TÌM HIỂU VỀ OFDM VÀ CÁC KỸ THUẬT LIÊN QUAN

CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN MẠNG KHÔNG DÂY
1.1.

GIỚI THIỆU

Ngành công nghiệp mạng không dây đã bắt đầu sáng tạo và phát triển
công nghệ của mình kể từ những năm 1970. Trong vài thập kỷ qua, công
nghệ mạng không dây đã trải qua 4 hoặc 5 thế hệ của cuộc cách mạng
công nghệ và phát triển. Các dịch vụ viễn thông trên thế giới đã có một
bước tiến nhảy vọt trong vài năm qua. Chúng ta thấy rằng điều này có thể
là do sự gia tăng từng ngày về số lượng người sử dụng dịch vụ viễn
thông. Trong thời điểm hiện tại, có bốn thế hệ trong ngành công nghiệp
mạng di động. Đó lần lượt là 1G- thế hệ đầu tiên, 2G- thế hệ thứ hai, 3Gthế hệ thứ ba, và sắp tới là 4G. Ngày nay các công nghệ không dây và di
động khác nhau đang hiện diện như mạng di động thế hệ thứ ba (System
UMTS- Universal Mobile Telecommunication, CDMA2000), LTE (Long
Term Evolution), Wi-Fi (IEEE 802.11 mạng không dây), WiMAX (IEEE
802.16), cũng như các mạng cảm biến, hoặc vùng mạng cá nhân (ví dụ
như Bluetooth, ZigBee). Thiết bị đầu cuối di động bao gồm các giao diện
khác nhau như GSM được dựa trên chuyển mạch. Tất cả các mạng không
dây và điện thoại di động thực hiện các nguyên tắc All-IP, có nghĩa là tất
cả các dữ liệu và tín hiệu sẽ được chuyển qua IP (Internet Protocol) trên
lớp mạng.
Ngày nay điện thoại có tất cả mọi thứ từ kích thước nhỏ nhất, bộ nhớ điện
thoại rất lớn, quay số nhanh, xem video, máy nghe nhạc, và camera vv...
Trước đó với tính năng hồng ngoại, bạn có thể chia sẻ dữ liệu trong một
đường nhìn thấy có nghĩa là hai thiết bị được căn chỉnh chính xác để
truyền dữ liệu, nhưng trong trường hợp của bluetooth bạn có thể chuyển
dữ liệu ngay cả khi bạn để điện thoại di động trong túi của bạn lên đến
một phạm vi 50 mét.

1

1.2.

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ
MOBILE

Điện thoại di động được dùng hàng ngày bởi hàng tỷ người dùng trên
toàn thế giới. Năm 1945, thế hệ 0G của điện thoại di động đã được giới thiệu.
Dịch vụ điện thoại di động này, không được chính thức phân loại như mạng di
động, khi đó chúng không hỗ trợ sự thay đổi tự động của kênh tần số trong
khi gọi. 1G (Time Division Multiple Access và Frequency Division Multiple
Access) là hệ thống mạng viễn thông không dây ban đầu vàđến nay đã không
còn. Các "điện thoại cục gạch" là các thiết bị sử dụng công nghệ 1G.
Mạngkhông dây di động bắt đầu với 1G sau đó tiến đến 2G. Điện thoại di
động được nâng cấp lớn đầu tiên khi chúng đi từ 1G đến 2G. Bước nhảy vọt
hiệu quả này đưa điện thoại di động từ tương tự sang kỹ thuật số. 2G và 2.5G
là phiên bản của các kết nối GSM và CDMA. Và đến bây giờ GSM vẫn là
công nghệ phổ biến nhất, nhưng không có internet. GPRS là dịch vụ bổ sung,
được cung cấp qua GSM cho mục đích truy cập internet. EGPRS đã được tạo
ra từ sự phát triển của GPRS với các đặc điểm cải tiến như: an toàn và nhanh
hơn so với GPRS.
Sau đó đến công nghệ 3G(CDMA). 3G là viễn thông không dây đầu tiên
cung cấp kết nối internet băng thông rộng trên điện thoại di động và đã được
tạo ra đặc biệt cho những nhu cầu của internet trên điện thoại thông minh.
Mạng di động tiếp tục phát triển dẫn đến việc tạo ra 3.5G, được cung cấp cho
mong muốn kết nối internet nhanh trên điện thoại, tăng lên với tốc độ 7.2
Mbps. Một điện thoại thông minh có thể được kết nối với một máy tính để
chia sẻ kết nối internet, 3G và 3.5G là lý tưởng cho việc này. Nhược điểm lớn
của công nghệ WCDMA là không có sẵn và phổ biến như GSM. Trước khi

chuyển đổi từ mạng không dây 2G sang mạng không dây 3G, mạng không
dây 2.5G được tạo ra nhưng không có hỗ trợ gì đáng kể. Sau 2.5G, 3G cung
cấp tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, có thể sử dụng điện thoại di động
2


streaming video (ví dụ như đoạn phim và truyền hình), âm thanh và nhiều hơn
nữa. Các công ty điện thoại di động ngày nay đang dành rất nhiều tiền để
quảng bá cho bạn sự quan trọng của mạng 3G của họ. Trong khi tiêu chuẩn
EDGE GSM ("2.9G"), điện thoại không dây DECT và các tiêu chuẩn di động
Wi MAX chính thức cũng thực hiện đầy đủ các yêu cầu IMT-2000 và được
chấp nhận như là tiêu chuẩn 3G của ITU, chúng không là 3G điển hình, và
được dựa trên công nghệ hoàn toàn khác nhau.
Công nghệ điện thoại di động4G, đề cập đến sự phát triển hoàn toàn mới
(OFDMA), sẽ cung cấp cho internet lên đến tốc độ của 1Gbps.4G vượt qua
những vấn đề mạng yếu và sẽ cung cấp một mạng lưới rộng lớn hơn nhiều,
đảm bảo rằng người dùng có được kết nối tốc độ cao mọi lúc mọi nơi.

1.2.1. Hệ thống 1G wireless

Hình 1. 1: Hệ thống 1G.
Công nghệ không dây thế hệ đầu tiên (1G) là công nghệ sử dụng sóng
tương tự, điện thoại di động chuẩn truyền tín hiệu thoại, được phát triển vào
những năm 1980. Công nghệ 1G thay thế công nghệ 0G, trong đó một số hệ
thống di động đặc trưngnhư hệ thống điện thoại di động (MTS), hệ thống điện
3


thoại di động cao cấp (AMTS), dịch vụ điện thoại di động cải thiện (IMTS)
và Push to Talk (PTT)

Đặc điểm của 1G:
• Được phát triển vào năm 1980 và hoàn thành vào đầu năm 1990.
• 1G là hệ thống tương tự và hỗ trợ những thế hệ đầu của điện thoại di

động tương tự đạt tốc độ 2.4kbps.
• Hệ thống điện thoại di động nâng cao (AMPS) lần đầu tiên được đưa
ra bởi Mỹ và là một hệ thống điện thoại di động 1G.
• Cho phép người dùng thực hiện cuộc gọi ở 1 quốc gia.

1.2.2. Hệ thống 2G wireless

Hình 1. 2: Hệ thống GSM (2G).
Mạng không dây di động 2G được đưa ra thị trường trên chuẩn GSM ở
Phần Lan trong năm 1991, cho phép cường độ truy cập lớn hơn nhiều. Công
nghệ 2G cho phép các mạng điện thoại di động khác nhau cung cấp các dịch
vụ như tin nhắn văn bản, tin nhắn đa phương tiện (MMS). Công nghệ 2G là
hiệu quả hơn hiệu quả hơn công nghệ 1Gở khả năng giữ an toàn cho cả người
gửi và người nhận. Tất cả tin nhắn văn bản được mã hóa bằng kỹ thuật số.

4


Công nghệ 2G bắt nguồn từ châu Âu, nhưng bây giờ được sử dụng tại
hơn 212 quốc gia trên thế giới và công nghệ đầu tiên thiết lập chuyển vùng
quốc tế. Điều này cho phép các thuê bao di động sử dụng kết nối điện thoại ở
nhiều nước khác nhau trên thế giới được dựa trên các tín hiệu kỹ thuật số,
không giống như các công nghệ 1G chỉ được sử dụng để truyền tín hiệu tương
tự. GSM cho phép sử dụng các dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS) cho bất kỳ mạng
di động ở bất cứ thời điểm nào. Công nghệ này là mang lại lợi ích đồng thời
cho cả nhà khai thác mạng và người sử dụng.

1.2.3. Hệ thống 3G wireless
Di động Viễn thông Quốc tế 2000 (IMT - 2000), được biết đến như công
nghệ 3G là một thế hệ các tiêu chuẩn cho điện thoại di động và các dịch vụ
viễn thông di động thực hiện thông số kỹ thuật của Liên minh Viễn thông
Quốc tế. Mạng 3G cũng được gọi là IMT-2000.
Các đặc điểm của 3G:
• Tốc độ truyền từ 125kbps đến 2Mbps.
• Năm 2005, 3G sẵn sàng để mang đến hiệu quả của nó trong mạng máy

tính (WCDMA, WLAN và Bluetooth) và khu vực thiết bị di động (điện
•
•
•
•
•

thoại di động và GPS).
Dữ liệu được gửi thông qua công nghệ được gọi là chuyển mạch gói.
Cuộc gọi thoại được diễn dịch bằng cách sử dụng chuyển mạch.
Truy cập để chuyển vùng toàn cầu.
Cuộc gọi thoại rõ ràng.
Truyền thông nhanh, Internet, Mobile TV, Video Conferencing, Video
Calls, Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS), chơi game 3D, MultiGaming, vv cũng có sẵn với điện thoại 3G.
Tính năng cơ bản của công nghệ 3G là tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh

chóng. Công nghệ 3G rất linh hoạt, có thể hỗ trợ các công nghệ không dây
lớn là IMT-DS (lan truyền trực tiếp), IMTMC (multi carrier), IMT-TC (mã
thời gian), IMT-SC (single carrier). FDMA chỉ có một giao diện vô tuyến
được gọi là IMT-FC hoặc mã tần số. Mục đích của 3G là để cho phép nhiều

5


vùng phủ sóng và tốc độ tăng trưởng cao sử dụng vốn đầu tư tối thiểu. Các
băng thông và vị trí có sẵn cho các thiết bị 3G cho phép tăng các ứng dụng
trước đây không có sẵn trên điện thoại di động.

Hình 1. 3: Hệ thống 3G.

6


1.2.4. Hệ thống 4G wireless

Hình 1. 4: Hệ thống 4G.
Mạng 4G là thế hệ mạng tiếp theo của 3G, cho phép tốc độ tải cao nhất
đạt xấp xỉ 100Mbps tại các thiết bị, phương tiện, có tính di động cao (như tàu
lửa, xe hơi) và 1Gbps tại các vật thể, phương tiện, thiết bị có tính di động
thấp. Đó cũng là những tiêu chuẩn cơ bản nhất của mạng 4G, được bộ phận
thông tin vô tuyến trực thuộc Liên minh viễn thông quốc tế (có tên đầy đủ là
International Telecomunications Union-Radio, gọi tắt là ITU-R) chính thức
thiết lập vào tháng 3 năm 2008.
Tuy nhiên đó chưa phải là tất cả những chuẩn cơ bản nhất của 4G, theo đó
ITU-R quy định một tập hợp đầy đủ các chuẩn của IMT-Advanced phải bao
gồm các yêu cầu sau:
•

Dựa vào gói mạng chuyển mạch All IP.

•

Tốc độ tải cao nhất đạt xấp xỉ 100Mbps tại các thiết bị, phương tiện, có
tính di động cao (như tàu lửa, xe hơi) và 1Gbps tại các vật thể, phương
tiện, thiết bị có tính di động thấp.

7


•

Có thể tự động chia sẻ và sử dụng tài nguyên mạng để hỗ trợ nhiều
người dùng cùng một lúc.

•

Sử dụng các kênh có băng thông được mở rộng lên đến 5-20 MHz, tuỳ
chọn đên 40 MHz.

•

Hiệu quả băng thông (là lượng thông tin có thể truyền tải qua một băng
thông sẵn có trong một hệ thống giao tiếp cụ thể nào đó) cao nhất phải
đạt mức 15 bit/s/Hz khi tải về, và 6.75 bit/s/Hz khi tải lên mạng.

•

Hiệu quả băng thông của hệ thống phải đạt mức 3 bit/s/mạng khi tải
trang và 2.25 bit/s/mạng khi sử dụng trong nhà.

•

Truyền tải dữ liệu trên các mạng không đồng nhất phải diễn ra trơn tru,
ổn định.

•

Có khả năng cung cấp dịch vụ chất lượng cao trong việc hỗ trợ đa
phương tiện thế hệ tiếp theo.

Để đạt được các "thành tích" như thế, LTE phụ thuộc vào 3 yếu tố chính
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access); SC-FDMA
(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) và anten MIMO.
Theo đặc tả kỹ thuật, hướng DL chế độ FDD và TDD đều dựa trên kỹ thuật
OFDM truyền thống. Trong hệ thống OFDM, phổ tần số có sẵn được chia
thành nhiều sóng mang, được gọi là các sóng mang thứ cấp (Sub-carriers).
Mỗi sóng mang thứ cấp được điều chế độc lập bởi chuỗi dữ liệu tốc độ thấp.
WiMAX, WLAN và các công nghệ phát quảng bá như DVB đều sử dụng kỹ
thuật OFDM. Trong miền thời gian, GI (Guard Intervals) có thể được thêm
vào mỗi ký hiệu (Symbols) để khử nhiễu liên ký hiệu OFDM (inter-OFDMsymbol-interference) do hiện tượng trì hoãn trong quá trình trải phổ. Trong EUTRA, GI được chèn trước mỗi ký hiệu OFDM theo một chu kỳ (cyclic

8


prefix) nhất định. Đây là kỹ thuật có khả năng tránh được hiện tượng nhiễu đa
đường và giúp việc xây dựng thiết bị thu đạt hiệu quả cao.
OFDMA được xem là phương án tối ưu cho hướng DL nhưng hướng UL thì
chưa được thuận lợi. Điều này là do thuộc tính của OFDM có tỷ lệ công suất
đỉnh trung bình (PAPR - Peak-to-Average Power Ratio) thấp, làm ảnh hưởng
đến việc truyền tín hiệu của hướng UL. Do đó, hướng UL của chế độ FDD và
TDD sẽ sử dụng kỹ thuật đa phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA

(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) theo chu kỳ. Các tín
hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những
lý do chính để chọn SC-FDMA cho LTE. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao
trong việc thiết các bộ khuếch đại công suất UE, và việc xử lý tín hiệu của
SC-FDMA vẫn có một số điểm tương đồng với OFDMA, do đó, tham số
hướng DL và UL có thể cân đối với nhau. Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra
bằng kỹ thuật trải phổ DFT-OFDM (DFT-s-OFDM) (xem hình 4).

Hình 4: Sơ đồ khối DFT-s-OFDM
E-UTRA hướng UL cũng sử dụng các kỹ thuật điều chế QPSK, 16QAM và
64 QAM. Với DFT-s-OFDM, việc biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete
9


Fourier Transform) kích thước M-Point FFT được áp dụng đầu tiên trong khối
các ký hiệu điều chế. DFT chuyển đổi các ký hiệu điều chế thành miền tần số.
Kết quả sẽ được ánh xạ vào các sóng mang thứ cấp có sẵn. Hướng UL chỉ cho
phép định vị truyền dẫn trên các Sub-carrier liên tục. Trước khi được chuyển
đổi từ song song sang nối tiếp, N-point IFFT được thêm vào một chu kỳ.
Do đó, việc xử lý DFT có sự khác biệt cơ bản giữa tín hiệu SC-FDMA và
OFDMA. Điều này sinh ra thuật ngữ "DFTspread-OFDM". Trong tín hiệu
SC-FDMA, mỗi Sub-carrier sử dụng để truyền tải thông tin có chứa tất cả các
ký hiệu điều chế, do đó, chuỗi dữ liệu đầu vào phải được trải phổ bằng biến
đổi DFT trên các Sub-carrier có sẵn. Ngược lại, mỗi Sub-carrier của tín hiệu
OFDMA chỉ mang thông tin có liên quan đến các ký hiệu điều chế cụ thể.
Anten MIMO

Hình 5: Khối anten MIMO 2x2
MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt được các yêu cầu đầy tham vọng
về thông lượng và hiệu quả trải phổ. MIMO cho phép sử dụng nhiều anten ở

máy phát và máy thu. Với hướng DL, MIMO 2x2 (2 anten ở thiết bị phát, 2
anten ở thiết bị thu) được xem là cấu hình cơ bản, và MIMO 4x4 cũng được
đề cập và đưa vào bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết. Hiệu năng đạt được tùy thuộc
vào việc sử dụng MIMO. Trong đó, kỹ thuật ghép kênh không gian (spatial
multiplexing) và phát phân tập (transmit diversity) là các đặc tính nổi bật của
MIMO trong công nghệ LTE.

10


Spatial Multiplexing: Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu
khác nhau đồng thời nhằm tận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô
tuyến. Các chuỗi dữ liệu này có thể là của một người dùng đơn lẻ (single user
MIMO hay SU-MIMO) hay nhiều người dùng (Multi User MIMO hay MUMIMO).
Hình 5 minh họa đơn giản về đa phân chia theo không gian. Trong ví dụ này,
mỗi anten phát sẽ phát đi một chuỗi dữ liệu khác nhau. Mỗi anten thu có thể
nhận nhiều chuỗi dữ liệu từ cả hai anten phát.
Transmit Diversity: Kỹ thuật phân tập đã được biết đến từ WCDMA release
99 và cũng sẽ là một phần của LTE. Thông thường, tín hiệu trước khi phát
được mã hóa để tăng hiệu quả ứng phân tập. MIMO được sử dụng để khai
thác việc phân tập và mục tiêu là làm gia tăng tốc độ. Việc chuyển đổi giữa
MIMO truyền phân tập và ghép kênh không gian có thể tùy thuộc vào việc sử
dụng kênh tần số.
Mỗi công nghệ điều có thế mạnh riêng của nó. LTE và WiMAX cũng vậy.
WiMAX có thể là sự lựa chọn phù hợp cho việc cung cấp Internet băng rộng
tốc độ cao và một số dịch vụ cần băng thông khác ở một số vị trí nhất định
nào đó. Còn với LTE, lợi thế về tính kế thừa thế hệ trước là một thế mạnh. Và
thực tế cho thấy rằng, LTE đang tận dụng tốt điều đó. Ở thời điểm này có thể
khẳng định rằng LTE đang trên đà thắng thế.

1.3. Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực
thông tin di động.
Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế
nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các
kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe
thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống.
Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng
11


dung lượng hệ thống đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng
kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ phân bố cao của người dùng trong một
cell. Do đó dung lượng hệ thống không cao.
Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và
nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển. Các hệ thống thông tin
di động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ
thoại và số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao,
video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz.
Nhưng tốc độ cực đại này chỉ có trong các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ
với tốc độ 14.4Kbps sẽ được đảm bảo cho di động thông thường ở các ô
macro.
Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.Trong
đồ án này sẽ tập trung trình bày kỹ thuật này.

1.3.1. Môi trường vô tuyến trong thông tin di động.
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy
nhiên, trong một kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền,
tín hiệu nhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành
phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh

truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang
nếu máy phát hoặc thu di chuyển (hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ
thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền. Do đó, hiểu biết về
các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đề rất quan trọng.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát
và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số,
Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên
12


ngoài và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền
đa đường và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn
tần số.
Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật có
chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ. Phản xạ xuất hiện từ mặt
đất, các tòa cao ốc…
Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị
một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra ở khắp
nơi.
Ở tần số cao, nhiễu xạ cũng như phản xạ phụ thuộc vào dạng hình học của vật
thể, biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Mặc dù
cường độ trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối), cường
độ nhiễu xạ cũng có và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.
Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các vật
thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi trường là rất
lớn. Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh
truyền tạo ra sóng tán xạ. Thực tế thì tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra
hiện tượng tán xạ trong thông tin di động.
Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia

băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã
khắc phục được ảnh hưởng của fading lựa chon tần số, các kênh con có thể
được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố
lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia,
đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.

1.3.2. Méo biên độ.
1.3.2.1. Mô hình fading Rayleigh.
13


Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều phiên
bản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố
khác. Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi
π

ngẫu nhiên trong khoảng [0, 2 ]. Từ lí thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng
sóng nhận được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải. Vì vậy hàm pdf của các
thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với
trung bình không và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm.
Hình bao pdf của chúng theo phân bố Rayleigh:
P (r ) =

σ2

r − r 2 / 2σ 2
e
,r ≥ 0
σ2

(1.1)

là phương sai

Và phân bố của
p(θ ) =

θ

là:

1
, 0 ≤ θ < 2π
2π

(1.2)

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh.
1.3.2.2. Mô hình fading Rician.

14


Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trội như
đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vuông pha không còn có
trung bình không dù phương sai của chúng vẫn giống nhau. Khi đó hàm pdf
của tín hiệu nhận được có phân bố Rician:
 r − ( A +2r ) Ar
 e 2σ I 0 ( 2 ) r ≥ 0
p (r ) = σ 2

σ

0
r≤0

2

2

(1.3)

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ
khác:
K=

A2
2σ 2

(1.4)

Nếu không có thành phần trội A=0, I0 = 1, hàm pdf Rician suy giảm thành
hàm pdf Rayleigh. Khi A khá lớn so với

σ

, phân bố là xấp xỉ Gaussian. Vì

vậy có thể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading. Về mặt BER fading

Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.

15


Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K.
1.3.2.3. Thống kê của fading.
a) Fast fading.
Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của
kênh sẽ quyết định một kênh là slow fading hay fast fading. Trong một kênh
fast fading, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kì symbol.
Và thường do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như
nhà cửa hoặc rừng cây…Người ta thường xét fading trong từng 1/2 bước
sóng. Hình bao của tín hiệu nhận được có fast fading thường theo phân bố
Rayleigh hoặc Rician.
Hai thông số quan trọng của fast fading là tốc độ vượt mức và thời gian
fading trung bình. Tốc độ vượt mức định nghĩa là tổng số lần bị fading trong
một khoảng thời gian chia cho chính khoảng thời gian đó. Nếu biết được thời
gian fading trung bình ta có thể chọn kỹ thuật mã hóa kiểm soát lỗi thích hợp
trong truyền dẫn số. Còn thời gian fading trung bình là tổng thời gian của
từng fading chia cho tổng số lần xảy ra fading. Giá trị này dùng để ước đoán
số bit bị lỗi trong một lần fading. Điều này lại được sử dụng để chọn phương
thức mã hóa kênh thích hợp trong hệ thống. Trong thực tế fast fading chỉ xuất
hiện với tốc độ dữ liệu rất thấp.
b) Slow fading.
Slow fading là sự thay đổi của suy hao được lấy trung bình trong khoảng vài
mét và chủ yếu là do phân bố địa hình và môi trường xây dựng giữa MS và
BS. Thông thường Slow fading phân bố theo hàm lognomal, vì vậy hình bao
của tín hiệu nhận được tính theo đơn vị dB tuân theo phân bố Gaussian. Slow
fading còn được gọi là hiện tượng bóng mờ.

16


Một kênh đựơc gọi là fast fading hay slow fading không hẳn nó là kênh
fading phẳng hay kênh fading lựa chọn tần số. Fast fading chỉ đề cập đến tốc
độ thay đổi của kênh do sự chuyển động. Một số người thường nhầm lẫn giữa
thuật ngữ fast fading và slow fading với thuật ngữ fading diện rộng và fading
diện hẹp. Cần nhấn mạnh rằng fast fading và slow fading liên quan đến mối
quan hệ giữa tỉ lệ thời gian thay đổi trong kênh và tín hiệu phát, mà không
liên quan đến mô hình suy hao đường truyền.

1.3.3. Suy hao đường truyền.
Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định
hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng
mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết
kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay
nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.
Công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:
 λ 
PR = PT GT GR 

 4πR 

2

(1.5)

PR : Công suất tín hiệu thu được (W).

PT : Công suất phát (W).
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng).
Gp : Độ lợi anten phát.
λ

: Bước sóng của sóng mang.

R: Khoảng cách truyền.

17


Hoặc ta có thể viết lại là:
2

2

PT  4πR  1 1  4π  2 2 1 1
=
=

 R f
PR  λ  GT GR  c 
GT GR

(1.6)

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
=-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB

(1.7)

Nói chung truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể
xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên
lạc trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm
trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất
như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp
hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với
những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian
tự do không được thỏa, chúng ta có công thức tính suy hao đường truyền như
sau:
L pl = −10 log GT − 10 log G R − 20 log hBS − 20 log10 hMS − 40log R

(1.8)

Với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

1.3.4. Trải trễ trong hiện tượng đa đường.
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản
xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một
khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời
gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch
thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng.

18


Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ
thống không có cách khắc phục.

1.3.5. Tạp âm trắng Gauss.
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
có phân bố Gaussian về biên độ. 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 mang 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.
Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô hình
hoá chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng (AWGN).
Như vậy tín hiệu khi truyền qua kênh truyền AWGN phải thêm vào một tín
hiệu ngẫu nhiên không mong muốn phân bố theo hàm Gauss:
p( x) =

1
σ 2π

e

−

( x − µ )2
2σ 2

(1.9)

1.3.6. Hiện tượng Doppler.

S

Vl θ
X
Di động

θ
v

Y

19


Hình 1.3: Mô hình hiện tượng Doppler.
Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóng
mang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền f C. Xét trường hợp khi
MS di chuyển với vận tốc không đổi v với góc

θ

so với tín hiệu đến. Tín hiệu

nhận được là:
S (t ) = Re { A exp [ j 2π ( fC − f D )t ] }

(1.10)

Trong đó A là biên độ, fC là tần số phát, fD là dịch Dopper.
fD =

vf
v
cos(θ )= c cos(θ )
λ
c

(1.11)

Như vậy tần số nhận là:
fr = fC - fD

(1.12)

Dịch Dopper cực đại:

fm=

vf c
c

(1.13)

Tần số dịch Doppler có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào đầu thu di chuyển
về phía đầu phát hay đi cách xa đầu phát. Trong môi trường thực tế, tín hiệu
đến theo các đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc đến khác
nhau. Xét một sóng phát dạng sin, thay vì là một độ dịch Doppler đơn giản ta

20


nhận được đoạn phổ trải rộng từ

f c (1 − v / c )

đến

f c (1 + v / c)

để chỉ sự trải phổ

Doppler. Khi mọi hướng của trạm di động hoặc mọi góc đến giả sử có xác
suất bằng nhau (phân phối đều ), mật độ phổ công suất của tín hiệu nhận được
tính theo công thức:
S( f ) =

K
2π f M

1
f − fc 2
1− (
)
fm

(1.14)

Với K là hằng số.
Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:
Rs (τ ) = K .cos(2π f cτ ) J 0 (2π f mτ )

(1.15)

J0 là hàm Bessel bậc không.
Dịch Doppler có thể gây ra các vấn đề quan trọng nếu kỹ thuật truyền
dẫn nhạy cảm với lệch tần số sóng mang chẳng hạn như kỹ thuật OFDM.

1.4. Tổng quan về kỹ thuật MIMO-OFDM.
Với sự phát triển dịch vụ di động, ngày càng yêu cầu tốc độ cao (băng thông
rộng) và chất lượng thông tin tốt.
Trong đó kỹ thuật OFDM và MIMO đã được sử dụng để đáp ứng yêu cầu
trên. Kỹ thuật MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy
thông tin, giảm công suất phát. Và kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự
li truyền tin trong môi trường không dây. Kỹ thuật MIMO-OFDM là sự kết
hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ
thuật, mang lại chất lượng thông tin trao đổi là tốt nhất.

1.4.1. Định nghĩa và khái niệm.
21


OFDM viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là kỹ thuật
ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ
liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng
dữ liệu này sẽ được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được
điều chế trực giao với nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau
và được chuyển lên tần số cao để truyền đi. Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa

về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc
độ thấp. Loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệu gốc. Cuối cùng
được tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.
MIMO viết tắt của Multi Input Multi Output, là kỹ thuật sử dụng nhiều
anten phát hoặc nhiều anten phát và thu nhằm đạt được độ tin cậy của tín hiệu
truyền dẫn và tốc độ dữ liệu cao. Kỹ thuật MIMO là chia dòng dữ liệu ban
đầu thành các dòng dữ liệu con theo một thuận toán cho trước, sau đó đưa
từng dòng dữ liệu này đến các anten tương ứng và truyền đi. Phía thu sẽ nhận
được các dòng dữ liệu này, sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại
dòng dữ liệu ban đầu.
MIMO-OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên.

1.4.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM.

22


Khối phát MIMO-OFDM

Anten 1
Khối phát OFDM 1

.
Khối
phát
MIMO
.
Bits input
.
.

TX1

Anten n
Khối phát OFDM n

TXn

Khối nhận MIMO-OFDM
Anten 1
Khối thu OFDM 1
RX1
Anten m

.
.
.
Khối thu OFDM m .

Khối thu MIMOBits output

RXm

Hình 1.4: Mô hình tổng quát hệ thống MIMO-OFDM.
Khối phát MIMO-OFDM: Một chuỗi tín hiệu đầu vào sẽ được khối
MIMO mã hoá và tách ra thành các dãy tín hiệu riêng biệt. Từng dãy tín hiệu
này sẽ được đưa vào khối phát OFDM tương ứng để chuyển thành các tín
hiệu OFDM. Sau đó được đưa đến khối TX để chuyển thành tín hiệu cao tần
và truyền đi qua các anten.
Khối thu MIMO-OFDM: Tín hiệu cao tần được thu nhận bởi các anten

ở khối thu. Bộ RX sẽ chuyển tín hiệu cao tần thành các tín hiệu tần số thấp.
Khối thu OFDM sẽ chuyển tín hiệu OFDM thành các tín hiệu thông thường.
Khối thu MIMO sẽ giải mã và tổng hợp các dãy tín hiệu sau khối thu OFDM
thành một chuỗi tín hiệu ban đầu.

23


CHƯƠNG 3: MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU
QUẢ SỬ DỤNG BĂNG TẦN VÀ SO SÁNH ĐÁNH GIÁ
TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG GHÉP
3.1. SỰ THÍCH ỨNG ĐƯỜNG TRUYỀN (LA)

Hình 2.1: Các điểm ngưỡng chuyển SNR cho hệ thống LA
Yêu cầu then chốt để triển khai các hệ thống không dây băng rộng là phải
đảm bảo BLER (Block Error Rate: tỷ số lỗi khối) thấp trên các kênh phađinh
chọn lọc tần số được kỳ vọng. Có thể đạt được dung lượng kênh pha đinh đơn
người sử dụng, nếu máy phát điều chỉnh công suất phát, tốc độ số liệu, sơ đồ
mã hóa và điều chế thích ứng với các thay đổi kênh.
LA có thể cải thiện hiệu suất phổ và độ tin cậy trong các hệ thống không dây.
Nguyên lý hoạt động của các giải thuật LA là định nghĩa một số đo CQI phù
24


hợp để cung cấp thông tin về kênh và đảm bảo rằng khuôn dạng truyền dẫn
hiệu suất nhất luôn luôn được sử dụng trong mọi điều kiện kênh. Ta sẽ xét mô
hình toán học cho LA để đạt được tối ưu thông lượng mức liên kết (đường
truyền). Ta ký hiệu N là tổng số các tài nguyên thời gian – tần số khả dụng
trong băng thông hệ thống dựa trên độ phân giải lập biểu trong miền thời
gian. Độ phân giải lập biểu trong LTE được quy định là RB (một khung con

1ms gồm 14 ký hiệu OFDM trong miền thời gian và 12 sóng mang con trong
miền tần số). Để đảm bảo hoạt động của LA miền tần số, mạng yêu cầu UE
báo cáo giá trị CQI cho từng RB.
Trong đường truyền đa sóng mang thích nghi hệ thống, một tập các SMC liên
tục thường được nhóm lại với nhau để tạo băng con, tạo nên đơn vị cơ sở của
hoạt động. Để duy trì một ngưỡng BLER nhất định (trong hình là 10

−1

), kiểu

điều chế và tỉ lệ mã cần phải thay đổi linh động theo SNR đo được tại mỗi
băng con cho mỗi ký tự OFDM. Hiệu quả phổ tần của mỗi kiểu điều chế và tỉ
lệ mã đạt đến điểm bão hòa sau một SNR nhất định.

3.2. NHỮNG CẢI TIẾN KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU QUẢ
SỬ DỤNG BĂNG TẦN THÔNG DỤNG
3.2.1. Thích nghi độ rộng băng tần SMC
3.2.1.1. Thích nghi độ rộng băng tần SMC trong TDM-OFDM
Mô tả hệ thống
Số lượng các SMC trong các khe khác nhau có thể thay đổi để tạo ra các độ
rộng băng tần SMC khác nhau. Toàn bộ băng tần sẵn có được chia thành các
băng nhỏ hơn với các độ rộng băng tần SMC khác nhau trong mỗi băng.

25