Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin mimo OFDM

Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 

MỤC LỤC HÌNH VẼ 3 

MỤC LỤC BẢNG BIỂU 5 

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6 

LỜI NÓI ĐẦU 8 

CHƯƠNG 1  ĐẶT VẤN ĐỀ 9 

1.1  Xu hướng phát triển và yêu cầu hệ thống di động 9 

1.2  Đặc điểm của OFDM 10 

1.2.1  Giới thiệu 10 

1.2.2  Ưu điểm 10 

1.2.3  Nhược điểm 11 

1.3  Đặc điểm hệ thống MIMO 12 

1.3.1  Giới thiệu 12 

1.3.2  Ưu điểm 13 

1.3.3  Nhược điểm 13 

1.4  Bài toán đặt ra 14 

1.5  Phương pháp nghiên cứu 15 

CHƯƠNG 2 15 

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 16 

2.1  Suy hao đường truyền 16 

2.2  Các hiện tượng fading 17 

2.3  Hiện tượng Doppler 19 

2.4  Nhiễu trắng Gauss 19 

2.5  Kết luận chương 20 

CHƯƠNG 3  OFDM 21 

3.1  Giới Thiệu 21 

3.2  Cơ sở lý thuyết OFDM 21 

3.2.1  Sóng mang trực giao 21 

3.2.2  Cấu trúc tín hiệu OFDM 26 

3.3  Hệ thống truyền dẫn OFDM 27 

3.3.1  Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 28 

3.3.2  Tầng điều chế sóng mang con 29 

3.3.3  Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 30 

3.3.4  Tầng chèn khoảng bảo vệ 32 

3.3.5  Tầng điều chế sóng mang cao tần RF 36 

3.4  Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 36 

3.4.1  Các thông số trong miền thời gian 36 

3.4.2  Các thông số trong miền tần số 37 

3.4.3  Thông lượng kênh 37 

3.5  Kết luận chương 39 

4.1  Giới thiệu 40 

4.2  Cơ sở lý thuyết MIMO 40 

4.2.1  Kỹ thuật phân tập 40 

4.2.2  Độ lợi hệ thống MIMO 42 

4.2.3  Dung lượng hệ thống 44 

4.3  Hệ thống MIMO 46 

4.3.1  Mô hình hệ thống MIMO khi sử dụng mã không gian thời gian: 47 

4.3.2  Mã hóa không gian thời gian khối STBC 48 

4.3.3  Mã lưới không gian thời gian STTC 54 

•  Thuật toán giải mã chập Viterbi 57 

Mã hóa không gian – thời gian lớp BLAST 61 

Bộ thu V-BLAST Zero-Forcing 63 

Bộ thu V-BLAST MMSE (Minimum Mean-Squared Error) 65 

4.4  Kết luận chương 68 

CHƯƠNG 5  HỆ THỐNG MIMO-OFDM 69 

5.1  Giới thiệu 69 

5.2  Hệ thống MIMO – OFDM 69 

5.2.1  Giới thiệu 69 

5.2.2  Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 71 

5.2.3  Cải thiện chất lượng hệ thống MIMO – OFDM nhờ sử dụng mã lưới 75  5.2.4  Hệ thống MIMO – OFDM V-BLAST 77 

5.2.5  Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR 80 

5.3  Ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO – OFDM 81 

5.3.1  Giới thiệu 81 

5.3.2  Ước lượng kênh truyền 82 

5.3.3  Điều chế ký tự pilot thêm vào ( Pilot Symbol Assisted Modulation ) 83 

5.3.4  Sắp xếp các pilot 84 

5.3.5  Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối 88 

5.3.6  Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng lược 92 

5.3.7  Phương pháp ước lượng kênh dựng bộ lọc LS (least square filter) cho hệ thống MIMO – OFDM 93 

5.3.8  Cân bằng tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM 96 

5.4  Kết luận chương 97 

CHƯƠNG 6  MÔ PHỎNG 98 

6.1  Giới thiệu 98 

6.2  Dung lượng hệ thống MIMO - OFDM 98 

6.3  Ước lượng kênh hệ thống MIMO – OFDM 99 

KẾT LUẬN 105 

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 106 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 2.2 Cường độ tín hiệu thay đổi theo thời gian 18 

Hình 3.2 Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số 23 Hình 3.3 Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số 23 Hình 3.4 Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số 25 Hình 3.5 Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu

25 Hình 3.6 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con 26 

Hình 3.9 Minh họa bộ biến đổi song song/ nối tiếp và nối tiếp/ song song 29 Hình 3.10 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray và tín hiệu 16-QAM truyền

Hình 3.12 Đáp ứng xung của kênh truyền fading chọn lọc tần số 32 

Hình 3.17 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật tương

Hình 3.18 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng sóng mang con 37 

Hình 4.3 Phân tập không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống 44 Hình 4.4 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 49 Hình 4.5 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 49 Hình 4.6 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 52 Hình 4.7 Sơ đồ lưới mã Trellis K = 3, k/n = 1/2 55 Hình 4.8 Bộ lập mã chập với chiều dài cưỡng bức K = 3, k/n = ½ 58 Hình 4.9 Sơ đồ lưới bộ lập mã K=3, tốc độ 1/2 với các giá trị nhánh 58 Hình 4.10 Sơ đồ mã lưới với các giá trị Hamming 59 Hình 4.11 Lựa chọn đường sống sót tại thời điểm t4 60 

Hình 4.13 Lựa chọn đường sống sót tại thời điểm t5 61 

Hình 5.4 Sơ đồ khối hệ thống MIMO - OFDM Trellis 76 Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống thu MIMO-OFDM Trellis 77 

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Đa thức sinh sử dụng trong điều chế mã Trellis……….48

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Đường dây thuê bao

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi thuận

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

I.I.D Independent and Identically Phân bố độc lập và đồng nhất Distributed

ICI InterChannel Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Biến đổi Fourier ngược rời rạc

IFFT Inverse fast Fourier transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter- Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

MIMO Multi Input- Multi Output Đa đầu vào – Đa đầu ra

MISO Multi Input Single Output Đa đầu vào – Một đầu ra

ML Maximum Likelihood Giống nhau nhiều nhất

MMRC Maximal – Ratio Receive Kết hợp thu tỷ lệ lớn nhất

QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ

SISO Single Input Single Output Một đầu vào – Một đầu ra STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian – thời gian STC Space Time Codes Mã không gian thời gian STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng Các hệ thống

thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng

thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thông tin truyền thống

và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu

của hệ thống thông tin tương lai Một trong những giải pháp được đưa ra là sự kết

hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM

Trong luận văn này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ thuật OFDM và tổng quan về hệ

thống MIMO Phân tích mô hình Alamouti và mô hình V-BLAST Dựa trên các lý

thuyết đã phân tích, chúng ta sẽ kiểm chứng lại kết quả mô phỏng trên Matlab Từ

đó chúng ta rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMO-OFDM

Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn chu đáo và tận tình của

TS Nguyễn Thúy Anh và TS Nguyễn Hữu Trung Em xin chân thành cảm ơn thầy

cô đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Do kiến thức còn nhiều hạn chế,

nên báo cáo này không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đánh

giá phê bình của các thầy cô

Hà Nội, ngày tháng năm 2011

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Xu hướng phát triển và yêu cầu hệ thống di động

Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động và Internet Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy

đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng

có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hình hiển thị nhỏ Các hệ thống 3G, đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 3.6Mbit/s (7.2Mbit/s

về sau) và có màn hình hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng phong phú hơn Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng Điều này đặt ra là phải

có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện – hệ thống di động 4G

Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi băng thông lại có giới hạn Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra MIMO (Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành công đáng

kể Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập

và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông

Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì thế mà giảm Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang được

áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Nguyên lý

thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng băng hẹp

và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ

1.2 Đặc điểm của OFDM

1.2.1 Giới thiệu

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp

đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm

1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất

sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Năm 1971, Weinstein & Ebert để nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ trong OFDM Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Phát minh này làm cho kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL Sau đó OFDM được ứng dụng cả trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB Trong những năm gần đây, OFDM đang được tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng trong chuẩn di động 3.75 G và 4G

1.2.2 Ưu điểm

Hệ thống OFDM có những ưu điểm nổi bật như sau:

- Sử dụng OFDM giúp đạt hiệu quả phổ tần cao bằng cách cho phép các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau do tính trực giao giữa chúng

- Các hệ thống OFDM có khả năng chịu đựng fading chọn lọc tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn dựa vào việc chia toàn bộ băng thông kênh thành nhiều kênh con fading phẳng Do vậy, OFDM phù hợp với hệ thống truyền dẫn băng rộng

- OFDM loại trừ nhiễu liên ký tự ISI và xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI nhờ việc chèn khoảng bảo vệ có tính chất CP ( cycle prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường

- Cũng nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cycle prefix mà hệ thống OFDM

sử dụng bộ cân bằng kênh khá đơn giản

- IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế

và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiên, hơn nữa tín hiệu được điều chế lại đơn giản và hiệu quả

- Vấn đề đồng bộ về tần số phức tạp hơn trong hệ thống đơn sóng mang Tần

số lệch 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

- OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- to-Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM được tổng hợp từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuếch đại công suất lớn HPA ( High-Power Amplifier)

ở miền thời gian, tần số đã lên tới mức giới hạn mà vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thì kỹ thuật MIMO được dùng để giải quyết bài toán trên dựa vào việc lợi dụng khả năng ghép kênh không gian

Hình 1.1 Trực quan hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống

thông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ dữ liệu chính là việc tăng chi phí

triển khai hệ thống, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

Một hệ thống MIMO bao gồm nhiều phần tử anten, có phần xử lý tín hiệu thích ứng ở cả phía phát và phía thu Nó sử dụng nhiều đầu vào, nhiều đầu ra như một kênh duy nhất Phân tập không gian được ứng dụng ở cả phía phát và phía thu Tín hiệu được truyền đi từ nhiều anten và được thu từ nhiều anten Đặc điểm nổi bật của hệ thống MIMO là nó khai thác môi trường đa đường thay vì khắc phục nó

1.3.2 Ưu điểm

Việc sử dụng hệ thống anten MIMO, đem lại các lợi ích như sau:

- Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong việc nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống

- Chất lượng truyền dẫn tốt hơn (BER) do sử dụng nhiều anten bên thu giúp giảm được ảnh hưởng của fading Khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì các đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm Sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

• Chi phí cho lắp đặt hệ thống anten MIMO

• Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

1.4 Bài toán đặt ra

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 thống chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất, dung truyền lượng hệ thống 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 hệ thống của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên vì việc phân bố băng thông đã được định chuẫn sẵn

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 Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc

độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số

Do đó, bài toán đặt ra là nghiên cứu dung lượng và các phương pháp ước lượng kênh truyền của hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật MIMO – OFDM Dựa trên cơ sở lý thuyết có được, tiến hành xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab Kết quả thu được sẽ giúp ta tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy của hệ thống Đồng thời, nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật mới tối ưu cho hệ thống MIMO – OFDM

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, bao gồm:

• Nghiên cứu kỹ thuật OFDM

• Nghiên cứu hệ thống MIMO

• Nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM

- Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM, bao gồm:

• Mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO-OFDM

• Mô phỏng ước lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM

- Từ lý thuyết nghiên cứu và kết quả mô phỏng, rút ra kết luận, đánh giá hiệu năng, ưu nhược điểm của hệ thống, đánh giá khả năng ứng dụng của hệ thống trong thực tiễn

- Đưa ra hướng phát triển cho đề tài

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Trong thông tin vô tuyến, đặc điểm của kênh truyền có tầm quan trọng rất lớn vì chúng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn và dung lượng hệ thống Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số đặc tính đặc trưng nhất của kênh truyền như: suy hao đường truyền, các hiện tượng fading, Doppler, và nhiễu trắng Gauss Các hệ thống thông tin luôn luôn mong muốn khắc phục nhiều nhất các ảnh hưởng này để đạt được chất lượng thông tin cao và dung lượng lớn

2.1 Suy hao đường truyền

Tín hiệu thu được luôn luôn bị suy hao so với tín hiệu bên phát do các hiện tượng như: sự hấp thụ, sự phản xạ bởi các vật cản, sự nở rộng về mọi hướng của tín hiệu… Ngay cả khi dùng anten định hướng sóng vẫn được mở rộng theo hình cầu (dù là mật độ năng lượng tập trung theo một hướng) Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm Cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách theo công thức sau:

f: tần số phát (Hz)

R: khoảng cách máy thu – máy phát (km)

Lpt : hệ số suy hao trong khơng gian tự do (dB)

2.2 Các hiện tượng fading

QoS là một trong các vấn đề quan trọng nhất của IMS QoS cho một phiên multimedia cụ thể được quyết định bởi nhiều nhân tố như băng thơng lớn nhất Băng thơng lớn nhất cĩ thể được cấp phát cho người dùng dựa trên đăng ký của người dùng hoặc dựa trên tình trạng hiện tại của mạng

Fading đa đường

Tín hiệu phát ra, sẽ đi theo nhiều đường dài ngắn khác nhau đến anten thu Chúng

cĩ thể bị phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ bởi các vật thể khác nhau… tạo ra vơ số bản sao tín hiệu tới máy thu Do đĩ, các bản sao này chịu ảnh hưởng suy hao khác nhau

Tán xạ 1 Phản xạï 2

3 LOS

Nhiễu xạ L

Hình 0.1 Tín hiệu tới anten thu theo L đường

đồng pha, nhưng cũng có thể bị triệt tiêu, khiến cho tín hiệu thu được không ổn định

Fading nhanh và fading chậm

Hình 0.2 Cường độ tín hiệu thay đổi theo thời gian

Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian Tuy nhiên, mọi kênh truyền đểu biến đổi theo thời gian Hình 2.2 cho thấy hiện tượng công suất tín hiệu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu có công suất phát đi không đổi

Kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chỉ mang tính tương đối Nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một ký hiệu Tsymbol thì kênh

truyền là không chọn lọc thời gian hay kênh truyền biến đổi chậm hay slow fading

Ngược lại, thì kênh truyền sẽ là chọn lọc thời gian hay fast fading

2.3 Hiện tượng Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler Dịch tần Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu 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 số thu được sẽ giảm đi Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :

2.4 Nhiễu trắng Gauss

Nhiễu trắng Gauss là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gauss Theo phương thức tác động, nhiễu Gauss là nhiễu cộng Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu trắng Gauss cộng Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu trắng Gauss cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu trắng Gauss cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu trắng Gauss cộng

CHƯƠNG 3 OFDM

3.1 Giới Thiệu

Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao OFDM được xem là kỹ thuật tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến Chương này sẽ tìm hiểu về cơ sở lý thuyết và hệ thống truyền dẫn OFDM

3.2 Cơ sở lý thuyết OFDM

3.2.1 Sóng mang trực giao

• Ý tưởng:

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống Việc xếp chồng lấn các băng tần con này không chỉ đem lại hiệu quả sử dụng phổ tần mà còn có tác dụng phân tán được lỗi cụm khi truyền qua kênh Nhưng làm thế nào để có thể chồng lấn các băng con để truyền đi mà sau đó vẫn có thể tách chúng ra được? Điều này có thể làm được là nhờ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con

Trước hết ta cần hiểu được thế nào là trực giao, và cách áp dụng tính trực giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM như thế nào?

• Điều kiện trực giao và nguyên tắc phép giải điều chế OFDM:

Để đảm bảo trực giao chuẩn cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả mãn điều kiện sau:

* 1 ;

1 ( ) ( )

0 ;

s s

2 ; k = 1;2;3; N( )

∆f : khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con

T : thời gian ký hiệu

N : số sóng mang con

t s : dịch thời gian

Theo phương trình trên, ta thấy nếu hai sóng mang phụ i và j (chúng là hai sóng mang khác biệt i ≠ j ) trực giao với nhau thì tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0 Trong trường hợp tích phân với chính nó, thì kết quả sẽ là hằng số khác 0 (trường hợp trực giao chuẩn thì hằng số này bằng 1) Đó chính là nguyên tắc phép giải điều chế OFDM Để trực quan hơn, ta có thể xem xét quá trình tích phân qua diện tích đường cong như dưới đây

Diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:

2 0

Hình 3.1 Tích phân của sóng hình sin

Hình 3.2 Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT

Hình 3.3 Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó thực hiện tích phân tất

cả các sóng mang còn lại về không Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, cho đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế

• Minh họa tính trực giao:

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo

ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau

Hình 3.4 dưới đây là kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con Các hình 1, 2, 3, 4 thể hiện các sóng mang con riêng lẻ tương ứng 10, 20, 30, và 40

Hz Hình a biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian, hình b biểu diễn tín hiệu trên miền tần số Pha ban đầu của toàn bộ các sóng mang con này là 0 Hình 5 thể hiện tín hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trên trong miền thời gian và miền tần

số

Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường minh ở hình 3.5 Trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x) Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung tâm Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác Hình 3.5 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống

Hình 3.4 Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số

Hình 3.5 Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu

Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ

ở đường màu đen đậm trên hình 3.6

Hình 3.6 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con

3.2.2 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Hình 2.7 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian

Hình 3.7 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Quan hệ giữa các thông số là:

T FFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả

T G là thời gian bảo vệ

T win là thời gian cửa sổ

T s là thời gian một chu kỳ ký hiệu OFDM

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu

và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ cosine tăng được định nghĩa như sau:

Máy phát:

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn, luồng dữ liệu số phát được chuyển thành pha và biên độ sóng mang con Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu quả của nó Khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Người ta còn chèn thêm cả từ mã đồng bộ khung vào các kênh Cuối cùng, tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến

Máy thu:

Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó trước hết, trộn hạ tần tín hiệu

RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, tách khung và loại bỏ khoảng bảo vệ, sau đó sử dụng FFT để phân tích tín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ

và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu

3.3.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng

100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400 Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Số sóng mang con được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể được xem là phẳng

Hình 3.9 Minh họa bộ biến đổi song song/ nối tiếp và nối tiếp/ song song

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh fading (fading chọn lọc tần số) tác động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng Tại điểm đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu Do cơ chế FEC là hiệu quả cao nếu các lỗi được phân tán rộng ( không tập trung hay cụm lỗi ), vì vậy để cải thiện hiệu năng,

đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành song song Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC

3.3.2 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha Việc sắp xếp điều chế sóng mang con đối với 16-QAM được cho hình 2.10, mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tương ứng với một vectơ IQ duy nhất

Ảnh hưởng của tạp âm cộng vào tín hiệu phát 16-QAM (kênh AWGN) được cho ở hình hình 2.10 (b) với SNR thu = 18 dB

Hình 3.10 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB

3.3.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp

số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm

số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT) Hầu hết các sóng mang con đều mang dữ liệu Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0

Hình 3.11 Tần IFFT, tạo tín hiệu OFDM

Phép biến đổi IDFT ( Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo ra tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT ( Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ OFDM Nhờ biến đổi IDFT

và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu Nếu sử dụng số sóng mang con là lũy thừa của 2 thì ta có thể thay IDFT và DFT bằng IFFT và FFT

Phía phát symbol [X0, X1,…,XN-1] từ bộ điều chế sóng mang con sẽ đi vào bộ IDFT, tạo symbol [x0, x1,…,xN-1 ]

Với t s là độ rộng ký hiệu

f k là các tần số trực giao

)2

22

(

10

1

0

2 1

0

2

s k s

k

N

k

nf f j k N

k

kn N j k

n

nt f n f

f n

N

k

N n

e X N e

X

N

ππ

π

π π

là các mẫu rời rạc của tín hiệu OFDM x(t) trong miền thời gian Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến đổi FFT được áp dụng cho ký

Hình 3.12 Đáp ứng xung của kênh truyền fading chọn lọc tần số

Nếu không có khoảng bảo vệ, ký hiệu 1 lấn sang ký hiệu 2 gây ra hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI

~ 1

~

0 ,X , ,X N X

10

2 1

Hình 3.13 Tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ

Hình 3.14 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ rỗng

Hình 3.15 Khoảng bảo vệ có tính Cyclic Prefix

Khi chèn thêm khoảng bảo vệ rỗng G (hình 3.14) đủ lớn so với trải trễ hiệu dụng của kênh truyền thì nhiễu ISI được loại bỏ Tuy nhiên, khoảng bảo vệ rỗng này sẽ gây nên sự thay đổi đột ngột của tín hiệu, do đó sẽ làm cho bề rộng phổ của kênh truyền tăng lên, dẫn đến mất tính trực giao

Để khắc phục điều này, người ta chèn vào khoảng bảo vệ có tính lặp cyclic prefic hay còn gọi là tiền tố lặp (CP) nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ (hình 3.15) Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại

ở phía trước mỗi ký hiệu OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký hiệu phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký hiệu (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký hiệu ) Khoảng thời gian cửa sổ rất nhỏ, nên ta coi như có thể bỏ qua Lúc này, ta

RMS

τ

T s

Ký hiệu i-1 Ký hiệu i Ký hiệu i+1

Hình 3.16 Tiền tố lặp CP trong OFDM

Ký hiệu OFDM lúc này có dạng :

Khoảng bảo vệ càng lớn thì khả năng chống lỗi liên ký hiệu càng hiệu quả Tuy nhiên, cũng giống như đối với trường hợp mã hóa chống lỗi, khoảng bảo vệ lớn làm tốn kém dải tần Chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên hiệu suất phổ tín hiệu của hệ thông bị giảm đi một hệ số là:

Do vậy, việc thiết kế khoảng bảo vệ ngoài việc phải dựa vào trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền còn phải dựa vào việc cân đối chất lượng tín hiệu mong muốn và hiệu quả sử dụng dải tần

3.3.5 Tầng điều chế sóng mang cao tần RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng một kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần như sau:

Hình 3.17 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật tương tự

3.4 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM

3.4.1 Các thông số trong miền thời gian

Từ hình 2.11 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký

hiệu T S , thời gian FFT T FFT , thời gian bảo vệ T G , thời gian cửa sổ T win Nếu không tính đến thời gian cửa sổ, thì ta có theo công thức (3.8) :

T s = T G + T FFT

Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời

gian ký hiệu) được định nghĩa bởi

s

T FSR

T

=

( 3.11)

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có thể được dùng để tính toán thông lượng

3.4.2 Các thông số trong miền tần số

Hình 3.18 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con ∆f

và số sóng mang con N Quan hệ giữa chúng là: sub B=Nsub×∆f

Hình 3.18 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng sóng mang con

Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế

hệ thống Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con ∆f và số sóng mang con N sub

3.4.3 Thông lượng kênh

Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua kênh mà không bị lỗi Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu

• Thông lượng kênh theo Shannon

Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau:

2

.log (1 R) [ bps]

trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông

Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này

• Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM

Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công suất…) Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

(so_bit/song_mang_con/ ky_hieu) so_song_mang_con

thoi_gian_ky_hieu

tb

Nếu gọi R c là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N sub là số sóng mang con, T s là thời gian

ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là ∆f=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:

chế, độ rộng băng và FSR Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông

số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể của kênh

3.5 Kết luận chương

Qua chương này, ta có thể hiểu được một số vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM như cấu trúc một hệ thống OFDM, tính trực giao của tín hiệu, cấu trúc tín hiệu OFDM Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống thông tin tốc độ cao Nhưng với nhu cầu thông tin hiện nay, không chỉ đòi hỏi về chất lượng thông tin mà còn đòi hỏi về cả dung lượng hệ thống Để đáp ứng được yêu cầu này, nhất là trong điều kiện tài nguyên tần số có hạn, hệ thống MIMO ra đời để giải quyết vấn đề này sẽ được giới thiệu ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG MIMO

4.1 Giới thiệu

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tin điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông

hệ thống Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

4.2 Cơ sở lý thuyết MIMO

4.2.1 Kỹ thuật phân tập

Kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc băng tần cần thiết Tại phía thu sẽ có nhiều bản sao tín hiệu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading

Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận được hai hay nhiều bản sao tín hiệu một cách độc lập thì các bản sao tín hiệu này cũng bị suy giảm độc lập với nhau Nên nếu một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

Phân tập có thể áp dụng được cho cả phía phát và phía thu Phân tập phía phát liên quan đến mã không gian – thời gian, bản sao tín hiệu được truyền đi từ các anten khác nhau Còn phân tập phía thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một thông tin nhưng có ít sự tương quan về fading Chúng được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể được ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian