Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong Wimax

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








NGUYỄN HỒNG LẠC



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGÀNH: ĐIỆN TỬ


NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT OFDM VÀ
ỨNG DỤNG TRONG WIMAX


THÁI NGUYÊN 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Hồng Lạc
Học viên lớp Cao học khoá 13 –KT Điện Tử - Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu Kỹ Thuật OFDM và ứng dụng trong
WIMAX ” do thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Quốc Trung hướng dẫn là công trình
tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn đúng
như trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Các tài liệu tham khảo
đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Bắc Ninh, ngày 01 tháng 11 năm 2012
Học viên



Nguyễn Hồng Lạc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC CÁC ký HIỆU xii
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 3
1.1. Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM 3
1.1.1. Khái niệm 3
1.1.2. Lịch sử phát triển: 4
1.1.3 Cấu trúc, chức năng của hệ thống OFDM 7

1.1.4 Các hƣớng phát triển tƣơng lai 10
1.2. Nguyên lý điều chế OFDM 10
1.2.1. Sự trực giao của hai tín hiệu 10
1.2.2. Bộ điều chế OFDM 11
1.2.3. Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT 13
1.2.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 14
1.2.5 Phép nhân với xung cơ bản 16
1.3. Nguyên lý giải điều chế OFDM 16
1.3.1. Truyền dẫn phân tập đa đƣờng 16
1.3.2. Nguyên tắc giải điều chế 17
1.4. Mô phỏng hệ thống OFDM 19
CHƢƠNG 2. KỸ THUẬT MIMO 25
2.1 Giới thiệu chung 25
2.2. Ƣu điểm của hệ thống MIMO 25
2.3 Mô hình hệ thống MIMO 26
2.4 Dung lƣợng kênh MIMO 28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.5 Kênh không đƣợc biết phái phát 29
2.6 Kênh đƣợc biết ở phía phát 30
2.7 Kênh xác định ( các phần tử H đƣợc định trƣớc) 31
2.7.1 Hệ thống SISO 31
2.7.2 Hệ thống MISO 32
2.8 Kênh ngấu nhiên 33
2.9 So sanh hiệu năng của hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 37
2.10 Ảnh hƣởng của các tham số vật lý dung lƣợng kênh MIMO 38
2.10.1 Ảnh hƣởng của sự tƣơng quan Fading 38
2.10.2 Ảnh hƣởng của đƣờng truyền trực tiếp LOS 40
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG WIMAX 43
3.1 Một số khái niệm về WIMAX 43

3.1.1 Công nghệ WIMAX 43
3.1.2 Diễn đàn Wimax ( WIMAX forrum). 45
3.1.3 Lợi ích của cá chuẩn Wimax 50
3.2 Tiến trình phát triển và các chuẩn Wimax 50
3.3 Kiến trúc WiMAX 52
3.3.1 Các lớp giao thức trong WiMAX 52
3.3.2 Đặc tính kỹ thuật lớp MAC và lớp vật lý 54
3.4 Bảo mật trong Wimax 63
3.4.1 Các liên kết bảo mật ( SA) 64
3.4.2 Chứng chỉ điện tử X509 66
3.4.3 Giao thức quản lý khóa và bảo mật PKM 67
3.4.4 Sử dụng khóa 71
CHƢƠNG 4. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG WIMAX VÀ TRIỂN KHAI THỬ
NGHIỆM WIMAX DI ĐỘNG Ở VIỄN THÔNG HÀ NỘI CỦA TẬP ĐOÀN
BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM 76
4.1 Giới thiệu chƣơng. 76
4.2 Nhu cầu và hiện trạng các hệ thống truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76
4.2.1 Nhu cầu truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4.2.2 Hiện trạng truy nhập băng rộng tại Việt Nam. 76
4.3 Các mô hình triển khai công nghệ mạng WiMAX. 78
4.3.1 Mạng dùng riêng. 78
4.3.2 Các mạng phục vụ cộng đồng. 85
4.4 Tình hình triển khai WiMAX thử nghiệm tại Việt Nam 87
4.5 Tính toán hệ thống Wimax và triển khai thử nghiệm Wimax di động ở viễn
thông Hà Nội. 88
4.5.1. Các tính toán cho qua trình thiết kế WiMax di động 89
4.5.2. Các tính toán trong kỹ thuật điều chế thích ứng 93
4.5.3 Triền khai thử nghiệm WiMax di động tại Hà Nội 98

4.5.4 ứng dụng trên nền WiMax 100
4.5.5 Đánh giá tổng thể về hệ thống WiMax Motorola 101
KẾT LUẬN 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Độ lợi dàn và bậc phân tập của các cấu hình anten khác nhau. 37
Bảng 3.1. Mô tả giao diện không gian 63
Bảng 3.2. bảng tóm tắt các khóa mã hóa đƣợc dùng với SA 66
Bảng 3.3. Bảng thuật ngữ dùng trong trao đổi bản tin chứng thực 68
Bảng 3.4 Các thuật ngữ dùng trong trao đổi bản tin giao thức PKM 70
Bảng 4.1. Một ví dụ của tính toán đƣờng truyền 91
Bảng 4.2 Một số hiệu suất phổ 93
Bảng 4.3 Các giả định của lớp vật lý IEEE 802.16 96

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM 3
Hình 1.2 Tín hiệu và phổ OFDM 4
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 7
Hình 1.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0 11
Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 12
Hình 1.6 Chuỗi bảo vệ GI 14
Hình 1.7 Tác dụng của chuỗi bảo vệ 15
Hình 1.8 Xung cơ bản 16

Hình 1.9 Mô hình kênh truyền 17
Hình 1.10 Bộ thu tín hiệu OFDM 17
Hình 1.11 Tách chuỗi bảo vệ 18
Hình 1.12 sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM 19
Hình 1.13 Tín hiệu OFDM miền thời gian 20
Hình 1.14a Phổ tín hiệu OFDM truyền 21
Hình 1.14b Phổ tín hiệu OFDM nhận 21
Hình 1.15a Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số 22
Hinh 1.15b Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số 22
Hình 1.16 Tỉ lệ lỗi bít tƣơng ứng với SNR trong trƣờng hợp chỉ có nhiễu trắng 23
Hình 2.1. sơ đồ khối hệ thống MIMO 26
Hình 2.2 . Sơ đồ hệ thống SISO 1 31
Hình 2.3 Hệ thống MISO 32
Hình 2.4 CDF của tốc độ thông tin cho ma trận kênh i.i.d với hệ thống 2x2 và 34
Hình 2.5 Dung lƣợng ergodic cho cấu hình anten khác nhau với n
t
= n
r
=M [10] 34
Hình 2.6. Dung lƣợng ergodic kênh MIMO 4x4 [10] 35
Hình 2.7 Dung lƣợng 10% outage cho các cấu hình khác nhau (n
t
= n
r
= M) [10] 36
Hình 2.8. Dung lƣợng outage 10% đối với kênh M=4[10] 36
Hình 2.9 Dung lƣợng một số cấu hình anten MIMO khác nhau [07] 37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2.10 Dung lƣợng Ergodic của kênh MIMO 2X2 trong trừơng hợp tƣơng quan

và không tƣơng quan [10] 39
Hình 2.11 Dung lƣợng Egrodic so với hệ số K của kênh MIMO 41
Dung lƣợng giảm khi k tăng [10] 41
Hình 3.1 Các lớp trong Wimax 53
Hình 4.1. Cellular Backhaul. 79
Hình 4.2. WSP Backhaul. 79
Hình 4.3. Mạng ngân hàng. 80
Hình 4.4. Mạng giáo dục. 81
Hình 4.5. Mô hình an toàn cho các truy nhập công cộng. 82
Hình 4.6. Sử dụng Wimax cho việc thông tin liên lạc xa bờ. 83
Hình 4.7. Kết nối nhiều khu vực. 83
Hình 4.8. Các công trình xây dựng. 84
Hình 4.9. Các khu vực công cộng 85
Hình 4.10. Mạng truy nhập WSP. 86
Hình 4.11. Triển khai ở vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh. 87
Hình 4.12 Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 94
Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 96
Hinh 4.14 Mô hình kết nối mạng WiMax 98
Hình 4.15 Trang chủ media booth 101
Hình 4.16: Sơ đồ hệ thống WiMax tại TP Hà Nội 102
Hình 4.17: phƣờng án đánh địa chỉ IP 104
Hình 4.18a Khu vực cần phủ sóng chụp từ vệ tinh 108
Hình 4.18b Khu vực cần phủ sóng thực tế 111
4.19a Khu vực nội thành Hà Nội 111
4.19b Khu vực quận Hoàn Kiếm 112
4.19c Khu vực phƣờng Bách Khoa 112
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết Tắt
Tên tiếng Anh
Tên tếng Việt
AAA
Authentication authorization &
Account
Nhận thức, cấp phép và lập lại
khoản
AAS
Adaptive Antenna System
Hệ thống anten thích ứng
ACI
Adjacent Cell Interference
Nhiễu ô lân cận
ASN
Access Service Network
Mạng dịch vụ truy nhập
AM
Adaptive Modulation
Điều chế thích ứng
AOA
Angle Of Arrival
Góc tới
AOD
Angle Of Departure
Góc xuất phát
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
BE

Best Effort
Dịch vụ nỗ lực tốt nhất
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bít
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khoa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm gốc
BTC
Block Turbo Code
Mã turbo khối
CCI
Co channel Interference
Nhiễu đồng kênh
CDF
Cumulative Ditribution Function
Hàm phân bố tích lũy
CDMA
Code Division Multiple Access
đa truy nhập phân chia theo mã
CID
Connection Identifier
Nhận dạng kết nối
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố tuần hoàn
CPE

Customer Premises Epuipment
Thiết bị truyền thong cá nhân
CPS
Common Part sublayer
Lớp con phần chung
CRC
Cyclic Redundancy Check
Kiểm tra độ dƣ vòng tuần hoàn
CSN
Connectivity Service Network
Mạng dịch vụ kết nối
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
CTC
Concatenated Tubor Code
mã turbo xoắn
DCD
Downlink Channe Descriptor
Miêu tả kênh đƣờng xuống
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DHCP
Dynamic Host Configuration
Protocol
Giao thức cấu hình host động
DL

Downlink
Đƣờng xuống
DLFP
Downlink Frame Preamble
Tiền tố khung đƣờng xuống
DPS
Delay Power Spectrum
Phổ công suất trễ
FDD
Frequence Division Mutiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC
Forward Error Correction
Hiệu chỉnh lỗi trƣớc
FFT
Fast Fourire Tranform
Chuyển đổi Fourier nhanh
HCS
Header Check Sequence
Thứ tự kiểm tra tiêu đề
HT
Header Type
Loại tiêu đề
ICI
Inter Carrier Interference
Nhiễu giữa các sóng mang
IFFT
Inverse Fast Fourier Tranform
Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc
ISI

Inter Symbol Interferrence
Nhiễu giữa các ký hiệu
LOS
Line of Sight
Tầm nhìn thẳng
LSB
Least Significant Bit
Bít ít ý nghĩa nhất
MA
Multiple Access
đa truy nhập
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập phƣơng tiện
MAN
Metropolitan Area NetWork
Mạng vùng thành thị
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Nhiếu đầu vào nhiếu đầu ra
MISO
Multiple Input Single Output
Nhiếu đầu vào một đầu ra
ML
Maximum Likelihood
Khả giống cực đại
MQAM
Multilevel – QAM
QAM nhiều mức
MS

Mobile Station
Trạm di động
MSB
Most Significant Bit
Bít nhiều ý nghĩa nhất
NAP
Network Access Provider
Nhà cung cấp dịch vụ truy nhập mạng
NLOS
Non Light of Singht
Tầm nhìn không thẳng
NNI
Network Network Interface
Giao diện mạng – mạng
NRP
Normalized Received Power
Công suất thu chuẩn hóa
NSP
Network Service Provoder
Nhà cung cấp dịch vụ mạng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

OFDM
Orthogonal Frequence Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
Số trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequence Division
Multiple Sccess

đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
PDF
Probability Density Function
Hàm mật độ xác suất
PDP
Power Delay Profile
lý lịch trễ công suất
PDU
Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức
PEP
Pairwise Error Probability
Xác suất lỗi cặp
PKM
Privacy key Management
Quản lý khóa bảo mật
PMP
Point to Multipoint
Điểm đa điểm
PS
Physical Slot
Khe vật lý
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phƣơng
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khóa chuyển pha cầu phƣờng
RDS

Root Mean square Delay Spread
Trải trễ trung bình quân phƣơng
RMS
Root Mean Square
Trung bình quân phƣơng
RTG
Receive Transition Gap
Khoảng trống chuyển giao đầu thu
SAP
Service Access Point
Điển truy nhập dịch vụ
SE
Spectrum Efficiency
Hiệu suất phổ tần
SER
Symbol Error Rate
Tỷ lệ lỗi ký hiệu
SFID
Servece Flow Identifier
Nhận dạng luồng dịch vụ
SIMO
Single Input Multiple Output
Một đầu vào nhiều đầu ra
SIR
Signal to Interferrence Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SINR
Signal to Interferense plus Noise
Tỷ số tín hiệu tren nhiễu cộng tạp
âm

SISO
Single Input Single Output
Một đầu vào một đầu ra
SNR
Signl to Noise Ration
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SS
Subscriber Station
Trạm thuê bao
SSCS
Speccify Servivcse Convergence
Sublayer
Lớp con hội tụ dịch vụ riêng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

STBC
Space Time Block Code
mã khối không gian thời gian
STC
Space Time code
Mã không gian thời gian
SVD
Singular Value Decomposition
Phân chia giá trị đơn
TDD
Time Divesion Dulex
Spng công phân chia
TTG
Transmit Transition Gap
Khoảng trống chuyển giao đầu

phát
UCD
Uplink Channet Descriptor
Miêu tả kênh đƣờng lên
UGS
Unsolicited Grant Service
Dịch vụ cấp phát không kết hợp
UL
Uplink
Đƣờng lên
UNI
User Network Interface
Giao diện ngƣời sử dụng mạng
WAN
Wide Area
Mạng diện rộng
WLAN
Wireless LAN
Mạng LAN không dây
WMAN
Wireless MAN
Mạng MAN không dây
XOR
Exclusive
Hàm cộng modul
ZF
Zero Forcing
Cƣỡng bức về không
WIMAX
World Interoperability for

Microwave Access
Khả năng khai thác liên mạng trên
toàn cầu đối với truy nhập vi ba

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC ký HIỆU

a

Độ lớn của
A
+
Ma trận giả đảo Moore – Penrose của A
F
A

Chuẩn Frobenius của ma trận A
H
A

Ma Trận chuyển vị phức của A
T
A

Ma Trận chuyển vị của A
C
Dụng lƣợng
E
S

Năng lƣợng ký hiệu thu
 
x


Hàm Dirac
Det
 
A

Định thức ma trận A
Diag(
12
, , ,
n
a a a
)
Ma trận đƣờng chéo nxn


Hoạt động mong muốn
f(x)
Hàm phần phối xác xuất của biến ngẫu nhiên x
F(x)
Hàm phần phối tích lúy của x
I
m

Ma trận nhất phân tích kích thƣớc mxm

K
Thửa số K kênh Rice
p
e

Xác suất lỗi
r(A)
Hạng ma trân A
R
Trƣờng số thực
Tr(A)
Dò theo A
Z
Trƣờng số nguyên.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Hiện nay các hệ thống cung cấp dịch vụ truy cập băng rộng phần lớn vẫn là
các hệ thống DSL cung cấp truy cập hữu tuyến và hệ thống WiFi với phạm vi phục
vụ còn rất hạn chế. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng dịch vụ băng rộng lại đang đòi
hỏi rất cấp thiết tại nhiều vùng, nhiều khu vực mà các giải pháp hiện có rất khó triển
khai hoặc triển khai chậm. Để có thể triển khai nhanh chóng và hiệu quả hệ thống
truy cập băng rộng tại các khu vực này thì việc nghiện cứu triển khai các hệ thống
truy cập vô tuyến băng rộng WiMax là hết sức cần thiết.
Mạng không dây là một trong những bƣớc tiến lớn nhất của ngành truyền
thông. Mạng không dây sau đó tiếp tục đƣợc quan tâm nhiều hơn nhờ sự phổ biến
mạnh mẽ của kết nối Internet băng rộng tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở

thành phƣơng thức dễ nhất cho phép nhiều máy tính chia sẻ một đƣờng truy cập
bằng rộng. Trong qua trình học tập tại trƣờng Đại học Công nghiệp Thái Nguyên
cũng nhƣ trong qúa trình công tác và tham quan thực tế tại Công ty Điện toán và
Truyền số liệu (VDC), Viễn thông Hà Nội, tôi đƣợc tiếp xúc và tham khảo nhiều tài
liệu về công nghệ này. Công nghệ WiMax (World interoperability for Microwave
Acess); khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu với truy nhập vi ba dựa trên cơ
sở hệ thống tiêu chuận kỹ thuật IEEE 802.16 với nhiều ƣu điểm vƣợt trội nhƣ tốc độ
truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lƣợng dịch vụ đƣợc thiết lập cho từng
kết nối, an ninh tốt, sử dụng cả phổ tần cấp phép và không đƣợc cấp phép …
WiMax là công nghệ không dây băng rộng đƣợc hỗ trợ mạnh mẽ bởi nền
công nghiệp máy tính và viễn thông với chi phí thấp và đƣợc chuẩn hóa. WiMax có
thể bao phủ một vùng diện tích rộng lớn tới 50km và cung cấp tốc độ bít lên tới
70Mbit/s cho ngƣời dung. Trong hệ thống WiMax, kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multipleixing ) và đa anten phát
– đa anten thu MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) là hai kỹ thuật then chốt.
Tuy WIMAX mới đƣợc bắt đầu triển khai trên các hệ thống thử nghiệm
nhƣng nó đang là xu hƣớng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc
truy nhập không dây băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định và di động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Theo đánh giá của các chuyên gia thì WiMAX di động sẽ nhanh chóng vƣợt qua
những công nghệ hiện có nhƣ Wi-Fi hay 3G. Ở Việt Nam, công nghệ WIMAX đang
đƣợc các nhà khoa học cũng nhƣ các doanh nghiệp rất quan tâm. Để làm chủ công
nghệ cũng nhƣ triển khai ứng dụng rộng rãi WIMAX ở Việt Nam, cần phải nắm
vững và hiểu biết sâu sắc bản chất công nghệ mà hệ thống này sẽ sử dụng. Ngoài ra
cần phải biết tính toán thiết kế thử nghiệm hệ thống, một công việc vô cùng quan
trọng đối với các kỹ sƣ và cán bộ kỹ thuật. Với lý do này tôi chọn đề tài “Kỹ thuật
OFDM và ứng dụng trong WIMAX”.
Luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng với các vấn đề nghiên cứu nhƣ sau đây :
Chƣơng 1: Kỹ thuật điều chế OFDM – đa sóng mang trực giao

Chƣơng 2: Kỹ thuật MIMO – Đa anten phát và đa anten thu
Chƣơng 3. Hệ thống WiMAX.
Chƣơng 4: Tính toán hệ thống WiMAX và triển khai thử nghiệm
WiMAX di động ở Viễn thông Hà Nội của tập đoàn bƣu chính viễn thông Việt
Nam.
Luận văn này đã đƣợc hoàn thành sau thời gian nghiên cứu, làm việc với tình
thần nghiêm túc và nỗ lực, nhƣng chắc chắn không tránh khỏi nhiều thiếu sót. Do
vậy tôi rất mong muốn nhân đƣợc sự chỉ bảo, góp ý thêm của thầy cô và bạn bè
đồng nghiệp nhằm hoàn thiện hơn nữa luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp đã động viên,
giúp đớ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn
Sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quốc Trung, Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, định
hƣớng góp ý cho tôi nhiều điều vô cùng quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Bắc Ninh ,Ngày tháng năm 2012
Học viên: Nguyễn Hồng Lạc
Lớp cao học KTĐT K13 – khóa (2010-2012)


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 1
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

1.1 Giới thiệu kỹ thuật điều chế OFDM
1.1.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM về cơ bản là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng
pháp điều chế FDM chia luồng dữ liệu thành nhiều đƣờng truyền băng hẹp trong

vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier)
trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này đƣợc phép
chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại đƣợc tín hiệu ban đầu. Sự
chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn
hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thƣờng.

Hình 1.1: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lƣợng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tƣơng ứng với kích thƣớc FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến
802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tƣơng ứng FFT 256 điểm, hình thành
chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005)
cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến
20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tƣơng
đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng
mang với độ rộng kênh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM
Hình 1.2 Tín hiệu và phổ OFDM
1.1.2 Lịch sử phát triển:
Kỹ thuật OFDM do R.W.Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 45 năm
hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã đƣợc thực
hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weitein và Ebert, ngƣời
đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi
IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT. Phát mình này cùng với sự
phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM đƣợc ứng dụng rộng rãi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

thay vì sự dung IDFT ngƣời ta có thể sự dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ
điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Năm 2001, Viện kỹ sƣ Điện và Điện tử (IEEE) đƣa ra bộ tiêu chuẩn 802.16
cho truy cập không dây băng thông rộng. Công nghệ WIMAX theo giao thức chuẩn
802.16e có nghĩa là có chức năng tƣơng tự WiFi. Nhƣng tầm phủ sóng của
WiMAX xa hơn, có thể đạt tới hàng chục km (lên đến 50 km) và nhanh hơn (tƣơng
lai tốc độ lên tới 1 GB)
Vì vậy WiMAX có thể đƣợc sử dụng cho cả mạng CDMA và GSM hay nói
cách khác giống nhƣ một chiếc điện thoại có tính năng WiFi đang tồn tại trong các
loại điện thoại di động CDMA và GSM. Chuẩn này cũng áp dụng cho mạng truyền
thông vô tuyến đƣờng dài trong thực tế và có thể sẽ là một sự bổ sung hoặc thay thế
cho mạng 3G. Đồng thời WiMAX ra đời sẽ cung cấp một phƣơng tiện truy cập
Intemet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi, đây là gậy thách
thức lơn cho mạng hữu tuyến hiện tại vì nó có một chi phí thấp lắp đặt và bảo trì.
Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tƣơng tự nhƣ mạng điện thoại tế bào .
WiMAX cũng hoạt động mềm dẻo nhƣ WiFi khi truy cập mạng. Mỗi khi một máy
tính muốn truy nhập mạng nó sẽ tự động kết nối đến trạm anten WiMAX gần nhất.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm
của nó trong tiết kiệm băng tần chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng nhƣ
xuyên nhiễu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của
phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với
nhau , nhờ vậy phổ tín hiện ở 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 lơn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế
thông thƣờng. Nhờ đó OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu
tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong
một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lƣợng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng

cách là thích nghi tốc độ dữ liệu trên mối sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp
âm SNR của sóng mang đó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Các công nghệ truy nhập Intemet phổ biến hiện nay nhƣ ADSL, hay các
đƣờng thuê kênh riêng, 3G, hay mạng WiFi. Đối vơi ADSL tốc độ có thể lên đến 8
Mbit/s nhƣng cần có đƣờng dây kết nối, các đƣờng thuê kênh riêng thì giá thành đắt
mà khó triển khai đối với các khu vực có địa hình phức tạp. Hệ thống thông tin di
động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6kbit/s quá thấp so với nhu cầu ngƣời sử
dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM nhƣ GPRS (2.5G) cho phép truy cập ở tốc
độ lên tới 171,2 kbit/s
Hay EDGE khoảng 300- 400kbit/s
cũng chƣa thể đủ đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng khi sử dụng các dịch
vụ mạng Intermet, ở hệ thống di động
thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập
Intermet cũng không vƣợt quá 2 Mb/s,
với mạng WiFi
(chính là mạng Lan không dây) chỉ có
thể áp dụng cho các máy tính trao đổi
thông tin với khoảng cách ngắn. với
thực tế nhƣ vậy ,WiMax (Worlwide
Interoperability


Mô hình truyền thông của WiMax
For Microwave Access ra đời nhằm cung cấp một phƣơng tiện truy cập Intermet
không dây tổng hợp có thể cho ADSLvà WIFI.
Thực tế WiMax hoạt động tƣơng tự WiFi nhƣng tốc độ cao và khoảng cách
lớn hơn rất nhiều cùng với một số lƣợng lơn. Một hệ thống WiMax gồm 2 phần:

*Trạm phát: giống nhƣ các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất
lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8.000 km
2 ,
*Trạm thu: có thể là anten nhỏ nhƣ Card mạng cắm vào hoặc đƣợc thiết lập sẵn trên
Mainboard có thể phủ sóng đến những vùng rất xa.
Các anten thu phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền
thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trƣờng hợp truyền thẳng , các anten đƣợc đặt cố
định trên các điểm cao, tín hiệu trong trƣờng hợp này ổn định và tốc độ truyền có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

thể tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín
hiệu bít ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn
hơn. Đối với trƣờng hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn , 2 -11
GHz, tƣơng tự nhƣ ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vƣợt qua các vật cản, có
thể phản xạ, nhiễu xạ, uống cong. Vòng qua các vật thể để đến đích.
1.1.3 Cấu trúc, chức năng của hệ thống OFDM
Sơ đồ khối một hệ thống OFDM đƣợc hinh họa theo hình sau:

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM
Khối biến đổi nối tiếp sang song song ( Serial to Para )
Luồng số liệu nối tiếp (Serial) đi vào đƣợc tạo kích cỡ theo yêu cầu tuyền
dẫn (điều chế QAM) và chuyển thành dạng song song. Dữ liệu đƣợc phát song song
bằng cách gán mối từ cho 1 sóng mang để điều chế tín hiệu.
Khối điều chế ( Modualation Mapping )
Dữ liệu đƣợc phát trên mỗi sóng mang đƣợc mã hóa vi sai và điều chế mã M
– QAM. Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu đƣợc
bổ sung vào đầu chuỗi. Dữ liệu trên mỗi ký hiệu sau đó đƣợc với một góc pha nhất
định dựa theo phƣơng thức điều chế. Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên độ
không đổi và đơn giảm các vấn đề biến đổi pha do fading.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Khối biến đổi Fourier ngƣợc ( IFFT)
Sau khi phổ yêu cầu đã đƣợc xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm
dạng sóng thời tƣơng ứng biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc IDFT, và biến đổi Fourier
rời rạc DFT đƣợc sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên 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 trƣờng hợp , N đƣợc 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.
Khối chèn khoảng bảo vệ
Khối bảo vệ đƣợc thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm hai phần, một nửa phát
biên độ Zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ
dàng khôi phục định thời kỳ, làm giảm SNR tới 0,5 tới 1 dB
Khối kênh truyền dẫn vô tuyến
Một mô hình kênh đƣợc áp dụng cho tín hiệu phát. Mô hình cho phép điều
khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đƣờng và công suất đỉnh, SNR đƣợc
lập bằng cách thêm một lƣợng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa đƣờng đƣợc
mô tả bẳng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tƣơng ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số
biên độ tƣơng ứng với lƣợng tín hiệu phản hồi.
Máy thu
Máy thu về cơ bản hoạt động ngƣợc lại so với máy phát, khoảng bảo vệ đƣợc
loại bỏ, biên độ Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát.
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM
Ưu điểm:
Kỹ thuật OFDM có nhiều ƣu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có
đƣợc. OFDM cho phép truyền thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền
fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc
sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang ICI có thể
loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn

lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra đƣợc dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất CP (cylic prefix) lớn
hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đƣờng thì hiện tƣợng nhiễu liên ký tự ISI sẽ
đƣợc loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cylic prefix nên hệ
thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT
và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng nhƣ giảm số bộ điều chế và giải điều
chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu đƣợc
điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.
Nhược điểm:
OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhƣợc điểm chính của kỹ
thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak- to-Average
Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên
khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều
này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA
(High-Power Amplifier). Một nhƣợc điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần
số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn
đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều
chế các symbol.
Ứng dụng kỹ thuật OFDM
Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới nhƣ :
- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB –T ( Digital Video Broadcasting For
Terrestrihal Transmission ).
- Hệ thống phát thanh số đƣờng dài DRM ( Digital radio Mondiale ).
- Truy cập intermet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber
line ).
- Các chuẩn IEEE 802.1, IEEE 802.11g
- Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High
pefomance local Area NetWok type 2 )

- Đặc biệt OFDM là ứng cử viện triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G
(hệ thống truy nhập Intermet không dây băng rộng theo tiêu chuận Wimax).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Intemet ADSL, hiện nay đã đƣợc ứng dụng
rất rộng ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình mặt đất
DVB – T cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DRM
chắc chắn sẽ đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thông
tin máy tính không dây nhƣ Hyper LAN/2. IEEE 802.1 sẽ đƣợc khai thác một cách
rộng rãi ở Việt Nam. Hiện nay trong thông tin di động đã có một số công ty Việt
Nam thử nghiệm WiMax ứng dụng công nghệ OFDM nhƣ VNPT , VTC ….
1.1.4 Các hướng phát triển tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và các hệ
thống thông tin di động thứ 4 G. Trong hệ thông thống tin di động thứ 4, kỹ thuật
OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao dung
lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập
của mạng. Một vài hƣớng nghiện 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 hiểu ứng dịch tần do mất đồng bộ 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 thêm thời gian để kiểm chứng.
1.2 Nguyên lý điều chế OFDM
1.2.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
Nếu ký hiệu các sóng mang con đƣợc dùng trong hệ thống OFDM là s
i
(t) và
s

j
(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải
thỏa mãn điều kiện sau :


Trong đó :


   
1
s
s
tT
ij
t
s t s t dt
T



k, i=j
0, i≠j
(1.1)
(1.2)

s
k
(t) =
0 , k khác
e

(j2пk∆ft)
, k=1,2,….,N

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Δ
f=
T
1
là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N
là số các sóng mang con, N.
Δ
f là băng thông truyền dẫn và t
s
là

dịch thời gian.
Dấu “*” trong công thức (2.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là
sin(mx) với m = 1,2…. thì nó trực giao trong khoảng từ -
π
đến
π
.
Trong toán học, số hạng trực giao có đƣợc từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vectơ đƣợc gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 90
0
) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Hình 1.4 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

1.2.2 Bộ điều chế OFDM
Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn
lên nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng
tần tăng lên một cách đáng kể.
Sự trực giao của các sóng mang phụ đƣợc thực hiện nhƣ sau: phổ tín hiệu của
sóng mang phụ thứ p đƣợc dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép biến nhân
hàm phức e
jp
s

t
, trong đó ω
s
= 2Πf
s
= 2Π 1/T
s
là khoảng cách tần số giữa hai song
mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà các song mang phụ trực giao đƣợc
với nhau. Tính trực giao của hai song mang phụ p và q đƣợc kiểm chứng nhƣ sau:

(1.3)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Ở phƣơng trình trên ta thấy hai song mang phụ thuộc p và q trực giao với nhau
do tích phân của một song mang với liên hiệp phức của song mang còn lại bằng 0
nếu chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trƣờng hợp tích phân với chính nó sẽ
cho kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc của phép điều chế
OFDM.



Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con
là n, n


 
LLLL ,1, ,1,0,1, ,1, 
, nên N
FFT
=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào
 
l
a

chia thành N
FFT
dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N
FFT
lần thông qua bộ

chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song
 
l
a
lại đƣợc điều chế
thành mẫu của tín hiệu phức đa mức
nk
d
,
, n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe
thời gian tƣơng ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời
gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát
nk
d
,
đƣợc nhân với xung
cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó đƣợc dịch tần lên đến kênh con
tƣơng ứng bằng việc nhân với hàm phức e
jL
s

t
,
làm các tín hiệu trên các sóng mang
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở

X
X
X
e
jL
s

t
e
jn
s

t
e-
jL
s

t
 
l
a

Li
a
,

ni
a
,

Li
a
,

Lk
d
,

nk
d
,


Lk
d
,


m
,
(t)
m(t)