Nghiên cứu hệ thống mimo - ofdm và tìm hiểu về mạng wimax

Nghiên cứu hệ thống mimo - ofdm và tìm hiểu về mạng wimax

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO Bài tập lớn môn hệ thống viễn thông

Đề tài : Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Văn Yêm

Hà Nội - 12/2013

PH N I L I GI I THI U ẦN I LỜI GIỚI THIỆU ỜI GIỚI THIỆU ỚI THIỆU ỆU

Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của

thông tin di động và Internet Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương

tiện băng rộng Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy

đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năngrất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng

có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hình hiển thị nhỏ Các hệ thống 3G, đang

trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s vềsau) và có màn hình hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G Thông tin truyền qua Internet

sẽ ngày càng phong phú hơn Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâunữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo

Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày

càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng Điều này đặt ra là phải có một

hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đaphương tiện – hệ thống di động 4G

Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi

băng thông lại có giới hạn Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu raMIMO (Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành

công đáng kể Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ

thuật phân tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ

mà không phải tăng công suất phát hay băng thông

Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi

bit BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tựISI (Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng

không vì thế mà giảm Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng

mang được áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các

dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền

fading phẳng băng hẹp và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ

Chính bởi những khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống MIMO và OFDM

đem lại những tiềm năng to lớn cho hệ thống thông tin hiện nay, nên việc kết hợpchúng thành một hệ thống MIMO – OFDM là một giải pháp vô cùng quan trọng

cho sự phát triển 4G

Và đó cũng là lý do nhóm chúng em lựa chọn đề tài cho bài tập lớn môn hệ thống

viễn thông của mình là: “Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng

Wimax”

PH N II TH C HI N Đ TÀI ẦN I LỜI GIỚI THIỆU ỰC HIỆN ĐỀ TÀI ỆU Ề TÀI

CH ƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NG I T NG QUAN V Đ TÀI ỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Ề TÀI Ề TÀI

1 Tên đề tài

Đề tài của bài tập lớn môn hệ thống viễn thông mà chúng em nghiên cứu, tìm hiểu

và thực hiện là : Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng Wimax

Ở đề tài này chúng em cùng tìm hiểu lý thuyết kĩ thuật truyền dẫn OFDM, lý thuyết

về hệ thống MIMO và hệ thống kết hợp cả hai kĩ thuật này MIMO-OFDM Bên cạnh

đó chúng em cũng tìm hiểu tổng quan về mạng không dây băng thông rộng WiMAX và

có thể áp dụng hệ thống MIMO-OFDM cho mạng WiMAX

2 Các yêu cầu của đề tài

2.1 Yêu cầu chức năng:

Đề tài cần thực hiện bao gồm các nội dung chính cần phải tìm hiểu như:

- Hiểu về công nghệ OFDM, là một công nghệ trong kĩ thuật truyền dẫn số khá

phổ biến hiện nay

- Có kiến thức về hệ thống đa anten phát, đa anten thu – hệ thống MIMO, áp dụng

vào các hệ thống truyền dẫn hiện nay và hiệu quả của chúng

- Tìm hiểu về mạng không dây băng thông rộng WorldwideInteroperability for

Microwave Access viết tắt là WiMAX, ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng người sử dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ và giải quyết tốt nhấtnhững vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối

- Hệ thống MIMO-OFDM kết hợp, và ứng dụng vào mạng không dây WiMAX.

Đưa ra được các ưu nhược điểm của từng hệ thống , nhận xét đánh giá và ứng dụng cũng như hướng phát triển của lý thuyết này ở Việt Nam

2.2 Yêu cầu phi chức năng

Bên cạnh các lý thuyết quan trọng cần tìm hiểu của đề tài, còn cần thực hiện mô phỏng nó bằng một công cụ phần mềm Ở đây chúng em sử dụng phần mềm Matlab và ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng lần lượt nội dung liên quan đến kĩ thuật

OFDM, kĩ thuật MIMO và sự kết hợp của hai kĩ thuật này thành một hệ thống hoàn chình hơn, mạnh mẽ hơn, ưu điểm hơn Muốn vậy, cần phải học sử dụng thành thạo phần mềm Matlab,về ngôn ngữ Matlab- một ngôn ngữ lập trình hệ thống mạnh mẽ và công cụ mô phỏng simulink khá hữu dụng hiện nay.

CH ƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NG II L P K HO CH CHO Đ TÀI ẬP KẾ HOẠCH CHO ĐỀ TÀI Ế HOẠCH CHO ĐỀ TÀI ẠCH CHO ĐỀ TÀI Ề TÀI

1 Các giai đoạn thực hiện đề tài

Tên giai đoạn Ngày bắt đầu Ngày kết thúc Trạng

thái

1 Nhận đề tài, phân tích đề tài , lập kế

hoạch và thực hiện cài đặt chương

simulink với các chương trình nhỏ

Triển khai mô phỏng công nghệ

6 Đóng gói mô phỏng, viết báo cáo và

bảo vệ bài tập lớn 24/11/2012 Chưa hoàn

thành

2 Lập kế hoạch

3 Phân công công việc

Thành viên Công việc Trạng tháiTrần Công Nam Phân tích đề tài, lập kế hoạch cho

đề tài, tìm hiểu kiến thức chung của đề tài, tổng hợp và viết code matlab mô phỏng cho hệ thống mimo-ofdm

Hoàn thành

Nguyễn Văn Toàn Tìm hiểu kiến thức về công nghệ

OFDM, thực hiện mô phỏng matlab cho OFDM

Hoàn thành

Trần Đức Thắng Tìm hiểu hệ thống MIMO- đa

anten phát, đa anten thu Hoàn thànhNguyễn Thế Bình Tập trung tìm hiểu về mạng

WIMAX, ứng dụng trong cuộc sống hiện tại viễn thông Việt Nam

Hoàn thành

Các thành viên trong nhóm được phân rõ công việc, và tập trung sâu vào nhiệm vụ được giao đó Trong giai đoạn của mỗi công việc, các thành viên khác trong nhóm cũng tham gia tìm hiểu, giúp đỡ nhau về phần của mình Kết thúc mỗi giai đoạn, có buổi họp nhóm để mỗi thành viên trình bày về tiến độ công việc được giao, giúp cả nhóm tiếp thu các kiến thức một cách nhanh nhất Tổng kết và chuyển sang giai đoạn tiếp theo.

CH ƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NG III OFDM

1 Giới thiệu chung về kĩ thuật điều chế OFDM

1.1 Định nghĩa và lịch sử phát triển

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) là

một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóngmang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phépchồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn

phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹthuật điều chế thông thường.

Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trựcgiao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiêncứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần

và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.Kỹthuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóngmang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóngmang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệuban đầu Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổlớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ đó OFDM là chia dòng

dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một sốcác sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng

kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mangtuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó.Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phátminh năm 1966 ở Mỹ Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoahọc về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các côngtrình của Weistein và Ebert, ngườI đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thểthực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổI DFT.Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDMđược ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biếnđổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

1.2 Ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM

 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM :

 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI)nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớnnhất của kênh

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc

độ truyền dẫn cao),do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequencyselectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiễu so với hệ thốngtruyền dẫn đơn song mang

 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM”

 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng.Điều này gâyméo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu.Cho đếnnay ,nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểmnày [Pau98]

 Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lạilàm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền ,do bản thân chuỗi bảo vệkhông mang tin có ích

 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ ,hệ thốngOFDM rất nhay cảm vói hiệu ứng Dopple cũng như là sự dịch tần(frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

1.3 Ứng dụng của kĩ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital SubscriberLine) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đườngtruyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đasóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong

hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internetthông thường.Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộngrãi ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặtđất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB vàDRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa Các mạng vềthông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khaithác một cách rộng rãi ở Việt Nam

1.4 Hướng phát triển của kĩ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trongmạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thốngthong tin di động thế hệ thứ tư Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuậtOFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu(MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với côngnghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứuvới mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổiWavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mấtđồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuynhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữatrong tương lai

2 Tìm hiểu về công nghệ điều chế

2.1 Điều chế đơn sóng mang

Hình 3.1 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn

bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗitín hiệu có độ dài là

Tsc= 1/B (PT 3.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số(frequency selective channel) Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đóchu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có nhữngnhược điểm sau:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đườngđối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải thích do độ dài của 1 mẫu tínhiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do vậy ảnh hưởngcủa trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu

Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến

- Gaussian Noise

- Interchanel Interference

- Co-channel Interference

- Inter-symbol interference

- Multiple access interference

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống Dobăng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số

 Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu làphức tạp

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thôngtin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng,phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên

2.2 Điều chế đa sóng mang FDM

tìn hiệu của hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song Vì vậy đọ dài của mẫutín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

Ts=1/Fs=Ts.Nc PT(3.2)

Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điềuchế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây

ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường) Từ đó chúng ta

có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với các phươngpháp điều chế đơn sóng mang là:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiềuphần

( Băng thông giảm-> B<Bc dẫn đến kênh ít phụ thuộc vào tần số)

Từ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thốngcũng giảm.Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau

 Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (timeselectivity) Điều này được biết đến là do đọ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian) Dẫn đến sự biến đổi

về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu quả sử dụng băng tần của hệthống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được khoảngcách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần và

có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điềuchế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau

2.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thốngADSL, các kỹ thuật này thường đượcc nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT) Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau

3 Mô hình hệ thống OFDM

 Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con.Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểmrời rạc Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ củacác sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thốngtrong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Tín hiệu OFDM trongmiền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến

 Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó trước hết, trộn

hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tíchtín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của cácsóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữliệu số ban đầu

Hình 3.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

 Tầng chuyển đổi nối tiếp song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu pháttrong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việc phân bổ dữliệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và sốlượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóngmang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì

số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400 Tại phía thu quá trình được thực hiện ngượclại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nốitiếp ban đầu

Khi tín hiệu truyền trong môi trường dưới ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đađường do phadinh lựa chọn tần số làm suy giảm tín hiệu thu ở các tần số khác nhau cácmức khác nhau gây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênhtruyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận bị lỗi, kết quả là mộtcụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu như cụm lỗi bit này không quá lớn thì bộ sửa lỗi tạiphía thu vẫn có thể khôi phục được tín hiệu Trên thực tế cụm lỗi bit này thường khálớn nên khó khăn rất lớn trong việc sửa lỗi Một giải pháp khả thi được đặt ra là làmcho các bit lỗi này phân tán thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp thì các bit lỗinày sẽ nằm rải rác tránh được các cụm bit lỗi lớn Để thực hiện được điều này trongthực tế người ta sử dụng các bộ xáo trộn bit như là một phần trong quá trình chuyển đổinối tiếp , song songthay vì truyền theo thứ tự chuỗi bit ta truyền không theo thứ tự rồisau đó sắp xếp lại chúng ở phía thu

 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lêncác sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha Việc sắp xếpđiều chế sóng mang con đối với 16-QAM được cho hình 3.5(a) , mỗi ký hiệu 16-QAM

sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tương ứng với một vector IQ duynhất.Hình 3.5(b) mô tả tín hiệu 16-QAM dưới tác động của nhiễu

Hình 3.6 Bộ điều chế OFDM thực hiện bằng IFFT

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệuOFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian Phép biến đổiFourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miềnthời gian Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu racủa IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT) Hầu hết các

sóng mang con đều mang dữ liệu Các sóng mang con vùng ngoài không mang

dữ liệu được đặt bằng 0.

 Tầng điều chế sóng mang RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình 3.7 và "số" được cho ở hình 3.8 Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.

Hình 3.9 mô tả dạng sóng trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM Số lượng sóngmang = 500, kích thước FFT = 2000, khoảng thời gian bảo vệ = 500 Sóng mang điềuchế cao tần có tần số fc = 10 GHz.

Hình 3.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sửdụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cáchdùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 3.7 và hình 3.8 Bộ điều chế IQ sẽ dịchphổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên vùng tần số vô tuyến, và chuyển từtín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực) Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực

và nó chỉ biến đổi giá trị cường độ trường

Một tín hiệu thực sẽ tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức có tần số trungtâm là 0 Hz trộn với tần số sóng mang ở bộ điều chế IQ

f c=

W

(PT 3.3)

Trong đó f c là tần số sóng mang để dịch tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên

tín hiệu OFDM cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu và f off là tần số dịch từ

DC Trong các ứng dụng hữu tuyến như ADSL, hầu hết các sóng mang con đều có tổng

độ dịch DC thấp hơn độ rộng băng tần tín hiệu Điều này có ý nghĩa rằng có thể trựctiếp tạo tín hiệu thực bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ đểchuyển dịch tần số

Hình 3.10 Tín hiệu OFDM

Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng chođiều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ có giá trị biên độ làliên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn

4 Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục

4.1 Nhiễu ISI và giải pháp khắc phục

 Nguyên nhân và ảnh hưởng của ISI

 Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụthuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa giữa các

ký hiệu (ISI) truyền qua nó

 Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôiphục định thời

 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI

 Chèn khoảng bảo vệ

Hình 3.11 Cấu trúc symbol OFDM và khoảng bảo vệ

Giả thiết có một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài TS , chuỗi bảo vệ là một chuỗi có độdài TG Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ thì khoảng bảo

vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra bằng cách sao chép phần cuối ký hiệu lênphần đầu của cùng ký hiệu Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệuOFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc sao chép phầncuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tạiđiểm nối Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu gây ra bởi hiệuứng phân tập đa đường Hình 3.12 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ Cơ chế chốngnhiễu được giải thích như + Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu mới có chu kì là

T=T+TS (PT 3.4)

TG > τmax

Hình 3.12 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi symbol OFDM

 Khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của ISI Tuy nhiên trong thực tế, các thànhphần đa đường có xu hướng suy giảm chậm theo thời gian, hậu quả vẫn tồn tại một chútISI thậm trí khi sử dụng khoảng thời gian bảo vệ dài Hình 2.19 là kết quả mô phỏngthể hiện hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI Băng tần kênh được giữ nguyêntrong các lần mô phỏng Mô phỏng thực hiện thay đổi giá trị chiều dài khoảng bảo vệ

và kích thước FFT đối với tín hiệu OFDM, và so sánh SNR thu được ứng với mỗi lầnthay đổi hai thông số này Kết quả cho thấy SNR tăng khi chiều dài khoảng bảo vệcùng kích thước FFT tăng

4.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục

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 lượngphổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao củacác sóng mang con

 Nguyên nhân và ảnh hưởng của ICI

 ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tầnsố) mà nguyên nhân chính là hiện tượng dịch tần Doppler do sự dịch chuyển tương đốicủa máy phát và máy thu máy thu

 Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên cácsóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao

 Giải pháp khắc phục

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, vàdùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM) Các hoa tiêu giúp cho việcước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI

5 Một số hệ thống sử dụng kĩ thuật OFDM

5.1 Hệ thống DRM

DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh điều tần truyền thôngAM.Tần số song mang cho hệ thống DRM tương đối thấp ,cụ thể là nhỏhơn30MHz ,phù hợp cho việc truyền sóng ở khoảng cách lớn

5.2 Hệ thống Hiper LAN/2(IEEE802.11a)

Hệ thống HiperLAN/2 tương đương với tiêu chuẩn IEEE802.11a được thiết kế chomạng máy tính không dây WLAN.Tốc độ truyền dẫn lớn nhất hệ thống có thể cung cấpvào khoảng 54Mbit/s tùy thuộc vào môi truongf truyền dẫn.Bề rộng băng tần sử dụng

là 20Mhz và được khai thác ở vùng tần số khoảng 5GHz.Môi trường truyền daanxlaf ởtrong nhà và giữa các tòa nhà Khoảng cách truyền dẫn tương đối nhỏ khoảng vài mộtđến vài trăm mét

5.3 Hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e)

WiMax [IEEE-1] ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dâytổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN.Hệ thống WiMax có khả năng cung cấpđường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm antenphát lên đến 50km.Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng tế bào

 Tram phát :Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suấtlớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 80000 km2

 Trạm thu:có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiếtlập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính,theo cách mà Wlan vẫn dùng

6 Kết luận chương

Qua chương này, ta có thể hiểu được một số vấn đề cơ bản của hệ thống

OFDM như cấu trúc một hệ thống OFDM, tính trực giao của tín hiệu, cấu trúc tínhiệu OFDM Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống thôngtin tốc độ cao Nhưng với nhu cầu thông tin hiện nay, không chỉ đòi hỏi về chấtlượng thông tin mà còn đòi hỏi về cả dung lượng hệ thống Để đáp ứng được yêucầu này, nhất là trong điều kiện tài nguyên tần số có hạn, hệ thống MIMO ra đời đểgiải quyết vấn đề này sẽ được giới thiệu ở chương 2

CH ƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NG IV MIMO

1 Định nghĩa

Hình 4.1 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống

thông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gầnđây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER,tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băngthông hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ dữ liệu chính là việc tăng chi phítriển khai hệ thống, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạpcủa hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

2 Lịch sử phát triển

- Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất, nêu ra khái

niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụngcho phát thanh quảng bá

- Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồng truyền trên

kênh fading nhanh

- Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung

năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó

- Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được

làm bởi Bell labs

- Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan Wireless Inc dùng

công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suấtbăng thông Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụngcác anten thu phát

3 Cơ sở lý thuyết

3.1 Kỹ thuật phân tập

Kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading

đa đường và cải thiện độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suấtphát hoặc băng tần cần thiết Tại phía thu sẽ có nhiều bản sao tín hiệu, tất cả mangcùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading

Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận được hai hay nhiều bản sao

tín hiệu một cách độc lập thì các bản sao tín hiệu này cũng bị suy giảm độc lập với nhau Nên nếu một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thểkhông bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làmgiảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

Phân tập có thể áp dụng được cho cả phía phát và phía thu Phân tập phía

phát liên quan đến mã không gian – thời gian, bản sao tín hiệu được truyền đi từ cácanten khác nhau Còn phân tập phía thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng

một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một thông tin nhưng có ít sự tươngquan về fading Chúng được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệuthu.

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể được ứng dụng trong miền không

gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian

Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng

một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fadingmột cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhấtquán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan vớinhau

Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể hiểu một cách trực quan là ta phát tín hiệu ở các

khoảng thời gian khác nhau thông qua việc mã hóa và xen kênh Phân tập thời gian

có thể đạt được bằng cách truyền các tín hiệu giống nhau qua các khe thời gian khácnhau Khoảng thời gian này ít nhất phải bằng thời gian nhất quán của kênh truyền

Hình 4.2 Minh họa phân tập thời gian

Theo hình vẽ trên, ta có thể dễ dàng nhận thấy ưu điểm khi ta phát xen kênh

so với khi ta truyền ký hiệu liên tiếp Khi truyền không xen kênh, từ mã x2 bị triệttiêu bởi fading Nhưng ta vẫn có thể phục hồi tín hiệu lại trong trường hợp phát xenkênh.Do tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn trong việc giải mã, kỹ thuậtnày thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của

kênh truyền nhỏ

Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten, sử dụng phổ biến trong

truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều antenhoặc chuỗi anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu

Khoảng cách giữa các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao chotín hiệu không tương quan với nhau Yêu cầu về khoảng cách các anten phụ thuộcvào độ cao anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình

là khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau

Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu được truyền từ nơi

phát đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền thời gian Không giống như trongphân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệusuất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độcao

3.2 Độ lợi hệ thống MIMO

Các hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi

đó là: Độ lợi beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập khônggian

Độ lợi beamforming:

Độ lợi 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 các nhiễutừ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền vàtăng độ bao phủ của hệ thống Để thể thực hiện được Beamforming, khoảng cáchgiữa các anten trong hệ thống MIMO thường phải nhỏ hơn bước sóng l , thôngthường là l /2 Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ

Độ lợi phân tập không gian

Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten phía phát và phía

thu trong hệ thống MIMO, tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời qua các anten,nhằm tăng dung lượng hệ thống mà không cần tăng công suất phát hay tăng băngthông hệ thống Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyềnsong song trong hệ thống Thuật toán V-BLAST ( Vertical- Bell Laboratories

Layered Space-Time) thường được áp dụng để đạt được độ lợi cực đại về ghépkênh không gian