ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THÔNG TIN DI ĐỘNG: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ KỸ THUẬT OFDM. GVHD: Ths. Trương Tấn Quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN MƠN HỌC: THƠNG TIN DI ĐỘNG: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ KỸ THUẬT OFDM GVHD: Ths Trương Tấn Quang SVTH: Võ Tấn Tài Nguyễn Tấn Phát Trần Minh Đức Lê Hồng Phúc Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2012 0920218 0920081 0920026 0920088 Lời nói đầu Sau trình thực đề tài “Tổng quan hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM ”, chúng em có nhìn tổng quan hệ thống viễn thơng, có nhìn tồn diện hiểu sâu kỹ thuật OFDM Nhóm thống khơng sâu vào kỹ thuật cụ thể mà tìm hiểu tổng quan để có kiến thức để làm luận văn học kỳ tiếp theo, kiến thức thu thập trình làm đề tài chúng em cịn có thêm kỹ làm việc nhóm, phân tích tiếp cận vấn đề tốt Mặc dù cố gắng, song thời gian có hạn kiến thức hạn chế nhóm, nên khơng tránh khỏi thiếu sót nhờ thầy bạn góp ý để chúng em sửa chửa đề tài hồn chỉnh Nhóm thực Đồ Án Mơn Học: Thơng Tin Di Động Mục Lục Lời nói đầu CHƯƠNG I: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY Hệ thống SISO I II Hệ thống MISO III Hệ thống SIMO IV Hệ thống MIMO CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO Kỹ thuật phân tập I Phân tập thời gian Phân tập tần số Phân tập không gian II Độ lợi Beamforming Độ lợi ghép kênh không gian Độ lợi phân tập 10 III Kỹ thuật mã hóa khơng gian thời gian 10 Mã khối không gian thời gian STBC 10 Mã lưới không gian thời gian STTC 13 Mơ hình hệ thống MIMO 15 IV V Độ lợi hệ thống MIMO Ưu ,nhược điểm hệ thống MIMO 19 Ưu điểm 19 Nhược điểm 19 Kết Luận 19 Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động Chương III : KỸ THUẬT OFDM 20 Tính trực giao OFDM 20 I II Mơ hình hệ thống 22 III Mã hóa kênh 22 IV Kỹ thuật phân tán liệu 23 Chuyển đổi song song/nối tiếp, nối tiếp/song song 23 V VI Điều chế sóng mang 25 VII Kỹ thuật IFT FFT 26 VIII IX Khoảng bảo vệ 27 Biến đổi D/A, A/D 32 Up converter Down converter 32 X XI Bộ cân 33 XII Ưu nhược điểm kỹ thuật OFDM 34 Ưu điểm 34 Nhược điểm 34 CHƯƠNG IV: KẾT HỢP KỸ THUẬT OFDM VỚI HỆ THỐNG MIMO 35 I Tổng quan 35 II Hệ thống MIMO OFDM 36 III Giới thiệu mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động CHƯƠNG I: CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN KHƠNG DÂY     Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây phân loại thành hệ thống gồm: SISO (Single Input Single Output) SIMO (Single Input Multiple Output) MISO (Multiple Input Single Output) MIMO (Multiple Input Multiple Output) Hệ thống SISO I Hình 1.1: Hệ thống SISO Hệ thống SISO hệ thống thông tin không dây truyền thống sử dụng anten phát anten thu Máy phát máy thu có cao tần điều chế, giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng phát phát hình, kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân Wi-Fi hay Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu nhiễu xác định theo công thức Shanon: C = log2 (1+SNR) II bit/s/Hz Hệ thống MISO Hình 1.2: Hệ thống MISO Hệ thống sử dụng nhiều anten phát anten thu gọi hệ thống MISO Hệ thống cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ cải thiện Đồ Án Mơn Học: Thơng Tin Di Động lượng tín hiệu sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát vùng bao phủ Khi máy phát biết thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten phát xác định gần theo cơng thức: C = log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz III Hệ thống SIMO Hình 1.3: Hệ thống SIMO Hệ thống sử dụng anten phát nhiều anten thu gọi hệ thống SIMO Trong hệ thống máy thu lựa chọn kết hợp tín hiệu từ anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu nhiễu thơng qua giải thuật beamforming MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit số anten thu, tính theo cơng thức: C = log2 (1+M.SNR) bit/s/Hz IV Hệ thống MIMO Hình 1.4: Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO hệ thống sử dụng đa anten nơi phát nơi thu Hệ thống cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động nhằm tăng chất lượng hệ thống thực Beamforming nơi phát nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp kỹ thuật mã hố khơng gian - thời gian V-BLAST Khi thông tin kênh truyền biết nơi phát thu, hệ thống cung cấp độ lợi phân tập cực cao độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trường hợp phân tập cực đại xác định theo công thức: C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO I Kỹ thuật phân tập Trong hệ thống thông tin vô tuyến di động, kỹ thuật phân tập sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng Fading đa đường cải thiện độ tin cậy truyền dẫn mà tăng công suất phát mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa mơ hình mà thu nhận chép tín hiệu phát, tất sóng mang có thơng tin tương quan Fading thống kê nhỏ Ý tưởng phân tập chỗ, hai nhiều mẫu độc lập tín hiệu đưa tới mẫu bị ảnh hưởng Fading độc lập với nhau, có nghĩa số chúng, có tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, mẫu khác bị ảnh hưởng Điều có nghĩa khả mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng Fading mức cho trước thấp nhiều so với khả vài mẫu độc lập bị nằm mức Do vậy, cách kết hợp cách thích hợp mẫu khác dẫn tới giảm ảnh hưởng Fading tăng độ tin cậy việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập sử dụng để có chất lượng mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập giới thiệu, kỹ thuật phân tập phân lớp thành phân tập thời gian, tần số phân tập không gian Phân tập thời gian Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động Phân tập theo thời gian thu qua mã hóa xen kênh Sau ta so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp dùng xen kênh độ lợi kênh truyền nhỏ ht t Không xen kênh Từ mã x Từ mã x1 Từ mã x2 Từ mã x3 Xen kênh Hình 2.1: Phân tập theo thời gian Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu Fading không dùng xen kênh, dùng xen kênh từ mã ký tự ta phục hồi lại từ ký tự bị ảnh hưởng Fading Phân tập thời gian đạt cách truyền liệu giống qua khe thời gian khác nhau, nơi thu tín hiệu Fading khơng tương quan với Khoảng cách thời gian yêu cầu thời gian quán kênh truyền nghịch đảo tốc độ Fading c  f d v f c Mã điều khiển lỗi thường sử dụng hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống khơng mã hóa Trong truyền thơng di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt phân tập thời gian Trong trường hợp này, phiên tín hiệu phát đến nơi thu dạng dư thừa miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại phiên tín hiệu phát quy định thời gian xen kênh để thu Fading độc lập ngõ vào giải mã Vì tốn thời gian cho xen kênh dẫn đến trì hỗn việc giải mã, kỹ thuật thường hiệu môi trường Fading Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động nhanh, thời gian quán kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền Fading chậm xen kênh q nhiều dẫn đến trì hỗn đáng kể Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng thành phần tần số khác để phát thông tin Các tần số cần phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng fading cách độc lập Khoảng cách tần số phải lớn vài lần băng thông quán để đảm bảo fading tần số khác không tương quan với Trong truyền thơng di động, phiên tín hiệu phát thường cung cấp cho nơi thu dạng dư thừa miền tần số gọi trải phổ, ví dụ trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang nhảy tần Kỹ thuật trải phổ hiệu băng thông quán kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, băng thông quán kênh truyền lớn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường nhỏ chu kỳ tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ khơng hiệu để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào dư thừa thông tin băng tần số Phân tập không gian Phân tập khơng gian cịn gọi phân tập anten Phân tập không gian sử dụng phổ biến truyền thơng khơng dây dùng sóng viba Phân tập khơng gian sử dụng nhiều anten chuỗi array xếp khơng gian phía phát phía thu Các anten phân chia khoảng cách đủ lớn, cho tín hiệu khơng tương quan với Yêu cầu khoảng cách anten tùy thuộc vào độ cao anten, môi trường lan truyền tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng đủ để tín hiệu khơng tương quan với Trong phân tập không gian, phiên tín hiệu phát truyền đến nơi thu tạo nên dư thừa miền không gian Không giống phân tập thởi gian tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính quan trọng truyền thơng khơng dây tốc độ cao tương lai Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten nơi phát nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại: - phân tập anten phát (hệ thống MISO) Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động - phân tập anten thu (hệ thống SIMO) - phân tập anten phát thu (hệ thống MIMO) Trong phân tập anten thu, nhiều anten sử dụng nơi thu để nhận phiên tín hiệu phát cách độc lập Các phiên tín hiệu phát kết hợp cách hoàn hảo để tăng SNR tín hiệu thu làm giảm bớt Fading đa đường II Độ lợi hệ thống MIMO Độ lợi Beamforming Beamforming giúp hệ thống tập trung lượng xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu công suất, giảm can nhiễu tránh can nhiễu tới từ hướng khơng mong muốn, từ giúp cải thiện chất lượng kênh truyền tăng độ bao phủ hệ thống Để thực Beamforming, khoảng cách anten hệ thống MIMO thường nhỏ bước sóng  (thơng thường  / ), Beamforming thường thực môi trường tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO cung cấp độ lợi ghép kênh khơng gian độ lợi phân tập TX RX Hình 2.2: Kỹ thuật Beamforming Độ lợi ghép kênh không gian TX RX Hình 2.3: Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền Tận dụng kênh truyền song song có từ đa anten phía phát phía thu hệ thống MIMO, tín hiệu phát độc lập đồng thời anten (hình 2.3), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà khơng cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống tăng tuyến tính theo số kênh truyền song Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ không mang thơng tin có ích nên phổ tín hiệu hệ thống bị giảm hệ số là:  TS hieu suat= phat/thu TS  TG Hình 3.7: Trải trễ nhỏ khoảng bảo vệ không gây ISI ICI Hình 3.8a Đồ Án Mơn Học: Thơng Tin Di Động Hình 3.8: Thành phần ký tự OFDM thu truyền qua kênh Multipath, (a) khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ Hình 3.9a Đồ Án Mơn Học: Thơng Tin Di Động Hình 3.9: Những ký tự OFDM thu sau truyền qua kênh truyền Multipath, (a) không khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ Hình 3.8 minh họa khái niệm chèn khoảng thời gian bảo vệ hệ thống OFDM hình 3.9 minh họa ý tưởng dùng khoảng bảo vệ để loại bỏ khoảng ISI ký tự OFDM, hình 3.9 (a) ký tự OFDM thu bị can nhiễu ký tự OFDM trước nó, hình 3.9 (b) ký tự OFDM thu khơng cịn bị ảnh hưởng ký tự OFDM trước Trong khoảng thời gian bảo vệ, máy thu bỏ qua tất tín hiệu, có nghĩa khoảng bảo vệ khoảng vơ ích, khơng mang liệu có ích Lựa chọn khoảng bảo vệ liên quan đến thời gian trễ echo, đồng thời liên quan mật thiết đến số lượng sóng mang Trong thực tế khoảng thời gian bảo vệ tạo cách lặp lại tỷ lệ dòng bit tích cực chu kỳ trước đó, khoảng bảo vệ chọn dựa vào khoảng thời gian tích cực symbol, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 thời gian symbol tích cực Thât ý tưởng phương pháp có từ năm 1980 Nhưng lúc cịn hạn chế mặt cơng nghệ (khó tạo điều chế giải điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier (Inverse Fast Fourier Transform – IFFT) nên dựa thành tựu công nghệ mạch tích hợp, phương pháp đưa vào thực tiễn Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động IX Biến đổi D/A, A/D Chuỗi symbol rời rạc s[n] sau chèn khoảng bảo vệ ΔG, đưa vào biến đổi từ số sang tương tự D/A lọc thông thấp (low pass filter) tạo tín hiệu liên tục s(t) để đưa kênh truyền vô tuyến s(t) sn D/A & Low pass Filter Ts Ts rn r (t ) A/D Ts Ts Hình 3.10: Bộ chuyển đổi D/A A/D Ở phía thu, A/D làm động tác ngược lại D/A, A/D lấy mẫu tín hiệu OFDM thu s’(t), lượng tử mã hóa cho tín hiệu số rời rạc, sau tín hiệu rời rạc qua Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ X Up converter Down converter Các Up-Converter Down-Converter đổi tần số cân băng (Balance Modulator) Sau qua biến đổi D/A lọc thơng thấp, tín hiệu s(t) lên tần số cao tạo thành tín hiệu sRF(t) để anten phát dễ dàng xạ tín hiệu khơng gian Ơ phía thu, tín hiệu rRF(t) thu từ anten phát đổi tần xuống thành tín hiệu r(t) nhờ Down-Converter Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động S( f ) S RF ( f ) f UpConverter BBaseband fc BPassband RRF ( f ) R( f ) DownConverter fc f B Passband BBaseband Hình 3.11: Bộ up-converter down-converter XI Bộ cân Hình 3.12: Ý tưởng cân Mong muốn ngõ ra là dữ liệu gửi đi ( ) nên: ( ) = ( ) ∗ ℎ( ) ∗ ℎ ( ) = ( ) ⟺ ℎ( ) ∗ ℎ ( ) = ( ) ( )=1 ⟺ ( ) Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động ⟺ ( )= ( ) Tuy nhiên, đáp ứng kênh truyền thay đổi theo thời gian  Bộ cân lọc có đáp ứng nghịch đảo kênh truyền cần có khả thay đổi theo kênh truyền  Bộ cân thích nghi XII Ưu nhược điểm kỹ thuật OFDM Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng cách cho phép chồng lấp sóng mang - Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời gian bảo vệ trước symbol - Sử dụng việc chèn kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khơi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh - Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm chức phức tạp OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung giám sát kênh - OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với nhiễu xuyên kênh kết hợp Nhược điểm Ngồi ưu điểm OFDM có hạn chế - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hịa khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn gây nên nhiễu xun Đồ Án Mơn Học: Thông Tin Di Động điều chế Điều tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng, lẫn xạ băng - OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống đơn sóng mang Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì vậy, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM - CHƯƠNG IV: KẾT HỢP KỸ THUẬT OFDM VỚI HỆ THỐNG MIMO I Tổng quan Các hệ thống thông tin không dây nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng dung lượng khả chống lại tượng đa đường Đối với hệ thống thơng tin chất lượng tín hiệu cải thiện cách tăng công suất, dung lượng hệ thống tăng tăng băng thơng Tuy nhiên cơng suất tăng tới mức giới hạn cơng suất phát tăng hệ thống gây nhiễu cho hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thống khơng thể tăng lên việc phân bố băng thông định chuẫn sẵn Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát tăng băng thông hệ thống Kỹ thuật OFDM phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản chống fading chọn lọc tần số, cách chia luồng liệu tốc độ cao thành N luồng liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động chia thành N kênh truyền có băng thơng nhỏ hơn, N đủ lớn kênh truyền chịu fading phẳng OFDM loại bỏ hiệu ứng ISI sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM giảm độ phức tạp Equalizer đáng kể cách cho phép cân tín hiệu miền tần số Từ ưu điểm bật hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thơng tin khơng dây băng rộng tương lai Vùng bao phuû WRAN 802.22 WAN WiMobile 802.20 MAN WiMAX 802.16 LAN Wi-Fi 802.11 Zigbee 802.15.4 PAN UWB 802.15.3 Bluetooth 802.15.1 0.01 0.1 R(Mbps) 10 100 1000 Hình 4.1: Các chuẩn thơng tin khơng dây IEEE Hình 4.1 mơ tả chuẩn thông tin không dây IEEE tương ứng tốc độ bit vùng bao phủ, chuẩn màu sậm ứng dụng hệ thống MIMO-OFDM tương lai, điều cho thấy tầm ứng dụng hệ thống MIMO-OFDM rộng II Hệ thống MIMO OFDM Cấu trúc máy thu phát hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ mơ tả hình 4.2 Chi tiết khối hệ thống trình bày chương II chương III Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.3: Sơ đồ khối phát OFDM Hình 4.4: Sơ đồ khối thu OFDM Symbol thu từ anten thu thứ i, sóng mang phụ thứ k symbol OFDM biểu diễn sau: Y1 (k )  11 (k ) X (k )  12 (k ) X (k )    1NT (k ) X NT (k )  V1 (k ) Y2 (k )  21 (k ) X (k )  22 (k ) X (k )     NT (k ) X NT (k )  V2 (k )  YN R ( k )   N R ( k ) X ( k )   N R ( k ) X ( k )     N R N T ( k ) X N T ( k )  V N R ( k ) k  1,2,3, , N Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động Với: Xj (k) symbol phát sóng mang thứ k symbol OFDM Vi(k) nhiễu Gauss anten thu thứ i miền tần số, tức N-FFT nhiễu miền thời gian vi(t) ij (k) độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i sóng mang phụ thứ n ij (k) N-FFT đáp ứng xung kênh truyền Cij (t) từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i Nếu máy thu ước lượng xác trạng thái kênh truyền ij (k) biết xác ứng với symbol OFDM Để hiểu rõ chất hệ thống MIMO-OFDM, ta thiết lập công thức chi tiết phần sau Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM mơ tả thơng qua ma trận H sau 11 (k )   21 (k ) H (k )      N R (k ) 12 (k )  1N (k )  22 (k )  2 N (k )        N R NT (k )  N (k ) R T  T  Hình 4.5 mơ tả rõ ma trận H, kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền fading phẳng Hệ thống MIMO-OFDM tương đương với hệ thống MIMO Ma trận kê nh truyề n H 11 (2) Anten thu 11 (1) 11 ( N ) 12 ( N ) 1N ( N ) 22 ( N ) 2 N ( N ) T T 12 (2) 12 (1) 1N (2) T 1 N (1)  N ( 2) T T 21 (1) 2 N (1) 21 (1)  N (2)  N (2)  N (1)  N (1) R N R R N R NT (N ) T R N N T Anten phá t Đồ Án Mơn Học: Thơng Tin Di Động R NT R NT (1) (2) N soùn g mang Hình 4.5: Ma trận kênh truyền Tiếp theo ta xét hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với mục đích đạt độ lợi phân tập tối đa nhằm tối ưu chất lượng hệ thống ta xét hệ thống MIMO-OFDM V-BlAST với mục đích đạt độ lợi lớn nhằm tăng tối đa dung lượng hệ thống thông tin không dây môi trường fading chọn lọc tần số III Giới thiệu mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Hình 4.6 sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với khối Sơ đồ Alamouti áp dụng nhằm đạt độ lợi phân tập lớn môi trường fading chọn lọc tần số với cấu trúc phần cứng đơn giản X (1) X (2) X1(N ) Tx1 IFFT (.)*  F 1 X 2* CP IFFT F 1 X CP Mapper Tx2 X (1) X (2)  (.)* IFFT F 1 X 1* CP F 1 X CP IFFT X (N ) Hình 4.6: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti y1 (1) y1 (2) Tx1 [n1 n2 ] Tx S/P CP removal IFFT Y1 y1(N) y (1) y2 (2) y2 (N) Bộ kế t hợ p Demapper Data Bộ ướ c lượ ng IFFT Y2 Hình 4.7: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti Tại phía phát liệu sau mapper điều chế đưa qua biến đổi nối tiếp sang song song đưa vào vector N symbol X1 X2 Ta kí hiệu F-1 ma trận biến đổi IFFT F ma trận biến đổi FFT F 1  * F N Trong chu kỳ symbol k X1 cho qua biến đổi IFFT tạo khối N symbol Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động s1 = F-1X1 Sau s1 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten phát thứ Cũng chu kỳ symbol thứ k, X2 cho qua IFFT tạo khối N symbol s2 = F-1X2 Sau s2 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa vào anten phát thứ hai Trong chu kỳ symbol thứ k+1, X1 cho qua đảo lấy liên hiệp phức cho qua IFFT để tạo khối N symbol s 2'  F 1 X 1* Với ký hiệu X 1* cho liên hợp X Sau s’2 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten thứ hai Cũng chu kỳ symbol thứ k+1, X2 cho qua đảo lấy liên hiệp phức trước cho qua IFFT để tạo khối N symol s1'   F 1 X 2* Sau s’1 chèn khoảng bảo vệ CP, vector liệu đưa anten thứ Quá trình phát lập lại trình trình bày chu kỳ symbol k k+1 Tại phía thu, vector thu sau loại bỏ khoảng bảo vệ có dạng sau: y1  H s1  H s v1  H F 1 X  H F 1 X  v1 y1  H s1'  H s 2'  v1   H F 1 X 2*  H F 1 X 1*  v Với H1 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu H2 ma trận vòng kênh truyền từ anten phát thứ hai tới anten thu Sau qua FFT vector thu có biểu thức sau: Y1  1 X   X  V1 Y2   1 X 2*   X 1*  V2 Với Y1 = Fy1, Y2 = Fy2 , X1 = Fx1, X2 = Fx2, FFT tương ứng y1, y2, x1, x2, 1 ,  ma trận tính theo biểu thức sau: Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động 1  FH1 F 1   FH F 1 Do tính chất phép biến đổi FFT IFFT ma trận vòng H1 H2 1 ,  ma trận đường chéo   diag (1 )   diag ( ) Các giá trị 1 (k) với k = 1, 2…N N-FFT đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ tới anten thu, tương tự giá trị 2 (k) với k = 1, 2…N N-FFT đáp ứng kênh truyền từ anten thứ tới anten thu Sau Y1 Y2 đưa qua ước lượng 1 ,  Kênh truyền ước lượng thông qua chuỗi huấn luyện biết trước, ta viết lại vector thu Y1 Y2 theo dạng sau:   1  V1  Y1   1   Y   * *  2  V2  2   2  1    N 1 N 1 N 2 N N 1 Với 1  ma trận đường chéo, có đường chéo X1 X2   diag ( X )   diag ( X ) Vector huấn luyện quy ước trước máy thu có tính chất sau:  1*     2*   1  1    2* 2    I 1*  1 ,  ước lượng theo biểu thức sau: ~ 1    1* ~          2*  Y1    1*       Y2    1    *            2*   1       2*   2*  V1      V2  Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động   1  V1         1*  2  V2   Ta ước lượng 1 ,  theo biểu thức sau: ~ ~   diag (1 ) ~ ~   diag ( ) Sau ước lượng 1 ,  ,các vector Y1 Y2 theo sau chuỗi vector huấn luyện đưa vào kết hợp để khôi phục lại X1 X2 Viết lại biểu thức ta biểu thức thu sau: Y1 (1)   X (1)         Y1 N )     * Y2 (1)   X (1)         Y2 ( N )  X (1) X1(N )  X 1* ( N )  1 (1)  V1 (1)             X ( N )  1 ( N )  V1 ( N )     X 1* (1)   (1)  V2 (1)             X 1* ( N )  ( N ) V2 ( N ) Sắp xếp lại thứ tự vector thu ta biểu thức:  1 (1)  V1 (1)  Y1 (1)   X (1) X (1)  Y (1)   X * (1) X * (1)     2 (1)  V2 (1)                                 Y1 ( N )   X ( N ) X ( N )  1 ( N )  V1 ( N )          X 2* ( N ) X 1* ( N ) 2 ( N ) V2 ( N ) Y2 ( N )  Biểu thức cho thấy kỹ thuật OFDM chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành N kênh truyền nhỏ chịu fading phẳng, tức hệ thống MIMO-OFDM có khả chống lại fading chọn lọc tần số đạt phân tập lớn nhờ vào sơ đồ Alamouti Tiếp theo kết hợp kết hợp symbol Y1(k) Y2(k) đưa vào giải mã ML Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình dạy mơn “Thông Tin Di Động” Ths Trương Tấn Quang [2] Giáo trình dạy mơn “Truyền Thơng Khơng Dây” Ths Đặng Lê Khoa [3] “Xử Lí Tín Hiệu Số” PGS TS Nguyễn Hữu Phương [4] “Fundamentals of Wireless Communication” David Tse Pramod Viswanath [5] Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phạm Minh Triết [6] Một số nguồn khác từ internet Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động