đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống mimo ofdm

Đối với truyền dẫn tốc độ cao, kênh MIMO chọn lọc tần số fading không phẳng có thể chuyển sang một tập các kênh con fading phẳng bằng cách kết hợp giữa MIMO và kỹ thuật OFDM, điều này có

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: VŨ VĂN QUANG Giới tính: Nam,

Ngày, tháng, năm sinh: 29/07/1972 Nơi sinh: Hậu Giang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: F3 Đường Mậu Thân, Q.Ninh Kiều, TPCT

Điện thoại : 0913.135.333 Điện thoại cơ quan:

E-mail: quang_ct2007@yahoo.com Fax:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/1991 đến 09/1996

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cần Thơ

Ngành học: Điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 5/1996 tại trường Đại

học Cần Thơ

2 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2012

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC:

Từ 10/1996 đến

08/2001 Bưu Điện Tỉnh Cần Thơ Kỹ thuật tổng đài

Từ 2001 đến 2010 CH- ĐTDĐ T & Q Cần Thơ Kỹ thuật viên

Từ 2010 đến nay TT Đại học tại chức Cần Thơ Giảng viên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận văn này là do bản thân tôi tự nghiên cứu và thực hiện theo

sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Hồng Liên

Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu từ các bài báo khoa học

trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về

mã khối không gian-thời gian (STBC) và ứng dụng trong truyền thông không dây,

các tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo của luận văn

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Vũ Văn Quang

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS-TS Phạm

Hồng Liên Tôi xin được phép gửi đến Cô lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện

nghiêm túc giúp tôi hoàn chỉnh luận văn này

Tôi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử -Viễn Thông, quý

thầy cô công tác ở phòng Sau Đại Học trường Sư Phạm Kỹ Thuật-TP Hồ Chí Minh

đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học cao học

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn khóa trước, các bạn cùng khóa, các

bạn đồng nghiệp … đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên

cứu

Sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình-Những người đã làm tất cả để

cho tôi có được ngày hôm nay

TP Hồ Chí Minh , ngày tháng 10 năm 2012

Vũ Văn Quang

TÓM TẮT

OFDM đem lại những lợi ích như hiệu quả sử dụng phổ và thích hợp cho truyền

dẫn tốc độ cao trên kênh fading đa đường Hệ thống MIMO có thể tăng độ lợi phân

tập, hoặc độ lợi dung lượng trên các kênh truyền fading phẳng Đối với truyền dẫn

tốc độ cao, kênh MIMO chọn lọc tần số (fading không phẳng) có thể chuyển sang

một tập các kênh con fading phẳng bằng cách kết hợp giữa MIMO và kỹ thuật

OFDM, điều này có thể giảm độ phức tạp của bộ thu và có thể giải quyết được vấn

đề fading đa đường một cách hiệu quả

Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã được chấp nhận như là một tiêu chuẩn

truyền dẫn tốc độ cao, mang lại hiệu quả và chất lượng dịch vụ tốt cho các hệ thống

vô tuyến băng rộng ở các thế hệ tương lai Hệ thống MIMO-OFDM với mã hóa

khối không gian-thời gian (STBC) có khả năng chống lại ảnh hưởng của các hiện

tượng như đa đường, fading chọn lọc tần số một cách hết sức hiệu quả Hơn thế, tỉ

số SER đạt được là nhỏ và độ phức tạp mã hóa thấp

Luận văn này tập trung nghiên cứu việc mã hóa, giải mã khối không gian-thời

gian (STBC), mã không gian-tần số (SFC), mã không gian-thời gian-tần số (STF),

mô hình hệ thống MIMO-OFDM Sau cùng việc mô phỏng các mô hình hệ thống

MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF sẽ được xây dựng và

phân tích chất lượng dưới môi trường truyền dẫn fading Rayleigh

Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt

được hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi không sử dụng mã hóa

STBC Kết quả mô phỏng đã chứng mình được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống

khi sử dụng mã STF được cải thiện hơn so với mã STBC và SFC

ABSTRACT

The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for

high-data-rate transmission over a multi-path fading channel MIMO systems may

be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a

capacity gain in flat fading channels For high-data-rate transmission, the

frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed

into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and

OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the

multi-path fading efficiently

MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official

standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next

generation broadband wireless communication systems MIMO-OFDM system with

space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects

and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is

low

The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes,

MIMO, and MIMO-OFDM system models Finally, simulation model of MIMO,

MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances

under Rayleigh fading channel is analyzed The simulation results show that the

MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system

without STBC in BER performance By the simulation results, we have

demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes

was improved more than the system which used STBC and SFC codes

MỤC LỤC

QUYếT ĐịNH GIAO Đề TÀI……… ……… i

LÝ LịCH KHOA HọC……… ………… ii

LờI CAM ĐOAN……… iii

CảM ƠN v

TÓM TắT LUẬN VĂN vi

ABSTRACT vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước đã công bố 1

1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

1.3 Mục đích của đề tài 4

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 6

2.1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10] 6

2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10] 6

2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6

2.3.1 Hiện tượng đa đường (multipath) 7

2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7

2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8

2.3.4 Phân loại Fading diện hẹp 8

2.4 Các mô hình kênh fading 9

2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh 9

2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10

2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tần số 10

2.5 Kết luận 11

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO OFDM 12

3.1 Giới thiệu 12

3.2 Mô hình hệ thống 13

3.3 Một số ưu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM 18

3.3.1 Ưu điểm 18

3.3.2 Khuyết điểm 18

3.4 Kết luận 19

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG NHIỀU ANTEN MIMO 20

4.1 Giới thiệu 20

4.2 Các kỹ thuật Phân tập 20

4.3 Mô hình hệ thống MIMO 22

4.4 Dung lượng hệ thống 23

4.5 Kết luận 25

CHƯƠNG 5 MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 26

5.1 Giới thiệu [3] 26

5.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) 26

5.2.1 Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian-thời gian 27

5.2.2 Sơ đồ Alamouti 28

5.3 Giải mã STBC 29

5.4 Mã Khối không gian –thời gian trực giao (OSTBC) 32

5.4.1 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32

5.4.2 Một số mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34

5.5 Mã không gian-tần số SFC 35

5.5.1 Giới thiệu 35

5.5.2 Thiết kế mã SF tốc độ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36

5.6 MÃ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ STFC [14],[16] 37

5.6.1 Giới thiệu 38

5.6.2 Thiết kế mã STF tốc độ 1 (STF-rate ) 38

5.7 Kết luận 39

CHƯƠNG 6 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG STBC-MIMO-OFDM 41

6.1 Mô hình hệ thống MIMO mã hóa STBC 41

6.1.1 Hệ thống hai Anten phát, một anten thu 41

6.1.2 Hệ thống hai Anten phát, hai anten thu 43

6.2 Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 44

6.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 44

6.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 47

6.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC 54

6.2.4 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STFC 55

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 58

7.1 Sơ đồ mô phỏng 54

7.2 Các kết quả mô phỏng dung lượng 54

7.3 Các kết quả mô phỏng hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 57

7.4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 62

7.5 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC 68

7.6 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 74

7.7 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF 76

7.7.1 SF-rate 1 76

7.7.2 SF-rate N 81

7.8 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF 83

7.8.1 STF-rate1 91

7.8.2 STF-rate N 91

7.8.3 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa với mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và

STFC-rate 1&2 92

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

8.1 Kết luận 103

8.2 Các kiến nghị 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp (Khoảng bảo vệ)

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi fourier nhanh

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Biến đổi ngược fourier rời rạc

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược fourier nhanh

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

LP Linear Precoded Tiền mã hóa tuyến tính

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào một ngõ ra

ML Maximum Likelihood Tương đồng tối đa

MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất

MRC Maximum Ratio combination Kết hợp tỉ số cực đại

NLOS Non Light Of Sight Không có tầm nhìn thẳng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

P/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song sang nối tiếp

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

QAM Quadrature Amplitute Điều chế biên độ vuông

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông

SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký tự

SFC Space Frequency Code Mã không- gian tần số

SIMO Single Input Multiple Output Một ngõ vào nhiều ngõ ra

SISO Single Input Single Output Một ngõ vào một ngõ ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

S/P Serial to Parallel Chuyển nối tiếp sang song song

STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian-thời gian

STFC Space-Time-Frequency Code Mã khối không gian-thời gian-tần số

STTC Space-Time Trellis Code Mã xoắn không gian-thời gian

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Mô hình kênh truyền đa đường[18] 7

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản 13

Hình 3.2: Khái niệm CP 15

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống MIMO [17] 23

Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24

Hình 5.1: Ma trận mã STBC 27

Hình 5.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti 28

Hình 5.3: Bộ thu cho sơ đồ Alamouti 29

Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36

Hình 5.5: Cơ chế truyền mã STF 38

Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38

Hình 6.1: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42

Hình 6.2: Sơ đồ mã STBC với hai anten phát và hai anten thu [19] 43

Hình 6.3: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 45

Hình 6.4: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC 48

Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53

Hình 7.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM 59

Hình 7.2: Mô phỏng dung lượng hệ thống 60

Hình 7.3: Mô phỏng dung lượng Ergodic 60

Hình 7.4: SER của các hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO 63

Hình 7.5: SER của các hệ thống SISO, MISO (thay đổi số anten phát) 64

Hình 7.6: SER của các hệ thống MISO, MIMO (thay đổi số anten thu) 64

Hình 7.7: SER của các hệ thống có cùng mức phân tập (không mã hóa) 65

Hình 7.8: SER của hệ thống MIMO-OFDM thay đổi số anten phát 67

Hình 7.10: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi L 69

69

Hình 7.11: MIMO-OFDM – SER cung mức phân tập (không mã hóa) 69

Hình 7.12: SER của hệ thống MIMO-STBC tăng số anten phát 71

Hình 7.13: SER của hệ thống MIMO-STBC khi thay đổi số anten thu 72

Hình 7.14: SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G2 73

Hình 7.15 : SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G4 73

Hình 7.16a: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập phát 75

Hình 7.16b: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập thu 75

Hình 7.17: BER của hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76

MIMO -OFDM-STBC 76

Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát 79

Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu 79

Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 –tăng đường phân tập 80

Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu 82

Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 – Phân tập tần số 83

Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 – cùng mức phân tập 83

Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát 85

Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu 86

Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian 86

Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số 87

Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 –cùng mức phân tập 87

Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu 89

Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian 89

Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số 90

Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập 90

Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91

Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 92

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thiết kế toàn tốc [10] 33

Bảng 7.1: Các thông số mô phỏng hệ thống SIMO, MISO, MIMO 59

Bảng 7.2: So sánh dung lƣợng của các hệ thống MIMO 61

Bảng 7.4: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO 62

Bảng 7.5: So sánh BER giữa hệ thống anten SISO và MIMO 63

Bảng 7.6: So sánh hệ thống MIMO phân tập thu tại SER= 3 10 dB 65

Bảng 7.7: So sánh hệ thống MIMO cùng mức phân tập tại SER= 3 10 dB 66

Bảng 7.9: So sánh hệ thống MIMO-OFDM phân tập thu tại BER= 3 10 3dB 68

Bảng 7.10: So sánh hệ thống MIMO-OFDM cùng mức phân tập tại BER= 3 10 dB 70 Bảng 7.12: So hệ thống MIMO-STBC phân tập phát tại BER= 3 10 dB 71

Bảng 7.13: So sánh hệ thống MIMO-STBC phân tập thu tại BER= 3 10 dB 72

Bảng 7.14: So sánh hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G2) 74

tại BER= 3 10 dB 74

Bảng 7.15: So hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G4) 74

tại BER= 3 10 dB 74

Bảng 7.16: So hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER= 3 10 dB 76

Bảng 7.17: So sánh hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER= 3 10 dB 77

Bảng 7.18: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 78

Bảng 7.19: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 80

Bảng 7.20: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 80

Bảng 7.21: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N 81

Bảng 7.22: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 82

Bảng 7.24: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 84

Bảng 7.25: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N 88

Bảng 7.26: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC, SFC, STF 91

Chương 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nước

đã công bố

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và các ứng dụng đa phương tiện trên Internet, điện thoại di động hiện đã có mặt ở khắp mọi nơi, nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đã và đang phát triển rầm rộ, đòi hỏi yêu cầu về băng thông cũng như dung lượng ngày càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết Việc nghiên cứu để tìm ra các phương pháp mới, các thiết bị mới đã và đang diễn ra khắp nơi trên toàn thế giới nhằm cho ra đời các sản phẩm thế hệ kế tiếp chất lượng hơn, phù hợp hơn, và tin cậy hơn nhằm thỏa mãn nhu cầu vô tận của con người cả về chất lượng lẫn đa dạng dịch vụ mạng

Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường Đối với các

hệ thống thông tin truyền thống chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất phát; tương tự dung lượng kênh truyền cũng có thể tăng khi tăng băng thông Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên được vì việc phân bố băng thông đã được định chuẩn sẵn Các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông [2][11] Với sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật như kỹ thuật xử lý số tín hiệu (DSP), đặc biệt là công nghệ VLSI, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã và đang được quan tâm nhiều hơn, ứng dụng nhiều hơn trong việc cải

thiện hiệu quả băng thông cho hệ thống vô tuyến Ở băng hẹp (narrowband), kênh fading là kênh fading phẳng (flat fading), phương pháp mã hóa không gian-thời gian (ST) đã được đề xuất để khai thác phân tập không gian và thời gian [8] Còn ở băng thông rộng (ở broadband), kênh fading là kênh lựa chọn tần số (selection frequency fading) Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) chuyển các kênh fading đa đường lựa chọn tần số thành các kênh fading phẳng song song,

vì vậy nó có thể làm giảm ảnh hưởng của fading Với một khoảng bảo vệ đủ lớn, kỹ thuật OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ cân bằng và tăng hiệu quả sử dụng phổ [2]

Bài báo năm 1996 và 1999, các tác giả Foschini và Telatar [20], [22] đã chứng minh rằng hệ thống thông tin có nhiều anten (MIMO-Multiple-Input Multiple-Output) có dung lượng cao hơn nhiều so với các hệ thống chỉ có một anten (SISO) Bài báo đã chỉ ra rằng việc cải thiện dung lượng gần như tăng tuyến tính với số lượng anten phát hoặc anten thu Kết quả này cho thấy tính ưu việt của hệ thống nhiều anten và ngày càng có nhiều sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực này, nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm cải tiến cũng như khái quát hóa các kết quả của họ

Bài báo của các tác giả V.Tarokh, N.Seshadri, and A R Calderbank (1998), đã

sử dụng mã không gian-thời gian (Space-time codes) cho các hệ thống vô tuyến tốc

độ cao [4] Kết quả là các symbols đã được mã hóa và được truyền đồng thời trên tất cả các anten, sau đó được giải mã bằng giải thuật phát hiện tương đồng tối đa (ML - maximum likelihood decoder) Cách làm này rất hiệu quả vì nó kết hợp giữa việc sửa lỗi với phân tập đường truyền để tăng dung lượng hệ thống

Cũng trong năm 1998, bài báo của tác giả Alamouti [5] đã đề cử mã khối không gian-thời gian (STBC) đơn giản hơn, hấp dẫn hơn nhờ có độ phức tạp mã thấp, cho

độ phân tập đầy và toàn tốc thích hợp cho môi trường fading chậm STBC có thể tăng dung lượng bằng cách khai thác độ phân tập không gian Điều này đặc biệt hữu ích trong trường hợp trải phổ (delay spread) thấp (ít bị phân tán tần số) Với việc dùng nhiều hơn một anten phát hay thu, hình thành một kênh nhiều đầu vào nhiều

đầu ra (MIMO), ta có được các phương pháp phân tập, ví dụ như phân tập không gian, phân tập thời gian hay phân tập tần số Đây là một trong những đột phá quan trọng nhất trong kỹ thuật truyền thông hiện đại

Một đặc điểm cực kỳ quan trọng của hệ thống nhiều anten MIMO đó là khả năng biến ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, theo truyền thống trước đây được coi là một điểm bất lợi cho các kênh truyền vô tuyến, thành một lợi điểm Việc tăng tính phân tập MIMO sẽ giúp giảm xác suất sai và tăng khả năng sử dụng kênh truyền [3]

Bài báo năm 2011 của các tác giả Muhammad Sana Ullah, Mohammed Jashim Uddin đã phân tích chất lượng hệ thống MIMO dựa trên sơ đồ mã hóa của Alamouti

và phương pháp kết hợp tỉ số cực đại (MRC) Kết quả mô phỏng đã đạt được với tỉ

số BER rất tốt, ngay cả khi SNR thấp [11]

Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM hiện đang là một giải pháp đầy hứa hẹn và

đã được chấp nhận như là sơ đồ truyền dẫn cho các hệ thống không dây băng thông rộng trong tương lai Hiện tại MIMO-OFDM đang được ứng dụng trong WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 [2],[3]

Tại hội nghị khoa học IEEE năm 2011, các tác giả ZHANG jie, LIU liang, LI jin [1] đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả cho thấy rằng các sơ đồ mã Alamouti (STBC) kết hợp với hệ thống MIMO-OFDM chính là một sự kết hợp hoàn hảo cho việc cải thiện nhằm tăng dung lượng kênh đồng thời giảm tỉ số BER một cách đáng

kể

1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống Điều này làm thỏa mãn các yêu cầu bức thiết về dịch vụ đang được phát triển phổ biến hiện nay như: mạng truy cập Internet, ADSL, thương mại điện tử, e-mail, video theo yêu cầu …

Với những ưu điểm nổi bật của mình, hiện nay OFDM đã được ứng dụng rộng rãi cả trong vô tuyến và hữu tuyến như: trong phát thanh số DAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital Video Broadcasting), Mạng ADSL, mạng cục bộ chất lượng cao HIPERLAN (High Performance Local Area Networks), mạng cục bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network) theo chuẩn 802.11.a …[2],[3]

Ngoài việc cải tiến tốc độ dữ liệu, hệ thống OFDM/MIMO cung cấp cả hai phân tập không gian và tần số Để khai thác những lợi thế này, một loạt các mã STBC (Space Time Block Code), STF/SF (Space Time Frequency/Space Frequency) được

đề xuất [13 – 20] Các ưu điểm của hệ thống MIMO và điều chế OFDM đã được kết hợp lại cho ra đời hệ thống MIMO-OFDM Việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho các thế hệ thông tin không dây băng rộng trong tương lai Hiện tại, hệ thống MIMO-OFDM đã được chọn làm nền tảng cho sự phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư - 4G[3]

Nghiên cứu các phương pháp mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM để đạt được độ lợi phân tập tối đa nhằm tối ưu hóa chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến trong môi trường fading chọn lọc tần số là vấn đề hết sức cần thiết Chính vì lẽ đó tôi quyết định chọn đề tài “ đánh giá chất lượng mã STBC cho hệ thống MIMO-OFDM ”

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu về mã khối không gian-thời gian (STBC), về các hệ thống kết hợp MIMO-OFDM và hệ thống kết hợp MIMO-OFDM dựa trên cơ sở mã hóa STBC

- Tập trung mô phỏng, phân tích và so sánh các kết quả đạt được về dung lượng

và SER trong từng trường hợp để làm cơ sở cho việc đánh giá

- Các trường hợp mô phỏng đã được giới hạn trong phạm vi thông tin về trạng thái kênh truyền (channel state information: CSI) được biết trước, trong môi trường truyền giả tĩnh (quasi-static) và chịu tác động bởi fading Rayleigh

- Tuy nhiên trong quá trình thực hiện, tôi đã mở rộng, nghiên cứu thêm các loại

mã không gian-tần số (SFC) và mã không gian-thời gian-tần số (STFC) để có thêm nhiều dữ liệu so sánh Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả mô phỏng đạt được cho thấy những ưu khuyết điểm của mã STBC cũng như khả năng ứng dụng của các loại

mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Nội dung luận văn gồm có 08 chương như sau:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan

- Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

- Chương 3: Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

- Chương 4: Hệ thống nhiều Anten MIMO

- Chương 5: Mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

- Chương 6: Sơ đồ hệ thống STBC/SFC/STFC-MIMO-OFDM

- Chương 7: Các kết quả mô phỏng trên Matlab

- Chương 8: Kết luận và hướng nghiên cứu

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên bài báo IEEE, các tạp chí khoa học, các luận văn, công trình nghiên cứu khoa học về lĩnh vực có liên quan của các tác giả trong và ngoài nước Từ đó tổng hợp, phân tích lý thuyết và mô phỏng kết quả tính toán bằng phần mềm Matlab

Chương 2

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10]

Khi truyền trên kênh vô tuyến di động, ngoài các ảnh hưởng bởi suy hao, can nhiễu, tín hiệu nhận còn chịu ảnh hưởng bởi các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu

xạ, tán xạ, hiệu ứng dịch Dopler…, các hiện tượng này được gọi chung là hiện tượng fading Kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu Các phiên bản thu được này cũng sẽ rất khác nhau cả về biên độ và về pha

so với tín hiệu ban đầu Điều này đã làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng kênh truyền Có 02 loại fading cơ bản đó là fading suy giảm diện rộng (Large-Scale Path Loss) và fading suy giảm diện hẹp (Small-Scale Fading and Multipath)

2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10]

Là sự suy giảm công suất trung bình của tín hiê ̣u khi truyề n từ máy phát đến máy thu do hiê ̣n tượng che chắn, hấp thụ và suy hao do anten,…

Trong không gian tự do, sóng luôn được lan truyền ra theo dạng hình cầu và do

đó mật độ công suất sẽ giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình cầu này Công suất tại phía thu trong không gian tự do được cho bởi phương trình Friis:

2 t

t t

λ G G P

tại những thời điểm trễ khác nhau Ta xét các yếu tố ảnh hưởng đến fading diện hẹp sau :

2.3.1 Hiện tượng đa đường (multipath)

Hình 2.1: Mô hình kênh truyền đa đường

Kết quả của phân tập đa đường là tại đầu thu sẽ thu được rất nhiều phiên bản khác nhau cả về biên độ và độ lệch pha so với tín hiệu phát ban đầu

Fading có thể là ưu điểm khi các tín hiệu đa đường cùng pha với nhau làm tăng cường độ tín hiệu ở bên thu, và cũng có thể gây ra triệt tiêu các tín hiệu đa đường khi chúng ngược pha với nhau gây ra hiện tượng fading sâu (deep fading)

2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler

C A D

B

Receiver Transmitter

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển

ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống Đây gọi là hiệu ứng Doppler Vật di chuyển với vận tốc v

Khi đó sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là

f v

fc , , c là lần lượt là tần số sóng mang, bước sóng sóng mang và vận tốc ánh sáng

2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, đồi, núi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm

2.3.4 Phân loại Fading diện hẹp

Dựa vào ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa đường người ta phân thành 02 loại kênh fading như sau:

- Fading phẳng (flat fading): Khi băng thông của tín hiệu nhỏ hơn băng thông kết hợp, tất cả các thành phần tần số đều bị suy giảm cùng mức fading, ta có fading phẳng hay còn gọi là fading không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading)

- Fading chọn lọc tần số (frequency selective fading): Ngược lại, khi băng thông tín hiệu lớn hơn băng thông kết hợp, các thành phần tần số có phổ lớn hơn băng

thông kết hợp bị fading một cách độc lập, dẫn đến hiện tượng làm méo tín hiệu, làm

xuất hiện nhiễu xuyên ký tự (ISI - Inter Symbol Interference)

Dựa trên dịch Doppler, Fading của kênh truyền được chia làm 2 loại là fading

chậm và fading nhanh

- Fading nhanh: Nếu khoảng tín hiệu lớn hơn thời gian kết hợp Tc thì kênh

truyền này tương đương với kênh truyền fading nhanh Nói khác đi là biên độ ,pha ,

thời gian trải trễ thay đổi nhanh hơn tốc độ thay đổi của tín hiệu phát

- Fading chậm: Ngược lại, nếu khoảng tín hiệu nhỏ hơn khoảng Tc thì toàn bộ

tín hiệu bị tác động bởi kênh truyền được xem như là kênh truyền fading chậm

2.4 Các mô hình kênh fading

Kênh truyền fading Rayleigh hoặc Rician là mô hình hữu dụng để mô tả các

hiện tượng thực trong thông tin vô tuyến (wireless communications) Các hiện

tượng này bao gồm hiệu ứng tán xạ đa đường, sự phân tán thời gian, hiệu ứng

Doppler v.v gây ra do sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu

2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh

Trên đường dẫn chính từ máy phát đến máy thu, các phiên bản khác nhau của

tín hiệu (do trễ về mặt thời gian) sẽ tập hợp ở máy thu Các tín hiệu phát đi phản xạ

trên các vật chướng ngại khác nhau trên đường truyền sẽ đến máy thu theo các

đường khác nhau Tất cả các tín hiệu nói trên được kết hợp lại tại máy thu gây ra

hiệu ứng đa đường Thông thường quá trình fading được đặc trưng bởi phân bố

rayleigh nếu đường truyền không có đường truyền thẳng (NLOS – Non Line of

Sight)

Hàm mật độ xác suất của biên độ và pha hàm truyền được xác định như ở

phương trình dưới đây:

2 2

r / 2σ 2

r

σpdf r

Hiện mô hình đã được áp dụng trong các chuẩn IEEE802.16a, IEEE-2004,

IEEE 802.16e-2005

2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean

Khi tồn tại đường truyền thẳng từ máy phát đến máy thu, lúc đó tín hiệu từ

đường truyền thẳng (LOS) sẽ chiếm ưu thế so với các đường tán xạ độc lập thống

kê khác Tương tự hàm mật độ xác suất của biên độ hàm truyền được xác định như

ở phương trình dưới đây:

với I0 là hàm Bessel loại 1, bậc 0.và A là biên độ

Hiện nay mô hình fading Ricean đã được áp dụng trong tiêu chuẩn IEEE

802.16-2001

2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tần số

Fading lựa chọn tần số được mô hình bởi nhiễu liên ký tự (ISI), trong trường

hợp này, mối quan hệ giữa ngõ ra và vào là:

J 1 j

Với: αj là phân bố Gaussian phức độc lập và η(t) là nhiễu Trong mô hình fading

Rayleigh, chúng là các biến chuẩn ngẫu nhiên Gaussian phức Một trường hợp đặc

biệt là mô hình Rayleigh 2 đường :

2.5 Kết luận

Các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến, cũng như mô hình các kênh truyền đã được nghiên cứu Từ đó hiểu rõ bản chất của việc truyền tín hiệu nhằm giúp ích cho việc mô phỏng sau này

Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày các vấn đề kỹ thuật trong OFDM, mô hình tín hiệu và hệ thống của nó

Để sử dụng hiệu quả băng tần, các sóng mang điều chế được đặt càng gần nhau càng tốt nhưng không được gây ra bất kỳ nhiễu ICI nào đồng thời phải có khả năng mang nhiều bit thông tin Một cách tối ưu, băng thông của mỗi sóng mang sẽ nằm liền kề nhau, do đó sẽ không có sự lãng phí băng thông Trong thực tế, một khoảng bảo vệ phải được đặt giữa các sóng mang nên rất phí Để truyền dữ liệu tốc độ cao thì chu kỳ symbol ngắn, do:

sym

1

R =

R là tốc độ truyền, Tsym là chu kỳ symbol

Tuy nhiên, trong môi trường đa đường, T sym ngắn dẫn đến tăng ISI, và do đó sẽ giảm hiệu suất OFDM giải quyết 2 vấn đề này với kỹ thuật ghép kênh và điều chế độc đáo của nó OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao sang dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn và do đó kéo dài chu kỳ symbol giúp loại bỏ ISI Nó cũng cho phép băng thông của các sóng mang con chồng lên nhau mà không có ICI bằng cách điều

chế trực giao các sóng mang con Do đó, OFDM được xem như là một kỹ thuật điều chế cho truy cập băng thông rộng trong một môi trường phân tán

3.2 Mô hình hệ thống[2], [3]

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản

Trong sơ đồ Hình 3.1: chuỗi bit vào đầu tiên được nhóm lại thành các khối kích thước log2(M), được điều chế ở băng tần cơ sở M-QAM hoặc QPSK tạo ra các tín hiệu đa mức X Thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp ra song song S/P, dữ liệu đầu vào được chia thành NFFT symbol song song X[0], X[1], …., X[N-1] với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần Mỗi symbol sẽ được phát trên một sóng mang con tương ứng được lựa chọn sao cho chúng trực giao với nhau Để phát s(t), các thành phần tần số (N symbol) sẽ được chuyển đổi sang miền thời gian nhờ phép biến đổi ngược IDFT Kết quả thu được là chuỗi x[m]= x[0],….x[N-1], được biểu diễn như sau:

Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, điều chế dữ liệu đƣợc lựa chọn là QAM, trong đó M là số symbol trong bản đồ chòm sao Giá trị tiêu biểu cho M là

M-16, 64, và 256, tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu cần thiết và các điều kiện kênh Một khối gồm Nc symbol dữ liệu phức    N -1 c

k=0

X k đƣợc nhóm lại và chuyển đổi thành song song để tạo thành đầu vào cho bộ điều chế OFDM Để trình bày đơn giản và

dễ hiểu, chúng ta sử dụng ma trận để mô tả mô hình toán học Đặt X m là symbol

OFDM thứ m trong miền tần số:

c

2 2

c c

c c

2

- j N N

x mNx(mN +1)

Để chống lại trải trễ do hiện tượng đa đường trong các kênh vô tuyến, các mẫu

ở miền thời gian x m được mở rộng tuần hoàn bằng cách sao chép Ng mẫu cuối cùng và dán vào phía trước như trong hình 3.2

N ×1 tot tot

Một trong những thách thức đối với các kênh vô tuyến đó là luôn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường Nếu trải trễ đa đường tương đối lớn so với chu kỳ symbol thì bản sao của symbol trước sẽ chồng lấp lên symbol hiện tại tạo ra nhiễu liên ký tự ISI Để loại bỏ nhiễu ISI này, người ta đã cộng thêm một khoảng bảo vệ CP vào cho mỗi symbol OFDM Độ dài của CP, Ng phải được chọn dài hơn trải trễ thực tế L, tức là Ng ≥ L Khoảng bảo vệ CP còn có một nhiệm vụ cực kỳ quan trọng khác nữa

đó là duy trì tính trực giao giữa các sóng mang con để không xảy ra hiện tượng nhiễu liên kênh ICI Do symbol OFDM được mở rộng chu kỳ và điều này đảm bảo các bản sao trễ của symbol OFDM luôn luôn là số nguyên lần của chu kỳ trong khoảng thời gian FFT, miễn là sự trì hoãn nhỏ hơn khoảng bảo vệ CP Trong tiêu chuẩn IEEE 802.11a, Ng ít nhất là 16

Trong luận văn này, mô hình kênh vô tuyến được chọn là kênh fading Rayleigh lựa chọn tần số gần tĩnh Kênh gần như không thay đổi trong suốt khoảng truyền một symbol OFDM Do vậy kênh truyền đa đường có thể được mô hình tương đương một bộ lọc FIR bậc (L – 1) với các hệ số bộ lọc là {h0, h1, …, hl, …, hL – 1} Đặt

m

h là vectơ CIR (Đáp ứng xung của kênh):

0,m 1,m m

L-2,m L-1,m L×1

hh

=hh

m là chỉ số symbol OFDM Tín hiệu thu được có thể được biểu diễn dưới dạng

tích chập thời gian rời rạc:

Ta có hmchiều dài L, u m chiều dài Nc + Ng, dẫn đến r m có chiều dài M=(N + Ng) + L – 1 = Ntot + L - 1

Ta thấy L-1 mẫu đầu tiên của r m có sự hiện diện của symbol OFDM trước

và L – 1 mẫu cuối cùng bị phân tán vào symbol OFDM tiếp theo nên ta có thể bỏ qua

Để loại bỏ ISI, ta chuyển đổi vectơ r m (Ntot x 1) sang vectơ y m (Ncx1) bằng cách cắt Ng mẫu đầu tiên có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố ISI Để loại bỏ hoàn toàn ISI, Ng ≥ L phải được thỏa Đây là một tác động đảo ngược của việc mở rộng chu kỳ được thực hiện ở máy phát Chuyển đổi này được thể hiện ở dạng tích ma trận -vectơ như sau:

Như ở hình 3.1, tín hiệu nhận được không có ISI được giải điều chế bởi FFT và

nó được chuyển trở lại tín hiệu Y m ở miền tần số:

Y mNY(mN +1)

Sau khi có được tín hiệu Y m , việc tách symbol có thể được thực hiện nếu

thông tin trạng thái kênh được biết hoặc có thể được ước lượng bởi một số thuật toán ước lượng kênh Symbol tách được sẽ đi qua một chuỗi các tác động ngược lại

để lấy lại thông tin nhị phân đầu vào, tương ứng với việc mã hóa, chèn và ánh xạ ở phía máy phát

3.3 Một số ưu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM[2], [3]

Quá trình thực hiện điều chế và giải điều chế bằng phép biến đổi FFT làm giảm

độ phức tạp của OFDM Nếu sử dụng kết hợp với điều chế vi sai thì không cần phải thực hiện quá trình ước lượng kênh

OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

3.3.2 Khuyết điểm

Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM

3.4 Kết luận

Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một trong những kỹ thuật hiệu quả cho việc truyền tín hiệu trên các kênh fading chọn lọc tần số OFDM chia một kênh băng rộng (kênh fading chọn lọc tần số) thành các kênh băng hẹp (kênh fading phẳng) Điều này hết sức có ý nghĩa trong việc kết hợp với các hệ thống MIMO ( hệ thống chỉ thực sự hiệu quả trong môi trường fading phẳng) sẽ được đề cập ở chương tiếp theo

Hiện nay MIMO đã là một phần quan trọng của các chuẩn thông tin không dây như là IEEE 802.11n (Wifi), LTE, Wimax và HSPA+

Ưu điểm của hệ thống MIMO:

Tăng độ phân tập của kênh truyền fading, do đó có thể giảm xác suất lỗi

Tăng dung lượng của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu

Tuy nhiên chi phí cho thiết bị cao hơn nhiều (do sử dụng nhiều anten phát và thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

4.2 Các kỹ thuật Phân tập[3]

Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi Mục đích chính của việc phân tập là để giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading đa đường, đồng thời làm tăng độ tin cậy truyền dẫn mà không cần phải tăng công suất phát hoặc thay đổi băng thông Kỹ thuật phân tập cần nhiều bản sao của tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan khác nhau trong môi trường fading Ý tưởng là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này cũng bị suy giảm một cách độc lập với nhau

Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu

Để xác định khối lượng phân tập, chúng ta dùng mối quan hệ giữa SNR ở đầu thu là γ và xác suất lỗi Pe , độ lợi phân tập là :

Các bản sao của tín hiệu phát được truyền theo nhiều cách khác nhau Ví dụ như chúng ta có thể truyền trong một khe thời gian khác biệt, một tần số khác biệt, một sự phân cực khác biệt hay một anten khác biệt Mục đích của việc này là truyền một hay hai bản sao của tín hiệu với một sự suy hao độc lập, sau đó tại đầu thu với phương pháp tổng hợp để có xác suất lỗi là thấp nhất

Theo các miền người ta chia thành các kỹ thuật phân tập sau: phân tập tần số, phân tập thời gian và phân tập không gian

4.2.1 Sự phân tập tần số:

Trong phân tập tần số, người ta sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các thành phần tần số được dùng phải có khoảng cách đủ lớn để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập với các tần số còn lại Khoảng tần số bằng khoảng vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ bảo đảm đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập với nhau Băng thông kết hợp khác nhau với các môi trường truyền khác nhau

4.2.2 Sự phân tập thời gian:

Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách phát nhiều bản tin giống nhau tại các khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu sẽ thu được các tín hiệu không tương