Cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động Mimo OFDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LẠI TRƯỜNG XUÂN

CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN
DI ĐỘNG MIMO-OFDMA

Chun ngành: Kỹ Thuật Truyền Thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ Thuật Truyền Thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. Nguyễn Văn Đức

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các
nguồn tài liệu đã học. Tơi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu khoa
học độc lập của tơi. Các kết quả nghiên cứu hồn tồn khơng giống với bất kỳ kết
quả luận văn nào khác. Các số liệu và dữ liệu là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, ngày 21 tháng 1 năm 2013
Người thực hiện

Lại Trường Xuân

HVTH: Lại Trường Xuân

1

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

LỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn ngục trong
những năm gần đây. Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G
chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên tồn cầu, người ta triển
khai cơng nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây. Đặc tính được kỳ
vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi. Để thỏa mãn
được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác
nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP. Thiết bị di động của 4G sẽ là đa cơng
nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng
truy nhập khác nhau. Mạng 4G lấy tâm điểm là người dùng, cung cấp kết nối băng
rộng với tốc độ cao tới 100Mb/s và cơ chế nhằm đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa
phương tiện thời gian thực.
Với một sự gia tăng mạnh mẽ trong số lượng người dùng truy cập vào các dịch
vụ thông tin di động, có một nhu cầu đó là cần sử dụng hiệu quả băng tần phù hợp
với đa người sử dụng với tốc độ dữ liệu cao hơn, phản ứng nhanh hơn và nhiều hơn
nữa đường truyền đáng tin cậy. Nhưng rất khó để đáp ứng những tập hợp đa dạng
các yêu cầu của người sử dụng, băng thông và hạn chế hiệu suất của hệ thống và
hơn nữa các yếu tố như nhiễu ISI, ICI và các hiện tượng dịch tần, dịch thời gian hạn
chế việc sử dụng hiệu quả của các kênh. Một hệ thống MIMO-OFDMA có tiềm
năng lớn về cung cấp dung lượng rất lớn do sự đa dạng của khơng gian-tần số tích
hợp và đa dạng nhiều người truy cập. MIMO-OFDMA được đánh giá là một công

nghệ quan trọng để cải thiện sự linh hoạt và hiệu quả của các hệ thống không dây
trong tương lai.
Cấp phát kênh động cho hệ thống đa người dùng MIMO-OFDMA có thể được
xem như là q trình sử dụng hiệu quả các kênh sẵn có cho từng người sử dụng làm
gia tăng hiệu suất của hệ thống. Thuật toán đề xuất một kế hoạch cho các hệ thống
MIMO-OFDMA tối ưu hóa phân phối kênh, các sóng mang đảm bảo chất lượng
dịch vụ (QoS). Việc thực hiện các thuật toán thiết kế được đánh giá bằng cách sử
dụng các kỹ thuật như V-BLAST, ZF, MMSE trong trường hợp kênh tương quan và
không tương quan.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức, thầy TS. Nguyễn
Quốc Khương đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tơi trong suốt thời gian hoàn thành luận
văn, đồng thời tạo điều kiện sử dụng thiết bị phịng Lab. Rất mong nhiều ý kiến
đóng góp của thầy cô và các bạn để luận văn và nghiên cứu được hoàn thiện hơn.

HVTH: Lại Trường Xuân

2

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ...............................................................................................5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................7
CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CƠ SỞ MIMO-OFDMA ................................................9

1.Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ...............................................9
1.1.Tổng quan về hệ thống OFDM ......................................................................9
1.1.Khái niệm trực giao ......................................................................................10
1.2.Bộ điều chế OFDM ......................................................................................10
1.3.Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM ............................................................14
1.4.Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian ........15
1.5.Bộ giải điều chế OFDM ...............................................................................16
1.6.Ưu-nhược điểm của OFDM .........................................................................17
2.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ........................18
2.1.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA .................18
2.2.Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA ..................................................23
2.3.Ưu điểm của công nghệ OFDMA ................................................................25
2.4.Các phương pháp cấp phát kênh ..................................................................26
2.4.1.Phương pháp cấp phát cố đinh OFDMA ...................................................26
2.4.2.Phương pháp cấp phát ngẫu nhiên OFDMA .............................................26
3.Các mơ hình hệ thống thông tin không dây ........................................................27
3.1.Hệ thống SISO..............................................................................................27
3.2.Hệ thống SIMO ............................................................................................28
3.3.Hệ thống MISO ............................................................................................28
3.4.Hệ thống MIMO ...........................................................................................28
3.4.1.Phân tập tần số ...........................................................................................29
3.4.2.Phân tập thời gian ......................................................................................30
3.4.3.Phân tập khơng gian ..................................................................................30
3.4.3.1.Tăng ích dãy ...........................................................................................31
3.4.3.2.Tăng ích phân tập và giảm tỷ lệ lỗi bit ...................................................32
3.4.3.3.Tăng dung lượng kênh truyền ................................................................32
3.4.3.4.Tăng vùng phủ sóng ...............................................................................33
3.4.3.5.Phân tập thu ............................................................................................33

HVTH: Lại Trường Xuân

3

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

3.4.3.6.Kết hợp lựa chọn ....................................................................................34
3.4.3.7.Tối đa hóa tỷ lệ kết hợp ..........................................................................34
3.4.4.Phân tập phát .............................................................................................36
3.4.4.1.Phân tập phát vịng mở ...........................................................................36
3.4.4.2.Phân tập phát vịng đóng ........................................................................38
3.5.Hệ thống MIMO-OFDMA ...........................................................................38
CHƯƠNG II : CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG ..................................42
MIMO-OFDMA .........................................................................................................42
1. Vấn đề đặt ra cho hệ thống MIMO-OFDMA .................................................42
2. Mơ hình hệ thống ............................................................................................43
3. Cơ chế cấp phát kênh ......................................................................................45
4. Thuật toán cấp phát kênh động ........................................................................46
5. Mơ hình kênh Monte Carlo..............................................................................48
6. Mơ hình kênh One-Ring ..................................................................................49
7. Các tham số của hệ thống .................................................................................51
CHƯƠNG III : KÊNH TƯƠNG QUAN MIMO VÀ CÂN BẰNG KÊNH CHO HỆ
THỐNG MIMO-OFDMA ..........................................................................................52
1.Kênh tương quan MIMO ....................................................................................52
2.Cân bằng kênh cho hệ thống MIMO-OFDMA ..................................................54
2.1.Bộ lọc tín hiệu ZF .........................................................................................55
2.2.Bộ lọc tín hiệu MMSE..................................................................................58
3.Đề suất giải thuật V-BLAST cho hệ thống MIMO-OFDMA ............................61

3.1.V-BLAST/ZF ...............................................................................................62
3.2.V-BLAST/MMSE ........................................................................................64
3.3. Hệ thống MIMO-OFDMA V-BLAST ........................................................65
CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ .........................................67
CHƯƠNG V : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU..........................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................76
PHỤ LỤC ..................................................................................................................77

HVTH: Lại Trường Xuân

4

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tổng quan một hệ thống OFDM ..................................................................9
Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM ....................................................................................11
Hình 1.3 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT ..................................................14
Hình 1.4 Khoảng bảo vệ trong OFDM ...................................................................14
Hình 1.5 Bộ giải điều chế OFDM .............................................................................16
Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM ...................................21
Hình 1.7 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA ........................................................22
Hình 1.8 Cấp phát dữ liệu đến các user....................................................................23
Hình 1.10 Phân loại hệ thống thơng tin khơng dây .................................................27
Hình 1.11 Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu ...........29
Hình 1.12 Mơ hình kết hợp lựa chọn .......................................................................34
Hình 1.13 Mơ hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp..................................................35

Hình 1.14 Mơ hình phân tập phát vịng đóng ...........................................................38
Hình 1.15 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDMA ..........................................................39
Hình 1.16 Sơ đồ khối MIMO-OFDMA với mỗi người dùng .....................................41
Hình 2.1 Hệ thống MIMO-OFDMA ..........................................................................43
Hình 2.2 Cấu trúc khung MAC .................................................................................45
Hình 2.3 Cấp phát kênh cho MS ...............................................................................45
Hình 2.4 Thuật tốn cấp phát kênh động ..................................................................46
Hình 2.5 Phỏng tạo theo phương pháp Monte Carlo tần số Doppler .....................48
Hình 2.6 Mơ hình một vịng trịn cho một phần tử 2x2 MIMO với các phần tử phân
tán xung quanh MS....................................................................................................49
Hình 2.7 Tham số của hệ thống MIMO-OFDMA .....................................................51
Hình 3.1 Kênh tương quan khơng gian .....................................................................52
Hình 3.3 Phân loại các bộ lọc ...................................................................................54
Hình 3.4 Kiến trúc bộ thu MIMO-OFDMA sử dụng thuật toán V-BLAST ..............62
Hình 3.5 Máy thu V-BLAST Zero-forcing .................................................................63
Hình 3.6 Máy thu V-BLAST MMSE ........................................................................65
Hình 3.7 Hệ thống MIMO-OFDMA V-BLAST..........................................................66
Hình 4.1 Tham số hệ thống MIMO-OFDMA ............................................................67
Hình 4.2 So sánh ZF and MMSE , VBLAST/ZF, VBLAST/MMSE khi sử dụng mơ
hình kênh Monte Carlo (MCM).................................................................................68
Hình 4.3 SER trong trường số lượng người dùng khác nhau sử dụng ZF và ...........69
V-BLAST/ZF ..............................................................................................................69
Hình 4.4 Trường hợp 5 người dùng, tấn số Doppler 50Hz và sử dụng bộ lọc ZF ,VBLAST/ZF ..................................................................................................................70

HVTH: Lại Trường Xuân

5

Lớp:10BĐTVT2

Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Hình 4.5 So sánh ZF and MMS, VBLAST/ZF, VBLAST/MMSE trong trường hợp
OCM (Mơ hình kênh One-Ring) ................................................................................71
Hình 4.6 SER của ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong trường hợp
MCM (kênh Monte Carlo) .........................................................................................72
Hình 4.7 SER của V-BLAST/ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong
trường hợp MCM (kênh Monte Carlo) .....................................................................72
Hình 4.8 SER của ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong trường hợp
OCM (kênh One-Ring) ..............................................................................................73
Hình 4.9 SER của V-BLAST/ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong
trường hợp OCM (kênh One-Ring) ...........................................................................74

HVTH: Lại Trường Xuân

6

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu trắng (nhiễu cộng)

A/D

Analog/Digital

Chuyển đổi Tương tự/Số

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ bit lỗi

BS

Base Station

Trạm thu phát gốc

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

CSMA
CD
DAB

Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detect
Digital Audio Broadcasting

Thông tin trạng thái của kênh
truyền
Đa truy nhập theo cảm nhận sóng
mang có phát hiện xung đột
Phát thanh số

DCA

Dynamic Channel Allocation

Cấp phát kênh động

DL

DownLink

Đường xuống

DSP

Digital Signal Processing

Bộ xử lý tín hiệu số

DVB-T

Truyền hình số mặt đất

FDD

Digital Video Broadcasting –
Terrestrial
Frequency Division Duplex

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Chuyển đổi Furier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

HIPER
LAN/2
IEEE

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

ISI

High Performance Local Area
Network type 2
Institute of Electrical and
Electronic Engineers
Inter-Symbol Interference

ICI

Inter-Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

LS

Least square

Bình phương nhỏ nhất

HVTH: Lại Trường Xuân

Song công phân chia theo tần số

Viện của các kỹ sư điện và điện tử
Nhiễu xuyên kí tự

7

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MISO

Multiple Input Single Output

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra

Hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra

MMSE

Minimum Mean Square Error

Trung bình bình phương tối thiểu

MS

Mobile Station

Trạm di động

OFDM

QAM

Orthoganal Frequency Division
Multiplexing
Orthoganal Frequency Division
Multiple Access
Quadrature amplitude modulation

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
Điều chế biên độ cầu phương

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một đầu vào một đầu ra

SIMO

Single Input Multiple Output

Hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra

SNIR
SNR

Signal to Interference-plus-Noise
Ratio
Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng
nhiễu
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

STC

Space-Time Coding

Mã hóa khơng gian thời gian

TDD

Time Division Duplex

Song cơng phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

UL

Up Link

Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Đường lên

Wifi

Wireless Fidelity

Mạng không dây chuẩn 802.11

WF

Water Filling

Phương pháp đổ nước

WiMax

Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Zero Forcing

Khả năng khai thác liên mạng trên
toàn cầu đối với truy cập vi ba
Bộ lọc ép không

OFDMA

ZF

HVTH: Lại Trường Xuân

8

Lớp:10BĐTVT2

Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CƠ SỞ MIMO-OFDMA
1.Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
1.1.Tổng quan về hệ thống OFDM
Tổng quan hệ thống OFDM được trình bày ở hình 1.1. Nguồn tín hiệu là một
luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như
QPSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu,
sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn
chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ
chuyển đổi số/ tương tự trước khi truyền trên kênh vơ tuyến qua anten phát. Tín
hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng
(additive white Gaussian noise – AWGN).
Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu,
và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc
khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống.
Nguồn
bit

Điều chế ở
băng tần cơ
sở

Chèn mẫu tin
dẫn đường

Chèn chuỗi
bảo vệ

IFFT

Biến đổi số/
tương tự

Kênh vô
tuyến

+
Giải điều chế
ở băng tần cơ
sở

Cân bằng
kênh

FFT

Tách chuỗi
bảo vệ

Nhiễu trắng
(AWGN)

Biến đổi
tương tự/số

Tách mẫu tin
dẫn đường

Khôi phục
kênh truyền

Hình 1.1 Tổng quan một hệ thống OFDM [5]

HVTH: Lại Trường Xuân

9

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Tuy
nhiên để khơi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải
được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện
thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được tại phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi
giải điều chế OFDM được chia làm 2 luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là tín
hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn
đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi được khôi
phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu.

1.1. Khái niệm trực giao
Về mặt tốn học xét tập các tín hiệu ψ với  p là phần tử thứ p của tập, điều
kiện để các tín hiệu trong tập ψ trực giao đơi một với nhau là :
k , p = q
0, p  q

a

*
 p (t ) q (t )d (t ) = 
b

(1.1)

Trong đó  q* (t ) là liên hợp phức của  q (t ) . Khoảng thời gian từ a đến b là chu
kỳ của tín hiệu, cịn k là một hằng số.
1.2. 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 được thực hiện
như sau: phổ tín hiệu của sóng mang thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông
qua phép nhân với hàm phức e

jps t

, trong đó s = 2 f s = 2

1
là khoảng cách tần
Ts

số giữa hai sóng mang. Thơng qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang
phụ trực giao với nhau. Tính trực giao của hai sóng mang p và q được kiểm chứng
như sau:

HVTH: Lại Trường Xuân

10

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

( k +1)Ts



e

jps t

(e

jqs t *

) dt =

( k +1)Ts

kTs

=



e j ( p −q )st dt

kTs

t = (k + 1)Ts
1
e j ( p −q )st
t = kTs
j ( p − q)s

(1.2)

0, p  q
=
Ts , p = q
Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích
phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang cịn lại bằng 0 nếu
chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho
ra kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc của phép giải điều chế
OFDM.

ai ,− L

Xung cơ sở
(Basic impulse)

X
e jLst

d k ,n

Xung cơ sở
(Basic impulse)

X
ejnst

d k ,− L

Xung cơ sở
(Basic impulse)

Σ

m '(t )

Chèn chuỗi bảo vệ

ai ,n

d k ,+ L

Điều chế ở băng tần cơ sở (M-QAM,…)

{a1}

Bộ phân chia nối tiếp/song song

ai ,+ L

m(t )

X
e−jLst

Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM [5]
Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành Nc kênh con, với chỉ
số của các kênh con là n,

n { − L, − L + 1,..., −1,0,1,..., L −1, L}
Do vậy:

HVTH: Lại Trường Xuân

11

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

NFFT = 2L +1
Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {a1} được chia thành NFFT dòng dữ liệu
song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song
song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n } lại được điều chế thành mẫu tín hiệu
phức đa mức {dk ,n } , với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe
thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song
song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.
Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM,
QPSK,… Các mẫu tín hiệu phát {dk ,n } lại được nhân với xung cơ sở (basic impulse)
g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang. Trường hợp đơn giản

nhất của xung cơ sở là xung vuông. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch
tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau :

m (t ) =
'
k

+L

d

n =− L

k ,n

s ' (t − kT )e jnst
(1.3)

Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k. Sự biểu diễn tín hiệu OFDM
tổng quát sẽ là :

m (t ) =
'





+L

 m (t ) =   d

k =−

'
k

k =− n=− L

k ,n

s' (t − kT )e jnst
(1.4)

Ở đây tín hiệu m' (t ) là tín hiệu mk' (t ) với chỉ số k ( chỉ số mẫu tín hiệu OFDM
hay cũng là chỉ số thời gian ) chạy tới vô hạn.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về
sử dụng băng tần mà cịn có khả năng loại trừ được nhiễu xun tín hiệu ISI thơng
qua sự sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard interval). Do vậy tín hiệu OFDM trước khi
truyền đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI.
Bộ điều chế OFDM bằng thuật tốn IFFT:
Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự :

HVTH: Lại Trường Xuân

12

Lớp:10BĐTVT2

Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

m (kTs + lta ) = s0
'
k

+L

d

n =− L

k ,n

e jns ( kTs +lta )

+L

= s0  dk ,n e jns kTs e jnslta
n =− L

(1.5)

Khi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với
tần số lấy mẫu

ta =

T
1

1
=
= s
B NFFT f s NFFT

(1.6)

Trong đó B là tồn bộ bề rộng của băng tần hệ thống. Ở thời điểm lấy mẫu
t = kT + lta , S '(t − kT ) = s0 , do vậy phương trình (1.6) được viết lại:

m (kTs + lta ) = s0
'
k

= s0
Do s kTs = 2 f s k
triển e

jnslta

=e

+L

d

n =− L

k ,n

1
f s NFFT

=e

d

n =− L

k ,n

e jns ( kTs +lta )

e jns kTs e jnslta
(1.7)

1
= 2k , kết quả là
fs

jn 2 f s

+L

j 2

nl
NFFT

e jns kTs =1. Tương tự như vậy có thể khai

,

Ta có thể được viết lại:
+L

mk' (kTs + lta ) = s0  dk ,n e
n =− L

HVTH: Lại Trường Xuân

13

j 2

nl
N FFT

(1.8)

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

m(lta )

Biến đổi số tương tự

m '(lta )

Chèn khoảng bảo vệ

Song song/nối tiếp

d k ,n

IFFT

ai ,n

d k ,+ L

Mã hóa

{a1}

Nối tiếp/song song

ai ,+ L

m(t )

d k ,− L

ai ,− L

Hình 1.3 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT [5]
Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở p/t (1.8) trùng hợp với phép biến đổi IDFT. Do
vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi

IDFT. Trong trường hợp NFFT là bội số của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế
bằng phép biến đổi nhanh IFFT.

1.3. Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Hình 1.4 Khoảng bảo vệ trong OFDM
Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts như hình. Chuỗi bảo vệ là
một chuỗi tín hiệu có độ dài là TG ở phía sau sao chép lên phần phía trước của mẫu

HVTH: Lại Trường Xuân

14

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

tín hiệu này. Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xun tín hiệu gây ra bởi
hiệu ứng phân tập đa đường. Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Giả thiết máy phát phát đi một tín hiệu hình sin có chiều dài Ts . Sau khi chèn
chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T = Ts + TG . Do hiệu ứng phân tập đa đường,
tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ khác nhau. Tín
hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến. Sự dịch tín hiệu do
trễ truyền dẫn thường gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI. Tuy nhiên trong hệ thống
OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này. Giả thiết khoảng trễ
truyền dẫn lớn nhất là  max , nếu TG   max thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu
ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích Ts khơng bị
chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác. Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi
gửi đến bộ giải điều chế OFDM. Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM

không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là :
TG   max

(1.9)

Tuy nhiên chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ
thống bị giảm đi một hệ số :
=

Ts
Ts + TG

(1.10)

1.4. Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian
Mẫu tin dẫn đường có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và
miền thời gian. Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp nhau
phải tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian. Ở miền tần số,
sự biến đổi của của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất
của kênh  max (maximum propagation delay). Với ký hiệu rf là tỷ số lấy mẫu
(oversampling rate) ở miền tần số, fs là khoảng cách liên tiếp giữa 2 sóng mang
phụ, khoảng cách giữa 2 mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thỏa mãn điều
kiện sau đây:

rf =

1
1
D f f s max

(1.11)

Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1. Tỷ số này có thể lớn
hơn 1, khi đó số mẫu tin dẫn đường nhiều hơn cần thiết và kênh truyền được lấy
mẫu vượt mức. Trong trường hợp khoảng cách giữa 2 mẫu tin dẫn đường không
HVTH: Lại Trường Xuân

15

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

thỏa mãn điều kiện lấy mẫu, có nghĩa rf <1, thì kênh truyền khơng thể khơi phục
lại được hồn tồn thơng qua mẫu tin dẫn đường.
Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của hai mẫu tin
dẫn đường liên tiếp Dt cũng phải thỏa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian.
Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số
Doppler f D,max . Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách Dt phải thỏa
mãn điều kiện:

rt =
Tỷ số

1
1
2 f D,max Dt (Ts + TG )

(1.12)

rt được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian. Trong trường hợp điều

kiện lấy mẫu khơng được thỏa mãn thì hàm truyền kênh vơ tuyến cũng khơng thể
hồn tồn khơi phục được ở phía máy thu.

1.5. Bộ giải điều chế OFDM

dˆk ,+ L

u '(t )

X

Giải điều chế

dˆk ,n

e jn s t

X

Giải điều chế

dˆk ,− L

aˆi ,n

aˆi ,− L

Chuyển đổi song song/nối tiếp

e − jLs t

aˆi ,+ L
Chuyển mẫu thành bit tín hiệu

u (t )

Tách khoảng bảo vệ

X

Giải điều chế

{aˆ1}

e jLs t
Hình 1.5 Bộ giải điều chế OFDM [5]
Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở hình 1.5. Tín hiệu
đưa vào bộ giải điều chế là u(t). Với tín hiệu phát m(t) ở p/t (1.8), biểu diễn của
u(t) được viết tiếp dưới dạng:
HVTH: Lại Trường Xuân

16

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

u(t ) =
 max


0

  +L
jns ( t − − kT ) 
   dk ,n s(t −  − kT )e
 h( , t )d
 k =− n=− L


(1.13)

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các
chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế. Các bước đó bao gồm:
-

Lọc khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu.

-

Giải điều chế ở các sóng mang phụ.

-

Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dịng bit.

-

Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp.

Ngược lại với bộ điều chế, bộ giải điều chế có thể thực hiện thông qua phép
biến đổi nhanh FFT.
1.6. Ưu-nhược điểm của OFDM
Ưu điểm :
➢ Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống
OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng cơng
việc xử lí băng gốc.
➢ Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời
gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do
truyền dẫn đa đường giảm xuống.
➢ Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn
chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác
nhau.
➢ Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hồn tồn nhiễu xun kí hiệu ISI nếu độ dài
chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

HVTH: Lại Trường Xuân

17

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

➢ Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của
sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với
hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
➢ Cấu trúc bộ thu đơn giản

Nhược điểm :
➢ Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi tuyến ở
các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
➢ Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do
bản thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích.
➢ Do u cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM
rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do
sai số đồng bộ.

2.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
2.1.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA
Tùy từng HTTT mà phát triển những công nghệ đa truy nhâp phù hợp nhằm đạt
được những yêu cầu mong muốn trong truyền tải tin tức, ví dụ như việc sử dụng
hiệu quả phổ tần… Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến
phân bổ tài nguyên một cách hiệu quả cho user. Tuỳ thuộc vào việc sử dụng tài
nguyên để phân bổ cho các user mà các công nghệ này được phân chia thành: đa
truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian
(TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần
số trực giao (OFDMA). OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
là phương thức đa truy nhập kết hợp kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) và phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian
TDMA.

HVTH: Lại Trường Xuân

18

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Hệ
thống điều chế OFDM được mô tả như sau:
Nguồn bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế
như PSK (Phase Shift Keying), M-QAM ( M_ary QAM). Tín hiệu dẫn đường được
chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ
biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số sẽ được chuyển thành luồng
tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số- tương tự trước khi truyền trên kênh vô
tuyến qua anten phát. Tín hiệu truyền qua kênh vơ tuyến bị ảnh hưởng bởi fading và
nhiễu trắng.
Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được phát
cùng với tín hiệu có ích với mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và
đồng bộ hệ thống. Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở
máy phát. Sau khi nhận được dịng frame OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ
thực hiện đồng bộ để thu được chính xác frame OFDM đã gửi. Sau đó sẽ tới cơng
đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi FFT kết quả thu được. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của
nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được sẽ bị biến dạng.
Do vậy để khơi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vơ tuyến cũng phải
được khôi phục.Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực
hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau
khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất
là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là
mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ ước lượng kênh truyền và đồng bộ thời gian/
tần số. Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh

để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Tín hiệu sau khi được khơi phục là dịng tín hiệu
QAM. Bởi vậy, ta tiếp tục giải điều chế ở băng tần cơ sở (QAM demodulation) để
thu được dịng bít đã truyền đi ban đầu.

HVTH: Lại Trường Xuân

19

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Ưu- nhược điểm của hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM
Ưu điểm: Giảm được Fading chọn lọc tần số >> Làm cho Ts tăng nên tránh ảnh
hưởng được của độ trải trễ
➢ Loại bỏ được nhiễu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn
nhất của kênh.
➢ Tốc độ bits tăng bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các
kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng.
➢ Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng
mang ICI có thể loại bỏ.
Nhược điểm: Ts xảy ra Fading nhanh ( kênh phụ thuộc thời gian)
➢ Nhạnh cảm với dịch tần Doppler
➢ Hiệu xuất luồng data không cao. Phải chèn them các khoảng bảo vệ và mẫu
tin dẫn đường pilot
➢ Đường bao biên độ của tín hiệu phát khơng bằng phẳng , nên gây ra méo phi
tuyến.
➢ Điều kiện trực giao của từng song mang phải đảm bảo nên tính phức tạp của
hệ thống tăng.

HVTH: Lại Trường Xuân

20

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Điều chế ở
baseband

Chèn Pilot

IFFT

Chèn chuỗi
bảo vệ

DAC

QAM,BPSK
, QPSK...
Kênh vô tuyến

AWGN
+
Khử ISI,...
Cân bằng

kênh

FFT

Khôi phục
kênh

Tách mẫu tin
dẫn đường

Giải điều chế
ở baseband

ADC

MOD

:
:

Data

Tách chuỗi
bảo vệ

S/P

MOD

IFFT

:
:

Chèn
khoảng
bảo vệ

DAC

Khuếch
đại

MOD
Điều chế ở băng cơ sở

:
:

Data
P/S

Kênh

DeMOD

DeMOD

FFT

:
:

Tách
khoảng
bảo vệ

ADC

DeMOD

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM

HVTH: Lại Trường Xuân

21

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Trong OFDMA, tín hiệu gửi tới các thiết bị đầu cuối được điều chế trên các
kênh truyền (sóng mang phụ) và các khe thời gian (time slot) trực giao nhằm mục
đích tránh nhiễu sóng. Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng
cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn. Bằng
cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số
thông thường (FDMA); Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA
cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể
thay đổi từ symbol này đến symbol khác. Và nó khơng cần thiết có dải phịng vệ lân

cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau. Việc ấn định
các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể
xảy ra đồng thời mà khơng cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác
động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI). Hơn nữa, hiện
tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng
mang con ít hơn. Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và
khả năng phủ sóng.

Hình 1.7 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA
HVTH: Lại Trường Xuân

22

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

Dải băng tần trong hệ thống OFDMA được chia làm 3 phần chính:
➢ Dải băng tần bảo vệ
➢ Sóng mang con dùng để mang kí tự dẫn đường (pilot): có 2 loại pilot
subcarrier là kí tự pilot có vị trí cố định và kí tự pilot có vị trí thay đổi. Các
kí tự dẫn đường được dùng để ước lượng kênh truyền tại phía thu.
➢ Các sóng mang được sử dụng bởi các user, được dùng để mang dữ liệu của
user.

Hình 1.8 Cấp phát dữ liệu đến các user
Dữ liệu người dùng được ánh xạ vào miền chữ nhật. Miền chữ nhật với tung độ
là subchannel( mỗi nó là tổ hợp các subcarriers theo qui luật nào đó). Cịn trục
hồnh là các kí hiệu OFDM. Đơn vị trong OFDM là Slot, mỗi Slot là một Subchannel với 1, 2 or 3 kí hiệu OFDM tùy thuộc chế độ hoán vị khác nhau (hoán vị

phan tán và liền kề).
2.2. Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA
Về nguyên lý, OFDMA phát triển dựa trên công nghệ OFDM nên có nhiều điểm
giống. So với OFDM thì OFDMA là nguyên lý đa truy nhập/ ghép kênh cung cấp

HVTH: Lại Trường Xuân

23

Lớp:10BĐTVT2


Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật

khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng
xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên.
OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năng chia
tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm của các
sóng mang khơng kề nhau, mà những user khác nhau được chỉ định các sóng mang
khác nhau. Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM để cho
nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm. OFDMA cho phép nhiều người
dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng
mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm. Ở các thời điểm khác
nhau, nhóm sóng mang con cho một người dùng cũng khác nhau. OFDMA được
dùng trong công nghệ mạng 802.16e (WiMAX di động), 3G LTE, …

X(n)
User 1

xf(n)

x(n)

Điều chế thích ứng
Cấp phát
sóng mang
con với điều
chế khác
nhau

User 2

Điều chế thích ứng

Chèn dải
bảo vệ

IDFT

P/S

Điều chế thích ứng

User N

h(n) Suy
Công suất
tổng cực đại

UserK

Bộ cấp phát tài nguyên

Thông tin kênh từ UserK

y(n)

Y(n)

Giải điều chế
thích ứng
Giải điều chế
thích ứng

Tách sóng
mang con cho
UserK

DFT

Kênh

giảm
tín
hiệu

yf(n)

Tách
chuỗi bảo

vệ

+
S/P

Giải điều chế
thích ứng

AWGN
w(n)

Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống OFDMA
Đầu vào của hệ thống OFDMA như sơ đồ hình 1.9, các người dùng khác nhau
với các thơng số khác nhau được cấp phát các sóng mang con và điều chế khác
nhau.Tùy thuộc vào tài nguyên hệ thống và thông tin kênh từ các người dùng bộ cấp
HVTH: Lại Trường Xuân

24

Lớp:10BĐTVT2