Nghiên cứu kỹ thuật STBC OFDM trong thông tin di động luận văn tốt nghiệp đại học

Trong đó phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten thông minh, … đặc biệt kỹ thuật MIMO-OFDM được sử dụngrất hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao được

LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di độngnói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệtruyền thông vô tuyến Trong đó phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten thông minh, … đặc biệt kỹ thuật MIMO-OFDM được sử dụngrất hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao đượcchất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Từ những ưu điểmnổi 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 vô tuyến băng rộngtương lai như LTE, WiMAX …

Trong phạm vi thời gian và khả năng cho phép, cũng như thấy được vai tròngày càng quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động của kỹ thuật OFDM và

hệ thống MIMO Em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “ Nghiên cứu kỹthuật STBC-OFDM trong thông tin di động” Nội dung đồ án này gồm 5chương, trong đó 4 chương lý thuyết và một chương cuối thực hiện mô phỏngtín hiệu bằng phần mềm Matlab:

Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM

Chương 3: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC

Chương 4: Kỹ thuật STBC-OFDM

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Trong đồ án này ta sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu, nghiên cứu kỹ thuật ghép kênhphân chia theo tần số trực giao OFDM và kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC Trong chương Tổng quan về kỹ thuật OFDM trình bày mộtcách khá đầy đủ về lịch sử hình thành và phát triển của OFDM, nguyên lý cơ

bản và các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM Về phần hệ thốngMIMO và kỹ thuật STBC, chương trình bày về hệ thống MIMO trong thôngtin vô tuyến, các kỹ thuật phân tập, các độ lợi trong hệ thống MIMO Phầncuối chương này đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC – một kỹ thuật được sử dụng khá phổ biến và hiệu quả trongthông tin vô tuyến nhằm giảm ảnh hưởng của fading, tăng dung lượng kênhtruyền

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do thời gia có hạn, khả năng dịch và hiểutài liệu chưa tốt nên nội dung Đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót.Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa

và các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông trong thời gian qua đã tận tìnhgiúp đỡ em rất nhiều và tạo điều kiện để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này

Nghệ An, tháng 01/2011 Sinh viên thực hiện Nguyễn Bá Sơn

A .

ADSL Asynchronous Digital Đường dây thuê bao số bất

Subscriber Line đối xứng A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự-sốAWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

B .

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C .

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

CP Cycle Prefix Tiền tố lặp

CFO Carrier Frequency Offset Lệch tần số sóng mangCSI Channel State Information Thông tin trạng thái

kênh truyền

D .

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng báDVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng báDFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rờirạc

F

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh chia theo tần

số

FEC Forward Error Control Kiểm soát lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fouriernhanh

I .

IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và

Electronics Engineers điện tử ICI InterCarrier Interference Nhiễu liên sóng mang

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

IDFT Inverse Discrete Fourier Phép biến đổi ngược Fourier

Transform rời rạc IFFT Inverse Fast Fourier Phép biến đổi ngược

Transform Fourier nhanh

L .

LAN Local Area Networks Mạng máy tính cục bộ

LTE Long Term Evolution Sự phát triển lâu dài

M .

MAN Metropolitan Area Networks Mạng đô thị băng rộng

MIMO Multiple Input Hệ thống đa đầu vào

Multiple Output đa đầu ra

MS Mobile Station Trạm di động

ML Maximun Likelihood Khả năng tối đa

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số tối đa

O .

OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing tần số trực giaoOFDMA Orthogonal Frequency Đa truy cập phân chia theo tần

Division Multiple Access theo tần số trực giaoOLOS Obstructed Line Of sight Tầm nhìn thẳng bị che chắn

S .

SCE Space-Time Encoding Mã hóa không gian-thời gianSCD Space-Time Decoding Giải mã không gian-thời gianSTBC Space Time Block Coding Mã hóa khối không gian thời gian

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

W .

WiMAX Worldwide Interoperability for Hay còn gọi là

for Microwave Access Wireless MANWLAN Wireless Local Mạng LAN không dây Area Networks -Wireless LAN

WMAN Wireless Metropolitan Mạng đô thị không dây Area Networks

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương

Trước khi đi vào nội dung chính của đồ án, ta đi tìm hiểu về kênhtruyền tín hiệu vô tuyến Khi mà nhu cầu sử dụng môi trường vô tuyến đểtruyền tín hiệu ngày càng lớn và thông dụng hơn thì việc nghiên cứu tìm hiểu

về kênh truyền vô tuyến và các đặc tính của nó trở nên rất quan trọng và cầnthiết

Chương này cung cấp một cách ngắn gọn các đặc điểm chính của kênh truyền

vô tuyến, và những vấn đề này gây ra trong việc truyền thông tin số Nhữnghiệu ứng truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số,dịch Doppler và trải trễ đa đường làm hạn chế hiệu quả của việc truyền thôngtin vô tuyến Hiểu được truyền vô tuyến là cần thiết trước khi đi sâu vào tìmhiểu kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO và ứng dụng trong môi trường vôtuyến Chương này cung cấp một cách tổng quát những hiệu ứng truyền quantrọng và mở rộng những vấn đề này để xem xét các hiệu ứng trên băng thôngrộng

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máythu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được

truyền theo tầm nhìn thẳng (Line Of Sight) Tuy nhiên trong thực tế, kênh

truyền tín hiệu vô tuyến chịu tác động của rất nhiều yếu tố làm cho tín hiệu bịthay đổi Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vìchất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Tín hiệu được phát đi, quakênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản

xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết

quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát.Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống

di động:

Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích

thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

Hình 1.1 Truyền đa đường trong thông tin vô tuyến

Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi

một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu

xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từphía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường đượcgọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thungay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm

cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong

1.3 Các đặc tính của truyền vô tuyến

1.3.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền vô tuyến

Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến trở nên bị yếu đi tỉ lệ với khoảngđường đi của nó Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến, nó sẻ bị suyhao đi do đường truyền dài, do các vật cản như nhà cửa, cây cối và do hiệuứng đa đường

Khi tín hiệu được truyền thẳng, không bị ảnh hưởng bởi các vật cản cũng nhưcác hiện tượng đa đường thì tín hiệu vẫn bị suy hao [3] Đó gọi là suy haotrong không gian tự do Diện tích hình cầu là tỉ lệ với bình phương bánkính[3], và do đó trong không gian tự do cường độ trường RF giảm tỉ lệ vớibình phương khoảng cách Công suất thu được trong không gian tự do đượctính như sau :

P (W) (1.1)

Trong đó : PT là công suất phát (W)

GT và GR lần lượt là độ lợi anten phát và anten thu.

λ là bước sóng của sóng mang RF (m)

d là khoảng cách truyền tín hiệu từ anten phát tới anten thu (m)

Hình 1.2 Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi fading, Shadowing và Pathloss

Hình 1.2 trên mô tả cường độ tín hiệu thu được theo khoảng cách truyền trong

môi trường vô truyến Ta thấy rằng cường độ tín hiệu thu được bị suy giảm

dần khi khoảng cách d tăng lên Khi tín hiệu bị suy hao không gian tự do

cộng thêm với hiện tượng đa đường, shadowing thì tín hiệu sẻ bị nhiễu nặngđược biểu diễn như ở hình trên (được ký hiệu bởi pathloss + fading +shadowing) [1]

Suy hao trong không gian tự do phụ thuộc vào khoảng cách và tần số sóngmang Suy hao này được biểu diễn bằng đường thẳng xuống dốc (là đườngpathloss) như hình trên Công thức tính suy hao trong không gian tự do nhưsau :

L (1.2)

Với d [m], λ [m] lần lượt là khoảng cách truyền tín hiệu và bước sóng của

sóng vô tuyến

1.3.2 Hiệu ứng đa đường (Multipath effects )

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thườngkhông bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữanơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật cản trở sự truyền sóng trực tiếp Dovậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khácnhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thểkhác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipathpropagation)[1]

Hình 1.3 Các hiện tượng đa đường trong môi trường vô tuyến

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệuphát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau.Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênhtruyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau.Hiện tượng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion)

1.3.3 Hiệu ứng che chắn và fading chậm

Ta định nghĩa Coherence time là thời gian mà kênh truyền thay đổi khôngđáng kể Nếu coherence time nhỏ hơn một chu kỳ tín hiệu dải gốc ta gọi kênhtruyền đó là fading nhanh (fast fading), ngược lại nếu coherence time lớn hơnmột chu kỳ tín hiệu thì ta gọi kênh truyền đó là kênh truyền fading chậm(slow fading)

Hiệu ứng che chắn(Shadowing) xảy ra khi có những vật chướng ngại tự nhiênnhư các đồi núi hay building giữa trạm thu phát gốc BTS và trạm di độngMS[4]

Hình 1.4 Shadowing trong truyền vô tuyếnCác vật trở ngại tạo ra hiệu ứng shadowing, hiệu ứng này làm giảm cường độtín hiệu tại đầu thu.[4] Khi MS di chuyển, cường độ tín hiệu thay đổi phụthuộc những vật cản trở nằm giữa trạm BTS và trạm di động MS

Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độbiến đổi chậm Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệuứng che chắn gọi là suy hao chậm Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm

(slow fading)

1.3.4 Dịch Doppler và fading nhanh

Dịch Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy

thu như trình bày ở hình 1.5 dưới Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín

hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần sốDoppler [9]

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ranăm 1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giảithích như sau: giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệuthu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch

đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như hình 1.5 Sự dịch tần số này ảnh

hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

Hình 1.5 MS chuyển động so với trạm phát gây dịch Doppler

Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệchuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu, và cả tần số sóng mang Giả thiết

góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn , khi đó tần

số dịch Doppler của tuyến này là :

D n

c

v f f

n   0 cos  (1.3)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang, vận tốc chuyển động

tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng

Nếu αn = 0 thì độ dịch tần số Doppler là lớn nhất sẽ và sẻ bằng :

f 0

c

v f

n

D  (1.4)Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu(tại cùng một tần số phát) Do đó hiện tượng này còn được gọi là fadingnhanh

Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu

ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức

nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading

Như vậy, fading chậm và fading nhanh (slow fading and fast fading) phân biệtnhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu

1.3.5 Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tínhiệu phản xạ, khúc xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… các tín hiệunày đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do đường đi tín hiệu dàihơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu đa đường cuốicùng đến đầu vào máy thu

Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI Điều này do tínhiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗinghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênhphân chia theo thời gian TDMA[3]

Hình 1.6 Hiện tượng trải trễ đa đường

Hình 1.6 trên cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự Khi tốc

độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng

kể Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳbit (bit time)

Nhiễu liên ký tự ISI có thể được hạn chế bằng nhiều cách như :

1.3.6 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số

Ta định nghĩa rằng Coherence bandwidth là khoảng tần số mà kênh truyềngây ra tác động gần như giống nhau Nếu như băng thông tín hiệu nhỏ hơnCoherence bandwidth thì ta gọi kênh truyền là kênh truyền fading phẳng (flatfading), ngược lại ta có kênh truyền lựa chọn tần số

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau,không bằng phẳng trong một dãi tần số do đó tín hiệu tại các tần số khácnhau khi đi quan kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau Một kênhtruyền được xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào khoảng băngthông của tín hiệu truyền đi Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đápứng bằng phẳng trong cả dãy tần số được, tuy nhiên nếu ta xét trong mộtkhoảng tần số nhỏ nào đó thì có thể xem là phẳng

1.4 Kết luận chương

Qua chương này cho thấy rằng kênh truyền tín hiệu vô tuyến là phần tử

cơ bản quyết định đến chất lượng của tín hiệu Đặc tính của kênh truyền vôtuyến quyết định đến chất lượng và khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống.Chương này đã giới thiệu các đặc tính cơ bản nhất của kênh truyền vô tuyếnảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu Để khắc phục được những vấn đề gây ranhư đã nêu ở trên, chương sau ta sẻ đi tìm hiểu một kỹ thuật nhằm hạn chếchúng là kỹ thuật điều chế OFDM – một kỹ thuật được ứng dụng rất rộng vàhiệu quả trong thông tin vô tuyến hiện nay

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chương

Thập kỹ qua đã chứng kiến nhiều nghiên cứu chuyên sâu trong việc

ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) cho các hệ thống truyền

thông băng rộng đang phát triển (như WiFi , WiMAX, LTE… ) để khai tháchiệu quả quang phổ cao và chống lại một cách mạnh mẽ fading đa đường[5] OFDM là một dạng đặc biệt của kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nguyên lý

cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền mộtlượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm Chương này sẽ trình bày một cáchkhá đầy đủ về kỹ thuật OFDM, lịch sử hình thành và phát triển của OFDM,nguyên lý cơ bản và các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM

2.2 OFDM và sự hình thành, phát triển

Do các vấn đề về nhiễu và các vấn đề đa đường, một số công nghệtrước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứngdụng NLOS nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao Thay vào đó là sự ra đờicủa kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM Đây chính làmột bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong nhữngthập kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện

ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein vàEbert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thôngqua các phép biến đổi IDFT và giải điều chế có thể thực hiện bằng phép biếnđổi DFT

Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (CentreCommun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý

Division Multiplex) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làmcho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay

vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFTcho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

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

là COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi đượcđiều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đíchchống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tínhiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiệnđiều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệthống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDMvới bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique) Kỹ thuậtnày hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộngHiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêuchuẩn IEEE.802.11a

OFDM và những cột mốc lịch sử quan trọng [7]:

 Năm 1966: Nguyên tắc cho việc truyền đa kênh trên một kênh băng hẹp

được đề xuất: Bell Syst.Tech 1966 R W Chang tổng hợp các tín hiệu

trực giao băng thông giới hạn cho truyền dữ liệu đa kênh

 Weinstein & Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng bảo vệ năm 1971

 Năm 1980 Cyclic Prefix được sử dụng – vấn đề trực giao được giải

quyết

 1985 Cimini vạch ra việc sử dụng OFDM cho thông tin di động

 L Cimini , phân tích và mô phỏng kênh mobile kỷ thuật số sử dụngOFDM

 1987 Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh truyền hình kỷ thuật số

 Tháng 9 năm 1988, TH-CSF LER, lần đầu tiên thử nghiệm Ti vi kỷthuật số trong OFDM, tại khu vực Pari

 1994: Phương pháp và thiết bị cho đa truy nhập giữa các thiết bị thuphát trong thông tin vô tuyến sử dụng trải phổ OFDM.

 1995: Chuẩn ETSI Digital Audio Broadcasting : tiêu chuẩn cơ bản

OFDM đầu tiên

 1997: Chuẩn ETSI DVB-T

 1999: Chuẩn IEEE 802.11a wireless LAN (Wi-Fi)

 2002 : Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN

 2004 : Chuẩn IEEE 802.16-2004 cho wireless MAN (WiMAX)

Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN OFDM)

Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạngWLAN

 2005 : Đề cử chuẩn mạng di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2 LongTerm Evolution) đặt tên là Truy cập gói OFDM tốc độ cao (HSOPA –High Speed OFDM Packet Access )

 2005 : Đề cử cho tiêu chuẩn mạng 4G (CJK)

 Others : Optical OFDM, DSL (biến thể của kỷ thuật OFDM)

2.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống băng rộng là khả nănghoạt động trong các điều kiện tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và điều kiệnkhông có tầm nhìn thẳng NLOS Đây là những điều kiện gây khó khăn và hạnchế đối với các nhà khai thác viễn thông khi cung cấp dịch vụ cho nhữngkhách hàng tiềm năng

Kỹ thuật OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trongthông tin vô tuyến Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ

này là trực giao với nhau trong miền tần số Nhờ đó giảm được nhiễu ISI vàfading lựa chọn tần số

OFDM còn có tên gọi khác là điều chế đa sóng mang trực giao(OMCM) dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên các sóng mang trực giao Công nghệnày được trung tâm nghiên cứu CCETT của Pháp phát minh nghiên cứu từđầu thập niên 1980 Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽtrải dữ liệu cần truyền trên rất mhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điềuchế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống nhữngsóng mang được lọc ra riêng biệt để đảm bảo rằng không có chồng phổ, bởivậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưngphổ lại chưa được sử dụng hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cáchsóng mang được chọn sao cho mhững sóng mang trực giao trong chu kỳ kýhiệu thì những tín hiệu có thể khôi phục mà không giao thoa chồng phổ Kỹthuật OFDM có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông hệ thống so với

kỹ thuật FDM

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM , đơn sóng mang và đa sóng mang

Kỹ thuật OFDM được thiết kế để hoạt động trong các điều kiện môitrường kết nối đa dạng từ có tầm nhìn thẳng LOS đến đường dẫn thẳng bị chechắn OLOS và không có đường dẫn thẳng NLOS Đây chính là ưu điểm của

kỹ thuật OFDM Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đađường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữatrạm phát và trạm thu Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùnglúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau tín hiệu đường dẫnthẳng LOS.

Trong thông tin vô tuyến hiện tượng đa đường sẻ gây ra nhiễu liên ký

tự ISI trong hệ thống tốc độc cao dùng đơn sóng mang[8] Hình 2.1 dưới đây

biểu thị nhiễu liên ký tự khi có 3 đường tín hiệu khác nhau, nhưng các đườngtín hiệu này do đa đường gây trễ nên các tín hiệu đến đầu thu không cùng lúcgây ra nhiễu

Hình 2.2 Nhiễu ISI khi dùng đơn sóng mangGiải pháp để khắc phục được vấn đề ISI này là người ta dùng kỹ thuật đasóng mang để truyền mỗi ký tự, lúc này thời gian ký tự sẻ tăng lên nên nhiễu

do đa đường sẻ được giảm[8]

Hình 2.3 Thời gian ký tự tăng làm giảm nhiễu do đa đường gây ra

2.4 Vấn đề trực giao trong OFDM

Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhaumột khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộlọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảngbảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vàocác khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Tuynhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên củachúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác màkhông có sự can nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóngmang phải trực giao về mặt toán học Máy thu hoạt động như các bộ gồm bộgiải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấytích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả cácsóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này(trong một chu kỳ symbol τ) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mangkhác sẽ là zero Do đó các sóng độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếukhoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang Bất kỳ sự phi tuyến nào gây rabởi can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao

Về mặt toán học, công thức biểu diễn tính trực giao trong miền thời gian vàmiền tần số được biểu diễn như sau:

t x t

x i j

, 0 , 1 )

( ) ( * (2.1)

f X f

, 0 , 1 )

( ) ( * (2.2)

Đồ thị biểu diễn các sóng mang con trực giao của tín hiệu OFDM trong miền

thời gian và miền tần số như hình 2.4 ở dưới

Hình 2.4 Các sóng mang con trực giao trong miền thời gian và miền tần sốViệc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiệntrong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP.Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP.Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector

2.5 Các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM

Mô hình các khối chức năng trong hệ thống thu phát tín hiệu OFDM

được biểu diễn cụ thể như trong hình 2.5 sau :

To Serial Converter

Guard Interval Insertion

D/A &

Low pass Filter

A/D

Guard Interval Removal

Serial to Parallel Converter FFT

Equalizer Signal

n x~

n X n

Xˆ n

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễutrắng cộng AWGN (không có fading) là:

C max Blog (12 s )[bps]

N

  (2.3)

Trong đó : B là băng thông của kênh truyền [Hz]

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng

dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách

sử dụng bộ Serial/Parallel (nối tiếp sang song song)

Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k x b bit k

<= N, với b là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang con k,

N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, đểbăng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông

đó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền

từ kênh truyền fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng

Parallel

To Serial Converter

Serial to Parallel Converter

Dữ liệu nối tiếp

2.5.2 Điều chế sĩng mang con

Mỗi symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích

là để nâng cao dung lượng kênh truyền Một symbol b bit sẽ tương ứng mộttrong M=2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chịm sao

Signal Mapper

Signal Demapper

đa trong môi trường không nhiễu là C = 2Blog2 M , trong đó B là băng

thông kênh truyền Do đó ta không thể tăng M lên tùy ý được, công thức trêncho ta xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol Một số dạng điều chế thường hay được sử dụng trong bộ Mapper là:

- Khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)

- Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature AmplitudeModulation)

M-PSK (M-Phase Shift Keying) [10]

Ta xét M-PSK với tín hiệu được thiết lập là :

, 0

) 1 ( 2 2

f T

Với Es là năng lượng tín hiệu trên symbol, Ts là thời gian symbol và fc là tần

số sóng mang Pha này của sóng mang tạo thành một trong M giá trị có thể,

M i

M i

i  2  (  1 ) / ,  1 , 2 , ,

biểu diễn như hình dưới Lúc này ta có pha là i   ( i 1 ) / 4với i=1,2,…,8 thì

ta có 8 giá trị của i lần lượt là: 0;  / 4;  / 2; 3  / 4;  ; 5  / 4; 6  / 4và

4

/

7 

Hình 2.8 Sơ đồ cho 8-PSKSau đây là một số dạng PSK thường gặp và giản đồ chòm sao của chúng :

- BPSK có 2 trạng thái phụ thuộc 1 bit vào

- QPSK có 4 trạng thái phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào

- 8-PSK có 8 trạng thái phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào

- 16-PSK có 16 trạng thái phụ thộc 4 bit (Quadbit) vào

Hình 2.9 Giản đồ chòm sao M-PSK

M-QAM (M-Quadrature Amplitude Modulation) [10]

M-QAM là phương pháp điều chế số, sóng mang điều chế cả về biên độ vàpha, phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vôtuyền số tốc độ cao Tín hiệu M-QAM được phát cho symbol thứ i có thểđược thể hiện như sau:

Với an và bn là các giá trị biên độ và a n,b n  a,  3a, ,  (log2M  1 )a

Tính toán a có thể liên quan tới năng lượng tín hiệu trung bình Es bởi công

a s (2.6)

Hình 2.10 Giản đồ chòm sao 16-QAM và 32-QAM

2.5.3 Biến đổi IFFT và FFT

Bộ IFFT được sử dụng để chuyển các tín hiệu trong miền tần số thànhmiền thời gian, cho phép tín hiệu được phát đi[3] Phép biến đổi Fourierngược IDFT cho phép ta tạo tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồngtín hiệu song song lên N sóng mang trực giao một cách chính xác và đơn giản.Phép biến đổi DFT cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệuOFDM

IDFT: N j N kn

k

e k X N n x



2 1

0

] [

1 ]

e n x k

X



2 1

0

] [ ]





 (2.8)

Các thuật toán IFFT và FFT là phép biến đổi nhanh của IDFT và DFT Trong

tiêu chuẩn 802.11a, kích thước của IFFT và FFT là N=64

Bây giờ ta xét dòng dữ liệu X = [X0, X1, … , XN-2, XN-1 ] và Xk = Ak + jBk

N j f t n

k k

kn N j N

k k

N e

X N



2 1

0

2 1

0

.

1

2 sin 2

cos

1 )

k

n k k

n k k

n

N x

t f A

N

t

s   0 ≤ t ≤ N Δt) t (2.11)

2.5.4 Chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval hay Guard Period) [3]

Cho một hệ thống băng thông, tốc độ symbol cho một tín hiệu OFDM làquá thấp so với việc phát một sóng mang đơn Ví dụ, một sóng mang đơn điềuchế BPSK, tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit của việc truyền tín hiệu.Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia thành N sóng mangcon, kết quả trong một symbol tốc độ đó nhỏ hơn N lần so với việc truyềnmột sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp làm cho OFDM chống lại hiệu ứngnhiễu liên ký tự ISI gây ra bởi truyền đa đường

Truyền đa đường gây ra bởi việc truyền tín hiệu vô tuyến phản xạ các vậttrong môi trường truyền, như các bức tường, tòa nhà cao ốc, đồi núi … Cáctín hiệu này đến tại đầu thu tại những thời điểm khác nhau do truyền trênnhững khoảng cách khác nhau Vấn đề truyền đa đường đã thảo luận chi tiếthơn trong chương 1(Chương nêu rõ “các đặc tính kênh truyền vô tuyến”) Hiệu ứng ISI trong tín hiệu OFDM có thể được cải thiện tốt hơn bằng cáchthêm một khoảng thời gian bảo vệ GP (Guard Period hay Guard Interval) tại

ký tự, có một số nguyên lần chu kỳ Do đó bằng cách copy đoạn cuối của mộtsymbol và gắn vào nó vào đầu symbol, kết quả là ta được thời gian symbol

dài hơn Hình 2.12 dưới đây biểu diễn việc chèn khoảng bảo vệ GP bằng cách

copy một đoạn của symbol vào đầu mỗi ký tự đó

Hình 2.12 Chèn khoảng bảo vệ GP vào một tín hiệu OFDM

Tổng chiều dài của symbol là TS=TG + TFFT trong đó TS là tổng chiều dài củasymbol trong mẫu, TG là chiều dài khoảng bảo vệ GP trong mẫu và TFFT làkích thước của IFFT được sử dụng để tạo tín hiệu OFDM

Ngoài việc bảo vệ OFDM khỏi ISI, khoảng bảo vệ GP còn cung cấp bảo vệchống lại lỗi time-offset tại đầu thu tín hiệu[3]

2.5.5 Chuyển đổi A/D và D/A

Chuỗi symbol rời rạc sn sau khi được chèn khoảng bảo vệ TG sẽ đượcđưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp (low passfilter) tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để đưa ra phát trên kênh truyền vô tuyến

D/A &

Low pass Filter

2.6 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

2.6.1 Các ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rấtcao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống khôngdây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận

sẽ bị bỏ qua, không sử dụng) Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink cóthể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng Một ưuđiểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng

có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ đượckéo dài Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằngmột kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây Điều này sẽ gây

ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường Nếu cùng lượngthông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng

- Hiệu quả sử dụng băng thông cao Do các sóng mang con chồng lênnhau và trực giao với nhau

- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI bằngcách chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval) có độ dài lớn hơn trễ truyềndẫn lớn nhất của kênh

- Chống lại được fading lựa chọn tần số, lúc này mỗi sóng mang con gầnnhư là fading phẳng

- Bộ cân bằng đơn giản Mỗi kênh truyền con gần như là kênh truyềnfading phẳng, nó chỉ cần một bộ cân bằng để khắc phục hiệu ứng kênhtruyền

- OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục được hiện tượng không cóđường dẫn thẳng NLOS bằng tín hiệu đa đường dẫn

OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thôngtrên thực tế đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao nhưthông tin di động và cả trong truyền hình số

- Một nhược điểm lớn khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số sóngmang CFO (Carrier Frequency Offset) Khi hiệu ứng dịch tần số Doppler xảy

ra tần số trung tâm sẻ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnhsóng mang dẫn đến sai lỗi khi giải điều chế các symbol

- Nhạy cảm với độ lệch tần số sóng mang CFO, gây ra hiệu ứng nhiễu liênsóng mang ICI (InterCarrier Interference)

- Cần phải có các khối FFT tại bộ thu và bộ phát tín hiệu

2.7 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong thông tin di động

Thông tin vô tuyến :

- WLAN : 802.11a/g/n (Wifi)

nó có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn, rất nhạy vớilệch tần số sóng mang CFO Nhưng với nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu quả

sử dụng phổ tần cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt, có thể loại bỏhoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI bằng khoảng bảo vệ đủ lớn, chống lại đượcfading lựa chọn tần số và khắc phục được hiện tượng không có đường dẫnthẳng NLOS bằng tín hiệu đa đường dẫn Với nhiều ưu điểm vượt trộiđó,công nghệ OFDM đang được triển khai rộng rãi, đem lại nhiều lợi ích lớncho các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ cũng như các khách hàng sử dụng

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG MIMO VÀ KỸ THUẬT STBC 3.1 Giới thiệu chương

Nội dung chương này sẻ đi tìm hiểu một cách tổng quan về hệ thốngMIMO trong thông tin vô tuyến, các kỹ thuật phân tập, độ lợi trong hệ thốngMIMO Và cuối cùng ta sẻ đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khốikhông gian thời gian STBC – một kỹ thuật được sử dụng khá phổ biến và hiệuquả trong thông tin vô tuyến nhằm giảm ảnh hưởng của fading, tăng dunglượng kênh truyền

3.2 Kỹ thuật phân tập (Diversity)

Một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm hiệu ứng của fading đađường là sử dụng kỹ thuật phân tập.Trong hệ thống thông tin di động, kỹthuật phân tập sử dụng hạn chế được ảnh hưởng của fading đa đường, làmtăng chất lượng tín hiệu vô tuyến mà không cần phải tăng băng thông haycông suất phát

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu thu được nhiều bản sao của cùng một tínhiệu Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sựtương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của cácphiên bản tín hiệu khác nhau sẻ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn sovới từng phiên bản riêng lẽ nên sẻ làm giảm ảnh hưởng của fading và cảithiện độ tin cậy của đường truyền Khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảmthì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm

Có nhiều cách để đạt được phân tập, có 3 kỹ thuật phân tập cơ bản là phântập thời gian (Time diversity), phân tập tần số (Frequency diversity) và phântập không gian (Space diversity) hay còn gọi là phân tập anten Phân tập thờigian có thể thu được qua mã hoá và xen kênh (interleaving), phân tập tần sốnếu đặc tính của kênh là chọn lọc tần số, phân tập không gian với nhiều antenphát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn

Ngoài ra, kỹ thuật phân tập có thể được phân ra thành 2 nhóm là phân tậpphát (Transmitter diversity) và phân tập thu (Receiver diversity) [11] Trongphân tập phát, nhiều anten được dùng tại phía phát Các bản tin được xử lý tại

bộ phát và truyền đi bằng nhiều anten khác nhau Phân tập phát giúp giảmcông suất xử lý của bộ thu, dẫn đến cấu trúc hệ thống thu đơn giản, giảm côngsuất tiêu thụ và giảm chi phí Phân tập phát cũng được sử dụng trong thông tin

di động với nhiều anten phát tại trạm gốc Điều này giúp nâng cao chất lượng,cũng như giải quyết được yêu cầu phân tập thu tại máy thu Hơn nữa, nếuthực hiện phân tập thu tại máy đầu cuối sẽ cần có nhiều bộ chuyển đổi RF, do

đó sẽ mất nhiều năng lượng hơn để xử lý, trong khi nguồn pin của máy đầucuối là hạn chế

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng tại đầu thu để thu các bản saođộc lập nhau của tín hiệu truyền Các bản sao tín hiệu này được kết hợp một

cách hợp lý, làm tăng tỷ số SNR tại đầu thu và hạn chế fading đa đường

3.2.1 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền nhiều bản tin giốngnhau tại các khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu sẽ thu được các tín hiệukhông tương quan về fading [11] Phân tập thời gian không yêu cầu tăng côngsuất phát, nhưng nó làm giảm tốc dộ dữ liệu từ dữ liệu được lặp lại trong cáckhe thời gian hơn là gửi dữ liệu mới trong các khe thời gian này

Phân tập thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa (coding) và xen kênh(Interleaving) Xen kênh sẽ tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bảnsao của tín hiệu truyền, do đó sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộgiải mã

Hình 3.1 Xen kênh trong phân tập thời gian

Do xen kênh sẽ gây nên độ trễ khi giải mã nên kỹ thuật này chỉ phù hợp vớicác môi trường có fading nhanh khi khoảng thời gian liên kết (coherencetime) của kênh truyền nhỏ Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụngcác bộ Interleaver có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể,không chấp nhận được cho các ứng dụng nhạy với độ trễ như truyền thoại.Một nhược điểm của kỹ thuật phân tập thời gian là sự sử dụng băng thôngkhông hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian

3.2.2 Phân tập tần số

Phân tập tần số đạt được bằng cách phát cùng một tín hiệu trên nhiềutần số sóng mang khác nhau Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủlớn để ảnh hưởng của fading lên các tần số này là độc lập nhau Tương tự nhưphân tập thời gian, phân tập tần số cũng có khái niệm băng thông liên kết(coherence bandwidth) Tuy nhiên, thông số này sẽ thay đổi tương ứng vớicác môi trường truyền sóng khác nhau

3.2.3 Phân tập không gian

Kỹ thuật phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten (AntennaDiversity) là kỹ thuật dùng nhiều anten ở đầu thu hoặc đầu phát hoặc cả hai

để phát/thu cùng một tín hiệu trên đường truyền vô tuyến Các anten đượcphân cách nhau một khoảng cách vật lý để đảm bảo các tín hiệu không tương

quan nhau Khoảng phân cách yêu cầu sẽ thay đổi theo độ cao anten, môitrường truyền sóng và tần số thu phát Thông thường, khoảng phân cách vàibước sóng là đủ đảm bảo các tín hiệu không tương quan

Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấpđến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tậpthời gian và tần số sử dụng băng thông không hiệu quả, phân tập không gianđảm bảo sử dụng hiệu quả băng thông Đây là một đặc tính rất hấp dẫn choviệc phát triển truyền thông vô tuyến tốc độ cao trong tương lai

Tùy vào việc sử dụng số anten tại đầu phát và đầu thu mà chia phân tập anten

ra thành 3 loại: hệ thống phân tập phát MISO, phân tập thu SIMO và phân tập

cả hai đầu phát - thu MIMO

3.3 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một công nghệ truyền thôngkhông dây, trong đó cả đầu thu lẫn đầu phát tín hiệu đều sử dụng nhiều anten

để tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗinhư nhiễu sóng, mất tín hiệu MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi đụngphải những chướng ngại trên đường truyền khiến chúng có thể đến được đầuthu tín hiệu bằng nhiều con đường khác nhau Những nghiên cứu gần đây chothấy 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 haybăng thông hệ thống

Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều ăng ten để truyềnsóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệutruyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được

ấn định Điều này cũng tương tự như đôi tai của chúng ta tiếp nhận đủ thứ âmthanh từ thế giới bên ngoài, nhưng sau đó não bộ sẽ lọc lựa và phân loại

cũng sử dụng kỹ thuật mã hóa khối dữ liệu theo thời gian và không gianSTBC để tăng cường độ tin cậy

Hình 3.2 Mô hình hệ thống MIMO

Ưu điểm của MIMO là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng tầm phủsóng trên cùng một băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải Công nghệMIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất

từ một anten tại một vị trí nào đó

Mô hình hệ thống MIMO

Hệ thống thông tin điểm-điểm đa anten băng hẹp gồm có NT anten phát

và NR anten thu có thể được biểu diễn bằng mô hình như sau:

T R R

R

T T

N N

n n

x

x x

h h

h

h h

h

h h

h

y

y y

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

2

1 2

1

2 1

2 22

21

1 12

11 2

1

(3.1)

Mô hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng : y = H.x + n (3.2)

Với y  C N R biểu diễn tín hiệu nhận được từ NR anten x  C N T biểu diễn tín

hiệu nhận được từ NT anten n  C N T Biểu diễn nhiễu Gauss trắng H là ma

trận kênh truyền có kích thước NTxNR chứa các hệ số phức h ij , mỗi hệ h ij biểu

diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i

3.4 Các độ lợi trong hệ thống MIMO

3.4.1 Độ lợi Beamforming

Độ lợi Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theohướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránhđược can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn Từ đó giúp cải thiện chấtlượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống

hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phântập

3.4.2 Độ lợi ghép kênh không gian (Spatial multiplexing)

µ

Hình 3.4 Ghép kênh không gian

suất phát hay tăng băng thông của hệ thống Để cực đại độ lợi ghép kênh qua

đó cực đại dung lượng kênh truyền thì thuật toán V-BLAST được áp dụng

độ tin cậy của hệ thống Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chốngfading đa đường thì người ta áp dụng thuật toán mã hóa khối không gian thờigian STBC hoặc mã hóa lưới không gian thời gian STTC

3.5 Các mô hình và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến [12]

3.5.1 Hệ thống SISO

Hệ thống SISO (Single Input Single Output) là một hệ thống đơn giản

chỉ sử dụng một anten tại đầu phát và một anten tại đầu thu [12] Theo dunglượng Shanon của kênh truyền vô tuyến, cho một kênh truyền bị hỏng do

nhiễu Gauss trắng cộng tại một mức SNR, dung lượng của SISO là :

C B  SNR

SHANNON  log21  (3.3)

Trong đó : C là dung lượng Shannon, B là băng thông kênh truyền, SNR là tỉ

số tín hiệu trên nhiễu

Từ công thức trên ta thấy rằng, để tăng dung lượng kênh truyền ta phải tăngbăng thông B, nhưng băng thông là tài nguyên có hạn và rất quý giá Nên hệthống SISO không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông[12].

3.5.2 Hệ thống SIMO

Hệ thống SIMO (Single Input Multiple Output) là hệ thống có một

anten phát và nhiều anten thu Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọnhoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SNR thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio

Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệthống tăng theo hàm logarit của số anten thu

Dung lượng của kênh truyền SIMO là :

C SIMO B log21 N R.SNR (3.4)

3.5.3 Hệ thống MISO

Hệ thống MISO (Multiple Input Single Output) là hệ thống có nhiều

anten tại đầu phát (NT anten phát) và chỉ có một anten thu Hệ thống này cóthể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chấtlượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng baophủ Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăngtheo hàm Log của số anten phát và có được xác định theo biểu thức sau:

C MISO B log21 N T.SNR (3.5)

Hình 3.6 Các hệ thống anten SISO, SIMO và MISO