Nghiên cứu mã khối không gian tần số cho hệ thống mimo OFDM với ăng ten tái cấu hình

Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các ăng-ten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng thông thường là , Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN TOẠI

NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHÔNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG

MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN TOẠI

NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHÔNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG

MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Nguyễn Thành Chuyên

Hà Nội – 2018

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

Họ và tên: Vũ Văn Toại

Mã HV: CB150251 Khoá: 2015-2017 Ngành học: Điện Tử - Viễn Thông Tên đề tài: NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHÔNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH

Nội dung luận văn :Nội dung của luận văn được chia thành 03 phần chính như sau:

➢ Chương I: Tìm hiểu tổng quan về MIMO,OFDM

➢ Chương II: Hệ thống ăng-ten tái cấu hình và mã khối không gian-tần số

➢ Chương III: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

Ngày giao luận văn:……/ /2018

Ngày nộp luận văn : ……/09/2018

Ngày … tháng 09 năm 2018

TS Nguyễn Thành Chuyên

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng 09 năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Thành Chuyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MIMO ,OFDM 3

1.1 Kỹ thuật MIMO 3

1.2 Kỹ thuật OFDM 16

1.3 Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền 22

1.4 Khái quát hệ thống MIMO tái cấu hình 26

1.5 Kết luận 26

CHƯƠNG II HỆ THỐNG MẢNG ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH VÀ MÃ KHỐI KHÔNG GIAN - TẦN SỐ 31

2.1 Xây dựng mô hình và đặt vấn đề nghiên cứu 32

2.2 Biểu thức dạng đóng cho hệ số ma trận hiệp phương sai 35

2.3 Đánh giá năng lực kênh MIMO tái cấu hình 49

2.4 Mô hình hệ thống cho MIMO-OFDM tái cấu hình 57

2.5 Mã khối không gian-trực giao bán trực giao 60

2.6 Các mã khối không gian-tần số- trạng thái bán trực giao 62

2.7 Mã khối không gian-tần số-trạng thái 64

2.8 Kết luận 65

CHƯƠNG III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu Gausian trắng cộng

B

D

F FDM Frequency-division multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần

I ICI Inter-carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang lân cận

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh

L

M MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

O

OSTBC Orthogonal Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian

P PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ lệ công suất đỉnh đến trung bình

S

SCTB Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian SISO Single-input single-output Tín hiệu một đầu ra và một đầu vào

V-BLAST Bell Laboratories Phòng thí nghiệm Bell

Vertical-DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO 3

Hình 1.2: Kỹ thuật Beamforming 4

Hình 1.3:Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 4

Hình 1.4: Không gian phân tập giúp cải thiện SNR……….…… .5

Hình 1.5: Mô hình hệ thống băng gốc 6

Hình 1.6: Ma trận mã STBC 7

Hình 1.7: Sơ đồ mã lưới 8

Hình 1.8: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 9

Hình 1.9: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 9

Hình 1.10:Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền song song 12

Hình 1.11: Mô hình phân tập khi NT<NR 13

Hình 1.12: Mô hình phân tập khi NT<NR 13

Hình 1.13 Sơ đồ một hệ thống OFDM 16

Hình 1.14 : Sơ đồ quá trình phát tin 18

Hình 1.15 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM 18

Hình 1.16: a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang 19

Hình 1.17: Phổ của các sóng mang trực giao 20

Hình 2.1: Phân tập theo thời gian 23

Hình 2.2 : Sơ đồ hàm Bessel bậc nhất J2k(Dr)phần trên ứng với giá trị số nguyên k=1,2,3,4,5,6 và J2k+1 ở phần dưới ứng với số nguyên k=0,1,2,3,4,5 44

Hình 2.3: Tính hội tụ của hệ số tương quan như một hàm số của các số hạng trong tổng kết 45

Hình 2.4 Hệ số hiệp phương sai với  =10 200 và  =  = 1 2 10 như một hàm của khoảng cách anten 47

Hình 2.5 Hệ số hiệp phương sai với AS=100 và  =  =1 10 00 giống như một hàm của

2

 và 2 48Hình 2.6 Hệ số hiệp phương sai với  = tương đương với một hàm của 10 0 1 và 2 50Hình 2.7 Hệ số hiệp phương sai với  =  = và 1 10 0 2 0

0 45

hàm của 2 50Hình 2.8 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 so với chùm tia anten cho các giá trị góc lan truyền khác nhau 52

Hình 2.9 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 tại SNR thấp cho một PAS Laplacian cắt ngắn theo phương thức hai chiều với

 = −  = = − và P2 = − 5dB 54Hình 2.10 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 tại SNR cao cho một PAS Laplacian cắt ngắn theo phương thức hai chiều với

 = −  = = − và P2 = − 5dB 54Hình 2.11: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO-OFDM có thể cấu hình lại sử dụng ăng-ten tái cấu hình tại máy phát 58Hình 2.12 :Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM với ăng-ten tái cấu hình tại phía máy phát 59

Hình 3.1 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình với Mt=2,P=2,Mr=1 trong một kênh hai tia với thời gian trễ lan truyền 5 s 68Hình 3.2 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình với Mt=2,P=2,Mr=1 trong một kênh hai tia với thời gian trễ lan truyền 20 s 68Hình 3.3 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình trong một kênh hai tia với thời gian trễ lan truyền 20 s cho một số trạng thái bức xạ khác 69Hình 3.4 BER và số trạng thái bức xạ P một hệ thống đa anten tái cấu hình với

Mt=2,Mr=1 và SNR=9dB trong kênh hai tia với thới gian trễ lan truyền là  =  v5 s

20 s 69

MỞ ĐẦU

Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh

Kỹ thuật MIMO kết hợp với kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật được các nhà khoa học tìm tòi và tìm hiểukhai thác tối đa các ưu điểm của hai kỹ thuật này nhằm tìm ra được phương pháp tốt nhất cho kỹ thuật viễn thông.Các tìm hiểucủa các nhà khoa học đã chứng minh được ưu thế tối ưu của hệ thống khi kết hợp công nghệ MIMO và công nghệ OFDM.Trong tìm hiểulần này đưa ra một tìm

hiểumới:“Nghiên cứu mã khối không gian tần số cho hệ thống MIMO-OFDM với ten tái cấu hình”

ăng-Trong phần đầu tiên luận văn đi vào tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật MIMO và OFDM phân tích đánh giá các ưu điểm,nhược điểm hai kỹ thuật này qua đó độc giả có cái nhìn tổng quan về MIMO và OFDM

Trong phần thứ hai của luận văn cung cấp một công cụ phân tích để phân tích hiệu suất của các hệ thống không dây MIMO được trang bị ăng-ten có khả năng tái cấu hình tại máy thu Đầu tiên chúng ta nhận được các biểu thức phân tích để tính toán các

hệ số ma trận hiệp phương sai của các tín hiệu nhận được đưa vào một mảng ăng-ten

có khả năng tái cấu hình bằng cách tính đến một số đặc tính ăng-ten như độ rộng chùm tia, khoảng cách anten, góc chỉ anten và độ lợi của anten Trong phần này, xem xét một bộ thu MIMO có khả năng tái cấu hình, trong đó mẫu bức xạ của từng phần tử ăng-ten trong mảng có thể có các đặc điểm khác nhau Ngoài ra, còn tìm hiểukhả năng của một hệ thống MIMO có khả năng tái cấu hình bằng cách phân tích các biểu thức

Phần cuối của luận văn, tìm hiểu một kỹ thuật mã hóa khối ba chiều mới cho các hệ thống MIMO-OFDM có khả năng tái cấu hình tận dụng các tính năng ăng-ten có khả

năng tái cấu hình để tăng cường sự đa dạng và hiệu năng của hệ thống không dây Mã khối được tìm hiểu đạt được nhiều lợi ích đa dạng, bao gồm: không gian - tần số và trạng thái bằng cách truyền một mã khối qua nhiều ăng-ten phát, OFDM và trạng thái bức xạ Để có được sự đa dạng cho ăng-ten phát để chuyển đổi độc lập mô hình bức xạ thành hướng có thể được chọn theo các tiêu chí tối ưu khác nhau, ví dụ giảm thiểu mối tương quan giữa các trạng thái bức xạ khác nhau Mã được tìm hiểu đạt được đầy đủ

và đa dạng từ cách xét ba loại biến, giúp cải thiện đáng kể hiệu năng bit-error-rate (BER) của các hệ thống MIMO

cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo công thức:

C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz (1.1)

1.1.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO

1.1.2.1 Độ lợi Beamforming

Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các ăng-ten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng (thông thường là ), Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập

RXTX

Hình 1.2: Kỹ thuật Beamforming

1.1.2.2 Độ lợi ghép kênh không gian

Hình 1.3:Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền

Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa ăng-ten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các ăng-ten (hình 1.3), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại

dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) được áp dụng

1.1.2.3 Độ lợi phân tập

Hình 1.4: Không gian phân tập giúp cải thiện SNR

Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị Fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền Fading khác nhau (Hình 1.4), bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại Fading, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được Fading, ta phải

có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống

1.1.3Kỹ thuật mã hóa không gian và thời gian

1.1.3.1 Mã khối không gian thời gian STBC

Để có thể cải thiện chất lượng lỗi của truyền dẫn nhiều ăng-ten người ta có khả năng kết hợp mã hóa chống lỗi với thiết kế phân tập phát Mã chống lỗi kết hợp với các phương pháp phân tập có thể vừa đạt được độ tăng ích mã lại vừa có lợi từ việc phân tập, tuy nhiên ta sẽ gặp phải vấn đề tổn thất về băng thông do việc dư thừa của mã.Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian trên băng gốc với NTăng-tenna phát và NRăng-ten thu như hình 1.5 Các dữ liệu phát đi được mã hóa bởi bộ mã hóa không gian thời gian

T n t

x

r x

2

r x

R n t

x , 1 ≤ i ≤ NT được phát đi bởi ăng-ten

i và tất cả các symbol được phát trong cùng một khoảng thời gian T giây Vectơ của các symbol được điều chế mã được gọi là symbol không gian-thời gian.STBC (Space Time Block Codes) là kỹ thuật mã hóa tín hiệu theo không gian và thời gian nhằm khai thác độ lợi phân tập không gian và phân tập thời gian của kênh truyền vô tuyến.Mã STBC được đưa ra dưới dạng một ma trận Mỗi cột tượng trưng cho một khe thời gian, còn mỗi hàng tượng trưng cho quá trình phát của 1 ăng-ten trên toàn miền thời gian

1.1.3.2 Các định nghĩa trong STBC-MIMO

-Tỷ lệ mã: của 1 mã khối không gian thời gian được định nghĩa như tỷ số giữa số symbol mà bộ mã hóa đưa vào đầu vào của nó và số khe thời gian của 1 khối Nếu 1 khối mã hóa k symbol thì tỷ lệ mã là:

k r t

-Hiệu suất phổ của hệ thống:

b s s

Nếu ma trận D có hạng đầy đủ (full rank) cho mọi cặp từ x ≠ x’ bất kỳ thì ta đạt được

sự phân tập lớn nhất có thể NTNR

a.Mã lưới không gian thời gian STTC

STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được

mở rộng cho trường hợp MIMO Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông

vũ trụ và vệ tinh, do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp.Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra một chuỗi các vevtor mã độc lập, thì STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa.Bộ mã hóa tạo các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu qua thanh ghi dịch qua K tầng mỗi tầng có k bit Một bộ n phép cộng nhị phân với đầu vào là K tầng

sẽ tạo ra vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào Tại một thời điểm, k bit dữ liệu đầu vào sẽ được dịch vào tầng đầu tiên của thanh ghi dịch, k bit của tầng đầu sẽ được dịch vào k bit của tầng kế Mỗi lần dịch k bit dữ liệu vào sẽ tạo ra một vector mã n bit.Tốc

Mã lưới được biểu diễn thông qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đồ trạng thái (state diagram) mô tả sự biến đổi từ trạng thái hiện tại sang trạng thái kế tiếp tuỳ thuộc k bit

dữ liệu đầu vào ví dụ: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2

Ngõ vào TX1 TX2

Hình 1.9: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2

Tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ được bộ giải mã tương quan tối đa không gian-thời gian STMLD (Space-Time Maximum Likelihood Decoder) giải mã Bộ STMLD sẽ được thực hiện thành giải thuật vector Viterbi, đường mã nào có metric tích luỹ nhỏ nhất sẽ được chọn là chuỗi dữ liệu được giải mã Độ phức tạp của bộ giải mã tăng theo

STTC có bậc phân tập là D truyền dữ liệu với tốc độ R bps thì độ phức tạp của bộ giải

mã tỉ lệ với hệ số 2R(D-1)

STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng

số trạng thái của lưới mã Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ phức tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC

nC ký hiệu nhiễu trắng Guass với phân bố chuẩn

là ma trận kênh truyền chứa các hệ số hij, kích thước NR×NT, hij

biễu diễn độ lợi của kênh truyền từ ăng-ten phát j đến ăng-ten thu i

Phương sai của tín hiệu phát đi là:

Nhiễu tại bộ thu được biểu diễn qua vectơ n [nR, 1] Các thành phần nhiễu có phân phối Guass độc lập thống kê và trung bình bằng 0 Phương sai của tín hiệu nhiễu là :

n 2

N

Mỗi ăng-ten thu chịu công suất nhiễu là 2

Với Pr là công suất trung bình của mỗi ăng-ten, và chúng ta giả sử rằng tổng công suất thu được ở 1 ăng-ten bẳng tổng công suất phát Pr=P

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại mỗi ăng-ten thu là :

2 2

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem là bất biến trong suốt thời gian truyền và tổng công suất phát trên NT là P được xem là không đổi Theo lý thuyết tách ma trận SVD cho ma trận bất kì ta có

Các hệ số thực của D là d1d2…dN với N = min(Nt,Nr) có thể tính được bằng căn bậc hai của các trị riêng n ma trận HHH

i i i

r =  x +n i=1, 2…u (1.18)

' ' i

r =n i=u+1 N

Sơ đồ hệ thống tương đương:

Hình 1.10:Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền song song

Mô hình phân tập khi NT >NR

Hình 1.11: Mô hình phân tập khi NT<NR

Khi NT<NR

Hình 1.12: Mô hình phân tập khi NT<NR

Giả sử rằng công suất phát của mỗi ăng-ten trong mô hình tương đương MIMO là P/NT

Chúng ta có thể tính dung lượng kênh truyền tổng cộng qua công thức Shannon:

i

u

r 2

C là tổng dung lượng kênh truyền

B là băng thông mỗi kênh truyền đơn và P r ilà công suất tín hiệu nhận được trên mỗi kênh truyền đơn

i

i r T

P P

- Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng

- Khắc phục được nhược điểm của truyền đa đường để tăng dung lượng và chất lượng truyền dẫn

- Trong các hệ thống MIMO, fading ngẫu nhiên và trải trễ có thể được sử dụng

để tăng thông lượng

- Các hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng băng thông

và công suất

✓ Hệ MIMO còn có ưu điểm mạnh về mặt phân tập so với các hệ không dây hiện

có, tốc độ của hệ MIMO có thể được tăng khi ta sử dụng mã không gian_ thời gian với điều kiện khoảng cách giữa các ăng-ten là đủ và trong môi trường fading phong phú

1.2 Kỹ thuật OFDM

1.2.1 Hệ thống OFDM

Hình 1.13 Sơ đồ một hệ thống OFDM

(Nguồn tham khảo: Hình 1 trang 2[96])

Sơ đồ hệ thống OFDM được cho như hình 1.13 Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT:

Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian

Nhiễu

N 1

k 0

1 y(n) Re{d[n]} Re{(A jB ).(cos2 f t jsin2 f t )}

N 1

k 0

1 y(t) (A cos2 f t B sin2 f t)

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành

N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N) N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời, được mô tả như hình 1.13 Ở phía quá trình thu tin thì ngược lại

Hình 1.14 : Sơ đồ quá trình phát tin

Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) Ta có thể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 1.15

Hình 1.15 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu

Hình 1.16: a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang

b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang

Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần

số và nhiễu băng hẹp Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.16a) Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con

bị ảnh hưởng (Hình 1.16b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai

1.2.3 Tính trực giao trong thệ thống OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện

S

2

T

k2Sin 

vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.17) Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau

1.2.4 Ưu và khuyết điểm của hệ thống OFDM

1.2.4.1 Ưu điểm

✓ Tăng hiệu quả sử dụng băng thông

✓ Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng

✓ Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

✓ Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT

✓ Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao

1.2.4.2 Khuyết điểm

✓ Nhạy với offset tần số

✓ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler

✓ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được

✓ Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI

✓ Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0 Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn

1.3 Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền

1.3.1 Fading

Fading là hiện tượng sai lạc tín hiệu thu môt cách bất thường xảy ra đối với các

hệ thốngvô tuyến do tác đông của môi trường truyền dẫn

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến măt đất như:

➢ Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

➢ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số công tác đăc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

➢ Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật đô không khí

➢ Sự phản xạ sóng từ bề măt trái đất, đăc biệt trong trường hợp có bề măt nước và

sự phản xạ sóng từ các bất đổng nhất trong khí quyển Đây cũng là môt yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

➢ Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượngnày đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

Nếu không có đường ngắm (LOS) thành phần tồn tại, phần mào đầu của tín hiệu nhận được sau một phân bố Rayleigh đã cho bởi công thức sau:

fR(r)=𝑟2

𝜎exp(−𝑟

2𝜎2) ; r≥ 0 (1.29) Mặt khác, nếu một LOS giữa bộ phát và bộ thu tồn tại, thì sự phân bố của phong bì được đưa ra bởi một phân bố Ricean được mô tả bằng công thức:

fR(r) = 𝑟

𝜎2exp(−(𝑟2+𝐷2)

2𝜎2 ) I0(𝐷𝑟

𝜎2) , r,D ≥ 0 (1.30) trong đó D là biên độ của thành phần LOS ,I0 là giá trị hàm Bessel đã sửa đổi của thứ

tự đầu tiên bằng 0

1.3.2 Các kỹ thuật tăng độ lợi kênh truyền

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của

truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về Fading thống kê là rất nhỏ Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập bị nằm dưới mức đó Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian

1.3.2.1 Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ

so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ

Hình 2.1: Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có khả năng tái cấu hình

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể

1.3.2.2Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán

để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

c

c

f1 =

1.3.2.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập ăng-ten Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều ăng-ten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng-ten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau

Yêu cầu về khoảng cách giữa các ăng-ten tùy thuộc vào độ cao của ăng-ten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều ăng-ten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại:

- phân tập ăng-ten phát (hệ thống MISO)

- phân tập ăng-ten thu (hệ thống SIMO)

- phân tập ăng-ten phát và thu (hệ thống MIMO)

Trong phân tập ăng-ten thu, nhiều ăng-ten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt Fading đa đường

-Phân cực đa dạng

Phân cực đa dạng đạt được bằng cách nhận các tín hiệu trên trực giao phân cựcsóng Độ lợi của sự đa dạng phân cực bao gồm khả năng định vị các ăng-tenở cùng một nơi, không giống như sự đa dạng về không gian

-Đa dạng mẫu

Đa dạng mẫu khai thác sự khác nhau trong mẫu bức xạ giữa các phần tử mảngđể giải mã các kênh con của liên kết truyền thông [22] [23] Kỹ thuật này để đạt được hiệu ứng fading độc lập bằng cách truyền / nhận trên các đường tín hiệu khác nhautại mỗi ăng-ten tùy thuộc vào kiểu bức xạ được chọn Đa dạng mẫu là mộtgiải pháp đầy hứa hẹn cho các hệ thống như máy tính xách tay và thiết bị cầm tay có kích thước mảng làhạn chế

1.4 Khái quát hệ thống MIMO tái cấu hình

Trong phần này, cung cấp tổng quan về các kỹ thuật mã hóa mới khác nhau được phát triển cho các hệ thống truyền thông MIMO, bao gồm cả không gian trực giao và bán trực giao theo kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian

1.4.1 Mã khối không gian thời gian trực giao

Mã khối thời gian không gian (STBC) là một kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông không dây để truyền một bản sao của luồng dữ liệu trong một số ăng-ten

và qua nhiều khe thời gian STBC được giới thiệu bởi Alamouti [21] Nó cung cấp và tính đầy đủ và đa dạng bên cạnh đó cũng có cấu trúc bộ giải mã khả năng tối đa đơn giản, nơi các symbol được truyền có thể được giải mã độc lập với nhau Do đó, độ phức tạp giải mã tăng tuyến tính, chứ không phải theo cấp số nhân, với kích thước mã Cấu trúc Alamouti cho hai ăng-ten phát được cho bởi công thức:

1.4.2 Mã khối không gian thời gian bán trực giao

Đối với nhiều hơn hai ăng-ten phát, OSTBC không thể cung cấp tốc độ truyền cao nhất Để đạt được tốc độ truyền dẫn, một nghiên cứu mới của STBC được gọi là cấu trúc khối không gian thời gian bán trực giao được giới thiệu lần đầu tiên trong

[25] Các thiết kế bán trực giao cung cấp các tỷ lệ mã tốt nhất và giải mã ML theo cặp đôi nhưng không đạt được sự đa dạng và đầy đủ Tuy nhiên, có thể đạt được độ lợi đa dạng đầy đủ thông qua một vòng hợp nhất thích hợp [26][27] QOSTBC được luân chuyển đáp ứng được được độ lợi đa dạng đầy đủ và tỷ lệ một và truyền dẫn tỷ lệ một

và thực hiện tốt hơn so với OSTBC Trong [25], cấu trúc QOSTBC sau đây đã được đưa ra cho các biến không xác định x1,x2,x3 và x4

1.4.3 Hệ thống MIMO tái cấu hình

Các hệ thống truyền thông MIMO có thể giúp cải thiện hiệu năng truyền thông không dây trong môi trường phân tán phong phú, tuy nhiên trong thực tế việc đặt nhiều ăng-ten trong thiết bị cầm tay hoặc thiết bị không dây di động có thể không thực hiện được do ảnh hưởng đến không gian và chi phí Để khắc phục hạn chế này, ăng-ten

có khả năng tái cấu hìnhbcó thể là một giải pháp đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu suất của các hệ thống truyền thông MIMO, đặc biệt là trong các môi trường có sự suy giảm tín hiệu với các phương tiện thông thường (tách ăng-ten không gian, phân cực, vv) Không giống như các phần tử ăng-ten thông thường trong các hệ thống MIMO, có đặc tính bức xạ, phần tử ăng-ten có khả năng tái cấu hình trong các hệ thống MIMO có khả năng thay đổi các đặc tính của nó như hoạt động ,tần số, phân cực và các mẫu bức xạ

Do đó, việc sử dụng loại ăng-ten này trong các hệ thống truyền thông không dây có thể nâng cao hiệu suất của chúng bằng cách thêm một mức độ tự do bổ sung có thể thu được bằng cách thay đổi đặc tính của các kênh truyền dẫn không dây Nói chung, ăng-ten có khả năng tái cấu hìnhđược chia thành ba loại bao gồm: ăng ten phân cực tần số, phân cực và mô hình bức xạ Nhiều ăng-ten có khả năng tái cấu hình thông minh đã được nghiên cứubtrong những năm gần đây như ăng-ten kết hợp bên phải / bên trái, bộ

tản nhiệt ký tự có thể điều khiển bằng điện tử [28], ăng-ten MEMS có thể chuyển đổi như ăng ten PIXEL [42] (ORIOL) ăng-ten [29] Tái cấu hình ăng-ten đã được sử dụng

để mang lại sự đa dạng trong Hệ thống SISO [30],[3]và cũng đã được nghiên cứubcho

hệ thống MIMO [1,2,3] (ORIOL) ăng-ten [29] Tái cấu hình ăng-ten đã được sử dụng

để mang lại sự đa dạng trong hệ thống SISO [30],[4]và cũng đã được nghiên cứu cho

hệ thống MIMO [2],[4]

1.4.4 Kỹ thuật mã hóa cho hệ thống MIMO tái cấu hình

Trong phần này, giới thiệu một kỹ thuật mã hóa được nghiên cứutrong [11] cho các hệ thống MIMO có khả năng đạt được tối đa bằng cách mã hóa trên ba chiều: không gian, thời gian và trạng thái truyền kênh

Mã khối không gian theo thời gian

Hãy xem xét một hệ thống MIMO có khả năng tái cấu hình với Mt ăng-ten truyền và Mr ăng-ten nhận Trong hệ thống này, trong mỗi trạng thái truyền kênh, luồng bit đầu vào được ánh xạ tới các ma trận symbol điều chế cơ sở, CP∈CT X Mttrong

đó T biểu thị thời gian của mỗi ma trận kết hợp Từ mã không gian trạng thái tổng thể (STS) cho tất cả trạng thái k kênh truyền P, PT PM t

CC  được mô tả như sau:

12

Trong công thức này T M t

Sau đây chúng ta sẽ lấy một ví dụ minh họa với chúng ta sẽ xem xét trạng thái bức xạ P=2 và Mt=2 ăng-ten truyền dẫn

Kết quả thu được từ mã C như sau:

12

1 C

Trong chương này luận văn đã đi vào tìm hiểu hệ thống MIMO và OFDM đưa

ra được ưu nhược điểm của từng hệ thống,phần tiếp theo đi vào tìm hiểu đến các yếu

tố ảnh hưởng đến quá trình truyền kênh thông tin vô tuyến fading các kỹ thuật tăng độ lợi kênh truyền Sau đó, trình bày các kỹ thuật mã hóa cho các hệ thống MIMO và kỹ thuật mã hóa của hệ thống MIMO tái cấu hình

đa gigabit định hướng cho phép bộ truyền và đưa tới máy thu các mẫu bức xạ ăng-ten trong thời gian thực [5]

Tương tự như các hệ thống không dây MIMO thông thường, hiệu suất của một

hệ thống không dây MIMO tái cấu hình được xác định bởi sự tương quan giữa các tín hiệu tác động lên các phần tử ăng-ten[6] Các hệ số tương quan phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm phân phối không gian tín hiệu, cấu trúc liên kết mảng ăng-ten và các đặc tính mẫu bức xạ của từng phần tử trong mảng Nói chung, các các hệ số này được tính toán bằng cách sử dụng hai cách tiếp cận chính, cụ thể là các giải pháp số và phân tích Hoạt động trong danh mục đầu tiên tăng cường tương quan tín hiệu thông qua các chương trình số (ví dụ, tích phân số và mô phỏng Monte-Carlo) được tính toán chuyên sâu và cần thời gian xử lý dài để có được các giải pháp [7-8] Ngược lại, các biểu thức phân tích tính toán đáng tin cậy hơn và yêu cầu thời gian xử lý ngắn hơn

Trong các công trình tìm hiểu các biểu thức chính xác bắt nguồn từ tính toán các hệ số tương quan không gian cho ULA với các giả định phân phối không gian trên