OFDM và ỨNG DỤNG TRONG WIMAX

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG 1 10
GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10
1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM 10
1.1.1 Điều chế đa sóng mang 10
1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM 14
1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM 18
1.3.1 Khoảng phòng vệ 18
1.3.2 Tích chập vòng và DFT 19
1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn 20
1.3.4 San bằng trong miền tần số 23
1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM 23
1.4.1 Ưu điểm 23
1.4.2 Nhược điểm 26
CHƯƠNG 2 27
TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27
2.1 Giới thiệu chung 27
2.1.1 WiMAX là gì? 28
2.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản 30
2.1.3 Vai trò của WiMAX trong mạng viễn thông 35
2.2 Các chuẩn WiMAX 37
2.2.1 Chuẩn WiMAX cố định (IEEE 802.16-2004) 38
2.2.2 Chuẩn WiMAX di động (IEEE 802.16e-2005) 39
2.3 Cấu hình tham chiếu mạng WiMAX 41
2.3.1 Nguyên lý thiết kế nói chung 42
2.3.2 Mô hình tham chiếu mạng WiMAX 44
ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50

1
3.1 Tại sao phải ứng dụng OFDM trong WiMAX 50
3.2 Ứng dụng công nghệ OFDM trong WiMAX 53
3.2.1 Các vấn đề OFDM cơ bản 55
3.2.2 Các thông số OFDM trong WiMAX 57
3.2.3 Kênh con hoá: OFDMA 60
3.2.4 Cấu trúc khe và khung 61
3.2.5 Mã hoá và điều chế thích nghi trong WiMAX 65
3.2.6 Đa truy cập OFDMA 67
3.3.1 Ứng dụng OFDM trong WiFi 72
3.3.2 Ứng dụng OFDM trong ADSL 74
3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
MỤC LỤC 1
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG 1 10
GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10
CHƯƠNG 2 27
TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27
ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50
3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75
2
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
DANH SÁCH CÁC BẢNG
MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 2
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 4
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG 1 10
GIỚI THIỆU VỀ OFDM 10
CHƯƠNG 2 27
TỔNG QUAN VỀ WiMAX 27
ỨNG DỤNG OFDM TRONG WiMAX 50
3.3.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình DVB-T 75
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
3
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AAA Authentication, Authorization,
and Accounting
Nhận thực, cho phép và tính
toán
ACK ACKnowledgment Xác nhận
ADSL Asymmetric Digital Subscriber
Line
Đường dây thuê bao số bất đối
xứng
AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hoá mật tiên tiến
ASP Application Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ ứng
dụng
ASN Acess Service Network Mạng dịch vụ truy cập
ASN-GW ASN gateway ASN gateway
ASS Advanced Antenna System Hệ thống anten tiên tiến
AMC Adaptive Modulation and
Coding

Mã hoá và điều chế thích nghi
ARQ Automatic Retransmission
Request
Yêu cầu truyền lại tự động
CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo mã
4
BLER BLock Error Rate Tỉ lệ lỗi khối
BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
BWA Broadband Wireless Access Truy cập vô tuyến băng rộng
CP Cyclic Prefix Tiếp đầu tuần hoàn
CPE Customer Premises Equipment Thiết bị trong nhà khác hàng
CQICH Channel-Quality Indicator
Channel
kênh chỉ định chất lượng kênh
CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối
DFT Decret Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DP Decision Point Điểm quyết định
DS-
CDMA
Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp
DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số
DVB-H Digital Video Broadcast-
Handheld
Truyền hình số cho thiết bị
cầm tay
EAP Extensible Authentication
Protocol

Giao thức nhận thực có thể mở
rộng
EDGE Enhanced Data Rate For GSM
Evolution
Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự
phát triển GSM
EP Enforcement Point Điểm nâng cao
ETH-CS Ethernet Convergence
Sublayer
Lớp con hội tụ Ethernet
FCH Frame Control Header Header điều khiển khung
FDD Frequencies Division Duplex Song công phân chia theo tần
số
FDM Frequencies Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần
số
FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi hướng đi
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier
FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hạn chế
GI Guard Interval Khoảng phòng vệ
GPRS General Package Radio
Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
5
GSM Globle System For Mobile
Communication
Hệ thống liên lạc di động toàn
cầu
ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

IDFT Inverse Decret Fourier
Transform
Biến đổi ngược Fourier rời rạc
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Hiệp hội các Kỹ Sư Điện và
Điện Tử
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh
IETF Internet Engineering Task
Force
Lực lượng quản lý kỹ thuật
IGMP Internet Group Management
Protocol
Giao thức quản lý nhóm
Internet
IP Internet Protocol Giao thức Internet
ISI Inter Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa các ký tự
KEK Key Encryption Key Khoá mã mật cơ bản
LDPC Low-Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ
thấp
LOS Line-Of-Sight Tầm nhìn thẳng
MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi
trường
MS Mobile Station Trạm di động
NAP Network Access Provider Nhà cung cấp truy cập mạng
NLOS Non–Line-Of-Sight Tầm nhìn bị che khuất
NRM Network Reference Model Mô hình tham chiếu mạng
NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng
NWG Network Working Group Nhóm nghiên cứu mạng
OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency
Division Multiple Acess
Đa truy cập phân chia theo tần
số trực giao
PDA Personal Digital Assistant Thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ
thuật số
PEP Policy Enforcement Point Điểm nâng cao chính sách
6
PUSC Partial Usage of Subcarriers Sử dụng một phần các sóng
mang con
QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
QPSK Quadature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RFC Request For Comments Đề nghị duyệt thảo và bình
luận
RP Reference Point Điểm tham chiếu
RRM Radio Resource Manegement Quản lý nguồn vô tuyến
RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức nguồn dành riêng
SC Single Carrier Sóng mang đơn
SFA Service Flow Authorization Cho phép luồng dịch vụ
SINR Signal to Interference and
Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm và
nhiễu

SLA Service-Level Agreements Các thoả thuận mức dịch vụ
SNR Signal-To-Noise Ratio Tỷ số tín/tạp
SS Subscriber Station Trạm thuê bao
TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời
gian
TDM Time Division Multplexing Ghép kênh phân chia theo thời
gian
TDMA Time Division Multple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
TEK Traffic Encryption Key Khoá mã mật lưu lượng
UNII Unlicenced National
Information Infrastructure
Hạ tầng thông tin quốc gia
không cấp phép
VLAN Virtual Local Area
Networking
Mạng cục bộ ảo
VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng đô thị không dây
7
Network
WIMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Acess
Khả năng tương tác toàn cầu
đối với truy cập vi ba
3GPP Third Generation Partnership
Project
Tổ chức chuẩn hóa công nghệ
mạng thông tin di động tế bào

LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài năm gần đây công nghệ WiFi IEEE 802.11 đã gặt hái được những
thành công rực rỡ với minh chứng là nó được triển khai rộng rãi khắp nơi. Hầu
như tất cả các máy tính cá nhân, điện thoại thông minh, PDA đều được tích hợp
WiFi. Tốc độ dữ liệu của WiFi có thể đạt được 54Mpbs. Tuy nhiên vùng phủ
sóng của WiFi chỉ hạn chế ở tầm vài chục đến vài trăm mét. Để đáp ứng nhu cầu
phủ sóng xa hơn, WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
là một công nghệ truy nhập không dây băng thông rộng mới, dựa trên chuẩn
IEEE 802.16 đã ra đời. WiMax gần giống với Wi-Fi nhưng được cải thiện khá
nhiều để có thể tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu tới 70 Mbps với phạm vi hoạt
động 2-10 km trong khu vực thành thị và 50 km tại những vùng hẻo lánh.
Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống vô tuyến băng rộng là khả
năng hoạt động trong các điều kiện không có tầm nhìn thẳng NLOS (Non Line
Of Sight). Hoạt động trong các điều kiện như vậy là một vấn đề gây rất nhiều
khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp dịch vụ
cho các khách hàng tiềm năng.
Do các vấn đề về nhiễu và các vấn đề về đa đường, một số công nghệ
trước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng
dụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao. Thay vào đó là sự ra đời
của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal
8
Frequency Division Multiplexing). Đây chính là một bước đột phá trong thị
trường truy cập vô tuyến băng rộng.
Chính từ những vấn đề cơ bản như vậy nên tôi đã lựa chọn nghiên cứu về
OFDM và WiMAX, với tên đồ án là “OFDM và ứng dụng trong WiMAX ”. Đồ
án tốt nghiệp của tôi chia làm 3 chương với nội dung cụ thể như sau:
Chương 1: Giới thiệu về OFDM
Tìm hiểu về nguyên lý cơ bản OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, các vấn đề
cơ bản đặc thù và những ưu nhược điểm của OFDM.
Chương 2: Tổng quan về WiMAX

Trong chương II tôi xin trình bày những hiểu biết của mình về công nghệ
WiMAX, các chuẩn WiMAX và mô hình tham chiếu của hệ thống WiMAX.
Chương 3: OFDM và ứng dụng trong WiMAX
Chương này giới thiệu về việc công nghệ OFDM được ứng dụng như thế nào
trong hệ thống WiMAX và đưa ra những so sánh với việc ứng dụng OFDM
trong một số hệ thống thông tin khác.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, Đại tá, PGS, TS
Nguyễn Quốc Bình, người đã hướng dẫn tôi rất tận tình, cùng các thầy cô giáo
trong bộ môn thông tin đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành đồ án
tốt nghiệp đúng tiến độ.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Phạm Thị Vân Anh
9
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ OFDM
1.1 Nguyên lý cơ bản OFDM
Trong thông tin vô tuyến, công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nằm trong lớp các
kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Do đó trước khi tìm hiểu về nguyên lý cơ bản
OFDM, chúng ta xem xét về nguyên lý điều chế đa sóng mang.
1.1.1 Điều chế đa sóng mang
Ý tưởng điều chế đa sóng mang hình thành từ mong muốn có được tốc độ
truyền dữ liệu cao và các kênh truyền không có ISI (Inter Symbol Interference).
Để kênh truyền không có ISI thì thời gian symbol phải đủ lớn và thường thì lớn
hơn trải trễ lớn nhất của kênh ∆τ
max
. Đối với các kênh băng rộng cung cấp tốc độ
cao ngày nay, thời gian tồn tại của symbol thường nhỏ hơn rất nhiều độ trải trễ
của kênh nên ISI rất lớn.

Để khắc phục vấn đề này, điều chế đa sóng mang chia độ rộng băng thông
kênh có sẵn B thành L băng con được gọi chung là các sóng mang con như được
minh hoạ trong hình 1.1. Như vậy mỗi sóng mang con có độ rộng là ∆f = B/L. Số
lượng các luồng con được chọn sao cho độ rộng băng thông mỗi kênh con nhỏ
hơn rất nhiều độ rộng băng kết hợp của kênh nên các kênh con này chịu ảnh
hưởng của pha đinh tương đối phẳng. Như vậy thay vì phát luồng bit nối tiếp tốc
độ cao R thì máy phát đa sóng mang chia luồng dữ liệu đó thành L luồng con tốc
độ thấp hơn, symbol của mỗi luồng con này có thời gian tồn tại T. Có thể dễ
10
dàng thấy là T

>> ∆τ
max
, với ∆τ
max
là thời gian trải trễ lớn nhất của kênh, và vì vậy
ISI trên mỗi kênh con tương đối nhỏ. Sau đó các luồng con riêng biệt này được
phát trên L kênh con song song nên duy trì được tốc độ dữ liệu mong muốn tổng
cộng. Khi các kênh con này được duy trì trực giao với nhau thì điều chế đa sóng
mang được gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
Hình 1.1 Chia độ rộng băng thông thành L băng con
Một hệ thống gồm máy phát và máy thu đa sóng mang với L sóng mang
con như được biểu diễn trong hình 1.2 và hình 1.3. Tại máy phát, luồng tín hiệu
tốc độ cao R bps với độ rộng băng thông dải B được chia thành L luồng con song
song, mỗi luồng con này có tốc độ R/L và độ rộng băng thông là B/L. Mỗi luồng
con này điều chế một sóng mang con riêng biệt và được tổng lại thành tín hiệu
x(t). Sau đó tín hiệu x(t) này được truyền qua kênh có hàm truyền H(f) để tạo ra
tín hiệu ở đầu vào máy thu là y(t). Tại máy thu, có L bộ thu độc lập và mỗi sóng
mang con được giải điều chế riêng biệt. Khi số lượng các sóng mang con đảm
bảo cho độ rộng băng thông của chúng nhỏ hơn nhiều độ rộng băng thông kết

hợp, tức là B/L<<B
c
, thì khi đó pha đinh tác động lên mỗi sóng mang con gần
11
như là pha đinh phẳng. Do đó máy thu chỉ cần yêu cầu một bộ san bằng tương
đối đơn giản nên làm cho cấu trúc máy thu cũng đơn giản hơn.
Hình 1.2 Máy phát đa sóng mang cơ sở
Hình 1.3 Máy thu đa sóng mang cơ sở
12
Kỹ thuật đa sóng mang là một giải pháp được sử dụng cả trong miền thời
gian và miền tần số. Trong miền thời gian, thời gian tồn tại của symbol trên mỗi
sóng mang con tăng lên bằng T = LT
s
, vì vậy tăng L để đảm bảo rằng thời gian
tồn tại của symbol lớn hơn rất nhiều trải trễ của kênh, tức là T >> ∆τ
max
. Đây là
yêu cầu cho truyền dẫn không có ISI. Trong miền tần số, các sóng mang con có
độ rộng băng thông B/L <<B
c
là điều kiện để đảm bảo pha đinh phẳng và cũng
tương đương với việc truyền dẫn trong miền thời gian không có ISI. Hình 1.4
minh hoạ trong trường hợp khi trải trễ của kênh nhỏ hơn độ rộng symbol trong
miền thời gian và tương ứng là biến đổi Fourier của nó trong miền tần số. Kết
quả là không có ISI trong miền thời gian và pha đinh gần như là phẳng trong
miền tần số.
Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh truyền khi T » ∆τ
max
Vì vậy việc tăng số lượng các luồng con L làm giảm ISI và đơn giản hoá
bộ san bằng ở máy thu. Tuy nhiên, không thể tăng L một cách tuỳ tiện được. Với

các kênh thay đổi theo thời gian thì cávc symbol có thời gian tồn tại dài sẽ làm
giảm chất lượng truyền dẫn. Nếu thời gian kết hợp T
c
của kênh nhỏ có thể so
sánh được với T
s
thì đáp ứng tần số kênh thay đổi đáng kể trong suốt quá trình
13
truyền một symbol và vì vậy cũng không thể tách một cách tin cậy thông tin đã
phát đi. Do đó, thời gian kết hợp của kênh định nghĩa giới hạn trên cho số lượng
các sóng mang con. Cùng với điều kiện đảm bảo pha đinh phẳng trên các băng
con thì ta có một dải giới hạn cho L như sau:



 

= =
(1.1)
Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử
dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu
các kênh phụ được phân cách với nhau thì sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Để
làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa được những
ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phương
pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM.
1.1.2 Nguyên lý cơ bản OFDM
OFDM là một dạng đặc biệt của ghép kênh phân chia theo tần số thông
thường FDM (Frequency Division Multiplexing), trong đó độ rộng băng thông
kênh có sẵn được chia thành các băng con, hay còn gọi là các sóng mang con.
Hơn nữa các sóng mang con trong một hệ thống OFDM chồng lấn lên nhau để

tối đa hoá hiệu quả băng thông. Thông thường, các kênh con kế cận chồng lấn
lên nhau có thể nhiễu lẫn nhau. Tuy nhiên, các sóng mang con trong hệ thống
OFDM được trực giao một cách chính xác với nhau nên chúng có thể chồng lấn
mà không gây nhiễu lẫn nhau. Do đó, các hệ thống OFDM có thể tối đa hoá hiệu
quả độ rộng băng thông mà không gây nhiễu cho các kênh lân cận.
Điều kiện trực giao của hai sóng mang con


và


là:
2 2 2 ( )
0 0
1
1 1
.
0
 
   
 
     
 
 
    
 
 
  - -
=
ì

ï
ï
= =
í
¹
ï
ï
î
ò ò
(1.2)
14
Hình 1.5 (a) minh hoạ phổ dữ liệu riêng biệt của một kênh con và hình 1.5
(b) là phổ tín hiệu OFDM với các kênh con chồng lấn lên nhau.
Hình 1.5 Phổ một kênh con OFDM (a) và một tín hiệu OFDM (b)
Các hệ thống thông tin OFDM có thể tận dụng tốt hơn hiệu quả phổ tần số
thông qua việc chồng lấn các sóng mang con. Các sóng mang con này được sắp
xếp trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho công suất cực đại
của mỗi sóng mang con tương ứng với công suất cực tiểu của các sóng mang con
lân cận, nên chúng có thể chồng lấn một phần mà không gây nhiễu cho các
symbol bên cạnh. Trong hình 1.5, mỗi sóng mang con được biểu diễn bằng một
đỉnh khác nhau và đỉnh mỗi sóng mang con tương ứng lập tức về không qua tất
cả các kênh của sóng mang con lân cận.
Chú ý rằng các kênh OFDM khác so với các kênh FDM do việc sử dụng
bộ lọc tạo dạng xung. Với hệ thống FDM, một xung hình sinc được sử dụng
trong miền thời gian để tạo dạng mỗi symbol riêng biệt và ngăn chặn ISI. Còn
các hệ thống OFDM lại sử dụng một xung hình sinc trong miền tần số nên mỗi
sóng mang con có thể duy trì được tính trực giao với sóng mang con khác.
1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Hình 1.6 biểu diễn hệ thống OFDM sử dụng IFFT (Inverse Fast Fourier
Transform) và FFT (Fast Fourier Transform) tương ứng là bộ điều chế ở máy

15
phát và bộ giải điều chế ở máy thu và có sử dụng tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic
Prefix).
Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Chức năng cơ bản của các khối trong sơ đồ khối hệ thống OFDM:
Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song: Trong hệ thống OFDM, một
luồng dữ liệu tốc độ lớn đầu vào (R bps) được chia thành rất nhiều luồng con
khác nhau với tốc độ nhỏ hơn rất nhiều tốc độ luồng dữ liệu đầu vào, do đó làm
giảm ISI và hạn chế pha đinh đa đường. Các luồng con này được phát đồng thời
trên các sóng mang con. Để thực hiện quá trình xử lý này, máy phát cần thiết
phải có bộ chuyển đổi một luồng bit dữ liệu nối tiếp thành một vài luồng bit dữ
liệu song song được phân chia giữa các sóng mang riêng biệt. Một khi luồng bit
16
được phân chia giữa các sóng mang con riêng biệt thì mỗi sóng mang con được
điều chế trên một kênh con riêng trước khi tất cả các kênh được kết hợp lại với
nhau và được phát như là một tổng thể. Máy thu thực hiện quá trình ngược lại để
phân chia tín hiệu đến thành các sóng mang con thích hợp và sau đó giải điều
chế riêng từng sóng mang con trước khi khôi phục lại luồng bit gốc.
Điều chế với biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT): Việc điều chế dữ
liệu thành một dạng sóng phức được thực hiện tại bộ biến đổi Fourier ngược rời
rạc IDFT (Inverse Decret Fourier Transform) của máy phát, và trong trường hợp
là bội số của 2 thì phép biến đổi IDFT này được thay thế bằng phép biến đổi
IFFT. Tại đây, hệ thống điều chế có thể được chọn hoàn toàn độc lập với kênh cụ
thể đang được sử dụng và có thể được chọn dựa trên các yêu cầu kênh. Trong
thực tế, mỗi sóng mang con riêng biệt có thể sử dụng một hệ thống điều chế khác
nhau. Vai trò của IFFT là để điều chế mỗi kênh con trên sóng mang tương ứng.
Bộ chuyển đổi song song thành nối tiếp: Giai đoạn chuyển đổi song
song thành nối tiếp là quá trình tổng cộng tất cả các sóng mang con và kết hợp
chúng thành một chuỗi gồm nhiều symbol OFDM nối tiếp nhau.
Chèn tiếp đầu tuần hoàn : Vì các hệ thống thông tin vô tuyến khá nhạy

cảm với các phản xạ kênh đa đường nên một tiếp đầu tuần hoàn được gắn thêm
vào để giảm ISI. Tiếp đầu tuần hoàn này được chọn sao cho khoảng thời gian tồn
tại của nó lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền. Nó là bản sao chép của phần
cuối một symbol và được gắn thêm vào phần đầu của symbol này. Điều này đảm
bảo tín tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ tín hiệu, do
đó nó có thể đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con, nên làm đơn giản
hoá cấu trúc bộ ước lượng kênh và bộ san bằng ở máy thu.
17
Bộ chuyển đổi D/A: Sau khi các symbol OFDM được chèn thêm tiếp đầu
tuần hoàn thì chúng được đưa qua bộ chuyển đổi D/A để chuyển thành các tín
hiệu tương tự.
Ở máy thu thực hiện ngược lại với các quá trình diễn ra ở máy phát.
1.3 Những vấn đề cơ bản đặc thù của OFDM
Trong phần này chúng ta tìm hiểu một số vấn đề cơ bản đặc thù của
OFDM như khoảng phòng vệ, tích chập vòng, biến đổi Fourier nhanh, tiếp đầu
tuần hoàn và san bằng trên miền tần số.
1.3.1 Khoảng phòng vệ
Xét một symbol OFDM là một khối gồm các symbol dữ liệu L có khoảng
thời gian tồn tại là T(s), với T = LT
S
. Sau khi truyền qua một kênh truyền vô
tuyến, để các symbol OFDM này độc lập với nhau thì cần thiết phải sử dụng một
khoảng phòng vệ giữa chúng. Hình 1.7 minh hoạ điều này.
Như vậy với khoảng phòng vệ giữa các symbol OFDM lớn hơn trải trễ lớn
nhất của kênh ∆τ
max
thì mỗi symbol này chỉ gây nhiễu cho chính nó. Nói cách
khác, việc truyền OFDM chỉ có thể tạo ra ISI trong bản thân một symbol OFDM
và khi khoảng phòng vệ đủ lớn thì nó sẽ đảm bảo không có nhiễu lẫn nhau giữa
các symbol OFDM kế cận như được chỉ ra trong hình 1.8.

Hình 1.7 OFDM với khoảng phòng vệ
18
Hình 1.8 Ảnh hưởng của trải trễ kênh
1.3.2 Tích chập vòng và DFT
Nhờ sử dụng một khoảng phòng vệ thì các symbol OFDM kế cận đã hoàn
toàn trực giao với nhau. Nhiệm vụ tiếp theo là khắc phục ISI trong mỗi symbol
OFDM. Khi luồng dữ liệu đầu vào x(n) được truyền thông qua một kênh đáp ứng
xung hạn chế FIR (Finite Impulse Response) không thay đổi theo thời gian tuyến
tính h[n] thì đầu ra là tích chập tuyến tính của đầu vào và kênh truyền y[n] = x[n]
*h[n]. Tuy nhiên có thể thay việc tính toán y[n] bằng tích chập vòng:
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
         = Ä = Ä
(1.3)
với
[ ] [ ] [ ] [ ]
[ ] [ ]
1
0



            
-
=
Ä = Ä -
å
@
(1.4)
trong đó
[ ]

[ ]
mod

    =
.
Sau đó thực hiện DFT đầu ra kênh để nhận được:
[ ]
{ }
[ ] [ ]
{ }
DFT y n DFT h n x n
= ⊗
(1.5)
Xét trong miền tần số, ta có:
[ ] [ ] [ ]
     =
(1.6)
Biến đổi qua lại giữa tích chập trong miền thời gian và tích thường trong
miền tần số là đặc tính độc đáo của DFT. DFT L điểm được định nghĩa như sau:
19
[ ]
{ }
[ ] [ ]
2
1
0
1
nm
L
j

L
n
DFT x n X m x n e
L
π
−
−
=
=
∑
@
(1.7)
Và biến đổi ngược của nó là IDFT:
[ ]
{ }
[ ] [ ]
2
1
0
1
nm
L
j
L
m
IDFT X m x n X m e
L
π
−
=

=
∑
@
(1.8)
Công thức (1.6) mô tả kênh truyền không có ISI trong miền tần số với mỗi
symbol đầu vào X[m] ít bị ảnh hưởng bởi hàm truyền phức của kênh H[m]. Vì
vậy, có thể khôi phục lại tín hiệu đầu vào bằng một tính toán đơn giản:
[ ]
[ ]
[ ]
ˆ
Y m
X m
H m
=
(1.9)
Ở đây, giá trị ước lượng
[ ]
ˆ
 
có sai khác so với
[ ]
 
do ảnh hưởng
của tạp âm cộng tính, nhiễu đồng kênh, ước lượng kênh sai lệch, và các yếu tố
khác. Tuy nhiên, quan trọng nhất là cần phải khắc phục ISI, dạng nhiễu nghiêm
trọng nhất trong một kênh băng rộng. Ta hoàn toàn có thể làm giả tích chập vòng
này bằng việc cộng thêm một tiếp đầu tuần hoàn (CP) vào vectơ được phát.
1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn
Thêm tiếp đầu tuần hoàn (CP) vào tín hiệu được phát như trong hình (1.9)

để tạo ra một tín hiệu x[n]
L
, và vì vậy ta có thể tính được tín hiệu ở đầu thu theo
công thức y[n]=x[n] h[n].
20
Hình 1.9 Tiếp đầu tuần hoàn OFDM
Nếu trải trễ lớn nhất của kênh có khoảng thời gian là ν + 1 mẫu thì việc
thêm một khoảng phòng vệ với ít nhất là ν mẫu giữa các symbol OFDM làm cho
mỗi symbol OFDM độc lập với các symbol trước và sau nó, và vì vậy chỉ cần
xem xét một symbol OFDM đơn lẻ. Tạo ra một symbol OFDM như vậy trong
miền thời gian như là một vectơ có chiều dài L:
x = [x
1
x
2
…x
L
] (1.10)
Sau khi thêm tiền tố chu kỳ có chiều dài ν thì tín hiệu được phát là:
1 1 0 1 1

    


      
 - - + - -
é ù
ê ú
=
ê ú

ê ú
ë û
14444244443
144444424444443
(1.11)
21
Hình 1.10 Minh hoạ tiếp đầu tuần hoàn

Hình 1.11 Giả tích chập vòng bằng tiếp đầu tuần hoàn
Vì vậy, bằng việc giả tích chập vòng như được minh hoạ trong hình 1.11,
một tiền tố chu kỳ có chiều dài ít nhất bằng khoảng thời gian tồn tại của kênh
cho phép đầu ra kênh y là kết quả của một phép nhân đơn giản của đáp ứng xung
tần số của kênh H = DFT{h} và đầu vào miền tần số của kênh X = DFT{x}.
22
Mặc dù tiền tố chu kỳ đơn giản và hiệu quả nhưng nó cũng có vài nhược
điểm. Nó làm tăng độ rộng băng thông và thiệt hại về công suất. Nhưng có thể
thấy rằng với L >> ν thì việc mất hiệu quả phổ gây bởi tiền tố chu kỳ có thể nhỏ
một cách võ đoán bằng cách tăng số các sóng mang con.
1.3.4 San bằng trong miền tần số
Khi sử dụng OFDM thì pha đinh tác động lên tín hiệu gần như là phẳng và
ISI rất nhỏ. Tuy nhiên, để ước lượng các symbol nhận được thì cần phải biết độ
lợi kênh phức cho mỗi symbol, từ đó mới xác định biên độ và pha của chúng.
Do đó sau khi thực hiện FFT thì các symbol được ước lượng sử dụng một
bộ san bằng một khâu miền tần số hay còn gọi là FEQ theo công thức: .
ˆ







=
Trong đó, H
t
là đáp ứng phức của kênh tại tần số f
c
+ (l - 1)∆f , và như vậy có thể
sửa được cả pha và san bằng cả biên độ trước khi đưa vào bộ quyết định.
1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống OFDM
1.4.1 Ưu điểm
Ngày nay, OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin,
đặc biệt là các hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng bởi vì nó có nhiều ưu
điểm nổi bật.
a, Hiệu quả sử dụng băng thông
Trong một hệ thống FDM truyền thống, mỗi kênh con được đặt cách nhau
bởi khoảng phòng vệ để đảm bảo các kênh lân cận không nhiễu lẫn nhau. Trong
khi đó hệ thống OFDM có các kênh con chồng lấn lên nhau. Do đó nó có thể sử
dụng tối đa băng thông hệ thống như được minh hoạ trong hình 1.12.
23
Hình 1.12 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM
Theo lý thuyết, các bộ điều chế số M-mức sử dụng OFDM có thể đạt được hiệu
quả băng thông là
( )
2
log / /   
. Điều này được chứng minh như sau.
Ta có tốc độ symbol của luồng dữ liệu nối tiếp là 1/∆t, và tốc độ bit cho một
hệ thống M-mức tương ứng là
2
log 

D
. Tuy nhiên trong hệ thống OFDM, mỗi
kênh con phát với tốc độ nhỏ hơn L lần thì tốc độ bit là
2
log 
 D
. Độ rộng băng
thông tổng cộng của hệ thống OFDM là:
1 0
2

  
-
= - +
(1.12)
với f
n
là sóng mang con thứ n (n = 0, 1,…, L-1) và δ là độ rộng băng thông một
phía của kênh con. Các sóng mang con này được đặt cách nhau một khoảng bằng
24
nhau sao cho
( )
1 0
1

  
-
- = - D
. Vì
1


 
D =
D
do các sóng mang con trực
giao nên
1 0
1 1
1


 
-
æ ö
÷
ç
- = -
÷
ç
÷
ç
è ø
D
. Do đó hiệu quả sử dụng băng thông η là:
2
log
1
1 2






=
æ ö
÷
ç
- + D
÷
ç
÷
ç
è ø
(1.13)
Đối với trường hợp khoảng cách tần số trực giao và độ rộng băng thông bị giới
hạn (∆f) và với
1 1
2 2

 
 = D =
D
, thì hiệu quả sử dụng phổ là
2
log  =
(bit/s/Hz). Tuy nhiên trong thực tế, thực hiện phổ chồng lấn trên độ rộng băng
thông tối thiểu bằng hệ số α sao cho
( )
1
1

2 
 = +
D
và hiệu quả phổ là:
2
2
log
log
1





= <
+
(1.14)
Để có được hiệu quả sử dụng phổ cao nhất trong hệ thống OFDM thì L
phải lớn và α phải nhỏ.
b, Giảm ISI
Trong các hệ thống một sóng mang, ISI thường được tạo ra bởi các đặc tính
truyền lan đa đường của một kênh thông tin vô tuyến. Đặc biệt khi phát một tín
hiệu trên một khoảng cách dài thì tín hiệu được truyền theo rất nhiều đường khác
nhau. Do đó tín hiệu thu được có chứa tín hiệu truyền theo đường thẳng trực tiếp
chồng lấn với các tín hiệu phản xạ với biên độ nhỏ hơn, gây méo tín hiệu.
Các hệ thống OFDM hạn chế được vấn đề này bằng cách tạo ra một khoảng
symbol dài hơn trải trễ của kênh truyền. Tín hiệu từ một luồng dữ liệu tốc độ cao
25