Đề tài Lộ trình phát triển dài hạn của thông tin di động từ 3G lên 4G (long term evolution)

hơn. Điều chế OFDM làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần và làm giảm nhiễu kênh liền kề. OFDM khác với kỹ thuật truyễn dẫn ghép kênh phân chia theo tần số FDM là không phải dùng bộ lọc thông dải để tách riêng phổ của mỗi sóng mang mà dùng kỹ thuật biến đổi fourier IFFT/FFT để tách riêng các sóng mang con. Tần số giữa các các sóng mang con trong OFDM được chọn sao cho chúng trực giao với nhau, phổ của các sóng mang con chồng lấp lên nhau nhưng có thể xử lý tách ra được. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng phổ của OFDM cao hơn kỹ thuật đa sóng mang thông thường. Từ luồng tín hiệu băng rộng truyền nối tiếp tốc độ cao được chia thành M đường song song có tốc độ truyền dẫn giảm M lần, sau đó từng luồng dữ liệu thành phần sẽ ánh xạ vào các sóng mang thành phần, để hình thành tín hiệu điều chế OFDM, độ rộng trong mỗi ký hiệu tăng, khoảng cách giữa các sóng mang nhỏ, tiết kiệm phổ tần kênh truyền, độ rộng của ký tự tăng, giảm được ảnh hưởng nhiễu xuyên ký tự ISI (ISI: Inter Symbol nterference), nhiễu xuyên kênh ICI (ICI: Inter Channel Interference), giảm ảnh hưởng trễ đa đường, chuyển ảnh hưởng của kênh Fading chọn lọc tần số thành kênh Fading phẳng.OFDM được phát minh vào những năm 1970s và ứng dụng trong các hệ thống truyền hình số và truyền thanh số băng rộng. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 28 1.1.2 Mô Hình Hệ Thống OFDM: Hình 3.1 mô tả chi tiết hệ thống OFDM. Từng kênh dữ liệu băng rộng tốc độ cao truyền nối tiếp được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp song song S/P để chuyển thành các luồng dữ liệu song song tốc độ thấp. Sau đó, các luồng dữ liệu song song này được điều chế với các sóng mang thành phần, kỹ thuật điều chế có thể sử dụng các phương pháp điều chế thông thường tùy theo yêu cầu của từng lọai dịch vụ như điều pha số nhiều mức M-PSK, điều chế biên độ số cầu phương nhiều mức M-QAM. Giả sử hệ thống sử dụng N sóng mang, các sóng mang này được lấy mẫu với tốc độ lấy mẫu fS=N/TS ,với TS là chu kỳ ký hiệu OFDM. Cuối cùng, các mẫu tín hiệu điều chế trên mỗi sóng mang thành phần được ghép lại với nhau để hình thành một mẫu tín hiệu điều chế OFDM. Hình 1.1 : Sơ đồ hệ thống OFDM Một ký hiệu OFDM sẽ gồm N mẫu và mẫu thứ m của một ký hiệu OFDM được viết theo công thức như sau: trong đó Xn , n = 0,…,N −1, biểu diển cho các tín hiệu PSK/QAM, có giá trị phức, truyền trên sóng mang thứ n . Phương trình (1.1) tương đương với biến đổi IFFT trên chuỗi dữ liệu Xn . Sau đó các mẫu xm được đưa qua bộ chuyển đổi song song nối tiếp P/S để ghép N mẫu tín hiệu và các các mẫu tín hiệu bảo vệ GI, tín hiệu bảo vệ giao thoa ở đầu và cuối chu kỳ tín hiệu TFFT. Bộ (1.1) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 29 biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự D/A cho phép chuyển tín hiệu trong miền tần số sang miền thời gian, công thức tín hiệu phát trong miền thời gian được viết như sau: Phương trình (1.2) có thể viết lại như sau: trong đó tần số của các sóng mang thành phần là fn = Ts n , n=0,1,…N-1. Sau đó, tín hiệu x(t) được đưa qua bộ điều chế nâng tần để trở thành tín hiệu phát và truyền qua kênh truyền tới máy thu.Tín hiệu phát và băng thông của các kênh thành phần được trình bày như sau: trong đó x(n) là dạng tín hiệu điều chế; fn =n∆f , n =0,1, 2,...,(N-1): là tần số của các sóng mang điều chế thành phần thứ n; βn là pha tín hiệu điều chế; ∆f là khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang liên tiếp nhau, ∆f =1/TFFT, TFFT là chu kỳ ký hiệu OFDM, TFFT=NTb,Tb là độ rộng bít dữ liệu. Xét hệ thống đa người dùng (K người dùng), từng chuỗi tín hiệu số đi vào được chia thành M đường song song, ký hiệu d(m) để điều chế dịch pha số M-PSK hoặc điều chế số M- QAM với từng sóng mang thành phần, giả thiết rằng xác suất khôi phục tín hiệu của bit 1 và bit – 1 là như nhau, kênh truyền có nhiễu cộng trắng phân bố Gauss AWGN,chọn tần số phát thứ n là fn; fn = n / NTb , khi đó dạng tín hiệu của người dùng thứ k được viết lại như sau: Hay là: (1.5) Sau khối IFFT, chu kỳ tín hiệu OFDM băng gốc được chèn thêm khoảng bảo vệ TGI,chèn đoạn bảo vệ giao thoa đầu khung và cuối khung ký hiệu TFT để tạo thành dạng phổ tín hiệu như hình (1.2 ). (1.2) (1.3) (1.4) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 30 Hình 1.2:Dạng khung tín hiệu trong một chu kỳ OFDM Xét trong một chu kỳ tín hiệu OFDM là T=TFFT+TGI+TFT thì tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc ở đầu ra của bộ chuyển đổi số sang tương tự công thức (1.4) được viết lại đầy đủ theo thời gian như sau: trong đó: T là độ dài ký hiệu OFDM; TFFT là thời gian FFT; TGI là thời gian bảo vệ; TFT là thời gian bảo vệ giao thoa đầu và cuối khung; ∆f =1/TFFT là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang; N là độ dài FFT hay còn gọi là số điểm FFT; k là chỉ số về ký hiệu được truyền; xi,k là véc-tơ tín hiệu điều chế của sóng mang con thứ i trong ký hiệu OFDM thứ k;i∈{-N/2, -N/2+1, -1, 0, +1, …., -N/2}; w(t) là hàm tín hiệu xung dạng hình chữ nhật được biểu diễn như công thức sau: Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế nâng tần và khuếch đại công suất cao được xác định như sau: (1.6) (1.7) (1.8) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 31 trong đó các ký hiệu trong công thức (1.6) được định nghĩa như trong (1.4) và w(t) được xác định theo (1.7). Tín hiệu thu OFDM ký hiệu r(t) = S(t) + n(t) xét trong điều kiện kênh truyền có nhiễu trắng AWGN có đáp ứng kênh truyền ở miền thời gian là h (t) n thì đáp ứng trong miền tần số sẽ có dạng: Bỏ qua tác động của nhiễu thì dạng rời rạc của tín hiệu thu r(n) là tích chập giữa tín hiệu phát và hàm đặc tính kênh truyền, công thức tín hiệu thu được biểu diễn như sau: trong đó: (*) là biểu diễn tích chập; x(p) là tín hiệu điều chế, H(p) là đáp ứng kênh truyền.Như vậy, tín hiệu tại ngõ ra của khối FFT sẽ là: Bộ giải điều chế được dùng để tách dữ liệu trong các chòm sao tín hiệu điều chế thu của từng kênh thành phần để khôi phục lại các luồng dữ liệu thành phần, từng luồng dữ liệu thành được đưa qua bộ biến đổi song song nối tiếp để ghép M đường dữ liệu song song thành 1 đường dữ liệu tín hiệu nối tiếp có dạng gần giống với chuỗi dữ liệu như ban đầu. Tuy nhiên, khi thực hiện chuyển đổi fuorier IFFT N điểm của { Xn } , chúng ta sẽ nhận được chuỗi giá trị phức trong miền thời gian. Vì vậy, để tạo ra chuỗi giá trị thực, cần tạo ra Ñ= 2N ký tự, { Xn } trong công thức (1.1) được viết như sau: thực hiện biến đổi IFFT Ñ điểm của chuỗi {Xn} để tạo ra chuỗi giá trị thực: (1.10) (1.9) (1.11) (1.12) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 32 1.1.3 Tính Trực Giao (Orthogonality): a) Trực giao trong miền thời gian: Băng tần hệ thống đa sóng FDM được chia thành N dải tần con (sub-band) sắp xếp liên tiếp nhau, mỗi dải tần con được đặt cách nhau một khoảng tần số để ngăn ngừa can nhiễu giữa các tín hiệu trong dải tần kế cận. Trong hệ thống OFDM, dải thông của hệ thống có thể sử dụng một cách hiệu quả hơn nếu phổ của các dải tần con được ghép chồng lên nhau, bằng cách sử dụng các sóng mang trực giao và phương pháp giải điều chế kết hợp, dữ liệu ban đầu có thể được khôi phục nguyên vẹn. Hình 1.3 minh họa hiệu quả sử dụng băng thông giữa hai hệ thống FDM và OFDM. Hình 1.3: Mô hình khái niệm tín hiệu OFDM: (a) Kỹ thuật đa sóng mang thông thường (FDM) (b) Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu được truyền một cách hoàn hảo qua kênh truyền và được tách ra ở máy thu mà không gây nhiễu xuyên kênh. Việc truyền mất tính trực giao sẽ tạo ra sự chồng lắp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu. Trong miền tần số, hầu hết các hệ thống FDM đều có tính trực giao vì mỗi tín hiệu được đặt cách nhau trên trục tần số để ngăn chặn xuyên kênh. Kỹ thuật OFDM được gọi là một dạng đặc biệt của kỹ thuật FDM. Các sóng mang con trong một ký hiệu OFDM được đặt gần nhau mà vẫn giữ được tính trực giao giữa chúng. OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách chia các tín hiệu mang thông tin riêng biệt vào mỗi sóng mang thành phần khác nhau. Tín hiệu OFDM bao gồm các hàm sin cơ bản, mỗi hàm tương ứng với một sóng mang. Tần số ở băng tần gốc của mỗi sóng mang được chọn bằng số nguyên lần của gía trị nghịch đảo thời gian của một ký hiệu. Do đó, tất cả các sóng mang đều có số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký hiệu. Kết quả biểu diễn trong miền tần số là các sóng mang trực giao với nhau. (1.13) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 33 Hình 1.4 mô tả cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang thành phần.Tập hợp các hàm sẽ trực giao với nhau nếu chúng thỏa điều kiện trong phương trình (1.6). Nếu 2 hàm bất kỳ trong tập hợp các hàm trực giao khi nhân với nhau và lấy tích phân trong khoảng thời gian một chu kỳ, kết quả sẽ bằng không. Khi xem xét bộ thu kết hợp tương ứng cho từng hàm trực giao trong các hàm trực giao khi bộ thu được. Kết quả các hàm trực giao trong tập hợp sau khi lấy tích phân đều bằng không và do đó không gây ảnh hưởng. Hình 1.4: Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM (1.14) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 34 (1a), 2(a), (3a), (4a) mô tả 4 sóng mang thành phần riêng lẻ (tương ứng với 1, 2, 3, 4 chu kỳ trong một ký hiệu). Pha của tất cả các sóng mang thành phần đều bằng không. Chú ý rằng mỗi sóng mang thành phần có số nguyên lần chu kỳ trên mỗi ký hiệu. (1b), (2b), (3b), (4b) mô tả biến đổi FFT của hình (a) tương ứng. (5a), (5b) mô tả tổng của 4 sóng mang thành phần. Phương trình (1.7) mô tả 1 tập các hàm trực giao chuẩn, đây chính là các sóng mang cho một tín hiệu OFDM thực trước khi điều chế. trong đó f0 là khoảng cách giữa các sóng mang, N là số sóng mang, T là chu kỳ 1 ký hiệu OFDM. Thành phần tần số cao nhất là Nf0 cho nên dải tần truyền dẫn cũng là Nf0. Nếu các sóng mang thành phần trực giao nhau thì chúng phải thỏa phương trình (1.16). Ta có: Khi n ≠ m , (n+m) và (n-m) là các số nguyên khác không nên các hàm cos 2pi (n − m) f0 và cos 2pi (n + m) f0 nhận được các giá trị lần lượt bằng nhau trong đoạn [t0, t0 + T] . Do đó kết quả tích phân sẽ bằng không. Khi n=m, tích phân trên bằng T/2. Vì vậy, nếu các sóng mang được đặt cách nhau một khoảng f0=1/T trên trục tần số,chúng sẽ trực giao với nhau. Những sóng mang trực giao với nhau vì khi ta nhân bất kỳ 2 sóng mang và lấy tích phân trong thời gian một ký hiệu, kết quả đều bằng không. Nhân hai sóng sin với nhau cũng giống như là trộn các sóng này lại với nhau. Điều này dẫn đến thành phần tần số tổng và hiệu luôn luôn là số nguyên lần tần số f0. Bởi vì hệ thống tuyến tính theo thời gian nên ta có thể lấy tích phân từng thành phần rồi cộng lại. Hai thành phần sau khi trộn có số nguyên lần chu kỳ trong một chu kỳ ký hiệu nên tích phân của các thành phần này bằng không, do đó tổng của hai tích phân bằng không. Kết quả là ta đã chứng minh được các sóng mang thành phần trực giao. b) Trực giao trong miền tần số: Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung Delta Dirac tại các tần số sóng mang. Phổ của xung hình chữ nhật bằng 1 trong khoảng thời gian ký hiệu và bằng 0 tại vị trí khác. Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là hàm sinc(pi fT). Hình dạng của hàm sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao giảm dần so với các tần số cách xa trung tâm. Mỗi sóng mang thành phần có một đỉnh biên độ cao nhất tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của gía trị tần số (f=1/T). Hình 1.5 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM. (1.15) (1.16) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 35 Hình 1.5: Đáp ứng tần số của các sóng mang thành phần (a) Mô tả phổ của mỗi sóng mang thành phần và mẫu tần số rời rạc được “nhìn” thấy của bộ thu OFDM. (b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của cả 5 sóng mang thành phần (đường tô đậm). Tính trực giao là kết quả xác định biên độ đỉnh của mỗi sóng mang thành phần tương ứng và các giá trị không của tất cả các sóng mang thành phần khác. Tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình vẽ 1.5(a), mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu được lấy mẫu tại các giá trị ‘o’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các sóng mang thành phần không ảnh hưởng tới bộ thu. Giá trị Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 36 đỉnh đo được tương ứng với giá trị “null” của tất cả các sóng mang thành phần khác, từ đó suy ra tính trực giao giữa các sóng mang thành phần. 1.1.4 Nhiễu Xuyên Ký Tự ISI Và Xuyên Kênh ICI: Trong môi trường vô tuyến đa đường, một ký hiệu được truyền đến máy thu qua nhiều đường khác nhau. Đối với kênh tán xạ thời gian, chu kỳ của ký hiệu nhận được sẽ bị trải rộng ra, làm cho ký hiệu nhận được hiện tại chồng lấp với ký hiệu nhận được trước đó và dẫn đến ISI (inter symbol interference). Trong OFDM, tham số ISI dùng để chỉ đến nhiễu của một ký hiệu OFDM hiện tại với các ký hiệu trước đó. Như đã trình bày, trong hệ thống OFDM, phổ của các sóng mang thành phần chồng lấp nhau nhưng vẫn giữ được tính trực giao với nhau. Nghĩa là tại điểm mà phổ của mỗi sóng mang thành phần đạt cực đại, tất cả phổ của của các sóng mang thành phần khác là zero. Máy thu lấy mẫu các ký hiệu dữ liệu trên các sóng mang thành phần riêng lẻ tại điểm cực đại này và giải điều chế chúng mà không bị nhiễu từ các sóng mang thành phần khác. Khi mất tính trực giao thì xuất hiệu nhiễu. Nhiễu gây ra bởi các ký hiệu dữ liệu trên các sóng mang thành phần kề nhau được gọi là ICI (intercarrier interference). Tính trực giao của một sóng mang thành phần với các sóng mang thành phần khác bị mất nếu sóng mang thành phần này có giá trị phổ không bằng zero tại các tần số của các sóng mang thành phần khác. Trong miền thời gian, sóng sin tương ứng không còn là một số nguyên lần so với chu kỳ ký hiệu trong một khỏang thời gian FFT. ICI xảy ra khi kênh đa đường biến đổi trong khoảng thời gian của một ký hiệu. Khi điều này xảy ra, dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra một độ lệch tần số trên các sóng mang thành phần, dẫn đến mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng có thể xảy ra khi một ký hiệu OFDM bị ISI. Tình huống này có thể được quan sát trong miền thời gian mà ở đó, số nguyên lần chu kỳ của mỗi sóng mang thành phần trong một một chu kỳ FFT của ký hiệu hiện tại không còn được duy trì do sự dịch chuyển pha của ký hiệu trước đó. Cuối cùng, bất kỳ một độ lệch nào giữa các tần số của các sóng mang thành phần trong cả máy phát lẫn máy thu cũng đều gây ra ICI cho một ký hiệu OFDM. 1.1.5 Chèn Khoảng Thời Gian Bảo Vệ: OFDM có khả năng tự khắc phục ISI vì chu kỳ ký hiệu của nó dài hơn so với các ký hiệu dữ liệu trong luồng dữ liệu nối tiếp. Đối với một máy phát OFDM có N sóng mang thành phần, nếu chu kỳ của một ký hiệu dữ liệu là T′ , chu kỳ của một ký hiệu OFDM tại ngỏ ra máy phát là: T sym =T’N (1.17) Vì thế, nếu trải trễ (delay spread) của một kênh đa đường lớn hơn T′ nhưng nhỏ hơn T sym , các ký hiệu dữ liệu trong luồng dữ liệu nối tiếp sẽ bị ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số trong khi ký hiệu dữ liệu trên mỗi sóng mang thành phần sẽ bị ảnh hưởng chỉ bởi fading phẳng. Hơn nữa, để tăng khả năng khắc phục ISI, một khỏang thời gian bảo vệ (guard time) được chèn vào đầu mỗi ký hiệu OFDM trước khi truyền và loại bỏ nó tại máy thu trước khi đưa qua bộ FFT. Nếu khỏang thời gian bảo vệ được chọn lớn hơn trải trễ, ISI có thể được loại bỏ hoàn toàn. Hình 1.6 minh họa khái niệm chèn khỏang thời gian bảo vệ để loại bỏ ISI cho một ký hiệu OFDM. Trong hình 1.6a, một ký hiệu OFDM nhận được từ đường thứ nhất bị gây nhiễu bởi ký hiệu OFDM trước đó nhận được từ đường thứ hai và thứ 3. Trong hình 1.6b chỉ ra rằng ký hiệu OFDM nhận được từ đường thứ nhất không còn bị nhiễu bởi ký hiệu OFDM trước đó. Tuy nhiên, ký hiệu nhận được vẫn còn bị nhiễu bởi chính phần sao chép của nó và ta gọi loại nhiễu này là loại tự gây nhiễu (self-interference). Để giữ được tính trực giao giữa các sóng mang thành phần, khoảng thời gian bảo vệ được chèn vào bằng cách mở rộng theo chu kỳ một ký hiệu OFDM. Nếu trải trễ nhỏ hơn khoảng thời gian bảo vệ, trải trễ chỉ gây ra một độ dịch pha sai số nhỏ cho mỗi sóng mang thành phần nhưng Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 37 không phá vỡ tính trực giao giữa các sóng mang thành phần.Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ có thể thực hiện trong hai cách: 1. Trích một phần cuối của một ký hiệu OFDM và gắn nó vào đầu ký hiệu OFDM. 2. Trích một phần cuối của một ký hiệu OFDM và gắn nó vào đầu ký hiệu OFDM, và cùng lúc đó trích một phần đầu của ký hiệu OFDM và gắn nó vào cuối ký hiệu OFDM. Hình 1.6: Các ký hiệu OFDM nhận được sau khi đi qua một kênh đa đường: (a) không có khoảng thời gian bảo vệ , (b) có khoảng thời gian bảo vệ Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 38 Với cùng chiều dài khoảng thời gian bảo vệ, phương pháp 1 cho ta một độ chịu đựng trải trễ cực đại vì toàn bộ khoảng thời gian bảo vệ đều được dùng để loại bỏ ISI.Phương pháp 2 chỉ dùng một phần khoảng thời gian bảo vệ (phần đặt ở đầu của một ký hiệu OFDM) để giảm ISI. Phương pháp 2 thích hợp hơn khi cửa sổ được dùng trên một ký hiệu OFDM để giảm phổ ngoài băng vì các vùng roll-off tại hai đầu cuối của ký hiệu không làm suy giảm các ký hiệu dữ liệu trên các sóng mang thành phần. 1.1.6 Các Tham Số Chính Của Hệ Thống OFDM: Từ hai tham số chính biết trước của một kênh truyền có tốc độ truyền dữ liệu là R và trải trễ là τ , các thông số của một hệ thống OFDM có thể được xác định như sau: -Khoảng thời gian bảo vệ TGI nên chọn ít nhất gấp hai lần trải trễ τ : 2τ ≤TGI ≤TFFT (1.18) - Để giảm thiểu tỉ số SNR bị mất do chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ, khoảng thời gian ký hiệu nên được chọn lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ rất nhiều. Tuy nhiên, các ký hiệu với khoảng thời gian dài quá thì dễ bị dịch Doppler, nhiễu pha và lệch tần số (frequency offset). Do đó, khoảng thời gian ký hiệu OFDM Tsym nên được chọn ít nhất là gấp 5 lần khoảng thời gian bảo vệ: 5 T GI ≤T sym (1.19) -Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang thành phần kề nhau là: ∆ f =1/ Tsym (1.20) -Số bit tín hiệu trên một ký hiệu OFDM Binfo là: B info = RTsym (1.21) -Số sóng mang thành phần N là: N = Binfo / Rsub (1.22) trong đó Binfo và số bit trên 1 ký hiệu, Rsub số bít trên một sóng mang thành phần, Rsub thay đổi theo mức điều chế, Rsub = log2M . -Băng thông tín hiệu OFDM được xác định như sau: BW = N∆f (1.23) Nhận xét: -Tăng khoảng thời gian ký hiệu làm giảm khoảng cách tần số giữa các sóng mang thành phần. Vì thế, với một băng thông cho trước, việc tăng số sóng mang thành phần có thể được thực hiện. Mặc khác, cho trước số lượng sóng mang thành phần, việc tăng khoảng thời gian ký hiệu sẽ làm giảm băng thông tín hiệu. -Tăng số sóng mang thành phần làm tăng số mẫu trên một ký hiệu OFDM. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là khoảng thời gian ký hiệu tăng lên. Nếu khoảng thời gian ký hiệu vẫn giữ nguyên, khoảng thời gian giữa hai mẫu sẽ giảm, nghĩa là làm tăng băng thông tín hiệu OFDM. Mặc khác, nếu băng thông tín hiệu OFDM là cố định, khi tăng số sóng mang thành phần sẽ làm giảm khoảng cách tần số giữa hai sóng mang thành phần, dẫn đến tăng khoảng thời gian ký hiệu. Khoảng thời gian giữa hai mẫu vẫn giữ nguyên trong trường hợp này. 1.2.KỸ THUẬT KẾT HỢP OFDM VÀ CDMA: 1.2.1 Giới Thiệu: Kỹ thuật trải phổ CDMA có khả năng khắc phục được fading lựa chọn tần số, ứng dụng trong thông tin thương mại, sử dụng trong các hệ thống thông tin di động tế bào CDMA IS-95, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) CDMA2000,WCDMA. Mặc khác, kỹ thuật điều chế trực giao đa sóng mang OFDM cũng có khả năng khắc phục được fading lựa chọn tần số. Vì vậy khi kết hợp hai hệ thống OFDM và CDMA để xây dựng hệ thống thông tin di động OFDM- CDMA, sẽ khắc phục được ảnh hưởng của loại fading. Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 39 Năm 1993, hệ thống thông tin di động điều chế đa sóng mang MC-CDMA hay còn gọi là OFDM-CDMA đã được đề xuất dựa theo sự kết hợp giữa hệ thống OFDM và CDMA). Năm 2002, hệ thống MC-CDMA được chọn là một trong số các công nghệ chính để xây dựng các lớp giao thức vật lý cho các hệ thống thông tin di động 4G. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) có yêu cầu rất cao về tốc độ truyền dẫn dữ liệu, Công nghệ OFDM sẽ đáp ứng được yêu cầu này. Trong phần này trình bày về các đặc tính của hệ thống OFDM-CDMA. 1.2.2 Mô Hình Hệ Thống Thu Phát Tín Hiệu OFDM-CDMA: a) Sơ đồ khối hệ thống thu phát tín hiệu OFDM-CDMA: Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao ghép theo tần số OFDM khắc phục được ảnh hưởng fading lựa chọn tần số nhưng lại có một số nhược điểm như khó đồng bộ giữa các sóng mang con, nhạy với dịch tần số và khuếch đại phi tuyến. CDMA cũng có khả năng khắc phục được fading lựa chọn tần số, bảo mật cao, giảm mật độ công suất nhiễu.Việc kết hợp giữa OFDM và CDMA đã làm tăng thêm các ưu điểm chính của hệ thống thông tin di động OFDM-CDMA như sau: -Có khả năng hạ thấp tốc độ truyền ký hiệu trong mỗi sóng mang con, điều này rất thuận lợi cho việc thu một tín hiệu cận đồng bộ ở đường lên.Có thể kết hợp một cách hiệu quả năng lượng của tín hiệu thu bị tán xạ trong miền tần số.Đặc biệt đối với các trường hợp truyền dẫn tốc độ cao, kênh fading đa đường, có thể có tới 20 đường tín hiệu đến một máy thu DS-CDMA, bộ kết hợp Rake 20-finger không thể được thực hiện trong máy thu DS-CDMA, ngược lại một máy thu OFDM-CDMA sẽ có hiệu quả cao hơn trong trường hợp này mặc dù phải mất phần năng lượng của tín hiệu thu trong khoảng bảo vệ (Guard Interval). Hình 2.1. Hệ thống thông tin di động OFDM-CDMA Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 40 b) Phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong máy phát tín hiệu trải phổ đa song mang OFDM-CDMA: Máy phát OFDM-CDMA thực hiện trải phổ tín hiệu trong miền tần số. Một phần của ký hiệu tương ứng với một chíp của mã trải phổ sẽ được truyền trên từng sóng mang khác nhau. Đối với việc truyền dẫn đa sóng mang, các ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số sẽ được chuyển thành fading phẳng trên mỗi sóng mang con. Vì thế, khi truyền tốc độ ký hiệu lớn và bị ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, tín hiệu cần được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trước khi trải phổ trong miền tần số. Cấu trúc cơ bản của một máy phát OFDM-CDMA tương tự với máy phát OFDM. Điểm khác nhau chính là OFDM-CDMA truyền cùng một ký hiệu qua các sóng mang con khác nhau, trong khi OFDM truyền các ký hiệu khác nhau qua các sóng mang con khác nhau. Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống thu phát thông tin di động OFDM-CDMA cho người dùng thứ j sử dụng điều chế OFDM. Chuỗi thông tin ngỏ vào đầu tiên được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (a j,0(i), a j,1(i), ..., aP−1(i )) và mỗi ngỏ ra của bộ chuyển đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ định dạng kênh dj(m) với chiều dài LS= K MC . Sau đó P chuỗi dữ liệu song song được chuyển lại thành một chuỗi dữ liệu nối tiếp, chuỗi nối tiếp này lại được nhân với mã trải phổ ngẫu nhiên cj(m) có chiều dài (LL) lớn hơn nhiều so với K MC . Dữ liệu trải phổ được ánh xạ vào KMC sóng mang con thông qua KMC điểm IFFT, cuối cùng khoảng bảo vệ ∆G được chèn giữa các ký hiệu OFDM để khắc phục ISI trên kênh fading đa đường. Dạng tín hiệu phát băng gốc phức tương đương được viết lại như sau: trong đó dj(m) và cj(m) được chuẩn hóa như sau: Hơn nữa, từ (2.2) đến (2.3), T′s là chu kỳ ký hiệu, ∆f ′ là khoảng cách giữa hai sóng mang con liên tiếp và ps(t) là dạng xung tam giác được định nghĩa như sau: Băng thông của tín hiệu phát được viết lại như sau: (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) Long Term Evolution 3G to 4G Nhóm 8 41 trong đó γ là hệ số mở rộng băng thông kết hợp với việc chèn khoảng bảo vệ. c) Phân tích quá trình xử lý tín hiệu trong máy thu tín hiệu trải phổ đa song mang MC- CDMA: Hình 2.1 chỉ ra máy thu OFDM-CDMA, dạng sóng tín hiệu thu cho người dùng thứ j′ được viết lại như sau: trong đó zm, p, j(t) là đường bao phức thu được tại sóng mang thứ (Pm + p) của người dùng thứ j. Tín hiệu thu được đầu tiên được đưa qua bộ biến đổi FFT PKMC điểm. Sau khi giải trải phổ với các mã dài và mã ngắn, các thành phần sóng mang con thứ m được nhân vớiG j′ (m) để kết hợp năng lượng của tín hiệu thu bị tán xạ trong miền tần số. Biến quyết định cho người dùng thứ j tại t=iTs được viết lại như sau: trong đó yp′, i(m ) và nm, p’ (iT′s) tương ứng là thành phần băng gốc phức của tín hiệu thu và nhiễu Gaussian phức tại sóng mang con (Pm + p′) tại thời điểm t = iT′s . Trong thông tin di động OFDM-CDMA thường sử dụng kỹ thuật kết hợp (combining) ở đường xuống và kỹ thuật dò tín hiệu đa người dùng (multiuser detection) ở đường lên.Trên đường truyền sóng hướng xuống các mẩu tín hiệu gần như cân bằng nhau tức là: (z m