Nghiên cứu hệ thống mimo ofdm và ứng dụng

Trong quá trình làm luận văn em đã tìm hiểu các kỹ thuật khác nhau áp dụng trong hệ thống MIMO-OFDM và em đã lựa chọn hệ thống MIMO-OFDM được áp dụng trong kênh truyền dữ liệu đường xuốn

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS.Nguyễn Quốc Khương

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

***

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Mô hình hệ thống thu phát vô tuyến 3

1.3 Phân loại mô hình hệ thống vô tuyến 4

1.3.1 Mô hình hệ thống SISO 4

1.3.2 Mô hình hệ thống SIMO 5

1.3.3 Mô hình hệ thống MISO 6

1.3.4 Mô hình hệ thốngMIMO 6

1.3.5 Kỹ thuật phân tập 9

1.4 Kết luận chương 16

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 17

2.1 Giới thiệu chương 17

2.2 Hệ thống OFDM 17

2.2.1 Sơ đồ hệ thống và nguyên lý cơ bản của OFDM 17

2.2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM tại Việt Nam 20

2.2.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) 21

2.2.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 21

2.2.5 Sự trực giao (Orthogonal) 22

2.2.6 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM 24

2.2.7 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 27

2.2.8 Các đặc tính của OFDM 34

2.3 Hệ thống MIMO-OFDM 36

2.3.1 Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM 36

2.3.2 MIMO-OFDM phía phát 37

2.3.3 MIMO-OFDM phía thu 38

2.3.4 Kỹ thuật ước lượng kênh trong hệ thống MIMO-OFDM 38

2.3.5 Ưu nhược điểm hệ thống MIMO-OFDM 41

2.4 Mã hoá không gian thời gian 42

2.4.1 Mã khối không gian – thời gian (STBC) 42

2.4.2 Mã lưới không gian – thời gian (STTC) 45

2.4.3 Mã lớp không gian – thời gian (V-Blast) 51

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G-LTE 64

3.1 Tổng quan mạng di động 4G-LTE 64

3.1.1 Giới thiệu về công nghệ LTE 64

3.1.2 Những triển vọng cho công nghệ LTE 65

3.1.3 Những đặc điểm nổi bật của mạng di động 4G-LTE 66

3.2 Hệ thống MIMO-OFDM trong LTE hướng xuống 67

3.2.1 Sơ đồ tổng quát 67

3.2.2 Cấu trúc của khung dữ liệu(Frame) 68

3.2.3 Lưới tài nguyên (Resource grid) 69

3.2.4 Điều chế (Modulation) 71

3.2.5 Ánh xạ lớp (Layer mapping) 72

3.2.6 Precoding cho phân tập phát 74

3.2.7 Ánh xạ dữ liệu lên lưới tài nguyên 75

3.2.8 Zero padding 78

3.2.9 FFT/IFFT 78

3.2.10 Chèn khoảng bảo vệ 79

3.2.11 MimoEqualizer sử dụng thuật toán SFD 79

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỰC HIỆN LUẬN VĂN 81

4.1 Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM trong LTE được mô phỏng 82

4.2 Kết quả mô phỏng 83

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của tác giả khác Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

Phạm Đức Hậu

ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

***

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao

bình

iii

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

***

Bảng 2.1: Bảng điều chế 28

Bảng 2.2: Pha tín hiệu QPSK 32

Bảng 3.1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 65

Bảng 3.2: Bảng ánh xạ băng tân với số resource blocks 71

Bảng 3.3: Ánh xạ kênh vật lý với điều chế 72

Bảng 3.4: Ánh xạ codeword tới lớp trong ghép kênh không gian 73

Bảng 3.5: Ánh xạ codeword với lớp trong phân tập phát 74

Bảng 3.6: Ánh xạ băng tần và kích thước IFFT 78

Bảng 4.1: Bảng tham số cấu hình của hệ thống MIMO-OFDM trong mạng LTE 81

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

***

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin số vô tuyến 3

Hình 1.2: Mô hình hệ thống SISO 4

Hình 1.3: Mô hình hệ thống SIMO 5

Hình 1.4: Mô hình hệ thống MISO 6

Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát và N r anten thu 7

Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 8

Hình 1.7: Mô hình kết hợp lựa chọn 12

Hình 1.8: Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp 12

Hình 1.9: Mô hình phân tập phát vòng đóng 16

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống OFDM 17

Hình 2.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 19

Hình 2.3: Phổ của sóng mang con OFDM [1] 20

Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] 21

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[1] 22

Hình 2.6: Phổ của sóng mang trực giao OFDM 23

Hình 2.7: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 29

Hình 2.8: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 32

Hình 2.9: Chùm tín hiệu M-QAM 34

Hình 2.10: Mô hình tổng quát hệ thống mimo-ofdm 36

Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía phát 37

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía thu 38

Hình 2.13: Cấu trúc của ước lượng 39

vi

Hình 2.14: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 43

Hình 2.15: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 43

Hình 2.16:: Sơ đồ khối mã lưới STTC 46

Hình 2.17: Sơ đồ mã lưới 47

Hình 2.18: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 47

Hình 2.19: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 48

Hình 2.20: Hệ thống V-BLAST 52

Hình 2.21: Máy thu V-BLAST Zero-forcing 57

Hình 2.22: Máy thu V-BLAST MMSE 62

Hình 3.1:Sơ đồ tổng quát hệ thống MIMO-OFDM trong LTE 67

Hình 3.2: Cấu trúc frame cho chế độ FDD 68

Hình 3.3: Cấu trúc frame cho chế độ TDD 69

Hình 3.4: Lưới tài nguyên 70

Hình 3.5: Điều chế QAM64 72

Hình 3.6: Các vị trí tương tứng của tín hiệu pilot 77

Hình 3.7: Tạo ra khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix) 79

Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm được sử dụng 82

Hình 4.2: BER hệ thống mimo-ofdm với QAM4, QAM16, QAM64 83

Hình 4.3: Chòm sao QAM phía phát và thu với SNR=36 84

Hình 4.4: Chòm sao QAM phía phát và thu với SNR=16 84

Hình 4.5: Tỉ lệ nỗi bít của hệ thống mimo-ofdm so với lý thuyết không sử dụng mimo-ofdm 85

Hình 4.6: dữ liệu phát và thu trong hệ thống mimo-ofdm với SNR=16 85

để đưa ra những thế hệ kế tiếp của hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây Do tần số vô tuyến là hữu hạn nên trong cùng một dải tần số người ta mong muốn truyền được nhiều thông tin nhất có dung lượng cao, sử dụng băng thông hiệu quả Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM ) là một trong những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này

Nhưng với sự kết hợp của OFDM và hệ thống nhiều anten thu phát(MIMO)

sẽ nâng cao được chất lượng đường truyền và có dung lương tốt nhất đạt được tốc

độ truyền dữ liệu cao Với hệ thống MIMO-OFDM đã được ứng dụng trong nhiều

hệ thống thông tin không dây hiện nay như truyền hình số mặt đất, wifi, wimax, LTE vv Nhằm nâng cao hiểu biết và tiếp cận với công nghệ mới này, chính vì vậy

em đã chọn nghiên cứu đề tài Nghiên cứu về hệ thống Mimo-Ofdm và ứng dụng

nó trong mạng di động LTE, đây cũng chính là nội dung luận văn tốt nghiệp cao học của em

Trong quá trình làm luận văn em đã tìm hiểu các kỹ thuật khác nhau áp dụng trong hệ thống MIMO-OFDM và em đã lựa chọn hệ thống MIMO-OFDM được áp dụng trong kênh truyền dữ liệu đường xuống của mạng di động LTE và chọn ra một

kỹ thuật phù hợp để mô phỏng và đánh giá chất lượng của hệ thống Với việc áp dụng phương pháp nghiên cứu vừa lý thuyết vừa thực hành mô phỏng, luận văn đã

có những kết quả tốt trong việc mô phỏng và đánh giá được chất lượng tỷ lệ lỗi bít trên nhiễu của đường truyền

2

Với những nỗ lực thực sự, luận văn của em đã có được một số kết quả nhất định, mặc dù vậy, do thời gian có hạn em không thể tránh khỏi một số thiếu sót Vì

vậy, em rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Quốc Khương và thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình chỉ dẫn em trong suốt quá trình thực hiện để

em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

3

1.1 Giới thiệu chương

Đây là chương cơ bản, trình bày một cách khái quát nhất về mô hình hệ thống thu phát vô tuyến và các loại mô hình đang sử dụng trong hệ thống thông tin

vô tuyến

1.2 Mô hình hệ thống thu phát vô tuyến

Tất cả các hệ thống thông tin số đều có thể mô hình hóa thành một sơ đồ

khối như hình (1.1) Ngay cả với các hệ thống mạng không dây phức tạp, toàn bộ hệ

thống có thể chia thành các khối liên kết với nhau bao gồm khối phát, kênh truyền

và khối bên thu

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin số vô tuyến

Bên phát nhận các gói tin dưới dạng các bit từ các lớp giao thức cao hơn và chuyển chúng thành các sóng điện từ để đưa tới bên nhận Những bước quan trọng trong thông tin số là mã hóa và điều chế Bộ mã hóa thông thường thêm các bit dư thừa để có thể sửa sai được lỗi ở bên nhận Bộ điều chế chuẩn bị tín hiệu dạng số cho kênh vô tuyến và các thông tin điều khiển Tín hiệu số điều chế được chuyển

thành các dạng sóng tương tự qua bộ biến đổi số tương tự (DAC) và sau đó lại được chuyển lên băng tần sóng vô tuyến (RF) Tín hiệu RF này khi đó được bức xạ thành

sóng điện từ qua anten thích hợp

4

Ở bên thu thực hiện các bước ngược lại với bên phát Sau khi chuyển các

sóng vô tuyến (RF) xuống tần số thích hợp và lọc ra tín hiệu ở các tần số khác nhau,

tín hiệu ở băng tần cơ sở được chuyển thành tín hiệu số bởi bộ chuyển đổi tương tự

thành số (ADC) Tín hiệu số này có thể được giải điều chế và giải mã bởi một mạch

số tích hợp để có thể khôi phục lại dạng bit như bên phát

1.3 Phân loại mô hình hệ thống vô tuyến

Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân loại thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO như hình sau

5

1.3.2 Mô hình hệ thống SIMO

TX1

RX NrRX2

1

s

r N

có thể xấp xỉ theo công thức sau

Với N là số anten tại phía thu

C = log 2 (1+ N.SNR) (bps/Hz) (1.3)

Với N là số anten tại phía phát

1.3.4 Mô hình hệ thốngMIMO

1.3.4.1 Mô hình hệ thống

Một hệ thống thông tin điểm đa anten băng hẹp gồm có N T anten phát và Nr

anten thu có thể được biểu diễn bởi mô hình rời rạc thời gian như sau [1] :

2

x

Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO sử dụng N anten phát và t N anten thu r

Mô hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng

Với y C biểu diễn tín hiệu nhận từ N N R R chiều (NR anten) x C biểu  N T

diễn tín hiệu nhận từ NT chiều (NT anten ) n C kí hiệu nhiễu Gauss trắng  N R

2

(0, )

N  H C N RN t là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước

NR×NT, hij có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của

kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i

1.3.4.2 Dung lượng hệ thống MIMO

Giả sử rằng chúng ta có N kênh truyền 1 chiều song song bị các nguồn nhiễu Gauss có phương sai 2 2

1, , N

  có tác động như hình 1.6 Dung lượng mỗi kênh đơn được tính theo định lý Shanon , dung lượng của hệ các kênh song song là tổng dung lượng của các kênh đơn [1]:

8

) , 0 ( 12

N

1

) , 0 ( N2

N

Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem là bất biến suốt thời gian và tổng công suất phát tín hiệu từ N T anten phát phía thu được giữ không đổi là P

Dung lượng của kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể được tính thông qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song , theo phân bố Gauss, độc lập và vô hướng

Nếu NT>NR: chỉ có NR tín hiệu đầu tiên thuộc x tách ra được Nếu NT<NR

:chỉ có NT tín hiệu đầu tiên thuộc x có ích, NR-NT cuối cùng không chứa thông tin

Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian _thời gian V -BLAST Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát v à 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:

C = log 2 (1+N T N R SNR ) (1.15) Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo:

10

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

1.3.5.2 Phân tập thời gian

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

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

1.3.5.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thông không dây và còn gọi là phân tập anten Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những anten sắp xếp cùng nhau trong không gian để truyền nhận tín hiệu Những anten được đặt

11

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

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

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

- Tăng dung lượng hệ thống

- Mở rộng vùng phủ sóng

- Giảm công suất phát yêu cầu

Dạng phổ biến nhất của phân tập không gian chính là phân tập thu, và thường sử dụng 2 anten thu Có thể thấy được các ví dụ của dạng phân tập này như

là các anten của access point trong mạng wifi Trong kỹ thuật phân tập thu, không

có một yêu cầu cụ thể nào cho phía phát, tuy nhiên ở phía thu yêu cầu một quá trình

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

Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét 2 thuật toán kết hợp: kết hợp lựa chọn (SC) và tỷ lệ tối đa kết hợp (MRC) Mặc dù phân tập thu mang lại hiệu quả cao trong cả môi trường fading phẳng và fading chọn lọc tần số, tuy nhiên chúng ta chỉ xem xét trong môi trường fading phẳng, trong trường hợp này tín hiệu nhận được bởi mỗi anten thu N r là không tương quan và có cùng công suất trung bình

có tín hiệu tốt nhất

y

Hình 1.7: Mô hình kết hợp lựa chọn

Do bỏ qua những luồng tín hiệu còn lại, phương pháp kết hợp này chưa phải

là tối ưu Tuy nhiên, do tính đơn giản, không yêu cầu cao về phần cứng, trong một

số trường hợp phương pháp này vẫn được lựa chọn

h x

q y

Hình 1.8: Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp

13

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

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

h h e Tín hiệu tổng hợp được biểu diễn theo biểu thức[5]:

q h q







(1.18)

Trong đó : x là năng lượng truyền tín hiệu

Biểu thức đạt giá trị lớn nhất khi thỏa mãn điều kiện : *2 2

1.3.5.5 Phân tập không gian phía phát

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

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

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

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

14

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

 Phân tập phát vòng mở

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

Dạng đơn giản nhất của STBC là hệ thống bao gồm 2 anten phát và 1 anten thu Giả sử có 2 symbol được phát đi là s và 1 s , mã Alamouti cũng được gửi kèm 2

đi theo 2 symbol theo thời gian[5]:

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

sự phân tập không gian của kênh truyền Xét với kênh fading phẳng, h t là đáp 1( )ứng của kênh truyền từ anten 1 tới phía thu, h t là đáp ứng của kênh truyền từ 2( )anten 2 tới phía thu Do kênh là cố định nên trong thời gian phát đi 2 symbol ta có:

Như vậy với mã khối không gian–thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu không

bị suy giảm nhưng ta vẫn đạt được độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2 anten thu

Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như trên, sau đó sẽ được tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu)

 Phân tập phát vòng đóng

Nếu hệ thống có một đường feedback, phía phát sẽ có được thông tin về kênh truyền

1.4 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu một cách khái quát nhất về kênh truyền vô tuyến,

về mô hình hệ thống vô tuyến và các kỹ thuật phân tập, chương tiếp theo sẽ đi sau hơn về kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến đó

17

***

2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cơ bản cũng như thuật toán của kỹ thuật OFDM Cùng với đó là hệ thống kết hợp MIMO-OFDM được kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và kỹ thuật OFDM

bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

18

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

2.2.1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên 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 bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế

đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,

ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau

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 Ta thấy 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 tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này

20

chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt

để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với

kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

Hình 2.3: Phổ của sóng mang con OFDM [1]

2.2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM tại Việt Nam

Có thể nói thuật ngữ mạng internet băng rộng ADSL rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép trồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ internet ADSL hiện đã được ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến cũng như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các mạng về thông tin máy tính

21

không dây như HiperLan/2, IEEE802.11a,g cũng sẽ được khai thác rộng rãi tại Việt

Nam Kỹ thuật OFDM do vậy là lền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, có ý

nghĩa rất thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nước

2.2.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền

đi chỉ trên một sóng mang

Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9]

Hình 2.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi

truyền trên kênh đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được

sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu

Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức

tạp Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các

hệ thống đơn sóng mang

2.2.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng

thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có

ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ

liệu có ích

22

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[1]

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

2.2.5 Sự trực giao (Orthogonal)

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 lặp 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[1]

23

S k

Ta xét hai sóng mang Sin 2 k1

24

Như vậy, các sóng mang thuộc tập (2.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi

là độc lập tuyến tính Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 2.6) Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau

2.2.6 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT[1]

Ta quy ƣớc : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra

fk = n∆f Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

k

x t X k e , 0  t T s (2.4)

Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác

biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :

26

+ Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau Những tần số này được chọn sao cho

nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,Ts] Tức là, phải thỏa mãn công thức sau :

có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng

bộ trong hệ thống

+ Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật OFDM được sử dụng trong thực tế Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác

+ Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT Tín hiệu vào bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có độ dài N Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức X(k) có độ dài N là :

*

( ), 1, , 1( )





27

2.2.7 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM

Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ

vào M và số phức dn = a n + b n ở ngõ ra Các kí tự an , b n có thể được chọn là {±

1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK [1]

Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1 (t), s 2 (t) được sử dụng

để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:[1]

2( ) b cos[2  ( ) ]

Trong đó, T b : Độ rộng của 1bit

E b : Năng lượng của 1 bit

θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

29

θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0

i = 1 : tương ứng với symbol 0

i = 2 : tương ứng với symbol 1

Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu

đối cực

Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:

2( ) cos(2 );0

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với

hai điểm bản tin (M=2) : S1 = E , S b 2 = - E như hình sau[1]: b

Hình 2.7: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK

Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu

Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công

E

N (2.11)

i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"

T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)

E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự

Khai triển s(t) ta được:

2

2( ) cos[( 2 1) ]cos( 2 ) sin[( 2 1)] sin( 2 ) (0 )

; 00

31

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

1

2( )  sin(2 c ) 0 

2

2( ) sin(2 c ) 0 