Ứng dụng mã stf vào hệ thống mimo ofdm

LỜI CAM ĐOAN Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về mã không gian-thời

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày… tháng…… năm……

Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng …… năm ………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Huỳnh Gia Danh Nhân……… Phái: Nam……

Ngày, tháng, năm, sinh: 03/05/1973……… Nơi sinh: Cần Thơ… Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử……… MSHV: 09140018…

I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ STF VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về hệ thống kênh truyền thông tin vô tuyến, hệ thống OFDM, hệ thống MIMO và MIMO - OFDM Khảo sát các mô hình hệ thống thông tin mã hóa STC, SFC và STFC hệ thống MIMO-OFDM

- Đánh giá chất lượng của các mô hình này trong các trường hợp khác nhau

và chỉ ra khả năng kiểm soát lỗi trên từng mô hình

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/12/2011

V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá trình tìm hiểu kiến thức để hoàn thành luận văn này

Trước tiên là cô PGS.TS Phạm Hồng Liên, người đã nhiệt tình hướng dẫn

em hiểu được vấn đề và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện nghiêm túc và giúp em hoàn chỉnh luận văn này

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cùng sát cánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề khoa học nảy sinh khi nghiên cứu để tác giả có được lời giải đáp, tiếp tục hướng con đường nghiên cứu để đạt kết quả cuối cùng, hoàn thành hướng nghiên cứu của mình

Công trình này đã hoàn thành trong sự chờ đón, động viên và chia sẻ của những người thân trong gia đình, những người đồng nghiệp và những người bạn Cảm ơn mọi người đã luôn bên tôi trong những lúc này

Tp Hồ Chí Minh ngày… tháng… năm……

Huỳnh Gia Danh Nhân

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về mã không gian-thời gian (STC), mã không gian-tần số (SFC) và mã không gian-thời gian-tần số (STFC) ứng dụng trong truyền thông không dây, các

tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận văn là thành quả lao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Liên, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao học điện tử 2009-Cần Thơ Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất kì một công trình nào đã có từ trước

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong những năm gần đây, MIMO-OFDM đã được chấp nhận như sơ đồ truyền dẫn cho hầu hết các hệ thống băng thông rộng không dây thế hệ kế tiếp Ngoài tốc độ dữ liệu được cải tiến, hệ thống này cũng được biết đến là đạt được phân tập không gian và tần số Để khai thác những lợi thế này, các sơ đồ mã hóa

đã được nghiên cứu và phát triển, chẳn hạn như mã không gian-thời gian (STC),

mã không gian-tần số (SFC) và mã không gian-thời gian-tần số (STFC) Trong luận văn này, nghiên cứu sơ đồ mã hóa, giải mã, mô hình hệ thống và mô phỏng các mã này

Trong phần lý thuyết, trước hết luận văn trình bày tổng quan về kênh truyền

vô tuyến, sự ảnh hưởng của fading đến chất lượng của hệ thống Trong phần tiếp theo luận văn trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, MIMO và MIMO-OFDM Cuối cùng luận văn trình bày lý thuyết về các mã STC, SFC và STFC

Ở phần mô phỏng, tác giả mô phỏng các hệ thống MIMO, MIMO-OFDM,

mã STBC, SFC và STFC-rate 1 và rate 2 Thông qua các kết quả mô phỏng đã chứng minh được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi sử dụng mã STFC được cải thiện hơn so với mã STBC và SFC

ABSTRACT

In recent years, MIMO-OFDM has been accepted as the wireless transmission scheme for most of the next generation broadband wireless systems Apart from data-rate improvement over single antenna transmission systems, these systems are also known to offer both frequency as well as space diversity

In order to exploit these advantages, coding schemes have been researched and developed, such as Space-Time codes (STC), Space-Frequency codes (SFC) and Space-Time-Frequency codes (STFC) This thesis researches coding, decoding, system models and simulating for these codes

Theoretically, we firstly presented an overview of the radio channel concentrating on the influence of fading to the quality of the system Then the thesis presented OFDM, MIMO and MIMO-OFDM systems Finally, the thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes

In the simulation, we performed simulation in cases, MIMO systems, MIMO-OFDM sytems, coding schemes of STBC, SFC and STFC systems By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controling error

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

1.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 6

2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 10

3.3 Kết luận 25

CHƯƠNG 6: MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN STC 43

6.3.3 Sơ đồ hệ thống N anten phát và M anten thu 50

10.1 Kết luận 110

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phasee Shift Keying

CSI Channel State Information

i.i.d independent identically distributed

ISI Inter Symbol Interference

LP Linearly Precoded

MIMO Multiple-Input Multiple-Output

ML Maximum Likelihood

MRC Maximal Ratio Combiner

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

pdf probability density function

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SER Symbol Error Rate

SISO Single-Input Single-Output

SFC Space-Frequency code

SNR Signal Noise Rate

STBC Space–time block code

STC Space-Time code

STFC Space-Time-Frequency code

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mô hình kênh truyền fading đa đường 10

Hình 3.2: Khái niệm CP và Symbol OFDM mở rộng tuần hoàn 19 Hình 4.1: Kênh truyền nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra MIMO cơ bản 26 Hình 4.2: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi N > M 33 Hình 4.3: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi M > N 34

Hình 6.4: Sơ đồ tổng quát N anten phát và M anten thu 50

Hình 9.10: MIMO-STBC – SER cùng mức phân tập 92 Hình 9.11: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát 94 Hình 9.12: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu 95 Hình 9.13: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số đường L 95 Hình 9.14: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER cùng mức phân tập 96 Hình 9.15: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu 98 Hình 9.16: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số đường L 98 Hình 9.17: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER cùng mức phân tập 99 Hình 9.18: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát 101 Hình 9.19: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu 101 Hình 9.20: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian 102 Hình 9.21: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số 102 Hình 9.22: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER cùng mức phân tập 103 Hình 9.23: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu 105 Hình 9.24: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian 105 Hình 9.25: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số 106 Hình 9.26: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập 106 Hình 9.27: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate1&2 108

Hình 9.29: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 109

PHẦN 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.5 Đặt vấn đề:

Những tiến bộ gần đây trong các hệ thống truyền thông không dây đã gia tăng lưu lượng thông qua các kênh truyền và mạng không dây Đồng thời, độ tin cậy của hệ thống thông tin liên lạc không dây cũng không ngừng gia tăng Các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để 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 Bằng cách dùng nhiều hơn một anten phát hay thu, hình thành một kênh nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO),

ta có được các phương pháp phân tập, ví dụ như phân tập không gian hay phân tập thời gian Việc tăng tính phân tập MIMO sẽ giúp giảm xác suất sai

Vấn đề thiết kế kỹ thuật MIMO mã hóa và điều chế để cải thiện chất lượng của hệ thống truyền thông không dây đã thu hút đáng kể trong cả lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu Ở narrowband (băng hẹp), kênh fading là không chọn lựa tần số, phương pháp mã hóa không gian-thời gian (ST) [1 – 7, 17] đã được đề xuất để khai thác phân tập không gian và thời gian Còn ở broadband (băng thông rộng) kênh fading là chọn lựa tần số, điều chế OFDM có thể được sử dụng để chuyển đổi các kênh chọn lựa tần số sang tập hợp các kênh fading phẳng song song, sử dụng hiệu quả băng tần và loại bỏ các thuật toán cân bằng phức tạp Các

ưu điểm của hệ thống MIMO và điều chế OFDM đã được kết hợp lại cho ra đời

hệ thống MIMO-OFDM

Có hai phương pháp mã hóa cho các hệ thống MIMO-OFDM Một là mã không gian-tần số (SF) [8 – 14, 17] được áp dụng trong mỗi khối OFDM để khai thác phân tập không gian và tần số Hai là mã không gian-thời gian-tần số (STF) [15 – 18] áp dụng trên nhiều khối OFDM khai thác phân tập không gian, thời gian, và tần số

Việc thiết kế mã, giải mã SF và STF còn nhiều khó khăn, do đó để hiểu rỏ hơn quá trình này và nhằm mục đích muốn tổ chức lại có hệ thống cách thiết kế

các mã ST, SF và STF nên tôi đã chọn đề tài: ”Ứng dụng mã STF vào hệ thống

MIMO-OFDM”

1.6 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

 Khảo sát mã khối không gian-thời gian STBC trong hệ thống MIMO, thiết kế và giải mã SF, STF rate-1 và rate-N trong hệ thống MIMO-OFDM

 Mô phỏng kết quả của từng loại mã bằng phần mềm mô phỏng Matlab Vẽ đồ thị tỷ số lỗi ký tự (Symbol Error Rate – SER) tương ứng với các thông số tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio – SNR) khác nhau

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả tập trung vào hệ thống MIMO-OFDM, khảo sát cách tạo mã và giải mã STBC, SFC rate-1 và rate-N, STFC rate-1 và rate-N để vẽ

đồ thị xác định tỷ lệ lỗi ký tự ứng với các mức tỉ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu khác nhau Hệ thống được giới hạn trong trường hợp thông tin về trạng thái kênh truyền (channel state information: CSI) là biết trước và trong kênh truyền giả tĩnh (quasi-static) có fading Rayleigh

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Luận văn này trình bày phương thức tổng quát thiết kế mã SF, STF rate-1

và rate-N Từ đó viết các giải thuật giải mã phù hợp nhằm ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống MIMO-OFDM

1.8 Bố cục của luận văn

Luận văn được chia thành 03 phần gồm 10 chương :

Phần 1: Lý thuyết Tổng quan:

Chương 1: Mở đầu

Trong chương này tác giả trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Chương 2: Kênh truyền Vô tuyến

Trong chương 2, trình bày các đặc trưng, mô hình của kênh truyền

vô tuyến

Trong chương 3, trình bày mô hình hệ thống và tín hiệu của OFDM Chương 4: Kỹ thuật MIMO

Trong chương 4, trình bày các kỹ thuật phân tập, mô hình hệ thống

và dung lượng kênh truyền của kỹ thuật MIMO

Trong chương 5, trình bày mô hình hệ thống và tín hiệu của MIMO-OFDM

Phần 2: Mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Chương 6: Mã không gian-thời gian ST

Trong chương 6, trình bày mô hình hệ thống, tín hiệu và quá trình tạo mã và giải mã STBC

Chương 7: Mã không gian-tần số SF

Trong chương 7, trình bày mô hình hệ thống, tín hiệu và quá trình tạo mã và giải mã SF-rate 1 và rate N

Chương 8: Mã không gian-thời gian-tần số STF

Trong chương 8, trình bày mô hình hệ thống, tín hiệu và quá trình tạo mã và giải mã STF-rate 1 và rate N

Chương này đưa ra các kết luận về kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển thêm trong tương lai

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu:

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Vì vậy để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu,

ta phải hiểu được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và mô hình hóa kênh truyền hợp lý Ta sẽ đi vào tìm hiểu các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền

2.2 Các cơ chế lan truyền của tín hiệu:

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

 Tán xạ (Scattering) xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất

cả các hướng

2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:

2.3.1 Hiệu ứng đa đường (Multipath):

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi

sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation)

Đáp ứng xung của L đường từ máy phát đến máy thu:

 1 0

L

l l

L

l l

Từ (2.1), đáp ứng tần số của kênh truyền:

số f c được phát đi và một tín hiệu thu được với duy nhất một sóng tới có góc tới θ

so với hướng di chuyển của xe như trong hình 2.2 Khi đó ta có sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là:

θ λ

πυΔt λ

πΔl

ΔΦ  2  2 cos (2.4) Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được cho bởi công thức:

θ f θ λ

υ Δt

ΔΦ π

v

2.3.3 Fading:

Hiện tượng Fading là sự thay đổi cường độ sóng mang cao tần gây nên bởi

sự thay đổi môi trường truyền dẫn như áp suất không khí và do sự phản xạ của tín hiệu với các vật thể trên đường truyền như nước, mặt đất…

Kết hợp ảnh hưởng của hiệu ứng multipath và hiệu ứng Doppler là fading Fading là sự thay đổi nhanh của cường độ tín hiệu trên 1 quãng đường hoặc 1 khoảng thời gian Khi băng thông của tín hiệu nhỏ hơn với băng thông nhất quán, tất cả các thành phần tần số đều bị suy giảm cùng mức fading, ta có fading không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading) hoặc fading phẳng (flat fading) Ngược lại, khi băng thông tín hiệu lớn hơn với băng thông nhất quán, các thành phần tần số có phổ lớn hơn băng thông nhất quán 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), ta có fading chọn lọc tần số (frequency selective fading)

Sự thay đổi nhanh hay chậm của kênh truyền so với sự thay đổi của tín hiệu

sẽ xác định fading là nhanh hay chậm Hiệu ứng Doppler là nguyên nhân của hiện tượng fading này Khi chu kỳ của 1 symbol của tín hiệu phát ngắn hơn thời gian nhất quán, ta có fading chậm (slow fading), ngược lại, khi chu kỳ của 1 symbol lớn hơn thời gian nhất quán, ta có fading nhanh (fast fading)

2.3.4 Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

Phương trình (2.7) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:

P R T T R





(2.7)

P R : Công suất tín hiệu thu được (W) P T: Công suất phát (W)

G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) G T: Độ lợi anten phát

2.3.5 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

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

2.4 Mô hình kênh truyền vô tuyến:

Biên độ của hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo các phân bố như phân bố Rayleigh, phân bố Ricean Đáp ứng của kênh truyền là một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời gian và tần số Chúng ta khảo sát sau đây:

2.4.1 Phân bố Rayleigh:

Được xác định khi tồn tại nhiều đường tán xạ độc lập thống kê và không có tán xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ còn lại, tức là 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2

2 0

với I 0 là hàm Bessel loại 1, bậc 0

Tham số A là biên độ của thành phần chiếm ưu thế Ta thường hay dùng tỉ

số K để biểu diễn tỉ số công suất giữa tín hiệu trực tiếp và đa đường

2 2

2

A

K  (2.12) Khi K >>1, công suất tín hiệu trực tiếp rất trội hơn đa đường nên kênh truyền trở thành kênh AWGN Khi K<<1, tín hiệu trực tiếp biến mất và trở thành kênh truyền Fading Rayleigh biểu diễn theo công thức Trong môi trường

tế bào, K thường rất nhỏ hơn 1

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

CHƯƠNG 3: OFDM

3.1 Giới thiệu:

Với số lượng ngày càng tăng của các thuê bao không dây và nhu cầu cho các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, phổ tần vô tuyến trở nên quý hiếm và vô giá cho tất cả các nước trên thế giới Để sử dụng hiệu quả phổ tần, các sóng mang điều chế càng gần nhau càng tốt mà không gây ra bất kỳ ICI nào và 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:

1

sym

R T

R là tốc độ truyền, T sym là chu kỳ symbol

Tuy nhiên, trong môi trường đa đường, T sym ngắn dẫn đến tăng ISI, và do

đó sẽ giãm 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

Các ưu nhược điểm:

- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ CP trước mỗi symbol

- Nếu sử dụng các biện pháp xen kẽ và mã hóa kênh thích hợp thì có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên symbol do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong hệ thống đơn sóng mang

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

Nhược 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 hống 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

3.2 Mô hình hệ thống:

Hình 3.1 cho thấy sơ đồ khối của một hệ thống OFDM cơ bản Dòng bit

đầu vào đầu tiên được nhóm lại thành các khối kích thước log 2 (M), và sau đó đi

đến bộ điều chế sóng mang con để tạo ra C(k) C(k) là symbol dữ liệu phức trong miền tần số điều chế lên sóng mang con thứ k C(k) có thể lấy giá trị bất kỳ từ một chòm sao M-mức tùy thuộc vào loại ánh xạ sử dụng, chẳng hạn như BPSK,

QPSK, QAM Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, điều chế dữ liệu được lựa

chọn là M-QAM, trong đó M là số symbol trong bản đồ chòm sao Giá trị tiêu biểu cho M là 16, 64, và 256, tùy thuộc vào tốc độ dữ liệu cần thiết và các điều kiện kênh Một khối gồm N c symbol dữ liệu phức    N c01

k

 được 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 C m là symbol OFDM thứ m trong miền tần số:

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản

c c

C mN

C mN m

1

1 1

1 1

c

c c

c c

N N

N

N N

N N

j N N

c

c c

Đặt u m là symbol OFDM được mở rộng tuần hoàn

tot tot

N tot tot

tot tot

u mN

u mN

CP m

ở đó N tot = N c + N g là chiều dài của u m Ở dạng ma trận, việc chèn CP

có thể thực hiện dễ dàng bằng tích ma trận c m với ma trận ACP kích thước

Một trong những thách thức từ các kênh không dây là trãi trễ đa đường Nếu trãi trễ tương đối lớn so với chu kỳ symbol thì bản sao của symbol trước sẽ chồng lấp lên symbol hiện tại tạo ra ISI Để loại bỏ ISI gần như hoàn toàn, CP

được thêm vào cho mỗi symbol OFDM và độ dài của CP, N g phải được chọn dài

hơn trãi trễ thực tế L, tức là N g ≥ L Thêm vào đó, CP có khả năng duy trì tính

trực giao giữa các sóng mang con để không có ICI Bỡi vì 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 CP Hình 3.2(b) minh họa Trong tiêu chuẩn IEEE 802.11a , N g ít nhất là

16

Đối với các kênh không dây, giả sử trong luận văn này là kênh fading Rayleigh lựa chọn tần số gần tĩnh Nó chỉ ra rằng kênh không đổi trong suốt khoảng truyền một symbol OFDM 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 {h 0 , h 1 , …, h l , …,

h L – 1} Đặt h là véc tơ CIR (Đáp ứng xung của kênh): m

0, 1,

2,

m m m

L m

L m L

h h

h h

v là AWGN trong miền thời gian

Ta có h chiều dài L, m u m chiều dài N c + N g, dẫn đến r m có chiều dài

M=(N + N g ) + L – 1 = N tot + L - 1

0

0 01

tot

m tot

Ta thấy L -1 mẫu đầu tiên của r m chứa sự can thiệp từ symbol OFDM

trước L – 1 mẫu cuối cùng bị phân tán vào symbol OFDM tiếp theo nên ta có

tot tot

tot tot tot tot

r mN

r mN m

tot tot

tot tot tot tot

v mN

v mN m

(3.13)

 m  m Toep,  m   m Toep c, m1  m

Để loại bỏ ISI, ta chuyển đổi vector r m (N tot x 1) sang vector y m (N c x1) bằng cách cắt N g mẫu đầu tiên có thể bị ảnh hưởng yếu tố ISI Để loại bỏ

hoàn toàn ISI, N g ≥ 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 cũng có thể được thể hiện tích ma trận-vector:

c c

c c

0, 0, 1,

1,

c

m H

Và V m là AWGN trong miền tần số

Mô hình đơn giản ở (3.23) được khai thác cho nghiên cứu lý thuyết Tuy nhiên, trong các hệ thống OFDM thực tế, rất nhiều những nỗ lực nghiên cứu đã được thực hiện để giữ cho hệ thống OFDM gần với mô hình này nếu có thể Đồng bộ hóa hoàn toàn trong miền thời gian và tần số là thách thức lớn Tính trực giao có thể mất đi bởi một vài yếu tố như dịch Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, không tương thích tần số giữa các bộ dao động ở hai bên, lỗi thời gian lớn và nhiễu pha Trong khi đó, thông tin trạng thái kênh chính xác là rất quan trọng để giảm BER và cải thiện chất lượng hệ thống

Do đó, ước lượng kênh và đồng bộ hóa với độ phức tạp thấp là một nghiên cứu trong hệ thống OFDM hiện tại Với tính trực giao đạt được, OFDM là kỹ thuật truyền dữ liệu đa sóng mang hiệu quả và đơn giãn

3.3 Kết luận:

Trong chương này đã trình bày mô hình hệ thống và đưa ra mô hình tín hiệu của OFDM cũng như các ưu và khuyết điểm của nó Nhằm cải thiện khuyết điểm của OFDM, các nghiên cứu khoa học đã không ngừng phát triển, nổi trội nhất là

kỹ thuật MIMO Chương kế tiếp sẽ tìm hiểu kỹ thuật này hoạt động như thế nào

để khi kết hợp với OFDM để cho ra đời hệ thống MIMO-OFDM

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT MIMO

4.1 Giới thiệu:

Công nghệ OFDM cải thiện hiệu quả quang phổ chỉ cho chúng ta có một phần Vào những năm cuối của 1990, các nghiên cứu của Foshini, Gans và Teltar cho thấy rằng có thể thực hiện tốc độ dữ liệu cao trên các kênh không dây bằng cách sử dụng nhiều anten ở cả hai đầu phát và thu, thường gọi là MIMO Kỹ thuật MIMO không yêu cầu mở rộng băng thông hoặc tăng công suất phát Do

đó, nó cung cấp một phương tiện đầy hứa hẹn để tăng hiệu quả phổ tần của hệ thống Đây là đặc điểm nỗi bậc của hệ thống MIMO, giả sử việc truyền dẫn là lý tưởng thì nó tăng gần như tuyến tính với số lượng anten Do đó việc tăng lưu

lượng lớn có thể đạt được bằng cách áp dụng hệ thống MIMO N x M so với hệ thống thông thường SISO 1 x 1 sử dụng 1 anten ở cả hai đầu thu phát với cùng

công suất và băng thông Với nhiều anten, lĩnh vực không gian được khám phá, trái ngược với các hệ thống hiện có được sử dụng trong miền thời gian và tần số

Ưu điểm của 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

Anten 1 Anten 2

4.2 Kỹ thuật phân tập:

Kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của multipath fading và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền trong truyền thông không dây di động, mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần thiết Kỹ thuật phân tập cần nhiều bản sao cuả tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading Ý tưởng là nếu nơi thu nhận 2 hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau

Để xác định khối lượng phân tập, chúng ta dùng mối quan hệ giữa SNR ở

đầu thu là γ và xác suất lỗi P e , độ lợi phân tập là :

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

4.2.1 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 quan về fading Khoảng thời gian phân cách giữa các lần phát là phải lớn

xảy ra với tín hiệu trong khoảng thời gian này sẽ không tương quan với nhau Trong các hệ thống thông tin di động, việc phân tập thời gian được thực hiện bằng cách kết hợp kỹ thuật cài xen (Interleaving) và mã hoá sửa lỗi Interleaving

sẽ tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bản sao của tín hiệu truyền, do đó

sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã Do Interleaving sẽ gây nên

độ trễ khi giải mã nên kỹ thuật này chỉ phù hợp với các môi trường có fading nhanh khi khoảng thời gian kết hợp (coherence time) của kênh truyền nhỏ Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng các bộ Interleaver có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể, không chấp nhận được cho các ứng dụng nhạy với độ trễ như truyền thoại Một nhược điểm của kỹ thuật phân tập thời gian

là sự sử dụng băng thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian

Kỹ thuật phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten (Antenna Diversity) được sử dụng phổ biến trong truyền dẫn viba Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách dùng nhiều anten hoặc dãy anten sắp xếp theo một cách hợp lý để phát/thu tín hiệu Các anten được phân cách nhau một khoảng cách vật lý để đảm bảo các tín hiệu không tương quan nhau Khoảng phân cách yêu cầu sẽ thay đổi theo độ cao anten, môi trường truyền sóng và tần số thu phát Thông thường, khoảng phân cách vài bước sóng là đủ đảm bảo các tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tập thời gian và tần số sử dụng băng thông không hiệu quả, phân tập không gian đảm bảo sử dụng hiệu quả băng thông Đây là một đặc tính rất hấp dẫn cho việc phát triển truyền thông vô tuyến tốc độ cao trong tương lai

Phân tập phân cực và phân tập góc là 2 dạng của phân tập không gian Trong phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân cực ngang được phát bằng 2 anten phân cực khác nhau và thu bằng 2 anten phân cực khác nhau Sự khác nhau về phân cực đảm bảo 2 tín hiệu không tương quan mà không

cần phải đặt 2 anten cách xa nhau Phân tập góc được sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10Ghz Trong trường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong không gian nên các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau Từ đó 2 hoặc nhiều anten định hướng để thu từ các hướng khác nhau ở máy thu sẽ tạo ra bản sao của tín hiệu phát không tương quan

Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu ta phân loại phân tập không gian thành phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát Tin được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten Còn trong phân tập thu thì nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading đa đường

Hiện nay, phân tập phát và phân tập thu được kết hợp để nâng cao hơn nữa hiệu năng của hệ thống Trong các hệ thống thực tế, thường sử dụng kết hợp các

kỹ thuật phân tập, gọi là phân tập đa chiều (multidimensional diversity), để đảm bảo chất lượng hệ thống với thiết kế tối ưu nhất Thí dụ, trong hệ thống di động GSM, nhiều anten được đặt tại trạm gốc kết hợp với kỹ thuật Interleaving và mã hoá sửa lỗi để khai thác đồng thời hiệu năng của phân tập không gian và phân tập thời gian

4.2.3 Phân tập tần số:

Kỹ thuật phân tập tần số sử dụng nhiều tần số khác nhau để truyền tải cùng một bản tin Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủ lớn để ảnh hưởng của fading lên các tần số này là độc lập nhau Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng có khái niệm băng thông kết hợp (coherence bandwidth) Tuy nhiên, thông số này sẽ thay đổi tương ứng với các môi trường truyền sóng

khác nhau Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng sử dụng băng

thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều tần số

4.3 Mô hình hệ thống MIMO: