OFDM - OFDMA VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUY CẬP BĂNG RỘNG KHÔNG DÂY - 5 pot

Bảng các từ viết tắt


Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ
bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh
hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác
nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20µs, do đó nhiễu liên kí tự
có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.






Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
 Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia
băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
 Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.

2.2.3 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín
hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về
nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di
Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng
Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín
hiệu
Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m
Bên ngoài 1µs – 20µs 300m – 6km

Bảng các từ viết tắt

chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng
Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ
chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch
Doppler có thể được tính theo công thức:
c
ff
o


(2.1)

Trong đó f

là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu


là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát

o
f
là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại
nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối
giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp.

2.2.4 Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-
cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu
liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).
Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.
Bảng các từ viết tắt


Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ
thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách
chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại
nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công
suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo
phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ
biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là
loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn.
Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các
thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu
này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.

2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh
truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải
trễ đa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu
hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể
thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là
chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động
Bảng các từ viết tắt

không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan
trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng
thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký
tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu
liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM
với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp
đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.

2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với
sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì
phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các
sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang
khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên
kênh (ICI) như ở hình 2.5.
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch
Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết
quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu
ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong
hệ thống OFDM.

Các sóng mang phụ

v
ẫn trực giao với

A(f)

δf=0

Bảng các từ viết tắt




















2.2.7 Tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế
đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI)
đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để
Bảng các từ viết tắt

thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ
và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời
gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời
gian truyền một ký tự (T
s
) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T
g
) và thời
gian truyền thông tin có ích T
FFT
(cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát
đi một ký tự).
















copy

Tín hiệu trễ
Tín hiệu trễ cuối
cùng

Ký tự OFDM hữu
ích

Ký tự OFDM khi mở rộng
vòng

T
FFT
Tín hiệu trực
ti
ếp


Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp
Bảng các từ viết tắt





Ta có: T
s
= T
g

+ T
FFT
(2.2)
Ký tự OFDM lúc này có dạng:






1,, 1,0)(
1,, 1,)(
)(
Nnnx
nNnx
nx
T

(2.3)

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích T
FFT
bị hạn chế
nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng
dụng khác nhau. Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống. Tuy
nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τ
max
(the maximum delay
spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các
xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín

hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath
effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn
đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời
điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh
lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu
thu được qua đường phản xạ.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng
khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống
OFDM.
Bảng các từ viết tắt


Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix.
Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được
sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được
nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu
suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải
trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng
phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.

2.3 Khoảng bảo vệ
Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của
quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol
được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ
dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM.
Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval.
Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ
thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường
(multipath delay spread). Bằng cách chia luồng dữ liệu thành N
s

luồng song song
điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên N
s
lần, do đó sẽ làm
giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống N
s
lần. Để loại bỏ ISI một
cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol
OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ
(do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận. Khoảng thời
Bảng các từ viết tắt


gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI
xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực
giao nữa.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng
truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết
vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường
(Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh
phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm
tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh
tần số đó.
Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử
dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều
chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm
hiệu quả sử dụng tần số. Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung. Tức là
một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số
ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA.
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM

thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn. Ví dụ đối với tín
hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy
nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc
độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn. Tốc độ symbol thấp này