Nghiên cứu công nghệ ofdm và ứng dụng trong wimax

SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SINR Signal to

==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ OFDM

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

MỞ ĐẦU xiv

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ OFDM 1

1.1 Tổng quan vể hệ thống OFDM 1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1

1.1.2 Cấu trúc, chức năng hệ thống OFDM 2

1.1.2.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song 2

1.1.2.2 Khối điều chế 2

1.1.2.3 Khối biến đổi Fourier ngược 3

1.1.2.4 Khối chèn khoảng bảo vệ 3

1.1.2.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến 3

1.1.2.6 Máy thu 3

1.1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 3

1.1.3.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới 3

1.1.3.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 4

1.1.4 Các hướng phát triển trong tương lai 4

1.2 Điều chế OFDM 5

1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu 5

1.2.2 Bộ điều chế OFDM 6

1.2.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 8

1.2.4 Phép nhân với xung cơ bản 10

1.3 Giải điều chế OFDM 10

1.3.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường 10

1.3.2 Bộ giải điều chế OFDM 11

1.3.2.1 Tách khoảng bảo vệ 12

1.3.2.2 Tín hiệu sau khi giải điều chế 13

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT MIMO 20

2.1 Giới thiệu chung 20

2.2 Ưu điểm của hệ thống MIMO 20

2.3 Mô hình hệ thống MIMO 21

2.4 Dung lượng kênh MIMO 23

2.5 Kênh không được biết ở phía phát 24

2.6 Kênh được biết ở phía phát 26

2.7 Kênh xác định 26

2.7.1 Hệ thống SISO 26

2.7.2 Hệ thống MISO 27

2.8 Kênh ngẫu nhiên 29

2.8.1 Dung lượng Ergodic 29

2.8.2 Dung lượng outage 31

2.9 So sánh hiệu năng các hệ thống MIMO với hệ thống không MIMO 33

2.10 Ảnh hưởng của các tham số vật lý dung lượng kênh MIMO 35

2.10.1 Ảnh hưởng của sự tương quan fading 35

2.10.2 Ảnh hưởng của đường truyền trực tiếp LOS 37

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG WIMAX 40

3.1 Một số khái niệm về WiMax 40

3.1.1 Công nghệ WiMax 40

3.1.2 Diễn đàn WiMax 42

3.1.3 Lợi ích của chuẩn WiMax 43

3.1.3.1 Đối với các nhà khai thác 43

3.1.3.2 Đối với khách hàng 43

3.1.3.3 Đối với các nhà sản xuất linh kiện 43

3.1.3.4 Đối với các nhà sản xuất thiết bị 44

3.2 Tiến trình phát triển và các chuẩn WiMax 44

3.2.1 IEEE 802.16-2001 44

3.2.2 IEEE 802.16a-2003 45

3.2.3 IEEE802.16c-2002 47

3.2.4 IEEE 802.16-2004 47

3.2.5 IEEE 802.16e 48

3.3 Kiến trúc WiMax 48

3.3.1 Các lớp giao thức trong WiMax 48

3.3.2 Đặc tính kỹ thuật lớp MAC và lớp vật lý 50

3.3.2.1 Tổng quan lớp MAC 50

3.3.2.2 Tổng quan lớp vật lý 54

3.4 Bảo mật trong WiMax 60

3.4.1 Các liên kết bảo mật 60

3.4.2 Chứng chỉ điện tử X509 64

3.4.3 Giao thức quản lý khoá và bảo mật PKM 64

3.4.4 Sử dụng khoá 68

3.4.5 Mã hoá 71

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG WIMAX VÀ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM WIMAX DI ĐỘNG Ở HUẾ CỦA TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM 75

4.1 Các tính toán cho quá trình thiết kế WiMax di động 75

4.1.1 Tính toán tốc độ Uplink và Downlink cực đại theo lý thuyết 75

4.1.2 Tính toán bán kính vùng phủ và các tham số khác 76

4.1.3 Tính hiệu suất phổ của trạm gốc BS 79

4.2 Các tính toán trong kỹ thuật điều chế thích ứng 80

4.3 Triển khai thử nghiệm WiMax di động tại Huế 85

4.3.1 Sơ đồ kết nối 85

4.3.2 Các thành phần chính trong hệ thống 86

4.4 Ứng dụng trên nền WiMax 87

4.4.1 Truy cập Internet không dây 87

4.4.2 Ứng dụng Media Booth – IP Camera 88

4.5 Đánh giá tổng thể về hệ thống WiMax Alcatel 89

4.5.1 Đo kiểm, đánh giá hoạt động Radio 89

4.5.2 Tầm phủ sóng dự kiến 90

4.5.3 Tầm phủ sóng thực tế 90

4.5.3.1 Phủ sóng của trạm Huế PTT 90

4.5.3.2 Phủ sóng của trạm Huế Thành 93

4.5.3.3 Phủ sóng của trạm Nam Giao 95

4.5.3.4 Phủ sóng của trạm Phú Thượng 96

4.5.4 Đo kiểm phần hoạt động hệ thống 98

4.5.4.1 Trình duyệt HTTP 98

4.5.4.2 Truyền file FTP 98

4.5.4.3 Độ trễ 98

4.5.5 Kết quả đo kiểm hoạt động của sóng vô tuyến WiMax 98

4.5.6 Đánh giá phần mềm quản lý 99

4.5.7 Nhận xét chung về chất lượng sóng 99

KẾT LUẬN 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

TÓM TẮT LUẬN VĂN 105

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

A+ Ma trận giả đảo Moore - Penrose của A

||A||F Chuẩn Frobenius của ma trận A

Diag (a1, a2, an) Ma trận đường chéo nxn

f(x) Hàm phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên x

F(x) Hàm phân phối tích luỹ của x

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

AAA Authentication authorization &

Account

Nhận thức, cấp phép và lập tài khoản

AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng ACI Adjacent Cell Interference Nhiễu ô lân cận

ASN Access Service Network Mạng dịch vụ truy nhập

AM Adaptive Modulation Điều chế thích ứng

AOD Angle Of Departure Góc xuất phát

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

CCI Co channel Interference Nhiễu đồng kênh

CPE Customer Premises Equipment Thiết bị truyền thống cá

nhân CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra độ dư vòng tuần

hoàn CSN Connectivity Service Network Mạng dịch vụ kết nối

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CTC Concatenated Turbo Code Mã Turbo xoắn

DCD Downlink Channel Descriptor Miêu tả kênh đường xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol

Giao thức cấu hình Host động

DLFP Downlink Frame Preamble Tiền tố khung đường xuống DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ

FDD Frequence Division

Mutiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh HCS Header Check Sequence Thứ tự kiểm tra tiêu đề

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier

Transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LSB Least Significant Bit Bit ít ý nghĩa nhất

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương

tiện MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng thành thị

MIMO Multiple Input Multiple

Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào một đầu ra

ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại

MS Mobile Station Trạm di động

MSB Most Significant Bit Bít nhiều ý nghĩa nhất

NAP Network Access Provider Nhà cung cấp dịch vụ truy

nhập mạng NLOS Non Light of Sight Tầm nhìn không thẳng

NNI Network Network Interface Giao diện mạng - mạng NRP Normalized Received Power Công suất thu chuẩn hoá NSP Network Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ mạng OFDM Orthogonal Frequence

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequence

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất

PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp

PKM Privacy Key Management Quản lý khoá bảo mật

PMP Point to Multipoint Điểm đa điểm

QAM Quadrature Amplitude

SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ tần

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SINR Signal to Interference plus

Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

âm SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra SNR Signal to Noise Ration Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SS Subscriber Station Trạm thuê bao

SSCS Specify Services Convergence

Sublayer

Lớp con hội tụ các dịch vụ riêng

STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời

gian STC Space Time Code Mã không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn

TDD Time Divesion Duplex Song công phân chia

TTG Transmit Transition Gap Khoảng trống chuyển giao đầu

phát UCD Uplink Channet Descriptor Miêu tả kênh đường lên UGS Unsolicited Grant Service Dịch vụ cấp phát không kết

hợp

UNI User Network Interface Giao diện người sử dụng

mạng

WiMAX World Interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Độ lợi dàn và bậc phân tập của các cấu hình anten khác nhau 33

Bảng 3.1 Các thuộc tính và phiên bản của 802.16 45

Bảng 3.2 Mô tả giao diện không gian 60

Bảng 3.3 Bảng tóm tắt các khoá mã hoá được dùng với SA 63

Bảng 3.4 Bảng các thuật ngữ được dùng trong trao đổi bản tin chứng thực 65 Bảng 3.5 Các thuật ngữ dùng trong trao đổi bản tin giao thức PKM 68

Bảng 4.1 Một ví dụ của tính toán đường truyền 77

Bảng 4.2 Một số hiệu suất phổ 80

Bảng 4.3 Các giả định của lớp vật lý IEEE 802.16 84

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống OFDM 2

Hình 1.2 Sự trực giao của tín hiệu OFDM 5

Hình 1.3 Bộ điều chế OFDM 7

Hình 1.4 Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 8

Hình 1.5 Mô hình kênh truyền dẫn 11

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM 11

Hình 1.7 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM 12

Hình 1.8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM 14

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM miền thời gian 16

Hình 1.10 Phổ tín hiệu OFDM trong miền tần số 16

Hình 1.11 Dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu 17

Hình 1.12 Tỉ lệ lỗi bit tương ứng với SNR trong trường hợp chỉ có nhiễu trắng (đường màu xanh) và có cả hiệu ứng đa đường (đường màu đỏ) 18

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO 21

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống SIMO 1Xnr , yi(i=1, ,nr) là các giá trị đầu ra, h1,j (j=1, ,nr) là các kênh con giữa các cặp thu phát 27

Hình 2.3 Hệ thống MISO nt X1, x1 và x2 là các tín hiệu đầu vào; y là tín hiệu đầu ra h 1,1 và h 1,2 là đáp ứng xung kim của các kênh con giữa các cặp thu phát 28

Hình 2.4 CDF của tốc độ thông tin cho ma trận kênh i.i.d với hệ thống 2X2 và SNR=10dB 30

Hình 2.5 Dung lượng ergodic cho cấu hình anten khác nhau vơí nt=nr=M 30

Hình 2.6 Dung Dung lượng ergodic kênh MIMO 4X4 31

Hình 2.7 Dung Lượng 10% outage cho các cấu hình khác nhau (nt=nr=M) 32 Hình 2.8 Dung lượng outage 10% đối với kênh M=4 33

Hình 2.9 Dung lượng kênh MISO nX1, SIMO 1Xn và MIMO nXn theo số anten n với SNR=0 34

Hình 2.10 Dung lượng một số cấu hình anten MIMO khác nhau 34

Hình 2.11 Dung lượng Ergodic của kênh MIMO 2x2 trong trong trường hợp tương quan và không tương quan 37

Hình 2.12 Dung lượng Ergodic so với hệ số K của kênh MIMO 38

Hình 3.1 Các lớp trong WiMax 49

Hình 4.1 Mã hóa và điều chế thích ứng 81

Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa SNR và khoảng cách 83

Hình 4.3 Trang chủ media booth 88

Hình 4.4 Vùng phủ sóng dự kiến 90

Hình 4.5 Vùng phủ sóng thực tế tại viễn thông Huế 92

Hình 4.6 Vùng phủ sóng thực tế tại Huế Thành 94

Hình 4.7 Vùng phủ sóng thực tế tại Nam Giao 96

Hình 4.8 Vùng phủ sóng thực tế tại Phú Thượng 97

như khai thác, cung cấp dịch vụ quan tâm đặc biệt nhờ những ưu điểm vượt trội của nó như khả năng phủ sóng, khả năng cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng, khả năng bảo mật cũng như chất lượng dịch vụ cao Có được các ưu điểm này là do WiMax ứng dụng nhiều công nghệ tiên tiến như công nghệ điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa anten phát-thu MIMO Trong luận văn này tôi đi sâu nghiên cứu cũng như tiến hành mô phỏng công nghệ OFDM, kỹ thuật MIMO trước khi đi vào nghiên cứu hệ thống WiMax Luận văn tập trung nghiên cứu lớp vật lý và lớp MAC trong hệ thống WiMax Ngoài ra tôi cũng nghiên cứu việc tính toán thiết kế hệ thống WiMax và việc thử nghiệm WiMax di động của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam tại thành phố Huế

5 từ khoá (key word)

M Ở ĐẦU

Trong những năm gần đây, các công nghệ không dây được đề cập đến nhiều và được coi là một trong những giải pháp hữu hiệu cho nhiều loại hình mạng Mạng không dây là một trong những bước tiến lớn nhất của ngành truyền thông Mạng không dây sau đó tiếp tục được quan tâm nhiều hơn nhờ

sự phổ biến mạnh mẽ của kết nối Internet băng rộng tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở thành phương thức dễ nhất để cho phép nhiều máy tính chia sẻ một đường truy cập băng rộng Trong quá trình học tập tại trường đại học Bách khoa Hà Nội cũng như trong thực tế công tác, tôi đã được tiếp xúc và

tham khảo nhiều tài liệu về các công nghệ này Công nghệ WiMax (World

Interoperability for Microwave Access: khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba dựa trên cơ sở hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 802.16) với nhiều ưu điểm vượt trội như tốc độ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng, chất lượng dịch vụ được thiết lập cho từng kết nối, an ninh tốt,

sử dụng cả phổ tần cấp phép và không được cấp phép WiMax là công nghệ không dây băng rộng được hỗ trợ mạnh mẽ bởi nền công nghiệp máy tính và viễn thông với chi phí thấp và được chuẩn hóa WiMax cung cấp những dịch

vụ cố định và không dây mới nhất như VoIP, Audio và Video với chi phí thấp Hệ thống WiMax có thể bao phủ một vùng diện tích rộng lớn tới 50km

và cung cấp tốc độ bit lên tới 70Mbit/s cho người dùng Trong hệ thống WiMax, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) và đa anten phát - đa anten thu MIMO

(Multiple Input Multiple Output) là hai kỹ thuật then chốt

Tuy WiMax mới được bắt đầu triển khai trên các hệ thống thử nghiệm nhưng nó đang là xu hướng mới cho các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến trong việc truy nhập không dây băng thông rộng cho tất cả các thiết bị cố định và di động Theo đánh giá của các chuyên gia thì WiMax di động sẽ nhanh chóng

vượt qua những công nghệ hiện có như Wi-Fi hay 3G Ở Việt nam, công nghệ WiMax đang được các nhà khoa học cũng như các doanh nghiệp rất quan tâm Để làm chủ công nghệ cũng như triển khai ứng dụng rộng rãi WiMax ở Việt nam, cần phải nắm vững và hiểu biết sâu sắc bản chất công nghệ mà hệ thống sẽ sử dụng Ngoài ra, cần phải biết tính toán thiết kế thử nghiệm hệ thống, một công việc vô cùng quan trọng đối với các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật Với lý do này và với sự định hướng, gợi ý của TS Vũ Văn Yêm tôi chọn đề tài «Công nghệ OFDM và ứng dụng trong WiMax » Luận văn được chia thành bốn chương với các vấn đề nghiên cứu sau đây:

Chương 1: Công nghệ OFDM- Điều chế đa sóng mang trực giao

Chương 2: Kỹ thuật MIMO- Đa anten phát và đa anten thu

Do vậy tôi rất mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý thêm của các thầy cô

và bạn bè đồng nghiệp nhằm hoàn thiện hơn nữa luận văn của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Vũ Văn Yêm, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng và góp ý cho tôi nhiều điều vô cùng quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, tháng 10 năm 2008

Học viên: Phan Đức Chính Lớp cao học ĐTVT khoá 2006 - 2008

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ OFDM 1.1 Tổng quan vể hệ thống OFDM

1.1.1 Lịch sử phát triển

Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM

có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ đó OFDM chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo

tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Kỹ thuật OFDM do R.W.Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ [12] Trải qua hơn 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM

có thể thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho

kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

1.1.2 Cấu trúc, chức năng hệ thống OFDM

Sơ đồ khối một hệ thống OFDM được minh hoạ theo hình sau:

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống OFDM

1.1.2.1 Khối biến đổi nối tiếp sang song song (Serial to Para)

Luồng số liệu nối tiếp (serial) đi vào được tạo kích cỡ theo yêu cầu truyền dẫn (điều chế QAM) và chuyển thành dạng song song Dữ liệu được phát song song bằng cách gán mỗi từ cho 1 sóng mang để điều chế tín hiệu

1.1.2.2 Khối điều chế (Modulation Mapping)

Dữ liệu được phát trên mỗi sóng mang được mã hóa vi sai và điều chế

mã M-QAM Vì tín hiệu mã hóa vi sai yêu cầu pha tham chiếu ban đầu nên một ký hiệu được bổ sung vào đầu chuỗi Dữ liệu trên mỗi ký hiệu sau đó được với một góc pha nhất định dựa theo phương thức điều chế Sử dụng PSK tạo ra một tín hiệu biên độ không đổi và đơn giản để giảm các vấn đề biến đổi pha do fading

1.1.2.3 Khối biến đổi Fourier ngược (IFFT)

Sau khi phổ yêu cầu đã được xác định, thực hiện biến đổi Fourier để tìm dạng sóng thời gian tương ứng biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT, và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Trong trường hợp, N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT, FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế

1.1.2.4 Khối chèn khoảng bảo vệ

Khoảng bảo vệ được thêm vào đầu mỗi ký hiệu, gồm 2 phần, một nửa phát biên độ zero, một nửa khác là phần mở rộng của tín hiệu phát, điều này cho phép dễ dàng khôi phục định thời ký hiệu nhờ tách sóng đường bao

Độ dài khoảng bảo vệ GI cần vượt quá trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh nhiễu đa đường, GI được loại bỏ tại máy thu Thông thường GI được chọn để

có độ dài từ 1/10 đến 1/4 thời gian ký tự, làm giảm SNR tới 0,5 tới 1dB

1.1.2.5 Khối kênh truyền dẫn vô tuyến

Một mô hình kênh được áp dụng cho tín hiệu phát Mô hình cho phép điều khiển tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR, nhiễu đa đường và công suất đỉnh SNR được lập bằng cách thêm một lượng nhiễu trắng đã biết vào tín hiệu, trễ

đa đường được mô tả bằng bộ lọc FIR, độ dài của bộ lọc tương ứng với độ trễ lớn nhất khi hệ số biên độ tương ứng với lượng tín hiệu phản hồi

1.1.2.6 Máy thu

Máy thu về cơ bản hoạt động ngược lại so với máy phát, khoảng bảo vệ được loại bỏ, biến đổi Fourier nhanh FFT để tìm phổ tín hiệu gốc phát

1.1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM

1.1.3.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới

Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới như:

- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting For

Terrestrial Transmission)

- Hệ thống phát thanh số đường dài DRM (Digital Radio Mondiale)

- Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber

Line)

- Các chuẩn IEEE 802.11a, IEEE 802.11g

- Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao Hiper LAN/2 (High

Pefomance Local Area NetWork type 2)

- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn WiMax)

1.1.3.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện nay đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HyperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam Hiện tại trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiệm WiMax ứng dụng công nghệ OFDM như VTC, VNPT, Viettel

1.1.4 Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng WiMax theo tiêu chuẩn IEEE 802 16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, Kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứu với

mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần thêm thời gian để kiểm chứng

1.2 Điều chế OFDM

1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu

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

Trong đó ψ q * (t) là liên hợp phức của ψ q(t) Khoảng thời gian từ a đến b

là chu kỳ của tín hiệu Còn k là một hằng số

Các sóng mang con

Hình 1.2 Sự trực giao của tín hiệu OFDM

Trong hệ thống OFDM, trực giao nghĩa là mỗi sóng mang ở vị trí sao cho nó xuất hiện ở điểm tần số năng lượng Zero của tất cả các sóng mang khác Và hàm sin(x)/x để diễn tả cho đặc tính này, nó được sử dụng như là 1 sóng mang trong OFDM Để chắc chắn điều kiện trực giao thì vị trí không gian tần số của các sóng mang phải cố định Trong thời gian tín hiệu hữu ích, mỗi sóng mang trực giao với sóng mang khác từng đôi một Nếu lấy miền

(1.1)

thời gian tín hiệu của 1 sóng mang là p, nhân với miền thời gian tín hiệu của sóng mang khác là q (q≠p), và kết quả tích hợp quá thời gian kí hiệu hữu ích, kết quả sẽ là 0 Như trình bày trong các phần tiếp theo, OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang con là trực giao với nhau

1.2.2 Bộ điều chế OFDM

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 phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua

phép nhân với hàm phức , trong đó ωs= 2πfs = là khoảng cách tần

số giữa hai sóng mang Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng

mang phụ trực giao được với nhau Tính trực giao của hai sóng mang phụ p

và q được kiểm chứng như sau:

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

(1.2)

lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc của phép điều chế OFDM

Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {ai} được chia thành NFFT 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 {ai,n} lại được điều chế

thành mẫu tín hiệu phức đa mức {dk,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 {dk,n} lại được nhân với xung cơ sở 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 Sau khi nhân với xung cơ sở tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau như chứng minh ở trên 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:

Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k Sự biểu diễn tín

hiệu OFDM tổng quát sẽ là:

Ở đây tín hiệu m’(t) là tín hiệu m’

k(t) với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn

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 OFDM trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống

nhiễu xuyên tín hiệu ISI như được trình bày ở mục dưới đây

1.2.3 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Hình 1.4 Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ

(1.4)

(1.5)

Chuỗi bảo vệ Phần tín hiệu có ích

Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là Ts như ở hình 1.4 chuỗi

bảo vệ là 1 chuỗi tín hiệu có độ dải là Tg ở phía sau sao chép lên phần phía trước của mẫu 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 1 khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài là Ts Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu này có chu kỳ là T = Ts + Tg Do hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu này sẽ đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý này,

ta chỉ mô tả tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn, trong đó 1 tuyến truyền dẫn không có trễ, tuyến còn lại trễ so với tuyến đầu tiên là Ở tuyến đầu

tiên ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ

k Điều này là do ta đã giả sử rằng tuyến đầu tiên không có trễ truyền dẫn

Tuy nhiên ở tuyến 2, mẫu tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k

một khoảng là do trễ truyền dẫn Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k

bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng cũng là 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 trong các phương pháp điều chế thông thường sẽ 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 Trong trường hợp , thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích

có độ dài Ts không bị chông 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

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang phụ, do vậy đơn giản hóa cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín

(1.6)

hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ thông bị giảm đi một hệ số là

1.2.4 Phép nhân với xung cơ bản (Basic Impulse)

Trong bất kỳ hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào, tín hiệu trước khi được truyền đi đều được nhân với xung cơ bản Mục đích của phép nhân này là giới hạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng cho phép của kênh truyền cho phép Trong trường hợp bề rộng của phổ tín hiệu phát lớn hơn bề rông kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát này sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản là s’(t) Xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một mẫu tín hiệu OFDM Sau khi chèn chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản

ký hiệu là s(t) có độ rộng là TS + TG

1.3 G iải điều chế OFDM

1.3.1 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường được biểu hiện về mặt toán học

thông qua đáp ứng xung h( ,t) và hàm truyền đạt H(j ,t) Đối với đáp ứng xung h( ,t), biến ký hiệu là trễ truyền dẫn của kênh Trễ truyền dẫn là

khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu chuyển từ máy phát đến máy thu Biến t

là thời gian tuyệt đối (hay là thời điểm quan sát kênh) Biến đổi Fourier của đáp ứng xung đối với biến cho ta hàm truyền đạt của kênh

(1.7)

(1.8)

Để đơn giản hóa cho việc mô tả nguyên tắc điều chế, môi trường truyền

dẫn được giả thiết không có can nhiễu tạp âm trắng AWGN (Additive White

Gaussian Noise) Mối liên hệ giữa tín hiệu phát m(t), tín hiệu thu u(t) và đáp ứng xung của kênh h( ,t) được mô tả như ở hình (1.5)

m(t) u(t)

Hình 1.5 Mô hình kênh truyền dẫn

Ở miền thời gian tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh

với ký hiệu * là phép tích chập của hai tín hiệu

1.3.2 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM

(1.9)

H(jω,t)

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở hình 1.6 Tín

hiệu đưa vào bộ giải điều chế là u(t) Với tín hiệu phát m(t) (hình 1.5), biểu diễn của u(t) được viết tiếp dưới dạng

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế Các bước đó bao gồm:

- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

- Nhân với hàm số phức (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang

về băng tần gốc như trước khi điều chế)

- Giải điều chế ở các sóng mang phụ

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

1.3.2.1 Tách khoảng bảo vệ

Hình 1.7 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải điều chế OFDM

Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận

(1.11)

1.3.2.2 Tín hiệu sau khi giải điều chế

Bộ giải điều chế trên mỗi sóng mang phụ là mạch tích phân thực hiện chức năng sau đây:

Trong đó là tín hiệu ra của bộ tích phân nằm ở sóng mang phụ thứ

l và mẫu tín hiệu OFDM thứ k (khe thời gian thứ k) Thay cách biểu diễn của

từ (1.11) kết hợp với sự biểu diễn của u(t) ở phương trình (1.10), ta có

thể viết lại biểu thức (1.12) như sau:

Trong phương trình trên, kết quả tích phân cho trường hợp n=l sẽ cho

ta tín hiệu có ích còn kết quả tích phân cho các trường hợp n l sẽ là kết

quả của can nhiễu liên kênh ICI (Inter Carrier Interference) Phần tín hiệu có ích được biểu diễn bởi phương trình sau:

và phần can nhiễu liên kênh được biểu diễn bởi

Giả sử kênh vô tuyến không phụ thuộc vào thời gian trong độ dài của

một mẫu tín hiệu , có nghĩa là biến thời gian t trong hàm truyền đạt của

(1.12)

(1.13)

(1.14)

(1.15)

kênh được loại bỏ trong phép lấy tích phân, thì phần có ích được viết lại dưới dạng:

Thành phần nhiễu liên kênh được viết lại:

Do các sóng mang trực giao với nhau, kết quả tích phân ở phương trình (1.17) rõ ràng là bằng không Do vậy thành phần can nhiễu liên kênh sẽ triệt tiêu trong trường kênh không thay đổi về thời gian trong một chu kỳ tín hiệu

1 4 Mô phỏng hệ thống OFDM

Để hiểu rõ hơn hệ thống OFDM, tôi đã tiến hành mô phỏng hệ thống OFDM đơn giản dùng Matlab/Simulink Sơ đồ khối hệ thống OFDM đơn giản

mô phỏng trên ngôn ngữ Matlab/Simulink 7.0 như trình bày trong hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống OFDM

- Nguồn tin: có thể là một chuỗi bit bất kỳ, sóng dạng sin, file văn bản dạng

txt, hay file âm thanh dạng.wav

(1.16)

(1.17)

- Khối nối tiếp/song song: sẽ chuyển luồng bit sau mã hóa thành N luồng bit

song song (N=số sóng mang) được thể hiện dưới dạng ma trận (có số hàng là

số symbol OFDM, số cột là số sóng mang)

- Khối IFFT: chuyển tín hiệu từ miền tần số về miền thời gian Đầu vào của

khối này là ma trận gồm các phần tử phức và liên hiệp của nó, sau khi đi qua khối IFFT sẽ chỉ có các phần thực được giữ lại Đầu ra của khối IFFT là một

ma trận có số hàng là số symbol, có số cột là kích thước FFT

- Khối songsong/nối tiếp: Chuyển đổi các luồng bit song song thành một luồng

bit nối tiếp Quá trình này là việc chuyển ma trận đầu ra của khối IFFT về ma trận có một hàng, và có số cột là tích của số symbol với kích thước của FFT

- Chèn khoảng bảo vệ: tín hiệu sau khối song song/nối tiếp được chèn khoảng

bảo vệ ở đây là chuỗi bảo vệ Việc này được thực hiện bằng cách copy phần cuối của mỗi symbol (có chiều dài là FFT bit) một đoạn có chiều dài là bằng chiều dài của khoảng bảo vệ, rồi chèn đoạn copy này vào đầu symbol để tạo thành một symbol mới có chiều dài là tổng của symbol cũ và khoảng bảo vệ Đầu ra của khối này là một ma trận có 1 hàng và có chiều dài là tích của số symbol với tổng của kích thước FFT và khoảng bảo vệ

- Kênh truyền: tín hiệu sau khi qua khối chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa

thẳng vào kênh truyền Kênh truyền ở đây chịu ảnh hưởng của nhiễu trắng và hiệu ứng đa đường (một đường LOS và 2 đường NLOS)

Phía thu sẽ thực hiện các quá trình ngược lại: tách khoảng bảo vệ, chuyển luồng bit từ nối tiếp thành song song rồi đưa vào khối FFT, sau đó chuyển thành luồng bit nối tiếp, qua giải mã rồi khôi phục lại tín hiệu ban đầu Kết quả sẽ được so sánh với đầu vào ban đầu để tính toán số bit lỗi và tỉ số lỗi bit Hình 1.9 mô tả tín hiệu OFDM trong miền thời gian Tín hiệu OFDM vẽ cho

16 kí hiệu OFDM, mỗi kí hiệu OFDM có 256 sóng mang con

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM miền thời gian

Còn phổ của tín hiệu OFDM vẽ cho 16 kí hiệu OFDM, mỗi kí hiệu OFDM có

256 sóng mang con được minh hoạ trên hình 1.10 Ta có thể thấy đáp ứng của kênh OFDM là không bằng phẳng, đây là nhược điểm chung của hệ thống OFDM Để giảm sự không bằng phẳng này thì người ta sử dụng nhiều sóng mang con, khi đó đáp ứng của kênh sẽ gần như bằng phẳng

Hình 1.10 Phổ tín hiệu OFDM trong miền tần số

Hình 1.11 mô tả dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu Từ kết quả mô phỏng ta thấy các tín hiệu số sau khi qua bộ điều chế QPSK được điều chế thành các tín hiệu phức Dạng tín hiệu OFDM bên thu nhận được

khác so với dạng tín hiệu OFDM bên phát là do kênh truyền có tạp âm trắng cộng (AWGN) AWGN làm cho tín hiệu thu được bị méo dạng đi

Hình 1.11 Dạng FFT của bên phát OFDM và FFT của bên khối thu

Để đánh giá thêm ưu việt của hệ thống OFDM, ta sẽ mô phỏng hệ

thống trên kênh đa đường và nhiễu trắng Các tham số của hệ thống như sau: + Kích thước FFT: 128

+ Số sóng mang con: 32

+ Kích thước khoảng bảo vệ: 8

+ Kênh đa đường: đường NLOS 1: trễ d1=6, suy hao a1=30%; đường NLOS 2: trễ d2=9, suy hao a2=0.25%; đường LOS

+ SNR: 15 dB

Hình 1.12 mô tả quan hệ giữa tỉ số SNR và BER khi chỉ xét kênh có nhiễu trắng và khi xét kênh có nhiễu trắng cũng như phân tập đa đường:

Hình 1.12 Tỉ lệ lỗi bit tương ứng với SNR trong trường hợp chỉ có nhiễu trắng (đường màu xanh) và có cả hiệu ứng đa đường (đường màu đỏ)

Ta có thể nhận thấy tỉ lệ lỗi bit BER giảm khi SNR tăng, và BER tăng thì SNR giảm Qua đây ta cũng thấy hệ thống OFDM có khả năng khắc phục hay chịu đựng tốt hiệu ứng đa đường

Kết luận chương 1

Công nghệ điều chế đa sóng mang trực giao OFDM có nhiều tính năng vượt trội so với điều chế đơn sóng mang truyền thống như khả năng thích hợp cho hệ thống tốc độ cao; khả năng thích hợp với các ứng dụng không dây cố định; tính hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn; khả năng chống fading đa đường và fading chọn lọc tần số Ngoài ra công nghệ này có thể loại

bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang và giao thoa giữa các ký hiệu Đặc biệt OFDM có thể khắc phục hiện tượng không có đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn Tuy nhiên OFDM không phải không có nhược điểm,

đó là nó đòi hỏi khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao

thoa tần số ICI (Inter Carrier Interference) mà kết quả là phá bỏ sự trực giao

giữa các tần số sóng mang và làm tăng tỷ số bít lỗi (BER) Ngoài ra OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung

OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động thế hệ tiếp theo, hệ thống truyền hình số và đặc biệt việc ứng dụng công nghệ OFDM là một trong những vấn đề then chốt trong hệ thống WiMax sẽ trình bày ở chương 3 Trong hệ thống WiMax, bên cạnh

công nghệ OFDM, kỹ thuật đa anten phát đa anten thu MIMO (Multiple Input

Multiple Output) là một công nghệ chính Trước khi đi vào trình bày hệ thống WiMax, kỹ thuật MIMO sẽ được trình bày trong chương 2

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT MIMO

2.1 Giới thiệu chung

Truyền thống không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi, tạo ra yêu cầu phải nâng cao tốc độ và chất lượng truyền dẫn Trong khi đó, phổ tần và băng thông ngày càng bị hạn chế Giải pháp đưa ra là sử dụng hệ thống MIMO với nhiều anten ở cả phía phát và phía thu để cải thiện dung lượng và

độ tin cậy của hệ thống mà không yêu cầu mở rộng băng tần và công suất tín hiệu Để hiểu rõ về vấn đề này, chúng ta nghiên cứu mô hình hệ thống MIMO

và thực hiện các phân tích toán học cần thiết để tính toán dung lượng đạt được của hệ thống MIMO trong điều kiện kênh được biết và không được biết ở phía phát Những kết quả này cũng được xem xét trong cả trường hợp kênh xác định và kênh ngẫu nhiên Sau đó chúng ta nghiên cứu các ảnh hưởng của tham số vật lý lên dung lượng kênh như là vấn đề tương quan giữa các anten, vấn đề truyền lan LOS giữa anten phát và thu

2.2 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO cung cấp các ưu điểm sau:

- Độ lợi dàn: Do sử dụng nhiều anten, độ lợi dàn tăng làm tăng vùng phủ

sóng và cự ly Điều này có lợi cho các vùng xa xôi ít người khi có thể sử dụng

ít BTS hơn Mặt khác cũng có thể giảm công suất phát của các thiết bị đầu cuối nhờ tăng độ lợi của BTS thu

- Độ lợi phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động

ngẫu nhiên (hoặc yếu dần) Phân tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số và không gian để phía thu có thể thu chính xác tín hiệu phát Điều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bít Có thể sử dụng phân tập không gian (anten) phân tập thời gian hay phân tập tần số Tuy nhiên phân tập không gian được

ưa thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn

- Độ lợi ghép kênh không gian: Kênh MIMO đưa ra sự tăng tuyến tính

của dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten riêng biệt

- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần

số trong kênh không dây Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để giảm giao thoa

- Kết hợp công suất: Trong trường hợp có M anten được thực hiện ở

đường xuống và mỗi anten được điều khiển bởi 1 bộ khuyếch đại công suất với tốc độ tương đương ở trường hợp 1 anten, hệ số kết hợp công suất sẽ là 10log10(M)

2.3 Mô hình hệ thống MIMO

Công nghệ MIMO khai thác kỹ thuật truyền dẫn đa đường để tăng thông lượng truyền tín hiệu Hệ thống MIMO bao gồm nhiều bộ phận thu và phát tín hiệu Để khai thác hiệu quả các hệ thống MIMO, cần một môi trường bức xạ

đa đường để tạo ra các kênh lan truyền độc lập Như vậy sẽ tạo ra nhiều kênh con song song ở cùng tần số, điều này làm cho dung lượng hệ thống cao hơn

Ma trận phát là ma trận s gồm ntcột silà thành phần cột thứ i Ta coi kênh đó là kênh Gausse sao cho các phần tử của s được xem như là biến số Gausse phân bố đồng dạng độc lập (i.i.d) Giả thiết tín hiệu phát trên mỗi anten có công suất như nhau và bằng Es/nt Ma trận hiệp phương sai cho tín hiệu phát này được thể hiện:

t

n t

Với Es là công suất phát bất kể số anten nt và Int là một ma trận đồng nhất

nt xnt Độ rộng băng tần tín hiệu phát quá hẹp đến nỗi tần số đáp ứng của nó có thể xem như không thay đổi Ma trận kênh H là một ma trận phức nr xnt Thành phần hijcủa ma trận là hệ số fading của anten phát thứ j tới anten thu thứ i Ta giả thiết công suất thu của mỗi anten thu thì bằng tổng công suất phát Es Điều này có nghĩa là ta mặc nhiên bỏ qua suy hao tín hiệu, độ lợi anten Bởi vậy chúng ta đạt được sự chuẩn hoá cho thành phần của H, với một kênh định trước là:

=

Nếu thành phần kênh không được xác định trước mà là ngẫu nhiên, sự

chuẩn hoá sẽ cung cấp các giá trị mong muốn của (2.2)

Ta giả thiết ma trận kênh được biết ở máy thu nhưng không biết trước ở máy phát Ma trận kênh có thể được ước tính ở máy thu bằng việc truyền một chuỗi huấn luyện Nếu ta yêu cầu phía phát biết kênh này, chúng ta cần truyền thông tin tới máy phát qua kênh phản hồi Các phần tử của H có thể được xác định trước hoặc là ngẫu nhiên Tạp âm ở máy thu là một ma trận đứng khác, kích thước MR x1, được diễn giải bởi n Thành phần của n là biến số Gauss tròn có phân bố đối xứng trung bình bằng không (ZMCSCG) Ma trận hiệp phương sai của tạp âm thu là: