Bài tập lớn thông tin di động Mô phỏng hệ thống MIMOOFDM trên kênh nhiễu phân tập đa đường (có hiệu ứng doppler) và và kênh nhiễu Gauss

Microsoft Word BTL Thông tin di động nhóm 10 docx 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài Mô phỏng hệ thống MIMO OFDM trên kênh n.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

THÔNG TIN DI ĐỘNG

Đề tài: Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM trên kênh nhiễu phân tập đa đường

(có hiệu ứng doppler) và và kênh nhiễu Gauss

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức

Nhóm sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 10

1.1 Giới thiệu 10

1.2 Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến 10

1.2.1 Tài nguyên vô tuyến 10

1.2.2 Suy hao kênh truyền 10

1.2.3 Các loại nhiễu 11

1.2.4 Fading 12

1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền 18

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM 20

2.1 Sơ lược về OFDM 20

2.1.1 Khái niệm về OFDM 20

2.1.2 Tính chất trực giao của sóng mang 21

2.2 Kỹ thuật OFDM 22

2.2.1 Khối S/P (Serial to Parallel) và P/S (Parallel to Serial) 22

2.2.2 Khối mã hóa và sắp xếp 23

2.2.3 Khối FFT và IFFT 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy thu và phát OFDM 26

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 30

3.1 Giới Thiệu 30

3.2 Hệ thống MIMO 30

3.2.1 Các độ lợi trong hệ thống MIMO 30

3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO 32

3.3 Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC 33

3.3.1 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 33

3.3.2 Mã hóa không gian-thời gian lớp STTC 40

3.4 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST 40

3.4.1 Kiến trúc V-BLAST 40

3.4.2 Giải mã tín hiệu V-Blast 41

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 45

4.1 Giới thiệu 45

4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 46

4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 46

4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 47

4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 53

CHƯƠNG 5: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 57

5.1 Lưu đồ thuật toán 57

5.2 Kết quả mô phỏng 61

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68

6.1 Kết luận 68

Tài liệu tham khảo 69 PHỤ LỤC 70

Phụ lục 1: Code 70

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital

BER Bit Error Rate

BS Base Station

CP Cyclic Prefix

D/A Digital to Analog

DFT Discrete Fourier Transform

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

ISI InterSymbol Interference

LOS Light Of Sight

LPF Low Pass Filter

MIMO Multiple Input Muliple Output

RF Radio Frequency

S/P Serial to Parallel

SC Single Carrier Communication

ZF Zero-Forcing

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Suy hao theo khoảng cách 11

Hình 1.2 Nhiễu trắng 11

Hình 1.3 Nhiễu liên kí tự 11

Hình 1.4 Nhiễu ICI trong OFDM 12

Hình 1.5 Hiện tượng fading 13

Hình 1.6 Phổ Doppler 14

Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 16

Hình 1.8 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician với k = -∞ dB (Rayleigh) 17

Hình 1.9 Mô hình kênh truyền fading Rayleigh 18

Hình 1.10 Các phương pháp phân tập 19

Hình 1.11 Phân tập theo tần số 19

Hình 1.12 Phân tập theo thời gian 19

Hình 2.13 OFDM 20

Hình 2.14 Phân biệt FDM và OFDM 21

Hình 2.15 Các sóng mang con 21

Hình 2.16 Phổ các sóng trực giao 22

Hình 2.17 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM 22

Hình 2.18 Khối S/P 22

Hình 2.19 Khối P/S 23

Bảng 2.20 Dạng điều chế 23

Hình 2.21 Điều chế PSK 24

Hình 2.22 Điều chế QPSK 24

Hình 2.23 Sơ đồ chòm sao QPSK,16QAM,64QAM 25

Hình 2.24 Bộ điều chế OFDM 26

Hình 2.25 Phổ các sóng mang con 26

Hình 2.26 Vị trí các sóng mang 27

Hình 2.27 Chèn CP 27

Hình 2.28 Một khung OFDM 27

Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 30

Hình 3.2 Kỹ thuật Beamforming 31

Hình 3.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 31

Hình 3.4 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 32

Hình 3.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 34

Hình 3.2 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và N anten thu 35

Hình 3.1 Hệ thống V-BLAST 40

Hình 3.2 Bộ thu vblast 42

Hình 4.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 46

Hình 4.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 47

Hình 4.3 Sơ đồ chùm sao 48

Hình 4.4 Điều chế ở máy phát 48

Hình 4.5 Mã hóa STC 49

Hình 4.6 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten 50

Hình 4.7 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 53

Hình 4.8 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 54

Hình 4.9 Bộ thu VBLAST 55

Hình 5.1 Lưu đồ hệ thống MIMO-OFDM 57

Hình 5.2 Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu 58

Hình 5.3 Lưu đồ CT con MIMO decode hệ MIMO-OFDM VBLAST 59

Hình 5.4 Lưu đồ CT con MIMO code của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 60

Hình 5.5 Lưu đồ CT con MIMO decode của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 61

Hình 5.6 Kỹ thuật OFDM với CP 62

Hình 5.7 Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế 63

Hình 5.8 Các hệ thống vô tuyến 63

Hình 5.9 Hệ thống MIMO 64

Hình 5.10 Hệ thống MIMO-OFDM 64

Hình 5.11 Dung lượng hệ thống 65

Hình 5.12 Hệ thống MIMO-VBLAST 66

Hình 5.13 Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten 66

Hình 5.14 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST 67

Hình 5.15 Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST & OFDM 67

Hình 7.1: Dung lượng mimo 70

Hình 7.2: Mimo 2 anten phát và 2 anten nhận 71

Hình 7.3: Mimo với 2 anten phát và 4 anten nhận 72

Hình 7.4: Mimo 4 anten phát và 4 anten nhận 73

Hình 7.5: Mimo-ofdm 74

Hình 7.6: Mimo-vblast 75

Hình 7.7: OFDM 76

Hình 7.8: Ofdm-vblast 77

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặc biệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác động rất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất Để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả Người ta đã ứng dụng các kỹ thuật ghép kênh tiên tiến như là TDM, FDM, CDM…, kết hợp với các phương pháp khác nhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu, anten thông minh, phân tập

Một trong những kỹ thuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiều trong thực

tế là hệ thống MIMO Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn

Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM Với công nghệ OFDM

ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cách tối ưu hơn,

có khả năng chống một số loại nhiễu

Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO-OFDM, cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng, phân tích các vấn đề được nêu ra Nội dung của bài tập lớn bao gồm 5 chương:

Chương 1: Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

Chương 3: Hệ thống MIMO

Chương 4: Hệ thống MIMO-OFDM

Chương 5: Mô phỏng

CHƯƠNG 1: CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu

Đây là chương giới thiệu về các nhân tố ảnh hưởng đến một kênh truyền vô tuyến hay gặp, cũng như mô tả một cách trực quan về nó

1.2 Các vấn đề của kênh truyền vô tuyến

1.2.1 Tài nguyên vô tuyến

Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do đó nó cần sử dụng một cách có hiệu quả nhất Tài nguyên vô tuyến ở đây có thể được hiểu là các dải tần số được cấp phát giới hạn và cố định cho một mục đích cụ thể nào đó như truyền hình, phát thanh, thông tin di động, Vì vậy, để sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả người ta đã đưa ra các phương pháp ghép kênh khác nhau như TDM, FDM, OFDM, SDM, …

1.2.2 Suy hao kênh truyền

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách, ta có công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

(1.1)

Trong đó: P T , P R là công suất phát, thu được (Watts)

G T là độ lợi của anten phát, G R là độ lợi của anten thu

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

æ

=

R G G P

PR T T R

p l

Hình 1.2 Nhiễu trắng

Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference)

Hình 1.3 Nhiễu liên kí tự Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự (ISI) gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến

bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu

÷ ø

ö ç

è

æ Pr

PtGtGr

÷ø

öçè

æ

l

pR

4

Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference)

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh, nguyên nhân chính là hiện tượng dịch Doppler do tính di động của máy thu Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng bảo vệ một cách tuần hoàn

Hình 1.4 Nhiễu ICI trong OFDM

1.2.4 Fading

Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối, … bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, … các hiện tượng này được gọi chung là fading

Hiện tượng fading có thể được phân thành các loại: Fading phẳng (flat fading), fading chọn lọc tần số (selective fading), fading nhanh (fast fading), fading chậm (slow

fading)

1.2.4.1 Fading phẳng

Fading phẳng xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu

Do các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần tín hiệu hẹp (hẹp hơn độ rộng kênh truyền) nên chịu ảnh hưởng của flat fading

Fading nhanh (fast fading) hay còn gọi là hiệu ứng Doppler, nguyên nhân là có sự

chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch

tần đi delta_f so với tần số phát tương ứng Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng 1 t/s phát)

Khi đó đoạn đường từ trạm phát đến vật của thành phố thứ I của tín hiệu sẽ bị thay

lượng là ∆𝑙 đổi một

Hình 1.6 Phổ Doppler Theo hình vẽ có: ∆𝑙 = d.cos 𝛼!

Pha của tín hiệu sẽ bị thay đổi một lượng:

∆𝜃 = −2𝜋𝑣∆𝑡 cos 𝛼!

𝜆Với 𝜆: bước sóng của tín hiệu

Dấu trừ cho thấy độ trễ pha của sóng sẽ giảm khi vật di chuyển về phía trạm phát Tần số Doppler được định nghĩa như là sự thay đổi pha do sự dịch chuyển của vật trong suốt khoảng thời gian ∆𝑡

𝑓" = 12𝜋

# = ".%!

& là tần số Doppler cực đại do sự di chuyển của vật

Tần số Doppler cực đại và cực tiểu là ±𝑓# ứng với các góc α! = 0" và 180"

khi tia sóng truyền trúng với hướng vật di chuyển

1.2.4.6 Phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dung 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 Đường bao của tổng hai tín hiệu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleight có hàm mật độ xác suất:

𝜎$ là công suất trung bình theo thời gian

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy (CDF):

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:

rmean = E[r] = ∫ 𝑟𝑝(𝑟)𝑑𝑟 = 𝜎O*, +$ = 1.2533𝜎

Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r(V)

Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

1.2.4.7 Phân bố Rician

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu nào đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Rician Trong trường họp wnafy các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu ngẫu LOS Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, thành phần DC được cộng thâm 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 LOS đến bộ thu cùng bới các tín hiệu đa đường sẽ làm cho phân bố Rican rõ rệt hơn Khi thành phần LOS suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Raylrigh Vì vậy phân bố Rician trở thành phân

bố Rayleigh trong trường hợp thành LOS mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Rician:

I0: hàm Bessel sửa đổi loại bậc 1 bậc 0 Phân bố Rician thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần LOS) và công suất các thành phần đa đường:

𝑘 = 𝐴

$

Hay viết dưới dạng dB:

k(dB) = 10log 𝐴$

2𝜎$ 𝑑𝐵 Khi A→ 0, k→ 0 (-∞ dB) thành phần LOS bị suy giảm về biên độ, phân bố Rician trở thành phân bố Rayleigh

Điện thế đường bao tín hiệu tại đầu thu r(V)

Hình 1.8 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician với k = -∞ dB (Rayleigh)

và k = 6dB Với k>>1, giá trị trung bình của phân bố Rician xấp xỉ phân bố Gauss

1.2.4.8 Mô hình kênh fading Rayleigh lựa chọn tần số

Trong các kênh dài rộng, độ rộng của phổ tín hiệu lớn hơn nhiều so với dải thông nhất quán của kênh hay tốc độ ký tự rất cao và do hiện tượng tán sắc, ký tự bị mở rộng trong miền thời gian chồng lấp lên các ký tự kế cận gây ra ISI

Đáp ứng xung của kênh được viết:

ℎ(𝑡) = h 𝑎4𝑒56&𝛿(𝑡 − 𝜏4)

7

4

Trong đó: biên độ ai và pha 𝜃4 thay đổi theo thời gian

Trong mô hình thống kê, mỗi thông số 𝑎4𝑒56& tương ứng với một kênh fading Rayleigh không lựa chọn tần số dài hẹp VÌ vậy, kênh fading Rayleigh lựa chọn tần số dải rộng có thể được xây dựng từ L mô hình kênh fading Rayleigh không lựa chọn tần

số dải hẹp Chúng tạo đáp ứng xung mong muốn cho mỗi nhánh (tap) của mô hình bằng cách sử dụng các công suất nguồn nhiễn khác nhau cho mỗi nhánh Bộ lọc

Doppler như nhau cho tất các các nhanh bởi vì nó được quyết định bởi tần số sóng mang và tốc độ của vật Đáp ứng tần số của bộ lọc này là:

𝐻(𝑓) =

m

𝐴O1 − ( 𝑓𝑓

#)$

Khi tín hiệu ngõ ra của các nguồn nhiễu trắng Gaussian được lọc bởi các bộ lọc (giống nhau) tuyến tính bất biến theo thời gian, ngõ ra của bộ lọc vẫn là Gaussian và phương sai cảu chúng vẫn như cũ Vì vậy biên độ vẫn có phân bố Rayleigh và pha vẫn phân bố đều nhưng mật độ phổ công suất là mật độ phổ công suất của bộ lọc Doppler

Bộ tạo trễ D tương đương với thời gian chu kỳ tín hiệu phát

Hình 1.9 Mô hình kênh truyền fading Rayleigh lựa chọn tần số với nhiễu trắng cộng Gaussian

1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền

Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm

Phân tập không gian

Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu

Hình 1.10 Các phương pháp phân tập Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát (MISO), phân tập anten thu (SIMO), phân tập anten phát và thu (MIMO) Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo

để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường

Phân tập tần số

Phân tập theo tần số là kỹ thuật thu hoặc phát tín hiệu trên hai kênh (hoặc nhiều hơn hai kênh) tần số sóng vô tuyến Các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân tập tần số sẽ cải thiện chất lượng tốt hơn, nhưng việc sử dụng phổ tần không đạt được hiệu quả cao

Hình 1.11 Phân tập theo tần số

Phân tập thời gian

Kỹ thuật phân tập theo thời gian là kỹ thuật thu phát tín hiệu trên hai khe hay khe thời gian khác nhau Hệ thống thông tin nếu sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian sẽ cải thiện chất lượng hệ thống, tuy nhiện việc truyền như vậy sẽ gây lãng phí khe thời gian làm giảm tốc độ truyền

Hình 1.12 Phân tập theo thời gian

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM

2.1 Sơ lược về OFDM

2.1.1 Khái niệm về OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp

nơi trên thế giới

Hình 2.13 OFDM

Kỹ thuật này phân chia dải tần thành nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tổng các dòng dữ liệu tốc độ thấp là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Đồng thời các sóng mang được sử dụng là các sóng mang trực giao với nhau, cho phép phổ của chúng chồng lên nhau mà không bị nhiễu Vì vậy việc sử dụng băng thông trở nên hiệu quả hơn

Hình 2.14 Phân biệt FDM và OFDM

2.1.2 Tính chất trực giao của sóng mang

Tín hiệu được gọi là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tín hiệu sóng mang là một sóng sin sao cho mỗi một sóng sin có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu Trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau, mặc dù phổ tần của chúng chồng lên nhau nhưng chúng không gây nhiễu cho nhau

Hình 2.15 Các sóng mang con Việc giải mã tín hiệu sóng mang dựa vào việc máy thu sẽ dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ t, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero) Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chỗ: tại mỗi đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0

Hình 2.16 Phổ các sóng trực giao

2.2 Kỹ thuật OFDM

Hình 2.17 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

2.2.1 Khối S/P (Serial to Parallel) và P/S (Parallel to Serial)

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

Hình 2.18 Khối S/P Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp

Sắp xếp

Sau khi được mã hóa các luồng bit được sắp xếp thành các nhóm bít để chuẩn bị

cho việc điều chế M-PSK, M-QAM

Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) là kỹ thuật điều chế tín hiệu số với bit 0

với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1 sóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại)

1

±1

±1

± ±31

± ±3 ±5 ±7

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ của

tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sin và Cos với cùng một thành phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit

Hình 2.23 Sơ đồ chòm sao QPSK,16QAM,64QAM

Công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm:

e k X N

(

1 )

( )

(

N n

kn

W n x k

X

Hình 2.24 Bộ điều chế OFDM

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy thu và phát OFDM

Tại máy phát:

Giả sử ban đầu ta có một chuỗi bít cần truyền là [b0, b1, b2, b3, … bn]

Chuỗi bit được đưa qua bộ mã hóa kênh, ở đây nó sẽ được chèn thêm bit tạo thành các mã phát hiên và sửa lỗi Sau đó chúng được đưa qua bộ xen kẽ IL (interleaved) để tránh hiện tượng lỗi chùm Lúc này chuỗi bit trở thành [s0, s1, s2… sm] Tiếp theo chuỗi bit này sẽ được đưa qua bộ S/P và sắp xếp thành các nhóm tương ứng với các loại điều chế (M-PSK, M-QAM)

Sau khi qua bộ điều chế ta có một chuỗi số phức: dK,m=(dk,m,0; dk,m,1 ; dk,m,2 ;…

dk,m,Q-1 )

Hình 2.25 Phổ các sóng mang con Với k: số phức thứ k

m: là số thứ tự khung của OFDM Q: số bít trong một nhóm phục vụ cho việc điều chế Q=log2 M

Sau khi được điều chế các tín hiệu sẽ được chèn các kí hiệu pilot và được biến đổi IFFT để tạo các sóng mang chứa các thông tin của chuỗi số phức đó

Hình 2.26 Vị trí các sóng mang Tiếp tục hệ thống sẽ chèn CP sóng mang con bảo vệ

Hình 2.27 Chèn CP Giả sử hệ thống OFDM có N sóng mang con khi đó OFDM tương ứng :

[1] (2.5)Với n {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP

Tại máy thu:

Tại máy phát các khung OFDM qua khối RF và được truyền trong không gian tự

do Trong môi trường không gian tự do tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và ảnh hưởng của hiện tượng fading Tại máy thu tín hiệu nhận được là:

[1] ( 2.6 ) Trong đó m, l là thứ tự của khung OFDM và chùm tia fading

h: là hệ số fading

Wb là nhiễu

Tại máy thu tách CP ta được:

Với n = 0…N-1 [1] [6] ( 2.7 )

Zn,m: là nhiễu AWGN(additive white gausian)

Công thức 2.7 có thể được viết dưới dạng ma trận như sau

Sau đó qua bộ FFT ta được:

^

,m

k

X

30

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 3.1 Giới Thiệu

Kỹ thuật MIMO là tên gọi chung cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu và phía phát kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu Kỹ thuật MIMO được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, làm tăng dung lượng hệ thống và tăng chất lượng vùng phủ cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ, tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn

Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO

3.2.1 Các độ lợi trong hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian

Độ lợi beamforming

31

Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống

Hình 3.2 Kỹ thuật Beamforming

Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

Hình 3.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 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 bằng thuật toán V-Blast (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time)

Độ lợi phân tập (spatial diversity)

32

Hình 3.4 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau

bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay 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

3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO

Kỹ thuật MIMO giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát Trong trường hợp với Nt anten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạp âm có thể tăng lên tương ứng với Nt x Nr, và cho phép tăng tốc độ dữ liệu với giả thiết băng thông không giới hạn Biểu thức định lý Shanon về dung lượng kênh chuẩn hóa:

Tỷ số S/N tăng tương ứng với Nt x Nr, khi x nhỏ Với S/N thấp, dung lượng kênh sẽ tăng theo tỷ số S/N Với x lớn, , tức là với S/N lớn thì dung lượng kênh sẽ tăng theo hàm logarithm của S/N Trong trường hợp nhiều anten phát và anten thu ở một điều kiện cụ thể, ta có thể tạo ra NL= min (Nt, NR)

÷ ø

ö ç

log BW

C

x

x+ )1 »(

log2

)(log)1(log2 +x = 2 x

3.3 Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC

Môi trường vô tuyến trong trường hợp các hiện tượng đa đường và có tán xạ mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập Người ta sử dụng mã hóa không gian thời gian để cải thiện chất lượng kênh truyền Có 2 loại:

- Mã hóa không gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code)

- Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code)

3.3.1 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 (Maximun Likelihood)

Sơ đồ Alamouti

Giả sử có một chuỗi truyền dẫn s1,s2,s3 Ở máy phát sẽ gửi s1 trong các khe thời gian đầu tiên, s2 trong các khe thời gian thứ hai, s3,s4 trong các khe thời gian tiếp theo Trong các khe thời gian đầu tiên, gửi s1 và s2 từ anten đầu tiên và thứ hai Trong khe thời gian thứ hai gửi –s2 *và s1 * đến anten đầu tiên và thứ hai Trong các khe thời gian tiếp

÷÷

ø

öçç

è

æ+

=

N

SN

N1logBW

C

L

R 2

ø

öçç

è

æ+

=

÷÷

ø

öçç

è

æ+

=

N

S.N,Nmin

N1

.logN

,NminN

SN

N1.log

N

BW

C

R T

R 2

R T L

R 2

L

Tức là:

r2= -h11 s2*+h12 s1*+n2

Trong đó: h11,h12 là hệ số kênh truyền của 2 anten truyền đến anten nhận

n1,n2 là nhiễu trắng đối với kênh truyền

Sau khi ước lượng được các hệ số kênh truyền tương ứng, ta có thể ước lượng được s1, s2 như sau:

h*11 r1+h12 r2*=(h112+h122)s1+h*11n1+h12 n2* [4] (3.6)

ú

ù ê

é -

=

*

*

2 1

s s

s s

* 2 1

12 11 2

s s

s s

h h

r

r = - ú+

û

ù ê

ë é

ë

éúû

úêë

*12

*21

1211)

2(1)

1

(

s s

h h r

r

êë

é ú

ú û

ù ê

ê ë

é úû

ú êë

*12

*21

2221)

2(2)

1

(

s s h h r

r

êë

é ú

ú û

ù ê

ê ë

é úû

ú êë

*12

*2121)

2()

1

(

n n n

s s

s s n

h n h n

r n

r

36

[4] (3.8)Vậy ta ước lượng được các kí tự như sau:

[4] (3.9)

Thiết kế trực giao (orthogonal design)

Thiết kế trực giao được Tarokh đưa ra năm 1996, làm cho viêc truyền tín hiệu trên nhiều anten không còn hạn chế phân tập hai anten như phương pháp của alamouti, mà chất lượng kênh truyền tăng lên theo số anten thu phát

Ví dụ về thiết kế trực giao:

Với số anten phát là Nt=3

Tốc độ truyền là rate=1/2 tức là truyền 4 kí tự s1,s2,s3,s4 trên 8 khe thời gian

Ta có ma trận truyền tương ứng là:

37

[2] [4] (3.10)

Ta có thể tìm được các kí tự truyền nhờ bộ ước lượng ML bằng cách thay

s1,s2,s3,s4 bằng các kí hiệu trên chòm sao điều chế MPSK

[4] (3.11) Tốc độ truyền là rate=3/4 tức là truyền 3 kí tự s1,s2,s3 trong 4 khe thời gian.Ta có

ma trận truyền:

38

[2][4] (3.12) Tương tự ta có thể ước lượng các kí tự truyền bằng bộ ML:

[4] (3.13) Với anten phát là Nt=4

Tốc độ rate=1/2 ta có ma trận truyền là:

[4] (3.14)

Ta có thể tìm được các kí tự truyền bằng bộ ước lượng ML: