i
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến
triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên
internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền
thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính
của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới
hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của
các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những
dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là
một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này.
Sự ra đời của hệ thống WIMAX đã mang lại một cuộc cách mạng cho hệ
thống vô tuyến và mạng internet trên toàn thế giới. Hệ thống WIMAX đã đáp ứng
được các nhược điểm của mạng vô tuyến truyền thống. Nhờ vào kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM, hệ thống WIMAX đã tiết kiệm được băng
thông một cách đáng kể.
Ngoài ra trong những năm gần đây, sự bùng nổ của mạng vô tuyến, khả năng
liên lạc vô tuyến gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện
thoại di động và một số thiết bị khác. Với tính năng ưu việt về kết nối và khả năng
đáp ứng của nhu cầu ngày càng cao của con người, hệ thống WIMAX đóng vai trò
quan trọng trong sự phát triển thông tin.
Từ những ưu điểm của OFDM và của hệ thống WIMAX trong tương lai, em
thực hiện đề tài “TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
CÔNG NGHỆ WIMAX”.
Nội dung của đồ án được chia thành 3 chương :
Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Trong chương này giới thiệu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM. Trình
bày các đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM.

………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
iv
NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

2.5.4 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 29
2.7.1 Ưu điểm 32
2.8.2 Các mạng công cộng 34
3.1 GI I THI U K THU T OFDMAỚ Ệ Ỹ Ậ 37
3.2 C I M C A OFDMAĐẶ Đ Ể Ủ 37
3.5 I U CH THÍCH NGHIĐ Ề Ế 42
vi
3.6 I U KHI N CÔNG SU TĐ Ề Ể Ấ 43
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
MỞ ĐẦU i
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x
CHƯƠNG 1 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1
1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 9
1.6 NGUYÊN LÝ GI I I U CH OFDM Ả Đ Ề Ế 11
1.7 C TÍNH KÊNH TRUY N TRONG K THU T OFDMĐẶ Ề Ỹ Ậ 12
1.7.1 Sự suy hao 12
1.7.2 Nhiễu AWGN 12
1.7.3 Trải trễ 13
1.7.4 Dịch Doppler 13
1.8 NH H NG C A FADING A NG TRONG OFDMẢ ƯỞ Ủ Đ ĐƯỜ 13
1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường 13
1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI 14
1.9 B O V CH NG L I NH H NG FADING A NGẢ Ệ Ố Ạ Ả ƯỞ Đ ĐƯỜ 15
1.9.1 Tiền tố lặp CP 15
CHƯƠNG 2 19
ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 19

Hình 1.7 Sự trực giao trong tín hiệu OFDM
Hình 1.8 Sơ đồ bộ điều chế OFDM
Hình 1.9 Xung cơ bản
Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM
Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM
Hình 1.12 Tín hiệu OFDM và nhiễu
Hình 1.13 Nhiễu liên ký tự ISI
Hình 1.14 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
ix
Hình 1.15 Mô tả tiền tố lặp
Hình 1.16 Tín hiệu OFDM khi có CP
Hình 2.1 Cấu trúc phân lớp của WIMAX
Hình 2.2 Phân lớp của WIMAX so với mô hình OSI
Hình 2.3 Mô hình hệ thống WIMAX
Hình 2.4 Mô hình ứng dụng cố định
Hình 3.1 ODFM và OFDMA
Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA
Hình 3.3 Cấu trúc sóng mang con
Hình 3.4 Ký hiệu OFDMA trong WiMAX
Hình 3.5 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1
bước nhảy với 4 khe thời gian.
Hình 3.6 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau
Hình 3.7 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA
Hình 3.8 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA
Hình 3.9 Điều chế thích nghi
x
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Từ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADSL Asymmetric Digital Subscriber
Line

LDPC Low Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập
MIMO Multiple Input Multiple Output Phân tập thu phát
NLOS Non Line of sight Không theo tầm nhìn thẳng
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RF Radio frequency Tần số vô tuyến
SNR Signal to Noise Rate Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SS Subscriber Stations Máy thu
TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WIMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập viba
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây
WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng đô thị không dây
xii
Network
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT OFDM

mẫu tín hiệu có độ dài là:

1
SC
T
B
=
(1.1)
Kí hiệu : T
sc
là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s).
B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz).
Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
Phổ tín hiệu của hệ thống được mô tả như ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ
thống được điều chế trên sóng mang là f
0
. Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh
vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc độ lấy
mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu T
sc
sẽ rất nhỏ. Do vậy,
phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau:
• Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa
đường đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giải thích như sau: giả
thiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh là
axm
τ
, tỷ số tương đối giữa trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu T
sc

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép
kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống
được chia làm
2 1
C
N L= +
kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

s
C
B
f
N
=
(1.3)
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
b)
Mật độ phổ
năng lượng
Tần số
4
Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn
C
N
lần
so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

( ) ( )
1

• Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency
selectivity effect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được
chia ra làm nhiều kênh phụ.
• Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm.
Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhược điểm cơ
bản:
• Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time
selectivity).Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự
biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín
hiệu.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
b)
5
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ
được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất sử
dụng phổ. Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa
được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế
đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.
1.2.3 Phương pháp điều chế theo tần số trực giao OFDM
Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều
chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang con được lựa chọn sao cho
mỗi sóng mang con là trực giao với các sóng mang con còn lại. Nhờ sự trực giao này
phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau. Điều này làm hiệu quả
sử dụng phổ của hệ thống tăng lên rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh
con được mô tả như hình 1.3:

Hình 1.3 Phổ tín hiệu của hệ thống các kênh con
a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1 kênh con

Chèn
chuỗi
bảo vệ
Biến đổi
số -
tương tự
Kênh
truyền
Biến đổi
tương
tự-số
Tách
chuỗi
bảo vệ
IFFT
Cân
bằng
kênh
Giải điều
chế ở băng
tần cơ sở
Data
AWGN
7
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Tổng quan hệ thống OFDM được mô tả như ở hình 1.5. Nguồn tín hiệu là một
luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như
QPSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu
sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và được
chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua

Trong toán

học, số hạng trực giao

có

được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo

định nghĩa, hai vector

được gọi là trực giao với nhau

khi

chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 90
0
) và

tích

của 2 vectơ

là

bằng

0.
Hình 1.6 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

{ }
l
a
lại được điều chế thành
mẫu của tín hiệu phức đa mức
nk
d
,
, n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời
gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian
ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.
Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường sử dụng là M-QAM,
QPSK…
Các mẫu tín hiệu phát
nk
d
,
được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi
sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với
hàm phức e
jL
s
ω
t
,
làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau.Tín hiệu sau khi
nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn
như sau
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Xung cơ

a
,
Li
a
−,
Lk
d
+,
nk
d
,
Lk
d
−,
m’(t)
m(t)
10
m
’
k
(t)=
∑
+
−=
−
L
Lm
tj
nk
s

s
ekTtSd
ω
)(
'
,
(1.7)
Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống
nhiễu xuyên kí hiệu ISI.
1.5.3 Phép nhân với xung cơ bản
Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân
với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp
với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng
kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác.Trong OFDM, tín hiệu
trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một
mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi
chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là T
S
+ T
G
.
Hình 1.9 Xung cơ bản
Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise
cosine filter).
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
S(t)
T
S
-T
G

Giải điều
chế
Giải điều
chế
X
X
X
e-
jL
s
ω
t
e
jn
s
ω
t
e
jL
s
ω
t

Lk
d
,
^

nk
d

^
12
Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM
Tùy theo độ dài của chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
cũng như là điều kiện của kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ
thuộc thời gian) ta sẽ có kết quả khác nhau sau khi giải điều chế.
1.7 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM
1.7.1 Sự suy hao
Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm
khác. Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa
đường. Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt
để tối thiểu số lượng vật cản. Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi
công suất tín hiệu chậm. Vì thế, nó còn được gọi là fading chậm.
1.7.2 Nhiễu AWGN
Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng
thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian
là nhiễu cộng. Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện
gây ra là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh
truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu
hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác
động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại
nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
13
1.7.3 Trải trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực
tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường. Trong
thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín
hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng
khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn