công nghệ ofdm và ứng dụng trong wimax

CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
MỤC LỤC
MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC BẢNG ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv
LỜI NÓI ĐẦU v
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX 1
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX 3
Phân bố Rayleigh 4
Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 5
Phân bố Ricean : 5
1.2.5.1. Pha đinh băng hẹp(pha đinh phẳng) 12
1.2.5.2. Pha-đinh băng rộng (pha đinh lựa chọn tần số) 13
Q 24
Bảng2.1.Các giá trị trong mã hóa 64QAM 24
Ts 26
Hình 2.7. Tiền tố lặp (CP) trong OFDM 26
3.2. Khái niệm: 44
3.3. Các chuẩn của WiMAX: 49
3.3.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001: 49
Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào
4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các
mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001: 49
3.3.2. Chuẩn IEEE 802.16a: 49
Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần
số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào
tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ
giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những
phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng.
Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau: 50

3.3.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004: 51
Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp thông qua,
kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần
số 10 - 66 GHz và NLOS ở dải 2 - 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ sung như là
“beam forming” và kênh con OFDM 51
3.3.4. Chuẩn IEEE 802.16e: 51
Đầu năm 2005, chuẩn không dây băng thông rộng 802.16e với tên gọi Mobile
WiMAX đã được phê chuẩn, cho phép trạm gốc kết nối tới những thiết bị đang di
chuyển. Chuẩn này giúp cho các thiết bị từ các nhà sản xuất này có thể làm việc,
tương thích tốt với các thiết bị từ các nhà sản xuất khác. 802.16e họat động ở các
băng tần nhỏ hơn 6 GHz, tốc độ lên tới 15 Mbps với kênh 5 MHz, bán kính cell từ 2
– 5 km. WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một
công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho
SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA.
Sự phân chia sóng mang trong mô hình OFDMA được thiết kế để tối thiểu ảnh
hưởng của nhiễu phía thiết bị người dùng với anten đa hướng. Cụ thể hơn, 802.16e
đưa ra hỗ trợ cải tiến hỗ trợ MIMO và AAS, cũng như các handoff cứng và mềm.
Nó cũng cải tiến các khả năng tiết kiệm công suất cho các thiết bị di động và các đặc
điểm bảo mật linh hoạt hơn 52
3.5. Lớp MAC và lớp PHY trong WIMAX: 54
3.5.1. Sơ đồ khối: 54
3.5.2. Lớp MAC: 55
Lớp MAC chuẩn IEEE 802.16 cung cấp giao diện hoạt động độc lập với lớp vật lý do
giao diện lớp vật lý là giao diện vô tuyến. Phần chủ yếu của lớp MAC tập trung vào
việc quản lý tài nguyên trên airlink(lien kết vô tuyến). Giải quyết được bài toán yêu
cầu tốc độ dữ liệu cao trên cả hai kênh downlink và uplink. Các cơ chế điều khiển truy
cập và thuật toán cấp phát băng thông hiệu quả có khả năng đáp ứng cho hàng trăm đầu

cuối trên mỗi kênh 55
3.5.3. Lớp PHY : 56
3.5.3.2. Phương pháp ghép (Duplexing): 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 98
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các loại phadinh Error: Reference source not found
Bảng 1.2 Các giá trị trải trễ thông dụng Error: Reference source not found
Bảng 2.1.Các giá trị trong mã hóa 64QAM Error: Reference source not found
Bảng 2.2 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền
dẫn và chất lượng truyền dẫn Error: Reference source not found
Bảng 2.3.Mã Gray Error: Reference source not found
Bảng 2.4: Thông số symbol OFDM theo chuẩn 802.16-2004 Error: Reference source not
found
Bảng 3.1. Các tính năng của WirelessMAN OFDM 58
Bảng 3.2. Minh hoạ hai kiểu trạm 68
Bảng 4.1. Các cấu hình kênh FUSC cơ sở 89
Bảng 4.2. Lý lịch trễ công suất đa đường của ITU cho thông tin di động 3G 90
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến Error: Reference source not found
Hình 1.2 Tín hiệu đa đường Error: Reference source not found
Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh Error: Reference source not found
Hình 1.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k = Db (Rayleigh) và k = 6 dB.
Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss 6
Hình 1.5: Trải trễ đa đường Error: Reference source not found
Hình 1.6. Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM Error: Reference source not
found
Hình 1.7. Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh Error:
Reference source not found

Hình 1.8. Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền 14
Hình 1.9. Kênh truyền và bộ cân bằng Error: Reference source not found
Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số Error: Reference source not found
Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số Error: Reference source not found
Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống OFDM Error: Reference source not found
Hình 2.4 .Phổ của tín hiệu OFDM Error: Reference source not found
Hình 2.6. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 25
Hình 2.7. Tiền tố lặp (CP) trong OFDM Error: Reference source not found
Hình 2.8. Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đườngError: Reference
source not found
Hình 2.9. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK Error: Reference source not found
Hình 2.10. Biểu đồ bản tin tín hiệu QPSK Error: Reference source not found
Hình 2.12. Giản đồ IQ của 16-PSK khi dựng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi
một bit đơn Error: Reference source not found
Hình 2.13. Cấu trúc tín hiệu OFDM 33
Hình 2.14. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 34
Hình 2.15. Đa đường dẫn trong các điều kiện kết nối NLOS Error: Reference source not
found
Hình 2.16 Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ Error: Reference source not
found
Hình 2.17. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần sốError: Reference source not found
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Hình 2.18:Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM Error: Reference source not found
Hình 2.19:Dạng sóng tín hiệu OFDM phát Error: Reference source not found
Hình 2.20: Dạng sóng tín hiệu OFDM thu Error: Reference source not found
Hình 3.1: Các đặc tính của WiMAX Error: Reference source not found
Hình 3.2.Cấu hình PMP 50
Hình 3.3.Cấu hình MESH 50
Hình 3.4. Khối giao thức 51

Hình 3.5. Điều chế thích ứng trong lớp vật lý 55
Hình 3.6. Cấu trúc khung OFDM đường xuống 57
Hình 3.7. Cấu trúc khung OFDM đường lên. 57
Hình 3.8. Sơ đồ khối máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 58
Hình 3.9. Sơ đồ khối băng gốc của máy phát và máy thu WirelessMAN OFDM 59
Hình 3.10. Thí dụ về vùng số liệu trong ấn định OFDMA 61
Hình 3.11. Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào các kênh con và các ký hiệu trên đường
xuống (trong chế độ PUSC) 62
Hình 3.12. Thí dụ về sắp xếp các khe OFDMA vào các kênh con và các ký hiệu cho đường lên 62
Hình 3.14. Mô tả về FDD và TDD 63
Hình 3.15. Cấu trúc khung của FDD 63
Hình 3.16. Cấu trúc khung của TDD 63
Hình 4.1: Hai chế độ song công TDD và FDD 72
Hình 4. 2: Cấu trúc khung WiMAX OFDM 73
Hình 4.3: Minh họa khung OFDMA với cấu trúc đa vùng 74
Hình 4.4: Mô hình tái sử dụng tần số 77
Hình 4.5: Phân đoạn tái sử dụng tần số trong một site gồm 3 cell 78
Hình 4.6: Mã hóa không gian- thời gian 79
Hình 4.7 : Chuyển mạch thích ứng cho Anten thông minh 79
Hình 4.8: Trung tâm quản lý mạng WiMAX 80
Hình 4.9: Sơ đồ kết nối WiMAX 81
Hình 4.10: Mô hình mô phỏng kênh đường xuống 83
Hình 4.11 : Lưu đồ mô phỏng 84
Hình 4.12: Cấu trúc sóng mang con OFDMA 86
Hình 4.13 : Mô phỏng kênh phadinh Rayleigh tại f
Doppler
= [17 49 114] HZ 87
Hình 4.14: Mô phỏng kênh phadinh chọn lọc tần số 87
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX

Hình 4.15: Hiệu năng BER của cấu hình kênh 4 khi di chuyển và không di chuyển 88
Hình 4.16: Hiệu năng BER giữa kịch bản kênh số 2 và kịch bản kênh số 4 cho trường hợp
cố định và di động 89
Hình 4.17: Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh số 3 và 4 cho trường hợp cố định và di
động (vận tốc 125 Km/h) 89
Hình 4.18: Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh trong trường hợp cố định và di động tại
vận tốc 125Km/h 90
Hình 4.19: Hiệu năng BER của cấu hình kênh 2 khi di chuyển và không di chuyển 90
Hình 4.20 : Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh số 3 và 4 cho trường hợp cố đinh và di
động (vận tốc 125Km/h) 91
Hình 4.21 : Hiệu năng BER giữa các kịch bản kênh trong trường hợp di động tại vận tốc
125 Km/h 91
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
CHƯƠNG I
MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM
1.1.Giới thiệu chương:
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh thông tin là một vấn đề được rất nhiều nhà nghiên
cứu quan tâm nhất là trong những năm gần đây. Cùng với sự bùng nổ các nhu cầu ngày càng cao
của xã hội thì các công nghệ truyền dẫn mới cũng được ra đời và phát triển như công nghệ OFDM
trong WiMAX. Chính vì vậy, chương này sẽ trình bày tóm tắt về các đặc tính của kênh truyền vô
tuyến cũng như các yếu tố gây ảnh hưởng tới chất lượng truyền của kênh vô tuyến. như hiện tượng
trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình
truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM:
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu.
Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn
thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi. Việc nghiên cứu
các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là
phụ thuộc vào các đặc điểm này.

Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vụ
tuyến. Các yếu tố này là:
• Suy hao: Cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm
trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cỏch
• Che tối:Vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu
• Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín
hiệu thu bằng cỏch trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông của hệ
thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gõy ra nhiễu giao
thoa giữa cỏc ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference).
• Nhiễu: Cỏc máy phát khỏc sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây
nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
1
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
1.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation):
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ
điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và
hiệu ứng đa đường. Hình 1.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì
một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu.
Hình 1.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến
1.2.2 Phadinh:
1.2.2.1. Hiệu ứng đa đường:
Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lượng liên lạc.
Kênh vô tuyến di động có thể thay đổi từ dạng LOS (Line- Of -Sight) đến dạng bị che chắn
bởi các chướng ngại vật cố định hoặc di động, hay nói cách khác là tín hiệu truyền từ máy
phát tới máy thu được truyền theo nhiều đường khác nhau gọi là truyền dẫn đa đường.
Truyền dẫn đa đường trong thông tin di động do ba cơ chế gây ra, đó là sự phản xạ
(Reflection), nhiễu xạ (Diffaction) và tán xạ (Scattering). Hình 1.2 chỉ ra một số trường hợp
mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.
- Hiện tượng phản xạ xảy ra khi song điện từ va chạm vào một mặt phẳng nhẵn có kích

cỡ rất lớn so với bước song. Trong thực tế, phản xạ thường gây bởi các tòa nhà, các biển
quảng cáo…
- Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất
bởi các vật cản có kích cỡ lớn hơn so với bước sóng, gây ra các tia thứ cấp phía sau vật cản.
Nhiễu xạ là trường hợp tính đến năng lượng truyền từ máy phát tới máy thu không theo tia
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
2
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
nhìn thẳng. Do đó nhiễu xạ còn được gọi là hiện tượng che khuất. Nhiễu xạ thường gây bởi
các vật thể như nhà cửa, ô tô…
- Hiện tượng tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến va chạm vào một bề mặt gồ ghề hay các
vật thể có kích cỡ tương đương hoặc nhỏ hơn kích cỡ bước sóng làm đường truyền tín hiệu
bị phân tán ra nhiều phía. Trong các đô thị, các vật gây ra tán xạ thường là cột điện, biển
quảng cáo…
Hình 1.2 Tín hiệu đa đường
1.2.2.2. Phadinh:
Truyền dẫn vô tuyến có những tiện lợi rất lớn, bên cạnh đó cũng có những hạn chế
không nhỏ làm ảnh hưởng đến sự truyền dẫn của sóng vô tuyến. Không giống như các kênh
truyền dẫn hữu tuyến là ổn định, có thể biết trước thì các kênh truyền dẫn vô tuyến là rất
ngẫu nhiên và rất khó khăn cho việc phân tích, tính toán.
Phadinh là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ
thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn (do tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ
chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng
giáng tín hiệu một cách liên tục).
Các cơ chế gây ra phadinh trong thông tin di động được phân chia thành phading
theo phạm vi rộng (large-scale fading) và phadinh theo phạm vi hẹp (small- scale fading).
Large-scale fading chủ yếu được biểu thị bằng tổn hao đường truyền gây ra bởi
truyền sóng khoảng cách xa (vài km) đặc trưng cho sự suy giảm công suất của tín hiệu trung
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
3

CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
bình (hay sự suy hao đường truyền) do sự thay đổi vị trí qua một khoảng cách lớn. Large-
scale fading gây ra do ảnh hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và
máy thu (như đồi núi, cao ốc…). Các số liệu thống kê về large-scale fading bổ trợ cho quá
trình tính toán suy hao đường truyền theo hàm của khoảng cách. Về độ suy giảm hay độ tổn
hao đường truyền, large-scale fading được đánh giá bởi trung bình của tín hiệu thu qua
khoảng cách 10-30dB lần chiều dài bước sóng λ.
Small- scale fading: Phụ thuộc vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng
tần, chu kỳ tín hiệu,…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải
Doppler…), ta có thể phân laọi phadinh hẹp dựa trên hai đặc tính: trải trễ đa đường và
phadinh chọn lọc tần số. Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian, trong khi
đó việc kênh phadinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số. Vì thế thông
số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong miền tần số. Trải
Doppler dẫn đến tán tần và phadinh chọn lọc thời gian, vì thế liên quan đến trải Doppler ta
có thể phân loại phadinh phạm vi hẹp thành phadinh nhanh và phadinh chậm.
Trong các ứng dụng vô tuyến điện di động, sự chuyển động của máy phát và máy thu
dẫn đến các thay đổi về đường truyền dẫn, do đó kênh truyền biến đổi theo thời gian. Thuật
ngữ phadinh nhanh (fast fading) được dựng đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhanh của các
điều kiện truyền dẫn (hay tốc độ thay đổi nhanh của các suy giảm). Small- scale fading
được gọi là Rayleigh fading nếu tại máy thu nhận được vô số đường phản xạ mà không có
thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia truyền thẳng LOS) và được gọi là fading có phân bố
Rice nếu tồn tại thành phần tín hiệu trội.
Phân bố Rayleigh
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dựng để mô tả
bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường
bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín
hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ
xác suất [7]:
(1.1)
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13

4
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Với là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường
bao (evelope detection).
2
là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá tri R cho
trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy (CDF):
(1.2)
Giá trị trung bình r
mean
của phân bố Rayleigh được cho bởi:
(1.3)
Và phương sai (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
(1.4)
Giá trị hiệu dụng của đường bao là (căn bậc hai của giá trị trung bình bình
phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:
(1.5)
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau mụt lượng là 0.55dB trong trường hợp
tín hiệu Rayleigh fading. Hình 1.3 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh
Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Phân bố Ricean :
Khi có thành phần truyền thẳng đến máy thu thì lúc này phân bố sẽ là Ricean. Trong
trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau
được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có
ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
5
0
ĩ

2ĩ 3ĩ 5ĩ4ĩ
p(r)
Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r (volts)
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-
sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu
hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín
hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố
bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean [7]:
(1.6)
A: biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
I
o
: là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa
công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa
đường:
(1.7)
Hay viết dưới dạng dB:
(1.8)
k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Khi A 0, k 0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân
bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh.
Hình 1.4 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean.
Hình 1.4: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k = Db (Rayleigh) và k = 6 dB.
Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
6
p(r)

k = dB
k = 6 dB
Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r (volts)
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Bảng 1.1:Tóm tắt các thông số của pha đinh băng rộng
Đại lượng Nếu “lớn” Nếu “nhỏ”
Trễ trải phổ τ Nếu τ >> T:
pha đinh lựa
chọn tần số
Nếu τ << :
pha đinh
phẳng
Τ càng lớn có ảnh hưởng đến thời gian ký hiệu
và gây ra hiện tượng ISI
Dải thông kết
hợp B
C
Nếu 1/B
C
<<
T: pha đinh
phẳng
Nếu 1/B
C
>>
T: pha đinh
lựa chọn tần
số
Cung cấp một nguyên tắc là tìm được độ rộng
băng thông của các sóng mang con là B

SC
≈
B
C
/10, do đó số lượng cần thiết của sóng mang
con trong hệ thống OFDM là L > 10xB/B
C
Trải phổ
Doppler
Nếu f
c
.v>> c;
pha đinh
nhanh
Nếu f
c
.v≤ c;
pha đinh
chậm
Khi tỷ số f
D
/ B
SC
là không thể bỏ qua thì sự trực
giao của các sóng mang con sẽ mất đi
Thời gian kết
hợp T
C
Nếu T
C

>>T;
pha đinh
chậm
Nếu T
C
≤ T;
pha đinh
nhanh
Bảng 1.1. Các loại phadinh
1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phadinh đa đường:
Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến fadinh qui mô nhỏ, đó là:
- Sự truyền đa đường: Các vật phản xạ và tán xạ trong kênh gây ra sự thay đổi môi
trường một cách không đổi, môi trường này phân tán năng lượng của tín hiệu về biên độ,
pha và thời gian. Các ảnh hưởng trong nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị
dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian. Pha và biên độ ngẫu nhiên của
nhiều đường truyền gây ra thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phadinh qui mô
nhỏ hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai. Sự truyền đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết
cho phần băng gốc của tín hiệu đi với máy thu, điều này gây nên hiệu ứng ISI.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
7
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
- Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa
đến điều chế tần số ngẫu nhiên cho sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền.
- Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động,
chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các kênh truyền. Nếu các vật
xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động thì hiệu ứng này trội hơn phading
qui mô nhỏ. Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh có thêt bỏ qua và chỉ có tốc
độ của máy di động cần được xem xét.
- Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng
của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng gián mạnh. Nếu dải

rộng của tín hiệu truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu được không bị méo dạng song
cường độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh.
1.2.2.4.Trải trễ (Delay Spread):
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản
xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với
tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng
và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu
đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các
hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA
Hình 1.5: Trải trễ đa đường
Hình 1.5 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).
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
8
Tín hiệu trực tiếp
Tín hiệu trễ
Tín hiệu thuđược
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Bảng 1.2 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
Bảng 1.2 Các giá trị trải trễ thông dụng
Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
1 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).
1 Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
1.2.3. 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 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:
(1.9)
Trong đó 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
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.
1.2.4.Nhiễu:
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
9
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
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
1.2.4.1.Nhiếu 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. 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.
1.2.4.2. 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 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
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
10
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa
vào tiền tố lặp CP.
1.2.4.3.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 1.6.
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.
Hình 1.6. Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
1.2.5. Các biện pháp giảm pha đinh:
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
11
Các sóng mang phụ
vẫn trực giao với
nhau
Các sóng mang phụ bị
dịch tần số gây ra
nhiễu liên sóng mang
ICI
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Đặc tính pha-đinh là sự khác nhau quan trọng nhất giữa việc thiết kế hệ thống thông
tin vô tuyến và hữu tuyến. Do pha-đinh lựa chọn tần số là nổi bật nhất trong các kênh băng
rộng- và do độ rộng băng của kênh băng rộng là lớn hơn rất nhiều độ rộng băng phù hợp B
C
–nên chúng ta đề cập đến các kênh với sự phân tán thời gian hay lựa chọn tần số trong pha-
đinh băng rộng và đến các kênh chỉ với sự phân tán về tần số hay lựa chọn thời gian trong
pha-đinh băng hẹp. Bây giờ, chúng ta xem xét và chỉ ra sự khác nhau giữa pha-đinh băng
rộng và pha-đinh băng hẹp để từ đó các biện pháp khắc phục.
1.2.5.1. Pha đinh băng hẹp(pha đinh phẳng)
Ảnh hưởng của pha đinh này là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này cường

độ tín hiệu thu sẽ bị giảm đáng kể vì suy hao thay đổi đáng kể. Tính di chuyển của các thuê
bao trên khoảng cách lớn(>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao
và công suất thu thay đổi chậm.
Có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục pha-đinh băng hẹp,
nhưng cách phổ biến nhất và thường được dựng nhất là phân tập.Trong thông tin vô tuyến
tốc độ cao, chỉ có sự phân tập mới khắc phục được hiện tượng pha-đinh này .
Các loại phân tập thường dùng là:
Phân tập thời gian
Hai phương pháp quan trọng của phân tập thời gian là mã hóa/đan xen và điều chế
thích nghi (AMC). Kỹ thuật mã hóa và đan xen đưa vào một cách linh hoạt để tăng độ dư
thừa trong tín hiệu được truyền đi; điều này làm cho tốc độ của tín hiệu giảm và vì vậy mà
giảm đươc lỗi bit.
Các máy phát cùng với việc điều chế thích nghi sẽ có thông tin về kênh truyền. Và vì
vậy, chúng sẽ chọn kỹ thuật điều chế mà đạt được tốc độ dữ liệu cao nhất có thể được trong
khi vẫn giữ được BER ở mức yêu cầu.
Trong phương trình (3.3), với M tăng, BER cũng tăng. Vì tốc độ dữ liệu tỷ lệ với
log
2
M, chúng ta muốn chọn kích thước mẫu tự lớn nhất để mà đạt được BER theo yêu cầu.
Nếu kênh có sự suy giảm mạnh thì sẽ không có ký hiệu nào được gửi đi để tránh tạo lỗi.
Phân tập không gian
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
12
(1.10)
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Phân tập theo không gian là một dạng phân tập khác cũng khá phổ biến và có hiệu
quả, thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai hay nhiều hơn các ăng-ten tại cả máy
phát và máy thu hay chỉ có ở máy phát hoặc máy thu. Phân tập này còn được biết đến với
tên gọi là hệ thống MIMO. Dạng đơn giản nhất của phân tập theo không gian bao gồm hai
ăng-ten thu, đó là nơi mà hai tín hiệu mạnh nhất được chọn. Nếu các ăng-ten được đặt cách

nhau một cách phù hợp, thì hai tín hiệu nhận được sẽ chịu ảnh hưởng một cách xấp xỉ hiện
tượng pha-đinh không tương quan với nhau. Kiểu phân tập này được gọi một cách hợp lý là
phân tập lựa chọn và được minh họa trong hình 1.7 như sau:

Hình 1.7. Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh
Phân tập theo tần số
Phương pháp này được sử dụng để khắc phục hiện tượng pha đinh băng rộng.
1.2.5.2. Pha-đinh băng rộng (pha đinh lựa chọn tần số)
Như đã biết, pha-đinh lựa chọn tần số gây ra sự phân tán trong miền thời gian, điều
này làm cho các ký hiệu lân cận giao thoa với nhau trừ khi T>>τ
max
. Do tốc độ dữ liệu tỷ lệ
với 1/T , hệ thống có tốc độ dữ liệu cao hầu như lúc nào cũng có lan truyền trễ đa đường
đáng kể, khi T<<τ
max
, và kết quả là bị nhiễu liên ký hiệu nghiêm trọng. Việc lựa chọn kỹ
thuật để chống lại nhiễu ISI một cách có hiệu quả là một quyết định quan trọng trong việc
thiết kế bất kỳ hệ thống tốc độ cao. Rất nhanh chóng là OFDM là sự lựa chọn phổ biến nhất
cho việc chống lại ISI.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
13
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
- Cân bằng: Bộ cân bằng Equalizer được dựng để loại bỏ nhiễu liên ký hiệu
(Intersymbol Interference_ISI) và các nhiễu nhiệt (noise) được thêm vào. Nhiễu ISI sinh ra
do sự trải trễ của các xung phát dưới tác động phân tán tự nhiên của kênh truyền. Điều này
dẫn đến sự chồng lấn của các xung kế cận nhau gây ra nhiễu liên ký tự. Chẳng hạn như
trong môi trường tán xạ đa đường, một ký hiệu có thể được truyền theo các đường khác
nhau, đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, do đó có thể giao thoa với các ký tự khác.
Trên hình 1.8, ta thấy tín hiệu x(t) được diều chế bốn mức (Pulse Amplitude
Modulated_PAM), tín hiệu x(t) được phát qua kênh có đáp ứng xung h(t). Nhiễu nhiệt noise

n(t) được thêm vào. Ta thấy tín hiệu thu được là r(t) đã bị méo dạng so với tín hiệu phát x(t).
Để khắc phục nhiễu ISI và cải thiện chất lượng của hệ thống, có nhiều phương pháp
khác nhau nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng bộ cân bằng Equalizer
được sử dụng để bù lại các đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền.
Hình 1.9. Kênh truyền và bộ cân bằng
- Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SS (Direct Sequence Speread Spectrum):
Được dựng để giảm ảnh hưởng của méo ISI gây bởi kênh chọn lọc theo tần số nhờ khả năng
đặc biệt của các hệ thống trải phổ trong loại trừ nhiễu. Trong kênh đa đường, hệ thống trải
phổ coi ISI cũng như các tín hiệu phản xạ đa đường bị trễ như là một loại nhiễu. Nếu máy
thu được đồng bộ với tín hiệu LOS thì tín hiệu đó sẽ được nhân với mã trải phổ và khôi
phục tại máy thu trong khi đó các tín hiệu phản xạ đa đường khác được coi như nhiễu và bị
loại trừ.
- Hệ thống trải phổ nhảy tần FH/SS (Frequence Hopping Spread Spectrum): Có
thể sử dụng như một kỹ thuật giảm méo gây bởi phadinh chọn lọc theo tần số, miễn là tốc
độ nhảy ít nhất phải bằng tốc độ symbol. Khác với DS/SS, cơ chế chống đa đường của
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
14
Hình 1.8. Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
FS/SS là thay đổi rất nhanh tần số sóng mang phát đi và tần số máy thu trước khi xuyên
nhiễu do tín hiệu đa đường đưa tới.
- Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequence Divíion Multiplexing): Được sử dụng
để truyền tín hiệu trong các kênh frequence selective fading tránh dựng các bộ Equilizer
bằng cách kéo dài khoảng thời gian symbol. Trong hệ thống OFDM, chuỗi Symbol tốc độ
cao được chia thành N nhóm song song có tốc độ thấp hơn và được điều chế bởi các sóng
mang trực giao. Mục đích là giảm tốc độ symbol (hay tốc độ tín hiệu) W=1/T
s
trên mỗi sóng
mang thấp hơn băng thông tương quan của kênh f
o

.
Do thời gian có hạn, đồ án này chỉ trình bày biện pháp khắc phục các ảnh hưởng của
kênh truyền bằng truyền dẫn nhiều sóng mang mà cụ thể là kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần sơ trực giao OFDM.
1.3. Kết luận chương:
Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến
tín hiệu khi truyền đi trong không gian, các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM,
các dạng phadinh và cách khắc phục. Qua đó chúng ta cũng nhận thấy trải Doppler gây ra
do chuyển động tương đối giữa MS (trạm di động) và BTS (trạm thu phát gốc). Trải trễ xảy
ra do trễ đa đường. OFDM đưa ra giải pháp cho kênh phadinh chọn lọc tần số vì nó có thể
chuyển phadinh chọn lọc tần số vào phadinh phẳng bằng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài
hơn trải trễ trung bình quân phương
Từ những nghiên cứu ở chương I ta rút ra nhận xét: OFDM là một giải pháp ưu việt
bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng xử lý đa đường, chống
phading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Nguyên lý cơ bản của OFDM
sẽ được trình bày chi tiết ở chương II.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
15
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ OFDM
2.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc
biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ
trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ
cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so
với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức
mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng
phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM còn có ưu điểm là cho
phép thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp

Trong những thập kỷ 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 phép biến đổi
IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Phát
minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng
dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan
IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực
giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM. Quan trọng
chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh làm nền cho các
chương sau.
2.2. Nguyên tắc của OFDM:
Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách phân luồng
dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng những luồng con này để
điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh phương thức điều chế đơn sóng
mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).
B
SCM
và B
MCM
chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, f
k
,F
k
(f;t), NSC
và
f
chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang phụ thứ k,
tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13

16
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau
(2.1)
Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần
của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau
(2.2)
ở đây S
SCM
(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và H
k
(f;t) là hàm truyền tương ứng
với dải tần B
k
. Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của H
k
(f;t) được xem
như là không đổi trên B
k
, vì vậy R
MCM
(f;t) xấp xỉ bằng
(2.3)
ở đây H
k
(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng B
k
.
Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh
vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục ở đầu

thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM.
2.3.Tính trực giao:
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng
mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được
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 thông thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được
dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ 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 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 T) 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)
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
17
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can
nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực
chuẩn(Orthogonal basic) có tính chất sau:
(2.4)
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 đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là
trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc 90
0
) và tích của 2 vectơ

là bằng 0.
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía 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 dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ có kết
quả bằng 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:
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá
trình này cũng bằng 0
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
18
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX
Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng
sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Đây là điểm mấu chốt để hiểu
quá trình điều chế OFDM.
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:
Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị
trung bình của sĩ luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế
OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dựng kĩ thuật xử
lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain)
bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo
ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng
mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra
hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện
nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế.
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
19
CÔNG NGHỆ OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX

2.4.Hệ thống OFDM:
Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu song
song sau đó được điều chế sóng mang con. Dữ liệu phát trên mỗi sóng mang được mã hóa
vi sai và điều chế mã M-QAM. Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu
nên mỗi ký hiệu được bổ xung vào đầu chuỗi. Bộ điều chế này thực hiện điều chế đơn sóng
mang.
Sau đó được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định,
thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời gian tương ứng biến đổi Fourier rời rạc
ngược IDFT và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các
chăm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao. Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế
các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu. Trong trường hợp, N được lấy là một lũy thừa
nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả
hơn cho điều chế và giải điều chế.
Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên
kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường. Khoảng bảo vệ được thêm
vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần, một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở
TRỊNH THỊ CÚC ĐTVT – K13
20