Đề tài: Trình bày lý thuyết và viết chương trình mô phỏng công nghệ MIMO 2x2 trong mạng Wlan sử sụng matlab

Hiện nay, nhu cầu các ứng dụng băng rộng trong mạng truyền thông không dây đang gia tăng mạnh mẽ. Các hệ thống thông tin tương lai yêu cầu phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu cao và chất lượng tốt hơn, trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng. Mạng WLAN cũng đứng trước thách thức đó. Yêu cầu đó đã thúc đẩy nghiên cứu về hệ thống MIMO (MultipleInput MultipleOutput) sử dụng nhiều anten ở cả phía đầu phát và đầu thu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy MIMO có thể tăng tốc độ dữ liệu, giảm BER, phạm vi phủ sóng mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-*** -TIỂU LUẬN

MÔ PHỎNG MẠNG

Đề tài: Trình bày lý thuyết và viết chương trình mô phỏng công nghệ

MIMO 2x2 trong mạng Wlan sử sụng matlab

DCCTMM62C

HÀ NỘI – 2021

LỜI MỞ ĐẦU 3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN VÀ WIRELESS LAN 5

1.1.Giới thiệu 5

1.2.Xu hướng truyền thông 5

1.3 Lịch sử của WLAN 5

1.4 Các mô hình cơ bản của hệ thống không dây 6

1.4.1 Hệ thống SISO 6

1.4.2 Hệ thống MISO 6

1.4.3 Hệ thống SIMO 6

1.4.4 Hệ thống MIMO 7

1.5 Một số ưu điểm của mạng WLAN 7

1.6 Một số Nhược điểm của WLAN 8

1.7 Hiện tượng Multipath-fading 8

Chương 2: Kỹ thuật OFDM 9

2.1 Giới thiệu 9

2.2 Nguyên lý hoạt động của OFDM 10

2.2.1 Tính trực giao 10

2.2.2 Nguyên lý OFDM 11

2.2.3 Nguyên lý kỹ thuật 11

2.2.4 Ưu và nhược điểm của hệ thống OFDM 12

Chương 3: Hệ thống MImo 2x2 13

3.2 Khái niệm 13

3.3.Mô hình hệ thống MIMO 2x2 14

3.4 Dung năng một kênh MIMO 2x2 15

3.5 Một số kỹ thuật trong hệ thống MIMO 2x2 cơ bản 16

3.5.1 Kỹ thuật beamforming đa luồng 16

3.5.3 Kỹ thuật phân tập(không gian, thời gian) 17

3.6 Các mô hình đặc trưng MIMO 19

3.6.1 Mô hình STBC trong STC 19

3.6.2 Mô hình V-BLAST trong SDM 21

Chương 4: CÔNG NGHỆ MIMO 2x2 TRONG MẠNG WIRELESS LAN 23

4.1 Giới thiệu 23

4.3 MIMO 2x2 sử dụng trong Wlan 25

4.3.1 Hiệu suất MIMO 2x2 26

4.3.2 Anten MIMO 2x2 26

Chương 5: Mô phỏng 27

5.2 LOẠI BỎ NHIỄU LIÊN TIẾP CHO HỆ THỐNG MIMO 2X2 OFDM: VBLAST MIMO OFDM 29

5.3 lược đồ alamouti SFC (MT = 2, MR = 2) trong kênh Fading Rayleigh 31

5.4.lược đồ alamouti STC (MT = 2, MR = 2) trong kênh Fading Rayleigh 35

LỜI MỞ ĐẦU

*Lý do chọn đề tài

Hiện nay, nhu cầu các ứng dụng băng rộng trong mạng truyền thông không dây đang giatăng mạnh mẽ Các hệ thống thông tin tương lai yêu cầu phải có dung lượng cao hơn, tincậy hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu cao và chất lượng tốt hơn, trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng.Mạng WLAN cũng đứng trước thách thức đó Yêu cầu đó đã thúc đẩy nghiên cứu về hệ thống MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) sử dụng nhiều anten ở cả phía đầu phát

và đầu thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy MIMO có thể tăng tốc độ dữ liệu, giảm BER, phạm vi phủ sóng mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống Sự thông tin tốc độ cao Wlan sẽ là môi trường hứa hẹn cho sự triển khai công nghệ MIMO Bên cạnh đó, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing thực hiện chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh truyền phẳng băng hẹp và triệt nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ thêm vào khoảng bảo vệ tại đoạn bắt đầu mỗi symbol Trên thực tế, OFDM đang chứng

tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thông vô tuyến, và đặc biệt trong mạng WLAN.OFDM đã trở thành nền tảng cho các tiêu chuẩn của mạng WLAN như là 802.11a, 802.11g Với tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO với

kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ MIMO trong hệ thống WLAN để tận dụng

4 những ưu điểm của chúng là điều hết sức cần thiết Đó là sự kết hợp tuyệt vời giữa MIMO và OFDM để tạo ra chuẩn 802.11n trong WLAN.

Hiện nay thì MIMO được chia ra làm 2 loại là SU-MIMO và MU-MINO MU-MIMO làcông nghệ nhiều người dùng, nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, nó phổ biến hơn SU-

MIMO.Vì thế em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MIMO 2x2 TRONG MẠNG WLAN”

*Mục đích nghiên cứu

Đề tài tiến hành nghiên cứu kỹ thuật MIMO 2x2 nâng cao dung lượng và chất lượng hệ thống thông tin, kỹ thuật OFDM Qua đó xây dựng hệ thống MIMO 2x2 kết hợp với OFDM trong WLAN để nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ thống

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu :

- Kỹ thuật OFDM.

- Hệ thống MIMO 2x2

- Mạng WLAN 802.11

Phạm vi nghiên cứu :

- Kỹ thuật MIMO trong mạng Wireless LAN

*Phương pháp nghiên cứu

- Về lý thuyết: Thu thập tài liệu để nghiên cứu công nghệ MIMO 2x2, kỹ thuật OFDM

và kết hợp MIMO với OFDM trong hệ thống wireless LAN

- Về thực nghiệm: Xây dựng chương trình mô phỏng MIMO và áp dụng MIMO cho mạng wireless LAN

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ứng dụng kỹ thuật OFDM và MIMO để nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống truyền thông

- Hỗ trợ cho việc xây dựng hệ thống wireless LAN chất lượng và dung lượng cao trước

xu hướng sự gia tăng mạnh mẽ các dịch vụ băng rộng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN VÀ WIRELESS LAN

1.1.Giới thiệu

Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện, trường học hay thậm trí là các quán càphê Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây cũng đang

có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất

Khi mà mạng không dây đang ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và phát triển thì ngày càng nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất bởi các nhà khoa học, các hội nghị

Các mô hình, kiến trúc mạng này được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dầnthoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Ad Hoc thường được viết tắt là MANET Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của 2 mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng vô tuyến Ad Hoc cũng là vấn đề vô cùng quan trọng Nó quyết định rất lớn đến hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống mạng

1.2.Xu hướng truyền thông

Hiện nay các kênh thông tin được sử dụng rất nhiều, để người dùng tiếp cận được nhiều thông tin, giao tiếp với nhau thì việc sử dụng ăng-ten để phát và thu nhận tín hiệu của kết nối không dây rất thông dụng Từ việc thu phát này sẽ giúp các thiết bị điện tử từmáy tính, điện thoại, laptop đều có thể tiếp nhận và sử dụng được sóng wifi dễ dàng hơn, khai thác hết công suất của Router Wifi MIMO là một phần của công nghệ giao tiếp không dây tùy vào số lượng ăng-ten thu phát nên cho tốc độ kết nối tương ứng Điều

đó thể hiện công nghê MIMO rất quan trọng cho việc phát triển truyền thông

1.3 Lịch sử của WLAN

Công nghệ WLAN lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất

(không được thống nhất giữa các nhà sản xuất) cung cấp 5 tốc độ truyền dữ liệu 1Mbps, thấp hơn nhiều so với tốc độ 10Mbps của hầu hết các mạng sử dụng đường dây hiện thời Năm 1992 các nhà sản xuất bắt đầu bán những sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2,4Ghz Mặc dầu những sản phẩm này đã có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng chúng vẫn là những giải pháp riêng của mỗi nhà sản xuất không được công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở những dãy tần số khác nhau dẫn đến một số tổ chức bắt đầu phát triển ra những chuẩn mạng không dây chung Năm 1997Viện công nghệ Điện và Điện Tử (IEEE) đã phê chuẩn sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi WIFI cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số2,4Ghz Năm 1999, IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu) Và những thiết

bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2,4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữliệu có thể lên tới 11Mbps IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm vềtính hiệu dụng gồm thông lượng (throughput) và bảo mật (security) để so sánh với mạng

có dây Năm 2003, chuẩn 802.11g đã được IEEE công bố thêm một sự cải tiến mà có thểtruyền nhận thông tin ở cả hai dải tần 2,4 Ghz và 5 Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tươngthích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps - 300Mbps

1.4Các mô hình cơ bản của hệ thống không dây

1.4.1 Hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một antenphát và một anten thu Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế/giải điều chế Hệ thống SISO thường được dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wifi hay Bluetooth

1.4.2 Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO

Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ

1.4.3 Hệ thống SIMO

Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thốngSIMO Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining

1.4.4 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu Hệ thống

có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như V-BLAST

1.5 Một số ưu điểm của mạng WLAN

Thuận lợi: Khi truy cập mạng không cần phải có dây cáp mà chỉ cần một điểm truy cập

mạng (Access Point kết nối với Internet) lên việc tạo ra một mạng không dây là nhanh chóng và đơn giản đối với người sử dụng Nó cho phép người dùng có thể dễ dàng truy xuất tài nguyên từ bất cứ nơi đâu trong vùng phủ sóng mạng (một tòa nhà hay các văn phòng trong công ty, ) Đặc biệt hiện nay các thiết bị di động nhỏ và dễ dàng di chuyểnnhư PDA, Laptop có hỗ trợ bộ thu phát vô tuyến ngày càng được sử dụng nhiều thì đây

là một điều vô cùng thuận lợi

Khả năng linh động: Khả năng linh động của mạng không dây được thể hiện rõ nhất ở

việc người dùng không còn bị ràng buộc bởi dây cáp mà có thể truy cập mạng ở bất cứ nơi đâu, ví dụ điển hình có thể nói tới là các quán càfê wifi, nơi người sử dụng có thể truy cập mạng một cách miễn phí

Tính hiệu quả trong công việc: Người dùng có thể dễ dàng duy trì kết nối mạng khi di

chuyển từ nơi này đến nơi khác Đối với xã hội ngày nay việc truy cập mạng trong khi dichuyển sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian và có thể làm tăng thêm hiệu quả cho công việccủa họ

Dễ thiết kế và triển khai mạng: Không giống như mạng có dây truyền thống, để thiết

lập mạng chúng ta cần có những tính toán cụ thể cho từng mô hình rất phức tạp thì với mạng không dây, chỉ cần các thiết bị tuân theo một chuẩn nhất định và một điểm truy

Khả năng mở rộng: Với mạng không dây khi có thêm các nút mới gia nhập mạng (hòa

nhập vào mạng), điều đó rất là dễ dàng và tiện lợi chỉ cần bật bộ thu phát không dây trênthiết bị đó và kết nối Với hệ thống mạng dùng dây cáp thì ta cần phải gắn thêm cáp và cấu hình

Tính bền vững: Nếu có thiên tai, hay một sự cố nào đó, việc một mạng có dây bị phá

hủy, không thể hoạt động là điều hoàn toàn bình thường, gần như không thể tránh được Trong những điều kiện như vậy, mạng không dây vẫn có thể hoạt động bình thường hoặc được thiết lập lại một cách nhanh chóng

1.6Một số Nhược điểm của WLAN

Vấn đề an toàn và bảo mật dữ liệu: Do truyền thông trong mạng không dây là truyền

thông trong một môi trường truyền lan phủ sóng cho nên việc truy cập tài nguyên mạng trái phép là điều khó tránh khỏi

Tín hiệu bị suy giảm do tác động của các thiết bị khác :Vì các thiết bị sử dụng sóng

vô tuyến để truyền thông lên việc bị nhiễu, hiện tượng biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang (fading), ảnh hưởng của môi trường, thời tiết là không tránh khỏi Các hiện tượng

đó làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng

Chất lượng dịch vụ của mạng không dây kém hơn so với mạng có dây :Vì mạng

không dây có tốc độ chậm hơn (chỉ đạt từ 1- 10Mbit/s), độ trễ cao hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn (tỉ lệ lỗi là 10-4 so với 10-10 của mạng sử dụng cáp quang) Tuy vậy, theo một số chuẩn mới, ở một số môi trường truyền đặc biệt, việc truyền thông trong mạng không dây cũng có thể đạt được tốc độ cao hơn đáng kể, ví dụ như trong chuẩn 802.11n việc truyền thông có thể đạt tốc độ từ 100-200Mbit/s

Phạm vi phủ sóng của mạng không dây: Các mạng không dây chỉ hoạt động trong

phạm vi nhất định Nếu ra khỏi phạm vi phát sóng của mạng thì chúng ta không thể kết nối mạng

1.7 Hiện tượng Multipath-fading

Multipath-Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra

do hiện tượng đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) không giống nhau tại các thời điểm hoặc/và tại các tần số khác nhau

Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian , va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông, núi, biển … gây ra các hiện tượng sau đây:

• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.

• Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng

• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiềudài bước sóng

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽtới được máy thu

Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này là khác nhau

• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha củacác bản sao:

• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi các bản saođồng pha

• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản sao ngượcpha

Tuỳ theo mức độ của multipath-fading ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel)

hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel) Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân

bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Ricean

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu

Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 1950 Nhưng do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, việc tách các sóng phụ quá phức tạp và thiếu các thiết bị phụ vụ cho việc thực hiện kỹ thuật nên hệ thống chưa phát triển vào thời điểm đó Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDM, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân

Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Và những năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB Trong những năm gần đây, OFDM đã được sử dụng trong các hệ thống không dây như IEEE 802.11n (Wi - Fi) và IEEE 802.16e (WiMAX) và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G

2.2 Nguyên lý hoạt động của OFDM

2.2.1 Tính trực giao

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (multiple information signal) được truyềnmột cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lắp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho 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 cóthể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa cácsóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con: f (t) n , n=0, 1, , N –

1, t 1 ≤ t ≤t 2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

Trong đó,

K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m

t1, t2 là chu kỳ của tín hiệu , ∫

m

¿ (t) là liên hợp phức của ∫

2.2.2 Nguyên lý OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thựchiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Vì khoảng thời gian symbol tăng lên làm cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra

do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong

OFDM 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 5 trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

2.2.3 Nguyên lý kỹ thuật

Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit nhỏ hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số trực giao với nhau Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM chia dải tần công tác thành các băng tần khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể 8 chồng lấn lên nhau làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần

mà không gây nhiễu Hình dưới đây là mô hình hệ thống OFDM:

* Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

* Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

* Cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thànhcác kênh con chỉ chịu fading phẳng

* Nhờ sử dụng tần số sóng mang trực giao, hiện tượng ICI có thể loại bỏ Bên cạnh đó,các sóng mang trực giao này có thể chồng lên nhau dẫn đến việc sử dụng băng thông hệthống hiệu quả

- Nhược điểm:

*Côngsuất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế

RF, sự thay đổi này diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

*Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.

* Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 2X2 3.1 Giới thiệu

Hiện nay thì MIMO được chia ra làm 2 loại là MU-MIMO và SU-MINO

Hệ thống MIMO 2x2 là MU-MIMO MU-MIMO là cải tiến của SU-MIMO, là côngnghệ được phát triển sau, viết tắt của Multi-User - Multiple Input - Multiple Output,nghĩa là công nghệ nhiều người dùng- nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MU-MIMO chophép bộ định tuyến WiFi kết nối với nhiều thiết bị, làm giảm thời gian chờ tín hiệu, tăngtốc độ mạng cho các thiết bị

3.2 Khái niệm

Hệ thống MIMO 2x2 , đôi khi được gọi là 2T2R, sử dụng hai ăng-ten để thiết lập tối đahai luồng dữ liệu với thiết bị nhận So với các mạng ăng-ten đơn thông thường, 2x2cung cấp thông lượng tăng lên đến 100% Hệ thống MIMO 2x2 là MU-MIMO Con số

phía trước dấu x là số ăng-ten phát, và sau dấu x là số ăng-ten nhận.

Ví dụ: Bạn bắt gặp một cái router ghi là 2x2 Điều này có nghĩa là nó có thể dùng 2 ten để phát sóng Wi-Fi ra ngoài ở cùng một thời điểm, và nếu laptop của bạn có cardWi-Fi 1x2 thì máy tính có thể nhận hết sóng của cả 2 ăng-ten này đồng thời Nếu máytính của bạn chỉ là 1x1 thì chỉ nhận được sóng bằng 1 ăng-ten mà thôi Hình bên dưới sẽcho bạn cái nhìn rõ ràng hơn về chỉ số này

ăng-Hình 3.1 : Phân biệt hệ thống MIMO2x2 với các hệ thống MIMO khác

h11 h12

h 21 h22

Trong đó:

h11: Độ lợi kênh giữa anten phát thứ 1 và anten thu thứ 1

h12: Độ lợi kênh giữa anten phát thứ 1 và anten thu thứ 2

h21: Độ lợi kênh giữa anten phát thứ 2 và anten thu thứ 1

h22: Độ lợi kênh giữa anten phát thứ 2 và anten thu thứ 2

Giả sử : x =[x 1 , x 2] T là số liệu phát

y =[y 1 , y 2] T là số liệu thu

η =[η1, η 2] T là số tạp âm Gaus trắng phức của Nr máy thu

T: ký hiệu là phép toán chuyển vị

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau:

y 1

y 2 = h 21 h22 h11 h12 * x 1 x 2 + η 1 η 2

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận N2xN2 trong phương trình trên như

3.4 Dung năng một kênh MIMO 2x2

Chúng ta giả thiết ma trận kênh là ngẫu nhiên , nhưng không đổi trong suốt một chu kỳ truyền dẫn Tương ứng với giả thiết này là mô hình kênh MIMO Fading

Rayleigh biến đổi chậm Vì dung năng kênh C, là một biến ngẫu nhiên, nên ta có hàm phân bố xác suất tích lũy của dung năng, P c Hàm này xác định xác suất tại một mức

dung năng cụ thể

Nếu gọi hàm P v(outage probability) là xác suất dừng kênh tại một mức dung năng cụ thể

thì:

P v = 1 - P c

Trong tính toán dung năng một kênh MIMO, người ta quan tâm đến P v hơn là các

giới hạn Shannon Thật vậy khi xem xét một kênh MIMO 2x2 thì chặn dưới của dung

Trong đó, χ22 = ¿h11∨¿2¿ là biến ngẫu nhiên Chi-Squared với 2 bậc tự do.

Thành phần h ij = z ij+ jz ij và z ij tuân theo phân bố Gauss với trung bình bằng không và

phương sai bằng 0.5 Từ đó suy ra ¿h ij∨¿ tuân theo phân bố Rayleigh.

3.5 Một số kỹ thuật trong hệ thống MIMO 2x2 cơ bản

Kỹ thuật MIMO tập trung chủ yếu vào 3 hướng: kỹ thuật beamforming đa luồng, ghép kênh không gian, mã hóa phân tập (thời gian, không gian ), để nâng cao chất

lượng truyền tin.

3.5.1 Kỹ thuật beamforming đa luồng

Luồng dữ liệu được truyền bởi tất cả các anten tại các thời điểm khác nhau (nghĩa

là với các lệch pha khác nhau) được tính toán để có các tín hiệu gây nhiễu khác nhau tại một điểm cụ thể trong không gian (tức là vị trí của máy thu), do đó tăng cường cường độtín hiệu tại vị trí đó Tín hiệu có thể được tăng cường gấp 2 lần (tức là 3 dB)

Điều kiện tiên quyết để sử dụng beamforming là bên phát phải biết vị trí tương quan giữa của bên thu Access point làm điều đó bằng cách gửi các sounding frames, đơn giản là các tín hiệu độc lập từ các anten của AP, sau đó phía thu phản hồi một ma trận cho biết nó nhận tín hiệu từ mỗi anten như thế nào Dựa trên ma trận dữ liệu này,

AP có thể tính toán vị trí tương đối của thiết bị khách, sau đó bù pha cho các anten để tối

ưu hóa tín hiệu tại thiết bị khách

MIMO 2x2 phát triển kỹ thuật beam forming để có thể dùng cả 2 anten để kiểm soát các vùng tín hiệu mạnh cũng như yếu, khi có đủ số anten cần thiết cũng như vị trí tương đối của các thiết bị thu, AP có thể đồng thờitạo ra các luồng tín hiệu riêng biệt (Spatial Stream) cho từng user khác nhau

Khi bộ thu tín hiệu có nhiều hơn một anten, kỹ thuật beamforming thông thường (đơn luồng) không thể tối ưu hóa tín hiệu cho tất cả các anten thu này, vì thế người ta sử dụng kỹ thuật beamforming đa luồng nhằm mục đích tối ưu hóa tín hiệu cho tất cả các anten trên bộ thu tín hiệu

3.5.2 Ghép kênh không gian

Ghép kênh không gian cho phép phát các chuỗi dữ liệu khác nhau đồng thời nhằmtận dụng triệt để tài nguyên sóng của kênh vô tuyến

Các ghép kênh không gian (SM) chương trình truyền tín hiệu khác nhau từ mỗi anten truyền, do đó tốc độ dữ liệu được tăng lên mà không cần bất kỳ sự thay đổi trong

dải tần số hoặc điện truyền tải Ghép kênh không giancho thấy một đại diện của một bộ thu phát SM với hai ant phát và hai ăng-ten thu Hai ký hiệu dữ liệu độc lập được truyềnbởi mỗi ăng-ten truyền Các tín hiệu nhận được bởi các ăng-ten bao gồm tổng dữ liệu được truyền Tín hiệu nhận được có thể được biểu thị bằng công thức:

r = H s +n

Trong đó, r là vectơ ký hiệu nhận được

H là ma trận kênh, s là vectơ ký hiệu được truyền và n là AWGN

Để phát hiện các ký hiệu đã nhận, cần xử lý phát hiện Có nhiều phương pháp khác nhau hiện đang được sử dụng để xử lý phát hiện, bao gồm khả năng xảy ra tối đa (ML), không ép buộc (ZF), sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE), loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) và SIC có thứ tự (OSIC)

Hình 3.3 Sơ đồ ghép kênh không gian

3.5.3 Kỹ thuật phân tập(không gian, thời gian)

- Phân tập không gian: là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 hay nhiều anten với cùng một tần số vô tuyến Khoảng cách giữa các anten của máy phát và máy thu phải được tính toán sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan với nhau Trong thực thế thì không thể nào đạt được trạng thái lý tưởng này Vì vậy chúng ta phải

tính toán sao cho hệ số tương quan của các tín hiệu thu là nhỏ nhất có thể. Ta có thể dùng công thức sau để biểu thị hệ số tương quan không gian theo khoảng cách:

Trong đó,

s- là khoảng cách giữa 2 anten thu (hoặc 2 anten phát)(m)

f - là tấn số hoạt động của sóng mang vô tuyến(GHZ)

d - là khoảng cách truyền dẫn.(km)

Thực nghiệm cho thấy, ta phải chọn khoảng cách giữa 2 anten sao cho hệ số tương quan

không gian không vượt quá 0,6

Hệ số cải thiện phân tập theo không gian:

Trong đó,

s- là khoảng cách giữa 2 anten thu (hoặc 2 anten phát)(m)

f - là tấn số hoạt động của sóng mang vô tuyến(GHZ)

- Phân tập thời gian: Phân tập thời gian thực hiện bằng cách phát đi các bản tin giống

nhau trong các khe thời gian khác nhau, nhằm phân tán bit thông tin trên những khoảng

thời gian lớn hơn thời gian kết hợp của kênh Để đảm bảo các ký hiệu đã mã hóa được phát qua fading độc lập hay gần độc lập thì yêu cầu phải ghép xen các từ mã

3.6 Các mô hình đặc trưng MIMO

3.6.1 Mô hình STBC trong STC

Trong STC, có các loại mã hóa không gian thời gian là: mã hóa không gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code) và mã hóa không gian thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code), …Dưới đây, ta tìm hiểu về STBC

Giả sử tín hiệu vào là một dòng ký hiệu từ chòm sao thực hoặc phức Bộ mã hóa STBC ánh xạ các ký hiệu này trên các từ mã theo cả 2 chiều không gian và thời gian Gọi Y là

số ký hiệu lối vào ứng với từ mã C có ma trận NtxNs ở đó hàng tương ứng với một anten phát và cột tương ứng với một khoảng thời gian ký hiệu:

Tốc độ STBC được tính là R=Y/Ns , số lượng ký hiệu Y lối vào tăng, thì R sẽ được nângcao có nghĩa là số lượng ký hiệu phát trên một đơn vị thời gian tăng Việc thiết kế mã như trên có khả năng đạt được tốc độ cao Mặt khác khi chèn thêm dư thừa vào thì làm kết nối thông tin tin cậy hơn Song khó có thể đạt đồng thời hai mục đích là chất lượng tín hiệu và tốc độ cùng một lúc Ví dụ như mã STBC trực giao, mã này nhằm phân tập phát hoàn toàn, tuy nhiên lại phải trả giá về tốc dữ liệu Mặt khác, xét về mặt hiệu quả, STBC trực giao không sử dụng đầy đủ dung năng kênh MIMO, mặc dù mã hóa khối không thời gian có thể tối ưu về dung năng khi nó được sử dụng trên một kênh hạng một

2x2 Alamouti STBC: