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

- Số sóng mang preamble sử dụng để chỉ ra 3 segment được sử dụng. Các Sóng mang 0,3,6... chỉ ra rằng segment 0 là được sử dụng, các sóng mang 1,4,7... chỉ ra segment 1 được dùng, và các sóng mang 2,5,8,.. chỉ ra segment 3 được dùng.

FCH

Frame control header (FCH) được điều chế (QPSK, …) và có độ dài 2 symbol OFDMA. Vị trí vật lý của trường FCH là cố định, để khi trong preamble không có thông tin thì nó sẽ mô tả địa chỉ.

Nội dung của FCH mô tả Subchannel sử dụng, độ dài của DL-MAP và các tham số truyền dẫn khác sẽ được cho bên dưới.

DL-MAP /UL-MAP

DL-MAP (downlink map) mô tả vị trí của các burst chứa trong Downlink Zones. Nó gồm số các downlink burst, độ dài của chúng theo cả hướng thời gian (=symbol) và tần số (= subchannel).

UL-MAP (uplink map) được truyền như burst đầu tiên trong đường xuống(downlink) và gồm các thông tin về vị trí của UL burst cho các người sử dụng khác nhau.

Trong OFDM-TDMA và OFDMA, số lượng sóng mang con thường được giữ bằng nhau với phổ có sẵn. Số sóng mang con không thay đổi dẫn đến không gian sóng mang con thay đổi trong các hệ thống khác nhau. Điều này làm cho việc chuyển giao giữa các hệ thống gặp khó khăn. Ngoài ra, mỗi hệ thống cần một thiết kế riêng và chi phí cao. OFDMA theo tỉ lệ (SOFDMA) giải quyết các vấn đề này bằng cách giữ cho không gian sóng mang con không thay đổi. Nói cách khác, số sóng mang con có thể tăng hoặc giảm với những thay đổi trong một băng tần cho trước. Ví dụ, nếu một băng tần 5MHz được chia thành 512 sóng mang con, một băng tần 10MHz sẽ được chia thành 1024 sóng mang con.

4.2.4 Phương pháp ghép (Duplexing)

Có hai phương pháp song công: song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing), song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing). Trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần số khác nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở những thời gian khác nhau.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 77 trang tài liệu này.

- Khung TDD gồm hai phần: downlink subframe và uplink subframe

- FDD cần có 2 kênh, một đường lên (uplink), một đường xuống (downlink). Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian.

Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD

4.3. PHÂN TÍCH KHUNG DOWNLINK VÀ PHƯƠNG THỨC ĐỒNG BỘ OFDMA

OFDMA rất nhạy với sự dịch về tần số và thời gian giống như OFDM vậy. Chúng ta sẽ phân tích sự đồng bộ ở khung Downlink sử dụng kí hiệu Preamble. Phân tích rõ ràng về giá trị trung bình và phương sai của biểu thức Metric định thời.

Đặt giá trị những mẫu Preamble và dữ liệu trong miền thời gian tương ứng là

xp(n) và xd(n). Khi đó, tín hiệu truyền x(n) được viết lại:

x(n) xp (n); 0 n N L 1

(4.1)

xd (n);

n N L

(4.2)

Tín hiệu OFDMA được truyền qua kênh lựa chọn tần số. Gọi h(n) là đáp ứng xung của kênh có chiều dài L1.

Tín hiệu sau khi truyền qua kênh:



L11

y(n) h(m)x(n m)

m0

(2.3)

Giả sử có 1 sự dịch tần số giữa các bộ giao động bên phát và bên thu. Khoảng dịch tần số sóng mang là ε và sẽ gây ra sự quay pha 2πεn/N. Thừa nhận là lấy mẫu hoàn hảo không có lỗi về tần số lấy mẫu. Khi đó, kí hiệu OFDM thu được sẽ là:

j2 n

r(n) e N

Trong đó: θ0 : góc pha ban đầu.

0 y(n) (n)

(4.4)



ϑ(n) : là giá trị trung bình của nhiễu trắng với phương sai 2

Không mất tính tổng quát, ta đặt d là khoảng vị trị bắt đầu ở tiền tố lặp CP, giá trị metric về mặt thời gian là:

M (d )  | P(d ) |

R(d )

(4.5)

Với, P(d) là giá trị tổng của biểu thức nhân tương quan giữa các mẫu CP với các mẫu ở cuối kí hiệu:



N 1

P(d ) r(n d )r(N n d )

n0

(4.6)

N : số mẫu trong kí hiệu thu.

R(d) ước lượng năng lượng của N mẫu đang xét ở phía thu:

Đặt

r1(n) r(n)r(N n)

Trong đó,

N 1



R(d )  | r(n d ) |2

n0

s1(n) 1(n)

s1(n) s(n)s(N n)

(4.7)

(4.8)

1(n) s(n)(N n) (n)s(N n) (n)(N n)

Phương thức đồng bộ khung vẫn là tính toán giá trị metric định thời, sử dụng một bộ đệm chứa giá trị tính toán được. Ta sẽ tìm được điểm đầu khung và thực hiện đồng bộ nếu giá trị ở vị trí trung tâm của bộ đệm là lớn nhất và thỏa mãn lớn hơn một giá trị ngưỡng nhất định. Sau đây thì ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc giá trị trung bình (kỳ vọng) và phương sai (độ phân tán) của giá trị metric định thời trong OFDMA vào SNR.

Xem xét giá trị trung bình và phương sai của M(d)

Phương sai là đại lượng nhằm đo lường độ phân tán.

Để tìm giá trị trung bình và phương sai của M(d) ta sẽ đi tìm giá trị trung bình và phương sai của |P(d)| và R(d).

Từ biểu thức (4.6):

N 1 N 1

P(d ) s1(n d ) 1(n d )

(4.9)

Giá trị độ lớn của P(d) sẽ là:

n0

N 1

N 1

2 

N 1

22

| P(d ) |s1(n d ) inphase1(n d )

quadphase1(n d )

(4.10)

n0

n0



n0



Trong đó,

inphase(T )

và quadphase(T )

đại diện cho giá trị pha của thành phần

T theo thành phần ψ là góc của

N1 s (n d ) . Thành phần



quadphase

(T )

là rất nhỏ

n0

so với thành phần inphase(T )

nên có thể bỏ qua. Và:

| P(d ) |N 1 s (n d ) inphase

N 1 



(n d )

(4.11)

1

n0

1 

n0 

Giá trị trung bình Mean của |P(d)|

L11 L11

l m 

|P| (d ) E h(l)h(m)PId 

2 

(4.12)

l0 m0



Trong đó, PI(d) là P(d) đối với kênh lý tưởng không có nhiễu và không có sự lệch tần số.



N 1

PI (d ) x(n d )x(N n d )

n0

N 1

P d l mx(n d l)x(N n d m)

(4.13)

I 2

n0

Vậy, giá trị trung bình của metric định thời phụ thuộc vào đáp ứng xung của kênh. Nếu đáp ứng xung của kênh đầu tiên là trội nhất, h(0) là lớn nhất thì:

Trong đó, p

|P| (L) ph2(0)

là năng lượng của kí hiệu Preamble:

(4.14)



N 1

p  | xp

n0

(n L) |2

Giá trị trung bình của |P(d)| sẽ cho ta giá trị chính xác của điểm đầu khung ở vị trí d=L.

- Phương sai của |P(d)|

Phương sai của kênh lựa chọn tần số có thể viết gọn lại:

N 1 2 

|P|

2 (d ) E y(n d ) y(N n d ) 

n0 



N 1 N 1

2 E y(n d ) 2 2 E y(N n d ) 2

(4.15)



n0

N 1

n0 

2



N4 E

y(n d ) y(N n d ) 

n0 

Cuối cùng ta sẽ thu được biểu thức:

2 (L) N 24 

4 (0) 

2 (0)N2

2 (0) 

(4.16)

2 4 2

|P|

x 

|h| |h|



x |h| 

- Giá trị trung bình của R(d)



- Phương sai của R(d)

R (d ) p



N2

(4.17)

2 (d )  22 (4.18)

R p 

Thực tế, giá trị SNR sẽ quyết định giá trị p / N.



Cuối cùng ta sẽ thu được, tại điểm đầu khung, giá trị trung bình của Metric định thời sẽ là:

 1

(L) 



|h|2

(0)

(4.19)

Phương sai của giá trị Metric đối với các kênh lựa chọn tần số:

2 1 p M R p 

M (d )  22 N4 2 (d ) 2 (d )  22 

(d ) 

(4.20)

M 2 (d )  22

Trong đó,

R p 

L11 L11

l m 2 

(d ) E h(l) 2 h(m) 2 P d 

1 I 2 

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

l0 m0



Trong chương này đã giới thiệu cho ta thấy được đăc tính của OFDMA và những ưu điểm vượt trội của nó so với OFDM. OFDMA có thể tạo kênh phụ sẽ xác định các kênh để có thể gán cho các thuê bao khác nhau tùy thuộc vào các trạng thái kênh và các yêu cầu dữ liệu của chúng. Điều này tạo điều kiện cho các nhà khai thác linh hoạt hơn trong việc quản lý băng thông và công suất phát, từ đó dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Trong OFDM, các thiết bị người dùng được gán các khe thời gian để phát, nhưng chỉ một thiết bị người dùng có thể phát trong một khe thời gian duy nhất. Trong OFDMA, việc tạo kênh con cho phép một số thiết bị được phát trong cùng một thờ gian qua các kênh con được gán cho chúng.

KẾT LUẬN CHUNG

Xu thế tất yếu của các hệ thống truyền thông tin vô tuyến tương lai hứa hẹn sẽ sử dụng kỹ thuật OFDM bởi những ưu điểm nổi bật của nó. Ngoài hai đặc điểm nổi bật là khả năng chống nhiễu ISI, ICI và nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, việc sử dụng OFDM còn có các ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh hẹp. Hệ thống OFDM chống được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và thực hiện điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi FFT. Các hệ thống có thể ứng dụng kỹ thuật OFDM như: hệ thống phát thanh số DAB, hệ thống HyperLan/2 (IEEE802.11a), hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e), truyền hình số mặt đất DVB-T và thế hệ di động thứ tư 4G.

Trong đồ án, em đã nghiên cứu rõ ràng về công nghệ OFDM, mô hình hệ thống truyền dẫn dữ liệu sử dụng kỹ thuật OFDM, cách tạo và thu tín hiệu. Ta đã phân tích rõ ảnh hưởng của các loại nhiễu điển hình ISI, ICI đến hiệu suất hệ thống và hiệu quả của kỹ thuật OFDM trong việc khắc phục các loại nhiễu đó. Đồ án cũng nghiên cứu về các kỹ thuật đồng bộ trong OFDM như đồng bộ thời gian, đồng bộ tần số … Đồng thời em cũng trình bày về kỹ thuật OFDMA và cũng nghiên cứu về đồng bộ của nó. Tuy nhiên, hệ thống thực hiện chưa có sự tham gia, kết hợp với phần cứng nên chưa thể kiểm nghiệm rõ các phương pháp đồng bộ tinh được như nghiên cứu. Đi sâu vào vấn đề đồng bộ thì còn nhiều vấn đề khó khăn nhưng qua đây ta phần nào đã hiểu những vấn đề chính trong khâu đồng bộ và cách giải quyết chúng. Mong rằng, trong thời gian tới em có thể phát triển và hoàn thiện những nội dung đồ án chưa làm được và nghiên cứu, khắc phục được những nhược điểm của kỹ thuật này. Từ đó áp dụng đưa vào sử dụng thực tế.

Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức có hạn nên trong đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót, mong rằng qua việc thực hiện đồ án này em sẽ có được những kinh nghiệm hữu ích cho mình sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy, cô đã giúp em hoàn thành đồ án này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Đức, “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 2: Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nxb KHKT Hà Nội, 2006.

[2] Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Quốc Khương, … “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 4: Thông tin vô tuyến”, Nxb KHKT Hà Nội, 2006.

[3] Haiyun Tang, Kam Y. Lau, and Robert W. Brodersen, “Synchronization Schemes for Packet OFDM System”, Berkeley Wireless Research Center,2003.

[4] Trần Đình Việt Hà, Nguyễn Hoàng Hải, Lâm Văn Đà, “Quá trình truyền sóng VHF/UHF/VIBA và phương pháp xác định tổn hao truyền sóng”.

[5] www.doc.edu.vn

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

..................................................................................................................

Xem toàn bộ nội dung bài viết ᛨ