Tìm hiểu kỹ thuật phân tập ANTEN trong hệ thống OFDM

Trước những thách thức đó, sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trong những công nghệ đột phá đẩy mạnh sự phát triển của hệ thống thông tin di động .Kỹ thuật MIMO ra đời sau đó không lâu cũng là một bước tiến trong truy cập vô tuyến băng rộng. Cùng với kỹ thuật OFDM nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được áp dụng để bên thu nắm được thông tin về kênh truyền cũng như các tác động của kênh truyền đến tín hiệu. Nhờ đó việc giải mã sẽ chính xác hơn và nâng cao chất lượng của các dịch vụ di động.Để tiếp cận sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông hiện nay, Đồ án tốt nghiệp này tập trung nghiên cứu và khảo sát một mảng nhỏ trong kỹ thuật MIMOOFDM đó là: TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG OFDM.Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là tìm hiểu lý thuyết, tính toán mô phỏng, để từ đó minh hoạ cho một hệ thống thông tin di động áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới hiện nay. Để thực hiện được nội dung đó, đồ án được kết cấu thành 4 chương:Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDMChương 1 của Đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế, giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các khối. Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM.Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô tuyến. Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điều quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền. Chương 2 của đồ án trình bày các tác động của kênh vô tuyến lên tín hiệu và một số phương pháp ước lượng kênh truyền cơ bản cho việc khôi phục dữ liệu.Chương 3: Mã hóa không gian thời gian Spacetime codingMột hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lên tín hiệu. Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gianthời gian SpaceTime Coding theo mô hình Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi thực thi hệ thống.Chương 4: Mô phỏng hệ thống MIMOOFDMĐể hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học, chương 4 thực hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằng chương trình MATLAB. Đồng thời chương này cũng thực hiện hai phương pháp ước lượng kênh truyền cơ bản là ML và MAP theo lý thuyết trình bày ở chương 2. Từ đó rút ra một số nhận xét.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường thuê bao số bất đồng bộAWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

BLAST Bell-Laboratories Layered Space

Time

Mã không gian thời gian lớp của phòng thí nghiệm BellBPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyềnDAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình sốFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần

sốFEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

HDSL High-bit-rate Digital Subscriber

mangIEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kĩ thuật Điện và Điện tử

IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanhISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự

MC Multicarrier Communication Truyền dẫn đa sóng mang

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào, đầu ra đơn

MRRC Maximum Ratio Receive

Combining

Kết hợp thu tỷ số cực đại

NLOS NonLight Of Sight Không phải tầm nhìn thẳngOFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giaoPAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình

QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phươngQPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phươngSIMO Single Input Multiple Output Đơn đầu vào, đa đầu ra

SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào, đầu ra đơn

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

STBC Space –Time Block Code Mã khối không gian thời gianSTC Space Time Coding Mã hoá không gian thời gianSTTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gianSVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị riêng

VDSL Very-high-speed Digital Subscriber

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WIMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập viba

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển kéo theo nhu cầu tìm hiểu thông tin và nhu cầugiải trí càng nhiều Sự ra đời của các thiết bị thông tin hiện đại nhằm phục vụ chonhu cầu này Các nhà cung cấp dịch vụ bắt buộc phải nghiên cứu những ký thuậtmới để đáp ứng vấn đề về tốc độ và chất lượng dịch vụ di động

Trước những thách thức đó, sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theotần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là mộttrong những công nghệ đột phá đẩy mạnh sự phát triển của hệ thống thông tin diđộng Kỹ thuật MIMO ra đời sau đó không lâu cũng là một bước tiến trong truy cập

vô tuyến băng rộng Cùng với kỹ thuật OFDM nhiều kỹ thuật ước lượng kênhtruyền cũng được áp dụng để bên thu nắm được thông tin về kênh truyền cũng nhưcác tác động của kênh truyền đến tín hiệu Nhờ đó việc giải mã sẽ chính xác hơn vànâng cao chất lượng của các dịch vụ di động

Để tiếp cận sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông hiện nay, Đồ án tốtnghiệp này tập trung nghiên cứu và khảo sát một mảng nhỏ trong kỹ thuật MIMO-OFDM đó là: TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNGOFDM

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là tìm hiểu lý thuyết, tínhtoán mô phỏng, để từ đó minh hoạ cho một hệ thống thông tin di động áp dụng các

kỹ thuật công nghệ mới hiện nay Để thực hiện được nội dung đó, đồ án được kếtcấu thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM

Chương 1 của Đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế,giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễuxuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các khối

Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuậtOFDM.

Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.

Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vôtuyến Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điềuquan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền Chương 2của đồ án trình bày các tác động của kênh vô tuyến lên tín hiệu và một số phươngpháp ước lượng kênh truyền cơ bản cho việc khôi phục dữ liệu

Chương 3: Mã hóa không gian thời gian Space-time coding

Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và mộtanten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lêntín hiệu Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuậtphân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hìnhAlamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khithực thi hệ thống

Chương 4: Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học, chương 4 thựchiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằngchương trình MATLAB Đồng thời chương này cũng thực hiện hai phương pháp

ước lượng kênh truyền cơ bản là ML và MAP theo lý thuyết trình bày ở chương 2.

Từ đó rút ra một số nhận xét

Do điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bàycủa em không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạnbè

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình củaThầy Phạm Châu và các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử-Viễn thông, Đại HọcBách Khoa Đà Nẵng

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 01 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trần Đình Toàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương.

Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền thông đa phương tiện là vấn đề sửdụng hiệu quả băng thông truyền dẫn cũng như khắc phục các vấn đề của môi trườngtruyền dẫn Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được xem là giảipháp khả quan nhất cho các vấn đề trên

Hiện nay, nhiều chuẩn mạng không dây như Wifi, DVB, Wi-Max, LTE đã ứngdụng kỹ thuật OFDM như một phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di độngtốc độ cao

Chương này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, qua các khái niệm, sự pháttriển của OFDM, tính trực giao của sóng mang, sơ đồ khối cùng các thông số kỹ thuật vàứng dụng của OFD sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật này

1.2 Khái niệm OFDM.

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang

frequency-do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ, trong đó tập hợp các ký tự được điều chế songsong trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ chophép chồng lấn lên nhau mà ở phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồnglấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹthuật điều chế thông thường

1.3 Sự phát triển của OFDM.

1.3.1 Kỹ thuật FDM.

Là kỹ thuật ghép kênh truyền thống đối với thoại và các kênh quảng bá Giữa cácsóng mang phải có khoảng bảo vệ tần số không mang dữ liệu để tránh hiện tượng chồngphổ Do đó ưu điểm của FDM là tránh được nhiễu xuyên kênh ICI hiệu quả, tuy nhiên điềunày làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông

1.3.2 Truyền dẫn đa sóng mang.

Là một dạng của FDM, tín hiệu vào được chia thành N tín hiệu nhỏ song song, sau

đó điều chế chúng ở N sóng mang khác nhau rồi ghép kênh và đưa lên kênh truyền Khichịu ảnh hưởng xấu từ đáp ứng kênh truyền thì chỉ có một phần nhỏ tín hiệu có ích bị mấtnên sẽ không quá ảnh hưởng đến việc khôi phục tín hiệu gốc Do vậy, khi sử dụng sóngmang có tốc độ bit thấp thì tín hiệu gốc được khôi phục chính xác hơn Tuy nhiên mỗi sóngmang vẫn cần khoảng bảo vệ tần số để tránh nhiễu nên hiệu quả sử dụng băng thông kém

1.3.3 Kỹ thuật OFDM.

Được bắt nguồn từ kỹ thuật FDM, được xem là kỹ thuật kết hợp giữa điều chế vàghép kênh OFDM chia phổ tần hiện có thành nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang conđược điều chế để truyền một luồng dữ liệu tốc độ thấp Các sóng mang con này trực giaovới nhau, cho phép phổ của chúng chồng lấn lên nhau mà hoàn toàn không cần dải bảo vệ,nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống

Hình 1.1: Phổ tín hiệu của OFDM

1.4 Tính trực giao.

Các tín hiệu là trực giao với nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau, cho phéptruyền một lúc nhiều tín hiệu trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Trong kỹ thuậtOFDM, phổ của các sóng mang phụ được chồng lấn lên nhau, nhưng tín hiệu gốc vẫn đượckhôi phục mà không có can nhiễu giữa các sóng mang kề cận

Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:

Ta sẽ xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:

Si = sin(mωt) và Sj = sin(nωt)

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giátrị trung bình của nó luôn khác không.

Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng không vàthỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chếtín hiệu

Về ý nghĩa vật lý, khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế khôngnhìn thấy tín hiệu cao tần kia, kết quả không bị các tín hiệu cao tần kia gây nhiễu

Về phương diện phổ, điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi vàođiểm bằng không của các sóng mang khác [1]

với n là số sóng mang con, k là chỉ số sóng mang con.

Khoảng bảo vệ được chèn vào ở đây để loại bỏ nhiễu (nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễuxuyên kênh ICI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường) thì trong hệ thốngOFDM người ta dùng tiền tố lặp CP có chứa phần sao chép phần cuối của ký tự OFDM.Tín hiệu truyền sẽ chịu tác động của kênh truyền fading lựa chọn tần số nên thêm nhiễutrắng AWGN Tại đầu thu, khoảng bảo vệ được loại bỏ, các mẫu được chuyển từ miền thờigian sang miền tần số bằng bộ FFT, tiếp theo là giải mã

1.5.1 Mã hóa kênh.

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền sốliệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chếcủa một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa, cònphải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được Nếu mộttuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cầnphải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.[2]

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, baogồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệuphát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi Lý do là

đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi màcòn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại.

Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập(convolutional code)

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuậtxen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin

đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởicác loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảyra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại

mã hóa kênh

1.5.2 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở.

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chếBPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành cácnhóm có số bit khác nhau (1, 2, 4, 6,…) tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK,QPSK, 16-QAM, 64-QAM,…

1.5.3 Kỹ thuật điều chế trong OFDM.

Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điềuchế số, chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT Tùy theo yêu cầu tốc độtruyền dẫn và chất lượng tín hiệu mà hệ thống sử dụng các mức điều chế M khác nhau.Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức d n = a n + jb n ở ngõ ra

Công thức biến đổi của IDFT là:

Chuyển đổi Fourier nhanh(FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh vàgọn hơn.Từ công thức (1.4), (1.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm

• Thời gian thực hiện phép nhân phức

• Thời gian thức hiện phép cộng phức

• Thời gian đọc các hệ số WN

• Thời gian truyền số liệu

Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức Vì vậy, muốn giảm thờigian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phépnhân phức Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân Do đó để giảmthời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử

dụng thuật toán FFT Để tính trực tiếp cần

2

N

phép nhân Khi tính bằng FFT số phép nhânchỉ còn Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là

Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ

1.5.4.2.Ứng dụng của IFFT và FFT trong OFDM.

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

Trong đó: là tín hiệu băng gốc

Ở băng gốc: Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trongmột chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.6) được viết lại như sau:

Nếu thỏa mãn điều kiện , thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này phươngtrình (1.7) được viết lại:

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng cóchiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu[2]

Thật vậy ta có:

Ở đây hàm δ(m-k) là hàm delta, được định nghĩa là :

Lý tưởng thì dữ liệu phía thu sẽ giống dữ liệu phía phát: X* =Xk

1.5.5 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix).

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường.OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vào được chia thành cácluồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ đó

mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảngbảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớnhơn thời gian trễ của tín hiệu Fading Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứatín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sửdụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký

tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu đađường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiện tượng ICI Mặtkhác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênhtruyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần sốnhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.[3]

Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu.

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: Tmax < Tx < Tg

Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM

1.5.6 Biến đổi cao tần RF.

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần sốcao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phảinâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF

Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở,

đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần

1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM.

Hình 1.5: Cấu trúc khung dữ liệu OFDM.

Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương

M mức M-QAM

Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các sốphức Xk,m Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log2M N là số mẫu phức trongmột khung và m là chỉ số khung Hay nói cách khác, Xk,m là mẫu phức của sóng mang phụthứ k trong ký tự OFDM thứ m

N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược FFT

để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m

Hình 1.6: Biến đổi IFFT và chèn CP.

Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP

Hình 1.7: Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu.

Và tín hiệu băng gốc trước khi nâng tần của một ký tự OFDM như sau:

Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đườngbằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳngtương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ

sử dụng tiền tố lặp CP

Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợpnên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệuứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với

độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơngiản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thốngđơn tần

Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổiFourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệuquả trong các môi trường đa đường dẫn

1.7.2 Nhược điểm.

OFDM là một kĩ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kĩthuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn Tín hiệuOFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồngpha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn Điều này khiến cho việc sử dụngkhông hiệu quả bộ khuếch đại công suất lớn HPA

OFDM rất nhạy với lệch tần số ( hiệu ứng Doppler), khi hiệu ứng dịch tầnDoppler xảy ra thì tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấymẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới lỗi khi giải điều chế các symbol

Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký hiệu FFT Vì vậy cầnphải đồng bộ giữa bên phát và bên thu

1.8 Ứng dụng của OFDM.

Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệthống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đápứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã… Mãi đến 20 năm sau, với sự rađời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đãđược hiện một cách dễ dàng với chi phí rẻ và ứng dụng rộng rãi Ứng dụng đầu tiêncủa OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trongmodem tốc độ cao và trong thông tin di động

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phươngpháp điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vựcthông tin vô tuyến hiện nay OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nócung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 5GHz ISM (dùng cho côngnghiệp, khoa học kỹ thuật và y học) Chuẩn 802.11g vừa mới thông qua cũng sửdụng OFDM trong băng tần 2.4GHz ISM Ngoài ra OFDM còn được sử dụng choWiMAX và cũng là sự lựa chọn cho hệ thống thông tin di động tế bào bao gồm 3GLTE và UMB (Ultra Mobile Broadband)

OFDM còn được sử dụng cho truyền hình số mặt đất như là DVB (DigitalVideo Broadcasting) Một hình thức mới mới của truyền thông gọi là Digital Radio

Mondiale dùng cho băng tần sóng trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹthuật OFDM Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế chomạng di động thế hệ thứ tư (4G).

1.9 Kết luận chương.

Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM Tuynhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởngcủa kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền Chương tiếp theo sẽ đềcập đến các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trênkênh truyền

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN

2.1 Giới thiệu chương.

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu.Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầmnhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi.Trongchương này nêu rõ các đặc tính của kênh truyền vô tuyến như suy hao tín hiệu, hiệu ứng đađường với sự tác động rất nghiêm trọng bởi fading, ảnh hưởng của dịch Doppler, và sự tácđộng của nhiễu trắng Các nhiễu ISI và ICI tồn tại trong hệ thống OFDM cũng được nói rõ.Đồng thời nêu lên một vài phương pháp ước lượng kênh truyền

2.2 Đặc tính kênh truyền tín hiệu.

2.2.1 Khái niệm suy hao tín hiệu.

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từđiểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng

và hiệu ứng đa đường

Trong không gian tự do, sóng truyền sẽ bị lan tỏa ra có dạng hình cầu dẫn đến mật

độ công suất giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình cầu này

Diện tích của hình cầu là 4πR2, tỷ lệ với bình phương bán kính R của hình cầu, do

đó trong không gian tự do, cường độ trường RF sẽ bị suy giảm tỷ lệ với bình phươngkhoảng cách Phương trình (2.1) biểu diễn công suất thu được theo công suất phát trongkhông gian tự do

Trong đó : P R là công suất thu được (W).

P T là công suất phát (W).

G T là độ lợi của anten phát

G R là độ lợi của anten thu

λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m)

d là khoảng cách truyền dẫn (m)

2.2.2 Hiệu ứng đa đường.

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan toả trong không gian, va chạm vàocác vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, gây ra các hiện tượng: hiện tượng phản xạ, hiện tượng tán xạ, hiện tượng nhiễu xạ

Hình 2.1: Tín hiệu tới phía thu theo L đường

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số các bản sao tín hiệu, một sốbản sao này sẽ tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vậtkhác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: thời điểm các bản sao này tớimáy thu khác nhau hay là độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau; các bảnsao này có suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của các bản sao này, tuỳ thuộc vào biên độ vàpha của các bản sao:

Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha.Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.

Tuỳ theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần sốhay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm Tuỳ theo đườngbao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền mà có phân bố xác suất theo hàm phân bốRayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean

2.2.3 Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số.

• Khái niệm:

Fading phẳng xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà tại đó đáp ứng kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần

số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu là f 0 Trên hình 2.3, kênh truyền có f 0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát (f 0 >W), mọi thành phần tần số được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau.

Fading lựa chọn tần số xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Kênh truyền có f 0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát (f 0 <W) thì tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.

a, Fading phẳng b, Fading lựa chọn tần số

Hình 2.2: Kênh truyền Fading.

• Hàm truyền đạt

Đối với kênh truyền fading phẳng thì hàm truyền đạt của kênh không thay đổi trong khoảng băng tần tín hiệu và việc sử dụng kênh băng hẹp là nhằm tạo kênh truyền fading phẳng.

Đối với kênh truyền fading lựa chọn tần số thì hàm truyền đạt thay đổi đáng

kể trong khoảng băng tần tín hiệu, đó là nguyên nhân gây ra fading lựa chọn tần số và ISI Loại kênh truyền này thường là kênh truyền băng rộng.

a, Fading phẳng b, Fading lựa chọn tần số.

Hình 2.3: Hàm truyền đạt của kênh truyền Fading.

• Kết luận:

Với các hệ thống vô tuyến dung lượng lớn(70-80Mpbs) trở lên thì băng tần tín hiệu khá rộng(C~B) nên sự suy hao phụ thuộc vào tần số càng rõ rệt Cho nên hiện tượng fading lựa chọn tần số là vấn đề thường được quan tâm tới ở các

hệ thống thông tin vô tuyến với dung lượng lớn.

Fading lựa chọn tần số có thể gây méo tuyến tính rất nghiêm trọng và nhiễu ISI cũng được gây ra từ đây và là nguyên nhân ảnh hưởng đến sự gián đoạn liên lạc ngay cả khi SNR rất lớn Do đó để khắc phục nó người ta sử dụng một

số phương pháp sau:

+ Dùng phân tập không gian và phân tập theo tần số

+ Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER

+Trải phổ tín hiệu cũng có khả năng tách các tia sóng và tổng họp lại chúng ở đầuthu

+Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM , phân toàn bộ băng tầnthành nhiều băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang và mỗi sóng mang này trực giao với

các sóng mang khác Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ratại tất cả tần số sóng mang Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất.

2.2.4 Fading nhanh và fading chậm.

Fading nhanh là loại fading xảy ra khi bên thu nhận được nhiều tia phản xạ, tín hiệutổng hợp gồm nhiều sóng có biên độ và pha khác nhau nên nó có tín hiệu thay đổi bất kỳ,nhiều lúc chúng còn triệt tiêu lẫn nhau

Fading chậm là loại fading do hiệu ứng che khuất bởi các địa hình xung quanh gâynên như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm,hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm

Để đánh giá mức độ biến đổi của kênh thì thông qua cohenrence time, đây là đơn vịthời gian tối thiểu mà biên độ tín hiệu mất tương quan so với giá trị tại thời điểm trướcđó[2]

Với Đối với fading nhanh : Ts>Tc

Đối với fading chậm : Ts<Tc

Với Ts : khoảng ký tự

2.2.5 Trải trễ.

Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất trong khi các tín hiệu thu được tại đầu thu.Trong điều chế OFDM, mỗi ký tự là tổng hợp của nhiều sóng mang con băng nhỏtruyền dẫn song song Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồngchập nhau tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI Để đảm bảo nhiễu ISI vẫn ở mức độcho phép, ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó ta có thể xác địnhđược tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được

Nếu bề rộng độ ổn định tần số của kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của

hệ thống: thì kênh được định nghĩa là không phụ thuộc vào tần số (non-frequencyselective channel) Ngược lại nếu thì kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc tần số(frequency selective channel)

2.2.7 Hiệu ứng Doppler.

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được

sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần sốthu được sẽ nhỏ hơn tần số phát đi Tức là tần số ban đầu của tín hiệu bị dịch đi mộtkhoảng gọi là tần số Doppler Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệthống Đặc biệt trong OFDM vấn đề đồng bộ đóng vai trò khá quan trọng

Giả thiết góc tới của tuyến l so với hướng chuyển động của máy thu là , khi đó tần

số Doppler tương ứng của tuyến này là :

Trong đó:

f 0 : tần số sóng mang của hệ thống.

v : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát

c : vận tốc ánh sángKhi đó tần số tín hiệu thu được là:

2.2.8 Độ ổn định về thời gian của kênh.

Tùy thuộc vào độ dài mẫu tín hiệu so với bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh

mà kênh được định nghĩa là kênh phụ thuộc thời gian hay không

Nếu bề rộng sự ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫutín hiệu của hệ thống thì kênh truyền dẫn của hệ thống đó được coi là không phụ thuộcthời gian (time-invariant channel) Ngược lại nếu thì kênh truyền dẫn của hệ thống đượccoi là phụ thuộc thời gian (time-variant channel)

2.3 Nhiễu trong hệ thống thu phát.

2.3.1 Nhiễu trắng cộng Gauss.

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu như là

do thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễuSNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống

Tạp âm nhiễu trắng cộng Gauss là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyềndẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độtuân theo phân bố Gauss Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vìvậy tín hiệu thu được viết lại như sau:

Về mặt toán học, nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất xtuân theo phân bố xác suất Gauss với kỳ vọng μ bằng không và độ lệch chuẩn Điều này

có nghĩa là:

Vì kỳ vọng bằng 0 nên độ lệch chuẩn cũng là phương sai của biến ngẫu nhiên x Do

đó nhiễu trắng có công suất không đổi và là

Nhiễu trắng Gauss tuân theo quy luật phân bố xác suất với hàm phân bố như sau:

Ở phân bố Gauss, thông số μ xác định điểm giữa của phân bố và thông số xác định

độ rộng của hàm phân bố

2.3.2 Nhiễu xuyên kí tự ISI (Inter-symbol interference).

ISI là nhiễu xuyên ký tự xảy ra khi các ký tự khác nhau đến máy thu cùng lúc dẫnđến chồng lấn lên nhau và làm cho ký tự bị méo dạng và máy thu có thể giải mã sai về ký

tự này Nguyên nhân chính của việc này chính là hiện tượng đa đường làm cho tín hiệuđược gửi trước lại đến sau và gây nhiễu lên tín hiệu đang gửi hiện hành Hệ thống OFDMhạn chế ảnh hưởng của nhiễu ISI bằng cách chèn các tiền tố lặp CP như đã trình bày ởchương trước

2.3.3 Nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-carrier interference).

Hình 2.4: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM.

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóngmang khác Tuy nhiên nhiễu ICI xảy ra khi kênh đa đường tác động làm dịch tần số củacác sóng mang phụ và phá hủy tính trực giao của các sóng mang đồng thời còn làm mấttính đồng bộ của hệ thống Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường là nguyên nhânchủ yếu gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bịnhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong

hệ thống OFDM

2.4 Các kỹ thuật ước lượng.

Hình 2.5: Các kỹ thuật ước lượng.

2.4.1 Kỹ thuật ML (Maximum Likelihood):

Kỹ thuật ước lượng ML theo hướng tiếp cận Fisher Các pilot symbols đượcđặt vào đầu của cụm (burst) OFDM symbols trong miền thời gian Các pilot nàyđược qui ước giữa bên phát và bên thu Thuật toán của phương pháp ước lượng nàydựa trên nguyên lý maximum likelihood (ML) Hàm ML được xác định như sau:

Trong đó:

•

( ) ( )

m T

m T

s hift circularly

) ( 1 )

( 0 )

là đáp ứng xung của kênh truyền multipath fading

Phương pháp ước lượng kênh truyền ML được thể hiện bằng công thức:

Như vậy từ công thức ta có thể thấy với phương pháp ML, bên thu không cần biếtquy luật phân bố của kênh truyền Hệ thống thu phát chỉ cần qui ước với nhau vềpilot là có thể ước lượng được kênh truyền

2.4.2 Kỹ thuật MAP (Maximum-A-Posteriori):

Kỹ thuật MAP ước lượng kênh truyền theo hướng Bayesian Ngoài việc qui ướcpilot giữa bên phát và thu, kỹ thuật MAP còn sử dụng thêm công suất nhiễu nhiệt trungbình và hàm phân bố của đáp ứng kênh truyền Kênh truyền được ước lượng bằng côngthức:

Trong đó:

• No là công suất nhiễu nhiệt trung bình AWGN

• α là ma trận được tính như sau:

Mà

Nên

Các giá trị được xác định bằng công thức thực nghiệm sau:

2.5 Kênh truyền Rayleigh.

Trên đường truyền từ máy phát đến máy thu thì tùy vào địa hình mà có tồn tạiđường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu hay không Nếu kênh truyền không tồntại đường trực tiếp LOS này thì người ta đã chứng minh được đường bao tín hiệu truyềnqua kênh truyền có phân bố Rayleigh Tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp các thànhphần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ

Hàm mật độ xác suất của phân bố fading rayleigh được biểu diễn như sau:

Với : r là điện áp đường bao tín hiệu thu

là công suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng thành phầnGauss

2.6 Kênh theo phân bố Rice

Trong trường hợp trên đường truyền tồn tại đường truyền trực tiếp từ máy phát đếnmáy thu tức là công suất thu được từ đường LOS này lớn hơn so với các đường phản xạ.Lúc này tín hiệu qua kênh truyền tuân theo phân bố Rice

Phân bố Rice được biễu diễn như sau:

Với A: Biên độ đỉnh của tín hiệu trội

là hàm Bessel loại 1 bậc 0 :

2.7 Dung lượng kênh truyền.

Một trong các mục tiêu của điều chế thích ứng là cải thiện dung lượng

Dung lượng kênh phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băngthông của tín hiệu được xác định bằng công thức sau:

C=Wlog2(1+ SNR) [bps] (2.18)Trong đó C là dung lượng kênh còn W là băng thông

Để đạt được hiệu năng cao nhất, dùng phương pháp điều chế thích ứng, nội dungcủa phương pháp này là làm thay đổi các thông số của hệ thống theo trạng thái của kênhsao cho đạt được dung lượng kênh tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng truyền dẫnBER Ví dụ M-QAM thích ứng là thay đổi số mức điều chế M theo trạng thái kênh sao chođạt được dung lượng tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng truyền dẫn BER VớiOFDM thích ứng, cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phùhợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét

Thấy rõ, mức điều chế và tỉ lệ mã ảnh hưởng lên dung lượng Trong các hệ thốngOFDM, do truyền dẫn song song và thời gian mở rộng định kì nên có nhiều thông số quyếtđịnh dung lượng hơn [5]

Bắt đầu bằng việc xét cho trường hợp đơn giản với giả thiết là cấu hình các sóngmang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điềuchế, mã hóa, băng thông, công suất…) Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym là thờigian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gianFFT, khoảng cách sóng mang con là Δf=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian

ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

Từ công thức trên cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóngmang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: (1) tỷ lệ mã, (2) mức điều chế, (3)

độ rộng băng; (4) FSR Trong hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạtđược tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS cho hoàn cảnh cụ thể của kênh tại thờiđiểm xét

2.8 Kết luận chương.

Chương này đã nêu rõ các đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tínhiệu khi truyền đi trong không gian Có rất nhiều vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng đến kênhtruyền mà cần được giải quyết, đặc biệt là tác động của nhiễu fading lựa chọn tần số vànhiễu trắng gây nên Hệ thống OFDM có thể loại bỏ được nhiễu ISI nhưng không thể tránhkhỏi nhiễu ICI do hiệu ứng Doppler gây ra Với các loại nhiễu này tác động vào hệ thốngthì việc giải điều chế tại đầu thu là rất khó khăn Vì vậy, trong những năm gần đây, người

ta quan tâm đến một cải tiến mới để nâng cao dung lượng của kênh truyền đó là áp dụng kỹthuật MIMO – Multiple Input Multiple Output vào hệ thống Vấn đề này sẽ được làm rõ ởchương tiếp theo của đồ án

CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KHÔNG GIAN – THỜI GIAN TRONG MIMO3.1 Giới thiệu chương.

Multiple Input Multiple Output, hay MIMO, là tên gọi chung cho tập hợp những

kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu và phía phát kết hợp với các kỹ thuật

xử lý tín hiệu Kỹ thuật MIMO có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, baogồm làm tăng dung lượng hệ thống và tăng chất lượng vùng phủ cũng như là làm tăng khảnăng cung cấp dịch vụ, tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn

Phương pháp phân tập anten được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1990, sửdụng mã khối không gian thời gian, hay mã Trellis, đặc biệt là mô hình Alamouti

Chương này sẽ giới thiệu về hệ thống MIMO và trình bày kỹ thuật phân tập phát sửdụng phương pháp mã hóa theo không gian thời gian (space-time coding) cho hệ thốngMIMO

3.2 Khái niệm cơ bản về hệ thống MIMO.

3.2.1 Lịch sử phát triển.

Hầu hết những nghiên cứu trước đây đều chỉ tập trung vào việc sử dụng antennamảng tại một đầu của kênh truyền, và thường là tại máy thu Sau đó, chuyên đề nghiên cứucủa Foschini và Gans, Foschini và Telatar đã chỉ ra rằng antenna mảng có thể được sửdụng ở cả hai đầu của kênh truyền, có khả năng cung cấp kênh truyền dung lượng lớn vàthích ứng được với môi trường có độ tán xạ cao

Vào đầu những năm 1990, kỹ thuật phân tập phát bắt đầu phát triển Từ đó vấn đềnày đã lôi cuốn được nhiều nhà nghiên cứu một cách nhanh chóng Như vậy MIMO là mộtbước ngoặc của nhiều hệ thống thông tin di động bởi nó có khả năng làm tăng đáng kể tốc

độ dữ liệu và nâng cao hiệu quả kênh truyền

3.2 Kỹ thuật phân tập sử dụng trong hệ thống MIMO.

Một trong những phương pháp hiệu quả làm giảm ảnh hưởng của fading là sử dụng

kỹ thuật phân tập cho các tín hiệu độc lập thống kê với nhau Nguyên lý phân tập cung cấpcho bên thu nhiều phiên bản độc lập của cùng một tín hiệu Những phiên bản này có thể bịảnh hưởng bởi nhiều cách khác nhau trên kênh truyền và xác suất để cho tất cả các phiênbản này bị ảnh hưởng cùng một lúc là rất thấp Do đó, phân tập sẽ làm cho kênh truyền ổnđịnh và tăng hiệu suất, nhờ đó sẽ giảm được xác suất lỗi

Có nhiều cách phân tập khác nhau:

- Phân tập theo thời gian: đối với dạng phân tập này, một bản tin sẽ được truyền ởnhiều thời điểm khác nhau Khoảng thời gian tối thiểu giữa các thời điểm bằng với

thời gian kết hợp của kênh hoặc nghịch đảo của tốc độ fading 1/f d = c/ vf c Phươngpháp này có hiệu quả sử dụng băng tần kém

- Phân tập theo tần số: đối với dạng phân tập này, một bản tin được truyền ở các tần

số khác nhau, chẳng hạn như sử dụng nhiều kênh truyền hoặc ứng dụng các kỹthuật như trải phổ hoặc OFDM Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn đểđảm bảo ảnh hưởng của fading là độc lập trên mỗi tần số Vì vậy gây thất thoáttrong hiệu quả sử dụng băng tần

- Phân tập theo không gian: sử dụng nhiều anten phát hoặc anten thu hay còn gọi làanten mảng Phân tập theo không gian sử dụng nhiều anten đặt ở các vị trí khácnhau để tận dụng những ưu điểm của tính định hướng của anten theo nhiều đườngkhác nhau Phương pháp này đòi hỏi các anten phải được đặt cách xa nhau đủ lớn

để các tín hiệu truyền trên các anten được xem như độc lập với nhau Thông thườngkhoảng cách này là khoảng vài lần bước sóng

Một hệ thống MIMO thường sử dụng kết hợp nhiều kỹ thuật phân tập như phân tậpkhông gian-thời gian, không gian-tần số, để tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giảm xác suấtlỗi kênh truyền so với hệ thống chỉ sử dụng thuần túy một anten

Một trong những ý tưởng cốt lõi của hệ thống MIMO là xử lý tín hiệu bằng cách

mã hóa không gian thời gian Nói cách khác đây chính là sự kết hợp của phân tập theokhông gian và thời gian trong cùng một hệ thống MIMO đã có sẵn nhiều anten phát vàanten thu

3.3 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO.

Có 4 dang cấu hình cho hệ thống MIMO như sau:

• SISO - Single Input Single Output

• SIMO - Single Input Multiple output

• MISO - Multiple Input Single Output

• MIMO - Multiple Input multiple Output

Sự khác nhau của mỗi cấu hình phụ thuộc vào cách ta sử dụng một hay nhiều antencho ngõ vào và ngõ ra Khái niệm Multiple Input Multiple Output (MIMO) được sử dụngcho kênh truyền vô tuyến Theo cách gọi này thì Input là máy phát, nó truyền tín hiệu vàokênh truyền, và Output sẽ là máy thu, đó là ngõ ra của kênh truyền

3.3.1 Hệ thống SISO.

Là cấu hính đơn giản nhất, đây là một kênh truyền vô tuyến đúng chuẩn Máy phát

và máy thu truyền và nhận tín hiệu chỉ sử dụng một anten Hệ thống này không có phân tập

và không yêu cầu phải xử lý thêm tín hiệu

Hình 3.1: Hệ thống SISO

Ưu điểm lớn nhất của cấu hình này là tính đơn giản Tuy nhiên hiệu suất của hệthống có nhiều hạn chế Nhiễu và fading ảnh hưởng lớn đến hệ thống nhiều hơn là các môhình MIMO khác có sử dụng kỹ thuật phân tập

3.3.2 Hệ thống SIMO.

Hệ thống SIMO sử dụng một anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu.Phương pháp này còn được gọi là phân tập thu Máy thu sẽ nhận nhiều tín hiệu từ cácnguồn độc lập khác nhau để loại bỏ được ảnh hưởng của fading

Hình 3.2: Hệ thống SIMO

Hệ thống SIMO có ưu điểm là nó có thể được thực hiện tương đối dễ dàng, thíchhợp với nhiều ứng dụng Tuy nhiên, một nhược điểm khá lớn là nó đòi hỏi phải có bộ xử lýphức tạp tại máy thu Các thiết bị thu như điện thoại di động phải có kích thước lớn, giá cảcao và đòi hỏi nguồn pin cung cấp phải đủ lớn

Tất cả các dạng cấu hình trên đều cho những cải thiện đáng kể về hiệu quả sử dụngkênh tuy nhiên ta cũng cần quan tâm đến chi phí của các bộ xử lý và số lượng anten được

sử dụng Vì vậy khi lựa chọn một cấu hình để ứng dụng cho hệ thống thông tin di động thì

sự cân bằng giữa các yếu tố này là điều rất cần thiết

Đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân tập phátbằng phương pháp mã hóa không gian – thời gian (space – time coding), đồng thời cũng sosánh với hệ thống SIMO ( Single input Multiple output) sử dụng kỹ thuật phân tập thu.Mục 3.4 sẽ trình bày tóm tắt các kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong phân tập thu để làm

cơ sở so sánh với mô hình phân tập phát

3.4 Các kỹ thuật sử dụng trong phân tập thu.

Có 4 kỹ thuật kết hợp (combining) khác nhau được sử dụng trong phân tập thu

Hình 3.5: Các kỹ thuật kết hợp sử dụng trong phân tập thu

3.4.1 Threshold Combining (TC).

Đây là kỹ thuật kết hợp đơn giản nhất Tín hiệu từ trạm phát đến các anten thu bằngnhiều đường khác nhau Chuyển mạch của bộ so sánh SNR (Compare SNR) sẽ nhảy lần

lượt, khi nó gặp tín hiệu có SNR trên mức ngưỡngthì sẽ đưa đến bộ giải điều chế.

có SNR lớn nhất

Hình 3.7: Máy thu sử dụng kỹ thuật SC

3.4.3 Equal-Gain Combining (EGC).

Trong hai kỹ thuật trên, tín hiệu chỉ được lấy

ra từ một anten thu nào đó nên SNR thấp Kỹ thuậtEGC cải thiện được SNR bằng cách sử dụng tất cảcác tín hiệu thu được nhân với hệ số để đồng pha vàlấy tổng của chúng

Hình 3.8: Máy thu EGC

3.4.4 Maximal Ratio Combining (MRC).

Kỹ thuật MRC tương tự như EGC nhưng ở khâu đồng pha còn nhân thêm các trọng

Mã hóa không gian thời gian có thể được chia thành hai loại chính Thứ nhất

là mã Trellis code được xây dựng trên nhiều anten và nhiều khe thời gian STTC

luôn luôn cung cấp được độ lợi mã hóa và độ lợi phân tập STTC do Tarokh nghiêncứu và chứng minh Tín hiệu được mã hóa và truyền đồng thời sử dụng phươngpháp Maximum likehood detection Mã Trellis là một mô hình rất hiệu quả vì nótăng được năng suất của hệ thống, đồng thời lại kết hợp được với mã phát hiện vàsửa lỗi FEC Tuy nhiên, mô hình này đòi hỏi phải có sự cân đối giữa kích thướcchòm điểm, tốc độ dữ liệu, độ lợi phân tập và sự phức tạp của mã Trellis.

Loại thứ hai của STC là mã khối không gian thời gian Space time blockcodes Với loại mã này dữ liệu được tổ chức thành dạng khối Mã khối này chỉ đạtđược độ lợi phân tập chứ không đạt được độ lợi mã hóa cho nên nó đơn giản hơn sovới phương pháp mã hóa Trellis của Tarokh Do đó đồ án này sẽ tập trung vào việctính toán và mô phỏng phương pháp mã hóa khối không gian và thời gian cho hệthống MIMO

Khi sử dụng mã không gian thời gian, chuỗi dữ liệu được mã hóa theo khối đểtruyền đi Những khối dữ liệu này được đưa đến nhiều anten phát và được truyền cách biệt

về thời gian và không gian

Mã khối không gian thời gian thường được biểu diễn bằng ma trận Mỗi hàng biểudiễn cho một khe thời gian và mỗi cột biểu diễn cho một anten trong suốt một chu kỳ(nhiều khe thời gian)

3.6.1 Mô hình thuật toán ALAMOUTI với 2 anten phát 1 anten thu

Alamouti là mô hình đầu tiên của phương pháp mã hóa không gian thời gian cho hệthống với hai anten phát và một anten thu Do đó mô hình của Alamouti cũng được xem làmột kỹ thuật phân tập phát Phần này sẽ trình bày chi tiết thuật toán mã hóa, giải mã vàhiệu suất của hệ thống

3.6.1.1 Mã hóa

Tín hiệu sau khi ra khỏi bộ điều chế sẽ được bộ mã hóa lấy ra từng khối 2 ký tự s1

và s2 Sau đó tín hiệu được truyền trong hai khe thời gian liên tiếp ở hai anten phát Ở khethời gian thứ nhất, s1 truyền trên anten 1, s2 truyền trên anten 2 Ở khe thời gian thứ hai, -s2

truyền trên anten 1 và s1 truyền trên anten 2 Sơ đồ khối của hệ thống được minh họa nhưhình (3.11):