tài liệu kỹ thuật MIMO-OFDM

Chương 4 KỸ THUẬT MIMO-OFDM 4.1 Giới thiệu Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian V-BLAST, cải thiện chất lượng của

Chương 4

KỸ THUẬT MIMO-OFDM

4.1 Giới thiệu

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành

N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai

Chương này trình bày tổng quan và phân tích hệ thống hệ thống MIMO Có nhiều loại

hệ thống MIMO-OFDM, tùy vào từng kỹ thuật MIMO mà chúng ta có các hệ thống khác nhau, hệ thống MIMO-OFDM mã hoá không gian_thời gian, hệ thống MIMO-OFDM ghép kênh không gian

4.2 Hệ thống MIMO-OFDM

4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM

STC Encoder

OFDM Transmitter OFDM Transmitter

OFDM Transmitter

STC Decoder

OFDM Receiver OFDM Receiver

OFDM Receiver

Signal Demapper Signal

Mapper

1

Rx

1

Tx

2

Rx

2

Tx

T

N

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM

Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát và NR anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng Nc sóng mang phụ

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

y1(k)=h11x1(k)+ h12x2(k)+ + h1NtxNt(k)+n1(k)

3 y2(k)=h21x1(k)+ h22x2(k)+ + h1NtxNt(k)+n2(k) (4.1)

yNr(k)=hNr1x1(k)+ hNr2x2(k)+ + hNrNtxNt(k)+nNr(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

hij 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

H=

























NrNt Nr

Nr

Nt Nt

h h

h

h h

h

h h

h

2 1

2 22

21

1 12

11

4.2.2 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM

Hình 4.2: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM

Trong môi trường thời gian thực, frame là đơn vị vận chuyển nhỏ nhất bao gồm 10 khe Mỗi khe bao gồm 1 khe preamble và 8 symbols OFDM Preamble được sử dụng cho mục đích đồng bộ thời gian Mỗi OFDM symbol được gắn thêm 1 CP CP được sử dụng

để giảm nhiễu symbol ISI và cân bằng kênh một cách đơn giản hơn Mỗi frame được vận chuyển qua sóng mang phụ (định thời pha, định thời tần số và ước lượng tần số offset)

4.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

Hình 4.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

Sơ đồ khối STBC-OFDM được cho trong Hình 4.5 Dòng tín hiệu nhị phân được điều chế và ánh xạ thành chuỗi kí tự phức Bộ chuyển đổi Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) M điểm thực hiện trên từng dòng dữ liệu nối tiếp Ngõ ra của khối IDFT là M mẫu tín hiệu trong miền thời gian, tương ứng với một khung OFDM

Để tránh tác động của nhiễu xuyên kí tự, một cyclic prefix (CP) với chiều dài v được thêm vào các mẫu ở ngõ ra, kết quả là tạo ra một khung có chiều dài M+v

Các khung OFDM được truyền đồng thời từ anten thứ nhất và anten thứ hai, như sau:

+ Khung OFDM thứ n:

+ Khung OFDM thứ (n + 1) :

Anten 1:

Anten 2:

Trong đó (.)* là chỉ đại lượng liên hợp phức và n = 2u-1, u=1,2

Tín hiệu phát đi tại anten:

Xm,J(t)= Xm,n,[J,t] =  x x x0, 1, 2 xN1 

Trong đó m:là số kí tự thứ m của OFDM

n:là số kí tự thứ n được điều chế trên sóng mang con n

J là số thứ tự anten phát J=1,2

T là khe thời gian tương ứng t=1,2

Xm,1(1)= [s1,s3,s5….]

Xm,2(1)= [s2,s4,s6….] (4.3)

Xm,1(2)=- Xm,2(1) *=[-s2* ,-s4* ,-s6* ….]

Xm,2(2)= Xm,1(1)*= [s1*,s3*,s5*… ]

Sau đó Xm được biến đổi IFFT để điều chế sóng mang và chèn CP vào đông thời được truyền đi trên 2 anten như phân tích ở trên

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

J=1,2 tương đương với anten1,2

t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2

Tại máy thu:

Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễu

AWGN(additive white gausian) và fading

r1,m(1)= (h11,m x1,m(1)+ h12,m x2,m(1)+n1,m(1))

r1,m(2)= (h11,m x1,m(2)+ h12,m x2,m(2)+n1,m(2)) (4.5)

r2,m(1)= (h21,m x1,m(1)+ h22,m x2,m(1)+n2,m(1))

r2,m(2)= (h21,m x1,m(2)+ h22,m x2,m(2)+n2,m(2))

Trong đó rJ,m(t) ,xJ,m(t),nj,m(t)la tín hiệu nhận được, tín hiệu truyền, và nhiễu tác động tại anten thứ J (J=1,2) trong khe thời gian t (t=1,2) tương ứng của kí tự OFDM thứ m

hj,k,m là hệ số kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu tương ứng của kí tự OFDM thứ m ,nó không thay đổi trên 2 khe thời gian

Ở đây để đơn giản ta xét trong một kí tự OFDM với môi trường fading phẳng

Tại máy thu tách CP ta được

1

, , [1] , , [1] , [2] , , [2] ,

0

L

l





r1(1)= 



1

0

L



1

0

N

n

(h11,l x1,n(1)+ h12,m,l x2,n(1)+n1(1)) (4.6)

r1(2)= 



1

0

L



1

0

N

n

(h11,l x1,n(2)+ h12,m,l x2,n(2)+n1(2))

r2(1)= 



1

0

L



1

0

N

n

(h21,l x1,n(1)+ h22,m,l x2,n(1)+n2(1))

r2(2)= 



1

0

L



1

0

N

n

(h21,l x1,n(2)+ h22,m x2,n(2)+n2(2))

Trong đó: n=0…N-1 tương đương với các sóng mang co

l : chùm tia fading thứ l

Sau đó qua bộ FFT ta được:

( 4.7 )

RJ(t)=HJ,1 X1(t)+ HJ,2 X2(t)+ ZJ

Với :

Sau khi tách CP và biến đổi FFt để tách sóng mang, tín hiệu sẽ dược đưa đến bộ giải mã STC Ở đây bộ giải mã sẽ tiến hành giải mã trên 2 khe thời gian để ước lượng các kí tự truyền

Ở máy thu bằng phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta có thể khôi phục lại các kí tự phức M-PSK hoặc M-QAM và sau đó giải mã, ta tìm được các bit tin cần thiết

Với s1,s2 là các số phức trong mặt phẳng phức được thay lần lượt vào để tìm được giá trị gần với nó Mô hình hệ thống trên có thể sử dụng với Nr anten thu

4.4 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST

OFDM Transmitter

OFDM Transmitter

OFDM Transmitter

Signal Mapper

TX 1

TX 2

TX N T

1

X

2

X

T

N

X

STC Coder

Data

Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST được áp dụng nhằm tăng tối đa dung lượng kênh truyền Tín hiệu đầu vào sẽ được đưa qua bộ điều chế để điều chế M-psk hoặc M-QAM, sau đĩ nĩ đi qua bộ MIMO coder Bộ MIMO coder trong trường hợp này chỉ là một bộ S/P chia luồng dữ liệu lớn thành NT luồng dữ liệu nhỏ(tương đương với NT anten phát, NT luồng này được đưa vào NT bộ phát OFDM Từng luồng dữ liệu sẽ được biến đổi nối tiếp sang song song và chèn pilot để thành NC vector xk, với k = 1,2,…NC tương ứng với Nc sĩng mang con, từng vector xk sẽ được đưa qua bộ biến đổi IFFT

OFDM Recei ver

OFDM Recei ver

OFDM Recei ver

RX 1

RX 2

RX N R

1

1

1

1

2

2

2

2

N

N

N

N

ZF/M M SE Decoder ZF/M M SE Decoder ZF/M M SE

Decoder ZF/M M SEDecoder

Si gnal Demapper

N T x N Symbol

Data

STC Decoder

Só ng mang phụ 1



N

1

Y

2

Y

R

N

Y

Tại phía thu, tín hiệu nhận được sẽ được sau khi loại bỏ cao tần sẽ đưa đến bộ thu OFDM Tại đây nó loại bỏ khoảng bảo vệ CP khỏi symbol OFDM, vector thu có dạng sau

y(k)1=h11X(k)1+h12X(k)2 + + h1Nt X(k)Nt+n1

y(k)2=h21X(k)1+h22X(k)2 + + h2Nt X(k)Nt+n2 (4.10)

y(k)Nr=hNr1X(k)1+hNr2X(k)2 + + hNrNt X(k)Nt+nNr

Với hij là ma trận kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j

nj là vector nhiễu tại anten thu thứ j

Sau đó tín hiệu được đưa qua bộ FFT, vector thu sẽ có biểu thức sau:

Y(k)1=H11x(k)1+H12x(k)2 + + H1Nt x(k)Nt+N1

Y(k)2=H21x(k)1+H22x(k)2 + + H2Nt x(k)Nt+N2 (4.11)

Y(k)Nr=HNr1x(k)1+HNr2x(k)2 + + HNrNt x(k)Nt+NNr

Trong đó Y(k)j=fft(y(k)j), Hij=fft(hij), Nj=fft(nj)

Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST tương đương với hệ gồm Nc hệ thống MIMO VBLAST băng hẹp

Sau khi qua bộ FFT tín hiệu sẽ được đưa qua bộ thu Vblast, nó giải mã vector thu tại sóng mang thứ k (Y(k)1 Y(k)2 Y(k)Nr ) để ước lượng các vector phát ( ( ) 1

~

k

x ( ) 2

~

k

x x(k)Nt

~

) thông qua giải thuật Zero-forcing hay MMSE

Bộ thu ZF/MMSE

Giải mã luồng 1

Bộ thu ZF/MMSE

Giải mã luồng 2

Bộ thu ZF/MMSE

Giải mã luồng 3

Bộ thu ZF/MMSE

Giải mã luồng Nt

Loại trừ luồng 1

Loại trừ luồng 1, 2

Loại trừ luồng 1, 2, 3,…,N T -1

 k

X~1

 k

X~2

 k

X~3

 k X

T

N

~

 k

Y

T

N

~

 k

Y~1

 k

Y~3

 k

Y~2

ZF/MMSE Decoder cho sóng mang phụ thứ k

4.4 Kết luận chương

Trong chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM Đây là kỹ thuật đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống thơng tin di động vì nĩ mở rộng băng thơng và tăng tốc độ dữ liệu lên nhiều lần, nâng cao chất lượng tín hiệu

Hiện nay, MIMO-OFDM đang là cơ sở cho chuẩn IEEE 802.11n, đây là chuẩn mới cho

hệ thống WIFI vừa hỗ trợ các chuẩn cũ vừa cĩ tính năng ưu việt hơn hẳn, như hỗ trợ liên lạc giọng nĩi, trao đổi hình ảnh, video với chất lượng cao

MIMO-OFDM cịn được áp dụng trong hệ thống WIMAX, hiện nay và trong một tương lai khơng xa nữa cơng nghệ này sẽ được áp dụng rộng rãi và đem lại các tiến bộ vượt bậc trong thơng tin liên lạc khơng dây của nhân loại