kl ha thanh tan 2015 621 3

Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO-OFDM dùng trong mạng LTE, qua đó chúng ta sẽ biết được kỹ thuật này cải thiện chất lượng của mạng LTE như thế nào...

TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE

Giới thiệu chung

LTE là thế hệ thứ tư phát triển lên từ chuẩn UMTS do 3GPP thực hiện UMTS là thế hệ thứ ba dựa trên kỹ thuật trải phổ WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Với sự gia tăng nhanh chóng về nhu cầu sử dụng thông tin di động tốc độ cao nên 3GPP quyết định phát triển lên công nghệ LTE Mục tiêu đặt ra cho LTE là tăng tốc độ và dung lượng truyền tải dữ liệu thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

LTE không chỉ là công nghệ kế tiếp của UMTS mà còn của CDMA 2000

LTE trong tương lai là rất cần thiết bởi vì nó sẽ mang lại hiệu suất cải thiện gấp

50 lần các mạng di động trước đó,qua đó đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày càng tăng

LTE sử dụng cả 2 chế độ Time Division Duplex (TDD) và Frequency Division Duplex (FDD) Trong FDD, đường lên và đường xuống sử dụng tần số khác nhau, trong khi ở TDD cả đường lên và đường xuống sử dụng cùng các sóng mang nhưng trong những khe thời gian khác nhau

LTE hỗ trợ băng thông cung cấp dịch vụ linh hoạt LTE được thiết kế với một băng tần rộng từ 1,4 MHz đến 20 MHz.[1]

Tất cả các giao diện giữa các nút mạng trong LTE hiện nay là dựa trên IP Qua đó giúp đơn giản hơn nhiều so với các công nghệ trước đó dựa trên E1 / T1, ATM và liên kết Frame Relay, với nhược điểm chung là băng thông hẹp và đắt tiền

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân

Kiến trúc mạng LTE

Kiến trúc mạng LTE gồm 3 phần chính, đó là : khối UE, khối E-UTRAN và EPC Kiến trúc LTE được mô tả như hình 1.1 dưới đây

Hình 1.1 Kiến trúc mạng LTE 1.2.1 Thiết bị người dùng UE Ở đây chỉ đơn giản là những thiết bị mà người dùng sử dụng để đáp ứng nhu cầu về thông tin di động

1.2.2 Truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN

Khối truy nhập vô tuyến mặt đất E-UTRAN được mô tả như hình 1.2

Chức năng của khối truy nhập vô tuyến mặt đất này là xử lý các thông tin liên lạc vô tuyến giữa điện thoại di động và các trạm gốc eNB thông qua giao diện vô tuyến

Uu Giao diện Uu này là giao diện không dây duy nhất của mạng UMTS và được sử dụng trong mạng LTE Giao diện Uu này được dùng để gửi yều cầu từ UE đến các trạm eNB

Các trạm gốc eNB trong khối E-UTRAN này là các trạm BTS được tăng cường cung cấp giao diện không gian cho LTE và quản lý tài nguyên hệ thống

Các trạm này được kết nối với nhau bằng giao diện X2 Chức năng của các giao diện X2 này là hỗ trợ di động tăng cường, quản lý nhiễu giữa các cell

Các eNB này còn liên kết với khối EPC qua phương tiện của giao diện S1 Chức năng của giao diện này là mang theo dữ liệu giao tiếp và báo hiệu từ trạm eNB đến khối EPC

1.2.3 Hệ thống mạng lõi EPC

Hình 1.3 bên dưới thể hiện mô hình của khối EPC

Hình 1.3 Hệ thống mạng lõi EPC

Các PDN Gateway (P-GW) cung cấp kết nối di động cho các thiết bị UE với các mạng dữ liệu gói bên ngoài (PDN) thông qua giao diện SGi, giao diện này là điểm trao đổi thông tin giữa 2 thành phần P-GW và PDN bên ngoài

HSS: thành phần dữ liệu trung tâm có chứa thông tin về tất cả các thuê bao của các nhà khai thác mạng

Các cổng phục vụ (S-GW) hoạt động như một bộ định tuyến, và chuyển tiếp dữ liệu giữa các trạm cơ sở và các PDN Chức năng như cổng liên kết và truyền tải dữ liệu vô tuyến ở các trạm eNB trong E-UTRAN với mạng lõi thông qua P-GW bằng giao diện S5/S8 Giao diện S5 sẽ được sử dụng khi hai thiết bị di động cùng mạng, ngược lại S8 được sử dụng khi hai thiết bị khác mạng

Các đơn vị quản lý di động (MME) kiểm soát các hoạt động sử dụng dữ liệu di động ở E-UTRAN của người dùng điện thoại di động (UE) bằng tin báo hiệu HSS đồng thời làm nhiệm vụ bảo mật cho người dùng Các MME này sử dụng giao diện S10, giao diện này là điểm trao đổi dữ liệu giữa các MME với nhau

Các giao diện kết nối khác được sử dụng trong hệ thống mạng lõi EPC:

- S1-MME: chức năng là điểm trao đổi dữ liệu giữa các giao thức điều khiển của khối E-UTRAN và khối MME, quản lý thông tin di động được yêu cầu từ

- S1-U: chức năng là điểm trao đổi dữ liệu giữa S-GW và các trạm cơ sở gốc eNB trong khối E-UTRAN

- S11: chức năng là điểm trao đổi dữ liệu giữa khối MME và khối S-GW trong hệ thống mạng lõi EPC

KỸ THUẬT OFDM TRONG MẠNG LTE

Tổng quan về OFDM

Kỹ thuật Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) nghĩa là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, là phương pháp điều chế đa sóng mang, trong kỹ thuật này, tín hiệu được truyền đi trên nhiều sóng mang con có băng tần nhỏ và trực giao với nhau Nhờ tính trực giao này, phổ của các song mang con có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại dễ dàng Hình 2.1 mô tả kỹ thuật OFDM

2.1.2 Tính chất trực giao của sóng mang

Tín hiệu được gọi là trực giao khi tín hiệu phát đi cùng lúc có thể được truyền trên nhiều sóng mang con của cùng kênh truyền mà không gây xuyên nhiễu lên nhau Với tính chất trực giao này, khi truyền trong môi trường vô tuyến đa đường sẽ giảm được rất lớn sự ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI

Tính trực giao thể hiện ở chỗ phổ tín hiệu trên miền tần số của một sóng mang nhất định, tại tần số trung tâm của sóng mang đó thì các sóng mang khác ở vị trí đó đều bằng 0, nên các sóng mang không thể tác động lên nhau

Hình 2.2 thể hiện phổ tín hiệu OFDM

Hình 2.2 Phổ tín hiệu OFDM

Kỹ thuật OFDM

Hình 2.3 mô tả sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

Theo hình 2.3, dữ liệu được đưa vào bộ điều chế tín hiệu, sau đó qua khối S/P để biến đổi các luồng dữ liệu từ nối tiếp sang song song, rồi được biến đổi IFFT, cộng thêm tiền tố lặp CP để chống nhiễu ISI, rồi qua khối P/S để biến đổi về nối tiếp rồi truyền qua các kênh truyền và chịu tac động của nhiễu trắng AWGN để đến phía thu rồi lần lượt qua các khối S/P biến đổi luồng dữ liệu nối tiếp về song song, tách CP, biến đổi FFT, qua khối P/S biến đổi về nối tiếp và giải điều chế để nhận được tín hiệu mong muốn

Hình 2.3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

Các dạng điều chế tín hiệu thường dùng trong OFDM là: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân Điều chế Binary Phase Shift Keying (BPSK) điều chế pha nhị phân, là kỹ thuật điều chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1 tương ứng sóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại) Điều chế BPSK được thể hiện như hình 2.4.[2]

Hình 2.4 Điều chế PSK Điều chế Quadature Phase Shift Keying (QPSK) là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa 2 bit thành 1 symbols Điều chế QPSK được thể hiện như hình 2.5

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân Điều chế QAM(Quadrature Amplitude Modulation ) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ của tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang sine và cosine với cùng một thành phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit

Dựa vào việc điều chế các mức tương ứng ta có 4QAM, 8QAM, 16QAM,

Số mức điều chế lớn thì lượng tin được chuyển tải càng nhiều, nên việc sử dụng băng thông hiệu quả hơn Tuy nhiên sử dụng càng nhiều mức thì lỗi bit càng cao Hình 2.6 mô tả sơ đồ chòm sao QPSK, 16QAM, 64QAM

Hình 2.6 Sơ đồ chòm sao QPSK, 16QAM, 64QAM 2.2.2Khối S/P (Serial to Parallel ) và P/S (Parallel to Serial )

Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít đầu vào từ nối tiếp thành song song Các luồng bít song song phụ thuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố các kí hiệu một cách hợp lý

Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp Hình 2.8 thể hiện khối P/S

Kỹ thuật đa sóng mang gặp nhiều khó khăn ở phần cứng khi phải tạo ra nhiều sóng mang khác nhau để phát đi Và khối FFT/IFFT này là giải pháp để khắc phục vần đề này Chức năng chính của khối này là ở phía phát, IFFT biến đổi tín hiệu phát ở miền tần số chuyển sang tín hiệu ở miền thời gian để phát đi Qua đó, các chuỗi dữ liệu được gán một tần số sao cho chúng trực giao với nhau.Ở phía thu, khối FFT sẽ chuyển đổi ngược lại từ tín hiệu ở miền thời gian về tín hiệu ở miền tần số

Do trong truyền thông vô tuyến, phải chịu tác động rất nhiều của môi trường truyền đa đường các symbol được truyền đi theo các đường khác nhau có thể đến máy thu theo thời gian rất khác nhau, độ chênh lệch về thời gian tới của các tia sóng tới máy thu (chính là độ trãi trễ) có thể quá lớn làm symbol truyền liên tiếp theo các tia sóng có thể chồng lấn lên nhau gây nên nhiễu ISI Để khắc phục vấn đề này, khối này sẽ chèn một khoảng bảo vệ ở đầu các symbol với độ rông lớn hơn độ trãi trễ

2.2.5 Khối D/A-Up converter và khối A/D- Down converter

Chuỗi ký hiệu rời rạc sau khi được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự để xử lý đưa lên tần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra ngoài không gian Ở phía thu, tín hiệu OFDM được thu từ anten sẽ được đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp Và được đưa vào bộ biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lý.

Nguyên lý hoạt động của máy thu và phát OFDM

Ở máy phát: dữ liệu vào tốc độ cao sau khi qua điều chế được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P Những symbol này được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ chuyển đổi các tín hiệu trên miền tần số sang miền thời gian Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng AWGN Ở phía thu: tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân sang miền tần số bộ biến đổi FFT Sau đó, khoảng bảo vệ CP được loại bỏ Các symbol thu được sẽ được sắp xếp lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Ứng dụng của OFDM trong LTE

Để khắc phục những ảnh hưởng của hiện tượng fading đa đường trong UMTS - công nghệ 3G trước đó, LTE được xem là bước chuyển tiếp lên công nghệ 4G, sử dụng kỹ thuật Ghép kênh và phân chia tần số trực giao (OFDM) cho đường xuống, nghĩa là truyền nhiều luồng dữ liệu từ các trạm gốc đến các thiết bị đầu cuối qua nhiều băng tần hẹp,mỗi băng tầng khoảng 180 KHz thay vì phải truyền một luồng dữ liệu ở tốc độ cao khoảng 5MHz OFDM sử dụng một số lượng lớn các sóng mang con trực giao để truyền đa sóng mang

OFDM đáp ứng các yêu cầu của LTE về sự linh hoạt, tốc độ cao và là giải pháp có tính hiệu quả về kinh tế cho các nhà cung cấp Các tài nguyên vật lý đường xuống của LTE có thể được xem như là một lưới tài nguyên thời gian- tần số, như minh họa trong hình dưới đây:

Hình 2.9 Khối tài nguyên vật lý đường xuống của LTE sử dụng OFDM

Ƣu, nhƣợc điểm của OFDM trong LTE

Trong hình 2.9, các ký tự OFDM được nhóm lại thành các khối tài nguyên Các khối tài nguyên có tổng kích thước trên miền tần số là 180 kHz và trong miền thời gian là 0.5 ms.Trong đó bao gồm 12 sóng mang con liên tiếp nhau mà khoảng cach giữa 2 sóng mang con là 15khz Mỗi khoảng thời gian truyền tải (TTI) là 1ms, tương ứng với

2 khe (Tslot = 0.5ms), mỗi khe gồm 7 ký tự OFDM Qua đó, ta biết được mỗi khối tài nguyên có 84 ký tự

2.5 Ƣu, nhƣợc điểm của OFDM trong LTE

2.5.1 Ƣu điểm của OFDM trong LTE Ưu điểm chính của OFDM là khả năng đối phó với điều kiện kênh không lý tưởng (ví dụ, sự suy giảm của tín hiệu trong môi trường và ảnh hưởng của hiện tượng fading đa đường) Mạng LTE yêu cầu đáp ứng tốc độ cao và hiệu quả sử dụng băng thông trong môi trường truyền vô tuyến nên sử dụng OFDM cho đường xuống sẽ đáp ứng được với phương pháp truyền đa sóng mang Ưu điểm thứ 2 cũng rất quan trọng đó là kỹ thuật OFDM có thể khắc phục được vấn đề mà tất cả các mạng vô tuyến đều gặp phải và mạng LTE cũng không ngoại lệ đó là kỹ thuật OFDM triệt tiêu hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI

Nhạy với độ lệch tần số: chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mật tính trực giao của các sóng mang phụ

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR rất lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N các thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha nhau chúng lại triệt tiêu làm ngõ ra bằng 0 Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn đòi hỏi bộ khuyếch đại điện tốn kém, tăng chi phí và

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân tiêu thụ pin nhanh hơn Chính nhược điểm này mà mạng LTE không sử dụng OFDM ở đường lên mà sử dụng SC-FDMA

KỸ THUẬT MIMO

Tổng quan về kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật Multiple Input Multiple Output (MIMO) là kỹ thuật truyền thông tin vô tuyến bằng cách sử dụng nhiều anten đầu vào và nhiều anten đầu ra để xử lý tín hiệu Với việc sử dụng kỹ thuật này, chất lượng hệ thống thông tin sẽ được nâng cao, giảm BER đáng kể mà không cần tăng công suất phát hay băng thông của hệ thống, tốc độ dữ liệu người dùng cũng tăng lên nhiều Hệ thống MIMO được miêu tả như hình 3.1.

Các độ lợi trong hệ thống MIMO

Có 3 độ lợi trong hệ thống MIMO, đó là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian, độ lợi phân tập

Do là truyền thông vô tuyến, vấn đề nhiễu đa đường luôn tồn tại Độ lợi này giúp hệ thống có thể truyền năng lượng bức xạ đi theo hướng mong muốn với dạng hình búp Khi truyền theo dạng búp hướng này, chúng ta có thể tăng hiệu quả công suất,

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân giảm nhiễu từ các hướng không mong muốn Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng  (thông thường là /2 ), Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp 2 độ lợi còn lai là độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập Hình 3.2 mô tả kỹ thuật beamforming

3.2.2 Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

Tận dụng các kênh truyền song song có được từ nhiều anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời tại các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống

3.2.3 Độ lợi phân tập (spatial diversity)

Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn bị ảnh hưởng của fading đa đường liên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu thu được không ổn định, phân tập nghĩa là tạo nhiều bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống

Các dạng mã hóa trong hệ thống MIMO

3.3.1 Mã hóa không gian-thời gian Alamouti

Kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian là kỹ thuật mã hóa được sử dụng để phân tập anten phát trong hệ thống MIMO Mã hóa không gian – thời gian được sử dụng trong hệ thống không dây để truyền nhiều phiên bản của một chuỗi dữ liệu thông qua nhiều anten và khai thác các phiên bản khác nhau nhận được để cải tiến độ tin cậy của việc truyền dữ liệu Thực tế rằng, tín hiệu khi truyền đi chịu tác động của các hiện tượng tán xạ, khúc xạ, phản xạ, … và cả nhiễu nhiệt ở phía thu Điều này có nghĩa là phía thu có thể nhận được 1 vài tín hiệu tốt hơn so với các tín hiệu còn lại

Các bit thông tin đầu vào qua điều chế Bộ mã hóa sau đó sẽ lấy một một khối hai ký tự điều chế s 1 và s 2 trong mỗi lần mã hóa và đưa antenna phát theo ma trận mã sau:

Trong ma trận trên, cột đầu tiên đại diện chu kỳ phát đầu tiên và cột thứ đại diện cho chu kỳ phát triển tiếp theo Hàng đầu tiên tương ứng với các symbol được phát từ antenna thứ 2 Trong suốt chu kỳ của ký tự thứ nhất, antenna đầu tiên truyền s 1 và antenna thứ hai truyền s2 Trong suốt chu kỳ của ký tự thứ 2, antenna đầu tiên truyền – s2

* và antenna thứ hai truyền s1

* là liên hiệp phức của s1 Điều này cho thấy rằng ta đã phát đi cả về không gian (trên 2 antenna) và thời gian (2 khoảng thời gian truyền).Đây gọi là mã không gian – thời gian

3.3.1.1 Mã hóa không gian-thời gian khối STBC

STBC thực hiện mã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với các hàng tương ứng các anten phát (không gian) và cột tương ứng thứ tự phát (thời gian) STBC cho phép phân tập đầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã của bộ mã, quá trình giải mã đơn giản, dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (Maximum Likelihood)

3.3.1.2 Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC

Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra một chuỗi các vector mã độc lập, thì STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa

STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng số trạng thái của lưới mã Tuy nhiên độ phức tạp của STTC cao hơn nhiều so với STBC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC

3.3.2 Mã hóa không gian-thời gian lớp VBLAST

VBLAST có thể tăng dung lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào chiều không gian do hệ thống MIMO cung cấp V-BLAST sử dụng N T anten phát và N R anten thu với

N T ≤ NR Ở phía phát, các bit của chuỗi dữ liệu gốc sẽ được sắp xếp thành các symbol và chia thành NT luồng dữ liệu con Các luồng dữ liệu con này sẽ được điều chế theo cùng một chòm sao và phát đồng thời trên NT anten Ở phía thu, mỗi anten sẽ thu tín hiệu từ N T anten phát, các tín hiệu thu được từ N R anten sẽ được xử lý bằng giải thuật VBLAST như Zero-Forcing hay MMSE để trả lại dữ liệu ban đầu

Hình 3.3 mô tả hệ thống V-BLAST.[3]

Kênh truyền MIMO được mô hình bằng kênh truyền H

Giả sử, việc đồng bộ symbol ở bộ thu là lý tưởng Ta kí hiệu vector symbol phát là , vector symbol thu sẽ là r = Hx + n với r biểu diễn tín hiệu nhận từ N R anten x biểu diễn tín hiệu phát từ N T anten n là vector nhiễu AWGN

Bộ xử lý V-Blast ở phía thu sẽ sử dụng phương pháp kết hợp triệt tiêu tuyến tính (linear combinatorial nulling), để tách ra từng luồng dữ liệu con Mỗi luồng con khi đến lượt giải mã sẽ được xem là tín hiệu mong muốn, các luồng còn lại được xem là nhiễu Việc triệt tiêu sẽ được thực hiện bằng cách tổ hợp tuyến tính như MMSE (minimum mean-squared error) hay ZF (zero-forcing)

3.4 Ƣu, nhƣợc điểm của kỹ thuật MIMO Ƣu điểm:

Về dung lượng: do sử dụng nhiều anten phát và thu nên có thể truyền nhiều đường dữ liệu song song, nên dung lượng tăng theo số lượng anten có trong hệ thống

Về chất lượng: tăng độ phân tập của hệ thống trong kênh truyền fading nên có thể giảm được xác suất lỗi BER Ngoài ra với kỹ thuật tạo búp, tín hiệu được truyền theo hướng mong muốn do đó công suất phát chỉ tập trung vào hướng truyền, đó đó giảm công suất của các thiết bị

Do hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và thu nên:

- Nhiều anten nên giá thành phần cứng của hệ thống MIMO phải lớn hơn hệ thống SISO

- Độ phức tạp lớn và giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn Tăng kích thước của các thiết bị (vì số lượng anten vừa nhiều vừa phải đảm bảo khoảng cách giữa các anten để các kênh không tương quan ) trong khi xu hướng thiết bị ngày càng nhỏ.

Ƣu, nhƣợc điểm của kỹ thuật MIMO

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG MẠNG LTE

Giới thiệu chung về hệ thống MIMO-OFDM

Kỹ thuật MIMO là kỹ thuật giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin, giảm công suất phát Và kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tin trong môi trường không dây Kỹ thuật MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chất lượng thông tin trao đổi là tốt nhất.

Cấu trúc mô hình truyền dẫn của hệ thống MIMO-OFDM

Hình 4.1 Mô hình truyền dẫn của hệ thống MIMO-OFDM

Sơ đồ 4.1 mô tả mô hình truyền dẫn của hệ thống MIMO-OFDM, ta thấy cấu trúc mô hình gồm có hệ thống MIMO với Nt annten phát vàNr anten thu, kết hợp với kỹ thuật OFDM để truyền tín hiệu qua các sóng mang con

Tín hiệu thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau:

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân y 1 (k)=h 11 x 1 (k)+ h 12 x 2 (k)+ + h 1Nt x Nt (k)+n 1 (k) y 2 (k)=h 21 x 1 (k)+ h 22 x 2 (k)+ + h 1Nt x Nt (k)+n 2 (k)

y Nr (k)=h Nr1 x 1 (k)+ h Nr2 x 2 (k)+ + h NrNt x Nt (k)+n Nr (k)

Với xj (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM ni(k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i h ij là hệ số kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i

Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau

Trong đó ma trận kênh truyền H được ước lượng tại máy thu.

Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST

Hình 4.2 mô tả máy phát MIMO-OFDM VBLAST

Hình 4.2 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST

Chức năng chính của mô hình này là tăng tối đa dung lượng kênh truyền Tín hiệu đầu vào sẽ được đưa qua bộ điều chế để điều chế MPSK hoặc MQAM, sau đó nó đi qua bộ MIMO coder.Bộ MIMO coder trong trường hợp này chỉ là một bộ S/P chia luồng dữ liệu lớn thành N T luồng dữ liệu nhỏ (tương đương với N T anten phát, N T luồng này được đưa vào NT bộ phát OFDM) Từng luồng dữ liệu này sẽ được biến đổi từ nối tiếp sang song song Sau đó sẽ được chèn pilot rồi đưa qua bộ biến đổi IFFT để biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian với Xk=ifft(xk) Tiếp đó các luồng này sẽ đượcchèn khoảng bảo vệ và cho qua bộ biến đổi D/A và các bộ lọc nhằm tạo

N T tín hiệu miền thời gian và phát trên N T anten

Hình 4.3 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST

Máy thu MIMO-OFDM VBLAST được mô tả như hình 4.3

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa khối STBC

Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM mã hóa khối STBC như hình 4.4 dưới đây

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

Điều kiện mô phỏng

Trong chương này sẽ cho ta thấy được quá trình mô phỏng hệ thống MIMO- OFDM với mã hóa khối STBC

Hình 5.1 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM

Trong hệ thống mô phỏng với điều chế QPSK này, các thông số thiết lập ban đầu như sau:

- Độ dài CP ( lấy theo chuẩn DAB với tỉ lệ là ẳ độ dài FFT)

- SNR thay đổi từ 0 đến 20 dB

- Các hệ thống MIMO-OFDM được so sánh chất lượng với nhau với số anten đầu vào và ra thay đổi lần lượt là 2x2, 2x3, 2x4 Điều chế

Giải mã STBC Giải điều chế QPSK

Mục đích mô phỏng

Để thể hiện rõ sự vượt trội về chất lượng của kỹ thuật MIMO-OFDM so với các hệ thống trước đó Trong chương này, em sẽ mô phỏng quá trình truyền dữ liệu từ phía phát đến phía thu, sử dụng mã hóa STBC để mã hóa, sau đó tính tỉ lệ bit lỗi BER của từng hệ thống để so sánh chất lượng

Các hệ thống được mô phỏng như sau:

+ Các hệ thống vô tuyến như: SISO, SIMO, MISO, MIMO

+ So sánh các hệ thống MIMO với số anten đầu vào và ra thay đổi

+ So sánh chất lượng của kỹ thuật OFDM không dùng trong hệ thống MIMO với kỹ thuật MIMO-OFDM.

Quá trình mô phỏng

Dữ liệu đưa vào ở phía phát sẽ qua bộ điều chế QPSK để điều chế tín hiệu Dữ liệu tiếp tục qua bộ mã hóa STBC, Tiếp đó, dữ liệu được biến đổi IFFT từ miền tần số sang miền thời gian để phát đi Tiền tố lặp CP được cộng vào dữ liệu truyền đi để chống nhiễu ISI và biến đổi P/S để qua mấy thu Ở máy thu lúc này sẽ chịu tác động của nhiễu trắng AWGN Rồi qua bộ biến đổi S/P, các quá trình tách CP, biến đổi lại FFT lần lượt được thực hiện Đến bộ giải mã STBC và giải điều chế QPSK để nhận được dữ liệu cần thiết

Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống MIMO-OFDM

Nhập các thông số sau: Độ dài FFT, độ dàiCP, độ dài khung OFDM, chùm tia fading(L), số mức điều chế(M), các thông số SNR,ii=0

Tạo các bit tin theo ma trận (fft_len,framelen)

Và điều chế M-PSK hoặc M-QAM

Vẽ đồ thị E theo SNR_length ii=ii+1

Biến đổi IFFT Cộng khoảng bảo vệ CP và biến đổi P/S Tạo hệ số kênh truyền h và nhiễu

So sánh tín hiệu ước lượng với bit tin để tính

E(ii)R Gọi chương trình nhận tín hiệu ii=length(SNR) )_l)

Hình 5.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con nhận tín hiệu

Tách CP và thực hiện FFT tín hiệu nhận

Giải mã STBC Tính FFT đáp ứng kênh H

Tính tổng chập và cộng nhiễu để có tín hiệu nhận được

Bắt đầu CT nhận tín hiệu

Hình 5.4 thể hiện tỉ lệ BER và so sánh các hệ thống SISO, SIMO, MISO,

Hình 5.4 Mô phỏng các hệ thống vô tuyến Ở hình 5.4, ta thấy được rất rõ các hệ thống SIMO, MISO, MIMO cho chất lượng đường truyền tốt hơn hệ thống SISO rất nhiều Ta cũng thấy được là hệ thống SIMO ở đây có chất lượng tốt hơn MISO là do công suất phát ở mỗi anten của hệ thống MISO chỉ bằng ẵ hệ thống SIMO, nếu cụng suất phỏt như nhau thỡ chất lượng của hệ thống MISO là tốt hơn Hệ thống SIMO ngày nay cũng ít được sử dụng hơn do việc lắp đặt nhiều anten ở máy thu gây khó khăn cho việc chế tạo phần cứng, tính thẩm mỹ cũng không cao, còn nếu xét về chất lượng thì nếu tăng công suất phát,hệ thống MISO cũng

MIMO-OFDM Trong Mạng LTE SVTH: Hà Thanh Tân có thể đáp ứng được Đặc biệt, với sự phát triển của hệ thống MIMO, nếu phải tốn chi phí cho việc lắp đặt nhiều anten ở máy thu thì hệ thống MIMO sẽ được ưu tiên sử dụng hơn vì chất lượng của hệ thống này vượt trội hơn rất nhiều so với các hệ thống trước

Hình 5.5 bên dưới mô phỏng các hệ thống MIMO với số anten đầu vảo và ra lần lượt là 2x2, 3x4, 4x4 và so sánh tỉ lệ BER của chúng với nhau

Hình 5.5 Các hệ thống MIMO Ở hình 5.5, ta thấy được rằng hệ thống MIMO mã hóa STBC khi sử dụng càng nhiều anten thì độ phân tập càng lớn, do đó chất lượng cũng cải thiện rõ rệt Tuy vậy, khi lắp nhiều anten thì sẽ làm cho thiết bị sẽ cồng kềnh, tốn chi phí và lắp đặt cũng khó khăn hơn nhiều

Hình 5.6 thể hiện sự so sánh chất lượng của kỹ thuật OFDM và kỹ thuật MIMO- OFDM với số anten đầu vào và ra thay đổi lần lượt là 2x2, 2x3, 2x4

Hình 5.6 Các hệ thống MIMO-OFDM

Kỹ thuật MIMO-OFDM là sự kết hợp giữa kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO Khi sử dụng kỹ thuật OFDM mà không dùng trong hệ thống MIMO thì tỉ lệ bit lỗi khá cao Nên kỹ thuật MIMO-OFDM ở đây được xem là giải pháp tối ưu trong mạng truyền thông vô tuyến

Quan sát hình 5.6, ta thấy kỹ thuật OFDM cho chất lượng quá thấp so với kỹ thuật MIMO-OFDM Đồng thời ,tận dụng ưu điểm của hệ thống MIMO, đó là sử dụng độ lợi phân tập lớn, tỉ lệ BER của hệ thống nào sử dụng nhiều anten hơn lúc nào cũng thấp hơn Đem so sánh với hình 5.5, ta cũng thấy được tỉ lệ bit lỗi của kỹ thuật MIMO-OFDM thấp hơn nhiều so với các hệ thống MIMO.

Kết quả mô phỏng

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,14 MB