Kỹ thuật ofdm và ứng dụng của Ofdm

độ và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số. Hình 2.8: Sơ đồ khối của qúa trình phát và thu OFDM Bộ chuyển đổi nối tiếp song song Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc. Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu. Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống OFDM Mã hóa kênh Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN. Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh. Ánh xạ (Mapping) Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra. Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q . b0 b1 b2 I b3 b4 b5 Q 000 -7 000 -7 001 -5 001 -5 011 -3 011 -3 010 -1 010 -1 110 1 110 1 111 3 111 3 101 5 101 5 100 7 100 7 Bảng 2.1 : Các giá trị trong mã hóa 64-QAM Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace). Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 , Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng : , (2.2) = trong đó: là tín hiệu băng gốc. Ở băng gốc: +Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.2) được viết lại như sau : (2.3) +Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.4) được viết lại : (2.4) Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian. Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có : = = (2.5) Ở đây, hàm là hàm delta, được định nghĩa là : (2.6) 2.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn. Hình 2.9: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, TG độ dài của khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là: Ts = TFFT + TG (2.7) Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu. Điều chế RF Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản. Nó cần được nâng tần trước khi truyền dẫn. Việc nâng tần có thể thực hiện bằng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số. Hình 2.10 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự Hình 2.11 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số Đồng bộ Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). 2.7.1 Đồng bộ kí tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise). 2.7.1.1 Lỗi thời gian Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization). Trong bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay không. Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho tương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước)à xác định đỉnh tự tương quan để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ). Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP. Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tin pilot và giá trị ước lượng kênh. Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta đi xét sự sai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lấy mẫu. Đặt giá trị sai lệch này là d(k) = r(k)-r(k+N). Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lại nằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên d(k) có giá trị rất béà công suất của d(k) rất bé. Nếu không nằm trong trường hợp trên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của một ký tự OFDM) thì d(k) có giá trị lớnàcông suất của d(k) khá lớn. Nếu dùng một cửa sổ trượt có chiều dài đúng bằng chiều dài của tiền tố lặp thì công suất ra có giá trị bé nhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới à xác đinh được thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. 2.7.1.2 Nhiễu pha sóng mang  Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu. 2.7.2 Đồng bộ tần số sóng mang Trong đồ bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số. 2.7.2.1 Lỗi tần số  Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiện khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). Hình 2.12: Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●) 2.7.2.2 Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). 2.7.2.3 Nhận xét  Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 2.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ. OFDM trong hệ thống Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập đến khi thực hiện hệ thống OFDM. Trong hầu hết hệ thống di động, không riêng hệ thống OFDM , một vài dạng mã hóa kênh truyền được dùng để giảm BER (bit error rate) bằng cách tạo ra sự dư thừa. Đó cũng là vấn đề của hệ thống OFDM bởi vì phần đầu của mã hóa kênh thường là nhỏ hơn rất nhiều so với việc phải truyền lại toàn phần tin tức bị lỗi. Thông thường sự truyền thông sẽ diễn ra theo 2 hướng, ví dụ giữa BS(base station) và user hoặc ngược lại. Có hai cách chính để thực hiện điều đó trong hệ thống OFDM đó là: FDD(Frequency Divison Duplex) và TDD(Time Division Duplex) . Trong hệ thống FDD, đường xuống (từ BS đến user) và đường lên (từ user đến BS) được phân cách nhau bởi hai dải tần số khác nhau. Trong hệ thống TDD, đường lên và đường xuống cùng tần số nhưng được trải trong những khoảng thời gian khác nhau. Như đã nói ở phần đầu, một vài dạng của mã hóa kênh truyền thường được dùng để giảm BER(bit error rate). Không những thế, một hệ thống OFDM còn đòi hỏi thêm bộ ước lượng độ dịch tần số và ước lượng kênh truyền để đạt được chất lượng tối ưu. Bộ ước lượng độ dịch tần số đòi hỏi phải đếm ảnh hưởng của sự chênh lệch tần số giữa bộ dao động nội ở vị trí thu và vị trí nhận (sự chênh lệch này có thể phá hủy sự trực giao của hệ thống). Nếu như các sóng mang con không trực giao, chúng sẽ gây ra ICI và do đó thông tin gởi đi sẽ rất khó khăn để khôi phục lại . Bởi vì mục đích của đồ án là ước lượng kênh truyền cho nên độ dịch tần số được xem như lý tưởng . Trong trường hợp ước lượng kênh truyền, đầu tiên ta sẽ ước lượng trong miền tần số (sau khi giải mã tín hiệu OFDM). Cách thường hay sử dụng nhất để ước lượng kênh truyền và độ dịch tần số là dùng kí hiệu pilot. Kí hiệu pilot là kí hiệu đã được bên thu và bên nhận biết trước . Tương quan giữa fading kí hiệu pilot và fading của kí hiệu thông tin dữ liệu được gởi đi gần với kí hiệu pilot trong miền thời gian và trong miền tần số là rất mạnh mẽ. Dưới đây là một ví dụ về sự phân bố pilot. Kí hiệu dữ liệu Kí hiệu pilot Kí hiệu null Hình 2.13: Một ví dụ về sự phân bố pilot Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 2.9.1 Ưu điểm Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được. OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT và IFFT. 2.9.2 Nhược điểm OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cống suất lớn HPA (high-power amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác. Kết luận chương Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của một hệ thống OFDM mô hình hệ thống, chức năng từng khối, các bước thiết lập thông số, Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai. Qua những hiểu biết về OFDM ở trên, nó sẽ là cơ sở để ta có thể tìm hiểu sâu hơn về chuẩn 802.16 OFDM của WIMAX. CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TRONG WIMAX VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 3.1. Giới thiệu chương Trong chương này, chúng em sẽ trình bày những trở ngại lớn được thể hiện trong kênh không dây băng rộng thay đổi theo thời gian. Xác định các ảnh hưởng cơ bản của nhiễu trong các kênh băng rộng không dây. Từ đó, tìm ra những biện pháp đối phó nhằm duy trì việc truyền thông tốt trong môi trường khắc nghiệt. 3.2. Sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến Tất cả các hệ thống truyền thông số vô tuyến đều có một khối kiến trúc nhất định, như được thể hiện trong hình 3.1 sau: Hình 3.1. Hệ thống thông tin số vô tuyến Bất kỳ một mạng không dây được tương thích một cách hợp lý, thì toàn bộ hệ thống đều được phân chia thành ba thành phần sau đây: máy phát, kênh và máy thu. Máy phát nhận các gói bit từ lớp giao thức cao hơn và gửi các bit này ở dạng sóng trường điện từ đến máy thu. Các bước thực hiện trong miền số là mã hóa và điều chế. Nhìn chung, mục đích chính của việc mã hóa làm tăng thêm độ dư thừa để giảm lỗi khi truyền và cho phép sửa lỗi tại máy thu. Các tín hiệu điều chế số được chuyển đổi thành dạng sóng tương tự bởi bộ DAC và sau đó chuyển đổi lên tần số cao. Tín hiệu cao tần này sẽ được tán xạ với dạng sóng trường điện từ bởi các ăng-ten phù hợp. Máy thu hoạt động ngược lại với hoạt động của máy phát. Sau khi chuyển xuống tần số thấp và lọc để loại bỏ những tần số không mong muốn. Tín hiệu băng tần cơ sở sẽ được chuyển thành tín hiệu số bởi bộ ADC, tín hiệu này được giải điều chế và giải mã để khôi phục lại tín hiệu đó thành chuỗi bit gốc. Kênh truyền thông biễu diễn môi trường vật lý giữa máy phát và máy thu và đây là nơi có ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền tín hiệu sẽ dược đề cập ở chương sau. Sau đây là những mô tả về ảnh hưởng có quy mô lớn trong kênh vô tuyến băng rộng, đó là hiện tượng suy hao, tạo bóng, nhiễu đồng kênh(CCI),multipath và hiện tượng Doppler trong hệ thống thông tin di động. 3.3. Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống vô tuyến 3.3.1. Suy hao(pathloss) Sự khác nhau rõ rệt giữa kênh vô tuyến và hữu tuyến là lượng công suất truyền đạt đến máy thu. Giả sử rằng ăng-ten đẳng hướng được sử dụng, như thể hiện ở hình 3.2, năng lượng của tín hiệu truyền mở rộng trên mặt các hình cầu song song, vì vậy năng lượng nhận được tại ăng ten thu có khoảng cách d tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt cầu, (4πd2). Suy hao được tính theo công thức lan truyền không gian tự do: (3.1) trong đó Pr và Pt lần lượt công suất thu và nhận và λ là chiều dài của bước sóng. Nếu ăng-ten hướng tính được dùng tại máy phát và máy thu, thì sẽ có độ lợi là Gt và Gr và công suất nhận tăng được hay không là nhờ vào độ lợi của ăng-ten. Một mặt quan trọng khác của công thức(3.1) là từ c=fc.λ nên λ=c/fc , công suất nhận được sẽ giảm bình phương lần theo tần sóng mang. Hay nói một cách khác, với công suất phát đã cho, thì sẽ có khoảng suy giảm khi tần số tăng lên. Điều này có ảnh hưởng quan trọng đến các hệ thống có tốc độ dữ liệu cao. Để tính toán chính xác, người ta thường dùng công thức kinh nghiệm sau đây để tính toán cho suy hao của kênh kinh nghiệm: (3.2) Trong công thức (3.2) có thêm ba thành phần là P0 , d0 và α. P0 là công suất suy hao đo được trên khoảng cách tham chiếu là d0 và thường được chọn là 1m. Trên thực tế, P0 thường được lấy xấp sỉ là một vài dB. α là số mũ suy hao và đại lượng này được cho trong bảng. Hình 3.2. Mô hình truyền sóng trong không gian tự do Để khắc phục được nhiễu do sự suy hao đường truyền này thì cần chú ý những điều sau: Chiều cao của ăng-ten phải được tính đến là có chiều cao phù hợp. Tần số sóng mang sử dụng. Khoảng cách giữa hai ăng-ten phát và thu. 3.3.2. Che chắn(shadowing) Như ta đã biết, sự suy hao ảnh hưởng đến công suất tại máy thu có liên quan đến khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Tuy nhiên, còn nhiều nhân tố khác có thể có ảnh hưởng lớn đến tổng công suất thu được. Ví dụ, cây cối và nhà cửa có thể được đặt tại vị trí ở giữa máy phát và máy thu, những vật cản này sinh ra đường truyền tạm thời và gây ra sự suy giảm tạm thời cường độ tín hiệu thu. Hay nói một cách khác, đường truyền thẳng tạm thời này sẽ làm cho công suất thu bất thường, và được gọi là hiện tượng che chắn(shadowing), như được trình bày ở hình 3.3 sau đây: Hình 3.3. Hiện tượng che chắn trên đường truyền tín hiệu Xét trong vùng có phạm vi nhỏ thì hiện tượng suy hao đường truyền và che chắn là không đáng kể và có giá trị cho phép mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu tại máy thu. 3.3.3. Nhiễu đồng kênh CCI Hình 3.4. Giao thoa xuyên kênh Đây là một loại can nhiễu xảy ra khi hai tín hiệu phát đi ở cùng một tần số đến cùng một bộ thu. Trong thông tin tế bào thì can nhiễu thường được gây ra bởi một cell khác hoạt động ở cùng tần số(hình 3.4) Để hình dung, chúng ta lấy ví dụ ném hòn đá xuống nước. Việc ta ném nhiều hòn đá xuống nước tương đương như nhiều cuộc gọi khác nhau cùng bắt đầu. Vậy trạm gốc ở vị trí nào đó trong hồ làm sao phân biệt được tín hiệu của nguồn nào và từ hướng nào đến. Đây chính là vấn đề của giao thoa xuyên kênh hay còn gọi là nhiễu đồng kênh. Như chúng ta đã biết, các hệ thống ăngten tập trung đều tín hiệu trong một vùng không gian rộng lớn. Các tín hiệu có thể không đến được với người sử dụng mà ta mong muốn, nhưng chúng có thể trở thành can nhiễu cho những người sử dụng khác có cùng một tần số trong cùng một tế bào hay những tế bào kế cận. Can nhiễu là nhân tố chính quyết định đến chất lượng của hệ thống không dây do đó việc điều khiển được can nhiễu sẽ giúp cải thiện đáng kể được đáng kể được dung lượng của hệ thống. 3.3.4. Hiện tượng đa đường(multipath) Multipath là hiện tượng khi mà tín hiệu radio được phát đi bị phản xạ trên các bề mặt vật thể tạo ra nhiều đường tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng. Kết quả là tín hiệu đến các thiết bị đầu cuối sử dụng là tổng hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ.(hình 3.5) Chúng ta trở lại ví dụ ném một hòn đá xuống hồ nước. Các vòng sóng phát đi từ điểm ném là những đường tròn đồng dạng chỉ khác nhau về biên dộ sóng. Việc phát đơn hướng một tín hiệu cũng tương tự như vậy. Với một trạm gốc ở một cự ly nào đó từ sóng gốc. Nếu mẫu tín hiệu không bị nhiễu thì trạm gốc không khó khăn gì trong việc phân biệt các sóng. Nhưng khi các vòng sóng này chạm vào bờ thì nó bị phản xạ lại và giao thoa với sóng gốc ban đầu. Khi kết hợp với nhau chúng có thể yếu đi hay mạnh lên. Đây chính là vấn đề của nhiễu đa đường Hình 3.5. Hiện tượng multipath Các vấn đề có liên quan đến nhiễu đa đường: Một trong những hệ quả của hiện tượng multipath mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha(hình 3.6) Hình 3.6. Hai tín hiệu multipath Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha. Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha 1800 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu(hình 3.7) Hình 3.7. Hai tín hiệu multipath ngược pha nhau 1800 Hình 3.8. Hiện tượng pha đinh Hiện tượng pha đinh : khi sóng của các tín hiệu đa đường ngược pha, cường độ tín hiệu sẽ bị giảm. Hiện tượng này vẫn được biết đến là “Rayleigh pha đinh” hay còn gọi là “pha đinh nhanh”. Sự suy giảm thay đổi liên tục hình thành những khe như hình chữ V. Cường độ tín hiệu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng.(hình 3.8) Một hệ quả nữa của hiện tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự(intersymbol interference). Khi xảy ra hiện tượng này thì tốc độ bit sẽ tăng lên làm giảm đáng kể chất lượng của hệ thống. 3.3.5. Hiện tượng Doppler Hiện tượng Doppler cũng là một hiện tượng nhiễu khác cũng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin di động. Hiện tượng Doppler được xác định khi một nguồn sóng và máy thu đang di chuyển liên quan đến với nhau. Khi máy thu di chuyển về phía trước (cùng chiều với máy phát ra nguồn sóng), tần số của tín hiệu thu sẽ cao hơn tín hiệu nguồn. Hình 3.9 là một ví dụ về sự thay đổi về cường độ của thiết bị âm thanh của xe ôtô khi nó di chuyển cùng chiều và ngược chiều với hai observer Hình 3.9. Hiện tượng Doppler 3.4.Các biện pháp nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu được sử dụng trong WiMAX 3.4.1. Tái sử dụng tần số phân đoạn Đây là một phương pháp nhằm nâng cao chất lượng kết nối của các thuê bao do ảnh hưởng của can nhiễu cùng kênh(CCI) Trong WiMAX di động hỗ trợ tái sử dụng tần số bằng 1, nghĩa là tất cả các tế bào /sector hoạt động trên cùng một kênh tần số nhằm tối đa hóa hiệu quả sử dụng phổ. Tuy nhiên, do can nhiễu cùng kênh(CCI) rất mạnh trong triển khai tái sử dụng tần số bằng 1, cho nên các thuê bao tại rìa tế bào giảm cấp chất lượng kết nối. Với WiMAX di động, các thuê bao hoạt động trên các kênh con, chỉ chiếm một đoạn nhỏ của toàn bộ băng thông kênh; vấn đề can nhiễu biên tế bào có thể được khắc phục dễ dàng bằng việc tạo cấu hình sử dụng kênh con một cách hợp lý mà không cần viện đến quy hoạch tần số truyền thống. Trong WiMAX di động, việc tái sử dụng kênh con linh hoạt được tạo điều kiện dễ dàng nhờ sự phân đoạn kênh con và vùng hoán vị. Một đoạn là một phần nhỏ các kênh con OFDMA khả dụng (một đoạn có thể bao gồm tất cả các kênh con). Một đoạn được sử dụng cho triển khai một trường hợp MAC duy nhất. Vùng hoán vị là một số các ký tự OFDMA liền kề nhau trong DL hoặc UL sử dụng cùng một phép hoán vị. Khung con của DL hoặc UL có thể chứa nhiều hơn một vùng hoán vị Mô hình tái sử dụng kênh con có thể được cấu hình sao cho các thuê bao gần sát trạm gốc hoạt động trong vùng có tất cả các kênh con khả dụng. Trong khi đó, đối với các thuê bao rìa, mỗi tế bào hoặc sector hoạt động trong vùng chỉ có một phần nhỏ của tất cả các kênh con là khả dụng. Trong hình 3.11, F1, F2 và F3 biểu thị các tập hợp kênh con khác nhau trong cùng một kênh tần số. Với cấu hình này, tái sử dụng tần số bằng một “1” của toàn tải được duy trì cho các thuê bao trung tâm để tăng tối đa hiệu quả phổ, và tái sử dụng tần số phân đoạn được cài đặt cho các thuê bao rìa nhằm đảm bảo chất lượng kết nối và thông lượng của thuê bao rìa. Quy hoạch tái sử dụng kênh con có thể được tối ưu hóa một cách năng động qua các sector hoặc các tế bào dựa trên tải của mạng và các điều kiện can nhiễu trên cơ sở từng khung một. Do vậy, tất cả các tế bào hoặc các sector đều có thể hoạt động trên cùng một kênh tần số mà không cần gì đến quy hoạch tần số. Hình 3.10. Mô hình tái sử dụng tần số phân đoạn 3.4.2. Các biện pháp giảm pha đinh Đặc tính pha-đinh là sự khác nhau quan trọng nhất giữa việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Do pha-đinh lựa chọn tần số là nổi bật nhất trong các kênh băng rộng- và do độ rộng băng của kênh băng rộng là lớn hơn rất nhiều độ rộng băng phù hợp BC –nên chúng ta đề cập đến các kênh với sự phân tán thời gian hay lựa chọn tần số trong pha-đinh băng rộng và đến các kênh chỉ với sự phân tán về tần số hay lựa chọn thời gian trong pha-đinh băng hẹp. Bây giờ, chúng ta xem xét và chỉ ra sự khác nhau giữa pha-đinh băng rộng và pha-đinh băng hẹp để từ đó các biện pháp khắc phục. 3.4.2.1. Pha đinh băng hẹp(pha đinh phẳng) Ảnh hưởng của pha đinh này là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này cường độ tín hiệu thu sẽ bị giảm đáng kể vì suy hao thay đổi đáng kể. Tính di chuyển của các thuê bao trên khoảng cách lớn(>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao và công suất thu thay đổi chậm. Có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục pha-đinh băng hẹp, nhưng cách phổ biến nhất và thường được dùng nhất là phân tập.Trong thông tin vô tuyến tốc độ cao, chỉ có sự phân tập mới khắc phục được hiện tượng pha-đinh này . Các loại phân tập thường dùng là: Phân tập thời gian Hai phương pháp quan trọng của phân tập thời gian là mã hóa/đan xen và điều chế thích nghi (AMC). Kỹ thuật mã hóa và đan xen đưa vào một cách linh hoạt để tăng độ dư thừa trong tín hiệu được truyền đi; điều này làm cho tốc độ của tín hiệu giảm và vì vậy mà giảm đươc lỗi bit. Các máy phát cùng với việc điều chế thích nghi sẽ có thông tin về kênh truyền. Và vì vậy, chúng sẽ chọn kỹ thuật điều chế mà đạt được tốc độ dữ liệu cao nhất có thể được trong khi vẫn giữ được BER ở mức yêu cầu. (3.3) Trong phương trình (3.3), với M tăng, BER cũng tăng. Vì tốc độ dữ liệu tỷ lệ với log2M, chúng ta muốn chọn kích thước mẫu tự lớn nhất để mà đạt được BER theo yêu cầu. Nếu kênh có sự suy giảm mạnh thì sẽ không có ký hiệu nào được gửi đi để tránh tạo lỗi. Điều chế thích nghi và mã hóa là một phần tích hợp trong chuẩn WiMAX. Và được để cập kỹ hơn trong phần sau. Phân tập không gian Phân tập theo không gian là một dạng phân tập khác cũng khá phổ biến và có hiệu quả, thường được thực hiện bằng cách sử dụng hai hay nhiều hơn các ăng-ten tại cả máy phát và máy thu hay chỉ có ở máy phát hoặc máy thu. Phân tập này còn được biết đến với tên gọi là hệ thống MIMO. Dạng đơn giản nhất của phân tập theo không gian bao gồm hai ăng-ten thu, đó là nơi mà hai tín hiệu mạnh nhất được chọn. Nếu các ăng-ten được đặt cách nhau một cách phù hợp, thì hai tín hiệu nhận được sẽ chịu ảnh hưởng một cách xấp xỉ hiện tượng pha-đinh không tương quan với nhau. Kiểu phân tập này được gọi một cách hợp lý là phân tập lựa chọn và được minh họa trong hình 3.11 như sau: Hình 3.11. Phân tập lựa chọn hai nhánh đơn loại đi hầu hết sự suy giảm mạnh  Kỹ thuật đơn giản này đã loại bỏ hoàn toàn một nửa tín hiệu nhận được nhưng hầu hết sự suy giảm mạnh đã được tránh và SNR trung bình cũng được tăng lên. Các dạng phức tạp hơn của phân tập không gian bao gồm các mảng ăng-ten(hai hay nhiều hơn hai ăng-ten) với tỷ số kết nối lớn nhất, phân tập phát sử dụng mã hóa không gian- thời gian, và kết nối sự phân tập giữa đầu phát và đầu thu. Các kỹ thuật báo hiệu không gian được mong đợi để quyết định việc đạt được hiệu suất phổ cao trong WiMAX. Phân tập theo tần số Phương pháp này được sử dụng để khắc phục hiện tượng pha đinh băng rộng và sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau. 3.4.2.2. Pha-đinh băng rộng(pha đinh lựa chọn tần số) Như đã biết, pha-đinh lựa chọn tần số gây ra sự phân tán trong miền thời gian, điều này làm cho các ký hiệu lân cận giao thoa với nhau trừ khi T>>τmax . Do tốc độ dữ liệu tỷ lệ với 1/T , hệ thống có tốc độ dữ liệu cao hầu như lúc nào cũng có lan truyền trễ đa đường đáng kể, khi T<<τmax, và kết quả là bị nhiễu liên ký hiệu nghiêm trọng. Việc lựa chọn kỹ thuật để chống lại nhiễu ISI một cách có hiệu quả là một quyết định quan trọng trong việc thiết kế bất kỳ hệ thống tốc độ cao. Rất nhanh chóng là OFDM là sự lựa chọn phổ biến nhất cho việc chống lại ISI. 3.4.2 3. Bộ cân bằng Bộ cân bằng Equalizer được dùng để loại bỏ nhiễu liên ký hiệu (Intersymbol Interference_ISI) và các nhiễu nhiệt (noise) được thêm vào. Nhiễu ISI sinh ra do sự trải trễ của các xung phát dưới tác động phân tán tự nhiên của kênh truyền. Điều này dẫn đến sự chồng lấn của các xung kế cận nhau gây ra nhiễu liên ký tự. Chẳng hạn như trong môi trường tán xạ đa đường, một ký hiệu có thể được truyền theo các đường khác nhau, đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, do đó có thể giao thoa với các ký tự khác. Hình 3.12. Sơ đồ khối của mô hình kênh truyền Trên hình 3.13, ta thấy tín hiệu x(t) được diều chế bốn mức (Pulse Amplitude Modulated_PAM), tín hiệu x(t) được phát qua kênh có đáp ứng xung h(t). Nhiễu nhiệt noise n(t) được thêm vào. Ta thấy tín hiệu thu được là r(t) đã bị méo dạng so với tín hiệu phát x(t). Hình 3.13. Kênh truyền và bộ cân bằng Để khắc phục nhiễu ISI và cải thiện chất lượng của hệ thống, có nhiều phương pháp khác nhau nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng bộ cân bằng Equalizer được sử dụng để bù lại các đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền. 3.4.2.4. Mã hóa và điều chế thích nghi Mã hóa và điều chế thích nghi là một phương pháp được sử dụng trong phân tập theo thời gian . Trong hệ thống WiMAX, việc sử dụng mã hóa và điều chế thích nghi với mục đích là thích nghi với sự dao động của kênh truyền do ảnh hưởng của nhiễu. Với đặc tính này sẽ cho phép hệ thống có thể khắc phục được những ảnh hưởng của pha đinh lựa chọn thời gian. Hình 3.14. Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và phương pháp điều chế được sử dụng Ý tưởng cơ bản này hoàn toàn đơn giản và được trình bày như sau: Việc truyền dữ liệu tốc độ cao có thể đạt được khi kênh truyền tốt, tốc độ truyền sẽ thấp hơn nếu kênh truyền không tốt, với mục đích là tránh gây ra lỗi. Tốc độ dữ liệu thấp có thể đạt được bằng cách sử dụng chòm điểm nhỏ, như là QPSK, và các mã có tốc độ sửa lỗi thấp, như là mã chập và mã tourbo ½. Tốc độ dữ liệu cao hơn có thể đạt được với chòm điểm lớn, như là 64QAM, và mã hóa sửa lỗi chống nhiễu, ví dụ, mã chập hay mã turbo có tốc độ ¾ hay mã LDPC. Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của hệ thống mã hóa điều chế thích nghi AMC được cho bởi hình 3.17 sau đây: Hình 3.15. Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi (AMC) Để đơn giản, đầu tiên chúng ta xem một hệ thống người dùng truyền nhanh tín hiệu thông qua kênh với SINR luôn thay đổi; ví dụ, kênh truyền phụ thuộc vào pha-đinh. Mục đích của máy phát là truyền dữ liệu từ hàng bit nhanh đến mức có thể, và được giải điều chế và giải mã một cách chính xác tại máy thu. Hồi tiếp (feedback) sẽ quyết định mã hóa và điều chế nào được sử dụng để phù hợp với điều kiện của kênh truyền thông qua tham số SINR. Máy phát cần biết giá trị SINR của kênh (), giá trị này được xác định khi SINR nhận được chia cho công suất phát Pt, là một hàm của . Do đó, SINR nhận được là Hình 3.16.. Thông lượng của các phương pháp điều chế và tốc độ mã hóa khác nhau. Hình 3.18 minh họa việc sử dụng sáu cách mã hóa và điều chế trong số các định dạng chung của WiMAX. Nó có thể đạt được các mức hiệu suất phổ khác nhau tùy thuộc vào phương pháp mã hõa và điều chế sử dụng. Điều này cho phép dung lượng tăng lên khi SINR tăng lên theo công thức Shannon Trong trường hợp này, tốc độ dữ liệu thấp nhất là QPSK và mã turbo tốc độ ½; tốc độ dữ liệu cao nhất trong định dạng của WiMAX là 64QAM và mã turbo tốc độ ¾. Thông lượng đạt được, được chuẩn hóa bởi độ rộng đã được xác định (3.4) Trong đó: BLER là tỷ lệ block lỗi. r ≤1 là tốc độ mã hóa. M số điểm trong một chòm điểm. Ví dụ: 64QAM với tốc độ mã hóa là ¾ đạt được thông lượng tối đa là 4.5bps/Hz, khi BLER 0; QPSK với tốc độ mã hóa là ½ sẽ đạt được thông lượng trong trường hợp tốt nhất là 1bps/Hz. Kết quả được thể hiện ở đây là cho trường hợp lý tưởng của kiến thức kênh tối ưu và không truyền ngược lại như ARQ. Trong thực tế, viêc hồi tiếp sẽ bị trễ và có thể còn bị giảm do việc dự đoán kênh không chính xác hay lỗi trong kênh hồi tiếp về (feedback). Hệ thống WiMAX bảo vệ chặt chẽ các kênh hồi tiếp với việc sửa lỗi. Vì vậy, nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm có thể suy giảm, điều này gây cho việc dự đoán kênh trở nên lỗi thời nhanh chóng. Theo kinh nghiệm, với tốc độ hơn 30km/h trên tần số sóng mang 2,100MHz, thì các cấu hình hồi tiếp không cho phép thông tin trạng thái của kênh truyền một cách kịp thời và chính xác về máy phát. 3.4.2.5. Mã hóa kênh(channel coding) Trong chuẩn IEEE 8.2.16e-2005, mã hóa kênh là một khối chức năng của lớp vật lý trong WiMAX. Nhiệm vụ của lớp này là làm cho tín hiệu truyền đi trong môi trường kênh ít bị sai do ảnh hưởng của pha-đinh. Làm cho phía thu dễ khôi phục lại tín hiệu. S/N BER Frequency-selective channel Flat fading channel AWGN channel (LOS) Channel Coding Hình 3.17. Vai trò của mã hóa kênh trong việc giảm BER và khắc phục lỗi gây ra cho tín hiệu truyền do pha-đinh Mã hóa kênh bao gồm ba bước sau đây: 1) Randomization: Ngẫu nhiên hoá luồng bit dữ liệu. Điều này sẽ tốt hơn cho việc sửa lỗi Forward Error Correction(FEC). Bộ Scrambler được thực hiện bởi các thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính 2) FEC: Trong khối FEC gồm có ba khối nhỏ là Reed-Solomon Coder, Covolutional Coder, và khối Puncturing. Trong 3 khối này thì khối Reed-Solomon là phức tạp nhất. Khối này làm nhiệm vụ mã hoá dữ liệu và thêm các khoảng trống vào luồng bit để tạo điều kiện cho máy thu dò tìm và sửa lỗi. Trong khối này dữ liệu được mã hoá convolutional, tuy nhiên trước khi dữ liệu đưa vào khối convolutional encoder thì nó phải được mã hoá Reed-Solomon. Cuối cùng luồng dữ liệu sẽ được đưa qua khối Puncturing để giảm số bit truyền. 3) Interleaving: sắp xếp lại các khối của bit dữ liệu bằng cách đưa các bit mã hoá kề nhau vào các sóng mang không liên tiếp để bảo vệ chống lại lỗi burst. Kích cỡ khối bằng số bit được mã hóa trong symbol OFDM đơn giản. Kích cỡ của symbol được xác định bởi số sóng mang dữ liệu và cách điều chế. Hình 3.18. Sơ đồ khối chức năng của mã hóa kênh Data to transmit Randomizer FEC Bit Interleaver Modulation Data to transmit 3.5. Kết luận chương Chương này chúng ta đã khái quát được những ảnh hưởng và biện pháp khắc phục nhiễu của hệ thống WiMAX. CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 4.1. Giới thiệu chương Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Mô hình kênh trình bày quan hệ vào ra của kênh ở dạng toán học hoặc thuật toán. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng các mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý. Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời đưa ra mô hình toán học của kênh vô tuyến di động. 4.2. Kênh fading đa đường (multipath fading channel) Tín hiệu từ an ten phát được truyền đến máy thu thông qua nhiều hướng phản xạ hoặc tán xạ khác nhau.Ở hình 4.1 tín hiệu giả sử nhận được bằng hai luồng tín hiệu. Một luồng là tín hiệu truyền thẳng có trễ truyền dẫn tương ứng là . Tuyến thứ 2 có trễ truyễn dẫn là . Giả thiết tín hiệu phát đi từ máy phát đơn giản chỉ là luồng tín hiệu với tần số là f1 và f2. Tín hiệu ở máy thu là tổng của tín hiệu nhận được từ hai tuyến truyền dẫn được mô tả ở hình 4.2. Ta có thể dàng nhận thấy rằng tin hiệu thu được ở tần số f1 bị suy giảm ở một mức độ khác so với độ suy giảm ở tần số f2 cho dù là ở máy phát đi hai tín hiệu có cùng biên độ. Hiên tượng này chính là hiện tượng fading ở miền tần số. Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số gọi là kênh phụ thuộc tần số ( frequency selective channel ) Mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường không chỉ là hai tuyến truyền dẫn mà có thể vô số các tuyến truyền dẫn khác nhau có thể là phản xạ, tán xạ hoặc khúc xạ theo nhiều hường khác nhau rồi mới đến máy thu. 4.2.1. Thông số tán xạ thời gian (Time dispersion parameter) Để phân biệt, so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người ta sử dụng các thông số tán xạ thời gian như mean excess delay (độ trễ trung bình vượt mức), rms delay spread (trễ hiệu dụng) và excess delay spread (trễ vượt mức). Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile). Excess delay, , là khoảng thời gian chênh lệch giữa tia sóng đang xét với thành phần đến bộ thu đầu tiên. Tính chất tán xạ thời gian (time dispersive) của kênh truyền dẫn đa đường dải rộng được thể hiện qua thông số mean excess delay, , và rms delay spread, . được định nghĩa là moment cấp một của power delay profile : (4.1) ak, : biên độ, công suất thành phần thứ k của tín hiệu đa đường. Rms delay spread () là căn bậc hai moment trung tâm cấp hai của power delay profile: (4.2) với (4.3) 4.2.2. Dải thông kết hợp (coherence bandwidth) Trong khi delay spread là một hiện tượng tự nhiên do sự phản xạ và tán xạ khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến, dải thông kết hợp, Bc, được định nghĩa từ rms delay spread. Dải thông kết hợp là khoảng tần số mà kênh truyền có thể được coi là “phẳng” (nghĩa là kênh truyền cho qua tất cả các thành phần có phổ nằm trong khoảng tần số đó với độ lợi gần như nhau và pha gần như tuyến tính). Hai sóng sin có tần số chênh lệch nhau lớn hơn Bc sẽ bị ảnh hưởng hoàn toàn khác nhau bởi kênh. Dải thông kết hợp được định nghĩa như là khoảng tần số mà hàm tương quan giữa các tín hiệu có tần số trong khoảng này lớn hơn 0.9, khi đó [sách]: (4.4) Nếu chỉ cần hàm tương quan lớn hơn 0.5 thì: (4.5) 4.2.3. Phổ doppler (doppler spectrum) Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu ảnh hưởng của doppler shift và việc truyền 1 sóng mang chưa điều chế tần số fc từ BS. Một MS di chuyển theo hướng tạo thành một góc với tín hiệu nhận được từ thành phần thứ i như hình 4.1. MS di chuyển với vận tốc v, sau khoảng thời gian đi được d=v.. Khi đó đoạn đường từ BS đến MS của thành phần thứ i của tín hiệu sẽ bị thay đổi 1 lượng là . Y X d v BS MS Hình 4.1. Hiệu ứng Doppler Theo hình vẽ ta có: (4.6) Khi đó, pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng: (4.7) : Bước sóng của tín hiệu. Dấu “-“ cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi MS di chuyển về phía BS. Tần số doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự di chuyển của MS trong suốt khoảng thời gian [7]: (4.8) Thay phương trình (4.7) vào phương trình (4.8) ta được: (4.9) Với fm=v/=vfc/c là độ dịch tần doppler cực đại (từ tần số sóng mang được phát đi) do sự di chuyển của MS. Chú ý rằng, tần số doppler có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc . Tần số doppler cực đại và cực tiểu là fm ứng với góc =00 và 1800 khi tia sóng truyền trùng với hướng MS di chuyển: =00 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía trước MS. =1800 ứng với trường hợp tia sóng đi tới từ phía sau MS. Trong một môi trường truyền dẫn thực, tín hiệu đến bộ thu bằng nhiều đường với khoảng cách và góc tới khác nhau. Vì vậy, khi một sóng sin được truyền đi, thay vì chỉ bị dịch một khoảng tần số duy nhất (doppel shift ) tại đầu thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ fc(1-v/c) đến fc(1+v/c) và được gọi là phổ doppler. Khi ta giả thiết xác suất xảy ra tất cả các hướng di chuyển của mobile hay nói các khác là tất cả các góc tới là như nhau (phân bố đều), mật độ phổ công suất của tín hiệu tại bộ thu được cho bởi : (4.10) Trong đó K là hằng số Chú ý rằng, khi f=fc => S(f=fc)= f= => S(f= )= Hình dạng của S(f) được mô tả như hình 4.2. fc+fm fc-fm fc Hình 4.2. Phổ công suất của tín hiệu tại bộ thu (hiệu ứng doppler) 4.2.4. Trải doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán xạ thời gian của kênh truyền. Doppler spread và coherence time là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Doppler spread BD là thông số đo sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ tần doppler nhận được là khác không. Khi một sóng sin tần số fc được truyền đi, phổ tín hiệu nhận được, phổ doppler, sẽ có các thành phần nằm trong khoảng tần số fc-fd đến fc+fd với fd là độ dịch tần do hiệu ứng doppler. Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và góc giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS. Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là không đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm (slow fading channel). Coherence time Tc chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau: Tc1/fm (4.11) (4.12) (4.42) Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi. Nói cách khác, coherence time là khoảng thời gian mà 2 tín hiệu có sự tương quan với nhau về biên độ. Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu. Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5, khi đó [4]: Với fm là tần số doppler cực đại: fm=v/ Trên thực tế, nếu ta tính Tc theo phương trình (4.11) thì trong khoảng Tc tín hiệu truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khi đó phương trình (4.12) lại quá hạn chế. Vì thế, người ta thường định nghĩa Tc là trung bình nhân của hai phương trình trên: (4.13) Định nghĩa của thời gian kết hợp ngụ ý rằng 2 tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian Tc sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền. 4.3. Mô hình đáp ứng xung của kênh fading Hình 4.3. Các tín hiệu multipath đến ở những thời điểm khác nhau Ta giả sử rằng có N tia đến máy thu, tín hiệu đầu ra của kênh như sau: (4.14) Trong đó, an(t) và τn(t) là suy hao và trễ truyền dẫn của thành phần đa đường thứ n. Lưu ý rằng suy hao và trễ truyền là một hàm thay đổi theo thời gian, điều này nói lên rằng, khi ô tô di chuyển thì hai đại lượng này cũng thay đổi theo. Ta xác định đường bao phức của tín hiệu thu Giả sử đầu vào kênh truyền song là tín hiệu điều chế có dạng: (4.15) Vì thực hiện mô phỏng dạng sóng bằng cách sử dụng các tín hiệu đường bao phức, nên ta phải xác định đường bao phức cho cả x(t) và y(t), từ đó tìm ra h(t,τ). Đường bao phức của tín hiệu phát : bằng cách kiểm tra (4.15) ta có (4.16) Đườn bao của tín hiệu được xác định như sau, thay (4.15) vào (4.14) (4.17) Có thể viết lại là: (4.18) Vì an(t) và A(t) đều là giá trị thực nên (4.18) còn được viết lại như sau (4.19)Từ (4.16), ta có: (4.20) Vì thế: (4.21) Suy hao đường truyền phức được định nghĩa là: (4.22) Vì vậy: (4.23) Vì vậy, đường bao phức của tín hiệu thu y(t) là: (4.24) Từ đây, ta có thể rút ra đáp ứng xung kim của kênh là quan hệ vào ra của kênh được định nghĩa bởi (4.24) tương ứng với một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian LTV có đáp ứng xung kim là: (4.25) t3 t0 t1 t2 Hình 4.4. Minh họa đáp ứng xung kim của kênh và lý lịch trễ đa đường t 4.4. Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean 4.4.1. Phân bố Rayleigh Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất [7]: (4.26) Với là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection). 2 là công suất trung bình theo thời gian. Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá tri R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy (CDF): (4.27) Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi: (4.28) Và phương sai (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu): (4.29) Giá trị hiệu dụng của đường bao là (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình: (4.30) Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading. Hình 4.5 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh. 0 ĩ 2ĩ 3ĩ 5ĩ 4ĩ p(r) Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r (volts) Hình 4.5: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 4.4.2. Phân bố Ricean Khi có thành phần truyền thẳng đến máy thu thì lúc này phân bố sẽ là Ricean. Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi. Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường: (4.32) Hay viết dưới dạng dB: (4.33) k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean. Khi A 0, k 0 (dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 4.6 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean. p(r) k = dB k = 6 dB Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r (volts) Hình 4.6: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k =dB (Rayleigh) và k = 6 dB. Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss 4.5. Kết luận chương Chương 4 đă giới thiệu cho chúng ta những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời đưa ra mô hình toán học của kênh vô tuyến di động .