Kỹ thuật mã hóa và ước lượng kênh truyền trong hệ thống mimo ofdm

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu về kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian và ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM ứng dụng trong các mạng không dây được trình bày trong 7 chương của lu

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN MAI TỐ HOÀNG

KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008

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

TS.NGUYỄN QUỐC LÂN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 07 năm 2008

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN MAI TỐ HOÀNG Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1979 Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Khoá (Năm trúng tuyển): 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tìm hiểu lý thuyết MIMO-OFDM: kỹ thuật phân tập đa anten phát & thu, công

thức toán, tính ứng dụng, nhất là nêu ra các mặt ưu việt cũng như các mặt hạn chế

cần khắc phục

- Tìm hiểu và đưa ra phương pháp mã hóa & giải mã trong hệ thống

MIMO-OFDM: giải thuật xác suất cực đại ML (Maximum Likelihood) và giải thuật xác

suất có điều kiện tối ưu MAP (Maximum A Posterior)

- Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM trong kênh fading lựa

chọn tần số biến đổi theo thời gian

- Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi

của chúng

- Đánh giá kết quả mô phỏng, kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CBHD 1: Tiến sĩ Nguyễn Quốc Lân

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Lời cảm ơn

Cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử – Viễn thông trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã thắp sáng và truyền đạt cho tôi nguồn kiến thức vô cùng quý báu là cơ sở và nền tảng cho quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn cô Phan Hồng Phương đã định hướng và nhiệt tình chỉ dẫn những kinh nghiệm cần thiết trong suốt thời gian vừa qua

Cảm ơn những bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt công việc cũng như khóa học này

Cảm ơn gia đình &người thân luôn nhắc nhở và dõi theo tôi, cho tôi niềm tin và nghị lực hoàn thành đề tài này

Xin trân trọng ghi nhớ không bao giờ quên!

Tp.HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài tập trung tìm hiểu và mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM với các mã hóa không gian-thời gian khác nhau Quá trình giải mã và khôi phục tín hiệu cần phải có các thông tin cần thiết trạng thái kênh do đó giải thuật phải kết hợp với việc ước lượng các tham số kênh truyền ở phía thu

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI BAO GỒM

9 Đưa ra được các giải thuật mã hóa & giải mã không gian-thời gian

¾ Mã hoá khối không gian-thời gian: mã hóa Alamouti và mã STBC

¾ Mã hóa Turbo: mã khối Turbo và mã xoắn Turbo

9 Đưa ra được giải thuật ước lượng ước lượng kênh truyền: giải thuật ước lượng theo phương pháp chuỗi huấn luyện tối ưu

9 Mô phỏng Matlab các thiết kế dựa trên các giải thuật đã tìm hiểu

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu về kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian và ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM ứng dụng trong các mạng không dây được trình bày trong 7 chương của luận văn:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

Chương 3: Kỹ thuật MIMO-OFDM

Chương 4: Kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian

Chương 5: Kỹ thuật ước lượng kênh truyền

Chương 6: Kết quả mô phỏng

Chương 7: Kết luận

HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI

Khi tiến hành thiết kế & tìm hiểu giải thuật thực hiện đề tài ta đã gặp những khó khăn sau đây:

¾ Đối với hệ thống MIMO-OFDM, số anten phát & thu càng nhiều thì tập dữ liệu

xử lý (dạng ma trận phát & thu) càng lớn đòi hỏi bộ nhớ & tốc độ máy tính tương đối cao, nếu không thời gian xử lý sẽ tăng lên nhiều lần

¾ Mã hóa sửa lỗi kênh truyền là khác nhau cho từng ứng dụng hệ thống thông tin, cần phải thiết kế phù hợp để đạt được kết quả mong muốn

¾ Giải thuật giải mã mềm đòi hỏi số lần lặp giải mã nhiều lần thì kết quả càng chính xác tuy nhiên thời gian chờ đợi cũng lâu hơn

¾ Tham số kênh truyền thay đổi theo thời gian, vận tốc giữa nguồn & đích, điều kiện môi trường nên giải thuật ước lượng cần thay đổi theo các điều kiện này

¾ Việc giải mã mềm với số lần lặp là 5 trong khi thực tế có thể có giá trị lớn hơn

để tín hiệu thu càng giống với tín hiệu phát

¾ Giải thuật giải mã dựa vào chuỗi huấn luyện tối ưu là biết trước ở bộ thu, tuy nhiên nếu trong khoảng thời gian phát dữ liệu thì bộ thu không biết được thông tin ngẫu nhiên dẫn đến việc ước lượng là không chính xác

HƯỚNG PHÁT TRIỂN & ÁP DỤNG

Mã hóa không gian-thời gian với nhiều tốc độ mã hóa khác nhau cũng như việc lựa chọn cẩn thận các bộ mã hóa thành phần bên trong sẽ làm tăng khả năng sửa lỗi hơn nữa cho hệ thống MIMO-OFDM Ở bộ thu việc giải mã tương ứng sẽ có nhiều

giải thuật được đề nghị, chú ý là độ chính xác càng tăng thì việc trả giá là sự phức tạp trong khi thực hiện

Việc thiết kế chuỗi huấn luyện cũng rất quan trọng trong hệ thống OFDM vì nếu có càng nhiều chuỗi huấn luyện thì việc ước lượng càng chính xác tuy nhiên điều này sẽ làm cho băng thông truyền dữ liệu mang tin bị chiếm dụng Ngoài ra việc ước lượng còn được thực hiện trong nhiều chiều không gian khác nhau (thời gian, tần số)

MIMO-Các tiêu chuẩn không dây dành cho mạng cục bộ đã được áp dụng rộng rãi ngày càng thu hút mối quan tâm của mọi người về công nghiệp viễn thông và hệ thống giáo dục thông tin vô tuyến chuyên ngành

MỤC LỤC

-o0o -

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình nghiên cứu 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 3

1.3 Ý nghĩa 3

1.4 Nội dung đề tài 3

1.5 Phạm vi nghiên cứu 4

1.6 Phương pháp thực hiện 4

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 5

1.1 Suy hao đường truyền 7

1.2 Fading 8

2.2.1 Kênh fading phẳng 8

2.2.2 Kênh fading lựa chọn tần số 9

2.3 Mô hình thống kê cho kênh truyền fading 11

2.3.1 Mô hình kênh fading phẳng 11

2.3.2 Mô hình kênh fading lựa chọn tần số 15

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT MIMO-OFDM 16

3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 18

3.1.1 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM 19

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 20

3.1.3 Biểu diễn tín hiệu OFDM 21

3.2 Kỹ thuật MIMO-OFDM 26

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM 26

3.2.2 Biểu diễn tín hiệu MIMO-OFDM 28

3.2.3 Mã hoá kênh truyền 35

3.2.4 Ước lượng kênh truyền 35

CHƯƠNG 4 MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN 36

4.1 Tốc độ mã hóa 36

4.2 Mã khối không gian-thời gian 36

4.2.1 Mã hóa Alamouti 37

4.2.2 Bộ giải mã kết hợp và xác suất cực đại 39

4.2.3 Mã hóa khối không gian-thời gian 41

4.2.4 Giải mã khối không gian-thời gian 42

4.3 Mã Turbo 43

4.3.1 Bộ giải mã mềm 44

4.3.2 Mã khối Turbo 48

4.3.3 Mã xoắn Turbo 51

CHƯƠNG 5 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 55

5.1 Phương pháp ước lượng chuỗi huấn luyện tối ưu 55

5.2 Phương pháp ước lượng đơn giản kênh truyền 59

5.3 Đồng bộ tín hiệu MIMO-OFDM 60

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 62

6.1 Ước lượng kênh truyền 62

6.2 Mã hóa kênh truyền 64

6.2.1 Mã hóa Alamouti 64

6.2.2 Mã hóa STBC 64

6.2.3 Mã hóa Turbo 65

6.3 Ảnh hưởng của kiểu điều chế số, độ phân tập 66

6.3.1 Ảnh hưởng của kiểu điều chế số 66

6.3.2 Ảnh hưởng của độ phân tập 67

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 68

Tài liệu tham khảo

Phụ lục profile kênh truyền vô tuyến theo tiêu chuẩn ITU

Phụ lục ước lượng kênh truyền theo phương pháp LS

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

-o0o -

ITU International Telecommunication Union

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Đa thức sinh của mã Hamming 50 Bảng 4.2 Bảng thông số bộ mã hóa BTC theo chuẩn IEEE 802.16 WMAN 51

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Hiện tượng đa đường trong kênh truyền vô tuyến 6

Hình 2.2 Mô hình kênh truyền đa đường với đáp ứng xung tuyến tính thay đổi theo thời gian 8

Hình 2.3 Fading phẳng 8

Hình 2.4 Fading lựa chọn tần số 10

Hình 2.5 Hiện tượng Doppler 10

Hình 2.6 Pdf của phân bố Rayleigh 12

Hình 2.7 Hàm pdf của phân bố Rician với các giá trị K khác nhau 15

Hình 3.1 Tỉ lệ lỗi bit BER đối với tỉ số tín hiệu trên nhiễu Eb/No (dB) trong các hệ thống đa anten phát và đa anten thu 16

Hình 3.2 Hệ thống MIMO 17

Hình 3.3 So sánh độ lợi băng thông giữa kỹ thuật đa sóng mang FDM và kỹ thuật OFDM 18

Hình 3.4 Sơ đồ khối một bộ thu phát OFDM băng gốc 20

Hình 3.5 Phổ của một kênh con OFDM (a) và tín hiệu OFDM 05 sóng mang con (b) 20

Hình 3.6 a) Khái niệm về tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) b) Ký tự OFDM với CP 22

Hình 3.7 Sơ đồ bộ phát tín hiệu MIMO-OFDM 26

Hình 3.8 Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM 27

Hình 3.9 Sơ đồ bộ thu tín hiệu MIMO-OFDM 27

Hình 3.10 Mô hình chi tiết hệ thống thu phát NT x NR MIMO-OFDM 28

Hình 4.1 Bộ mã hóa STBC 37

Hình 4.2 Bộ mã hóa Alamouti 37

Hình 4.3 Sơ đồ bộ giải mã Alamouti với 1 antenna thu 38

Hình 4.4 Cấu trúc bộ mã hóa và giải mã Turbo không gian-thời gian 43

Hình 4.5 Bộ giải mã mềm SISO 44

Hình 4.6 Bộ mã hóa BTC nối tiếp 48

Hình 4.7 Từ mã BTC 48

Hình 4.8 Bộ giải mã lặp BTC 50

Hình 4.9 Cấu trúc từ mã BTC theo chuẩn IEEE 802.16 WMAN 50

Hình 4.10 Bộ mã hóa CTC 52

Hình 4.11 Bộ mã hóa RSC 52

Hình 4.12 Bộ giải mã CTC 54

Hình 5.1 Hệ thống MIMO-OFDM với 2 antenna phát và 2 thu 55

Hình 5.2 OFDM với chuỗi huấn luyện tối ưu a) ⏐hi[n, l]⏐ b) hi[n, l] [9] 57

Hình 5.3 Ví dụ về thiết kế chuỗi huấn luyện tối ưu cho hệ thống MIMO-OFDM với 2 antenna phát, 64 sóng mang phụ 58

Hình 5.4 Cấu trúc gói theo chuẩn truyền IEEE 802.11a 61

Hình 5.5 Cấu trúc preamble đề nghị cho hệ thống MIMO 61

Hình 6.1 So sánh tỉ lệ ký hiệu lỗi đối với tỷ số tín hiệu trên nhiễu khi có ước lượng kênh truyền và thông tin kênh truyền được biết chính xác ở bộ thu 62

Hình 6.2 Biểu diễn MSE đối với SNR khi giá trị GI thay đổi áp dụng ước lượng kênh truyền theo giải thuật LS 63

Hình 6.3 Biểu diễn MSE đối với SNR khi giá trị tần số Doppler thay đổi áp dụng ước lượng kênh truyền theo giải thuật LS 63

Hình 6.4 Biểu diễn BER đối với SNR khi mã hóa hệ thống với mã Alamouti không gian-thời gian tốc độ mã hóa là 1 cho 2 antenna phát và 1 antenna thu 64

Hình 6.5 Biểu diễn (SER, SNR), (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống với mã khối không gian-thời gian tốc độ mã hóa là ¾ .64

Hình 6.6 Biểu diễn BER đối với Eb/N0, số lần lặp giải mã là 2 khi mã hóa hệ thống

với mã Turbo không gian-thời gian 65

Hình 6.7 Biểu diễn BER đối với Eb/N0, số lần lặp giải mã là 4 khi mã hóa hệ thống

với mã Turbo không gian-thời gian 65

Hình 6.8 Biểu diễn (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống Alamouti với các kiểu điều

chế QAM 66

Hình 6.9 Biểu diễn (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống Alamouti khi thay đổi số

antenna phát & antenna thu 67

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu

Một trong những điển hình sớm nhất và thành công nhất của ứng dụng truyền thông không dây chính là hệ thống phát thanh quảng bá, truyền hình quảng bá, và thông tin vệ tinh Vào đầu thập kỷ 80, ngành vô tuyến viễn thông hầu như chú ý hoàn toàn vào việc thiết lập mạng điện thoại tế bào thế hệ thứ nhất 1G với kỹ thuật truyền tin tương tự Đến thập kỷ 90, kỹ thuật truyền tin số được giới thiệu trong mạng di động thế hệ thứ hai 2G Cả hai hệ thống này chủ yếu đều được thiết kế để truyền phát tín hiệu thoại Người ta càng quan tâm hơn nữa khi các mạng vô tuyến cải thiện được hiệu suất hệ thống và mở rộng các dịch vụ khác nhau với nguồn tin được đa dạng hóa như: hình ảnh, video, và dữ liệu Điều này đã thu hút mối quan tâm ngày càng cao của công chúng đối với công nghệ viễn thông không dây và hệ thống giáo dục chuyên ngành thông tin vô tuyến Nhiều công trình nghiên cứu cũng như các tiêu chuẩn mới đã được thiết lập nhằm đáp ứng các đòi hỏi thực tế này Đến các mạng di động thế hệ 3G, nhu cầu tốc độ truyền tin cao & gia tăng hiệu suất sử dụng phổ thực sự quan trọng trong nhiều ứng dụng phổ biến như: mạng vùng nội bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network), mạng đô thị vô tuyến WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), và Internet vô tuyến di động Rõ ràng đây là một nhiệm vụ đầy thử thách để thiết kế các hệ thống thỏa mãn điều kiện như thế Ứng dụng chính của chúng nhằm cung cấp cho người sử dụng một mạng tốc độ cao tự do đối với sự kết nối vật lý, tính di động, và tính linh hoạt

Mặt khác, do tính chất của môi trường truyền cũng như việc có nhiều người sử dụng với các dạng tín hiệu truyền khác nhau dẫn đến quá trình cộng tín hiệu nhiễu

đa đường của kênh truyền khiến chất lượng của hệ thống thông tin bị suy giảm đáng

kể Điều này khiến bộ thu không thể xác định được tín hiệu phát trừ khi một số bản sao ít bị suy hao của dữ liệu phát được bộ thu nhận được Một trong các xu hướng nhằm cải thiện đáng kể chất lượng & dung lượng hệ thống truyền tin trong kênh

truyền lựa chọn tần số biến đổi theo thời gian là kết hợp phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) với kỹ thuật phân tập (diversity) nhiều anten phát-thu MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output OFDM) Có 3 kỹ thuật phân tập sau:

- Phân tập thời gian: Kết hợp việc mã hóa kênh truyền với phân tán thời gian Như thế, bản sao của dữ liệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thời trong miền thời gian

- Phân tập tần số: Các sóng tín hiệu được phát trên nhiều tần số khác nhau để lợi dụng môi trường truyền có cấu trúc đa đường khác nhau Như thế, bản sao của

dữ liệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền tần số

- Phân tập anten: Các anten được đặt cách nhau trong không gian hay được phân cực khác nhau Những bản sao của tín hiệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Kỹ thuật này không cần đền bù hiệu suất băng thông

Nếu có thể, người ta cần thiết kế các mạng tế bào thỏa mãn các dạng phân tập

để đảm bảo hiệu suất đầy đủ Ví dụ, nhiều mạng tế bào thường kết hợp mã hóa kênh truyền và phân tán thời gian để có được độ phân tập thời gian nào đó Trong nhiều mạng đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, người ta sử dụng các bộ cân bằng không tuyến tính để đạt được độ phân tập tần số khi trễ truyền chiếm đáng kể trong thời gian tín hiệu Phân tập anten thường được sử dụng trong các đường lên (từ trạm di động người sử dụng đến trạm gốc) để cấp độ dự trữ tuyến và triệt nhiễu đồng kênh

Đáng tiếc là không phải tất cả các kỹ thuật phân tập đều có thể sử dụng cùng lúc Chẳng hạn như trong nhiều kênh fading chậm, không thể lựa chọn phân tập thời gian cho các ứng dụng nhạy với trãi trễ Nếu trãi trễ nhỏ, cũng không thể áp dụng phân tập tần số (đa đường) Ngày nay người ta chấp nhân kỹ thuật phân tập anten ở trạm gốc thay vì ứng dụng nó ở tay con di động (điều này là khó có thể thực hiện vì tương tác điện từ giữa các anten với nhau trong một không gian nhỏ, và hệ số kênh truyền tương quan cũng như hệ số ghép khoảng cách giữa các anten)

Vì vậy, để đảm bảo chất lượng tín hiệu cần giải quyết những vấn đề tồn tại như: tốc độ truyền tin, băng thông sử dụng, nhiễu kênh truyền, độ bảo mật thông tin,…Tùy vào ứng dụng cụ thể mà người ta ưu tiên giải quyết vấn đề nào bằng cách dùng những phương pháp và giải thuật hợp lý

OFDM là một kỹ thuật phổ biến đối với việc truyền tín hiệu vô tuyến tốc độ cao trong những năm gần đây và đã được chấp nhận trong một số tiêu chuẩn không dây Hệ thống truyền quảng bá âm thanh số DAB (Digital Audio Broadcasting); truyền quảng bá video số DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial); nhóm tiêu chuẩn IEEE 802.11 WLAN với IEEE 802.11a cho mạng vùng nội bộ LAN (Local Area Network) dựa trên kỹ thuật OFDM với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps ở dãy tần chưa hợp lệ 5 GHz, IEEE 802.11b có tốc độ truyền là 11 Mbps trên dãy tần không hợp lệ 2.45 GHz, IEEE 802.11g tương tự như chuẩn IEEE 802.11b nhưng tốc độ dữ liệu lên đến 54 Mbps; chuẩn IEEE 802.16a cho mạng vùng đô thị MAN (Metropolitan Area Network) và 4G

1.2 Mục tiêu của đề tài

9 Khảo sát các bộ mã hóa và giải mã không gian thời gian

9 Ước lượng được các tham số kênh trong các môi trường truyền khác nhau

9 Mô phỏng được hệ thống MIMO-OFDM với các điều kiện mã hóa và kênh truyền khác nhau

1.3 Ý nghĩa

sửa lỗi kênh truyền khác nhau thông qua các biểu đồ BER, SER

các đồ thị (BER, SNR), hay (SER, SNR)

1.4 Nội dung đề tài

Quá trình truyền tín hiệu từ bộ phát đến bộ thu có thể xảy ra can nhiễu bất cứ lúc nào, với mong muốn tín hiệu đầu thu gần giống với tín hiệu phát, nội dung nghiên cứu chính bao gồm:

1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu về những ứng dụng trong mạng không dây

2 Tìm hiểu đặc tính kênh truyền vô tuyến

3 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO-OFDM

4 Tìm hiểu các kỹ thuật mã hoá điều khiển lỗi kênh truyền của hệ thống MIMO-OFDM: mã không gian thời gian STC (Space Time Code) bao gồm: mã khối không gian thời gian STBC (Space Time Block Code), mã Turbo

5 Tìm hiểu kỹ thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM: phương pháp ước lượng chuỗi huấn luyện tối ưu và phương pháp ước lượng đơn giản kênh truyền

6 Thực hiện chương trình mô phỏng MATLAB minh họa kết quả đạt được

7 Kết luận

1.5 Phạm vi nghiên cứu

¾ Các tiêu chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.16

¾ Các bài báo và công bố về kỹ thuật MIMO-OFDM

1.6 Phương pháp thực hiện

Mô phỏng Matlab

CHƯƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Hiện nay, có nhiều hệ thống thông tin vô tuyến với các ứng dụng khác nhau Hai

điển hình quan trọng là hệ thống điện thoại vô tuyến và các mạng nội bộ vô tuyến

Các tiêu chuẩn điện thoại vô tuyến gồm có hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân

PHS (Personal Handyphone System), điện thoại vô tuyến số hóa DECT (Digital

Cordless Telephone), và điện thoại không dây CT2 (Cordless Telephone)

Mạng cá nhân vô tuyến WPAN (Wireless Personal Area Network) được khai

thác cho các ứng dụng tầm ngắn Chuẩn IEEE 802.15 được phát triển dựa trên các

tiêu chuẩn này Bluetooth là một điển hình về cách xây dựng mạng không dây ad

hoc giữa các thiết bị lân cận với các thiết bị khác Tiêu chuẩn Bluetooth được dựa

trên kỹ thuật nhảy tần đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division

Multiple Access) phát trên dãy tần không hợp lệ 2.45 GHz Mục tiêu của WPAN là

để kết nối giữa các thiết bị di động và xách tay khác nhau như điện thoại tế bào,

điện thoại vô tuyến, máy tính cá nhân, thiết bị hỗ trợ số hóa cá nhân PDA (Personal

Digital Assistant), máy nhắn tin, … WPAN cũng có thể thay thế kết nối có dây giữa

các thiết bị tiêu thụ điện khác nhau, ví dụ như bàn phím, chuột, và máy tính hay

giữa các máy tivi và bộ thu dây cáp

Vì thế, ngành công nghiệp đã chủ động thiết lập các tiêu chuẩn mới Kết quả,

thêm nhiều ứng dụng mới xuất hiện và hiệu suất trước đó của mạng được cải thiện

Máy tính số cá nhân PDC (Personal Digital Computer), hệ thống thông tin di động

toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication), IS-54, IS-95, và IS-136

là một trong những điển hình sớm nhất của các chuẩn này Mặc dù chúng được thiết

kế chủ yếu dành cho thoại, nhưng cũng hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu lên đến 9.6

Kbps Tốc độ truyền của nhiều dịch vụ tiện ích đã được phát triển từ các chuẩn này

lên đến 100 Kbps và được gọi là thế hệ 2.5

Mới đây, người ta đang xem xét các mạng di động 3G dịch vụ tốc độ bit cao

Với ý tưởng truyền đa phương tiện, các hệ thống 3G nhắm đến tốc độ truyền từ

144-384 Kbps thậm chí lên đến 2048 Mbps tương ứng với vận tốc nhanh hay chậm

của người sử dụng Nội dung chính của chuẩn 3G được biết đến như điện thoại di

động quốc tế IMT 2000 (International Mobile Telephone) Nó bao gồm dữ liệu cải

tiến đối với chuẩn mở rộng toàn cầu EDGE (Enhanced Data for Global Evolution),

chính là hệ thống TDMA và sự nâng cấp của GSM Ngoài ra nó cũng dựa trên 2

tiêu chuẩn CDMA băng rộng nữa Trong đó, một là hệ thống CDMA2000 đồng bộ

và một là hệ thống băng rộng WCDMA (Wide CDMA) bất đồng bộ Bên cạnh yêu

cầu về tốc độ cao, trong các tiêu chuẩn 3G người ta còn có thể sử dụng nhiều dịch

vụ cùng lúc làm xuất hiện thêm đòi hỏi về cải thiện hiệu suất phổ và tăng mức độ

linh hoạt để thực thi các dịch vụ mới Sẽ có nhiều thử thách cũng như cơ hội để thỏa

mãn những mục tiêu trên

Điều này cho thấy kênh truyền vô tuyến ngày càng được yêu thích trong các ứng

dụng truyền dẫn tín hiệu thông tin do một số thuận lợi sau: tính di động, dễ mang theo,

kết nối dễ dàng,…

Nhiễu và xử lý nhiễu là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tín hiệu của

hệ thống thông tin, trong số đó hiện tượng đa đường giữa bộ phát và bộ thu là một

trong những đặc trưng của kênh truyền vô tuyến

Hình 2.1 Hiện tượng đa đường trong kênh truyền vô tuyến [7]

Việc có nhiều đường truyền giữa bộ phát và bộ thu sẽ làm cho tại bộ thu có nhiều

bản sao của tín hiệu đã được phát như: tín hiệu LOS1, nhiễu xạ2, phản xạ3, tán

dạng suy hao đường truyền (large-scale fading) hoặc dưới dạng suy giảm

(small-scale fading, fading)

2.1 Suy hao đường truyền

Nguyên nhân gây ra suy hao đường truyền: các mất mát trong quá trình truyền

dẫn, mất mát tại các anten, các bộ lọc Vì vậy, công suất của tín hiệu nhận Pr được

phụ thuộc vào khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu d Tổng quát ta có:

=

0 10

0 10 log

d

d

Trong đó: Lpath – suy hao đường truyền [dB]

β0 – suy hao đường truyền tại khoảng cách gốc d0 [dB]

ν – thường có giá trị từ 2-6, phụ thuộc vào môi trường giữa bộ phát

và bộ thu Trong thực tế, do hiện tượng shadowing5:

X d

=

0 10

0 10νlog

1 Line Of Sight – đường truyền thẳng từ bộ phát đến bộ thu

2 Xuất hiện khi sóng điện từ đụng vào bề mặt không đồng đều, cạnh sắc

3 Xuất hiện khi sóng điện từ gặp vật thể lớn hơn bước sóng

4 Xuất hiện khi sóng điện từ gặp phải các vật thể nhỏ hơn bước sóng

5 Đo lường tại các vị trí khác nhau nhưng có cùng khoảng cách từ bộ phát đến bộ thu lại cho kết quả không

giống nhau

Trong đó: X – thường từ 5-12 [dB], biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình là 0

2.2 Fading

Nguyên nhân gây ra fading: can nhiễu giữa 2 hoặc nhiều bản sao của tín hiệu

phát tới bộ thu ở những thời điểm hơi lệch nhau được gọi là sóng đa đường Chúng

kết hợp lại ở anten thu và bộ lọc tương thích thành một tín hiệu tổng có biên độ và

pha thay đổi rất nhiều Sự dao động nhanh của biên độ tín hiệu vô tuyến trong 1

khoảng thời gian ngắn cũng như khoảng đường đi ngắn làm cho có mối quan hệ

giữa thời gian và khoảng cách tạo nên kênh truyền fading biến đổi theo thời gian Vì

vậy một kênh truyền đa đường có thể được mô hình hóa như một kênh tuyến tính

thay đổi theo thời gian

Hình 2.2 Mô hình kênh truyền đa đường với đáp ứng xung tuyến tính thay đổi

theo thời gian [7]

Biên độ của những đường truyền trong kênh đa đường là các hàm delta ngẫu

nhiên Sự ngẫu nhiên này chủ yếu do sự đa đường và vị trí ngẫu nhiên của các vật

thể trong môi trường xung quanh Do đó, người ta cần có các mô hình thống kê để

khảo sát đáp ứng biên độ và công suất của tín hiệu thu

2.2.1 Kênh fading phẳng (flat fading)

Kênh truyền có độ lợi hằng số và đáp ứng pha tuyến tính trong khoảng băng

thông lớn hơn băng thông của tín hiệu phát được gọi là kênh fading phẳng

Hình 2.3 Fading phẳng [7]

Theo hình 2.3., ta thấy: trong mìền tần số, băng thông của tín hiệu nhỏ hơn

băng thông của kênh truyền Trong miền thời gian, độ rộng của đáp ứng xung nhỏ

hơn chu kỳ tín hiệu Kết quả là, một kênh có thể là phẳng ứng với một tốc độ truyền

hoặc một chu kỳ tín hiệu được cho trước, trong khi đó cũng là một kênh truyền như

vậy nhưng nó lại không phẳng đối với tốc độ truyền cao hơn Vì vậy không có ý

nghĩa gì cả để nói một kênh truyền là phẳng mà không có thông tin nào đó về tín

hiệu được phát

Đáp ứng xung h(t, τ) có thể được xấp xỉ bằng một hàm delta ở τ = 0 có biên độ

biến đổi theo thời gian Mặt khác, h(t, τ) = α(t)δ(τ), trong đó δ(.) là hàm delta Dirac

Đây là kênh dãi hẹp trong đó các đặc tính phổ của tín hiệu phát được giữ nguyên ở

phía thu

Băng thông kênh truyền BC được xác định thông qua trải trễ στ

2

2 ττ

L i i i

p p

1

1

2 2

p p

1 1

τ

Trong đó: L – số đường truyền trong kênh đa đường

pi, τi – công suất và trễ của đường truyền thứ i

2.2.2 Kênh fading lựa chọn tần số

nhỏ hơn băng thông của tín hiệu phát BS là kênh fading lựa chọn tần số

Hình 2.4 Fading lựa chọn tần số [7]

Theo hình 2.4., ta thấy: trong mìền tần số, băng thông của tín hiệu lớn hơn

băng thông của kênh truyền Trong miền thời gian, độ rộng của đáp ứng xung lớn

hơn chu kỳ tín hiệu

Đây là kênh dãi rộng và tín hiệu phát sẽ bị nhiễu ISI và méo dạng Đáp ứng

xung h(t, τ) có thể được xấp xỉ bằng nhiều xung delta:

1

) ( ) ( )

Trong đó: v – vận tốc của bộ thu di động

λ - bước sóng của tín hiệu

θ - góc giữa hướng di chuyển của bộ thu và sóng tới

Vì có nhiều đường truyền khác nhau nên ở bộ thu sẽ có nhiều góc tới khác

nhau tương ứng có nhiều độ dịch Doppler khác nhau Vì vậy sự chuyển động tương

đối giữa bộ phát và bộ thu dẫn đến việc điều chế tần số ngẫu nhiên do độ dịch

Doppler trên một trong các thành phần đa đường Cũng vậy, nếu các vật thể của môi

trường xung quanh di chuyển, chúng tạo ra độ dịch Doppler thay đổi theo thời gian

ở những thành phần đa đường khác nhau Độ dịch Doppler này có thể bỏ qua nếu

vận tốc của bộ thu di động lớn hơn nhiều so với vận tốc các vật thể xung quanh

2.3 Mô hình thống kê cho kênh truyền fading

Chúng ta sẽ sử dụng đáp ứng xung biến đổi tuyến tính theo thời gian để mô

hình kênh truyền fading Trong trường hợp fading phẳng xấp xỉ đáp ứng xung là

một hàm delta dirac δ và trường hợp fading lựa chọn tần số nó là tập hợp của nhiều

xung delta dirac δ Thường người ta sử dụng mô hình thống kê fading Rayleigh và

Rician để khảo sát đáp ứng của biên độ và công suất của tín hiệu thu được

2.3.1 Mô hình kênh fading phẳng

a) Phân bố Rayleigh

Xét một kênh truyền di động vô tuyến, quá trình truyền tín hiệu đơn tần từ bộ

phát đến bộ thu chỉ có các sóng phản xạ và không có đường truyền LOS Các thành

phần của tín hiệu thu là 1 quá trình ngẫu nhiên phân bố Gauss với trung bình bằng 0

s

bố xác suất Rayleigh và pha tuân theo phân bố đều từ -π đến π Hàm mật độ xác

suất PDF (Probability Density Function) của phân bố Rayleigh được cho bởi:

−

0 a 0

0 a e

a )

a ( p

2 s 2

2 a 2

Trong đó: ma - là giá trị trung bình

2 a

σ - là phương sai

của biến ngẫu nhiên phân bố Rayleigh với:

2 s

2 s

2 a

s s

a

4292 0 2

2

2533 1 a 2 m

σ

= σ

σ

= σ

π

=

(2.11)

Nếu hàm mật độ xác suất của (1.10) được chuẩn hóa để công suất tín hiệu

trung bình (E⎜a2 ⎜) bằng 1, thì sẽ có hàm phân bố Rayleigh chuẩn hóa cho bởi:

0 a ae

2 )

a ( p

2

a

(2.12) Giá trị trung bình và phương sai lần lượt là:

2146 0

8862 0 m

2 a

a

= σ

=

(2.13) Hình 2.6 biểu diễn pdf của phân bố Rayleigh chuẩn hóa

Hình 2.6 Pdf của phân bố Rayleigh

Trong nhiều kênh fading độ dịch Doppler cực đại fdmax , tín hiệu thu bị trải tần

số và hạn băng giữa fc ± fdmax Giả sử rằng anten thu sóng là đa hướng và sóng thu

được trên mặt phẳng nằm ngang, có nhiều sóng bị phản xạ và công suất thu được

đối với các góc tới là giống nhau, mật độ phổ công suất của biên độ bị suy giảm là

=0

ffff

2

1)

f

max

với f là tần số và fdmax là tốc độ suy giảm cực đại Giá trị của fdmax Ts là tốc

độ suy giảm cực đại được chuẩn hóa thông qua tốc độ ký tự Nó có vai trò như

một bộ đo lường bộ nhớ kênh truyền Trong các kênh fading tương quan tham số

này đi từ 0 < fdmaxTs < 1, chỉ rõ đây là bộ nhớ kênh hữu hạn Hàm tự tương quan

của quá trình suy giảm được cho bởi:

Với J0(.) là hàm Bessel bậc zero

b) Phân bố Rician

Xét trường hợp truyền tin vệ tin, tín hiệu thu gồm có đường truyền LOS và

nhiều sóng phản xạ LOS là một tín hiệu cố định không suy giảm có biên độ là hằng

số, còn các sóng phản xạ là các tín hiệu ngẫu nhiên độc lập có tính chất là một quá

s

bao tuân theo phân bố xác suất Rayleigh

Tổng hợp của tín hiệu LOS biên độ hằng và các tín hiệu phản xạ phân bố

Rayleigh là một tín hiệu có phân bố đường bao Rician Hàm pdf của phân bố Rician

được cho bởi:

2 ) ( 2

2 2 2

a

a

aD I e

a a

D a

s

s

σ σ

σ

(2.16)

với D2 là công suất của tín hiệu LOS và I0(.) là hàm Bessel điều chỉnh bậc zero

Giả sử rằng công suất tín hiệu trung bình tổng được chuẩn hóa bằng 1, hàm pdf

+

0a0

0a)1K(Ka2Ie

K1a2)

a

(

2 a ) K 1 ( K

(2.17)

trong đó: K – hệ số Rician, là tỷ số công suất giữa tín hiệu LOS và các sóng phản xạ

được cho bởi:

2 s

2

2

DKσ

Giá trị trung bình và phương sai của biến ngẫu nhiên phân bố Rician được cho bởi:

2 a

2 a

2

K 1 KI 2

K 0 I K 1 ( 2 K a

m 1

e K 1 2

1 m

−

= σ

(2.19)

với I1(.) là hàm Bessel điều chỉnh bậc 1 K càng thấp khi kênh truyền bị suy giảm

càng nhiều Khi K = 0, sẽ không có tín hiệu LOS và hàm pdf Rician trở thành hàm

pdf Rayleigh Ngược lại, K càng lớn khi kênh truyền ít bị suy giảm Khi K tiến gần

đến 1, kênh truyền chỉ là kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) và không

bị suy giảm Hình 2.7 biểu diễn phân bố Rician với các giá trị khác nhau của K

Hình 2.7 Hàm pdf của phân bố Rician với các giá trị K khác nhau

Thông thường trong hệ thống băng hẹp, băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn

băng thông kết hợp của kênh truyền do đó các thành phần phổ của tín hiệu phát có

cùng mức độ suy giảm fading (fading phẳng) Các mô hình fading Rayleigh và

Rician được sử dụng để mô tả sự biến đổi tín hiệu trong môi trường đa đường băng hẹp

2.3.2 Mô hình kênh fading lựa chọn tần số

Tương tự như trường hợp kênh fading phẳng, thay vì đáp ứng xung kênh

truyền là 1 hàm delta dirac thì đáp ứng xung kênh truyền là tập hợp của nhiều xung

delta dirac

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output OFDM)

Sự tích hợp của mạng Internet và các ứng dụng đa phương tiện trong thông tin vô

tuyến thứ hệ kế tiếp gần đây làm gia tăng nhu cầu tốc độ dữ liệu cao của các dịch vụ

thông tin băng rộng Do băng tần phổ cho phép bị giới hạn, nên việc có thể đạt được

tốc độ dữ liệu cao nhờ vào việc nâng cấp các thiết kế về kỹ thuật báo hiệu Kết hợp

kỹ thuật không dây đa anten phát và anten thu MIMO với OFDM là một giải pháp

đầy hứa hẹn cho các mạng WLAN, WMAN thế hệ tiếp theo, cũng như các hệ di

động tế bào vô tuyến 4G

Căn cứ vào hình trên ta thấy, đường cong BER (màu đỏ) đối với hệ 1 anten phát

và 1 anten thu là cao nhất (1Tx, 1Rx) Các đường còn lại (màu hồng, màu xanh và

Hình 3.1 Tỉ lệ lỗi bit BER đối với tỉ số tín hiệu trên nhiễu Eb/No (dB)

trong các hệ thống đa anten phát và đa anten thu

màu đen) là biểu diễn BER của hệ thống đa anten ở phía phát hay phía thu MIMO

(kỹ thuật phân tập)

Ưu điểm của hệ MIMO là có được sự phân tập không gian nhờ các anten đặt

cách nhau trong không gian của môi trường có nhiều tán xạ đa đường

TxTxTxTx

RxRxRxRx

Complex scattering environment Signal

estimation and decode

Signal encode and split

Có nhiều cách khác nhau để thực hiện hệ thống MIMO với mức độ phân tập nào

đó nhằm loại bỏ tín hiệu fading hay mở rộng dung lượng Nhìn chung, có 3 kỹ thuật

MIMO Thứ nhất là kỹ thuật phân tập không gian tối đa để cải thiện hiệu suất công

suất chẳng hạn như phân tập độ trễ, mã hóa không gian-thời gian Thứ hai là kỹ

thuật phân lớp để tăng dung lượng do Foschini et al đề nghị trong hệ thống

V-BLAST, tuy nhiên kỹ thuật này thường không có được độ phân tập không gian đầy

đủ Kỹ thuật thứ ba là khai thác thông tin kênh truyền ở bộ phát để có được dung

lượng mong muốn

OFDM là một trường hợp đặc biệt của ghép kênh phân chia tần số FDM

(Frequency Division Multiplexing) OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều

chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến, là kỹ thuật điều biên và ghép kênh số,

trong đó một tín hiệu được tách ra làm nhiều kênh băng hẹp tại những tần số khác

nhau, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, truyền

đi trên những sóng mang con trực giao Nó có ưu điểm chống lại fading phụ thuộc

tần số

3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R W Chang

năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền

tín hiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được

quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử

và bây giờ được kết hợp rộng rãi vào trong các hệ thống khác nhau như

MIMO-OFDM, OFDM-CDMA, MC-CDMA (MultiCode - CDMA),

Thập niên 80, OFDM được nghiên cứu cho thông tin di động số, truyền dữ liệu

tốc độ cao (high speed modems) Những năm 90, OFDM được khai thác ứng dụng

cho truyền thông dữ liệu băng rộng (wideband data communications), đường truyền

thuê bao số tốc độ cao HDSL 1.6 Mbps, đường truyền thuê bao số bất đối xứng

ADSL, VDSL 100Mbps, DAB Trong các hệ thống thông tin hữu tuyến (ví dụ hệ

thống ASDL,…), kỹ thuật OFDM này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần

DMT (Discrete MultiTone)

Trong các hệ thống đơn sóng mang, toàn bộ dải tần số tín hiệu được chia thành

N kênh không chồng lấn lẫn nhau Mỗi kênh được điều chế với một symbol riêng

biệt và rồi N kênh này được trộn tần với nhau Như thế ta tránh được chồng phổ

nhằm loại bỏ giao thoa xuyên kênh nhưng lại sử dụng nhiều băng thông Để giải

quyết vấn đề này, OFDM sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh phụ

chồng lấn lẫn nhau Trong đó mỗi kênh phụ mang một tốc độ dữ liệu, được đặt cách

nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (High-Speed Equalization),

chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng hoàn toàn dải thông có sẵn

Hình 3.3 So sánh độ lợi băng thông giữa

kỹ thuật đa sóng mang FDM và kỹ thuật OFDM

3.1.1 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM

a) Ưu điểm

So với các kỹ thuật điều chế đơn sóng mang, kỹ thuật OFDM có các ưu điểm

như sau:

- Tiết kiệm băng thông sử dụng vì cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con

- Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang ICI và giao thoa giữa

các ký hiệu ISI do sử dụng khoảng bảo vệ tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix)

- Bền vững đối với fading phụ thuộc tần số và trải trễ đa đường Do các ký

hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng Ngoài ra do

khoảng ký hiệu dài nên lượng phân tán do trải trễ đa đường giảm Sử dụng các biện

pháp xen và mã hóa kênh thích hợp sẽ khắc phục được hiện tượng suy giảm xác

suất lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra

- Khả năng kháng nhiễu rất tốt vì can nhiễu chỉ ảnh hưởng đến tỉ lệ nhỏ các

sóng mang phụ

- Độ phức tạp giảm nhờ thực hiện FFT và IFFT trên luồng dữ liệu nhị phân

thay cho các bộ điều chế sóng mang phụ

- Có thể tạo ra các mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network), mà các

mạng này được đặt biệt chú ý đối với các hệ thống truyền thông Ví dụ như ứng

dụng trong mạng đơn tần trong truyền thanh số quảng bá

- Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng

các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

- Trong những kênh thời gian thay đổi tương đối chậm, có thể tăng dung

lượng đáng kể bằng cách dung hòa giữa tốc độ dữ liệu đối với một sóng mang phụ

theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu của riêng sóng mang phụ này

- Truyền dữ liệu tốc độ cao

b) Nhược điểm

Ngoài ra, kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế so với kỹ thuật điều chế đơn

sóng mang, đó là:

- OFDM nhạy hơn với sự chênh lệch tần số và nhiễu phase

- Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng

mang, dải động của tín hiệu lớn nên công suất đỉnh trên trung bình PAPR tương đối

lớn, mà tỉ số này có khuynh hướng làm giảm hiệu suất của khuếch đại công suất âm

tần Đồng thời dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng

mang Vì vậy, phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống

3.1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 3.4 Sơ đồ khối một bộ thu phát OFDM băng gốc [23]

Hình 3.5 Phổ của một kênh con OFDM (a)

và tín hiệu OFDM 05 sóng mang con (b)

3.1.3 Biểu diễn tín hiệu OFDM

Theo hình (3.4) ta thấy, dữ liệu vào nối tiếp nhị phân trước tiên được bộ ngẫu

nhiên hóa xử lý sau đó được đưa đến bộ mã hóa kênh truyền để cải thiện hiệu suất

hệ thống BER (tỉ lệ lỗi bit) Tùy theo các điều kiện fading khác nhau của kênh

truyền mà kiểu điều chế băng gốc riêng chẳng hạn BPSK, QPSK, QAM được lựa

chọn nhằm tăng tốc độ dữ liệu Thậm chí kiểu điều chế có thể thay đổi trong quá

trình truyền các frame dữ liệu Những tín hiệu phức kết quả sẽ được nhóm thành

nhiều vector cột có cùng kích thước FFT, N Nhằm đơn giản việc biểu diễn, ta dùng

ma trận và vector để mô tả mô hình toán học Đặt Sr(m)

là ký tự OFDM thứ m trong miền tần số, ta được:

1

) 1 (

) ( )

(

Nx

N mN S

mN S m

trong kiểu điều chế Để công suất trung bình của các ánh xạ khác nhau này được

)

(m

Sr

Việc lấy mẫu trong miền thời gian được thực hiện thông qua khối biến đổi

ngược rời rạc Fourier IDFT (Inverse Fast Fourier Transform) biểu diễn nó là một

phép nhân ma trận

Đặt FN là ma trận DFT N-điểm mà các thành phần (p,q) là e−j2N(p−1)(q−1)

π

Các mẫu kết quả trong miền thời gian sr (m) có thể được biểu diễn bởi:

) ( 1

) 1 (

) ( )

(

1

m S F N N

mN s

mN s m

N Nx

r M

So với việc điều chế & ghép kênh tốn kém cũng như phức tạp của những hệ

thống FDM thông thường, các hệ thống OFDM dễ dàng thực hiện nhờ áp dụng

thuật toán FFT trong xử lý băng gốc Để triệt trãi trễ đa đường trong nhiều kênh

truyền vô tuyến, các mẫu trong miền thời gian sr (m) được mở rộng lặp vòng thông

) ( )

(

x N tot

tot

tot

tot m s

CP N

mN u

mN u m

với : Ntot = N + Ng là chiều dài của ur (m) Việc chèn CP có thể được biểu diễn

như tích số ma trận của sr (m) và một ma trận ACP có Ntot x N chiều Bằng tính toán

trực tiếp, ta có: ur(m)=A CP sr(m)

trong đó:

xN N N N

N N

N CP

g g g g

I I

I A

) (

0

00

Một trong những vấn đề khó chịu của kênh truyền vô tuyến là trãi trễ đa đường

Nếu trãi trễ tương đối lớn so với khoảng thời gian ký tự, thì 1 bản trễ của tín hiệu

trước sẽ chồng lên tín hiệu hiện tại gây ra hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI

(InterSymbol Interference) nghiêm trọng Để loại bỏ hoàn toàn ISI, người ta phải

trễ đo được, L, vì vậy Ng > L Ngoài ra, CP còn có khả năng duy trì sự trực giao

giữa các sóng mang phụ, nếu không sẽ dẫn đến hiện tượng nhiễu liên sóng mang

ICI (Inter Carrier Interferene) Đó là lý do ký tự OFDM được mở rộng lặp vòng và

điều này đảm bảo các bản sao bị trễ của ký tự OFDM luôn có 1 số nguyên lần chu

kỳ trong khoảng FFT, cũng như bản trễ nhỏ hơn CP Rõ ràng theo hình (3.6) ta

thấy, cho dù của sổ FFT bắt đầu ở chỗ nào đi nữa, nhưng nó luôn nằm trong khoảng

CP, tại đó luôn có 1 hay 2 chu kỳ của thời gian thực hiện FFT cho ký tự lần lượt ở

trên & dưới của ký tự hiện tại Ký tự OFDM có được này (kể cả khoảng CP), phải

được chuyển sang tín hiệu tương tự nhờ bộ biến đổi số sang tương tự DAC

(Digital-to-Analog Converter) và sau đó chuyển lên tần số vô tuyến RF (radio Frequency) để

truyền đi

Để giữ được tính rời rạc thời gian, ký tự OFDM có thể được quá lấy mẫu và

cộng với tần số sóng mang rời rạc Sóng mang này có thể là 1 tần số trung tần IF

(Intermediate Frequency) mà tốc độ lấy mẫu của nó được kỹ thuật hiện nay xử lý

Nó có thể được chuyển sang tương tự và tăng tần số phát cuối cùng thông qua việc

sử dụng phương pháp chuyển đổi tần số tương tự Hoặc, việc điều chế OFDM có

thể được chuyển đổi lập tức sang tương tự và tăng trực tiếp đến tần số phát RF

mong muốn Tùy theo điều kiện về chi phí, công suất tiêu thụ và độ phức tạp hệ

thống mà lựa chọn phương pháp nào cho phù hợp

Tín hiệu RF được phát ra môi trường ngoài Ta giả sử kênh truyền vô tuyến là

fading lựa chọn tần số được mô hình như 1 bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR

(Finite Impulse Response) băng gốc rời rạc thời gian bậc (L – 1) với các vị trí bộ lọc

(filter tap) {h0, h1, … , hl, … , hL-1} Các tap là các biến ngẫu nhiên Gauss, phức,

độc lập, trung bình là 0 với phương sai

2

1

Pl mỗi chiều Tập hợp các { P0, … , Pl, … , PL-1} là profile trễ công suất PDP (Power Delay Profile) của kênh truyền và thông

thường có công suất tổng cộng được chuẩn hóa bằng 1 như suy hao kênh trung bình

đơn vị Đặt vector đáp ứng xung CIR (Channel Impulse Response) là hrm

ta có:

1 , 1

, 0

Lx m L

m m

h

h h

trong đó m nhằm chỉ ra rằng kênh truyền có thể thay đổi từ ký tự OFDM này

sang ký tự OFDM kế Vậy tín hiệu thu phức băng gốc có thể được biểu diễn như 1

tích chập rời rạc thời gian sau đây:

)(

)(

)

0 , u mN n l v mN n h

n mN

l m l

=

với mNtot + n là mẫu thu thứ n trong ký tự OFDM thứ m và 0 ≤ n ≤ nNtot – 1

) 1 ( )

( )

,

h m

Toep m Toep

=

) 1 (

) ( )

(

; ) 1 (

) ( )

(

tot tot

tot

tot tot

tot

N mN v

mN v m

v N

mN r

mN r m

L

c Toep m

m m

L

m m

h

h h

h h

h

, 1 ,

1

) ( ,

, 0 ,

1

, 0 ,

1

, 0

MOL

L

OM

OL

OM

L – 1 hàng đầu tiên Để loại bỏ thành phần ISI, ta có thể chuyển vector rr (m) có Ntot