Ước lượng kênh truyền đa chặng biến thiên theo thời gian trong truyền dẫn MIMO-OFDM

Ước lượng kênh truyền đa chặng biến thiên theo thời gian trong truyền dẫn MIMO-OFDM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông

Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là Trần Văn Dũng

Hiện đang học lớp 08DT1 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷluật của Khoa

Sinh viên thực hiện đồ án

Trần Văn Dũng

MỤC LỤC

AF Ampify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN Addition White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

B

BEM Basis Expansion Models Mô hình khai triển cơ bản

BER Bit Error Rate Tỉ số bit lỗi

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CE Complex Exponential Hàm mũ phức

CFO Carrier Frequency Offset Độ lệch tần số sóng mang

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh truyền

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

D

DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc

DPS Discrete Prolate Sphroidal Hàm khai triển cơ bản

G

GCE Generalized Complex Exponential Hàm mũ liên hợp suy rộng

F

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốFDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

I

ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo

ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

L

LTE Long Term Evolution Sự tiến triển dài hạn

M

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất

M-QAM M Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương M điểmMSE Mean Squared Error Lỗi bình phương trung bình

O

Multiplexing giao

P

P-BEM Poly nomial BEM Khai triển đa thức

PDF Probability Density Function Hàm phân bố mật độ xác suất

Hình 1.5: Độ chính xác của các BEM với Q = 7, tốc độ 100km/h

Hình 1.6: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b) Hình 1.7: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số

Hình 1.8: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin đa chặng

Hình 2.2: Mô hình One-way relay

Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn multi-hop

Hình 3.1: Mô hình hệ thống two-way relay

Hình 3.2: Mô hình xử lý two way relay

Hình 4.1: Đồ thị MSE_CIR của các BEM theo SNR

Hình 4.2: Đồ thị BER của các BEM theo SNR

Hình 4.3: Đồ thị BER của các BEM với tốc độ khác nhau

Hình 4.4: Đồ thị BER của các BEM với số hàm Q khác nhau

Hình 4.5: Đồ thị BER của P- BEM với điều chế số khác nhau

Hình 4.6: Đồ thị MSE của các BEM_Coe với SNR khác nhau

Hình 4.7: Đồ thị MSE của các BEM_CIR với SNR khác nhau

Hình 4.8: Đồ thị BER của các BEM với SNR khác nhau

Hình 4.9: Đồ thị MSE của các BEM với tần số Doppler chuẩn hóa

Hình 4.11: Đồ thị BER của P- BEM với tốc độ khác nhau theo SNR Hình 4.12: Đồ thị MSE của BEM_Coe theo SNR

Hình 4.13: Đồ thị MSE của BEM_CIR theo SNR

Hình 4.14: Đồ thị MSE vị trí chèn pilot theo SNR

Hình 4.15: Đồ thị MSE số Relay theo SNR

Hình 4.16: Đồ thị MSE số Anten khác nhau theo SNR

Nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc của con người rất đa dạng và phong phú.Ngành viễn thông hiện hiện nay cũng theo đó phát triển nhanh chóng với nhiềubước đột phá trong công nghệ mới Bên cạnh các hệ thống thông tin đang phát triểnhiện nay là 2.5G, 3G thì các nhà mạng đã tiến hành triển khai một chuẩn di độngthế hệ mới có rất nhiều tiềm năng, đó là thế hệ thứ 4 (4G) sử dụng các kỹ thuật đatruy cập phân chia theo không gian, tần số trực giao và thời gian Để đáp ứng yêucầu về băng thông rộng, tính di động cao của dịch vụ cung cấp cho người dùng,truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao kết hợp với cấu hình truyềndẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) được chọn là giải pháp kỹ thuật truyềndẫn vô tuyến chính cho các mạng băng rộng 4G Tuy nhiên, hiệu quả của hệ thốngMIMO- OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênhtruyền (CSI) Chính vì thế, yêu cầu về việc xây dựng các giải thuật ước lượng đápứng kênh truyền đa đường, chọn lọc thời gian tần số trong hệ thống 4G là rất cầnthiết.

Cùng với hệ thống truyền dẫn MIMO- OFDM, một kỹ thuật truyền dẫn mớiđược thông qua bởi 3GPP- LTE Advanced là truyền dẫn thông tin đa chặng multi-hop (one way relay và two way relay) Việc ước lượng kênh truyền trong trườnghợp này phức tạp hơn vì chịu ảnh hưởng của hệ số fading qua nhiều chặng

Từ yêu cầu cần thiết về việc ước lượng đáp ứng kênh truyền đa đường, cùngvới mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống thông tin đa chặng, em chọn đề tài

nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ước lượng kênh truyền đa chặng biến thiên

theo thời gian trong truyền dẫn MIMO-OFDM”.

Đồ án chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Ước lượng kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số trong hệthống thông tin đa chặng one way relay

thống thông tin đa chặng MIMO-OFDM two way relay

Chương 4: Mô phỏng

Đồ án này sẽ giải quyết các vấn đề liên quan đến việc ước lượng đáp ứngkênh truyền bằng thuật toán Fisher và đưa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềmMatlab

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

- Thiết lập mô hình hệ thống

- Viết chương trình Matlab mô phỏng hệ thống two-way MIMO-OFDM

- Viết báo cáo chương 3, chương 4

- Viết bản tóm tắt đồ án

TRẦN THỊ THU THỦY 08DT3

- Thiết lập mô hình hệ thống

- Viết chương trình Matlab mô phỏng hệ thống one-way relay

- Viết báo cáo chương 1, chương 2

- Làm slide thuyết trình

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không khỏimắc phải những sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ

án được hoàn thiện hơn

Sau cùng, cho phép em bày tỏ lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoaĐiện Tử Viễn Thông, đặc biệt là thầy Nguyễn Lê Hùng đã tận tình hướng dẫn, cungcấp tài liệu và động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện

Trần Văn Dũng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày các nội dung sau:

- Tổng quan về mô hình truyền dẫn không dây

- Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang

- Tổng quan về đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

- Các kỹ thuật ước lượng kênh truyền

1.2 Mô hình kênh truyền không dây chọn lọc thời gian, tần số

1.2.1 Phân loại fading

Trong mô hình kênh truyền không dây, mô hình truyền tín hiệu được chiathành 2 loại là fading tầm rộng và fading tầm hẹp

1.2.1.1 Fading tầm rộng

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độsuy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịuảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữamáy phát và máy thu Ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống

kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ước lượng độ suy hao kênh truyền theohàm của khoảng cách

1.2.1.2 Fading tầm hẹp

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điềunày xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian giữa phía phát và phía thu.Fading tầm hẹp có hai nguyên lý – sự trải thời gian (Time - Spreading) của tín hiệu

và đặc tính thay đổi theo thời gian (Time - Variant) của kênh truyền Đối với cácứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phíaphát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Fading tầm hẹp sinh ra bởi nhiều bản sao các tín hiệu truyền với các độ trễkhác nhau kết hợp ở phía nhận Mô hình fading tầm hẹp ảnh hưởng trên hệ thốngMIMO có hai tính chất sau:

Fading tầm hẹp( Trải trễ thời gian đa đường)

(Trải phổ Doppler)

Fading biến đổi nhanh Trải phổ Doppler lớnCoherence Time < T_symbolKênh truyền biến đổi nhanh hơn biến đổi tín hiệu dải nền

Fading biến đổi chậm Trải phổ Doppler nhỏCoherence Time < T_symbolKênh truyền biến đổi chậm hơn biến đổi tín hiệu dải nền

- Đáp ứng kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu là tổng hợp các

đường phản xạ Vì các đường có độ trễ khác nhau tại thời điểm đến nên đápứng xung trải rộng trong miền thời gian

- Tín hiệu tổng hợp nhận được ở mỗi anten thu là tổng các tín hiệu từ tất cả

các anten phát

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát, độtrải trễ hoặc Coherence time và chu kỳ symbol mà ta có các loại kênh truyền:

- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

- Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm

1.2.1.2.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Do tín hiệu nhận được ở phía thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đường khácnhau nên thời gian đến phía thu không giống nhau mà có những khoảng thời gian

trễ, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo dài, tần phổ của kênh truyền cũng thay

đổi tùy theo thời gian trễ này Ta định nghĩa coherence bandwidth là khoảng tần số

mà đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số Ta tínhcoherence bandwidth như sau :

Với là thời gian trễ nhiều nhất

Nếu băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn coherence bandwidth ta gọi kênhtruyền là không chọn lọc tần số, ngược lại ta có kênh truyền chọn lọc tần số

Hình 1.1: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f 0 <W)

Trên hình 1.1 kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệuphát, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm vàdịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyềnkhông chọn lọc tần số hoặc kênh truyền flat fading

Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 >W)

Ngược lại trên hình 1.2, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so vớibăng thông của tín hiệu phát Do đó tại một số tần số trên băng tần, kênh truyềnkhông cho tín hiệu đi qua và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu đượctruyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy đượcgọi là kênh truyền chọn lọc tần số

1.2.1.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và không chọn lọc thời gian

Khi phía phát hoặc phía thu hoặc các vật chắn sóng và dẫn sóng giữa phíaphát và phía thu chuyển động, hiện tượng Doppler xảy ra và làm cho phổ tần số tínhiệu nhận được bị dịch chuyển Sự dịch chuyển tần số của phổ tần tín hiệu đồngnghĩa với sự thay đổi của đáp ứng kênh truyền trong miền thời gian Nếu sự dịchchuyển Doppler lớn tương ứng với sự thay đổi kênh truyền diễn ra nhanh và ngượclại Ta định nghĩa coherence time là thời gian mà kênh truyền thay đổi không đángkể

( = với là tần số cao nhất gây ra bởi hiệu ứng Doppler

Nếu coherence time nhỏ hơn 1 chu kỳ tín hiệu ta gọi kênh truyền đó là biếnđổi nhanh (fast fading), ngược lại ta gọi kênh truyền là biến đổi chậm (slow fading)

1.2.2 Mô hình kênh fading đa đường

1.2.2.1 Hiện tượng fading đa đường (multipath fading)

Fading được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tầntại anten thu, thường xảy ra đối với các hệ thống thông tin vô tuyến do tác động củamôi trường truyền dẫn

Hình 1.3: Tín hiệu từ bên phát đến bên thu theo các đường khác nhau

1.2.2.2 Mô hình kênh fading đa đường

Hình 1.4: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường

Tín hiệu s(t) được truyền vào không gian từ anten phát có thể được biểu diễnnhư sau:

(1.3)trong đó là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở Tín hiệu được gọi là đường bao phức(complex envelope) hay tín hiệu tương đương thông thấp (complex lowpassequivalent signal) của Ta gọi là đường bao phức của bởi vì biên độ và pha củachính là biên độ và pha của

Qua kênh truyền fading (gồm L đường vật lý), tín hiệu thu được tại anten thu

có thể được biểu diễn:

Thay (1.3) vào (1.4) ta có:

(1.5)Như vậy, tín hiệu nhận được ở dải nền được xác định như sau:

Bước tiếp theo, ta sẽ thiết lập một kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyểnkênh truyền liên tục thời gian sang kênh truyền rời rạc thời gian Sử dụng công thứccủa định lý lấy mẫu, giả sử rằng tín hiệu đầu vào có băng tần giới hạn là W, khi đó

có thể biểu diễn tương đương là:

với và

Ta có thể biểu diễn (1.7) nhờ tuân theo định lý lấy mẫu, định lý nói rằng bất

cứ tín hiệu nào có băng tần giới hạn là W/2 có thể được biểu diễn là tổng các hàm

cơ bản trực giao nhau với các hệ số là các mẫu tại các thời điểm n/W ( )

Thay (1.7) vào (1.6) ta được :

Suy ra các mẫu thu được là:

trong đó t là thời gian lấy mẫu, n là số đường, k là số kênh, là hệ số độ lệch pha, làbit code trực giao (+1 hoặc -1), là pha ban đầu, là độ dịch Doppler, là số bộ daođộng

Mô hình Jake đưa ra một phương pháp đơn giản để tạo ra kênh Rayleighfading bằng tổng chồng chập của các hàm sin với tần số và pha ban đầu khác nhau

Tuy nhiên nếu các thông số của kênh truyền được thiết lập ngay từ đầu thìchúng sẽ không còn đúng trong mô hình kênh truyền chọn lọc thời gian, tần số Đểquá trình mô phỏng thực tế hơn thì kênh truyền phải là một quá trình ngẫu nhiên vàvẫn giữ được những đặc tính thống kê Vì vậy mô hình Zheng được đưa ra và đượcchỉnh từ mô hình Jake

1.2.4 Mô hình Zheng

Mô hình Zheng tạo ra các mẫu tương tự như mô hình Jake nhưng cần dùng

số bộ dao động ít hơn, tuy nhiên yêu cầu số lượng lớn các hàm sin Thành phần

fading được thể hiện trong thành phần đồng pha và vuông pha tại mẫu thứ m được

cho bởi công thức sau:

và góc tới của đường thứ n là:

trong đó là tần số Doppler cực đại, là khoảng thời gian mẫu, n là số lượng hàmsin, , là những pha Cả , được khởi tạo tại điểm khởi đầu của mỗi lần thử và cóphân bố chuẩn trong khoảng (-, )

1.2.5 Mô hình khai triển cơ bản (BEM)

1.2.5.1 Giới thiệu BEM

Fading có ảnh hưởng lớn lên tín hiệu trong kênh truyền chọn lọc thời gian,tần số và mô hình Zheng có thể tạo ra hệ số fading cho mỗi mẫu với những đặc tínhthống kê chính xác Có thể thấy từ biểu thức (1.11) và (1.12) tương quan thời gianđược giới thiệu trong kênh truyền bởi vì chuyển động tương đối giữa máy phát vàmáy thu Bằng cách sử dụng tương quan thời gian, nhiều mẫu kênh truyền có thểđược xấp xỉ với số lượng tham số ít hơn Đây chính là việc sử dụng hàm khai triển

cơ bản (BEM)

Trong khối dữ liệu phát có N mẫu, tại đầu thu của kênh truyền chọn lọc thờigian, tần số yêu cầu thông tin của N mẫu này để biểu diễn kênh truyền, khôi phục

dữ liệu Tuy nhiên trong hệ thống số mẫu N và số symbol phát đi (M) lớn thì cónhiều biến số và sẽ gặp khó khăn trong quá trình khôi phục kênh truyền Tuy nhiên

có thể xấp xỉ kênh truyền chọn lọc thời gian bằng các mô hình khai triển cơ bản(BEM) khác nhau để làm giảm một lượng đáng kể số chiều biểu diễn của kênhtruyền

Độ lợi kênh l, tại mẫu thời gian n được biểu diễn như sau:

trong đó:

- l {0, , L -1}

- L đại diện cho độ dài kênh truyền

- đại diện cho giá trị hàm cơ bản

- là hệ số BEM của mô hình kênh

- Q là số hàm cơ bản được sử dụng trong mô hình khai triển cơ bản

Biểu diễn công thức (1.13) dưới dạng vector như sau:

trong đó: , ,

Vector đại diện cho tất cả các đường trở thành:

1.2.5.2 Các mô hình khai triển cơ bản

Có các mô hình khai triển cơ sở được sử dụng như sau: Hàm mũ phức (CE),hàm GCE, hàm đa thức (P), hàm Discrete Prolate Spheroidal (DPS), hàm Karhuen-Loève (KL)

• Khai triển mũ phức (CE): Được đưa ra năm 1996 bởi Tsatsanis vàGiannakis Hàm cơ sở của khai triền mũ phức được cho bởi công thức sau:

Đây là những hàm mũ phức, có chu kỳ bằng với độ dài của khoảng đượcxem xét Hệ số CE- BEM có mô hình toán đơn giản và dễ thực thi Tuy nhiên vì làhàm mũ nên CE-BEM chịu ảnh hưởng của Gibbs khi phân tích Fourier, dẫn đếnméo pha và biên độ, đặc biệt là ở những điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi frame Từcông thức trên ta thấy hệ số CE-BEM là cố định trong một khoảng thời gian xácđịnh, do đó chịu ảnh hưởng của lỗi mô hình do hiện tượng Gibbs.

• Khai triển GCE: Được đưa ra vào năm 2000 bởi Thomas và Vook Hàm

cơ sở của khai triển GCE được cho bởi công thức sau:

Tương tự hàm CE, nhưng khoảng cách tần số của nó được thu hẹp lại nhờvào hệ số G, do đó giảm được ảnh hưởng của modelling error và tránh đượcDoppler do khoảng cách tấn số nhỏ hơn tần số Doppler

• Hàm đa thức (P): Được đưa ra năm 1999 bởi Borah và Hart Là một tậpcác đa thức tương ứng với khai triển Taylor:

Như vậy có tới vài mô hình khai triển cơ sở BEMs tồn tại và mỗi loại đượcđịnh nghĩa bởi các hàm cơ bản được sử dụng trong việc tạo ra các B Ma trận Bđược thiết kế là duy nhất ứng với mỗi hàm cơ sở được chọn

Để đo đạc độ chính xác của BEM ta dùng lỗi bình phương trung bình (MSE)

chuẩn hóa MSE được tính từ CIR thực tế h và mô hình xấp xỉ hóa được tính từ B

và c Lỗi bình phương trung bình đáp ứng xung kênh truyền được định nghĩa như

sau:

Hình 1.5: Độ chính xác của các BEM với Q = 7, tốc độ 100km/h1.3 Truyền dẫn đa sóng mang

1.3.1 Tổng quan về truyền dẫn đa sóng mang

Từ khi bắt đầu mạng tế bào, truyền dẫn đơn sóng mang được sử dụng đểtruyền tải thông tin Tuy nhiên trên thực tế, những kênh truyền không dây chịu tácđộng mạnh mẽ của hiện tượng fading đa đường, điều này đã gây ra mất mát tín hiệunghiêm trọng Khi tín hiệu phát nằm trong passband, băng thông tín hiệu tập trungquanh tần số sóng mang Trong truyền dẫn băng rộng băng thông tín hiệu lớn vàchiếm dụng một phổ tần số lớn Khi hiện tượng fading chọn lọc tần số tác động lêntần số sóng mang thì toàn bộ thông tin sẽ bị mất Một phương pháp để tránh ảnhhưởng của hiện tượng chọn lọc tần số là truyền dẫn đa sóng mang Thay vì sử dụngmột tần số sóng mang để truyền một tín hiệu băng rộng, máy phát sẽ sử dụng nhiềusóng mang con Đó chính là phép biến đổi từ kênh truyền lựa chọn tần số băngrộng, thông lượng cao thành những kênh truyền con không chọn lọc tần số, thônglượng thấp Để thực hiện điều này, băng thông những kênh truyền con cần phải béhơn Coherence bandwidth của kênh truyền Một vài sóng mang con có thể bị mấtmát trong quá trình truyền dẫn do hiện tượng fading đa đường, nhưng phần lớn tínhiệu được phát đi vẫn được nhận tại đầu thu, kết hợp với việc mã hóa kênh, phần bịmất có thể khôi phục lại được Một cách đơn giản nhất để thực hiện truyền dẫn đasóng mang là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Mỗikênh con được cấp phát một tần số để truyền dẫn đồng thời trên các sóng mang phụkhác nhau

1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn OFDM

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuậtđiều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu (data symbol) được điều chếthành những song mang phụ (hay sóng mang con) song song cách đều nhau Cácsóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trựcgiao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng vớicác sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số Với một băng tần có

sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng mang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụngphổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần sốthông thường.

Ngoài ra OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả đểkhắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong fading đađường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI period) tại vị trí bắt đầu của mỗisymbol và rất thích hợp cho các kênh truyền fading lựa chọn tần số trong thông tin

vô tuyến bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênhtruyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song songvới tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cáchrất gần nhau Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, … lên sóng mang, phổ củachúng sẽ chồng lấn lên nhau Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộtín hiệu của giải điều chế chính xác dữ liệu Với các kỹ thuật trước đây như FDM,khi tín hiệu được truyền gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu cóthể tách rời chúng bằng bộ lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng Tuynhiên với những cải tiến của OFDM, mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn phổlên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu mà không bị nhiễu bởi vì chúng cótính trực giao

Hình 1.6: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM

đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của

Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiệnthông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiệnbằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làmcho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi Hơn nữa, thay vì

sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làmgiảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu

1.4 Mô hình tín hiệu

Hình 1.7: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số

Tín hiệu phát OFDM ở băng tần có sở được truyền đi được biểu diễn nhưsau:

trong đó n∈ −{ N g, ,0, ,N −1}

, g

N

là chiều dài tiền tố Cyclic- Prefix

Hình 1.8: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát

Qua kênh truyền fading chọn lọc thời gian, tần số các mẫu thứ n nhận được trong symbol OFDM thứ m được biểu diễn như sau:

trong đó n∈

{0,…., N-1}, h l,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền fading đa đường và

z n,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là N 0

Để không xảy ra nhiễu liên ký tự ISI thì chiều dài N g của tiền tố lặp CP phải

thỏa mãn N g ≥ L-1.

Tín hiệu y n,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tụcđược đưa vào bộ biến đổi FFT Tín hiệu thu được trong miền thời gian được biểudiễn như sau:

1.5 Các kỹ thuật ước lượng kênh truyền

1.5.1 Khái niệm về ước lượng kênh truyền

Để giảm nhẹ ảnh hưởng của hiện tượng fading, những thông tin về kênhtruyền là cần thiết và quan trọng tại máy phát và máy thu Tuy nhiên để biết đượcmột cách chính xác các thông tin về kênh truyền là điều rất khó Vì vậy ước lượngkênh truyền là yêu cầu đầu tiên và cần thiết của một hệ thống nhằm làm giảm sự saikhác của hàm truyền của kênh thu so với kênh phát do nhiều nguyên nhân trong quátrình truyền dẫn Trong đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp ước lượngkênh truyền dùng pilot

Pilots là chuỗi những kí tự được phát từ những chòm điểm điều chế số vàđược biết tại cả máy phát và máy thu Trong suốt khoảng thời gian truyền pilot, máythu sẽ ước lượng kênh truyền để tìm đáp ứng xung kênh truyền (CIR) Có hai vấn

đề chính trong việc ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến OFDM

- Sắp xếp tín hiệu thông tin và số lượng pilot

- Phải đạt được hai yêu cầu chính là độ phức tạp thấp và khả năng ướclượng tốt

Trong mô hình kênh truyền lựa chọn thời gian và tần số, pilot được sắp xếpdạng lược, khoảng cách giữa các pilots cần phải nhỏ hơn Coherent bandwidth của

kênh truyền để đáp ứng kênh truyền được ước lượng tốt Trong phạm vi đồ án này,đáp ứng xung kênh truyền CIR được ước lượng bằng thuật toán Fisher, kỹ thuật ướclượng Maximum Likelihood cùng với sử dụng các hàm khai triển cơ bản (BEM).

Vector biểu diễn các mẫu nhận được tại máy thu là:

trong đó y là vector biểu biễn các mẫu nhận được tại máy thu, S là ma trận chứa các

ký tự pilot (sẽ được nghiên cứu kỹ hơn trong chương sau), c là vector chứa các hệ

số của BEM được ước lượng, z là vector biểu diễn nhiễu AWGN.

Dựa vào vector thu y, những thông tin đã biết về pilots và giá trị các hàm cơ

bản B chứa trong S, đầu thu sẽ ước lượng các hệ số của BEM là vector c$ Nhữngtham số của kênh truyền cho phép đầu thu khôi phục lại đáp ứng kênh truyền và sửdụng nó trong quá trình khôi phục dữ liệu Hiệu suất của phép ước lượng được đobằng thành phần MSE chuẩn hóa của được định nghĩa như sau:

MSE chuẩn hóa của đáp ứng xung kênh truyền được định nghĩa như sau:

Mặc dù MSE của các hệ số của BEM sẽ đánh giá hiệu quả của phép ướclượng, nhưng MSE chuẩn hóa của CIR là một thông số quan trọng bởi vì CIR liênquan trực tiếp đến quá trình khôi phục dữ liệu tại đầu thu

1.5.2 Thuật toán Fisher

Trong ước lượng Fisher, vector c được xem như một vector xác định chưa

biết Phương pháp này không cần sử dụng hàm phân bố xác suất và hàm tự tươngquan của vector đáp ứng kênh truyền Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn

giản bởi vì đầu thu không cần biết bất cứ thông tin nào về sự phân bố của c Mục tiêu là ước lượng tham số của vector c, đồng thời phải tối thiểu hóa được MSE Có

rất nhiều phương pháp khác nhau để đạt được kết quả ước lượng trong thuật toán

Fisher Từ mô hình tuyến tính đã được thiết lập sẵn, kỹ thuật Maximum Likelihood

là phương pháp đơn giản nhất và rất hiệu quả

Những ẩn số khác nhau tạo ra những hàm likelihood khác nhau, phụ thuộcvào vector quan sát, từ hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) những ẩn số có thểđược suy ra Điều đó được công thức hóa như một vấn đề tối ưu hóa, trong đó cáchàm tham chiếu là những hàm likelihood Để tính ước lượng ML, kết quả được tìmthấy bởi sự nghiên cứu trong tất cả các vector tham số là làm tối ưu hóa được hàmlog-likelihood Kết quả của phép ước lượng đó được cho như sau:

là thuật toán Fisher

CHƯƠNG 2

ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG ONE WAY RELAY

2.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày về các nội dung:

- Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng và relay

- Mô hình hệ thống

- Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng One-way relay

2.2 Thông tin đa chặng

2.2.1 Tổng quan về thông tin đa chặng

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin đa chặng

Có một số cách tiếp cận để thực hiện phân tập trong việc truyền dẫn khôngdây nhiều anten có thể được sử dụng để phân tập theo không gian hoặc tần số.Nhưng nhiều anten không phải lúc nào cũng có sẵn, hoặc đích ở quá xa để có thểđạt được chất lượng tín hiệu tốt Để có sự phân tập, cách tiếp cận thích hợp là sử

dụng thêm trạm chuyển tiếp gọi là relay Mô hình của hệ thống được minh họa nhưhình vẽ trên.

Khi đó thông tin đi từ trạm gốc đến thuê bao thay vì chỉ đi một chặng giờđây phải đi qua nhiều chặng Chẳng hạn nếu giữa trạm gốc và thuê bao là một relaythì thông tin phải đi qua hai chặng: chặng một giữa trạm gốc và relay, chặng haigiữa relay và thuê bao Thông tin được truyền như vậy được gọi là thông tin đachặng

2.2.2 Mục đích sử dụng relay

Việc dùng relay trong mạng LTE có tác dụng làm tăng chất lượng dịch vụ,dung lượng hệ thống cũng như diện tích bao phủ Đối với mạng tế bào, càng đi ravùng biên của tế bào thì chất lượng sóng càng thấp, đồng thời tốc độ truy cập củathuê bao giảm xuống đáng kể, việc dùng trạm tiếp sóng relay sẽ cải thiện được tốc

độ truy cập đối với các thuê bao ở vùng biên tế bào Ngoài ra trong môi trường đôthị với nhiều nhà cao tầng, đôi khi trạm BTS không thể giao tiếp trực tiếp với thuêbao di động, tức là đường LOS bị nhà cao tầng che khuất khiến chất lượng sóngthấp Các trạm chuyển tiếp relay đặt trên các nhà cao tầng có thể khắc phục đượchiện tượng này

Dựa trên quá trình xử lý tại relay, có 2 giao thức được đưa ra:

- Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Relay thực hiện nhiệm vụ đơn giản làkhuếch đại tín hiệu nhận được, sau đó chuyển tiếp chúng đến đích

- Giải mã và chuyển tiếp (DF): Relay cần phải giải mã tín hiệu, tái mã hóa, sau

đó chuyển tiếp tín hiệu đó tới đích

Như vậy giao thức DF phức tạp hơn hẳn giao thức AF Trong khuôn khổ đồ

án này, giao thức được sử dụng là AF, tất cả các nodes được đồng bộ và kênhtruyền giữa các nodes là kênh Rayleigh fading

2.3 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng one-way relay 2.3.1 Hệ thống One-way relay

One-way relay là mô hình thông tin đa chặng được đề xuất đầu tiên Trong

đó relay giữ nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp tín hiệu Relaynhận tín hiệu từ trạm gốc, khuếch đại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến thuê bao hoặcnhận tín hiệu từ thuê bao, khuếch đại và chuyển tiếp nên One-way relay chỉ yêu cầu

xử lý trong lớp vật lý

Hình 2.2: Mô hình One-way relay

Hình 2.2 là mô hình đơn giản gồm một trạm phát giao tiếp với một thuê bao

di động sử dụng one-way relay Để trao đổi thông tin giữa trạm gốc và thuê bao,một khe tần số được cấp phát Giả sử khe thời gian đầu tiên, thông tin được truyền

từ trạm gốc đến relay (TS1) Relay nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đếnthuê bao trong khe thời gian thứ 2 (TS2) Trong khe thời gian thứ 3, thuê bao gửithông tin đến relay (TS3) Relay thu nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đếntrạm gốc trong khe thời gian thứ 4 (TS4) Như vậy để giao tiếp giữa trạm gốc vớithuê bao sử dụng một relay, ta phải tốn 1 khe tần số và 4 khe thời gian tổng cộng

Ngoài ra thông tin đến và đi từ một relay chỉ tới một đích duy nhất tại mộtthời điểm, do đó nó được gọi là one-way relay

2.3.2 Ưu và nhược điểm của One-way relay

Ưu điểm: đơn giản vì chỉ yêu cầu xử lý khuếch đại và chuyển tiếp trong lớpvật lý Do đó, one-way relay có kích thước nhỏ, giá thành thấp hơn nhiều so vớimột trạm BTS đồng thời có thể sử dụng điện thoại di động làm một relay trong khichất lượng đường truyền được đảm bảo

Nhược điểm: hiệu quả sử dụng khe thời gian thấp do sử dụng thêm các khethời gian để chuyển tiếp Nếu sử dụng một relay cần 4 khe thời gian để giao tiếp.Ước lượng kênh truyền cũng sẽ phức tạp hơn khi thuê bao hoặc relay di chuyển sovới nguồn

2.3.3 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng One-way

Tuy nhiên phân chia như vậy có thể gây ra bất lợi trong truyền dẫn AF Ví

dụ tại relay phải lượng tử hóa thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) đã được ướclượng trong chặng thứ nhất, sau đó chuyển tiếp nó đến đích Điều này không chỉgây giảm hiệu quả sử dụng băng thông, mà còn gây méo CSI và tăng độ trễ Đểtránh những bất lợi nêu trên, thuật toán ước lượng kênh truyền nối tầng được đềxuất, trong đó kênh truyền fading từ nguồn qua relay tới đích được gọi là kênhtruyền đa chặng và việc ước lượng kênh chỉ cần thực hiện tại đích Chương này sẽgiải quyết vấn đề về ước lượng kênh chọn lọc kép bằng kỹ thuật MaximumLikelihood (ML) Đặc biệt để làm giảm số lượng ẩn số cần phải ước lượng, mô hìnhkhai triển cơ bản (BEM) được áp dụng trong đồ án này

2.3.3.1 Mô hình hệ thống

Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn multi-hop

Xét một hệ thống trong đó nguồn có 1 anten phát, đích có 1 anten thu Đểtổng quát, xét hệ thống có R relays, nguồn và relays được giả thiết là cố định.Nguồn sử dụng khối truyền dẫn OFDM với tín hiệu được điều chế M-QAM Trong

1 khối ký tự OFDM có P ký tự pilots được sử dụng để ước lượng kênh và D ký tự là

ký tự dữ liệu Sau khi biến đổi IFFT và chèn tiền tố CP, tín hiệu phát dải nền tại ký

tự OFDM thứ m, trong thời gian thứ n được biểu diễn như sau:

mang con dữ liệu điều chế thứ k trong ký tự OFDM thứ m.

Trong khoảng thời gian pilot của một khung truyền, tại nguồn gửi đi P ký tự

số Trong giao thức truyền AF, tín hiệu nhận tại relay được khuếch đại với một hệ

số biến đổi thời gian

, p

n m

α

Qua kênh truyền chọn lọc thời gian, tần số có chiều dài

L giữa nguồn và relay, sau khi lượt bỏ CP, tín hiệu được phát đi từ nguồn trong mẫu

thời gian thứ n trong ký tự OFDM thứ m được khuếch đại với hệ số

Cụ thể hơn, tín hiệu được phát đi từ relay có thể được viết lại:

trong đó là nhiễu trắng cộng AWGN có phương sai và trung bình , đại diện cho đápứng xung kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số giữa nguồn và relay, trong đóbao gồm cả ảnh hưởng của suy hao đường truyền Tín hiệu nhận tại đích tại ký tự

OFDM thứ m, mẫu thời gian thứ n là tổng chồng chập của tín hiệu đến từ tất cả

relay Cụ thể, tín hiệu nhận tại đích là:

Công thức (2.3) chỉ ra rằng tín hiệu nhận tại đích bao gồm thành phần tínhiệu hữu ích bị ảnh hưởng bởi kênh truyền chọn lọc kép nối tầng và nhiễu AWGN

Hệ số fading từ nguồn đến đích có thể được viết lại như sau:

Để giảm số lượng ẩn số cần phải ước lượng, BEM có thể được dùng để xấp

Tín hiệu nhận được trong miền tần số sau biến đổi DFT là

trong đó:

• là đáp ứng tần số kênh truyền (CFR)

• là thành phần can nhiễu liên sóng mang

• đại diện cho thành phần nhiễu trong miền tần số Sử dụng kỹ thuật ML đểước lượng, ta có tín hiệu ước lượng là:

và việc ước lượng kênh chỉ cần được thực thi tại đích bởi kỹ thuật MaximumLikelihood

CHƯƠNG 3

ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ

TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM TWO WAY RELAY

3.1 Giới thiệu chương

Chương này trình bày các nội dung sau

- Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng two way relay

- Giới thiệu tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM

- Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM

- Mô hình toán học hệ thống MIMO-OFDM Two way relay

- Ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM Two way relay

- Khôi phục dữ liệu

3.2 Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng two way relay

Mô hình one-way relay có những ưu điểm nhất định như đơn giản, kíchthước nhỏ, giá thành thấp hơn so với tram BTS, đồng thời có thể sử dụng chính điệnthoại di động làm một one-way relay trong khi chất lường đường truyền được đảmbảo Tuy nhiên, hệ thống one-way relay có những nhược điểm không thể tránh khỏi

Đó là hiệu quả sử dụng khe thời gian thấp Chính vì thế thế hệ relay thứ hai way relay được đề xuất để khắc phục nhược điểm này

two-Hình 3.1: Mô hình hệ thống two-way relay

Khác với one-way relay, trong two-way relay thông tin đến relay từ trạm gốc

và thuê bao tại cùng một thời điểm và thông tin được chuyển tiếp từ relay đến trạm

gốc và thuê bao cũng cùng một thời điểm, do đó nó có tên là two-way relay Môhình hệ thống two-way relay được biểu diễn như hình (3.1).

Ta xét mô hình hệ thống thông tin giữa trạm gốc với một thuê bao di động,

sử dụng một relay như hình (3.1) Trạm gốc, relay và thuê bao di động được xemnhư các nodes Nhiệm vụ chính của relay trong hệ thống two-way relay tương tựnhư trong hệ thống one-way relay đó là tiếp nhận, trộn các bản tin nó nhận từ trạmgốc và các thuê bao trong khe thời gian thứ nhất, xử lý rồi gửi lại đồng thời chotrạm gốc và thuê bao trong khe thời gian thứ hai Cách thức thực hiện này của relayđược gọi là Network coding

Tương tự trong hệ thống one-way relay, dựa trên quá trình xử lý tại relay, có

2 giao thức được đưa ra: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyển tiếp(DF)

3.3. Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM

Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chấtlượng dung lượng cũng như khả năng chống hiện tượng đa đường Cải thiện chấtlượng dịch vụ bằng cách tăng công suất, dung lượng hệ thống có thể tăng khi tăngbăng thông Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức nhất định nào đó

vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tinxung quanh, băng thông hệ thống cũng không thể tăng mãi được vì việc phân bốbăng thông đã được chuẩn hoá sẵn Và chính vì thế đã có rất nhiều nghiên cứu đểtìm ra các kỹ thuật nhằm giúp cải thiện chất lượng thông tin

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) gọi là tuyến thông tinđiểm - điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Từ những năm đầu nghiên cứucho đến gần đây đã cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữliệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suấthay băng thông hệ thống nhờ hiện tượng phản xạ đa đường mà tạo ra nhiều kênh ảoriêng lẻ giúp tăng dung lượng kênh truyền Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữliệu cũng tăng, độ phức tạp của hệ thống xử lý tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền và sử dụng băng thôngrất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V - BLAST), cải thiện chất lượng của hệthống đáng kể nhờ vào kỹ thuật phân tập phía phát (STBC), phía thu (STTC) màkhông cần tăng công suất phát hay tăng băng thông của hệ thống Và kỹ thuậtOFDM là một kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thểchống fading chọn lọc tần số bằng cách chia luồng 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 Kênhtruyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băngthông nhỏ hơn, khi đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng OFDM còn loại

bỏ được nhiễu liên ký tự ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn, và nhiễu liên sóngmang ICI Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộEqualizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số Từnhững ưu điểm nổi bật của thống MIMO và kỹ thuật OFDM nên việc kết hợp hệ đãđược nghiên cứu và ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây băng rộng

3.4. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM

3.4.1.Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Phân tập không gian được sửdụng phổ biến trong truyền thông tin không dây Phân tập không gian sử dụngnhiều anten hoặc nhiều chuỗi array được xếp trong không gian tại phía phát hoặcphía thu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệukhông bị nhiễu với nhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tuỳ thuộc vào độcao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hìnhkhoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không bị tương quan với nhau Trongphân tập không gian các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạonên sự dư thừa trong miền không gian Phân tập không gian làm giảm hiệu suấtbăng rộng, điều này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao

Có thể chia ra phân tập không gian thành 3 loại: Phân tập anten phát, phântập anten thu, phân tập anten phát và thu Trong phân tập anten thu, nhiều anten

được sử dụng ở nhiều nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độclập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNRcủa tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường

Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kếthợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiềuchiều

3.4.2.Phân tập tần số

Phân tập tần số nghĩa là sử dụng nhiều thành phần tần số khác nhau để phátcùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo không bị nhiễu và bịảnh hưởng fading một cách độc lập, không bị tương quan nhau Trong truyền thông

di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng

dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quảkhi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên khi băng thông nhất quáncủa kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳcủa tín hiệu Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tuỳ thuộc vào

sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

3.4.3.Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể thu được tín hiệu qua mã hoá và xen kênh Ta xem

2 trường hợp sau: Truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyềnrất nhỏ

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau quanhững khe thời gian khác nhau, tại nơi thu tín hiệu fading không tương quan vớinhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênhtruyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading Mã điều khiển lỗi thường sử dụng trong

hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã so với hệ thống không mã hoá Trongtruyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phântập thời gian, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong

miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quiđịnh bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốnthời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoản việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệuquả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ.

3.5 Mô hình toán học hệ thống OFDM Two way relay

Trước hết ta giả sử rằng:

- Trạm gốc, relay, thuê bao được ký hiệu theo thứ tự là S, R, D.

- Tại S có anten, tại R có relays, tại D có anten.

- Không có đường truyền thẳng giữa trạm gốc và thuê bao

- Kênh truyền giữa các nodes là kênh truyền biến đổi nhanh, chọn lọc tần số,

có phân bố Rayleigh

- Các tham số hệ thống và ký tự pilots gửi đi từ trạm gốc và thuê bao là nhưnhau

- Giao thức được sử dụng tại relay là khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

- Hệ số khuếch đại tại relay là biến đổi thời gian thời gian

Trạm gốc cần chuyển bản tin đến thuê bao, ta gọi đó là Cùng lúc đó, thuêbao cần gửi bản tin đến trạm gốc, ta gọi là Quá trình trao đổi thông tin được thựchiện trong 2 khe thời gian với sự trợ giúp của relay Các đáp ứng xung kênh truyềngiữa các node trong các khe thời gian được ký hiệu như hình (3.2)

Hình 3.2: Mô hình xử lý two way relay

Sau khi biến đổi IFFT và chèn tiền tố CP, tín hiệu phát dải nền tại ký tự

OFDM thứ m, trong thời gian thứ n của mỗi node S, D trong khe thời gian thứ nhất

được biểu diễn như sau:

trong đó

mang con dữ liệu điều chế thứ k trong ký tự OFDM thứ m.

Theo giả thiết ban đầu, tín hiệu pilot phát đi từ S đến R và từ D đến R là giống

nhau và phát đồng thời Qua kênh truyền chọn lọc kép giữa các node, tín hiệu nhận

được tại relay sau khi lược bỏ CP trong mẫu thời gian thứ n trong ký tự OFDM thứ

m được viết lại như sau:

- Tín hiệu đến từ S

- Tín hiệu đến từ D