Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu.

Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ.

Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt Hàn cùng với sự định hướng, giúp đỡ của cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang, em đã chọn đề tài: “Tìm hiểu kỹ thuật đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA”.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Cao Đẳng CNTT Hữu Nghị Việt Hàn đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị Huyền Trang đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong quá trình thực hiện đồ án này.

Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa.

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1.GIỚI THIỆU VỀ MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

(Mô hình kênh)

Nguồn tin

Mã hóa nguồn

(source coding)

Mã hóa kênh

(channel coding)

Điều chế

(modulation)

Kênh vô tuyến

(channel)

Tín hiệu đích

(Destination)

Giải mã nguồn

(source decoding)

Giải mã kênh

(Channel Decoding)

Giải điều chế

(Demodulation)

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin

Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền đi được xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau.

Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến.

Kênh truyền

Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau.

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông

Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi.

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn.

Sóng mang

Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tuy nhiên, nhờ sóng mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin.

Quản lý tài nguyên vô tuyến

Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp. Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất. Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu.

1.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Các hệ thống thông tin vô tuyến có thể phân loại theo sự cung cấp dịch vụ: hệ thống phát thanh và truyền hình. Dịch vụ của 2 hệ thống là thoại và hình ảnh.

Có thể phân loại hệ thống thông tin vô tuyến theo phương thức truyền dẫn như hệ thống truyền song công (di động) hay bán song công (bộ đàm).

Có thể phân loại theo môi trường truyền dẫn như thông tin viba (yêu cầu truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng) và thông tin mạng máy tính không dây (phản xạ đa đường và ở khoảng cách ngắn).

1.3. SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chúng ta sẽ tìm hiểu những vấn đề chính của truyền sóng vô tuyến và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống truyền dẫn thông tin số. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ … và do đó gây ra hiện tượng đa đường. Những ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến như suy hao đường truyền, fading phẳng, fading chọn lọc tần số, hiệu ứng Doppler, trải trễ đa đường, … đều làm giới hạn hiệu quả của truyền thông vô tuyến.

1.3.1. Suy hao truyền dẫn

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R

P P G G

(1.1)

R T T R 4R

_ PR : Công suất tín hiệu thu được (W)

_ PT : Công suất phát (W)

_ GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

_ GT : Độ lợi anten phát

_ : bước sóng của sóng mang

_ R: bán kính truyền sóng vô tuyến

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

Lpt (db) PT (db) PR (db) 10 lg(GT ) 10 lg(GR )  20 lg( f )  20 lg(R)  47, 6(db)

(1.2)

Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:

Lpt (db) 10 lg(GT ) 10 lg(GR )  20 lg(hBS )  20 lg(hMS )  40 lg(R)

(1.3)

Với _ hBS , _ hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station).

1.3.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading)

Đường truyền vô tuyến từ phía phát đến phía thu luôn có chướng ngại vật nên sẽ gây ra hiệu ứng fading. Khi đó, tín hiệu sẽ đến nơi thu từ nhiều đường khác nhau và có độ trải trễ khác nhau và độ lợi cũng khác nhau, mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc.

Có 3 trường hợp có thể xảy ra trên đường truyền vô tuyến: hiện tượng phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ.

Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.

Tán xạ: khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.

Nhiễu xạ: khi sóng chạm tới các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

- Thời điểm các bản sao này tới máy thu sẽ khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các phần này khác nhau.

- Các bản sao này sẽ có công suất tới máy thu khác nhau do suy hao khác nhau, hay biên độ của các thành phần là khác nhau.

Tán xạ

LOS

Phản xạ

Nhiễu xạ

Phát

Thu

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các thành phần mà ta sẽ thu được

- Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha. Tăng cường ở đây không phải là tín hiệu mạnh và tốt hơn mà là tín hiệu bị méo dạng nhiều hơn.

- Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay suy giảm so với tín hiệu gốc khi các thành phần ngược pha

Fading nhanh và fading chậm

Ta xem xét 2 loại fading xem xét về mặt thời gian

- Fading nhanh: gây ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh thiết bị thu. Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền sẽ có thời gian truyền khác nhau. Cường độ phụ thuộc vào suy hao của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định, trễ đường truyền sẽ gây nên hiện tượng quay pha tín hiệu. Mỗi tín hiệu sẽ bị quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại ở bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hay suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu là cùng pha hay ngược pha.

- Fading chậm: gây ra do sự cản trở của các tòa nhà, địa hình tự nhiên. Sự thay đổi suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (gấp 10-100 lần bước sóng) và phụ thuộc kích thước vật cản gây nên. Sự thay đổi này xảy ra chậm nên được gọi là fading chậm.

Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng

Đây là 2 loại fading xem xét về mặt tần số. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường là khác nhau nên sự thay đổi pha cũng sẽ khác nhau.

Định nghĩa: Băng thông Coherent BC là độ rộng băng thông ∆f khi hệ số đường bao kết hợp giữa 2 tín hiệu bằng một nửa giá trị lớn nhất của nó.

(Bc ,) 

1 (2B )2.2

 0.5

(1.4)

Trong đó: δ: độ trải trễ tùy theo môi trường truyền vô tuyến. Băng thông Coherent:

Bc 

1  1

26

(1.5)

Một số giá trị phổ biến đột trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau.

Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu.