uniform amplitude distribution). Tuy nhiên trong hệ
thống thông tin có dây thì kênh truyền sẽ không thay đổi theo thời gian nên kỹ thuật
điều chế kết hợp là sự lựa chọn hiển nhiên. Nhưng trong hệ thống không dây, hiệu quả
của kỹ thuật điều chế kết hợp giúp nó trở thành sự lưu chọn lý tưởng khi hệ thống yêu
cầu tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) cao như trong hệ thống DVB.
Ước lượng kênh truyền trong hệ thống có dây thì không phức tạp, kênh truyền
được ước lượng ngay tại thời điểm bắt đầu và kể từ thời gian đó kênh truyền là như
nhau, do vậy không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong khuôn
khổ của luận văn này chỉ đề cập ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM vô
tuyến. Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ước lượng kênh truyền cho hệ thống
vô tuyến. Vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa pilot thông tin sẽ được truyền
như thế nào. Ký tự pilot cùng với ký tự dữ liệu có thể được truyền trong một số cách
khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau. Vấn đề thứ hai là việc thiết kế

bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức tạp thấp và hiệu suất tốt.
Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất của bộ nội suy phụ thuộc vào
việc Pilot thông tin được truyền đi như thế nào.
SVTH: ………………. Trang 8
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
2.2 Tính trực giao trong OFDM
Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được đặt cách nhau một
khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ
giải điều chế thong thường. Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các
sóng mang khác nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này
làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống
Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của
chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự
can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về
mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi
sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của
symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống
tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ), thì kết quả tính tích
phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với
nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến
nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-Carrierinterference) cũng làm
mất đi tính trực giao .
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền
tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing ). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP.
Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo định
nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau hay là
tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau,
tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
Hình 2.1 : Tích 2 vectơ trực giao bằng 0

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không (ví
dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ). Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của
SVTH: ………………. Trang 9
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân có thể
được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng
sin có thể được viết như sau:
Quá trình tính tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích bên
dưới đường cong tín hiệu. Do đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau :
Hình 2.2 : Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau.Ta
nhận thấy quá trình này cũng bằng 0.
Hình 2.3 : Tích phân các sóng sin có cùng tần số
SVTH: ………………. Trang 10
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương,
giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình trên). Đây là cơ cấu rất quan trọng cho
quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được sang
miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT).
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số (digital domain)
bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng mang được
tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác. Sau đó phép tích phân
được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không ngoại trừ sóng mang
được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu quả và giá trị symbol
của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng
cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Nhiều lý
thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao.
2.3 Ước lượng kênh truyền
Tổng quan một hệ thống OFDM được trình bày ở hình 2.1. Nguồn tín hiệu là
một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như

QPSK, Mary-QAM. Tín hiệu dẫn đường (Pilot symbols) được chèn vào nguồn tín
hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn
chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ
chuyển đổi số/tương tự trước khi truyền trên kênh truyền vô tuyến qua anten phát. Tín
hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN.
Tín hiệu dẫn đường pilot là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía
thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như
việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Máy thu thực hiện các chức năng
ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì
hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục
hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua pilot nhận được ở phía thu. Tín
hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia
làm hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ
cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là pilot được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền.
Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi
phục lại tín hiệu ban đầu.
SVTH: ………………. Trang 11
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Hình 2.4 Tổng quan một hệ thống OFDM
2.4 Các kĩ thuật điều chế trong ước lương kênh truyền
2.4.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation)
Ước lượng kênh truyền thông thường cần một số loại pilot thông tin như một
điểm tham khảo. Ước lượng kênh truyền thường đạt được bằng cách ghép những ký tự
đã biết, được gọi là ký tự pilot vào trong chuỗi dữ liệu, và kỹ thuật này được gọi là
điều chế thêm vào ký tự pilot (Pilot Symbol Assisted Modulation - PSAM). Phương
pháp này tiến hành chèn những phần đã biết vào luồng ký tự thông tin có ích với mục
đích thăm dò kênh truyền. Những ký tự pilot này cho phép bộ thu rút ra được suy hao
của kênh truyền và độ xoay pha để ước lượng cho mỗi ký tự thu được, giúp cho việc
bù fading đường bao và pha. Một kênh truyền fading yêu cầu việc bám (tracking)
kênh truyền không ngừng, vì vậy mà pilot thông tin ít nhiều gì cũng phải được truyền

liên tục. Pilot thông tin được truyền có thể ở dạng pilot rời rạc hoặc phân tán hoặc cả
hai. Nhìn chung thì kênh truyền fading có thể được xem như là một tín hiệu 2-D (thời
gian và tần số), kênh truyền fading này được lấy mẫu tại những vị trí có pilot và suy
hao kênh truyền ở những vị trí nằm giữa những pilot này được ước lượng bằng nội
suy.
SVTH: ………………. Trang 12
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Hình 2.5: Ví dụ về việc truyền pilot liên tục và phân tán ở những vị trí
sóng mang biết trước.
2.4.2 Sự sắp xếp các pilot (Pilot Arrangements)
Việc sử dụng những ký tự pilot để ước lượng kênh truyền như đã giới thiệu ở trên
và trong khi sử dụng thì điều mong muốn là phải đạt được số ký tự pilot càng ít càng
tốt. Vấn đề phải quyết là phải chèn pilot ở đâu và chèn như thế nào. Khoảng cách giữa
các pilot phải đủ nhỏ sao cho quá trình ước lượng kênh truyền đạt được độ tin cậy.
Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bằng cách hoặc là chèn pilot vào tất
cả các sóng mang của ký tự OFDM theo chu kỳ ở miền thời gian hoặc là chèn pilot
vào mỗi sóng mang của ký tự OFDM ở miền tần số hoặc chèn pilot ở cả miền tần số
và miền thời gian.
2.4.2.1 Sắp xếp Pilot dạng khối
Dạng thứ nhất được gọi là ước lượng kênh truyền theo pilot dạng khối và
thường được sử dụng đối với kênh truyền fading chậm, cách sắp xếp pilot này cho kết
quả tốt khi hàm truyền của kênh truyền không có sự thay đổi quá nhanh. Nếu đáp ứng
của kênh truyền biến đổi nhanh thì việc ước lượng kênh truyền sẽ không còn đúng nữa
và sẽ dẫn đến giải mã sai chuỗi bit nhận được. Khi đó người ta sẽ dùng một bộ cân
bằng hồi tiếp quyết định để cập nhập lại các giá trị ước lượng cho mỗi sóng mang con
mang dữ liệu ở giữa các ký tự pilot dạng khối.
SVTH: ………………. Trang 13
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Hình 2.6: Kiểu chèn pilot dạng khối
Tuy nhiên, nếu kênh truyền là fading nhanh thì bộ cân bằng hồi tiếp quyết định

sẽ chỉ làm giảm đến mức tối thiểu sự thiếu hụt thông tin trạng thái của kênh truyền.
Cho nên bắt buộc phải tăngchu kỳ cập nhập của sóng mang pilot, và điều này sẽ dẫn
đến làm giảm băng thông có ích dùng để truyền dữ liệu hoặc phải chuyển qua dùng
cách sắp xếp pilot dạng lược.
Ở kiểu sắp xếp pilot dạng khối thì kênh truyền được ước lượng bằng kỹ thuật
bình phương nhỏ nhất (Least Square - LS) hoặc cực tiểu trung bình bình phương lỗi
(Minimum Mean Square Error - MMSE).
2.4.2.2 Sắp xếp Pilot dạng lược
Hình 2.7: Kiểu chèn pilot dạng lược.
Dạng thứ hai là cách sắp xếp pilot dạng lược, dạng này có thể được sử dụng để
bám kênh truyền biến đổi nhanh, thậm chí trong trường hợp sự biến đổi này xảy ra
bên trong một chu kỳ thời gian của một ký tự OFDM đơn. Những ký tự pilot được sắp
SVTH: ………………. Trang 14
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
xếp tuần hoàn tại một vài vị trí sóng mang trong mỗi ký tự OFDM nên phía thu sẽ liên
tục có được thông tin về trạng thái kênh truyền. Tuy nhiên những thông tin về trạng
thái kênh truyền có được từ những pilot này vẫn chưa hoàn chỉnh. Việc ước lượng
kênh truyền tại vị trí các sóng mang pilot có thể được tính toán bằng kỹ thuật LS hoặc
MMSE, trong khi đó kênh truyền tại vị trí các sóng mang con mang dữ liệu được ước
lượng bằng cách thực hiện nội suy từ đáp ứng giữa những sóng mang pilot. Nhiều kỹ
thuật nội suy có thể được sử dụng bao gồm nội suy tuyến tính, nội suy bằng đa thức,
nội suy spline, và nhiều kỹ thuật khác với độ chính xác và hiệu quả khác nhau. Hình
ảnh sắp xếp của pilot dạng khối và dạng lược được minh họa như hình (2.3), (2.4).
2.4.2.3 Nguyên tắc chèn pilot ở miền tần số và miền thời gian
Hình 2.8 : Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và miền thời gian
Hình 2.9: Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền trong sự lựa chọn sự
sắp xếp các pilot (ở hình trên : CIR là đáp ứng xung của kênh truyền – Channel
Impulse Response).
SVTH: ………………. Trang 15
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM

Pilot có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian như
trình bày ở hình 2.7 và hình 2.8. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai pilot liên tiếp nhau
phải tuân theo qui luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số, sự
biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
τ
max
(maximum propagation delay). Với ký hiệu r
f
tỷ số lấy mẫu (oversampling rate) ở
miền tần số, f
s
là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang phụ, khoảng cách giữa hai
pilot ở miền tần số D
f
phải thỏa mãn điều kiện sau đây:
Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số r
f
phải là 1. Tỷ số này có thể lớn hơn 1, khi
đó số pilot nhiều hơn cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling).
Trong trường hợp khoảng cách giữa hai pilot không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như ở
phương trình (2.6), có nghĩa là r
f
<1 thì kênh truyền không thể được khôi phục lại
được hoàn toàn thông qua pilot.
Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của hai pilot liên tiếp
D
t
cũng phải thõa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian. Sự biến đổi của hàm
truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler f
D,max

. Theo tiêu chuẩn
lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách D
t
phải thỏa mãn điều kiện :
Tỷ số r
t
được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường hợp điều kiện ở
phương trình trên không thõa mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi
phục hoàn toàn được ở máy thu.
2.4.3 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối
Kiểu sắp xếp pilot dạng khối giúp cho việc tính đáp ứng kênh truyền không phức
tạp bởi vì X(k) tại mọi sóng mang con đều đã được biết. Ngõ ra của bộ thu có thể được
viết ở dạng ma trận như sau:
Y=XFh + W = XH + W
Trong đó: X = diag{X(0), X(1), . . . ,X(N-1) }
Y = [Y(0) Y(1) . . . Y(N-1)]
T

SVTH: ………………. Trang 16
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
W = [W(0) W(1) . . . W(N-1)]
T

H = [H(0) H(1) . . . H(N-1)]
T
= DFT
N
{h}
h : vectơ kênh truyền trong miền thời gian.
W: nhiễu kênh truyền.

F : ma trận DFT.
2.4.3.1 Ước lượng bằng tiêu chuẩn MMSE
Phương pháp MMSE sử dụng những thống kê kênh truyền bậc hai và giả sử rằng
đáp ứng kênh truyền h là Gauss và không tương quan với nhiễu w. Với giả thiết này thì
việc ước lượng h
MSSE
được xây dựng từ ma trận auto-covariance R
YY
và ma trận
covariance chéo R
hY
. Giả sử rằng ma trận auto-covariance của kênh truyền là R
hh
và
phương sai nhiễu (noise variance) σ
2
n
đã được biết. Ta có :
R
HH
= E(HH
H
) = E{(Fh)(Fh)
H
} = FR
hh
F
H
R
hY

= E(hY
H
) = E{h(XFh+W)
H
} = R
hh
F
H
x
H
R
YY
= E(YY
H
) = EFR
hh
F
H
x
H
+ σ
2
N
I
Người ta đã tìm ra được công thức để tính ước lượng MMSE như sau :
h
MSSE
=

R

hY
R
YY
-1
Y
Lấy biến đổi DFT để có được đáp ứng tần số, ta có:
H
MMSE
= Fh
MMSE
= R
HH
[R
HH
+ σ
2
N
(XX
H
)
-1
]
-1
H
LS
(2.1)
Trong đó
H
LS
là ước lượng bình phương cực tiểu LS. Kỹ thuật ước lượng MMSE có hiệu

quả tốt hơn so với ước lượng LS đặc biệt dưới điều kiện SNR thấp. Tuy nhiên, MMSE
có độ phức tạp tính toán cao hơn do yêu cầu phải lấy ma trận nghịch đảo mỗi lần X
thay đổi.
SVTH: ………………. Trang 17
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
2.4.3.2 Ước lượng theo tiêu chuẩn LS
Bộ ước lượng bình phương nhỏ nhất sẽ thực hiện cực tiểu giá trị bình phương
của lỗi ( Y – XFh)
h
( Y – XFh). Ước lượng LS được biểu diễn bởi:
H
LS
= X
-1
Y
Ước lượng LS có dạng rất đơn giản và thích hợp với những ứng dụng yêu cầu
tính toán nhanh với số phép tính tối thiểu. Tuy nhiên, bộ ước lượng MMSE nêu trên
cũng có thể được thay đổi bằng bộ ước lượng MMSE cải tiến.
2.4.3.3 Bộ ước lượng MMSE cải tiến (Modifided MMSE Estimator)
Bộ ước lượng MMSE thực hiện đơn giản hóa 3 vấn đề để giảm độ phức tạp tính
toán của bộ ước lượng MMSE thông thường. Bộ ước lượng MMSE cải tiến này còn
được gọi là ước lượng MMSE hạng thấp tối ưu (optimal low-rank MMSE (ORL-
MMSE)).
Ba vấn đề cần đơn giản hóa là:
1. Thay thế thừa số (XX
-1
) trong phương trình (2.1) với giá trị kỳ vọng giả thiết là
những tín hiệu ánh xạ của tất cả các pilot đều giống nhau và có xác suất bằng nhau cho
tất cả các điểm trên giản đồ chòm sao.
SNR trung bình và hằng số β được định nghĩa chỉ phụ thuộc vào những thuộc

tính của chòm sao ánh xạ:
2. Sự đơn giản hóa thứ hai là sử dụng giả thiết rằng hầu hết năng lượng tín hiệu
trong h đều tập trung ở (L+1) tap đầu tiên trong đó L=( T
h
/T)M. T
h
là tổng độ trải trễ
và M là chiều dài của bộ biến đổi DFT hay là kích thước của X. T là thời gian lấy
mẫu. Mặt khác, phần lớn năng lượng tín hiệu sẽ tập trung vào trong số ít những lần
phản xạ đầu tiên trong kênh truyền đa đường h. Tín hiệu đến tại thời điểm tức thời sau
đó được giả sử rằng có mức năng lượng thấphơn do sự hấp thụ và nhiễu xạ và có thể
bỏ qua một cách an toàn . Với việc sử dụng giả thiết này ta có thể chỉ dùng góc trên
SVTH: ………………. Trang 18
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
bên trái của ma trận R
hh
. Đây được gọi là xấp xỉ cấp thấp và đơn giản hóa hạng của
R
hh
(the rank of R
hh
) . Do đó độ phức tạp tính toán sẽ giảm.
3 Sự đơn giản hóa thứ ba là sử dụng SVD ( Singular value decomposition).
SVD là kỹ thuật làm đơn giản hóa một ma trận thành ba ma trận con. Áp dụng kỹ
thuật SVD để tách ma trận R
HH
thành tích của ba ma trận con như sau:
R
HH
= UAU

H
, trong đó A là ma trận đường chéo với giá trị đơn λ
k
(the
singular value λ
k
) trên đường chéo. Kết hợp cả ba sự đơn giản hóa này, bộ ước lượng
MMSE cải tiến chọn hạng (rank) p của bộ ước lượng để nó không nhỏ hơn L+1 theo
tiêu chuẩn đơn giản hóa thứ 2. Sau đó tính toán β , SNR, U và giá trị λ
k
. Áp dụng sự
đơn giản hóa ở trên vào phương trình (2.1) để phân thành ma trận NxN:
Do đó, phương trình (2.1) trở thành
2.4.4 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng lược
Việc ước lượng đáp ứng kênh truyền tại mỗi pilot có thể được tính bằng cách
dùng giải thuật LS, MMSE hoặc bất kỳ dạng cải tiến nào của chúng. Tuy nhiên, đáp
ứng kênh truyền tại các sóng mang dữ liệu mới là cái mà bộ thu thật sự quan tâm và
những giá trị này được nội suy từ những đáp ứng kênh truyền đã được ước lượng tại
những tần số sóng mang pilot. Có nhiều dạng nội suy cho kết quả tốt, nhưng vì độ
phức tạp trong tính toán của một số phương pháp và hầu hết hệ thống OFDM yêu cầu
truyền dữ liệu ở tốc độ cao, cho nên chỉ một vài phương pháp nội suy được xem xét,
đó là nội suy sử dụng hàm tuyến tính (linear interpolation), nội suy bậc hai, nội suy
low-pass (Một số phương pháp nội suy sẵn có trong phần mềm Matlab như nội suy
tuyến tính,nội suy đa thức hay nội suy spline thông qua lời gọi hàm 'interp1' cho phép
nội suy một chiều hoặc 'interp2' cho phép nội suy hai chiều).
SVTH: ………………. Trang 19
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Giả sử N
P
pilot có phân bố đều và được biểu diễn như sau:

Trong đó :
N
P
là số Pilot, L = (số sóng mang con)/ N
P
, X
P
(m) là giá trị của sóng mang con
pilot thứ m. Định nghĩa { H
P
(k) , k = 0, 1, . . . , N
P
} là đáp ứng tần số của kênh tại
sóng mang con pilot (giải thuật LS)
2.4.4.1 Nội suy tuyến tính ( Linear Interpolation)
Ở phép nội suy tuyến tính, hàm truyền tại vị trí mẫu tin có ích được nội suy chỉ
thông qua hai điểm kế cận của hai mẫu tin dẫn đường.
Kênh truyền tại sóng mang con dữ liệu thứ k nằm giữa hai pilot kế cận
mL<k<(m+1)L được định nghĩa như sau:
Hình 3.1: Nội suy tuyến tính
SVTH: ………………. Trang 20
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
Hình 3.1 minh họa phương pháp nội suy tuyến tính. Phương pháp này có lợi thế
là đơn giản, nhưng phương pháp nội suy bậc 2 sẽ cho kết quả đáp ứng kênh truyền tốt
hơn.
2.4.4.2Nội suy bậc 2 (Second-Oder Interpolation)
Kỹ thuật nội suy bậc 2 sử dụng đường cong được điều chỉnh cho vừa bằng ba giá
trị ước lượng pilot gần nhất. Kỹ thuật này được định nghĩa như sau:
Hình 3.2 là một ví dụ về kỹ thuật nội suy bậc 2. Tuy nhiên ở phép nội suy bậc 2,
hàm truyền của mẫu tin có ích được nội suy thông qua nhiều điểm khác nhau của mẫu

tin dẫn đường. Do vậy nội suy bậc 2 có chất lượng tốt hơn so với nội suy tuyến tính
nhưng độ phức tạp lại cao hơn.
Nội suy bậc 2 cho kết quả tốt hơn nội suy tuyến tính, nhưng kỹ thuật nội suy
low-pass sau đây lại cho kết quả tốt hơn nội suy bậc 2.
Hình 3.2: Nội suy SI và nội suy đa thức
SVTH: ………………. Trang 21
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
2.4.4.3 Nội suy low-pass (nội suy SI)
Kỹ thuật này đầu tiên sẽ chèn zero vào chuỗi dữ liệu gốc và sau đó đưa qua bộ
lọc thông thấp FIR để cho dữ liệu gốc có thể đi qua bộ lọc mà không bị thay đổi và
thực hiện cực tiểu hóa trung bình bình phương lỗi (MSE) giữa những điểm được nội
suy và những giá trị lý tưởng của chúng.
Kỹ thuật này có thể được thực hiện một cách hiệu quả bằng các bộ xử lý số tín
hiệu DSP và thường được lựa chọn trong thực tế vì nó có thể cho kết quả tốt dưới điều
kiện SNR thấp.
Những kỹ thuật ước lượng được nêu ở trên thuộc dạng ước lượng 1 chiều
(one-dimension) hoặc là trong miền thời gian , hoặc là trong miền tần số. Sau đây ta sẽ
đề cập đến kỹ thuật ước lượng hai chiều (two-dimension). Bộ ước lượng hai chiều có
thể được thiết kế như bộ lọc 2D, cụ thể là bộ lọc Wiener 2D. Tuy nhiên độ phức tạp
của kỹ thuật này càng cao khi kích thước DFT càng tăng. Hầu hêt các hệ thống OFDM
đều dùng kích thước bộ DFT lớn hơn 256.
Hình 3.3 : Sơ đồ khối của giải thuật ước lượng kênh truyền dựa trên kiểu sắp xếp pilot
dạng lược dùng bộ lọc thông thấp FIR.
Hình 3.4: Nội suy bằng bộ lọc thông thấp FIR
SVTH: ………………. Trang 22
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
KẾT LUẬN
Ước lượng kênh truyền là một khâu cực kì quan trọng trong việc khôi phục lại tín
hiệu OFDM, ngoài ra nó còn giúp cho vấn đề đồng bộ được thực hiện tốt hơn. Nghiên
cứu việc ước lượng kênh truyền, đồ án đã tập trung vào những kĩ thuật ước lượng kênh

truyền khác nhau trong hệ thống OFDM. Trước khi đi sâu vào nghiên cứu các kĩ thuật
ước lượng kênh truyền, đồ án đã tìm hiểu tương đối đầy đủ những vấn đề cơ bản của
kênh truyền vô tuyến và kỹ thuật OFDM nhằm có một cái nhìn sâu sắc về kĩ thuật ước
lượng kênh truyền.
Trong phần OFDM, đồ án tập tìm hiểu tương đối kĩ một số đặc điểm của kĩ
thuật OFDM, qua đó làm nổi rõ những ưu điểm của kĩ thuật này, đó là hạn chế ảnh
hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang con OFDM khác
nhau. Với ưu điểm này, OFDM thích hợp cho hệ thống tốc độ cao, thích hợp với các
ứng dụng không dây cố định.
SVTH: ………………. Trang 23
Thông tin di động Kỹ thuật OFDM
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Nguyễn Văn Đức. (2006). Bộ sách kỹ thuật thông tin số (Tập 2), Lý thuyết và
các ứng dụng của kỹ thuật OFDM. Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật .
- Ben Fellows, Channel Estimation Techniques for OFDM, University of
California, Riverside, March, 2007
- Sebastian Prot, Kent Palmkvist. TSTE91 System Design, Communications
System
Simulation Using Simulink, Part V OFDM by IFFT Modulation. Electronic
Systems, Department of Electrical Electronic, LiTH
-
-
-
-
SVTH: ………………. Trang 24