Nâng cao dung lượng và chất lượng dịch vụ trong thông tin không dây bằng KT MIMO OFDM

NTT Nipon Telegraph and Telephone: Do Nhật Bản nghiên cứu và sửdụng.Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ khôngnhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG I 9

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 9

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động 9

1.1.1 Giới thiệu chung 9

1.1.2 Khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động 12

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 12

1.2.1 Méo biên độ 14

1.2.1.1 Mô hình fading Rayleigh 14

1.2.1.2 Mô hình fading Rician 14

1.2.1.3 Thống kê của fading 16

1.2.2 Suy hao đường truyền 17

1.2.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường 18

1.2.4 Tạp âm trắng Gauss 18

1.2.5 Hiện tượng Doppler 19

1.3.Các phương thức ghép kênh 20

1.3.1.Ghép kênh theo tần số FDM 21

1.3.2.Ghép kênh theo thời gian TDM 22

1.3.3.Ghép kênh theo mã CDM 22

1.3.4.Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 22

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 23

1.4.1.Hệ thống SISO 24

1.4.2 Hệ thống SIMO 24

1.4.3.Hệ thống MISO 25

1.4.4.Hệ thống MIMO 25

CHƯƠNG II 26

KỸ THUẬT MIMO VÀ KỸ THUẬT OFDM 26

2.1 KỸ THUẬT MIMO 26

2.1.1 Giới thiệu 26

2.1.1.1 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 26

2.1.1.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO 27

2.1.2 Dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO 27

2.1.3 Sơ lược phân tập 27

2.1.3.1 Phân tập thời gian 28

2.1.3.2 Phân tập tần số 29

2.1.3.3 Phân tập không gian 29

2.1.3.4 Các phương pháp kết hợp phân tập 30

2.1.4 Mã hóa không gian_thời gian 34

2.1.4.1 Mã hóa Alamouti 35

2.1.4.2 Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ 37

2.1.5 Kết luận 40

2.2 KỸ THUẬT OFDM 40

2.2.1 Giới thiệu 40

2.2.2 Khái niệm chung 41

2.2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang 41

2.2.2.2 Hệ thống đa sóng mang 42

2.2.2.3 Tín hiệu trực giao 43

2.2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM băng cơ sở 44

2.2.4 Cơ sở toán học 46

2.2.4.1 Trực giao 46

2.2.4.2 IFFT/FFT 46

2.2.5 Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM 47

2.2.5.1 Sơ đồ điều chế/Giải điều chế 47

2.2.5.2 Mã hoá kênh 49

2.2.5.3 Sắp xếp 50

2.2.5.4 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM 51

2.2.6 So sánh độ phức tạp giữa kỹ thuật OFDM với điều chế đơn sóng mang 52

2.2.7 Ưu nhược điểm của OFDM 54

2.3 SỰ KẾT HỢP CỦA HAI KỸ THUẬT MIMO VÀ OFDM 55

2.3.1 Giới thiệu 55

2.3.2 Mô tả tổng quan về hệ thống MIMO_OFDM 55

2.3.2.1 MIMO-OFDM Tx 56

2.3.2.2 MIMO_OFDM Rx 56

2.3.2.3 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM 57

2.3.3 Phân tích hệ thống MIMO-OFDM 58

2.3.3.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 58

2.3.3.2 Space-Time Block-Coded OFDM 59

2.3.4 Kết luận chương 64

CHƯƠNG III 66

ĐÁNH GIÁ VẤN ĐỀ NÂNG CAO DUNG LƯỢNG 66

VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 66

3.1 Cải thiện QoS 66

3.1.1 Giới thiệu 66

3.1.2 MIMO với điều chế OFDM 67

3.1.4 Giảm can nhiễu 67

3.1.5 Hiệu suất của MIMO-OFDM 68

3.2 Chuẩn IEEE 802.11n : WiFi thế hệ mới 69

3.2.1 Điểm mới của chuẩn IEEE 802.11n 70

3.2.2 MIMO cải thiện hiệu năng 73

3.2.3 Các đặc điểm nổi bật của MIMO 74

3.2.4 Cải tiến lưu lượng và tốc độ truyền dữ liệu 75

3.2.5 Hoạt động hiệu quả cùng WLAN hiện hành 76

3.2.6 Một số sản phẩm 802.11n draft 2.0 tiêu biểu 77

KẾT LUẬN 81

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 82

Tài liệu tham khảo: 84

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh 14

Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K 15

Hình 1.4 : Các phương thức ghép kênh 20

Hình 1.5 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động 22

Hình 1.6: Phân loại hệ thống thông tin không dây 23

Hình 2.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu 25

Hình 2.2: Mô hình phân tập không gian 29

Hình 2.3: Mô hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn 30

Hình 2.4: Bộ tổ hợp kiểu quét 30

Hình 2.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại 31

Hình 2.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx và 2Rx 32

Hình 2.7: Sơ đồ mã hoá Alamouti 35

Hình 2.8: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC 37

Hình 3.1: Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang 41

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống đa sóng mang 41

Hình 2.10a: Bốn sóng mang trực giao nhau 42

Hình 2.10b: Phổ của 4 sóng mang trực giao 43

Hình 2.11a: Kỹ thuật đa sóng mang 43

Hình 2.11b: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 43

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống OFDM 44

Hình 2.13: Chùm tín hiệu M_QAM 47

Hình 2.14: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM 54

Hình 2.15: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM 55

Hình 2.16: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM 55

Hình 2.17: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM 56

Hình 2.18: Mô hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 59

Hình 3.1: BER hiệu suất của OFDM MIMO với ghép kênh không gian Alamouti 68 Hình 3.2: Logo chứng nhận sản phẩm đạt chuẩn 802.11n 70

Hình 3.3: MIMO với wifi 71

Hình 3.4: Hệ thống MIMO NxM 72

Hình 3.5 : Mỗi màu ứng với một chuỗi dữ liệu 73

Hình 3.6: Các đặc tả kỹ thuật chủ yếu của 802.11n 74

Hình 3.7: Các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.11 75

Hình 3.8: Sự tập hợp cải thiện hiệu quả trong chế độ Mixed 76 Hình 3.9: so sánh kết quả thử nghiệm khoảng cách 2m và 10m trong môi trường .78

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng Các hệ thốngthông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băngthông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyềnthống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được cácyêu cầu của hệ thống thông tin tương lai do đó việc ra đời và ứng dụng của nhữngcông nghệ mới tiên tiến hơn là điều dễ nhận thấy Một trong những giải pháp đượcđưa ra là sự kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộngrãi trong MIMO-WiFi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX

Mạng thông tin di động có những ưu điểm mà mạng có dây không có đượcnhư: tính lưu động, những nơi có địa hình phức tạp, trong không gian v v Vì vậycon người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động từng ngày, từ mạng2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng các mô hình mạng WIFI, WIMAX Song song vớitừng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM,MIMO…Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng đềuđược phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tínhiệu, mở rộng băng thông, chất lượng dịch vụ …Chuẩn IEEE 802.11n (wifi) đãđược chuẩn hóa dành cho công nghệ MIMO-OFDM là bước khởi đầu để các thiết bịtheo chuẩn này được các hãng sản xuất và đưa ra thị trường những sản phẩm ưu

việt, phục vụ tốt cho nhu cầu giải trí đa phương tiện, nhiều người dùng có thể xemphim chất lượng cao (HD, Full HD, Full HD 3D ), gọi điện thoại qua mạngInternet (VoIP), tải tập tin dung lượng lớn đồng thời mà chất lượng dịch vụ và độtin cậy vẫn luôn đạt mức cao

Vì các hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng rất nhiều nên nó gây đượcnhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu thông tin di động Trong môi trường giàután xạ, nhiều anten ở máy phát và máy thu có thể cải tiến đáng kể hiệu quả phổ tần.Dung lượng của hệ thống tỷ lệ tuyến tính số lượng anten được sử dụng tại hai đầucuối Tuy nhiên, dung lượng này thu được bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tínhiệu phức tạp ở cả hai đầu phát và thu Hơn nữa, nhiều anten yêu cầu nhiều luồng

RF có giá thành cao Vì vậy, giá thành và độ phức tạp là hai nhân tố chính hạn chế

sử dụng nhiều anten ở các hệ thống truyền thông trong tương lai

Nội dung đồ án chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động hiện nay

Chương 2: Kỹ thuật MIMO và kỹ thuật OFDM

Chương 3: Đánh giá về vấn đề nâng cao dung lượng và chất lượng dịch vụ

Đồ án này không tránh khỏi những hạn chế, do đó em rất mong được tiếp thunhững ý kiến đánh giá quý báu của các thầy cô và các bạn để em có thể rút kinhnghiệm và hoàn chỉnh hơn đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Thắng, người trực tiếp hướngdẫn em hoàn thành đồ án này

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trong khoa, bạn bè đã hỗ trợ tài liệu, độngviên để em thực hiện đồ án này tốt nhất

Sinh viên thực hiện

Thân Văn Sơn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động.

1.1.1 Giới thiệu chung.

Thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thậpniên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (FrequencyDivision Multiplex Access) Điển hình cho thế hệ này là một số hệ thống như:

AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiêntiến

TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhậptoàn bộ

NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc

Âu băng tần 450 Mhz

NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900Mhz

NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sửdụng.

Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ khôngnhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại …

Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cậpphân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo

mã CDMA (Code Division Multiple Access) Hai thông số quan trọng đặc trưngcho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng vàtính di động Một số hệ thống thông tin di động thế hệ hai điển hình như:

GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thông tin diđộng toàn cầu

IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ doQualcomm đề xuất

IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiếncủa Mĩ do AT&T đề xuất

PDC (Personal Digital Cell ): Hệ thống tổ ong cá nhân của Nhật Bản

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin củangười sử dụng là 8-13Kbps Chúng có những phát triển rất mạnh vào những năm

1990 Tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụmới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, roaming, các yêu cầu về chất lượng cuộcgọi …đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới

Trong bối cảnh đó ITU đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệthứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loạihình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có đểđảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-

2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã đượcITU chấp nhận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000 Các

hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA Điều này cho phép thực hiện tiêuchuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ3.

WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệthứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136 CDMA-2000 sẽ là sựphát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệCDMA IS-95

Nhưng không dễ để phát triển từ thế hệ hai sang thế hệ ba do các vấn đề kỹthuật giữa hai thế hệ có những điểm khác nhau Thế giới có xu hướng quá độ lên thế

hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3 Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụliên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạchkênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và số liệu 144 Kbps

Thông tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụtruyền thông cá nhân đa phương tiện Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thôngtin di động thế hệ thứ 3:

 Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện.Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến2Mbps

 Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu Điềunày xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau.Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độbit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên

 Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là phảiđảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và cáckhả năng số hóa các dịch vụ số liệu

 Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cốđịnh nhất là đối với thoại

 Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thôngtin vệ tinh.

Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giảiquyết những vấn đề đó trong lĩnh vực thông tin di động: sự hạn chế về dung lượng

hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pintrong các thiết bị di động…

1.1.2 Khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động.

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chếnhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA Các kỹthuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thờigian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ tầndành cho thông tin di động thì có hạn CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thốngđáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh domật độ phân bố cao của người dùng trong một cell Do đó dung lượng hệ thốngkhông cao

Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading vànhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển Các hệ thống thông tin diđộng thế hệ thứ 3 sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và

số liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyềnthanh Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz Nhưng tốc độ cực đạinày chỉ có trong các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14.4Kbps sẽ đượcđảm bảo cho di động thông thường ở các ô macro

Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.Trong

đề tài này sẽ trình bày kỹ thuật này

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động.

Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tínhiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác Tuy nhiên,trong một kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệunhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ,khúc xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễuvào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc thu dichuyển (hiệu ứng Doppler) Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào cácđặc tính kênh truyền Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tínhiệu là vấn đề rất quan trọng.

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máyphát và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loạinhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fadingnhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễugiao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịuảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số

Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật

có chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ Phản xạ xuất hiện từ mặtđất, các tòa cao ốc…

Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị

một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra ở khắp nơi

Ở tần số cao, nhiễu xạ cũng như phản xạ phụ thuộc vào dạng hình học củavật thể, biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ Mặc dù cường

độ trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối), cường độ nhiễu xạcũng có và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích

Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các

vật thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi trường là rấtlớn Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh

truyền tạo ra sóng tán xạ Thực tế thì tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiệntượng tán xạ trong thông tin di động.

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băngthông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phụcđược ảnh hưởng của fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là cáckênh fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuậtOFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự

và đồng bộ sóng mang

1.2.1 Méo biên độ

1.2.1.1 Mô hình fading Rayleigh.

Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều phiênbản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu nhiêntrong khoảng [0, 2] Từ lí thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận được cóđặc tính nhiễu Gaussian thông dải Vì vậy hàm pdf của các thành phần đồng pha vàvuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình không và phương saiđồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm Hình bao pdf của chúng theo phân bốRayleigh:

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh.

1.2.1.2 Mô hình fading Rician.

Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trộinhư đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vuông pha không còn cótrung bình không dù phương sai của chúng vẫn giống nhau Khi đó hàm pdf của tínhiệu nhận được có phân bố Rician:

2 2 2

( ) 2 0

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1

Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạkhác:

2 22

A K



Nếu không có thành phần trội A=0, I0 = 1, hàm pdf Rician suy giảm thànhhàm pdf Rayleigh Khi A khá lớn so với  , phân bố là xấp xỉ Gaussian Vì vậy cóthể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất

Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading Về mặt BER fadingRician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh

Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K.

1.2.1.3 Thống kê của fading.

a) Fast fading.

Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi củakênh sẽ quyết định một kênh là slow fading hay fast fading Trong một kênh fastfading, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kì symbol Và thường

do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như nhà cửa hoặc rừngcây…Người ta thường xét fading trong từng 1/2 bước sóng Hình bao của tín hiệunhận được có fast fading thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician

Hai thông số quan trọng của fast fading là tốc độ vượt mức và thời gianfading trung bình Tốc độ vượt mức định nghĩa là tổng số lần bị fading trong mộtkhoảng thời gian chia cho chính khoảng thời gian đó Nếu biết được thời gianfading trung bình ta có thể chọn kỹ thuật mã hóa kiểm soát lỗi thích hợp trongtruyền dẫn số Còn thời gian fading trung bình là tổng thời gian của từng fadingchia cho tổng số lần xảy ra fading Giá trị này dùng để ước đoán số bit bị lỗi trongmột lần fading Điều này lại được sử dụng để chọn phương thức mã hóa kênh thích

hợp trong hệ thống Trong thực tế fast fading chỉ xuất hiện với tốc độ dữ liệu rấtthấp.

b) Slow fading.

Slow fading là sự thay đổi của suy hao được lấy trung bình trong khoảng vàimét và chủ yếu là do phân bố địa hình và môi trường xây dựng giữa MS và BS.Thông thường Slow fading phân bố theo hàm lognomal, vì vậy hình bao của tínhiệu nhận được tính theo đơn vị dB tuân theo phân bố Gaussian Slow fading cònđược gọi là hiện tượng bóng mờ

Một kênh đựơc gọi là fast fading hay slow fading không hẳn nó là kênhfading phẳng hay kênh fading lựa chọn tần số Fast fading chỉ đề cập đến tốc độthay đổi của kênh do sự chuyển động Một số người thường nhầm lẫn giữa thuậtngữ fast fading và slow fading với thuật ngữ fading diện rộng và fading diện hẹp.Cần nhấn mạnh rằng fast fading và slow fading liên quan đến mối quan hệ giữa tỉ lệthời gian thay đổi trong kênh và tín hiệu phát, mà không liên quan đến mô hình suyhao đường truyền

1.2.2 Suy hao đường truyền.

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa làsóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng đểtruyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ nănglượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế, mật độcông suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độsóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

Công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:

G P

T R

T

G G f R c G

G

R P

=-10logG T -10log10G R +20logf+20logR-47.6dB (1.7)

Nói chung truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thểxây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạctrực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm

vi ngắn Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin diđộng, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việctạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vôtuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thỏa, chúng

ta có công thức tính suy hao đường truyền như sau:

R h

h G

G

L pl   10 log T  10 log R  20 log BS  20 log10 MS  40 log (1.8)

Với h BS , h MS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

1.2.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường.

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản

xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảngdài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian Khoảng

thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trong thông tin vô tuyến, trảitrễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.

Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được môhình hoá chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng (AWGN)

Như vậy tín hiệu khi truyền qua kênh truyền AWGN phải thêm vào một tínhiệu ngẫu nhiên không mong muốn phân bố theo hàm Gauss:

2 2

( ) 21

Hình 1.3: Mô hình hiện tượng Doppler.

Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóngmang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền fC Xét trường hợp khi MS

di chuyển với vận tốc không đổi v với góc  so với tín hiệu đến Tín hiệu nhậnđược là:

về phía đầu phát hay đi cách xa đầu phát Trong môi trường thực tế, tín hiệu đếntheo các đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc đến khác nhau Xét mộtsóng phát dạng sin, thay vì là một độ dịch Doppler đơn giản ta nhận được đoạn phổtrải rộng từ f c(1 v c/ ) đến f c(1v c/ ) để chỉ sự trải phổ Doppler Khi mọi hướngcủa trạm di động hoặc mọi góc đến giả sử có xác suất bằng nhau (phân phối đều ),mật độ phổ công suất của tín hiệu nhận được tính theo công thức:

2

1( )

Hình 1.4 : Các phương thức ghép kênh.

1.3.1.Ghép kênh theo tần số FDM

Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra đời đầu tiên, với ý tưởng là một băng thông lớn sẽ được chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn không chồng lấn, giữa các khoảng tần này cần có một khoảng bảo vệ để có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần mong muốn (hình 1.4a) Mỗi kênh dữ liệu sẽ chiếm một tần số với băng thông nhỏ này toàn trục thời gian dù có sử dụng hay không sử dụng, điều này dẫn đến lãng phí băng thông Đây là phương thức sử dụng sớm nhất,lâu nhất và kém hiệu quả nhất FDM được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống mircowave, phát thanh quảng bá AM, FM Hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin di động thế hệ thứ nhất

1.3.2.Ghép kênh theo thời gian TDM

Kỹ thuật TDM ( Time Division Multiplexing) ra đời với hiệu suất sử dụngkênh truyền cao hơn Với TDM trục tần số được chia thành nhiều khe thời gian( time slot) Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảngthời gian nhất định (hình 1.4b) Luồng bit tốc độ thấp của mỗi kênh sẽ được ghéplại thành một luồng bit tốc độ cao duy nhất, và đưa lên kênh truyền Do đó TDMcần sự đồng bộ chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu TDMđược sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số

Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz được chia thành 125 kênh vớibăng thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM Mỗi kênh 200KHz nàyđược chia thành 8 khe thời gian sử dụng kĩ thuật TDM Mỗi user sẽ chiếm giữ mộtkhe thời gian, do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyềntăng lên đáng kể

1.3.3.Ghép kênh theo mã CDM

Trong kỹ thuật CDM ( Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sửdụng đồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trựcgiao Mỗi kênh sẽ được gán một mã nhất định (hình 1.4c) Dữ liệu của các kênhtrước khi phát đi sẽ được nhân với một mã trải phổ để giãn phổ tín hiệu ra toàn băng

thông, ở phía thu dữ liệu sẽ được khôi phục bằng cách nhân lai với mã trải phổtương ứng CDM là một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp đòi hỏi sự đồng bộ mã trảiphổ và kỹ thuật điều khiển công suất chính xác.

1.3.4.Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh ra đời khá lâu, tương tự kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích

do các dãi bảo vệ này hoàn toàn không chứa đựng tin tức OFDM ra đời đã giải quyết vấn đề này, bằng các sử dụng tập tần số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chộng lấn lên nhau (hình 1.4d), do đó không cần dãi bảo vệ, nên sử dụng hiệu quả và tiết kiêm băng thông hơn hẳn FDM Kỹ thuật này sẽ được xem xét kỹ hơn trong chương sau

Hình 1.5 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động

Hình 1.5 cho ta thấy các ứng dụng của các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thốngthông tin di động, trong đó OFDM đang được nghiên cứu để ứng dụng vào hệ thốngthông tin di động thứ tư

1.4 Các mô hình hệ thống thông tin không dây.

Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn

hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.6

Hình 1.6: Phân loại hệ thống thông tin không dây.

biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức 1.29.

1.4.4.Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian_thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và

độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cức đại cóthể xác định theo biểu thức 1.31

Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác địnhtheo biểu thức 1.32

C = min(NT,NR) log2(1+SNR) (1.32)Với các ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai Tuy nhiên hệ thống MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì

vậy kỹ thuật kết hợp giữa MIMO và OFDM cũng đang được nghiên cứu trong các chuẩn không dây như chuẩn IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX) Hệ thống MIMO sẽ được xem xét kỹ hơn trong chương sau.

CHƯƠNG II

KỸ THUẬT MIMO VÀ KỸ THUẬT OFDM

2.1 KỸ THUẬT MIMO

2.1.1 Giới thiệu.

Kỹ thuật MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu

Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i

Hình 2.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu.

Các kỹ thuật MIMO thường gặp: phân tập theo không gian, phân tập theothời gian, phân tập theo tần số, mã hóa khối không gian_thời gian, mã hoá lướikhông gian_thời gian, ghép kênh không gian

2.1.1.1 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO.

Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảngcách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát

Hij

Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng

hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống

Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian

Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông

2.1.1.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO.

Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu

Kích thước của thiết bị di động tăng lên

Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần

Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO

2.1.2 Dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO.

Xét dung lượng kênh MIMO có Fading Rayleigh chậm trong trường hợp kếthợp cả phân tập thu và phát như Hình (3.1):

2 2 2

logW

R

n

i T

2 2 2

i

n

i i i

1

2 1

2 2

2 2

 , P là công suất phát, W là băng thông, nR, nT lầnlượt là số anten thu, phát, hi là hệ số của ma trận truyền H

Ta thấy rằng, dung lượng hệ thống MIMO được cải thiện đáng kể so vớitrường hợp chỉ có một cặp anten thu phát truyền thống

) 1 (



P

2.1.3 Sơ lược phân tập.

Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu bằng cách sử dụng haihay nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác nhau Phân tập có vai tròquan trọng trong chống fading, nhiễu đồng kênh, lỗi chùm Kỹ thuật phân tập có thể

sử dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi phân tập Độ lợi phân tập là

sự tăng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập hoặc có thể tính là sự rút gọncủa công suất phát khi có phân tập

2.1.3.1 Phân tập thời gian.

Là sự truyền cùng một tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau

T: chu kì truyền tín hiệu

nT là thời điểm truyền tín hiệu; n N

Nhận xét:

- Độ lợi phân tập tăng lên

- Tác động của kênh truyền lên tín hiệu được cải thiện

- Tuy nhiên, phân tập thời gian làm giảm tốc độ dữ liệu

2.1.3.2 Phân tập tần số.

Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tin Các tần

số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading vớicác tần số còn lại Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảmbảo đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau Trong thôngtin di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừatrong miền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đasóng mang, nhảy tần Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênhnhỏ Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thìtrải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol Trong trường hợp này, trải phổ sẽkhông hiệu quả để tạo ra phân tập tần số Tương tự như phân tập thời gian, phân tậptần số gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số

2.1.3.3 Phân tập không gian.

Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng antenđược sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập.Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số.Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng

Phân tập không gian không gây tổn thất trong sử dụng hiệu quả băng tần nhưphân tập thời gian

Hình 2.2: Mô hình phân tập không gian.

Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten

Phân tập không gian gồm có:

Phân tập phân cực

Trong phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang đượcphát bằng hai anten phân cực khác nhau và cũng thu bằng 2 anten phân cực khácnhau Điều đó đảm bảo tạo ra 2 tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặthai anten cách xa nhau

Phân tập anten phát

Trong phân tập phát, nhiều anten đựơc triển khai ở vị trí máy phát Tin được

xử lí ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten

Phân tập anten thu

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản saođộc lập của tín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR

và giảm fading nhiều đường

Trong bộ tổ hợp lựa chọn, từ một tập hợp M phần tử anten, nhánh có tỉ số tínhiệu trên nhiễu SNR lớn nhất được chọn ra và kết nối trực tiếp với máy thu Nhưvậy số anten càng lớn hoặc số phần tử càng lớn của anten mảng thì khả năng cóđược tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn Trong thực tế, tín hiệu có năng lượng (tínhiệu + nhiễu) lớn nhất sẽ được chọn Vì thế tại đầu ra, dữ liệu sẽ thu được có chấtlượng tốt nhất.

Hình 2.3: Mô hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn.

b)Bộ tổ hợp kiểu quét

Trong bộ tổ hợp kiểu quét, một bộ quét sẽ quét tất cả các nhánh nhận được từanten nhận và lựa chọn nhánh có tỉ số SNR lớn hơn một ngưỡng đã được cho trước.Đến khi nào nhánh ra này có SNR nhỏ hơn mức ngưỡng thì bộ quét sẽ quét lại tất cảcác nhánh để chọn ra nhánh có SNR lớn hơn mức ngưỡng đã cho

Hình 2.4: Bộ tổ hợp kiểu quét.

2.1.3.4.2 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC).

Là kỹ thuật chuyển đổi tất cả các giá trị độ lợi của các nhánh đều bằng nhau

và không thay đổi trong quá trình hoạt động Đầu ra là tổng của các tín hiệu đồngpha của tất cả các nhánh Là một trường hợp của phương pháp tổ hợp với tỉ số tốiđa

2.1.3.4.3 Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC).

Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánhphân tập trong hệ thống Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệutức thời trên nhiễu tương ứng Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khilấy tổng tín hiệu sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha sao cho tínhiệu đầu ra có tăng ích phân tập lớn nhất Tín hiệu tổng chính là tín hiệu ra thuđược

Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa có nhiều ưu điểm so với phương pháp phântập lựa chọn nhưng phức tạp hơn; do phải đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàntoàn đồng pha với nhau và các trọng số phải được cập nhật chính xác

Hình 2.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại.

Gọi ri, r, i là tín hiệu ngõ vào nhánh i, tín hiệu ngõ ra cuối cùng ở bộ nhậntín hiệu, hệ số đối trọng của tín hiệu vào nhánh i.







r n

i i

i r r

1

i i

A r

* Minh hoạ trường hợp đơn giản

“Qui tắc MRC cho 1 anten phát và 2 anten thu”

Hình 2.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx và 2Rx.

ước lượng kênh ước lượng kênh

Bộ tách ML

Trong trường hợp tổ hợp tỉ số cực đại như hình trên, các tín hiệu tại máy thu sẽ là:

Bộ tách hợp lệ tối ưu (ML) quyết định bằng thuật toán sau:

 2 2  2 2  2 2  2 2

1 2 1 c i d c c( , )0 i 1 2 1 c k d c c( , )0 k

           ;  i k (2.12)Trong đó ci , ck là 2 kí tự thuộc chòm sao kí tự mã hoá cho trước, ví dụ: 16QAM Như vậy ta đã thu được kí tự ‘c0’

2.1.4 Mã hóa không gian_thời gian.

Tiếng Anh là Space time Coding, viết tắt STC STC là phương pháp cải thiện

độ tin cậy của tín hiệu truyền trong hệ thống liên lạc không dây bằng cách sử dụng

đa anten Mã hoá không gian-thời gian dùng nhiều đường truyền và nhiều phiên bảncủa tín hiệu truyền, gửi chúng đến bộ thu với mong muốn khi truyền qua kênhkhông gian vật lí thì ít nhất một trong các tín hiệu thu được sẽ ở trạng thái đủ tốt đểthực hiện giải mã tại máy thu với độ tin cậy cao

Mã hoá không gian thời gian có 2 loại chính:

Mã hoá khối không gian-thời gian.Tiếng Anh là Space Time Block Code (STBC)

Mã hoá lưới không gian-thời gian Tiếng Anh là Space Time Trellis Code(STTC)

Trong đồ án này em trình bày về mã hoá khối không gian-thời gian (Spacetime block Codes)

STBC là một kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông không dây để truyềnnhiều phiên bản của dòng dữ liệu qua nhiều anten và sử dụng các phiên bản của dữliệu nhận khác nhau để nâng cao chất lượng tín hiệu nhận Thực tế thì các tín hiệutruyền bị thay đổi trong môi trường truyền như tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ, và nhiễunhiệt tại bộ thu, do vậy chất lượng của vài phiên bản dữ liệu sẽ tốt hơn số còn lại

STBC thì dữ liệu sẽ được truyền trong các khối đã được mã hoá và chúngđược phân phối qua các anten không gian theo thời gian

STBC được biểu diễn dưới dạng ma trận Mỗi hàng là một khe thời gian, mỗicột là các tín hiệu truyền của một anten theo thời gian

Sij là kí tự trên khe thời gian i, được truyền từ anten j

T là số khe thời gian, nT là số anten truyền

Tỉ lệ mã hoá (R) của STBC được tính bằng số kí tự được mã hoá trong mộtkhối (k) trên số khe thời gian (T):

s11 s12… s1nT

s21 s22…….s2nT

sT1 sT2……sTnTCác anten truyền

Các khe thời gian

Đây là mã hoá khối không gian-thời gian với 2 anten phát.

Hình 2.7: Sơ đồ mã hoá Alamouti.

Block Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau)

Tín hiệu tại anten thu:

(2.14)(2.15)

Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian

- Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như trên,sau đó sẽ được tổng hợp lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu)

2.1.4.2 Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ

a) Mã hoá

Tarokh tổng quát hóa matrix STBC cho số anten phát bất kỳ (Tx =3,4,5,6,8 ) cho tín hiệu thực (BPSK, PAM ) Tuy nhiên đối với tín hiệu phức(modulation QPSK, M-PSK, M-QAM ), để đảm bảo full-diversity, Tarokh chứngminh không tồn tại ma trận phát cho trường hợp số anten phát lớn hơn 4 và đối với

số anten phát 3 và 4 thì không tồn tại full-rate matrix, maximun rate = 3/4 Ma trậntín hiệu trực giao cho 3, 4 anten phát cho tín hiệu thực và phức:

Full-rate matrix cho 3 anten phát (3 Tx)

(2.16)

(2.17)

Full-rate matrix cho 4 anten phát (4 Tx)

Rate 3/4 matrix for complex symbol:

3 anten Tx

4 anten Tx

b) Giải mã STBC trong máy thu

Bộ giải mã trực giao STBC là giải mã tối ưu (maximum likelihood decoding)được thực hiện tại bộ thu với quá trình xử lí tuyến tính

Hình 2.8: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC.

Nhằm làm rõ phương pháp mã hoá này, một hệ thống liên lạc không dây mẫuđược xây dựng như sau:

Tại thời điểm t, tín hiệu j

t

r , nhận tại anten j, được cho bởi:

Bộ kết hợp

Bộ tách tối ưu

.

i t

c

Anten thu

ij 1

Và quyết định chọn từ mã thích hợp sao cho tổng trên là nhỏ nhất

Ví dụ: Giải mã với ma trận khối trong miền số thực.

Ma trận 4x4 Ma trận 8x8

Trong ma trận mã hoá, tín hiệu ở các hàng sau là sự hoán vị của hàng đầu tiên với

sự thay đổi dấu Vì các cột của ma trận trực giao với nhau từng đôi một nên tổng sốcác nhánh được rút gọn đến mức nhỏ nhất:

2 , 2

1 1

* )

l k l k i

Nó cho phép tổng trong công thức (2.19) đạt giá trị nhỏ nhất trong (2.20) với 1 i

n

Vì vậy định luật tách sóng tối ưu là để tạo một biến nhất định:

* ( )

1 1

t

n m j

số phức, tuỳ theo kiểu điều chế mà ta có các giản đồ khác nhau] sao cho thoả mãn:

2

,

2 2

1 min

s

l

k kl i

A s

Kỹ thuật MIMO trong thông tin di động có nhiều ưu điểm như hiệu suất phổ

và độ tin cậy của kênh truyền Chương này đã trình bày các vài kỹ thuật MIMOthường gặp, mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và khuyết điểm riêng nên các nhà khoahọc thường kết hợp kỹ thuật MIMO với các kỹ thuật khác để tạo ra hệ thống MIMOhoàn chỉnh nhất, có nhiều ưu điểm nhất

2.2 KỸ THUẬT OFDM

2.2.1 Giới thiệu.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phânchia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ caothành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trênmột sóng mang con Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau Sau đó

Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó đượctách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về cácluồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trựcgiao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vàikhuyết điểm cần khắc phục

Ưu điểm của OFDM:

 Giảm nhiễu xuyên kênh

 Giảm nhiễu xuyên kí tự

 Hiệu suất sử dụng băng thông cao

 Hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia

Khuyết điểm của OFDM:

 Kí tự symbol OFDM bị nhiễu biên độ trong một khoảng động rất lớn Vì

tỷ số PAPR (Peak to Average Power Ratio) cao của OFDM Dễ gây nhiễu xuyênđiều chế

 Méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng do rút ngắn(clipping) tín hiệu

 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thốngđơn sóng mang con khác Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóngmang con trực giao và gây ra nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động cho các bộ điềuchế một cách trầm trọng Vì vậy đồng bộ là một vấn đề cực kì cần thiết đối với bộthu OFDM

2.2.2 Khái niệm chung.

2.2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang

Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang