PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT mã KHỐI STBC OFDM

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 4 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 4 1.1. Lịch sử phát triển 4 1.2. Sơ đồ khối thu phát OFDM 7 1.3. Những đặc điểm chính của kỹ thuật OFDM 8 1.3.1. Tính trực giao 8 1.3.2. Hiệu quả phổ 9 1.3.3. Tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) 10 1.3.4. Bộ điều chế OFDM 12 1.3.5. Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 15 1.3.6. Bộ giải điều chế OFDM 17 1.3.7. Thực hiện bộ giải điều chế bằng phép biến đổi nhanh FFT 19 1.3.8. Phổ công suất tín hiệu OFDM 20 1.4. Các ưu và nhược điểm của OFDM 22 1.5. Một số hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM 23 1.5.1. Hệ thống phát thanh số DRM 23 1.5.2. Hệ thống HiperLan2(IEE802.11a) 25 1.5.3. Hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e) 26 1.6. Tóm tắt 29 CHƯƠNG 2 30 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 30 2.1. Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC) 30 2.2. Mã không gian – thời gian Alamouti 31 2.2.1. Mã hóa không gian thời gian theo phương pháp Alamouti 31 2.2.2. Kết hợp và giải mã hợp lệ tối đa (Maximum Likelihood Decoding) 34 2.2.3. Phương pháp Alamouti với nhiều ăngten thu 36 2.3. Mã khối không gian thời gian (STBC) 37 2.3.1. Bộ mã hóa khối không gian thời gian 38 2.3.2. STBC cho chòm sao tín hiệu thực 40 2.3.3. STBC cho chòm sao tín hiệu phức 44 2.3.4. Giải mã STBC 46 2.4. Tóm tắt 50 CHƯƠNG 3 51 ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT HỆ THỐNG STBCOFDM 51 3.1. Mô hình hệ thống 51 3.2. Kết hợp và giải mã hợp lệ tối đa 56 3.3. Kết quả mô phỏng 57 3.4. Kết luận 63 KẾT LUẬN 64 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

MỤC LỤC

MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 31 2.1 Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC) 31 2.3 Mã khối không gian thời gian (STBC) 38

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI, kỷ nguyên của xã hội thông tin

Xã hội càng phát triển, mức sống ngày càng cao thì nhu cầu sử dụng đối vớicác dịch vụ viễn thông cũng phức tạp và càng lớn hơn, mạng lưới viễn thôngcần phải đáp ứng tốt các đòi hỏi của nền kinh tế và xã hội

Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng phát triển dịch vụ thông tin,

hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực.Bên cạnh đó thì chất lượng dịch vụ cũng cần phải được nâng cao để đáp ứngđược nhu cầu ngày càng cao của khách hàng Để đáp ứng được tất cả đòi hỏitrên thì một trong những yêu cầu kỹ thuật cần đạt được là nâng cao tốc độđường truyền Ta biết rằng khi nâng cao tốc độ, xác suất lỗi cũng cao hơn vàđồng thời băng thông cần sử dụng cũng phải mở rộng mà tài nguyên băng tầnchỉ có hạn Vì thế, mọi nỗ lực nghiên cứu hiện tại đều nhằm khắc phục hạnchế trên Một trong các hướng nghiên cứu được chú ý và quan tâm gần đây

cho hiệu quả cao là kỹ thuật mã hóa không gian thời gian (STC).

Đồng thời, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

được biết đến với đầy hứa hẹn Kỹ thuật này như một đáp ứng cho nhu cầungày càng tăng của tốc độ truyền dẫn thông tin, đặc biệt là trong truyền dẫn

vô tuyến Với hàng loạt những công trình nghiên cứu và phát triển đến nay kỹthuật này được ứng dụng trong hàng loạt các hệ thống như hệ thống truyềnhình và phát thanh số (DVB-DAB), trong mạng truy cập internet băng rộngADSL, mạng Wifi, hay trong hệ thống WiMax theo tiêu chuẩn 802.16a… vàcòn là một trong những đề xuất cho hệ thống di động thứ 4(4G)

Trong đồ án này, chúng ta đi vào tìm hiểu một hệ thống OFDM kết hợpvới phương pháp mã hóa không gian thời gian Đồ án gồm có 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật điều chế OFDM

Trình bày khái quát về kỹ thuật OFDM và một số ứng dụng của kỹ thuậtOFDM trong đời sống

Chương 2: Mã khối không gian thời gian

Giới thiệu đặc điểm của phương pháp mã hóa không gian thời gian, cụthể là mã khối không gian thời gian STBC

Chương 3: Đánh giá phẩm chất hệ thống STBC-OFDM

Mô phỏng hệ thống STBC-OFDM trong các trường hợp khác nhau bằngphần mềm MATLAB và nhận xét kết quả thu được

Để hoàn thành đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy

cô trong khoa Vô tuyến Điện tử và các bạn trong lớp Đặc biệt là thầy giáoTrung tá, Tiến sĩ Trần Xuân Nam đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quátrình làm đồ án Xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến những người

đã giúp tôi hoàn thành tốt bản đồ án này

Sinh viênPhan Thanh Cường

kỹ thuật điều chế thông thường Hình 1.1a và 1.1b mô tả phổ tín hiệu tươngứng của một tín hiệu đơn sóng mang và của tín hiệu OFDM với 4 kênh con.

Hình 1.1. a) Phổ tín hiệu của một kênh con

b) Phổ tín hiệu của 4 kênh con

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trongnhững thập kỷ qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thựchiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình khoa học củaWeistein và Ebert, đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện

được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thựchiện qua phép biến đổi DFT Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể

sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT và FFT, giúp làm giảm đáng kể số phéptính toán khi thực hiện truyền dẫn góp phần tăng tốc độ hệ thống Đặc biệtnhờ những tiến bộ của công nghệ bán dẫn người ta có thể tạo ra những chípFFT có dung lượng lớn, tốc độ cao

Hình 1.2. Hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống OFDM

Trong một hệ thống dữ liệu song song trước đây, toàn bộ băng tần số tín

hiệu được chia thành N kênh con có tần số không lấn lên nhau (Hình 1.2a) Mỗi kênh con được điều chế với một chuỗi symbol và sau đó N kênh con

được ghép kênh theo tần số Nó được xem như là một biện pháp tốt để tránh

sự chồng lấn phổ của kênh truyền gây ra nhiễu đồng kênh Tuy nhiên, làmnhư vậy sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để đối phó với điều này, những ýkiến được đề xuất từ giữa năm 1960 là sử dụng số liệu song song và điều chếFDM với các kênh con chồng lấn lên nhau (Hình 1.2b), ở đây mỗi một sóngmang một tín hiệu tốc độ b sẽ được đặt cách nhau khoảng b về tần số, điềunày giúp ta giảm phải sử dụng những bộ san bằng tốc độ cao và cho phép

chống lại ảnh hưởng của các xung tạp âm và nhiễu đa đường Nó cho phép tatận dụng một cách đầy đủ phổ tần.

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sửdụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này được gọi với khái niệm là

COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được

điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đíchchống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (mức độ fading và tỷ lệtín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau Hệ thống này mở

ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế

thích nghi (adaptive modulation technique) Kỹ thuật này hiện đã được sử

dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu.Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

1.2 Sơ đồ khối thu phát OFDM

1.3 Những đặc điểm chính của kỹ thuật OFDM

1.3.1 Tính trực giao

Thuật ngữ “trực giao” chỉ một mối quan hệ toán học chính xác giữa các

tần số sóng mang của hệ thống Các tập tín hiệu f với f p là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập f trực giao từng đôi một:

* k, khi p q( ) ( )

0, khi p q

b

p q a

Hình 1.4 Sự chồng lấn của tín hiệu OFDM

Các sóng mang con là trực giao nhau nên tại tần số phổ của một sóngmang con đạt cực đại thì các thành phần phổ của các sóng mang con khác đềubằng không Do vậy tín hiệu tại máy thu sẽ không có giao thoa hay chồng phổgây ICI Chú ý rằng các sóng mang con đều có một số nguyên các chu kỳtrong khoảng thời gian symbol T , và số chu kỳ giữa các sóng mang con liền S

kề là khác nhau đúng một chu kỳ Điều này giải thích tính trực giao của cácsóng mang con

1.3.2 Hiệu quả phổ

Trước tiên ta xét phổ tín hiệu của hệ thống thông tin đa sóng mang thôngthường Trong hệ thống FDM truyền thống, mỗi kênh đặt cách nhau khoảng25% của dải thông kênh Điều này đảm bảo rằng các kênh lân cận không gâynhiễu lẫn nhau Vì tốn dải phòng vệ nên hiệu quả sử dụng phổ là không cao.Điều này được minh họa trong Hình 1.5, trong đó chỉ ra khoảng phòng vệgiữa các kênh riêng lẻ

Hình 1.5 Phổ tín hiệu FDMPhổ tín hiệu OFDM có dạng như Hình 1.4 ta thấy rằng do dải thông

kênh W được chia đều thành K sóng mang con nên dải thông của mỗi sóng

∆ = nên các sóng mang con là chồng lấn lên nhau

một khoảng là 21

S

T Nhưng do các sóng mang con là trực giao nhau nên

không có ICI Như vậy phổ tín hiệu OFDM được sử dụng với hiệu suất caohơn FDM mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu tại máy thu Minh họa như đãthấy ở Hình 1.2

Chú ý rằng hiệu quả của việc sử dụng các sóng mang con trực giaochồng lấn nhau cũng đòi hỏi sử dụng tiền tố tuần hoàn CP để ngăn cản ISI.

1.3.3 Tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix)

Hình 1.6 Tín hiệu OFDM với Cylic Prefix

Trong truyền dẫn, nhiễu xuyên symbol ISI (Inter Symbol Interference)

gây ra bởi sự truyền lan đa đường của kênh thông tin vô tuyến Các tín hiệu

đến điểm thu bao gồm cả tín hiệu trực tiếp LOS (Light Of Sight) và các tín hiệu NLOS (Non Light Of Sight) do phản xạ, tán xạ nhiễu xạ.

OFDM là một giải pháp giải quyết hiệu quả trễ đa đường Việc chia dải

tần W dòng dữ liệu cho K sóng mang con đem lại lợi ích là khoảng thời gian

symbol T tăng lên K lần, tương ứng làm giảm ảnh hưởng của trải trễ đi K lần S

(cho phép sử dụng khoảng phòng vệ) Để loại bỏ hầu như hoàn toàn ISI, một

thời gian phòng vệ GI (Guard Interval) được thêm vào từng symbol OFDM.

Khoảng phòng vệ này được chọn lớn hơn so với trải trễ lớn nhất có thể có.Khoảng phòng vệ có thể chứa hoặc không chứa dữ liệu gì Khi chèn vàokhoảng trống thì mặc dù tránh được ISI nhưng không thể tránh được nhiễu

xuyên sóng mang ICI (Inter Carrier Interference) Bởi vì khi có fading đa

đường thì khoảng trống này sẽ mất tính tuần hoàn trong một số sóng mangcon thành phần Vì vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong mộtOFDM symbol sẽ không còn nữa, sẽ gây ra ICI trong các symbol sau khi điềuchế tại máy thu

Để có khả năng triệt ISI và khả năng chống lại ICI trong OFDM thìkhoảng bảo vệ GI được chọn là một tiền tố tuần hoàn CP Ký hiệu đặc biệt đóchính là bản sao chép của đoạn dữ liệu cuối trong mỗi symbol OFDM và bảnsao này sau đó được chép vào đầu mỗi symbol OFDM như mô tả ở Hình 1.6.Như vậy các symbol OFDM đã được mở rộng khoảng T một cách có chu kỳ, g

điều này đảm bảo rằng các bản sao bị trễ của symbol OFDM luôn có một sốnguyên các chu kỳ trong khoảng FFT Các sóng mang con trong khoảng thờigian symbol T luôn sai khác nhau 1 chu kỳ nên sẽ không có xuyên nhiễu ICI g

Việc sử dụng tiền tố tuần hoàn trong tín hiệu được truyền đi có bất lợi vềđòi hỏi nhiều năng lượng phát hơn Hiệu suất phát do sử dụng tiền tố tuầnhoàn là:

S loss

S g

T E

=

Trong đó T là khoảng thời gian của symbol, và S T là khoảng thời gian của g

tiền tố tuần hoàn CP Đây cũng là thước đo về sự suy giảm tốc độ bit phụ

thuộc tiền tố tuần hoàn Nếu mỗi sóng mang con có thể được phát b bit, thì toàn bộ tốc độ bít trong hệ thống OFDM sử dụng K sóng mang con là:

1.3.4 Bộ điều chế OFDM

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phépchồng lấn lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổcủa toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của các sóng

mang phụ được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức e jp tωs ,

trong đó s 2 s 2 1

s

f

T

ω = π = π là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang Thông

qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau

Tính trực giao của hai sóng mang phụ p và q được kiểm chứng như sau:

Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau

do tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lạibằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân vớichính nó sẽ cho kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc củaphép điều chế OFDM Hình 1.7 mô tả sơ đồ khối của bộ điều chế OFDM

Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {a l } được chia thành N FFT dòng dữ

liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp /song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i,n } lại được điều chế

thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d k,n }, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với K bit song song sau khi qua

bộ biến đổi nối tiếp/song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với K mẫu tín hiệu phức

Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là

M-QAM, QPSK, vv vv Các mẫu tín hiệu phát {d k,n } lại được nhân với xung cơ bản (basic impulse) g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu mỗi sóng mang.

Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ bản là xung vuông Sau khi nhân vớixung cơ sở tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phépnhân với hàm phức e jn tωs Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mangphụ trực giao với nhau như chứng minh ở trên Tín hiệu sau khi nhân vớixung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễnnhư sau:

Ở đây tín hiệu '( )m t là tín hiệu ' ( ) m t với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu k

OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn

Trong bất kỳ hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào, tín hiệu trước khi đượctruyền đi đều được nhân với xung cơ bản Mục đích của phép nhân này là giớihạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng của kênh truyền Trongtrường hợp bề rộng của phổ tín hiệu phát lớn hơn bề rộng kênh truyền chophép thì tín hiệu phát này sẽ gây nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơbản là '( )s t Xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu

OFDM Sau khi chèn chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản có ký hiệu là ( )s t có độ

rộng là T S +T G Dạng xung cơ bản đơn giản nhất là xung vuông như mô tả ởHình 1.8

Hình 1.8. Xung cơ sở

(1.8)Trong thực tế xung cơ sở thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng

Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sựhiệu quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ nhiễu xuyên tín

hiệu ISI thông qua chuỗi bảo vệ (Guard Interval) Do vậy tín hiệu OFDM

trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệuISI như đã trình bày ở phần trên

1.3.5 Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự theo côngthức (1.6) được viết lại như sau:

Trong đó B là toàn bộ bề rộng của băng tần hệ thống Ở tại thời điểm lấy

mẫu t kT lt= + a , '(S t kT− )=s o, do vậy công thức (1.9) được viết lại là:

( ) ,

Hình 1.9 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT

Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở công thức (1.12) phù hợp với phép biếnđổi IDFT Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàngbằng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp N FFT là bội số của 2, phép biến

đổi IDFT có thể thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT

Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT được thể hiện nhưtrên Hình 1.9

1.3.6 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở Hình 1.10 Tín

hiệu đưa vào bộ giải điều chế là u(t) Với tín hiệu phát m(t) ở công thức (1.7), biểu diễn của u(t) được viết tiếp dưới dạng:

max

( ) ,

• Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

• Nhân với hàm số phức e jn tωn (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóngmang về băng tần gốc như trước khi điều chế)

• Giải điều chế ở các sóng mang phụ

• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

• Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

1.3.6.2 Tín hiệu sau khi giải điều chế

Bộ giải điều chế trên mỗi sóng mang phụ là mạch tích phân thực hiệnchức năng sau đây:

( 1) ,

Trong đó d là tín hiệu ra của bộ tích phân nằm ở sóng mang phụ thứ lˆk l,

và mẫu tín hiệu OFDM thứ k (khe thời gian thứ k) Với điều kiện T G ≥τmax,

trong đó T G là độ dài chuỗi bảo vệ và τmaxlà độ dài lớn nhất của trễ truyềndẫn, tín hiệu sau giải điều chế trên mỗi sóng mang phụ được biểu diễn:

1.3.7 Thực hiện bộ giải điều chế bằng phép biến đổi nhanh FFT

Bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân thể hiện ở công

thức (1.15) Ở dạng mạch số, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là t a.Giả thiết một mẫu tin OFDM T được chia thành S N FFT mẫu tín hiệu, khi đó

độ rộng của một chu kỳ lấy mẫu là

S a

N Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số, biến đổi DFT có thể dễ dàng thực

hiện Đặc biệt là khi N FFT là bội số của 2, phép thực hiện DFT được thay thế

bằng phép biến đổi nhanh FFT, ứng dụng cho thuật toán giải điều chế của hệthống OFDM

Hình 1.12 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 1.3.8 Phổ công suất tín hiệu OFDM

Do các mẫu tín hiệu trên từng sóng mang phụ độc lập xác suất với nhau,phổ của tín hiệu OFDM là tổng của phổ tín hiệu trên từng sóng mang phụ

Trong trường hợp xung cơ bản S(t) là xung vuông như Hình 1.8 thì phổ tín

hiệu của mỗi sóng mang phụ có dạng là bình phương hàm

Hình 1.13 Phổ tín hiệu của các đơn sóng mang

Phép biểu diễn toán học của phổ tín hiệu được viết như sau:

2( )

Hình 1.14 Phổ tín hiệu OFDMHình 1.14 thể hiện phổ tín hiệu OFDM Từ kết quả toán học chúng tanhận thấy rằng hai sườn phổ tín hiệu rất dốc, điều này làm tăng hiệu suất phổtín hiệu của hệ thống và giảm nhiễu liên kênh với các hệ thống khác.

Vì sườn dốc của phổ tín hiệu hệ thống không bao giờ có dạng dốc đứng

mà bao giờ cũng chiếm ít nhất một khoảng là một nửa bề rộng của khoảngcách mà hai sóng mang liên tiếp Mặt khác, xung cơ bản hình vuông cũng

không tồn tại trong thực tế mà thay vào đó là bộ lọc cos nâng (root-raised cosine filter).

1.4 Các ưu và nhược điểm của OFDM

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sửdụng kỹ thuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác:

• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa

đường (ISI) nếu độ dài khoảng phòng vệ (guard interval length)

lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ

thống truyền dẫn tốc độ cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần

số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm

nhiễu so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

• Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản, đó là:

• Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này

gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát vàthu Cho đến nay, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra đểkhắc phục nhược điểm này

• Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường

nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bảnthân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích

• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ

thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự

dịch tần (frequency offset)và dịch thời gian (time offset) do sai số

đồng bộ

Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điềuchế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB-

T, mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2, vv vv

1.5 Một số hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM

Do những ưu điểm của OFDM so với các hệ thống khác, mà kỹ thuậtOFDM đã được ứng dụng trong rất nhiều hệ thống ngày nay, ví dụ như:

1.5.1 Hệ thống phát thanh số DRM

Hình 1.15 Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM.

DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống truyền thống Tần

số sóng mang cho hệ thống DRM tương đối thấp, cụ thể là nhỏ hơn 30Mhz,phù hợp cho việc truyền sóng ở khoảng cách lớn Môi trường truyền sóng của

hệ thống là kênh phân tập đa đường Có sự tham gia phản xạ của mặt đất vàtầng điện ly như mô tả trên Hình 1.15 Phạm vi phủ sóng DRM do vậy rất lớn,

có thể là liên quốc gia hoặc liên lục địa Do sử dụng kỹ thuật số và công nghệOFDM, chất lượng tín hiệu hệ thống DRM tương đối tốt

Hình 1.16 mô tả sơ đồ hệ thống DRM Các tham số cơ bản của hệ thốngđược đưa ra như sau:

- Bề rộng băng tần B = 9.328 kHz

- Độ dài FFT NFFT =256

- Độ dài chuỗi bảo vệ TG=5.3ms.

- Số sóng mang sử dụng để truyền tin K=198

Hình 1.16 Sơ đồ khối hệ thống DRM

Mô hình kênh truyền dẫn

kê như sau:

tương tự như mạng điện thoại tế bào Một hệ thống Wimax gồm hai phần:

- Trạm phát: giống như trạm BTS trong mạng thông tin di động với côngsuất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng đến 8000km2

- Trạm thu: có thể là anten thu nhỏ như các card mạng cắm vào hoặcđược thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà

WLAN vẫn dùng.

Các trạm BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đườngtruyền tốc độ cao riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm

trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight), và chính vì vậy

WiMax có thể phủ sóng tới những vùng rất xa

Hình 1.17 thể hiện mô hình truyền thông của WiMax Các antenthu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặccác tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng LOS, các anten được đặt cốđịnh trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền

có thể đạt được tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz

vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băngthông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp có vật chắn NLOS, WiMax

sử dụng băng tần thấp hơn từ 2 đến 11GHz, tương tự như ở WLAN, tín hiệu

có thể vượt qua các vật cản thổng qua phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng quacác vật thể đến đích

Hình 1.17 Mô hình truyền thông của WiMax.

Hệ thống Wimax có các đặc điểm chính sau:

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km

- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mb/s

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìnthẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS

- Trong Wimax hướng truyền tin được chia thành 2 đường lên và xuống.Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM

để truyền OFDM trong WiMax sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó có

1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênhcon tương đương với 48 sóng mang WiMax sử dụng điều chế nhiều mứcthích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗiReed Solomon, mã xoắn tỉ lệ mã từ 1/ 2đến 7/ 8

- Độ rộng băng tần của WiMax từ 5MHz đến trên 20MHz được chiathành nhiêu băng con 1,75MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữanhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thờimột hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng

băng tần Công nghệ này gọi là công nghệ đa truy cập OFDMA (Orthorgonal Frequency Division Multiple Access).

- Cho phép sử dụng 2 công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của

hướng lên và hướng xuống

- Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp:

Lớp con tiếp ứng (Convergence) làm nhiệm vụ giao tiếp giữa lớp đa truy nhập

và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission)

và lớp vật lý (Physical) Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô

hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớptrên

Ngoài những ứng dụng trên kỹ thuật OFDM còn được sử dụng trong rất

nhiều các hệ thống khác nữa như trong các hệ thống phát thanh số (DAB: Digital Audio Broadcasting), hệ thống tuyền hình số (DVB:Digital Video Broadcating), trong hệ thống ADSL (ADSL:Asynchronous Digital Subscriber Line)… Và đặc biệt OFDM còn là kỹ thuật được coi như một ứng cử viên cho

thế hệ thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

1.6 Tóm tắt

Ở chương này chúng ta đã tìm hiểu về các đặc điểm của kỹ thuật OFDMnhư phương pháp điều chế, giải điều chế, tiếp đầu tuần hoàn vv và nhữngứng dụng của OFDM như hệ thống DRM, Wifi, WiMax

Một lợi thế của hệ thống OFDM là khả năng chống nhiễu ISI, ICI vớiviệc sử dụng tiếp đầu tuần hoàn đủ rộng có thể chống lại kênh pha-đinh chọnlọc theo tần số rất tốt

Chương tới đây chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp mã khối không thời gian

gian-CHƯƠNG 2

MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN

2.1 Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC)

Mã không gian-thời gian (Space-Time Codes-STC) do

Tarokh và các đồng sự phát minh năm 1998 tại AT&T và đây làmột phương pháp mang lại hiệu quả truyền tin trong việcphân tập phát trong môi trường pha đinh sử dụng nhiềuanten Trước đó, vấn đề pha đinh đa đường trong các hệ thống

vô tuyến sử dụng nhiều anten chủ yếu chỉ tập trung vào các

kỹ thuật phân tập như kỹ thuật phân tập thời gian, kỹ thuậtphân tập tần số và kỹ thuật phân tập anten thu, và kỹ thuậtđược áp dụng nhiều nhất là kỹ thuật phân tập anten thu Tuynhiên việc áp dụng công nghệ phân tập anten thu ở máy đầucuối tỏ ra không hiệu quả do yêu cầu về sự đơn giản, nhỏ gọn

và giá rẻ của thiết bị đầu cuối Vì những lý do thương mại, nênviệc áp dụng nhiều anten chỉ được đề xuất áp dụng tại trạmgốc

Phương pháp mã không gian-thời gian do Tarokh và cácđồng sự đề xuất, về bản chất là đây là sự kết hợp giữa mãhoá, điều chế, phát và thu phân tập và được xem như làtrường hợp tổng quát của các phương pháp phân tập phát Cóhai loại mã không gian thời gian chính là: các loại mã khối không gian - thời

gian (Space-Time Block Coded -STBC) và các loại mã lưới không gian-thời gian (Space-Time Trellis Coded - STTC) Mã khối không gian thời gian thực

hiện trên một khối các symbol đầu vào và tạo ra một ma trận đầu ra mà cáccột của nó biểu diễn thời gian và hàng biểu diễn số anten Khác với các loại

mã khối dùng một anten trên kênh AWGN, các loại mã khối không gian- thờigian nói chung là không cho độ lợi mã hoá, trừ trường hợp khi ta móc nối vớimột bộ mã ngoài Đặc tính cơ bản của phương pháp này là phân tập đầy đủ vàviệc giải mã đơn giản, mặt khác các loại mã lưới không gian - thời gian thựchiện xử lý một symbol đầu vào ở một thời điểm, tạo ra một chuỗi các ký tự

véc tơ mà chiều dài của nó thể hiện số anten Giống như mã TCM (Trellis Coded Modulation) cho trường hợp kênh có một anten, các loại mã STTC có

cho độ lợi mã hoá Nhược điểm của nó là rất khó thiết kế và việc mã hoá vàgiải mã phức tạp Vì thế trong giới hạn của chương này, chỉ nghiên cứu cácloại mã khối không gian thời gian

2.2 Mã không gian – thời gian Alamouti

Phương pháp Alamouti là phương pháp mã khối không gian thời gianđầu tiên được đưa ra cho ta một hệ thống phân tập phát đầy đủ với hai ăng-tenphát Ta biết rằng phương pháp phân tập giữ chậm cũng cho ta một sự phântập phát đầy đủ, nhưng lại có nhiễu giữa các symbol và yêu cầu bộ tách sóngphức tạp ở phía máy thu Trong phần này chúng ta sẽ xem xét kỹ thuật phântập phát của Alamouti, bao gồm các thuật toán mã hóa và giải mã và cáchthực hiện chúng

2.2.1 Mã hóa không gian thời gian theo phương pháp Alamouti

Hình 2.1. Sơ đồ khối bộ mã hóa không gian-thời gian

Ở phía phát dữ liệu cần phát từ nguồn (information source) được đưa đến

bộ điều chế (modulator), giả sử rằng sử dụng bộ điều chế M-ary Trong bộ mã hóa không gian-thời gian Alamouti, mỗi nhóm gồm m bit thông tin trước tiên

là được điều chế, với m= log ( )2 M Sau đó, bộ mã hóa (encoder) nhận một

khối gồm 2 symbol đã được điều chế x và 1 x trong một lần mã hóa và ánh2

xạ chúng tới các ăng-ten phát theo ma trận mã hóa sau:

ăng-ten thứ nhất và ăng-ten thứ hai Trong khe thời gian thứ hai, tín hiệu - x2*

được phát đi từ ăng ten thứ nhất, tín hiệu x được phát đi từ ăng-ten thứ hai, ở1*

đây ( ) *· biểu diễn phép toán lấy liên hợp phức

Chúng ta thấy một điều rõ ràng rằng, việc mã hóa đã được thực hiện trên

cả hai miền thời gian và không gian Ký hiệu chuỗi phát từ ăng-ten thứ nhất

Giả sử rằng máy thu chỉ có một ăng-ten thu Ta có sơ đồ khối của máythu cho phương pháp Alamouti như trong Hình 2.2 Hệ số pha đinh của kênh

truyền từ ăng-ten phát thứ nhất và thứ hai tới ăng-ten thu tại thời điểm t lần

lượt ký hiệu là h t và 1( ) h t Giả sử rằng kênh pha đinh biến đổi chậm, tức2( )

là hệ số pha đinh là hằng số trong hai chu kỳ liên tiếp của symbol Ta có thểbiểu diễn các hệ số pha đinh như sau:

Ở đây h và , i q i i = 0,1, là biên độ và pha của kênh từ ăng-ten phát thứ

i tới ăng-ten thu, và T là chu kỳ của symbol

Tại ăng-ten thu, tín hiệu nhận được tại hai khe thời gian liên tiếp nhau t

và (t +T) được ký hiệu là r và 1 r có thể được biểu diễn như sau:2

Ở đây n và 1 n là các biến số ngẫu nhiên phức độc lập với kỳ vọng bằng2

không và mật độ phổ công suất theo một phía là N0/ 2, biểu diễn tạp âm

AWGN tại các thời điểm t và ( t +T).

2.2.2 Kết hợp và giải mã hợp lệ tối đa (Maximum Likelihood Decoding)

Giả sử máy thu biết trước hoặc ước lượng được chính xác các hệ số phađinh của kênh h và 1 h , thì bộ giải mã sẽ sử dụng chúng như là thông tin trạng2

thái thông tin của kênh CSI (channel state information) Giả sử rằng tất cả các