Đồ án Tìm hểu và mô phỏng hệ thống OFDM và V-OFDM (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Tìm hểu và mô phỏng hệ thống OFDM và V-OFDM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN-ÐIỆN TỬ ÐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ ÐIỆN TỬ VIỄN THƠNG TÌM HỂU VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM VÀ V-OFDM GVHD : PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN SVTH : DƯƠNG THỊ THỦY MSSV : 07117064 SKL003289 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014
2. BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Đề tài: TÌM HỂU VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM VÀ V-OFDM GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: DƯƠNG THỊ THỦY MSSV: 07117064 TP.HCM THÁNG 08/2014
3. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 1 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU 1.1. Vai trị và ứng dụng của cơng nghệ hiện nay Hiện nay, sự địi hỏi các dịch vụ đa phương tiện khơng dây như truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình di động, và máy tính tích hợp thiết bị di động, v.v .đang tăng nhanh chĩng. Điều này dẫn đến yêu cầu các kỹ thuật truyền tốc độ cao hơn và chất lượng dịch vụ ( QoS) cũng phải tăng theo trong khi băng thơng khơng được phép mở rộng. Cơng nghệ thơng tin di động 4G đã ra đời để đáp ứng nhu cầu đĩ. Cơng nghệ 4G đang dần hồn thiện với hệ thống OFDM làm nền tảng cho sự phát triển mạng di động 4G đĩ. Hiện nay cĩ nhiều nghiên cứu cải thiện chất lượng của hệ thống OFDM, một trong số các phương pháp đĩ là hệ thống V- OFDM. 1.2. Mục đích của đề tài V-OFDM là sự kết hợp MIMO+OFDM = V-OFDM đơn anten. Hệ thống V-OFDM như là cầu nối giữa OFDM và SC-FDE nên nĩ cĩ tính linh hoạt trong thiết kế, rất phù hợp với những mơi trường nhiễu cao, cĩ fading nhanh như mơi trường dưới nước . Vector OFDM ( V-OFDM ) kết hợp OFDM với xử lý khơng gian khai thác phân tập trong thời gian, tần số và khơng gian. Ngày nay, cùng với sự phát triển của nhu cầu truyền thơng trong các mơi trường cấu trúc phức tạp địi hỏi một hệ thống cĩ khả năng thực tiễn và ít phức tạp vì vậy hệ thống V-OFDM rất cần thiết để nghiên cứu trong học tập. Vì vậy người thực hiện đồ án quyết định chọn đề tài: “ Tìm hiểu và mơ phỏng hệ thống OFDM và V-OFDM ” làm đề tài nghiên cứu. 1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1.3.1. Mục tiêu Tìm hiểu cơ sở lý thuyết hệ thơng thơng tin khơng dây. Tìm hiểu hệ thống OFDM và kỹ thuật OFDM. Tìm hiểu hệ thống V-OFDM. Mơ phỏng tín hiệu OFDM thu phát trên phần mềm MATLAB R2013a. So sánh OFDM và V-OFDM. So sánh V-OFDM với các kích thước khối vector khác nhau. 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu Lý thuyết OFDM, V-OFDM. Mơ phỏng tín hiệu OFDM thu phát. Chương 1: Giới thiệu
4. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 2 So sánh OFDM và V-OFDM. So sánh V-OFDM với các kích thước khối vector khác nhau. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu Để tiến hành thực hiện đề tài này, người thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: Tham khảo tài liệu qua sách giáo trình, đồ án các khĩa trước, mạng internet, . Phương pháp quan sát, học tập theo nhĩm và tự học dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. 1.5. Bố cục của đồ án Đồ án gồm cĩ 5 chương. Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày về cơ sở lý thuyết để nghiên cứu đề tài: Sự suy yếu của đường truyền, hiệu ứng đa đường, Rayleigh fading, Fading lựa chọn tần số, trải trễ, dịch Doppler, Nhiễu AWGN, Một số giải pháp. Giới thiệu tĩm tắt về OFDM, khái quát về OFDM, ưu điểm của hệ thống OFDM, khuyết điểm của hệ thống OFDM, cơ bản về kỹ thuật OFDM, chuỗi trực giao, Biểu diễn tốn học tín hiệu OFDM, sơ đồ khối điều chế và giải điều chế OFDM, tính tốn bằng bộ FFT cơ số 2, khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix, ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM. Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống V-OFDM Hệ thống phát V-OFDM, hệ thống thu V-OFDM, đặc tính của tín hiệu vào và ra của hệ thống, các tham số chất lượng hệ thống, xác suất lỗi cặp ( PEP), độ lợi phân tập, độ lợi mã, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống VOFDM. Chương 4: Mơ phỏng và đánh giá hệ thống OFDM và V-OFDM. Mơ phỏng hệ thống VOFDM với các khối vector khác nhau, mơ phỏng tín hiệu thu phát OFDM. So sánh OFDM và V-OFDM. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Chương 1: Giới thiệu
5. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 3 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Sự suy yếu của đƣờng truyền Trong một hệ thống khơng dây, thơng tin được truyền qua khơng gian thơng qua sĩng điện từ được điều chế. Do đĩ, cĩ hai nhược điểm lớn. Đầu tiên, thơng tin vơ tuyến liên quan đến việc truyền tải đa đường mà lần lượt gây ra thay đổi về biên độ hoặc gọi là fading. Thứ hai, sự hiện diện của việc truyền khơng mong muốn tại các băng tần số giống nhau gây nên can nhiễu. Một hệ thống thơng tin vơ tuyến được thiết kế để loại bỏ cả hai tác động. Cĩ nhiều phương pháp khác nhau để chống fading và can nhiễu. Hệ thống VOFDM rất hiệu quả trong vấn đề này, là một hệ thống tổng cơng suất cao hơn. Một trong những nét đặc trưng của kênh truyền khơng dây là giữa đầu phát và thu cĩ rất nhiều đường tín hiệu khác nhau. Những đường này làm cho tín hiệu ở đầu thu sai lệch với tín hiệu phát ra ở đầu phát và được phân thành hai loại là sai lệch do đường đi và sai lệch pha. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vơ tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, và do đĩ gây ra hiện tượng đa đường. Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình, suy hao đường truyền, fading đa đường. Phản xạ Tán xạ LOS Khúc xạ Thiết bị thu Thiết bị phát Hình 2.1: Tín hiệu đa đường Chương 2: Cơ sở lý thuyết
6. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 4 Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức cơng suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. 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 sĩng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng ( nghĩa là sĩng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sĩng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đĩ sẽ được tập trung vào một vùng nào đĩ do ta thiết kế. Vì thế, mật độ cơng suất của sĩng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nĩi cách khác là cường độ sĩng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (2.1) tính cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R: P = P G G ( )2 ( 2.1) R T T R Trong đĩ, PR: Cơng suất tín hiệu thu được ( W ). PT: Cơng suất phát ( W ). GR: Độ lợi anten thu ( anten đẳng hướng ). GT: Độ lợi anten phát. :Bước sĩng của sĩng mang. R: Khoảng cách truyền. Hoặc ta cĩ thể viết lại là: = ( )2 ( )2 R2 ( 2.2 ) Gọi là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong khơng gian tự do: Lpt(dB) = PT(dB) – PR(dB) = - 10log10GT – 10log10GR + 20log10f + 20log10R – 47.6dB ( 2.3) Tổng quát, truyền dẫn trong khơng gian tự do rất đơn giản, chúng ta cĩ thể xây dựng mơ hình chính xác cho các tuyến thơng tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp ( khơng bị vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thơng tin trên mặt đất như thơng Chương 2: Cơ sở lý thuyết
7. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 5 tin di động, mạng LAN khơng dây, mơi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đĩ việc tạo ra các mơ hình cũng khĩ khăn hơn. Ví dụ, đối với những kênh truyền dẫn vơ tuyến di động UHF, khi đĩ điều kiện về khơng gian tự do khơng được thỏa, chúng ta cĩ cơng thức tính suy hao đường truyền như sau: Lpt = - 10log10GT - 10log10GR–20log10hBS – 20log10hMS – 40log10R ( 2.4 ) Với hBS, hMS R là độ cao anten trạm gốc BS ( Base Station ) và anten của trạm di động MS ( Mobile Station ). 2.2. Hiệu ứng đa đƣờng Trong hệ thống thơng tin vơ tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều thành phần giống với tín hiệu gốc và mỗi thành phần sẽ cĩ những đường đi khác nhau. Hiện tượng này được gọi là truyền dẫn đa đường. Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng của tín hiệu trong miền thời gian, tần số, Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là: trải trễ, trải phổ Doppler, . 2.3. Rayleigh fading Trong đường truyền vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát cĩ thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ, sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu ( Hình 1.1 ) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ cĩ thể là nguyên nhân gây ra nhiễu cĩ cấu trúc hay khơng cĩ cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn ( thơng thường là một nửa khoảng cách sĩng mang ), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu cĩ thể thay đổi được trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 1.2 mơ tả các mức suy giảm khác nhau cĩ thể xảy ra do fading. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
8. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 6 Hình 2.2: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển ở tần số 900MHz Phân bố Rayleigh được sử dụng để mơ tả thời gian thống kê của cơng suất tín hiệu thu. Nĩ mơ tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Mức tín hiệu (dB) Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép ( % ) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 ` Bảng 2.1: Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh 2.4. Fading lựa chọn tần số Trong bất kì đường truyền vơ tuyến nào, đáp ứng phổ khơng bằng phẳng do cĩ sĩng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ cĩ thể dẫn đến tín hiệu đa đường của cơng suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm cơng suất tín hiệu thu do nhiễu. Tồn bộ tín hiệu cĩ thể bị mất trên đường truyền băng Chương 2: Cơ sở lý thuyết
9. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 7 hẹp nếu khơng cĩ đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Cĩ thể khắc phục bằng hai cách:  Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.  Phân tồn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh cĩ một sĩng mang, mỗi sĩng mang này giao với các sĩng mang khác ( tín hiệu OFDM ). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thơng rộng, khơng cĩ phổ xảy ra tại tất cả tần số sĩng mang. Kết quả là chỉ cĩ một vài tần số sĩng mang bị mất. Thơng tin trong các sĩng mang bị mất cĩ thể khơi phục bằng cách sử dụng kĩ thuật sửa lỗi thuận FEC. 2.5. Trải trễ Tín hiệu vơ tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tịa nhà, đồi núi, tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu. Trong hệ thống số, trải trễ cĩ thể dẫn đến nhiễu liên kí tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký tự theo sau, và nĩ cĩ thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA. Hình 2.3: Trải trễ đa đường Hình 1.3 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên ký tự. Khi tốc độ bit phát đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kì bit. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
10. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 8 Mơi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m Bên ngồi 1 - 20 300m – 6Km Bảng 2.2: Đưa ra các giá trị trải trễ thơng dụng đối với các mơi trường. Trải trễ lớn nhất ở mơi trường bên ngồi xấp xỉ là 20 , do đĩ nhiễu liên kí tự cĩ thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps. Nhiễu ISI cĩ thể được tối thiểu hĩa bằng nhiều cách:  Giảm tốc độ kí tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thơng ra nhiều băng con nhỏ hơn như sử dụng OFDM ).  Sử dụng kĩ thuật mã hĩa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA. 2.6. Dịch Doppler Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu khơng giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều ( hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển xa nhau thì tần số tín hiệu thu bị giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler. Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sĩng. Độ dịch Doppler cĩ thể được tính theo cơng thức: ( 2.5 ) Trong đĩ: là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu. v là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát. là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng. Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kĩ thuật truyền sĩng lại bị nhiễu với dịch tần số sĩng mang ( như OFDM ). Chương 2: Cơ sở lý thuyết
11. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 9 2.7. Nhiễu AWGN Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng khơng thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Tại đầu thu, các tín hiệu thu được cộng lại với nhau tạo nên mơ hình nhiễu Gauss khơng cộng ( AWGN ) ở các kênh truyền khơng dây ( Hình 2.4 ). n(t) Nhiễu Gauss y(t) x(t) h() Tín hiệu phát Tín hiệu thu Mơ hình kênh Hình 2.4: Mơi trường truyền dẫn với sự cĩ mặt của nhiễu trắng. Tín hiệu thu cĩ cơng thức như sau: y(t) = x(t)*h( + n(t) (2.6) Nhiễu cĩ thể được tạo từ nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và can nhiễu giữa các tế bào, sự biến đổi thời tiết, can nhiễu giữa các kí tự ( ISI ), can nhiễu giữa các sĩng mang ( ICI ). Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số SNR, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống.Kết quả là chất lượngtruyền dẫn trong thơng tin vơ tuyến bị giảm đáng kể.Hầu hết là chất lượng truyền dẫn trong thơng tin vơ tuyến được mơ hình hĩa chính xác nhờ dùng nhiễu Gauss. Để tái tạo lại tín hiệu x(t), máy thu phải tạo ra hàm truyền ngược H-1 chính xác. Quá trình tìm được H-1 được gọi là ước lượng kênh truyền. Như đã nĩi ở trên, truyền đa đường gây ra fading. Trong một hệ thống khơng dây, đa đường là do sự phản xạ của búp chính từ các đối tượng khác nhau dọc theo đường truyền chính như thể hiện trong hình 1.5. Mỗi đường truyền cĩ delay liên quan, và các hiệu suất tổng thể của những phản xạ này là kết quả từ sự kết hợp của sĩng delay. Sự kết hợp xảy ra theo kiểu vector tại phía nhận, mỗi thành phần sĩng tạo ra pha và độ lớn khác nhau tại mỗi điểm trong khơng gian. Điều này cho phép tăng đến một mơ hình sĩng đứng tại mỗi tần số giữa anten truyền và nhận đơi khi hiển thị trên đầu trong hình 1.6. Sự thay đổi về biên độ so với khơng gian được gọi là fading. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
12. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 10 Hình 2.5 Đáp ứng tần số thay đổi theo thời gian. Hình 2.6: Tác động của đường truyền multipath: Phần trên, phân tập khơng gian ( spatial diversity ), phần dưới thay đổi theo thời gian. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
13. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 11 Fading gồm hai loại.Loại thứ nhất là fading phẳng.Trong loại này, phổ tín hiệu nhận được vẫn là một bản sao gần giống của phổ tín hiệu truyền ngoại trừ cĩ sự thay đổi trong biên độ. Nhưng mơ tả ở trên, sự thay đổi biên độ này của phổ tín hiệu trong khơng gian vì sự can nhiễu của các sĩng điện từ kết hợp lại với nhau. Sự can nhiễu này cĩ thể mang tính xây dựng hay quá hoại, kết quả là những điều mờ thay đổi cường độ trong tín hiệu nhận được do fading phẳng cĩ thể là rất rõ 30dB hoặc hơn thế. Fading phẳng xảy ra khi bình phương trung bình ( RMS ) trải trễ của kênh nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ symbol của tín hiệu truyền. Khi sự trải trễ RMS của kênh hơn khoảng 10% của chu kỳ symbol, các kênh khơng dây làm thay đổi quang phổ tín hiệu nhận được này được gọi là tần số fading lựa chọn. Đây được gọi là fading chọn lọc tần số. Trong fading chọn lọc tần số, kênh là phân tán và dạng sĩng nhận được cĩ nhiễu xuyên ký tự ( ISI ). Trong miền tần số, đáp ứng kênh cĩ thể khơng cịn được gọi là “ phẳng “, biên độ của nĩ cĩ sự thay đổi đáng kể hoặc pha của nĩ là khơng tuyến tính với tần số. Trong miền thời gian, những symbol nhận được cĩ thể khơng cịn xác định riêng biệt rõ ràng. Chúng can nhiễu lẫn nhau vì chúng bị phân tán theo thời gian và chồng lấn lên nhau. Trong trường hợp này, các hệ thống khơng dây nên sử dụng kĩ thuật xử lý số tín hiệu để loại bỏ ISI này. Những kĩ thuật này, nĩi chung được gọi là kĩ thuật cân bằng kênh. Nếu các vật trong mơi trường khơng di chuyển, mơ hình sĩng đứng là tĩnh trong khơng gian. Do đĩ, cho một điểm cố định trong khơng gian, các kênh khơng dây là bất biến theo thời gian. Tuy nhiên, nếu cĩ chuyển động trong mơi trường( mặc dù cả máy phát lẫn máy thu khơng di chuyển ), nĩ làm thay đổi mỗi mơ hình sĩng đứng và do đĩ các kênh khơng dây cũng thay đổi theo thời gian. Bản chất thay đổi theo thời gian này của các kênh khơng làm cho vấn đề của cân bằng kênh thêm nhiều khĩ khăn hơn so với các hệ thống hữu tuyến như dải tần âm thanh hay các modem vịng lặp thuê bao. Xem lại hình2.6. Phần trên của hình cho thấy sĩng đứng giữa máy phát và máy thu do đa đường hoặc mờ dần. Phần dưới của hình minh họa ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số thay đổi theo thời gian. Trong các hệ thống khơng dây di động cố định, cũng như điện thoại di động, hệ thống vơ tuyến tế bào, can nhiễu là một yếu hạn chế đáng kể. Các cuộc gọi trong một cell lân cận sử dụng cùng kênh. Ngồi ra, cĩ thể cĩ sự can thiệp do sự tồn tại của các dịch vụ khác trong băng tần. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
14. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 12 2.8. Kênh truyền nhiễu chọn lọc tần số và nhiễu phẳng Một kênh truyền cĩ bị xem là chọn lọc tần số hay khơng cịn tùy thuộc vào băng thơng của tín hiệu truyền đi. Nếu trong tồn khoảng băng thơng của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nĩi kênh truyền phẳng (flat fading channel); ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền khơng phẳng, khơng giống nhau trong băng thơng tín hiệu, ta nĩi kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vơ tuyến đều khơng thể cĩ đáp ứng bằng phẳng trong cả dãi tần vơ tuyến, tuy nhiên kênh truyền cĩ thể xem là phẳng trong khoảng nhỏ tần số nào đĩ. Hình 2.7: Đáp ứng tần số kênh truyền chọn lọc tần số và kênh nhiễu phẳng. Hình 2-7 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền cĩ băng thơng lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu cĩ băng thơng nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng. Trên đây chúng ta đã mơ tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định lượng thơng số của kênh truyền. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
15. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 13 Tán xạ 1 Phản xạ 2 3 LOS Nhiễu L xạ Hình 2.8: Tín hiệu phía thu tới bằng L đường. Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1- 8(chưa tính đến nhiễu) cĩ dạng: L y(t)  i x(t  i ) (2.7) i 1 Với i i (t)i (t) hệ số suy hao biên độ và xoay pha  i  i (t) thời gian trễ cĩ giá trị thực. Tổng quát tín hiệu tơi máy thu cĩ dạng sau y(t) x(t  ).h(t, )d x(t) * h(t, ) (2.8) Với h(t, ) là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền. L h(t, )  i (t).   i (t) (2.9) i 1 Từ (1.9) ta cĩ đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian j2 f H (t, f ) h(t, )e d (2.10) Mỗi kênh truyền đều cĩ đáp ứng xung, do đĩ mỗi kênh truyền cĩ thể đặc trưng bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function). Chương 2: Cơ sở lý thuyết
16. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 14 R (t ,t , , ) E h* (t , ).h(t , ) E h* (t , ).h(t t,  ) h 1 2 1 2  1 1 2 2   1 1 1 1  (2.11) E f (x) f (x). p (x)dx (2.12)   x Hàm tự tương quan quá phức tạp (theo 4 biến t1,t2 ,1, 2 ) nên để đơn giản trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và khơng tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter). WSS: Quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào t t2 t1 US: Các thành phần phản xạ độc lập nhau. Khi quá trình là WSSUS ta cĩ hàm tự tương quan ACF: Rh (t1,t1 t,1,1  ) Rh ( t, ) Ph ( t,1) (1  2 ) (2.13) Với Ph ( t,1) là mật độ phổ cơng suất chéo trễ (Delay Cross PDF) Khi t 0 , Ph ( ) Ph ( t, ) được gọi là profile trễ cơng suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mơ tả cơng suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do đĩ cơng suất ra của tín hiệu được tính theo cơng thức : P P ( )d H (2.14) Lấy biến đổi Fourier (1.11) ta được R ( t, f ) R ( t, )e 2 f d H H (2.15) Ta sẽ dùng cơng thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền biến đổi nhanh (Fast Fading) hay biến đổi chậm (Slow Fading). Nếu t 0 ta cĩ hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mơ tả tương quan giữa các khoảng tần số f của kênh truyền. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
17. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 15 R ( f ) R (0, f ) R ( )e j2 f d H H h (2.16) RH ( f ) Mọi kênh truyền đều cĩ một khoảng tần số ( f )C tại đĩ tỉ số xấp xỉ 1. RH (0) Tức là đáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng . Khoảng tần số này gọi là băng tần đồng bộ. Nếu kênh truyền cĩ ( f )C nhỏ hơn nhiều so với băng thơng của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy selective channel). Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng. Nếu kênh truyền cĩ lớn hơn nhiều so với băng thơng của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền khơng chọn lọc tần số (frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel). Tương tự như băng thơng đồng bộ, hai thơng số quan trọng thường được dùng khi xét kênh truyền cĩ chọn lọc tần số hay khơng người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn trung bình TAEX( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng  RMS (RMS delay spread) của kênh truyền. L  k .Pk T k 1 AEX L (2.17)  Pk k 1 L 2 ( k TAEX ) .Pk k 1 (2.18)  RMS L  Pk k 1 Với Tk thời gian trễ của bản sao thứ k. Pk là cơng suất của bản sao thứ k. Thơng thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu so sánh được với Tsymbol. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
18. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 16 2.9. Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm Kênh truyền vơ tuyến sẽ cĩ đáp ứng tần số khơng đổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền khơng đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luơn luơn biến đổi, luơn cĩ vật thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luơn thay đổi vận tốc, nhà cửa, cơng viên, cĩ thể được xây dựng thêm hay bị phá hủy đi Cường độ tín hiệu 0 t Hình 2.9 Cho thấy cơng suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi cĩ cơng suất khơng đổi tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian. Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay khơng chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương đối, nếu kênh truyền khơng thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền khơng chọn lọc thời gian (time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel); ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel) hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel). Mơi trường trong nhà ít thay đổi nên cĩ thể xem là slow fading, mơi trường ngồi trời thường xuyên thay đổi nên được xem là fast fading. Trong các cell di động, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian, tức là địa hình thay đổi liên tục. Điều này cĩ nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sĩng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số. v f f (2.19) 0 c Chương 2: Cơ sở lý thuyết
19. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 17 Với f0 là tần số tại máy phát v là vận tốc của thuê bao MS c là vận tốc ánh sáng MS di chuyển càng nhanh thì f càng lớn và ngược lại Sau đây ta sẽ xét kĩ hơn các thơng số xác định kênh truyền là slow fading hay fast fading Từ (1.13) nếu f =0 ta cĩ hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mơ tả tương quan giữa các khoảng thời gian t của kênh truyền R ( t) R ( t, )d H h (2.20) Phổ cơng suất Doppler được định nghĩa là biến đổi Fourier của RH ( t) D ( f ) R ( t)e j2 f t d t R ( t) D ( f )e j2 f t df H H H H (2.21) RH ( t) Mọi kênh truyền đều cĩ một khoảng thời gian ( t)C tại đĩ xấp xỉ 1. RH (0) Tức là đáp ứng của kênh truyền được xem là biến đổi khơng đáng kể trong khoảng . Khoảng thời gian đĩ được gọi là thời gian đồng bộ. Nếu kênh truyền cĩ nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel). Nếu kênh truyền cĩ lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đĩ được gọi là kênh truyền khơng chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel). Chương 2: Cơ sở lý thuyết
20. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 18 2.10. Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Raycean Tùy theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu cĩ thể tồn tại hoặc khơng tồn tại đường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS là đường mà ánh sáng cĩ thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà khơng bị cản trở). Nếu kênh truyền khơng tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh được đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền cĩ phân bố Rayleigh nên kênh truyên được gọi là kênh truyên Rayleigh fading. Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ. Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần khơng truyền thẳng NLOS (NonLight Of Sight) khơng đĩng vai trị quan trọng, tức là khơng cĩ ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền cĩ phân bố Rice nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Ricean fading. Hình 2.10: Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean. 2.11. Nhiễu liên ký tự ISI và nhiễu liên sĩng mang ICI 2.11.1. ISI : Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngồi nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do Chương 2: Cơ sở lý thuyết
21. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 19 trải trễ đa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đĩ giải pháp này là khơng thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngồi nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động khơng nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đĩ việc tìm hiểu nĩ cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM. Trong mơi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thơng qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đĩ và kết quả là cĩ nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đĩ.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thơng dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP. 2.11.2. ICI: Trong OFDM, phổ của các sĩng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sĩng mang khác. Điều này cĩ nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sĩng mang thì phổ của các sĩng mang khác bằng khơng. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sĩng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sĩng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sĩng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) như ở hình 2.11. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
22. S K L 0 0 2 1 5 4