Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh tĩnh và cấp kênh động cho mạng tế bào sử dụng công nghệ ofdm

Nguyễn thu hà

Bộ Giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoA hà nội

Luận văn Thạc sĩ khoa học
điện tử viễn thông

Nghiên cứu kỹ thuật cấp kênh
tĩnh và cấp kênh động cho mạng
tế bào sử dụng công nghệ ofdm

Nguyễn thu hµ

2003-2005

Hµ Néi
2005

Hµ Néi -2005


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CẤP KÊNH TĨNH VÀ
CẤP KÊNH ĐỘNG CHO MẠNG TẾ BÀO SỬ
DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM
NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

MÃ SỐ:
NGUYỄN THU HÀ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. TRẦN ĐỨC HÂN

HÀ NỘI -2005


-------------------------------------------------------------------------------------------

LỜI CẢM ƠN!
Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã dìu dắt em trong suốt thời gian theo học tại trường. Em
cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông
trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là Thầy Trần Đức Hân người trực tiếp
hướng dẫn tốt nghiệp đã đơn đốc, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình học
tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp.
Đồng thời, em cũng xin cảm ơn tất cả bạn bè, đặc biệt là Thầy Nguyễn Văn
Đức đã có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ em để em có thể thực hiện tốt bản luận
văn này.
Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế về mặt thời gian và kiến thức nên bản luận
văn này của em khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được các thầy
cô giáo, các bạn bè đồng sự nhận xét, góp ý cho em để em có thể hoàn thiện bản
luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày….tháng 10 năm 2005
Học viên

Nguyễn Thu Hà

-------------------------------------------------------------------------------------------


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADSL

Asymmetric Digital Subcriber Line

AMPS

Advanced Mobile Phone Service

ANSI

America National Standards Institute

ATM

Asynchronous Tranfer Mode

BER

Bit Error Ratio

BLER

Block Error Ratio

BPSK

Birary Phase Shitf Keying

BS

Base Station

CS

Channel Segregation - DCA

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access/CA

CT2

2nd Generation Cordless Phone

DAB

Digital Audio Broadcasting

DCA

Dynamic Channel Allocation

DCA-LSWO

DCA using Limited Search with Weight Ordering

DCA-WCAR

DCA with Weight Carrier Ordering

DCA-WCHN

DCA with Weighted Channel Ordering

DECT

Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DFT

Discrete Fourier Tranform

DSP

Digital Signal Processing

DVB

Digital Video Broadcasting

DVB-C

Digital Audio Broadcasting Cable

DVB-S

Digital Audio Broadcasting Sateline

DVB-T

Digital Audio Broadcasting

ETSI

European Telecomunications Standards Institute

FA

First Available DCA using interference power threshold

FA-SIR

First Available DCA using SIR threshold


FCA

Fixed Channel Allocation

FDD

Frequency Division Duplex

FDM

Frequency Division Multiplexing

FDMA

Frequency Division Multiple Accesss

FFT

Fast Fourier Tranform

FIC

Fast Imformation Channel

FIR

Finite Impulse Response Filter

GSM

Global Systems for Mobile Telecommunication

HCA

Hybrid Channel Allocation

HDR

High Data Rate

HF

High Fryquency

HIPERLAN

High Performance radio LAN

HNN

Hopfield Neural Network

HTA

Highest Interference below Threshold Algorithm

ICI

Inter-Carrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Tranform

IEEE

Institute Electrical and Electronic Engineers

IFFT

Inverse Fast Fourier Tranform

IP

Internet Protocol

ISI

Inter Symbol Interference

ITM

International Mobile Telecommunication

ITU

International Telecommunication Union

ITU-R

International Telecommunication Union-Radio

LAN

Local Area Network

LCA

Lowest Channel below Threshold Algorithm

LI

DCA using the Least Interfered method

LTA

Lowest Interference below Threshold Algorithm

MAC

Media Access Cotroll


MC-CDMA

Muticarrier-Code Division Multiplex Access

MIA

Marginal Interference Algorithm

MPEG2

Moving Picture Experts Group type 2

MS

Mobile Station

MSC

Main Service Channel

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PDC

Personal Digital Cellular

PRBS

Pseudo Random Binary Sequence

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RND

DCA using Random Channel Allocation

SIR

Signal to Interference Ratio

SNR

Signal to Noise Ratio

SRA

Staggered Resource Allocation

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Accesss

TDMA/DSA

Time Division Multiple Access with Dynamic Slot Assignment

VDSL

Very High Digital Subcriber Line


1

Mục lục
===================================================================

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ................................................... 6
1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM. ...................................................................................... 6
1.1.1 Mở đầu. ............................................................................................................ 6
1.1.2 Đa sóng mang. ................................................................................................. 7
1.1.3 Sóng mang trực giao ...................................................................................... 13
1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM ........................................................................... 14
1.1.5 Đặc điểm của OFDM ..................................................................................... 19
1.1.6 Tổ chức kênh trong OFDM ........................................................................... 22
1.1.7 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang ................................................ 26
1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ................................................................................. 28
1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM. ...................................................................... 31
1.3.1 Phát thanh quảng bá số (DAB) ...................................................................... 31

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) ..................................................... 34
1.3.3 Wireless LAN ................................................................................................ 36
CHƯƠNG 2: MA TRẬN CẤP PHÁT KÊNH............................................................... 39
2.1 Vấn đề chuyển giao .............................................................................................. 39
2.2 Ma trận cấp phát kênh. ......................................................................................... 41
2.2.1 Phân tán không thực hiện đo.......................................................................... 44
2.2.2 Tập trung không thực hiện đo. ....................................................................... 47
2.2.3 Phân tán có thực hiện đo. ............................................................................... 48
2.2.4 Tập trung có thực hiện đo. ............................................................................. 50
CHƯƠNG 3: SO SÁNH CẤP KÊNH TĨNH VÀ CẤP KÊNH ĐỘNG ........................ 52
3.1 Vấn đề cấp phát kênh trong di động. .................................................................... 52
3.2 Cấp phát kênh tĩnh FCA. ...................................................................................... 55
3.2.1 Các thuật toán dùng trong cấp phát kênh tĩnh. .............................................. 58
3.2.2 Cấp phát kênh tĩnh mức cao .......................................................................... 65
3.3 Cấp phát kênh động DCA. ................................................................................... 66
3.3.1 DCA dựa trên mức ngưỡng. .......................................................................... 67
3.3.2 DCA trên cơ sở quyền ưu tiên. ...................................................................... 70
3.3.3 Cấp kênh động cho mạng tổ ong phụ thuộc tải ............................................. 74

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


2

Mục lục
===================================================================

3.3.4 DCA trên cơ sở ma trận cấp kênh. ................................................................. 79
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SO SÁNH DCA VÀ FCA CHO MẠNG OFDM/TDD
CELLULLAR. ............................................................................................................... 81

4.1 Mô tả hệ thống cellular. ........................................................................................ 81
4.2 Mơ tả thuật tốn. ................................................................................................... 83
4.3 Các kết quả mô phỏng. ......................................................................................... 90
4.4 Kết luận ................................................................................................................ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 94

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


3

Danh mục hình vẽ
===================================================================

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền ................................. 10
Hình 1-2 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang ............................... 10
Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang ................... 11
Hình 1-4 Phổ tần số giữa các kênh con trong điều chế đa sóng mang........................... 12
Hình 1-5 Các sóng mang trực giao ............................................................................... 13
Hình 1-6 Biểu diễn các sóng mang com ........................................................................ 13
Hình 1-7 Phổ mật độ cơng suất ...................................................................................... 15
Hình 1-8 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao ................................................. 16
Hình 1-9 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM) ................................................... 17
Hình 1-10 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống OFDM......................................................... 19
Hình 1-11 Đáp ứng tần số kênh đa đường .................................................................... 20
Hình 1-12 Tín hiệu phản xạ trong khoảng bảo vệ.......................................................... 21
Hình 1-13 Phân chia kênh trong OFDM ........................................................................ 23
Hình 1-14 Sắp xếp các sóng mang phụ .......................................................................... 23
Hình 1-15 Chèn khoảng bảo vệ ...................................................................................... 24

Hình 1-16 Các sóng mang đồng bộ ................................................................................ 25
Hình 1-17 Sơ đồ hệ thống OFDM điển hình.................................................................. 29
Hình 1-18 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB ............................................................. 32
Hình 1-19 Sơ đồ khối máy thu DAB ............................................................................. 33
Hình 1-20 Khối OFDM trong hệ thống DVB-T ............................................................ 35
Hình 2-1 Microcell và Marcocell trong hệ thống mạng tổ ong phân 2 lớp ................... 41
Hình 2-2 Ma trận cấp phát kênh ..................................................................................... 43
Hình 2-3 Cấp kênh trong mạng có phân bố lưu lượng đồng đều ................................... 46
Hình 3-1 Các phương pháp cấp kênh ............................................................................. 53
Hình 3-2 Sơ đồ biểu diễn nơron thứ i. ........................................................................... 58

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


4

Danh mục hình vẽ
===================================================================

Hình 3-3 Mạng HNN (điểm chấm đen biểu diễn một điểm kết nối) ............................. 59
Hình 3-4: Quá trình trong thuật tốn Genetic. ............................................................... 60
Hình 3-5 Q trình Sàng lọc .......................................................................................... 61
Hình 3-6 Biểu diễn chuỗi s của 1 cá thể. ....................................................................... 62
Hình 3-7 Lựa chọn Roulette Wheel – kích thước section tỷ lệ với hàm phù hợp ( s2) .. 62
Hình 3-8 Sắp xếp các khe thời gian-TS trong SRA (các chỉ số xác định chỉ số TS) .... 64
Hình 3-9 Thơng lượng trung bình cho mỗi cell ............................................................. 76
Hình 3-10 Thơng lượng trung bình khi dùng DCA như % lưu lượng đầu vào ............. 77
Hình 3-11 Mật độ xác suất sử dụng kênh trong cell, DCA. .......................................... 78
Hình 4-1 Q trình điều chế OFDM theo mơ ................................................................ 82
Hình 4-2 Nhiễu đồng kênh trong mạng OFDM/TDD, hệ số sử dụng lại f là 100% ..... 84

Hình 4-3 Khái niệm DCA phân bổ cho mạng OFDM/TDD hệ số sử dụng lại f 100% 84
Hình 4-4 Cấu trúc khung MAC của BS hoặc MS chế độ phát ...................................... 86
Hình 4-5 Cấu trúc khung MAC của BS hoặc MS chế độ thu ........................................ 86
Hình 4-6 Sơ đồ khối của thuật tốn DCA kiến nghị cho các mạng OFDM/TDD ......... 88
Hình 4-7 Thông lượng của hệ thống theo lượng tải trung bình ..................................... 91
Hình 4-8: Thơng lượng của hệ thống theo lượng tải trung bình .................................... 92

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


5

Danh mục bảng
===================================================================

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1 Vị trí các sóng mang pilot .............................................................................. 26
Bảng 1-2 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB ...................................................... 34
Bảng 1-3 Một số tham số kỹ thuật truyền dẫn DVB-T .................................................. 35
Bảng 1-4 So sánh một số tham số kỹ thuật giữa chuẩn 802 và HiperLAN ................... 37
Bảng 1-5 Một số tham số vật lý của HiperLAN 2 và 802.11a....................................... 37

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


6

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Kỹ thuật điều chế OFDM.
1.1.1 Mở đầu.
Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường
được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Để phục vụ cho “sau
3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng
của IMT-2000. Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối
với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng
chuyển động chậm. Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô
tuyến và các hệ thống thông tin.
Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu
với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ
thuật truy nhập vơ tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên.
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 khơng dây, Bluetooth…. Đồng thời hỗ trợ các
dịch vụ thông minh và mang tính chất tác 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
thơng tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới. Trong số các
phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như:
hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số 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.
Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật điều chế đa sóng mang là chia luồng bít cần
truyền thành nhiều luồng bít nhỏ để truyền trên nhiều kênh truyền con khác nhau.
Tốc độ dữ liệu trên các kênh con nhỏ hơn nhiều tốc độ dữ liệu tổng, điều này giúp

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


7

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

tránh nhiễu xuyên giữa các ký tự (ISI). Băng thông của các kênh con nhỏ nên đáp
ứng của kênh truyền có thể coi như khơng phụ thuộc tần số và làm giảm độ phức
tạp phần khôi phục và cân bằng kênh truyền.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Mutilplexing), một phương hướng
mở rộng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang với các kênh truyền con có khả năng
chồng lấn phổ lên nhau bằng cách lựa chọn các sóng mang cho các kênh truyền con
trực giao với nhau. Bên cạnh những ưu điểm được kế thừa từ điều chế đa sóng
mang, OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tần lớn hơn nhiều.

1.1.2 Đa sóng mang.
Dạng đơn giản nhất của điều chế đa sóng mang là 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. Điều kiện đó ngăn
chặn nhiễu giao thoa giữa các ký tự trong mỗi kênh truyền con.
Trên hình 1.1 minh họa hiệu quả của chống nhiễu ISI trong hệ thống điều chế
đa sóng mang. Với cùng tốc độ cần truyền, khi số lượng sóng mang tăng làm giảm
tốc độ dữ liệu trên mỗi kênh truyền và tăng độ dài của mỗi ký tự. Với hệ thống đơn
sóng mang, đáp ứng của các bit bị chồng lấn lên nhau, nhiễu ISI lớn.
Với một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thơng B.
Giả sử kênh truyền là kênh Fading lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh truyền
(Bc) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (Bcthống điều chế con, mỗi kênh truyền con có băng thông BN = B/N << Bc, cho phép
ngăn chặn nhiễu fading trên mỗi kênh con. Tương ứng trên miền thời gian TN ≈
1/BN >> 1/BC ≈ Tm với Tm là thời gian trễ của kênh truyền. Do vậy nếu N càng lớn

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


8

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

thì độ dài ký tự càng lớn hơn nhiều thời gian trễ kênh truyền nên ngăn chặn được
nhiễu ISI trong kênh truyền.

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


9

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================
δ(t)
t

t

t
Một sóng mang

t

Hai sóng mang

Sóng mang thứ nhất

Sóng mang thứ hai
t

t

Bốn sóng mang
Sóng mang thứ nhất

Sóng mang thứ hai

t

t

Sóng mang thứ ba

Sóng mang thứ tư
t

t

h
Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


10

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Hình 1-1 Nhiễu giao thoa giữa các ký tự (ISI) trong kênh truyền
Tín hiệu điều chế đa sóng mang được tạo ra bởi hệ thống (hình 1.2), dữ liệu
gồm N đường khác nhau nếu sử dụng xung cos nâng có hệ số β để sửa dạng tín hiệu
thì chiều dài ký tự TN = (1+β)/BN với β là hệ số của xung. Tín hiệu điều chế kết hợp
của tất cả các kênh con được cộng lại để tạo dạng tín hiệu phát s(t)
si (t ) =

N −1

∑ s g (t )cos(2πf t + φ )
i =1

i

i

i

(1.1)

trong đó si là ký tự cần truyền trên sóng mang thứ i, φi là sai pha của sóng mang thứ
i, sóng mang thứ i có tần số fi = f0 + i.BN với i = 0, 1, 2,…, N-1.

Hình 1-2 Sơ đồ khối chức năng phía phát hệ thống đa sóng mang

Khối mapper là khối chuyển đổi tương ứng một chuỗi bít thành ký tự phức,
khối này có thể thực hiện nhiều kiểu chuyển đổi như QAM, QPSK, …

Bộ thu cho kiểu điều chế đa sóng mang này có các chức năng thể hiện như
hình 1.3. Tín hiệu thu được gồm tín hiệu phát và nhiễu tạp trong kênh truyền được

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


11

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

cho qua các bộ lọc để tách ra tín hiệu tương ứng trong từng kênh con khác nhau.
Sau đó giải điều chế từng kênh con với các sóng mang tương ứng và ánh xạ ngược
các ký tự thu được để thu được chuỗi bit của từng kênh truyền. Bộ chuyển đổi nối
tiếp song song liên kết các chuỗi bít của các kênh con tạo lại dạng dữ liệu ban đầu.

Hình 1-3 Sơ đồ khối chức năng phía thu hệ thống điều chế đa sóng mang

Xung sửa dạng bị giới hạn nên băng thông cần thiết cho mỗi kênh con cần
mở rộng thêm một lượng là ε TN . Vì thế băng thơng cần thiết cho mỗi kênh con là

(1 + β + ε )

TN và băng thông tổng cần thiết cho cả hệ thống N sóng mang là:

B=N

(1 + β + ε )
TN

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003

(1.2)


12

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Hình 1-4 Phổ tần số giữa các kênh con trong điều chế đa sóng mang

Hệ thống điều chế đa sóng mang minh họa như trên có cách xử lý tín hiệu
điều chế đa sóng mang một cách đơn giản và đầy đủ. Điều chế đa sóng mang được
ứng dụng trong các hệ thống thơng tin băng rộng, tại đó băng tần dành cho hệ thống
lớn (cỡ chục MHz) nên khi đó hàm truyền đạt của tồn bộ kênh truyền phụ thuộc
vào tần số, việc khơi phục hàm truyền đạt sẽ rất phức tạp. Khi ứng dụng điều chế đa
sóng mang thì các kênh truyền con có băng thơng nhỏ hơn nên có thể coi như hàm
truyền đạt của từng kênh con không phụ thuộc vào tần số. Trong khoảng thời gian
giữa hai lần đánh giá kênh truyền có thể coi như hàm truyền đạt khơng đổi, hàm
truyền đạt vừa không phụ thuộc tần số vừa bất biến theo thời gian, rất dễ dàng khơi
phục tín hiệu.

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


13

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

1.1.3 Sóng mang trực giao

Trùc giao

Hình 1-5 Các sóng mang trực giao

Hình 1-6 Biểu diễn các sóng mang com
Hình (1a)(2a)(3a)(4a) biểu diễn các subcarrier tương ứng với 1,2,3,4 chu kỳ ký tự, pha của
các subcarrier u là 0 (mỗi subcarrier là bội số nguyên chu kỳ ký tự).
Hình (1b) (2b) (3b) (4b) biểu diễn FFT của dạng sóng thời gian tương ứng với hình
(1a)(2a)(3a)(4a). Hình (4a) và (4b) là kết quả tổng hợp của 4 subcarrier.

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


14

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Các hàm được coi là trực giao với nhau nếu thoả mãn điều kiện sau:
C
(
t
)
dt
)
s
(

t
s
=

j
i
∫0
0
T

nÕu i = j
nÕu i ≠ j

(1.3)

Các hàm sin thoả mãn phương trình sau là trực giao
sin( 2πkf o t)
s k (t ) = 
0


víi 0 < t < T k = 1,2,3..., M
với t còn lại

(1.4)

cỏc hm ny biu din các subcarrier cho tín hiệu OFDM chưa điều chế. Trong đó f0
là khoảng cách giữa các subcarrier, M là số subcarrier, T là chu kỳ ký tự. Do thành
phần có tần số cao nhất là Mf0 nên băng tần cũng là f0.

1.1.4 Cơ sở phương pháp OFDM
Thực chất phương pháp OFDM là chia dòng dữ liệu đầu vào thành nhiều
dòng dữ liệu song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều lần. Sau đó truyền chúng trên
trên những sóng mang phụ như là những kênh con. Các sóng mang phụ được ghép
tần số trực giao nhau để tránh gây can nhiễu với nhau. Việc ghép như vậy làm tăng
hiệu quả sử dụng băng tần rõ rệt.
Một sóng mang phụ về mặt toán học ψi(t) được biểu diễn dưới dạng hàm Exp
như sau:
trong đó

ψi(t) = Ae j(2πft)
1
f=
T

(1.5)
(1.6)

Độ rộng phổ của hàm ψi(t) được tính theo biểu thức:
sin 2 πft
Ψi (t ) = A
2 π ft

(1.7)

Mật độ phổ cơng suất của sóng mang ψi(t) như hình 1.7. Trong đó phổ có
một đỉnh tại tần số trung tâm và các điểm 0 tại các tần số biên tương ứng với các
bội số tốc độ của dãy symbol đưa vào điều chế.

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003

15

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Hai sóng mang nằm kề nhau trên trục tần số có phổ trực giao nhau khi chúng
thoả mãn điều kiện:
b

O (khi : n ≠ m)

∫ ψ n (t ).ψ*m (t )dt =

(1.8)

K (khi : n = m)

a
Trong đó ψ*m(t) là giá trị liên hợp phức của ψm(t); K là hằng số; n và m là số

nguyên dương thuộc N.
Xét 2 hàm số có tần số liên tiếp trực giao:

ψ n ( t ) = e j ( nϖ 0 t )

(1.9)

ψ m (t ) = e j( mϖ0t )

(1.10)
(1.11)

trong đó: ϖ 0 = 2πf0 ;
1
2π
⇒ T0 =
ϖ0
T0
a < b và b = a + T0
f0 =

b

∫ ψ n (t )ψ

*
m

(t ) dt =

a

(1.12)
(1.13)
a + T0

∫e
a

j ( nϖ 0 t )

.e − j( mϖ 0 t )dt

(1.14)

Ψi (t )

-1/T

1/T

-3/T

f
-2/T

2/T

Hình 1-7 Phổ mật độ cơng suất

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


16

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Do n ≠ m

(n,m ∈ N) nên

ej(n-m)2π = Cos[2π(n- m) ] + j sin[2π(n- m)] = 1
Vậy tích phân của 2 hàm Exp có tần số liên tiếp là ωn+1 = ωn+ 2π.1/T0 xác
định trong khoảng (a, a+T0) có giá trị bằng 0 là trực giao nhau.
Hình 1.8 biểu diễn mật độ phổ của 2 sóng mang có tần số liên tiếp trực giao
nhau. Ý nghĩa vật lý của nó là khi giải điều chế một sóng mang này bộ giải điều chế
sẽ "Khơng thấy" sóng mang kia. Nghĩa là các sóng mang khơng gây nhiễu lẫn
nhau. Về mặt phổ tín hiệu, điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang sẽ
trùng với điểm phổ có năng lượng bằng khơng của sóng mang lân cận. Do các sóng
mang đặt rất gần nhau nên hiệu quả sử dụng phổ rất cao.

f

Hình 1-8 Phổ biên độ 2 sóng mang có tần số trực giao

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


17

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

n

f

Hình 1-9 Phổ ghép kênh đa tần số trực giao (OFDM)

Như vậy, tính trực giao giữa các sóng mang phụ có thể được lý giải như sau.
Mỗi sóng mang phụ được điều chế bởi dịng dữ liệu con sẽ cho phổ như hình 1.7.
Khi khoảng cách giữa các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho thỏa mãn tính trực
giao nhau, nghĩa là đỉnh phổ của một sóng mang phụ trùng với các điểm khơng của
phổ các sóng mang phụ cịn lại. Việc giải điều chế của từng sóng mang phụ vì thế
sẽ khơng bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang phụ khác. Điều này giống như việc giải
điều chế kết hợp khơng có ISI (Inter Symbol Interference) thực hiện trong miền thời
gian đối với tín hiệu số truyền qua kênh có đặc tính lọc thoả mãn tiêu chuẩn Nyquist
thứ nhất, ở đây chỉ khác là tính trực giao được xét trong miền tần số.
Khi số lượng các sóng mang phụ lớn (hàng ngàn sóng mang), việc chế tạo
dãy các bộ dao động hình sin và các bộ giải điều chế kết hợp trong hệ thống OFDM
trở nên không thể thực hiện được. Tuy nhiên, có thể thấy rằng tín hiệu đa tần như
trên chính là biến đổi Fourier của chuỗi số liệu nối tiếp đầu vào, còn tập các bộ giải
điều chế kết hợp tại máy thu lại chính là bộ biến đổi ngược Fourier.
Xét dãy dữ liệu (d0, d1, d2… dN-1), trong đó mỗi thành phần dn là một số
phức dn = an + jbn. Thực hiện biến đổi Fourier rời rạc DFT (Discrete Fourier

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


18

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

Transform) trên véc-tơ { dn}, n = 0, 1, 2,…, N-1 sẽ cho kết quả một véc-tơ

S=

(S0, S1,… SN-1) gồm N số phức Sm
N −1

N −1

n =0

n =0

S m = ∑ d n e − j ( 2πnm / N ) = ∑ d n e − j 2πf n t m ; m = 0,1,.., N − 1
∆

trong đó fn =

(1.15)

∆
n
, t m = m∆t và ∆t là khoảng thời gian lựa chọn nào đó.
N∆t

Phần thực của véc-tơ S là

y( t ) =

N −1

∑ (a n cos 2πfn t m + b n sin 2πfn t m ),

m = 0,1, ..., N − 1.

(1.16)

n=0

Khi cho các thành phần này qua bộ lọc thông thấp theo các khoảng cách ∆t,
tín hiệu nhận được sẽ có dạng ghép theo tần số.

y( t ) =

N −1

∑ (a n cos 2πfn t

n=0

+ b n sin 2 πfn t ),

0 ≤ t ≤ N∆t.

(1.17)

Như vậy, tín hiệu đa tần có thể biểu diễn được như là tín hiệu sau lọc thông
thấp của biến đổi Fourier rời rạc đối với chuỗi dữ liệu nối tiếp đầu vào. Trong
phương pháp OFDM dòng dữ liệu đầu vào được biển đổi thành N dòng thứ cấp
song song. Điều này được thực hiện bằng cách thay biến đổi Fourier rời rạc thực
hiện trên chuỗi nối tiếp bằng biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT (Inverse DFT)
thực hiện trên các véc-tơ hình thành từ N digit của N dịng dữ liệu thứ cấp song
song.

Hình 1.10 là sơ đồ nguyên lý đơn giản của hệ thống truyền dẫn tín hiệu số sử
dụng OFDM. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Dòng dữ liệu đầu vào
được mã hóa Gray thành dịng symbol, trong đó mỗi symbol Ck tương ứng với một
số phức ak+jbk (một điểm trên chịm sao tín hiệu). Dịng symbol nối tiếp được biến
đổi thành N dịng thứ cấp song song. Đó chính là dữ liệu đầu vào (Data in). N dòng
dữ liệu song song tiếp tục đưa vào khối biến đổi ngược Fourier rời rạc (IDFT), kết
quả biến đổi ngược Fourier được chuyển đổi thành dạng nối tiếp, được xử lý bởi bộ

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003


19

Tổng quan về kỹ thuật OFDM
===================================================================

lọc thông thấp và tiếp tục đến bộ điều chế vng góc (I-Q) để chuyển phổ lênh vùng
tần số cao RF.
Tại máy thu, tín hiệu được giải điều chế vng góc, lấy mẫu theo tốc độ
symbol 1/T0 và đưa đến bộ biến đổi Fourier rời rạc để khơi phục tín hiệu ban đầu.
Chuỗi symbol song song đầu ra này được biến đổi song song- nối tiếp và giải mã để
nhận được dòng dữ liệu ban đầu.
Data in

IDFT

≈

Modulator

Channel

Demod

DFT

Data out

Hình 1-10 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống OFDM

1.1.5 Đặc điểm của OFDM
Khả năng thích ứng với hiệu ứng truyền đa đường là một trong các đặc tính
ưu việt của phương pháp OFDM. Đặc tính của kênh truyền sóng đa đường có dạng
như trên hình 1.11, trong đó có tồn tại khe pha đinh chọn lọc tần số xuất hiện như
một biến ngẫu nhiên. Trên thực tế khe pha đinh có thể làm gián đoạn một số sóng
mang và gây một số symbol lỗi. Nhưng do việc chèn xen kẽ và sử dụng mã sửa sai,
các symbol lỗi có thể sửa được dễ dàng.
Trong miền thời gian, tín hiệu do phản xạ từ các chướng ngại vật sẽ đến máy
thu trễ trong vịng hàng chục µs. Do đó, nếu chu kỳ tín hiệu số trên sóng mang dài
hơn khoảng thời gian trễ nói trên thì tiếng vọng từ các symbol trước sẽ tắt trong một
phần nhỏ của symbol đang xét. Điều này hồn tồn có thể thực hiện được vì hệ
thống OFDM thực hiện việc chuyển từ truyền nối tiếp sang truyền song song nên
cho phép kéo dài symbol ứng với mỗi sóng mang phụ lên N lần.

Nguyễn Thu Hà – Cao học ĐTVT 2003