Nghiên cứu kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ OFDM

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG
CHO MẠNG TẾ BÀO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

NGÀNH

: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

MÃ SỐ

:
NGUYỄN TRUNG KIÊN

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS. TRẦN ĐỨC HÂN
TS. NGUYỄN VĂN ĐỨC

Hµ néi - 2005


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Đức Hân, TS. Nguyễn Văn Đức,
hai người thầy đồng thời là giáo viên hướng dẫn trực tiếp của tơi, những người

ln tận tình chỉ bảo, dạy dỗ về mặt chun mơn, động viên khích lệ về mặt tinh
thần cho tơi hồn thành luận văn này.
Tơi cũng muốn nói lời cảm ơn với bố mẹ, em gái, bạn gái, gia đình và
những người thân của tơi. Mọi người đã ln theo sát, ủng hộ, động viên tơi
trong q trình học tập cũng như làm tốt nghiệp cao học tại trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội.
Tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô, Khoa Điện Tử Viễn
Thông, Khoa Sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi trực tiếp
theo học suốt 2 năm vừa qua, vì sự quan tâm dậy dỗ, ủng hộ, tạo điều kiện giúp
đỡ tôi.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cám ơn tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp vì sự quan
tâm, góp ý, … để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.

Xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2005

Nguyễn Trung Kiên

Nguyễn Trung Kiên


Giới thiệu

-i-

GIỚI THIỆU
Kỹ thuật điều chế phân kênh theo tần số trực giao OFDM ngày càng khẳng
định những ưu thế vượt trội của mình so với phương pháp điều chế đơn sóng
mang truyền thống trong thơng tin băng rộng. Tuy nhiên, các hệ thống truy nhập

vô tuyến băng rộng, mà điển hình như hệ thống WiMAX, HiperLAN, các hệ
thống thơng tin di động 4G, khơng chỉ địi hỏi một cơng nghệ điều chế tiến tiến
mà còn yêu cầu những thuật toán cấp phát kênh mới, tối ưu hơn thay thế cho các
thuật toán cấp phát kênh tĩnh truyền thống. Kỹ thuật cấp phát kênh động DCA
kết hợp cùng với OFDM tạo nên sức mạnh cho hệ thống truy nhập vô tuyến băng
rộng. Ngày nay, trên thế giới các nhà khoa học cũng đang tập trung nghiên cứu
để tìm ra các thuật toán cấp phát kênh tối ưu nhất, nhằm sử dụng tối đa phổ tần
sổ của các hệ thống truy nhập vô tuyến.
Đề tài tốt nghiệp cao học: “Nghiên cứu kỹ thuật cấp phát kênh động cho
mạng tế bào sử dụng cơng nghệ OFDM” trình bày những nét cơ bản nhất của
công nghệ OFDM, những kỹ thuật cấp phát kênh được sử dụng trong thơng tin
vơ tuyến, trong đó đó có các kỹ thuật cấp phát kênh động. Ngồi ra, luận văn này
cũng đề cập đến hệ thống WiMAX, một trong những hệ thống ứng dụng mạnh
mẽ hai kỹ thuật này. Phần quan trọng của đồ án là phần chúng tơi dành để giới
thiệu một thuật tốn cấp phát kênh động mới, thuật toán cấp phát kênh động
phân tán dựa trên tín hiệu bận, và qua các kết quả mơ phỏng trên hệ thống
WiMAX chứng minh ưu điểm của thuật toán này.
Nội dung đồ án được chia làm bốn chương: Chương 1 trình bày những đặc
điểm kỹ thuật, nguyên lý cơ bản nhất của hệ thống OFDM; Chương 2 đề cập đến
các kỹ thuật cấp phát kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến; Chương 3 giới
thiệu về hệ thống WiMAX, những đặc điểm kỹ thuật liên quan. Chương 4, chúng
tơi giới thiệu thuật tốn cấp phát kênh động dựa trên tín hiệu bận và thực hiện
mơ phỏng trên hệ thống sử dụng OFDM, hệ thống WiMAX.

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Mục lục

-i-

MỤC LỤC
GIỚI THIỆU ...........................................................................................................i
MỤC LỤC...............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG........................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. viii
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU
OFDM ....................................................................................................................1
1.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................1
1.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG OFDM ..............................................................1
1.2.1 Định nghĩa hệ thống OFDM .................................................................1
1.2.2 Các đặc điểm hệ thống OFDM .............................................................2
1.2.3 Cấu trúc chức năng hệ thống OFDM....................................................3
1.2.4 Một số hệ thống sử dụng OFDM..........................................................5
1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM .............................................10
1.3.1 Khái niệm toán học.............................................................................10
1.3.2 Điều chế đa sóng mang trên nguyên tắc trực giao..............................12
1.3.3 Xử lý tương tự tín hiệu OFDM...........................................................21
1.3.4 Xử lý tín hiệu số OFDM .....................................................................25
1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM...................32
1.4.1 Nhiễu giao thoa ký tự ISI và sóng mang ICI......................................32
1.4.2 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ .....33
1.4.3 Cửa sổ công suất .................................................................................36
1.4.4 Vấn đề công suất đỉnh.........................................................................37
1.4.5 Các kỹ thuật giảm PARP : ..................................................................37
1.5 KẾT LUẬN................................................................................................38

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Mục lục

- ii -

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN...................................................................................39
2.1 GIỚI THIỆU ..............................................................................................39
2.2 TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÁT KÊNH .....................................................39
2.3 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH .......................42
2.3.1 Ma trận cấp phát kênh.........................................................................42
2.3.2 Cấp phát kênh Phân tán - Không thực hiện đo ...................................45
2.3.3 Cấp phát kênh Tập trung - Không thực hiện đo .................................51
2.3.4 Cấp phát kênh Phân tán - Có thực hiện đo .........................................60
2.3.5 Cấp phát kênh Tập trung - Có thực hiện đo .......................................71
2.4 KẾT LUẬN................................................................................................75
CHƯƠNG 3: NHỮNG ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 76
3.1 GIỚI THIỆU ..............................................................................................76
3.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG WIMAX ..................................................................76
3.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống..............................................................76
3.2.2 Dịch vụ trên mạng WiMAX ...............................................................78
3.3 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN SÓNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX ..............80
3.4 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA WIMAX..................................................83
3.4.1 OFDM.................................................................................................83
3.4.2 Kênh con hoá dải tần số......................................................................84
3.4.3 Anten cho các ứng dụng vô tuyến cố định .........................................85

3.4.4 Phân tập thu phát ................................................................................85
3.4.5 Điều chế thích nghi.............................................................................86
3.4.6 Các kỹ thuật sửa lỗi trước...................................................................86
3.4.7 Điều khiển công suất ..........................................................................87
3.5 KẾT LUẬN................................................................................................87

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Mục lục

- iii -

CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN CẤP PHÁT KÊNH
ĐỘNG TRÊN HỆ THỐNG WIMAX ..................................................................88
4.1 GIỚI THIỆU ..............................................................................................88
4.2 MƠ PHỎNG KÊNH VƠ TUYẾN.............................................................88
4.2.1 Bài tốn kênh vô tuyến .......................................................................89
4.2.2 Kết quả mô phỏng kênh vô tuyến.......................................................91
4.2.3 Nhận xét kết quả mơ phỏng ................................................................92
4.3 THUẬT TỐN CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG.............................................92
4.3.1 Giới thiệu thuật toán ...........................................................................92
4.3.2 Ấn định khe thời gian phân tán sử dụng tín hiệu bận.........................95
4.3.3 Cấp phát kênh dựa trên công suất nhiễu thu được..............................99
4.3.4 Mơ hình hệ thống..............................................................................100
4.3.5 Kết quả mơ phỏng.............................................................................101
4.3.6 Nhận xét kết quả mô phỏng ..............................................................103
4.4 KẾT LUẬN..............................................................................................104

KẾT LUẬN ........................................................................................................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................106
PHỤ LỤC ...........................................................................................................108
PHỤ LỤC A – CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG KÊNH VÔ TUYẾN ........108
PHỤ LỤC B - MỘT SỐ HÀM QUAN TRỌNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH
MƠ PHỎNG THUẬT TỐN DCA ..............................................................112

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục hình vẽ

- iv -

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 : Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình .........................................................3
Hình 1-2 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền .......................14
Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang .....................15
Hình 1-4 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang.........16
Hình 1-5 Phổ tấn số giữa các kênh con trong điều chế đa sóng mang ................16
Hình 1-6 Minh họa tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu..............17
Hình 1-7 Nguyên tắc điều chế OFDM .................................................................18
Hình 1-8 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM ........................................19
Hình 1-9 (a) Biên độ phổ của tín hiệu trên kênh con...........................................19
Hình 1-10 Đoạn bảo vệ trong ký tự OFDM.........................................................20
Hình 1-11 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM với N sóng mang.................22
Hình 1-12 So sánh sơ đồ khối chức năng phía phát điều chế OFDM vơi hai
phương pháp xử lý tín hiệu ..................................................................................28

Hình 1-13 Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài μ .............................................29
Hình 1-14 Vịng bảo vệ chặn trước trong xử lý số...............................................31
Hình 1-15. Các sóng mang con trực giao trong miền tần số................................32
Hình 1-16. Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang con
với trễ truyền nhỏ hơn thời gian bảo vệ và không triển khai bộ cân bằng tại máy
thu.........................................................................................................................34
Hình 1-17 Lược đồ mã hố tín hiệu .....................................................................35
Hình 1-18 Lược đồ mã hố tín hiệu .....................................................................35
Hình 1-19 Cửa sổ cơng suất .................................................................................36
Hình 2-1 Ví dụ về một mạng tế bào với 3 cell với một giải pháp cấp phát kênh 41
Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh...........................................................................44
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục hình vẽ

-v-

Hình 2-3 Cấp phát kênh trong một mạng có phân bố lưu lượng thống nhất .......47
Hình 2-4 Các cell con trong mơ hình phân chia tái sử dụng................................48
Hình 2-5 Sắp xếp khe thời gian trong SRA .........................................................50
Hình 2-6 Nghẽn cuộc gọi tại b2 ...........................................................................52
Hình 2-7 Những cell nằm trong tầm ảnh hưởng NI(bj) và những cell đồng kênh
gần nhất của bj, NCo(bj)........................................................................................54
Hình 2-8 Microcell và Macrocell trong hệ thống tế bào phân cấp ......................73
Hình 2-9 Sắp xếp các khe thời gian ESRA trong một cell ..................................74
Hình 3-1 Mơ hình một hệ thống WiMAX ...........................................................77
Hình 3-2. Triển khai dịch vụ trên hệ thống WiMAX...........................................79

Hình 3-3 Mơi trưịng truyền sóng LOS................................................................80
Hình 3-4 Mơi trường truyền sóng NLOS.............................................................81
Hình 3-5. Vị trị lắp đặt CPE trong mơi trường NLOS.........................................82
Hình 3-6 Sóng mang đơn kênh và sóng mang OFDM ........................................84
Hình 3-7 Kênh con hố dải tần ............................................................................85
Hình 3-8 Kỹ thuật điều chế và bán kinh cell........................................................86
Hình 4-1 SER của hệ thống WiMAX trong trường hợp có và khơng có khoảng
bảo vệ ...................................................................................................................91
Hình 4-2 SER của hệ thống WiMAX trong trường hợp kênh biến đổi và khơng
biến đổi theo thời gian..........................................................................................91
Hình 4-3 Nhiễu đa truy nhập................................................................................93
Hình 4-4 Lưu đồ thuật tốn DCA phân tán..........................................................94
Hình 4-5 Hệ thống WiMAX với hệ số tái sử dụng bằng 100%...........................95
Hình 4-6 Cấu trúc của một khe thời gian cho mạng OFDM/TDMA TDD .........96
Hình 4-7 Cơng suất tín hiệu bận thu được ...........................................................96
Hình 4-8 Nhiễu đa truy nhập trong hệ thống WiMAX ........................................97
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục hình vẽ

- vi -

Hình 4-9 Cấu trúc khung của phía phát và phía thu sử dụng busy tone ..............98
Hình 4-10 Thơng lượng của hệ thống với các mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr
= - 60 dBm..........................................................................................................101
Hình 4-11 Thông lượng của hệ thống với các mức lưu lượng tải (mức ngưỡng Ithr
= - 70 dBm..........................................................................................................102

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục bảng

- vii -

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB ..............................................7
Bảng 1.2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T ..........................................8
Bảng 1.3 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN ...........9
Bảng 1.4 Một số tham số vật lý của HiperLAN 2 và 802.11a...............................9
Bảng 4.1 Tham số kênh đa đường........................................................................89

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục từ viết tắt

- viii -

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
4G

Fourth Generation Mobile System

AAS

Adaptive Antenna System

AMPS

Advanced Mobile Phone System

ATM

Asynchronous Transfer Mode

BDCL

Borrowing with Directional Channel Locking

BER

Bit Error Rate

BFWAN

Broadband Fixed Wireless Access Network

BLER

Block Error Rates

BSC

Base Station Controller

CPE

Customer Premise Equipment

CS

Channel Segregation - DCA

DAB

Digital Audio Broadcasting

dB

Decibels

DCA

Dynamic Channel Allocation/Assignment

DECT

Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DFT

Discrete Fourier Tranform

DSL

Digital Subscriber Line

DSP

Digital Signal Processor

DVB

Digital Video Broadcasting

FA

First Available

FCA

Fixed Channel Allocation/Assignment

FDMA

Frequency Division Multiplex Access

FEC

Forward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transform

FIC

Fast Information Channel

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục từ viết tắt

- ix -

HCA

Hybrid Channel Allocation/Assignment

HCB

Hybrid Channel Borrowing

HTA

Highest Interference below Threshold Algorithm

ICI

Inter-Channel Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter-Symbol Interference

LAN

Local Access Network

LCA

Lowest Channel below Threshold Algorithm

LI

Least Interfered

LOS

Line of Sight

LSWO

Limited Search with Weight/priority Ordering

LTA

Least Interference below Threshold Algorithm

MAC

Medium Access Control

MAXMIN

Fully centralised DCA that Maximises the Minimum SIR

MCM

Multi-Carrier Modulation

MIA

Marginal Interference Algorithm

MRC

Maximum Ratio Combining

MS

Mobile Station

MSC

Main Service Channel

NA-LI

Network Assisted Least Interfered

NA-TO

Network Assisted DCA with Throughput Optimisation

NLOS

Non-Line of Sight

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PDA

Personal Digital Assistant

PHY

Physical Layer

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Danh mục từ viết tắt

-x-

PRMA

Packet Reservation Multiple Access

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RCA

Random Channel Allocation

SCB

Simple Channel Borrowing

SIR

Signal to Interference Ratio

SNR

Signal to Noise Ratio

SRA

Staggered Resource Allocation

TDMA

Time Division Multiplex Access

TSDP

Two-Step Dynamic-Priority DCA

WCAR

Weighted Carrier Ordering

WCHN

Weighted Channel Ordering

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN

Wireless Local Access Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-1-

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG OFDM VÀ NGUYÊN TẮC
XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM
1.1 GIỚI THIỆU
Với mục đích tìm hiểu những đặc điểm cũng như nguyên lý chung về xử lý
tín hiệu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), chương một của
luận văn giới thiệu hệ thống OFDM và những nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM.
Phần đầu tiên (mục 1.2) đề cập đến khái niệm về hệ thống OFDM, đặc điểm của
hệ thống cũng như từng khối chức năng của hệ thống OFDM. Phần này cũng

điểm qua ứng dụng của OFDM trong một số hệ thống. Nguyên tắc xử lý tín hiệu
OFDM được trình bày ở phần tiếp theo, trong đó bao gồm cả nguyên lý xử lý
tương tự và nguyên lý xử lý số. Một số vấn đề gắn liền với đặc điểm kỹ thuật của
hệ thống OFDM sẽ được trình bày trong phần cuối của chương này.

1.2 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG OFDM
1.2.1 Định nghĩa hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu thành nhiều
luồng dữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con
này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với
nhau. Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thơng thường, hệ thống OFDM
phân chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-2-

biệt tần số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học,
cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn nhau làm tăng hiệu quả sử
dụng phổ tần mà không gây nhiễu [7].
Mặc dầu công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ trước
trong hệ thống vô tuyến quân sự nhưng chỉ khi các cơng nghệ xử lý tín hiệu phát
triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các thuật toán FFT/IFFT cho điều
chế/giải điều chế tín hiệu đa sóng mang, thuật tốn chèn khoảng bảo vệ để tối

thiểu hoá ISI và ICI, mã hoá hiệu chỉnh lỗi trước FEC đã đem đến nhiều ứng
dụng của hệ thống OFDM như DAB, DVB và đặc biệt trong những năm gần
đây, việc áp dụng OFDM cho các hệ thống Wireless LAN thu được nhiều thành
tựu. Công nghệ OFDM được sử dụng làm cơ sở tầng vật lý PHY trong các tiêu
chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc Mỹ và HIPERLAN/2 ở châu Âu, được xem xét cho
các tiêu chuẩn IEEE 802.11g và WLAN 802.16. OFDM hứa hẹn sẽ là chuẩn
truyền thông vô tuyến trong mạng 4G nhằm hỗ trợ các dịch vụ tốc độ cao lên
đến 54 Mbps.
1.2.2 Các đặc điểm hệ thống OFDM

Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau cho phép
chúng được tách ở máy thu mà không bị nhiễu của sóng mang khác, hạn chế suy
hao do kênh truyền dẫn vô tuyến. Suy hao quan trọng nhất là hiện tượng fading
do nhiều dạng tín hiệu thu được tại anten thu. Trong OFDM, fading chỉ ảnh
hưởng hữu hạn các sóng mang con và hầu như tồn bộ các sóng mang con băng
hẹp cùng với thông tin được điều chế và được truyền một cách tin cậy, đảm bảo
chất lượng qua các kênh vô tuyến.
Hệ thống OFDM cho phép triển khai máy thu khơng cần bộ cân bằng mà
vẫn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con khi thu qua kênh lựa chọn tần
số. Mỗi sóng mang con thu được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán
thời gian do đó khơng u cầu bộ cân bằng trễ đường. Đây là lý do chính khiến
OFDM được sử dụng trong các hệ thống quảng bá như DAB quảng bá âm thanh
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-3-

số và DVB quảng bá truyền hình số mặt đất của ETSI cũng như được đề xuất
cho các tiêu chuẩn WLAN như ETSI HiperLAN2, WLAN 802.11.
Công nghệ OFDM giải quyết hầu hết các vấn đề của cả FDMA và TDMA.
OFDM chia băng tần khả dụng thành nhiều kênh băng hẹp, các sóng mang cho
mỗi kênh này trực giao với nhau cho phép chúng giữ được khoảng cách rất gần
nhau mà không cần dải chắn như trong FDMA, không cần ghép kênh theo thời
gian như TDMA.
Mỗi sóng mang trong các tín hiệu OFDM có một băng thơng rất hẹp, do đó
tốc độ ký tự thấp, điều này làm tín hiệu chịu đựng được ảnh hưởng trễ truyền đa
đường, trễ truyền đa đường phải rất lớn mới gây giao thoa ký tự ISI đáng kể
(khoảng trên 100μS) [7][4].
1.2.3 Cấu trúc chức năng hệ thống OFDM

Hình 1-1 : Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình
1.2.3.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song

Luồng số liệu nối tiếp đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (2
bít/từ cho QPSK) và chuyển thành dạng song song. Dữ liệu được phát song song
bằng cách gán mỗi từ cho một sóng mang để điều chế tín hiệu.
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-41.2.3.2 Khối điều chế

Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hố vi sai và điều chế mã

PSK. Vì tín hiệu mã hố vi sai u cầu pha tham chiếu ban đầu nên một kí hiệu
được bổ xung vào đầu chuỗi. Dữ liệu trên mỗi kí hiệu sau đó được gắn với một
góc pha nhất định dựa theo phương thức điều chế. Sử dụng PSK tạo ra một tín
hiệu biên độ khơng đổi và đơn giản để giảm các vấn đề biến đổi pha do fading.
1.2.3.3 Khối biến đổi Fourier ngược

Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm
dạng sóng thời gian tương ứng. Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT và biến đổi
Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín
hiệu trên các sóng mang con trực giao. Các thuật tốn xử lý tín hiệu này thay thế
các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu.
Thông thường, N được lấy là một luỹ thừa nguyên của 2, cho phép ứng
dụng các thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả cao hơn cho
điều chế và giải điều chế.
1.2.3.4 Khối chèn khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi kí hiệu, gồm 2 phần : một nửa phát
biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép
dễ dàng khơi phục định thời kí hiệu nhờ tách sóng đường bao.
Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ gia tăng lớn nhất của kênh nhiễu
đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu.
Thông thường GI được chọn để có độ dài từ 1/10 tới 1/4 thời gian ký tự,
làm giảm SNR tới 0.5–1 dB.
Sau khi chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu được biến đổi trở lại dạng nối tiếp là
tín hiệu băng gốc trong truyền dẫn OFDM.

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ

Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-51.2.3.5 Khối kênh truyền dẫn vơ tuyến

Một mơ hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát, mơ hình cho phép điều
khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và cắt công suất đỉnh. SNR
được lập bằng cách thêm một số lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ đa
đường được mơ tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn
nhất trong khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi.
1.2.3.6 Máy thu

Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ
được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát. Góc pha
của mỗi sóng mang được dự đốn và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải
điều chế pha thu được. Các từ số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích
thước giống nhau như ban đầu.
Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM
tốt. Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký tự OFDM và để đồng
chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải điều chế.
Nếu bất kỳ một kênh đồng bộ nào không được thực hiện đủ chính xác thì
dẫn đến mất tính trực giao của các sóng mang con do nhiễu ISI và ICI.
1.2.4 Một số hệ thống sử dụng OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong những năm
cuối thập niên 90 của thế kỷ XX. Sự kết hợp của kỹ thuật xử lý số cùng với kỹ
thuật vi điện tử tạo được các vi mạch DSP có khả năng tính tốn nhanh giúp tạo
tín hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả. Nhờ vậy kỹ thuật điều chế OFDM được
ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin khác nhau như: hệ thống phát thanh số
(DAB), hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB-T), mạng LAN khơng dây…[12].

1.2.4.1 Phát thanh quảng bá số (DAB)

DAB (Digital Audio Broadcasting) là chuẩn truyền dẫn số mới, được phát
triển bởi dự án Eureka147, đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế
Nguyễn Trung Kiên
Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-6-

giới. DAB có thể đem đến cho người nghe tín hiệu khơng có nhiễu, âm thanh
chất lượng cao, dễ dàng trong sử dụng và không hạn chế khả năng mở rộng
mạng thông qua việc phát triển các trạm phát, phát triển các dịch vụ mới.
DAB tuy mới là mạng phát thanh quảng bá mặt đất nhưng có thể mở rộng
thành mạng phát thanh quảng bá qua vệ tinh trong tương lai. Chúng ta có thể
nhận được chất lượng chương trình radio tương đương chất lượng chương trình
trong đĩa CD trên xe hơi chỉ với một chiếc anten vô hướng nhỏ. DAB hỗ trợ
truyền dẫn đa mục đích, ngồi khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được
ảnh text, dữ liệu, thậm chí cả hình ảnh. Hãy tưởng tượng vừa nghe nhạc vừa xem
lời bài hát cùng một lúc, đồng thời cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình
thời tiết trong ngày. Khơng cần đọc bản đồ để tìm đường vì hệ thống có thể cung
cấp đường đi gần nhất, trạng thái của các trạm gửi xe và tình hình giao thơng
trong thành phố. Nếu chiếc xe là một trạm làm việc lưu động người dùng cũng
có thể truy cập internet thơng qua DAB radio.
Tín hiệu của các dịch vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất
của các nguồn tin, mã hóa chống lỗi và mã hóa kênh. Sau đó các dịch vụ được
ghép kênh trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Channel). Tín hiệu ra
khỏi MSC được liên kết với tín hiệu điều khiển ghép kênh và tín hiệu đồng bộ

dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC), để tạo dạng khung truyền trong bộ
ghép kênh. Cuối cùng OFDM được sử dụng để tạo dạng tín hiệu DAB gồm một
số lượng lớn các sóng mang. Tín hiệu truyền đi xa bằng sóng vô tuyến điện cao
tần bằng các phương pháp điều chế thơng thường.
Hiện nay trên thế giới có khoảng 300 nghìn người sử dụng hơn 600 dịch vụ
của DAB. Máy thu tín hiệu DAB đã được thương mại hóa từ mùa hè năm 1998,
cho đến nay đã có khoảng 80 loại khác nhau. Tồn bộ tín hiệu DAB được lựa
chọn bởi lựa chọn tín hiệu tương tự (bộ lọc tương tự), tín hiệu sau khi giải điều
chế cao tần được đưa qua giải mã OFDM và giải mã hóa kênh để thu được thơng
tin dạng tín hiệu số. Những thơng tin trong kênh FIC được đưa tới giao diện
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-7-

người sử dụng cho phép lựa chọn các dịch vụ và các đường dữ liệu tương ứng.
Dữ liệu trong kênh dữ liệu chính (MSC) được xử lý trong bộ giải mã Audio để
tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải hoặc trong bộ giải mã dữ liệu để
tách thành các đường dữ liệu tương thích.
Hệ thống DAB có 3 kiểu khác nhau với số lượng sóng mang trong điều chế
OFDM khác nhau. Mode 1 được ứng dụng truyền với khoảng cách xa, ít vật cản,
Mode 2 và Mode3 dùng trong khoảng cách ngắn, có nhiều chướng ngại vật,
nhiễu lớn [12].
Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB
Tham số

Mode 1

Mode 2

Mode 3

Băng thơng

1,536MHz

1,536MHz

1,536MHz

Số sóng mang

1.546

758

384

Điều chế kênh con

DQPSK

DQPSK

DQPSK

Chiều dài ký tự (ts)

1ms

250 µs

125 µs

ts/4 (250 µs)

ts/4 (62,5 µs)

ts/4 (31,25 µs)

2,4Mbps

2,4Mbps

2,4Mbps

Chiều dài đoạn bảo
vệ
Tốc độ

1.2.4.2 Hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB)

Các chuẩn về truyền hình số mặt đất (DVB) bắt đầu được khởi động từ năm
1993. DVB hệ thống truyền dẫn dựa trên nền tảng chuẩn MPEG2, một phương
thức nén âm thanh và hình ảnh chất lương cao. DVB ra đời thúc đẩy sự thay thế
các chuẩn truyền hình tương tự, nó cung cấp đường truyền lý tưởng cho các dịch

vụ âm thanh, hình ảnh và data. Chuẩn DVB chỉ ra các giao thức được ứng dụng
trong các môi trường truyền dẫn khác nhau như vệ tinh (DVB-S), cáp (DVB-C),
mặt đất (DVB-T). Lớp vật lý của các chuẩn này đều nhằm đạt tới mục tiêu tối ưu
hóa kênh truyền. Truyền hình vệ tinh sử dụng đơn sóng mang dùng điều chế
QPSK cho phép dịch tần Doppler lớn, và cho hiệu suất sử dụng năng lượng cao.
Nguyễn Trung Kiên
Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-8-

Nhưng kiểu truyền này khơng thích hợp với truyền dẫn mặt đất bởi nhiễu đa
đường làm giảm tốc độ truyền đơn sóng mang. OFDM được sử dụng trong
chuẩn truyền dẫn mắt đất của DVB (DVB-T). DVB-T có hai kiểu truyền dẫn
khác nhau về số sóng mang sử dụng.
Bảng 1.2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T
Tham số

2K Mode

4K Mode

Băng thơng

7,61 MHz

7,61 MHz

Số sóng mang

1705

6817

Chiều dài ký tự (ts)

896 µs

224 µs

1.2.4.3 Wireless LAN

Mang LAN khơng dây (Wireless LAN) hoạt động giống như mang LAN
truyền thống, điểm khác nhau là tại hai lớp DataLink và lớp MAC theo mơ hình
tham chiếu OSI. LAN khơng dây dùng giao tiếp vơ tuyến để liên kết các máy
tính lại với nhau. Mạng LAN khơng dây có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ
cao, tải tập trung trong một thời gian ngắn. Phạm vi hoạt động của mạng LAN
không dây nhỏ, khoảng 150 m, các máy trạm có thể cố định hoặc di chuyển với
tốc độ thấp.
Mạng LAN không dây thế hệ thứ nhất hoạt động dựa trên những giao thức
đóng độc quyền của mỗi nhà sản xuất thiết bị. Phần lớn các thiết bị đều hoạt
động trong dải thông tần 26 MHz tại băng tần 900MHz và sử dụng kỹ thuật trải
phổ, tốc độ cho phép đạt được từ 1-2Mbps. Sự thiếu chuẩn hóa trong các sản
phẩm tạo nên chi phí phát triển sản phẩm cao, khả năng mở rộng hạn chế và một
thị trường nhở hẹp cho các sản phẩm đơn lẻ. Do đó có rất ít các nhà sản xuất thu
được thành công.
Tại Mỹ, các thiết bị mạng LAN không dây thế hệ thứ hai được chế tạo theo
chuẩn 802.11b hoạt động tại băng tần 2,4GHz với dải thông tần 80MHz. Theo

chuẩn này khuyến nghị dùng kỹ thuật trải phổ, tốc độ trong mạng đạt 1,6Mps (lý
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

-9-

tưởng đạt 11Mps), khoảng cách tối đa là 150m. Chuẩn thứ hai trong họ chuẩn
802.11 là chuẩn 802.11a được phát triển để có khả năng hoạt động tại tốc độ cao
hơn chuẩn 802.11b. Trong chuẩn khuyến nghị dải tần hoạt động là 300MHz tại
băng tần 5GHz, sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang, tốc độ có thể đạt đựoc
từ 20-70Mps. Một chuẩn khác là 802.11g cũng khuyến nghị sử dụng kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, cho phép sử dụng tại hai băng 2,4GHz và 5GHz tốc độ
cho phép lên tới 54Mps.

Bảng 1.3 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN
802.11b

802.11a

HiperLAN 2

Băng tần hoạt động 2,4 GHz

5,2 GHz

5,2 GHz

Chuẩn
Kỹ thuật điêu chế

DSSS

OFDM

OFDM

Tốc độ vật lý

11

54

54

Tốc độ dữ liệu

5

32

32

MAC

CSMA/CA

TDMA/TDD

Tại Châu Âu, mạng LAN không dây được phát triên dựa theo chuẩn
HIPERLAN (high performance radio LAN). Chuẩn HIPERLAN1 cũng tương tự
như chuẩn 802.11a cho phép tốc độ đạt được 20 Mps với khoảng cách nhỏ hơn
50m. Chuẩn HIPERLAN2 cho phép đạt được tốc độ cao hơn lên tới 54Mps đồng
thời hộ trợ các giao thức cho phép truy nhập tới mạng di động, mạng ATM,
mạng IP.
Bảng 1.4 Một số tham số vật lý của HiperLAN 2 và 802.11a
Tham số

Giá trị

Băng thông kênh

20 MHz

Kênh mang data

48

Kênh mang dẫn đương

4

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ

Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

- 10 -

Băng thơng kênh con

312,5 kHz

Chiều dài ký tự có ích

3,2

Chiều dài đoạn bảo vệ

0,8

Kỹ thuật điều chế

BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Điểm khác nhau chính của IEEE 802.11a và HIPERLAN2 là trong phần
điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC). Chuẩn IEEE 802.11a sử dụng MAC
dựa trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập sóng mang thơng minh có ngăn chặn
xung đột (CSMA/CA). Trong khi đó HIPERLAN/2 sử dụng MAC được xây
dựng trên nền tảng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian kèm chỉ định
khe động (TDMA/DSA).
1.2.4.4 OFDM kỹ thuật điều chế của 4G

Trong khi thế hệ di động thứ ba đã hoàn thiện về cấu trúc với nhiều chuẩn
khác nhau và đang trên đà phát triểndịch vụ thì hệ thống thơng tin di động thứ tư

đã được nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm. Mục tiêu của hệ thống thông tin di
động thế hệ 4 là tích hợp các cơng nghệ khơng dây đã có như GSM, LAN không
dây, Blutooth…. đồng thời hỗ trợ các dịch vụ thơng minh và mang tính chất các
nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao. Để có
thể thỏa mãn mục đích trên hệ thống thông tin di động 4G cần phải có một
phương thức điều chế mới. Trong số các phương pháp điều chế đã được nghiên
cứu, OFDM nổi nên với những ưu điểm như hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả
năng chống nhiễu tốt, phương pháp thực hiện đơn giản bằng FFT. OFDM được
chọn là phương pháp điều chế cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư [7].

1.3 NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM
1.3.1 Khái niệm toán học

Cho một tập các hàm số {fn(t), với n=1, 2, 3…,k}, các hàm số được gọi là
trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn điều kiện sau:

Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

- 11 -

m=n
m≠n

+∞

⎧k
∫ f (t ). f (t ).dt = ⎨⎩ 0
n

m

−∞

(CT- 1.1)

Tập hàm thỏa mãn điều kiện trên gọi là tập hàm trực giao. Nếu k = 1 họ
hàm đã cho khơng chỉ trực giao mà cịn trực chuẩn. Nghĩa là tích phân của bình
phương mỗi hàm đều bằng đơn vị. Trực giao có ý nghĩa là các hàm số này không
ảnh hưởng lẫn nhau hay không gây nhiễu lên nhau giữa chúng khơng có mối
quan hệ ràng buộc hay phụ thuộc. Một số tập tín hiệu trực giao như tập hai hàm
sin(ωt), và cos(ωt).
Một tín hiệu s(t) có thể được biểu diễn dưới dạng một dãy hàm trực chuẩn

s (t ) =
"

N

∑s
k =1

k

f k (t )

(CT- 1.2)

với sk là hệ số trong phép xấp xỉ tín hiệu s(t). Sai số do phép thay thế tín
hiệu s(t) bằng một tập các giá trị sk là e(t) = s(t) – s”(t). Các hệ số sk phải được
chọn sao cho năng lượng của tín hiệu sai số εe là nhỏ nhất.

εe =

+∞

∫ [s (t ) −

]

s " (t ) dt
2

−∞
+∞

⎡
= ∫ ⎢ s (t ) −
−∞⎣

N

∑

k =1

2

⎤
s k f k (t )⎥ dt
⎦

(CT- 1.3)

Theo lý thuyết phân tích dựa trên tiêu chuẩn bình phương sai số thì giá trị
nhỏ nhất của εe với chuỗi {sk} khi sai số là trực giao với mỗi hàm trong chuỗi đã
cho.
+∞

⎡
∫− ∞ ⎢⎣ s (t ) −

N

∑s
k =1

k

⎤
f k (t )⎥ f n (t )dt = 0
⎦

(CT- 1.4)

với n = 1, 2, …,N

Từ điều kiện tập hàm {fk(t)} là tập hàm trực giao rút gọn biểu thức 2.3 thu
được các hệ số của chuỗi {sk} thay thế tín hiệu s(t)
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ


Chương 1: Hệ thống OFDM và nguyên lý xử lý tín hiệu OFDM

- 12 +∞

sn =

∫ s (t ) f (t )dt
n

với n = 1, 2, …,N

n

(CT- 1.5)

−∞

Giá trị nhỏ nhất của sai số bình phương là

ε min =

+∞

∫ e (t )s (t )dt

−∞
+∞

=

∫ [s (t )] dt
2

∞

−

−∞

= εs −

N

∑s
k =1

N

∫ ∑s

−∞

k =1

k

f k (t )s (t )dt

(CT- 1.6)

2
k

khi sai số εmin = 0 thì năng lượng của tín hiệu s(t) và năng lượng trong
chuỗi {sk} là bằng nhau. Với điều kiện như vậy tín hiệu s(t) là :

s (t ) =

N

∑s
k =1

k

f k (t )

(CT- 1.7)

Việc biểu diễn tín hiệu bằng tổng tuyến tính của một chuỗi hàm trực giao
có thể dùng để phân tích các đặc điểm tính chất, khả năng chống nhiễu của dạng
tín hiệu đó với kênh truyền… Nhưng cũng có thể dùng kết quả đó để tổng hợp
được tín hiệu cần truyền từ các tập tín hiệu đơn giản trực giao với nhau, tín hiệu

thu được giữ được các tính chất chống nhiễu, đồng thời các thành phần con
khơng gây nhiễu lên nhau trong tín hiệu tổng.
1.3.2 Điều chế đa sóng mang trên nguyên tắc trực giao
1.3.2.1 Điều chế đa sóng mang

Dạng đơn giản nhất của điều chế đa sóng mang, dữ liệu được chia thành
nhiều luồng nhỏ để truyền qua các kênh con trực giao với nhau tại các tần số
sóng mang khác nhau. Số lượng sóng mang được lựa chọn sao cho độ dài ký tự
tại các kênh con lớn hơn nhiều lần thời gian trễ của mỗi kênh con hay băng
thông của mỗi kênh con nhỏ hơn nhiều băng thông liên kết của kênh truyền.
Nguyễn Trung Kiên

Luận văn thạc sỹ