Cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động Mimo OFDMA

Cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động Mimo OFDMA Cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động Mimo OFDMA Cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động Mimo OFDMA luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- LẠI TRƯỜNG XUÂN

CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG MIMO-OFDMA

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ Thuật Truyền Thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS Nguyễn Văn Đức

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu các nguồn tài liệu đã học Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các kết quả nghiên cứu hoàn toàn không giống với bất kỳ kết quả luận văn nào khác Các số liệu và dữ liệu là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghệ viễn thông đã chứng kiến những phát triển ngoạn ngục trong những năm gần đây Khi mà công nghệ mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G chưa có đủ thời gian để khẳng định vị thế của mình trên toàn cầu, người ta triển khai công nghệ 4G (Fourth Generation) từ nhiều năm gần đây Đặc tính được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối mọi lúc, mọi nơi Để thỏa mãn được điều đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau), kết nối, tích hợp nhau trên nền toàn IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa mốt (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau Mạng 4G lấy tâm điểm là người dùng, cung cấp kết nối băng rộng với tốc độ cao tới 100Mb/s và cơ chế nhằm đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực

Với một sự gia tăng mạnh mẽ trong số lượng người dùng truy cập vào các dịch

vụ thông tin di động, có một nhu cầu đó là cần sử dụng hiệu quả băng tần phù hợp với đa người sử dụng với tốc độ dữ liệu cao hơn, phản ứng nhanh hơn và nhiều hơn nữa đường truyền đáng tin cậy Nhưng rất khó để đáp ứng những tập hợp đa dạng các yêu cầu của người sử dụng, băng thông và hạn chế hiệu suất của hệ thống và hơn nữa các yếu tố như nhiễu ISI, ICI và các hiện tượng dịch tần, dịch thời gian hạn chế việc sử dụng hiệu quả của các kênh Một hệ thống MIMO-OFDMA có tiềm năng lớn về cung cấp dung lượng rất lớn do sự đa dạng của không gian-tần số tích hợp và đa dạng nhiều người truy cập MIMO-OFDMA được đánh giá là một công nghệ quan trọng để cải thiện sự linh hoạt và hiệu quả của các hệ thống không dây trong tương lai

Cấp phát kênh động cho hệ thống đa người dùng MIMO-OFDMA có thể được xem như là quá trình sử dụng hiệu quả các kênh sẵn có cho từng người sử dụng làm gia tăng hiệu suất của hệ thống Thuật toán đề xuất một kế hoạch cho các hệ thống MIMO-OFDMA tối ưu hóa phân phối kênh, các sóng mang đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Việc thực hiện các thuật toán thiết kế được đánh giá bằng cách sử dụng các kỹ thuật như V-BLAST, ZF, MMSE trong trường hợp kênh tương quan và không tương quan

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức, thầy TS Nguyễn Quốc Khương đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn, đồng thời tạo điều kiện sử dụng thiết bị phòng Lab Rất mong nhiều ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để luận văn và nghiên cứu được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CƠ SỞ MIMO-OFDMA 9

1.Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 9

1.1.Tổng quan về hệ thống OFDM 9

1.1.Khái niệm trực giao 10

1.2.Bộ điều chế OFDM 10

1.3.Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 14

1.4.Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 15

1.5.Bộ giải điều chế OFDM 16

1.6.Ưu-nhược điểm của OFDM 17

2.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA 18

2.1.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA 18

2.2.Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA 23

2.3.Ưu điểm của công nghệ OFDMA 25

2.4.Các phương pháp cấp phát kênh 26

2.4.1.Phương pháp cấp phát cố đinh OFDMA 26

2.4.2.Phương pháp cấp phát ngẫu nhiên OFDMA 26

3.Các mô hình hệ thống thông tin không dây 27

3.1.Hệ thống SISO 27

3.2.Hệ thống SIMO 28

3.3.Hệ thống MISO 28

3.4.Hệ thống MIMO 28

3.4.1.Phân tập tần số 29

3.4.2.Phân tập thời gian 30

3.4.3.Phân tập không gian 30

3.4.3.1.Tăng ích dãy 31

3.4.3.2.Tăng ích phân tập và giảm tỷ lệ lỗi bit 32

3.4.3.3.Tăng dung lượng kênh truyền 32

3.4.3.4.Tăng vùng phủ sóng 33

3.4.3.6.Kết hợp lựa chọn 34

3.4.3.7.Tối đa hóa tỷ lệ kết hợp 34

3.4.4.Phân tập phát 36

3.4.4.1.Phân tập phát vòng mở 36

3.4.4.2.Phân tập phát vòng đóng 38

3.5.Hệ thống MIMO-OFDMA 38

CHƯƠNG II : CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO HỆ THỐNG 42

MIMO-OFDMA 42

1 Vấn đề đặt ra cho hệ thống MIMO-OFDMA 42

2 Mô hình hệ thống 43

3 Cơ chế cấp phát kênh 45

4 Thuật toán cấp phát kênh động 46

5 Mô hình kênh Monte Carlo 48

6 Mô hình kênh One-Ring 49

7 Các tham số của hệ thống 51

CHƯƠNG III : KÊNH TƯƠNG QUAN MIMO VÀ CÂN BẰNG KÊNH CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDMA 52

1.Kênh tương quan MIMO 52

2.Cân bằng kênh cho hệ thống MIMO-OFDMA 54

2.1.Bộ lọc tín hiệu ZF 55

2.2.Bộ lọc tín hiệu MMSE 58

3.Đề suất giải thuật V-BLAST cho hệ thống MIMO-OFDMA 61

3.1.V-BLAST/ZF 62

3.2.V-BLAST/MMSE 64

3.3 Hệ thống MIMO-OFDMA V-BLAST 65

CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 67

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tổng quan một hệ thống OFDM 9

Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM 11

Hình 1.3 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 14

Hình 1.4 Khoảng bảo vệ trong OFDM 14

Hình 1.5 Bộ giải điều chế OFDM 16

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM 21

Hình 1.7 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA 22

Hình 1.8 Cấp phát dữ liệu đến các user 23

Hình 1.10 Phân loại hệ thống thông tin không dây 27

Hình 1.11 Mô hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu 29

Hình 1.12 Mô hình kết hợp lựa chọn 34

Hình 1.13 Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp 35

Hình 1.14 Mô hình phân tập phát vòng đóng 38

Hình 1.15 Mô hình hệ thống MIMO-OFDMA 39

Hình 1.16 Sơ đồ khối MIMO-OFDMA với mỗi người dùng 41

Hình 2.1 Hệ thống MIMO-OFDMA 43

Hình 2.2 Cấu trúc khung MAC 45

Hình 2.3 Cấp phát kênh cho MS 45

Hình 2.4 Thuật toán cấp phát kênh động 46

Hình 2.5 Phỏng tạo theo phương pháp Monte Carlo tần số Doppler 48

Hình 2.6 Mô hình một vòng tròn cho một phần tử 2x2 MIMO với các phần tử phân tán xung quanh MS 49

Hình 2.7 Tham số của hệ thống MIMO-OFDMA 51

Hình 3.1 Kênh tương quan không gian 52

Hình 3.3 Phân loại các bộ lọc 54

Hình 3.4 Kiến trúc bộ thu MIMO-OFDMA sử dụng thuật toán V-BLAST 62

Hình 3.5 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 63

Hình 3.6 Máy thu V-BLAST MMSE 65

Hình 3.7 Hệ thống MIMO-OFDMA V-BLAST 66

Hình 4.1 Tham số hệ thống MIMO-OFDMA 67

Hình 4.2 So sánh ZF and MMSE , VBLAST/ZF, VBLAST/MMSE khi sử dụng mô hình kênh Monte Carlo (MCM) 68

Hình 4.3 SER trong trường số lượng người dùng khác nhau sử dụng ZF và 69

V-BLAST/ZF 69

Hình 4.4 Trường hợp 5 người dùng, tấn số Doppler 50Hz và sử dụng bộ lọc ZF ,V-BLAST/ZF 70

Hình 4.5 So sánh ZF and MMS, VBLAST/ZF, VBLAST/MMSE trong trường hợp OCM (Mô hình kênh One-Ring) 71 Hình 4.6 SER của ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong trường hợp

MCM (kênh Monte Carlo) 72 Hình 4.7 SER của V-BLAST/ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong

trường hợp MCM (kênh Monte Carlo) 72 Hình 4.8 SER của ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong trường hợp

OCM (kênh One-Ring) 73 Hình 4.9 SER của V-BLAST/ZF với sự thay đổi hệ số ma trận tương quan 𝜌 trong

trường hợp OCM (kênh One-Ring) 74

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng (nhiễu cộng)

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái của kênh

truyền CSMA

DCA Dynamic Channel Allocation Cấp phát kênh động

DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số

DVB-T Digital Video Broadcasting –

Terrestrial

Truyền hình số mặt đất

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Furier nhanh

HIPER

LAN/2

High Performance Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

IEEE Institute of Electrical and

Electronic Engineers

Viện của các kỹ sư điện và điện tử

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí tự

ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu

ra MISO Multiple Input Single Output Hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra MMSE Minimum Mean Square Error Trung bình bình phương tối thiểu

QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương

SISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào một đầu ra SIMO Single Input Multiple Output Hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra SNIR Signal to Interference-plus-Noise

Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian

WiMax Worldwide Interoperability for

CHƯƠNG I : LÝ THUYẾT CƠ SỞ MIMO-OFDMA 1.Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

1.1.Tổng quan về hệ thống OFDM

Tổng quan hệ thống OFDM được trình bày ở hình 1.1 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số/ tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng

(additive white Gaussian noise – AWGN)

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu,

và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

Điều chế ở

băng tần cơ

sở

Chèn mẫu tin dẫn đường IFFT

Chèn chuỗi bảo vệ

Kênh vô tuyến

Tách mẫu tin dẫn đường

Giải điều chế

ở băng tần cơ

sở

Cân bằng kênh

+

Khôi phục kênh truyền

Nguồn

bit

Nhiễu trắng (AWGN)

Hình 1.1 Tổng quan một hệ thống OFDM [5]

Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được tại phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm 2 luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu

1.1 Khái niệm trực giao

Về mặt toán học xét tập các tín hiệu ψ với  là phần tử thứ p của tập, điều pkiện để các tín hiệu trong tập ψ trực giao đôi một với nhau là :

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn

lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức jp s t

( 1) ( 1)

( )

* ( )

Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích

phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu

chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho

ra kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc của phép giải điều chế

Xung cơ sở (Basic impulse)

Hình 1.2 Bộ điều chế OFDM [5]

Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành N kênh con, với chỉ c

số của các kênh con là n,

NFFT = 2 L + 1

Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu { }a được chia thành N1 FFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i n, } lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d }k n, , với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK,… Các mẫu tín hiệu phát {d }k n, lại được nhân với xung cơ sở (basic impulse) g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi sóng mang Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau :

Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về

sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễu xuyên tín hiệu ISI thông qua sự sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard interval) Do vậy tín hiệu OFDM trước khi truyền đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI

Bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT:

Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự :

( ) '

=−

(1.8)

Hình 1.3 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT [5]

Phép biểu diễn tín hiệu OFDM ở p/t (1.8) trùng hợp với phép biến đổi IDFT Do vậy, bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp N FFT là bội số của 2, phép biến đổi IDFT được thay thế bằng phép biến đổi nhanh IFFT

1.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Hình 1.4 Khoảng bảo vệ trong OFDM

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là T như hình Chuỗi bảo vệ là s

một chuỗi tín hiệu có độ dài là T ở phía sau sao chép lên phần phía trước của mẫu G

tín hiệu này Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc này được giải thích như sau:

Giả thiết máy phát phát đi một tín hiệu hình sin có chiều dài T Sau khi chèn s

chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T= + Do hiệu ứng phân tập đa đường, T s T G

tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ khác nhau Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng của tín hiệu tất cả các tuyến Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn thường gây ra nhiễu xuyên tín hiệu ISI Tuy nhiên trong hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ loại bỏ được nhiễu này Giả thiết khoảng trễ truyền dẫn lớn nhất là max, nếu T G max thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích T không bị s

chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, chuỗi bảo vệ sẽ bị gạt bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM Điều kiện quyết định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là :

1.4 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian

Mẫu tin dẫn đường có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian Tuy nhiên khoảng cách giữa hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian Ở miền tần số,

sự biến đổi của của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh max (maximum propagation delay) Với ký hiệu rf là tỷ số lấy mẫu (oversampling rate) ở miền tần số, f là khoảng cách liên tiếp giữa 2 sóng mang s

phụ, khoảng cách giữa 2 mẫu tin dẫn đường ở miền tần số D f phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

thỏa mãn điều kiện lấy mẫu, có nghĩa rf <1, thì kênh truyền không thể khôi phục lại được hoàn toàn thông qua mẫu tin dẫn đường

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của hai mẫu tin dẫn đường liên tiếp D cũng phải thỏa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian t

Sự biến đổi của hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler f D m, ax Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách D phải thỏa t

1.5 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.5 Bộ giải điều chế OFDM [5]

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở hình 1.5 Tín hiệu đưa vào bộ giải điều chế là u(t) Với tín hiệu phát m(t) ở p/t (1.8), biểu diễn của u(t) được viết tiếp dưới dạng:

, 0

- Lọc khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

- Giải điều chế ở các sóng mang phụ

- Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

Ngược lại với bộ điều chế, bộ giải điều chế có thể thực hiện thông qua phép biến đổi nhanh FFT

1.6 Ưu-nhược điểm của OFDM

Ưu điểm :

➢ Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công việc xử lí băng gốc

➢ Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống

➢ Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau

➢ Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

➢ Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của

sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với

hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

➢ Cấu trúc bộ thu đơn giản

2.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

2.1.Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

Tùy từng HTTT mà phát triển những công nghệ đa truy nhâp phù hợp nhằm đạt được những yêu cầu mong muốn trong truyền tải tin tức, ví dụ như việc sử dụng hiệu quả phổ tần… Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên một cách hiệu quả cho user Tuỳ thuộc vào việc sử dụng tài nguyên để phân bổ cho các user mà các công nghệ này được phân chia thành: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian

(TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần

số trực giao (OFDMA) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

là phương thức đa truy nhập kết hợp kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) và phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Hệ thống điều chế OFDM được mô tả như sau:

Nguồn bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như PSK (Phase Shift Keying), M-QAM ( M_ary QAM) Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số sẽ được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số- tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng

Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được phát cùng với tín hiệu có ích với mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Sau khi nhận được dòng frame OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu được chính xác frame OFDM đã gửi Sau đó sẽ tới công đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi FFT kết quả thu được Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được sẽ bị biến dạng

Do vậy để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục.Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất

là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ ước lượng kênh truyền và đồng bộ thời gian/ tần số Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh

để khôi phục lại tín hiệu ban đầu Tín hiệu sau khi được khôi phục là dòng tín hiệu QAM Bởi vậy, ta tiếp tục giải điều chế ở băng tần cơ sở (QAM demodulation) để thu được dòng bít đã truyền đi ban đầu

Ưu- nhược điểm của hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM

Ưu điểm: Giảm được Fading chọn lọc tần số >> Làm cho Ts tăng nên tránh ảnh

hưởng được của độ trải trễ

➢ Loại bỏ được nhiễu ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

➢ Tốc độ bits tăng bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng

➢ Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ

Nhược điểm: Ts xảy ra Fading nhanh ( kênh phụ thuộc thời gian)

Tách chuỗi bảo vệ

Giải điều chế

DAC

Chèn chuỗi bảo vệ

Tách mẫu tin dẫn đường

Khôi phục kênh

MOD MOD

: : : :

Trong OFDMA, tín hiệu gửi tới các thiết bị đầu cuối được điều chế trên các kênh truyền (sóng mang phụ) và các khe thời gian (time slot) trực giao nhằm mục đích tránh nhiễu sóng Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); Điểm khác với chuẩn FDMA là các sóng mang OFDMA cho các user khác nhau là rất gần với nhau và cho phép các sóng mang vật lý có thể thay đổi từ symbol này đến symbol khác Và nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các sóng mang con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng

Hình 1.7 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA

Dải băng tần trong hệ thống OFDMA được chia làm 3 phần chính:

➢ Dải băng tần bảo vệ

➢ Sóng mang con dùng để mang kí tự dẫn đường (pilot): có 2 loại pilot subcarrier là kí tự pilot có vị trí cố định và kí tự pilot có vị trí thay đổi Các

kí tự dẫn đường được dùng để ước lượng kênh truyền tại phía thu

➢ Các sóng mang được sử dụng bởi các user, được dùng để mang dữ liệu của user

Hình 1.8 Cấp phát dữ liệu đến các user

Dữ liệu người dùng được ánh xạ vào miền chữ nhật Miền chữ nhật với tung độ

là subchannel( mỗi nó là tổ hợp các subcarriers theo qui luật nào đó) Còn trục hoành là các kí hiệu OFDM Đơn vị trong OFDM là Slot, mỗi Slot là một Sub-channel với 1, 2 or 3 kí hiệu OFDM tùy thuộc chế độ hoán vị khác nhau (hoán vị phan tán và liền kề)

2.2 Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA

Về nguyên lý, OFDMA phát triển dựa trên công nghệ OFDM nên có nhiều điểm giống So với OFDM thì OFDMA là nguyên lý đa truy nhập/ ghép kênh cung cấp

khả năng ghép kênh các luồng dữ liệu từ nhiều người dùng trên các kênh con hướng xuống và đa truy nhập hướng lên nhờ các kênh con hướng lên

OFDMA sử dụng giống với kỹ thuật OFDM, nhưng thêm vào chức năng chia tổng số sóng mang bằng cách sử dụng tín hiệu OFDM gộp thành các nhóm của các sóng mang không kề nhau, mà những user khác nhau được chỉ định các sóng mang khác nhau Điều này là cần thiết với việc chia tổng số sóng mang OFDM để cho nhiều hơn một người sử dụng ở một thời điểm OFDMA cho phép nhiều người dùng cùng truy cập vào một kênh truyền bằng cách phân chia một nhóm các sóng mang con (subcarrier) cho một người dùng tại một thời điểm Ở các thời điểm khác nhau, nhóm sóng mang con cho một người dùng cũng khác nhau OFDMA được dùng trong công nghệ mạng 802.16e (WiMAX di động), 3G LTE, …

User 1

Cấp phát sóng mang con với điều chế khác nhau

Điều chế thích ứng

IDFT Chèn dải

bảo vệ

Tách chuỗi bảo vệ

S/P

Thông tin kênh từ UserK

Bộ cấp phát tài nguyên

AWGN w(n)

User N

Điều chế thích ứng Điều chế thích ứng

DFT

Tách sóng mang con cho UserK

Công suất

tổng cực đại

Suy giảm tín hiệu UserK

xf(n)

yf(n)y(n)

Y(n)

h(n)

Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống OFDMA Đầu vào của hệ thống OFDMA như sơ đồ hình 1.9, các người dùng khác nhau với các thông số khác nhau được cấp phát các sóng mang con và điều chế khác nhau.Tùy thuộc vào tài nguyên hệ thống và thông tin kênh từ các người dùng bộ cấp

phát tài nguyên sẽ cấp phát cho người dùng khác nhau cũng khác nhau Sóng mang con của mỗi người dùng sẽ được chuyển tới các bộ điều chế thích ứng riếng Qua bộ điều chế thích ứng, được đưa tới khối IDFT, khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên kí tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng AWGN…Và ảnh hưởng do suy giảm tín hiệu

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó tùy thuộc vào việc cần khôi phục lại thông tin cho người dùng nào, khối lọc sóng mang con sẽ căn cứ vào bộ cấp phát tài nguyên để lọc riêng sóng mang con tương ứng cho người dùng đó Cuối cùng qua một bộ điều chế thích ứng cho người dùng thứ k nào

đó, thông tin của người dùng này được khôi phục lại hoàn toàn

OFDMA có một số ưu điểm như khả năng linh hoạt tăng, thông lượng và tính ổn định được cải tiến Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền phát của các thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào,

do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy cập –MAI (Multiplex Access interference) Hơn nữa, hiện tượng các kênh con cho phép tập trung công suất phát qua một số lượng các kênh con ít hơn Kết quả này làm tăng số đường truyền dẫn đến tăng phạm vi và khả năng phủ sóng

2.3 Ưu điểm của công nghệ OFDMA

Được phát triển dựa trên công nghệ OFDM, đã thừa kế được các ưu điểm của OFDM Bên cạnh đó bằng các kỹ thuật khác nhau để đáp ứng và quản lý đa truy nhập công nghệ OFDMA có những ưu điểm vượt trội:

✓ Có khả năng phục vụ cùng lúc nhiều người dùng với nhiều dịch vụ yêu cầu

✓ Cho phép thích ứng với nhiều dạng điều chế sóng mang như QPSK, QAM, 64-QAM và 256- QAM

16-✓ Có khả năng cho phép phân chia các sóng mang trong đa ứng dụng

✓ Tạo ra sự đa dạng về tần số bằng cách trải tất cả sóng mang trên phổ tần sử dụng

Cho phép hệ thống làm việc với 100% tần số tái sử dụng nhờ kỹ thuật hoán vị sóng mang con đặc biệt

2.4.Các phương pháp cấp phát kênh

2.4.1.Phương pháp cấp phát cố đinh OFDMA

Phương pháp cấp phát cố định trong OFDMA cho giao tiếp đa người dùng , những người dùng khác nhau sẽ được gán vào các sóng mang con khác nhau và các sóng mang con được gán cho mỗi người dùng được duy trì trong suốt thời gian mà người sử dụng hoạt động Do đó, phương pháp này được biết đến với khả năng thích ứng kém cũng như không có cơ chế chống nhiễu

2.4.2.Phương pháp cấp phát ngẫu nhiên OFDMA

Trong phương pháp cấp phát OFDMA ngẫu nhiên,việc cấp phát chỉ đơn thuần căn cứ vào sự bận rỗi của tập hợp các sóng mang con để người dùng chiếm các sóng mang con khác nhau như được thể hiện trong hình vẽ dưới đây.Tuy nhiên nó không

có bất kỳ một sự chú ý đến can nhiễu trong mạng Sau khi lựa chọn, người dùng này bắt đầu phát sóng dựa trên những sóng mang con đã chọn Giả thiết trong quá trình truyền dẫn một vài sóng mang con có thể không đáp được chất lượng dịch vụ thì các sóng mang còn này sẽ được giải tỏa và cấp cho các User mới Đặc điểm của phương pháp này là đơn giản, tuy nhiên nó không có cơ chế chống nhiễu đặc biệt là nhiễu đồng kênh cho mạng

3 Các mô hình hệ thống thông tin không dây

Các mô hình hệ thông tin không dây có thể phân loại thành bốn hệ thống thông tin cơ bản như SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình sau

SISO

Single Input Single Output

SIMO Single Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MIMO Multiple Input Multiple Output

3.2 Hệ thống SIMO

Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống một phía sử dụng một anten, phía con lại

sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu gọi là hệ thống SIMO Trong hệ thống này máythu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MRC (Maximal-Ratio Receive Combining) Khi các máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm log của số anten thu

Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thông hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất , triệt can nhiễu Kỹ thuật MIMO có thể tăng một cách đáng kể hiệu năng của hệ thống, mà không cần yêu cầu tăng dung lượng kênh truyền Do được sử dụng trong hệ thống băng rộng và tốc độ truyền dữ liệu lớn, kênh MIMO chịu ảnh hưởng nặng nề của hiệu ứng lựa chọn tần số

TX Nt

TX1

RX Nr RX2 RX1

Hình 1.11 Mô hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu

Tín hiệu nhận được tại phía thu có dạng :

n Hs

- y : tín hiệu thu được

- n : nhiễu trên kênh truyền

- H : ma trận đáp ứng của kênh truyền

3.4.1 Phân tập tần số

Trong phân tập tần số , một vài tần số được dùng để phát cùng một tín hiệu Các tần số cần cách nhau một khoảng lớn hơn hoặc băng thông kết hợp để tạo pha-đing độc lập Băng thông kết hợp sẽ khác nhau với các môi trường khác nhau Trong những hệ truyền thông di động, những bản sao tín hiệu phát được đưa tới nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền tần số bằng tín hiệu trải phổ Các kỹ thuật trải phổ sẽ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh là nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn dải thông tin tín hiệu trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ so với chu kỳ ký hiệu (kênh phẳng) Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hữu hiệu trong việc phân tập tần số Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm

3.4.2 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách phát những mẫu tín hiệu giống nhau trong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có được các tín hiệu pha-đing không tương quan tại đầu thu Yêu cầu của phương pháp này là khoảng thời gian giữa các lần phát bản sao phải ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh Trong truyền thông di động, mã sửa sai được kết hợp với bộ xáo trộn để đạt được phân tập thời gian Trong trường hợp này, những bản sao của tín hiệu phát thường được đưa tới bên thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian bằng bộ mã sửa sai Khoảng thời gian lọc biệt giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng bộ xáo trộn để thu được pha-đing độc lập tại lối vào của bộ giải mã Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải

mã trễ, ky thuật này thường rất hiệu quả với môi trường pha-đing nhanh( tốc độ di chuyển lớn) khi mà thời gian kết hợp là nhỏ Với kênh pha-đing chậm, một bộ xáo trộn lớn có thể dẫn tới trễ rất lớn và không thể dùng cho những ứng dụng thời gian thực như video, âm thanh… Chính vì vậy, phân tập thời gian không thể giúp giảm được suy hao pha-đing Một nhược điểm đó là mô hình này tạo ra sự dư thừa miền thời gian nghĩa là làm lãng phí băng thông

3.4.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thông không dây và còn gọi là phân tập anten Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những anten sắp xêp cùng nhau trong không gian để truyền nhận tín hiệu Những anten được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu trên từng anten không tương quan Khoảng cách này thay đổi theo độ cao anten, môi trường lan truyền tần sô Thường thì khoảng cách này bằng một vài bước song là đủ để có được những tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, những bản sao tín hiệu phát thường được gửi tới máy thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm suy giảm hay mất mát về hiệu suất phổ Tính chat này cho thấy đây là kỹ thuật thích hợp với sự phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai

Một ưu điểm lớn của phân tập không gian là khi các anten có khoảng cách thích hợp thì hệ thống có thể tránh được phần lớn hiện tượng suy giảm sâu ( deep fades ) Lợi ich này có thể đạt được mà không cần sử dụng thêm băng thông hay tăng công suất truyền Ngoài ra, hệ thống MIMO còn có các ưu điểm khác:

- Tăng độ tin cậy của hệ thống ( giảm lỗi bit, lỗi ký tự)

- Tăng dung lượng hệ thống

- Mở rộng vùng phủ sóng

- Giảm công suất phát yêu cầu

3.4.3.1 Tăng ích dãy

Những lợi ích đạt được khi sử dụng hệ thống nhiều anten tại phía thu gồm có :

- Tăng ích phân tập : đạt được do sự tăng lên thống kê số lượng kênh truyền giữa phía phát và phía thu

- Tăng ích dãy: tỷ số SNR tăng tỷ lệ với số anten thu Đạt được do sự tổng hợp tín hiệu nhận được trên hệ thống anten thu

Với hệ thống gồm 1 anten phát , N anten thu ( 1x r N ), kênh truyền là kênh r

phẳng, gọi h i là đáp ứng kênh truyền từ anten phát tới anten thu i, với (1, )

r

i N Tín hiệu thu được tại mỗi anten :

i i

 : là công suất nhiễu 2

Tổng hợp tín hiệu trên hệ thống anten thu :

Nr

i

y y

1 1

(1.21)

Tỷ số SNR sau khi kết hợp :

Từ công thức (1.22) ta thấy : tỷ số SNR tăng tuyến tính với số lượng anten thu

3.4.3.2 Tăng ích phân tập và giảm tỷ lệ lỗi bit

Mục tiêu chính của phân tập không gian là tăng độ tin cậy của hệ thống bằng

cách giảm độ nhạy cảm đối với hiện tượng fading Độ tin cậy của hệ thống thường

được đo bằng xác xuất xảy ra lỗi bit (BEP) Khi không sử dụng phân tập không

gian:

1 1

Khi sử dụng N anten phát và t N anten thu, gọi r N = d N r N : Bậc phân tập t

(diversity order) là số kênh không tương quan giữa phía phát và phía thu

Trong N kênh , xác xuất để tất cả các kênh xấu là rất thấp Do đó phân tập d

không gian giúp cải thiện chất lượng truyền Giá trị trung bình của BEP khi có sử

dụng phân tập không gian:

2

d

N b

P  c −

(1.24)

Từ công thức ta thấy : xác suất xảy ra lỗi bit giảm khi tăng số lượng anten thu

3.4.3.3 Tăng dung lượng kênh truyền

Theo Shannon dung lượng của một kênh truyền với bề rộng băng tần B và bị

can nhiễu trắng với tỷ số của công suất tín hiệu trên tạp âm trung bình là γ được

cho bởi công thức :

log (1 )

(1.25)

Trong đó : C là dung lượng kênh

B : băng thông kênh

Một lợi ích khác của phân tập không gian là tăng diện tích vùng phủ sóng Ta

biết công thức xác định khoảng cách truyền từ máy phát tới máy thu P T =P D R − Trong đó, P là công suất máy phát, T P là công suất thu được tại máy thu, D là R

khoảng cách từ BS tới MS P cố định, T D max khi (P R)min nhưng phía thu vẫn còn có thể phân biệt được các tín hiệu Theo như phần trên, phân tập không gian làm tăng

độ tin cậy, tăng SNR của hệ thống Do đó, với cùng (P R)min thì D max khi dùng phân tập không gian sẽ được mở rộng hơn

3.4.3.5 Phân tập thu

Dạng phổ biến nhất của phân tập không gian chính là phân tập thu, và thường

sử dụng 2 anten thu Có thể thấy được các ví dụ của dạng phân tập này như là các anten của access point trong mạng wifi Trong kỹ thuật phân tập thu, không có một yêu cầu cụ thể nào cho phía phát, tuy nhiên ở phía thu yêu cầu một quá trình xử lý

r

N luồng dữ liệu nhận được và kết hợp chúng theo thuật toán nhất định

Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét 2 thuật toán kết hợp: kết hợp lựa chọn (SC)

và tối đa hóa tỷ lệ kết hợp (MRC) Mặc dù phân tập thu mang lại hiệu quả cao trong

xét trong môi trường fading phẳng, trong trường hợp này tín hiệu nhận được bởi mỗi anten thu N là không tương quan và có cùng công suất trung bình r

có tín hiệu tốt nhất

y

Hình 1.12 Mô hình kết hợp lựa chọn

Do bỏ qua những luồng tín hiệu còn lại, phương pháp kết hợp này chưa phải là tối ưu Tuy nhiên, do tính đơn giản, không yêu cầu cao về phần cứng, trong một số trường hợp phương pháp này vẫn được lựa chọn

3.4.3.7 Tối đa hóa tỷ lệ kết hợp

Theo đúng như tên gọi, thuật toán này hợp kết hợp thông tin từ tất cả các nhánh

sao cho có được tỷ lệ thông tin trên nhiễu là lớn nhất

Hình 1.13 Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp

MRC làm việc bằng cách đánh trọng số cho mỗi nhánh j i

q = q e  , tín hiệu nhận được trên mỗi nhánh được biểu diễn dưới dạng ( ).x t h , với i j i

h = h e  Tín hiệu tổng hợp được biểu diễn theo biểu thức:

2 2

Trong đó : x là năng lượng truyền tín hiệu

Biểu thức đạt giá trị lớn nhất khi thỏa mãn điều kiện : q i*2 = h1 /2

Khi đó ta có :

2 1 2

Như vậy , nếu như chọn được trọng số kết hợp hợp lý , giá trị SNR kết hợp sẽ bằng tổng giá trị SNR của các nhánh

3.4.4 Phân tập phát

Phân tập phát là kỹ thuật sử dụng nhiều anten tại phía phát để truyền tín hiệu

Vì tín hiệu được phát trên hệ thống anten có ảnh hưởng lẫn nhau, nên quá trình xử

lý tín hiệu phải được thực hiện tại cả phía phát, thu để đạt được sự phân tập và làm giảm đi sự giao thoa tín hiệu trong không gian Phân tập phát thực sự hấp dẫn đối với các hệ thống phụ thuộc nhiều vào cơ sở hạ tầng, như Wimax, vì nó làm giảm

bớt gánh nặng cho hệ thống các anten phát (về mặt công suất cũng như kích thước)

Phân tập phát được chia làm 2 loại chính : vòng đóng và vòng mở Trong hệ thống vòng mở không yêu cầu phía phát phải có đầy đủ thông tin về kênh truyền Ngược lại, trong hệ thống vòng đóng cần có một đường feedback để cung cấp thông tin về kênh truyền cho phía phát

3.4.4.1 Phân tập phát vòng mở

Mô hình thường gặp của phân tập phát vòng mở là mã hóa không gian- thời gian( space time coding ) , trong đó một đoạn mã đã được biết trước tại phía thu sẽ được thêm vào tại phía phát Có rất nhiều dạng mã hóa , nhưng ở đây chúng ta chỉ tập trung vào dạng mã khối không gian – thời gian (STBC) STBC có thể được sử dụng một cách dễ dàng và được ứng dụng trong hệ thống Wimax

Dạng đơn giản nhất của STBC là hệ thống bao gồm 2 anten phát và 1 anten

thu Giả sử có 2 symbol được phát đi là s1 và s2, mã Alamouti cũng được gửi kèm

đi theo 2 symbol theo thời gian:

Antenna

−

Thay vì tăng trực tiếp tốc độ dữ liệu, mã hóa không gian – thời gian tận dụng

sự phân tập không gian của kênh truyền Xét với kênh fading phẳng, h t là đáp 1( )

ứng của kênh truyền từ anten 1 tới phía thu, h t là đáp ứng của kênh truyền từ 2( )

anten 2 tới phía thu Do kênh là cố định nên trong thời gian phát đi 2 symbol ta có:

Biểu thức (1.33) khá giống với biểu thức tính tỷ lệ SNR của MRC Tuy nhiên

trong STBC công suất phát của mỗi anten giảm đi một nửa Nguyên nhân là do mỗi



Như vậy với mã khối không gian–thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu không bị suy giảm nhưng ta vẫn đạt được độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2 anten thu Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như trên, sau đó sẽ được tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu)

Công nghệ hệ thống viễn thông 4G đă gây ấn tượng về tăng yêu cầu về tốc độ

dữ liệu cao so với công nghệ 3G hiện hành Chìa khóa của hệ thống 4G nằm ở nền tảng lớp vật lý, OFDM , sự lựa chọn tần số kênh vô tuyến Ứng dụng MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) kết nối với công nghệ OFDMA là bước kế tiếp của chìa khóa công nghệ vô tuyến 4G

Ở công nghệ OFDMA, các kênh được định nghĩa và chia sẻ giữa các người dùng ngay trong hệ thống, nó có mục đích sử dụng tối đa các kênh truyền, cùng lúc

đó việc sử dụng đa anten ở cả phía thu và phát (MIMO) sẽ làm tăng tốc độ truyền