Đồ án tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập trường quan tâm giúp đỡ tận tình thầy trường Cao Đẳng Công Nghệ Thông Tin hữu nghị Việt – Hàn; đặc biệt thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng, em hồn thành khố học Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy trường nói chung thầy khoa Cơng Nghệ Thơng Tin Ứng Dụng nói riêng tận tình bảo, dạy dỗ em suốt trình học tập trường Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Nguyễn Thị Huyền Trang tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Trong trình tìm hiểu hoàn thành đồ án tốt nghiệp kiến thức em cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy để đồ án hoàn thiện Cuối em xin kính chúc q thầy giáo sức khỏe dồi thành cơng cơng việc giảng dạy mình; để tiếp tục bảo, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho bạn khóa học Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên VÕ THỊ THÁI HỊA TRINH SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A i Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH v CÁC TỪ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.2 MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.3 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO - OFDM 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Kỹ thuật MIMO - OFDM 10 1.3.3 Hiệu kỹ thuật MIMO – OFDM thông tin di động 10 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM 12 2.1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 12 2.2 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 13 2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang 13 2.2.2 Hệ thống đa sóng mang 13 2.2.3 Tín hiệu trực giao 14 2.3 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM 15 SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A ii Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động 2.4 CÁC KĨ THUẬT CƠ BẢN TRONG OFDM 16 2.4.1 Điều chế/giải điều chế 16 2.4.2 Mã hóa kênh 18 2.4.3 Chuyển đổi Serial/Parallel Parallel/Serial 19 2.4.4 Kỹ thuật IFFT/FFT OFDM 20 2.4.5 Tiền tố lặp CP 22 2.4.6 Ước lượng kênh 24 2.5 SO SÁNH ĐỘ PHỨC TẠP GIỮA KỸ THUẬT OFDM VỚI ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG 26 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO 28 3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO 28 3.1.1 Ưu điểm kỹ thuật MIMO 28 3.1.2 Nhược điểm hệ thống MIMO 29 3.2 ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO 29 3.3 CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP 31 3.3.1 Phân tập thời gian 32 3.3.2 Phân tập không gian 33 3.3.3 Phân tập tần số 34 3.3.4 Các phương pháp kết hợp phân tập 34 3.4 MÃ HĨA KHƠNG GIAN - THỜI GIAN 36 3.4.1 Mã hóa khối không gian thời gian (Space time block Codes) 37 3.4.2 Mã lưới không gian thời gian STTC 39 3.5 Kết luận chương 41 CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM 42 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 42 SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A iii Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động 4.2 MÔ TẢ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO - OFDM 43 4.2.1 MIMO-OFDM Tx 44 4.2.2 MIMO_OFDM Rx 44 4.2.3 Cấu trúc khung (frame) hệ thống MIMO-OFDM 45 4.3 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MIMO-OFDM 45 4.3.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM 45 4.3.2 Space-Time Block-Coded OFDM 47 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 51 KẾT LUẬN 53 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A iv Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G Hình 1.2: Mơ hình tổng quát hệ thống MIMO - OFDM 10 Hình 2.1: Băng thơng sử dụng hiệu OFDM 15 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 15 Hình 2.3: Chùm tín hiệu M_QAM 17 Hình 2.4: Bộ chuyển đổi S/P 20 Hình 2.5: Bộ chuyển đổi P/S 20 Hình 2.6: Tiền tố lặp (CP) OFDM 22 Hình 2.7: Đáp ứng xung kênh truyền mơi trường truyền đa đường 23 Hình 2.8: Tín hiệu Pilot miền thời gian tần số 25 Hình 2.9: Tín hiệu pilot miền tần số 25 Hình 3.1: Hình ảnh trực quan hệ thống MIMO 28 Hình 3.2: Mơ hình hệ thống MIMO tổng quát 28 Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming 30 Hình 3.4: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 30 Hình 3.5: Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR 30 Hình 3.6: Sơ đồ phân tập theo thời gian 32 Hình 3.7: Mơ hình phân tập khơng gian 33 Hình 3.8: Mơ hình tổ hợp kiểu lựa chọn 34 Hình 3.9: Bộ tổ hợp kiểu quét 35 Hình 3.10: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại 36 Hình 3.11: Sơ đồ giải mã hệ thống STBC 38 Hình 3.12: Sơ đồ mã lưới 40 Hình 3.13: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = n = 40 SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A v Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thơng tin di động Hình 3.14: Lưới mã sơ đồ trạng thái với k = 1, K = n = 40 Hình 4.1: Các chuẩn thơng tin khơng dây IEEE 43 Hình 4.2: Sơ đồ phát thu hệ thống MIMO-OFDM 43 Hình 4.3: Sơ đồ khối phát hệ thống MIMO_OFDM 44 Hình 4.4: Sơ đồ khối thu hệ thống MIMO_OFDM 44 Hình 4.5: Cấu trúc khung liệu MIMO-OFDM 45 Hình 4.6: Mơ hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 47 SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A vi Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động CÁC TỪ VIẾT TẮT MIMO OFDM SC QAM Multi Input Multi Output Kỹ thuật dùng nhiều anten phát thu Orthogonal Frequency Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo Division Multiplexing tần số trực giao Single Carrier Communication Quadrature Amplitude Modulation Truyền dẫn đơn sóng mang Điều chế biên độ cầu phương PDC Personal Digital Cell Mạng tế bào cá nhân PSK Phase Shift Keying Điều chế di pha ICI Inter Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang ITU International Telecom Union GSM FDMA Global System For Mobile Communication Frequency Division Multiple Access Liên mạng viễn thông quốc tế Hệ thống thông tin di động toàn cầu Đa truy nhập phân chia theo tần số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc CSI Channel State Information Bộ nhập điều khiển CDMA AMPS TDMA TACS Code Division Multiple Access Advance Mobile Phone Service Time Division Multiple Access Total Access Communication System SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A Đa truy nhập phân chia theo mã Hệ thống điện thoại tiên tiến Đa truy cập phân chia theo thời gian Hệ thống thơng tin truy nhập tồn vii Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động NMT Nordic Mobile Telephone IS-95 Interim Standard 95 PAPR Peak to Average Power Ratio Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu Tiêu chuẩn thông tin di động Tỉ số cơng suất đỉnh trung bình WCDMA Wideband CDMA Mã băng rộng CDMA FDM Frequency Division Multiple Đa phân chia theo tần số FEC Forward Error Correcing Sửa sai lỗi hướng CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp IFFT AWGN IDFT Inversion Fast Fourier Transform Addition White Gaussian Noise Inversion Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh Nhiễu Gauss trắng cộng Biến đổi ngược Fourier rời rạc Biến đổi Fourier nhanh FFT Fast Fourier Transform STTC Space Time Trellic Coding Mã hóa lưới khơng gian thời gian SBTC Space Time Block Coding Mã hóa khối khơng gian thời gian ISI Inter Symbol Interference IEEE NGN QPSK RF Nhiễu xuyên kí tự Institute of Electrical and Hiệp hội kỹ sư điện điện tử Electronics Engineers giới Next Generation Network Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Binary Phase Shift Keying BPSK SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A Mạng hệ sau Điều chế khóa dịch pha cầu phương Tần số cao tần Điều chế khóa dịch pha nhị phân viii Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động ML Maximum Likelihood Khả tối ưu MSB Most significant bit Bit có giá trị cao EGC Gain Combinations Bộ tổ hợp độ lợi Maximum Ratio MRC PSAM Combinations Pilot signal assisted Modulation SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa Điều khiển tín hiệu Pilot hỗ trợ ix Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mạng thơng tin di động có ưu điểm mà mạng có dây khơng có như: tính lưu động, nơi có địa hình phức tạp, khơng gian v v Vì người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động ngày, từ mạng 2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng mơ hình mạng WIFI (Wireless Fidelity), WIMAX (World Interoperability Microwave Access) Song song với hệ giải pháp đưa như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO…Mỗi giải pháp có ưu điểm giải pháp cũ phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thơng, tăng chất lượng dịch vụ… Trong OFDM MIMO hai kỹ thuật kết hợp với đưa vào sử dụng OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO kỹ thuật sử dụng nhiều anten để truyền nhận liệu OFDM đưa vào ứng dụng thực tế như: truyền hình số, phát số, truyền hình vệ tinh đem lại hiệu đáng kể Bên cạnh đó, MIMO xây dựng dựa chuẩn 802.11g 802.11n Viện Kỹ thuật Điện Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE), thường dùng chung với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thơng tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng chuẩn mạng 3G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Và với kết hợp hai kỹ thuật MIMO OFDM vào số mô WiMax, VoWifi tiêu chuẩn 802.16, 802.11n đem lại kết cao thực tế Vì thế, em chọn đề tài “Tìm hiểu kỹ thuật MIMO - OFDM hệ thống thông tin di động” để làm đồ án tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật OFDM hệ thống MIMO để kết hợp kỹ thuật MIMO kỹ thuật OFDM nhằm tăng dung lượng chất lượng cho hệ thống thông tin di động khơng dây SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động phức tạp STTC, STBC mã hoá giải mã đơn giản nhờ vào giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với ứng dụng thực tế hệ thống MIMO STTC  Kết luận:  Sau tổng hợp trực giao không gian-thời gian, lượng nhiễu khơng thay đổi lượng tín hiệu tăng (Space Time diversity gain)  Với Space-Time Block Code Alamouti, tốc độ liệu không bị suy giảm (full rate) ta đạt độ lợi phân cực tương đương với trường hợp anten thu (phân cực anten phát < phân cực anten thu)  Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu anten thu tổng hợp trên, sau tổng hợp lại với (ta có thêm độ lợi phân cực thu) 3.5 Kết luận chương Kỹ thuật MIMO thông tin di động có nhiều ưu điểm hiệu suất phổ độ tin cậy kênh truyền Kỹ thuật MIMO có ưu điểm khuyết điểm riêng nên nhà khoa học thường kết hợp kỹ thuật MIMO với kỹ thuật khác để tạo hệ thống MIMO hoàn chỉnh nhất, có nhiều ưu điểm Như kết hợp STBC với mã ngồi (TCM hay Turbo) để có độ lợi mã hoá, hay kết hợp kỹ thuật MIMO với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 41 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG MIMO-OFDM kết hợp hai kỹ thuật OFDM MIMO Nó kĩ thuật sử dụng nhiều anten phát thu, chia dòng liệu ban đầu thành nhiều dòng liệu theo thuật tốn cho trước, dịng liệu thực ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, trước đưa đến anten tương ứng truyền Phía thu nhận dòng liệu từ nhiều anten sử dụng thuật tốn thích hợp để tổng hợp lại dịng liệu ban đầu Trong 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 thông tin chất lượng tín hiệu cải thiện cách tăng cơng suất, dung lượng hệ thống tăng tăng băng thông Tuy nhiên công 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 tăng lên việc phân bố băng thơng 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 khơng 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 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 thông tin không dây băng rộng tương lai SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 42 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động V ù ng bao phủ 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 thơng tin khơng dây IEEE tương ứng tốc độ bit vùng bao phủ, chuẩn màu sậm ứng dụng hệ thống MIMOOFDM tương lai, điều cho thấy tầm ứng dụng hệ thống MIMO-OFDM rộng 4.2 MÔ TẢ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO - OFDM Hình 4.2: Sơ đồ phát thu hệ thống MIMO-OFDM Chúng ta xét hệ thống STC-OFDM với K sóng mang con, nT anten phát nR anten thu Tổng băng thơng hệ thống W Hz Nó chia thành K băng trùng lên SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 43 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thơng tin di động 4.2.1 MIMO-OFDM Tx Hình 4.3: Sơ đồ khối phát hệ thống MIMO_OFDM  Luồng liệu mã hoá mã hoá FEC  Luồng liệu mã hố ánh xạ qua constellation điều chế mã hoá MIMO  Mỗi luồng symbol đầu tương ứng với anten phát Tx chịu xử lí OFDM anten đó:  Chèn thêm chuỗi pilot vào  Điều chế IFFT  Cuối luồng liệu chuyển đến IF/RF cho anten phát 4.2.2 MIMO_OFDM Rx Hình 4.4: Sơ đồ khối thu hệ thống MIMO_OFDM  Đầu tiên, luồng liệu nhận từ anten thu Rx đồng  Sau Preambles CP tách từ luồng Rx nhận Phần tín hiệu cịn lại sau tách kí tự OFDM giải điều chế FFT SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 44 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động  Pilot tần số được tách từ symbol OFDM giải điều chế sử dụng cho việc ước lượng kênh Ma trận ước lượng kênh thêm vào giải mã MIMO  Các symbol tổng hợp, giải điều chế giải mã để tạo luồng liệu phát ban đầu 4.2.3 Cấu trúc khung (frame) hệ thống MIMO-OFDM Hình 4.5: Cấu trúc khung liệu MIMO-OFDM Trong môi trường thời gian thực, frame đơn vị vận chuyển nhỏ bao gồm 10 khe Mỗi khe bao gồm khe preamble symbols OFDM Preamble sử dụng cho mục đích đồng thời gian Mỗi OFDM symbol gắn thêm CP CP sử dụng để giảm nhiễu symbol ISI cân kênh cách đơn giản Mỗi frame vận chuyển qua sóng mang phụ (định thời pha, định thời tần số ước lượng tần số offset) 4.3 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MIMO-OFDM 4.3.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Đương lượng băng tần sở phức đáp ứng xung kênh fadinh viết dạng: h(t , )    l (t )(   l ) l SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 45 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động Trong  l (t ) qui trình Gaussian phức băng tần hẹp tĩnh wide_sense giả sử độc lập kênh khác Hơn giả sử hàm tương quan miền thời gian giống cho tất đường truyền, là:  r t , l  m E  l t  t  m* (t )   l t  0, l  m   Khơng tính tổng qt, giả sử tổng cơng suất trung bình đáp ứng xung kênh đơn vị:  H2    l2  l Cho hệ thống MIMO-OFDM với Nt anten phát Nr anten thu (Nr  Nt), tín hiệu nhận anten thu thứ j sóng mang k khối thứ n có dạng sau: Nt x j n, k    H ij n, k bi n, k   w j n, k  i 1 Cho j=1,…, Nr k=0,…, K-1 Trong đó: bi [n, k] kí tự truyền từ anten phát thứ i sóng mang thứ k khối thứ n Hij [n, k] đáp ứng tần số kênh truyền từ anten phát thứ i đến anten thu thứ j sóng mang thứ k khối n K tổng số sóng mang wj [n, k] nhiễu Gaussian với thay đổi  Bỏ qua tổn hao, đáp ứng tần số kênh viết sau: H ij n, k   H nT f , kf    hij n, l WKkl K0 l 0 Trong hij[n,l] = hij(nTf,lts), K0=[td/ts], Wk= e j 2 K , Tf f chiều dài kí tự cộng khoảng bảo vệ khoảng cách sóng mang con, ts chu kì lấy mẫu, với , td độ trải trễ tối đa Kf SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 46 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thơng tin di động Nt Phương trình x j n, k    H ij n, k bi n, k   w j n, k  viết lại dạng ma i 1 trận sau: xn, k   H n, k bn, k   w[n, k ] Trong đó:  x1 n, k     xn, k     ,    x N r [n, k ]   H11[n, k ] H12[n, k ] H 1Nt [n, k ]     H 21[n, k ] H 22[n, k ] H Nt [n, k ]  ; H [n, k ]        H N n, k  H N [n, k ] H N N [n, k ]  r r t   r  b1[n, k ]    b  n, k     ,  bN [n, k ]   t   w1[n, k ]    w  n, k      wN [n, k ]   r  4.3.2 Space-Time Block-Coded OFDM 4.3.2.1 Hệ thống STBC-OFDM Chúng ta xét hệ thống STBC-OFDM với K sóng mang con, anten phát anten thu Tổng băng thông hệ thống W Hz Nó chia thành K băng trùng lên Giản đồ khối hệ thống cho hình 4.6 Hình 4.6: Mơ hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 TC: Turbo convolutional code RS: Reed-Solomon code STT: Space Time Trellis STB: Space Time Block SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 47 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động Tại thời điểm t, khối bit thông tin mã hố để phát từ mã khơng gian thời gian mà bao gồm 2*M kí tự điều chế Từ mã không gian-thời gian cho bởi:  x1 X t   t2,1  xt ,1 xt1,2 xt2,2 xt1, M   xt2, M  Trong hàng thứ i xti = xit,1, xit,2, …,xit,M, i= 1,2 dãy liệu cho anten phát thứ i Để đơn giản xét độ dài từ mã số sóng mang OFDM, M=K Các tín hiệu xit,1, xit,2,…,xit,M OFDM điều chế K sóng mang OFDM khác truyền từ anten phát thứ i đồng thời khung OFDM, xit,k truyền sóng mang OFDM thứ k Trong phân tích hoạt động, giả sử khung kí tự đồng truyền nhận lí tưởng Một kênh lấy mẫu fading Rayleigh Tiến trình fading xem khơng đổi khung OFDM Giả sử kênh anten khác không tương quan với 4.3.2.2 Bộ phát STBC-OFDM Sơ đồ khối STBC-OFDM cho Hình 4.6 Dịng tín hiệu nhị phân điều chế ánh xạ thành chuỗi kí tự phức Bộ chuyển đổi Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) M điểm thực dòng liệu nối tiếp Ngõ khối IDFT M mẫu tín hiệu miền thời gian, tương ứng với khung OFDM Để tránh tác động nhiễu xuyên kí tự, cyclic prefix (CP) với chiều dài v thêm vào mẫu ngõ ra, kết tạo khung có chiều dài M+v Các khung OFDM truyền đồng thời từ anten thứ anten thứ hai, sau:  Khung OFDM thứ n: Anten 1:  X n1 (0) X n1 (M  1)    x1n,0 x1n,M 1    x1n,M v x1n,M 1, x1n,0 x1n,M 1  IDFT CP Anten 2: SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 48 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động X n (0) X n2 ( M  1)    xn2,0 xn2, M 1    xn2, M v xn2, M 1 , xn2,0 xn2, M 1  IDFT CP  Khung OFDM thứ (n + 1): Anten 1: X 2* n (0)  X n2* ( M  1)    x1n 1,0 x1n 1, M 1    x1n 1, M v x1n 1, M 1 , x1n1,0 x1n1, M 1  IDFT CP Anten 2:  X n1* (0) X n1* (M  1)    xn21,0 xn21,M 1    xn21,M v xn21,M 1 , xn21,0 xn21,M 1  IDFT CP Trong (.)* đại lượng liên hợp phức n = 2u-1, u=1, 2… Trong mơ hình, cho kênh từ hai anten phát đến anten nhận lọc đáp ứng xung giới hạn với hệ số nhớ v 4.3.2.3 Bộ thu STBC-OFDM Tại thu, sau lọc tín hiệu anten thu được, tiền tố loại bỏ khung Sau mẫu đưa đến giải điều chế OFDM Tín hiệu giải điều chế cho sóng mang thứ k, k=1,2,…,K, anten nhận cho bởi: j n,k R   H nij,k X ni ,k  N nj,k i 1 Trong H ijn , k đáp ứng tần số kênh cho đường truyền từ anten phát thứ i đến anten thu j kênh OFDM thứ k thuộc khung thứ n N nj , k ngõ giải điều chế nhiễu anten nhận kênh thứ k với lượng phổ cường độ N0; j=1,2 Tín hiệu thu cặp ( Rnj,k , Rnj1,k ) xử lí giống hệ thống MIMO để thu tín hiệu X n (k ) X n (k ) Đó ( Rnj,k , Rnj1,k ) đưa qua kết hợp để thu tín hiệu ước lượng X n (k ) , X n (k ) , sau đưa qua tách tối ưu để tách tín hiệu X n (k ) X n (k ) Tín hiệu nhận anten thu: SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 49 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động Rnj, k = H n1,jk X 1n , k + H n2, kj X 2n , k + N nj,k Rnj1,k  H n1j 1,k X n11,k  H n2j1,k X n21,k  N nj1,k   H n1j 1,k X n2*,k  H n2j1,k X n1*,k  N nj1,k Để thuận tiện tính tốn, ta đặt: Rnj, k = R1j ; Rnj1, k = R2j ; H nij,k  H nij1,k  H ij ; X nj,k  X j ; N nj, k  N1j ; N nj1, k  N 2j Biểu thức ta viết lại sau: R1j  H1 j X  H j X  N1j R2j   H1 j X 2*  H j X 1*  N 2j Tín hiệu qua kết hợp ta được: X1    H R  H j R j 1 * 1j j* j     H 2 1j j 1   H2 j X    H j R1j  H1 j R2j*     H1 j  H j  j 1 j 1  2 2 X H N * 1j X H 2j j  H j N2j*   N1j  H1 j N 2j*   Bộ tách tối ưu cực tiểu độ thông suốt định:  R j 2 j  H1 j X1  H j X  R2j  H1 j X 2*  H j X1*  Thông qua tất giá trị X1, X2 chòm X Ta mở rộng biểu thức trên, bỏ thành phần độc lập với từ mã, xếp lại cực tiểu biểu thức tương đương với cực tiểu biểu thức sau:  R1j H1*j X1*  ( R1j )* H1 j X1  R1j H 2* j X 2*  ( R1j )* H j X  R2j H1*j X  ( R2j )* H1 j X 2* j 1 2  R2j H 2* j X  ( R2j )* H j X 1* ] ( X1  X ) Hij 2 j 1 i 1 Sắp xếp biểu thức cực tiểu độ thông suốt thành hai phần: SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 50 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động [R1j H1*j X1*  ( R1j )* H1 j X1 R2j H 2* j X1  ( R2j )* H j X1* ]  X1 2  H j 1 i 1 j 1 ij Công thức biểu thức theo biến X1 [R2j H 2* j X 2*  ( R1j )* H j X R2j H1*j X  ( R2j )* H1 j X 2* ]  X j 1 2  H j 1 i 1 ij Công thức biểu thức theo biến X2  R Vì vậyncực tiểu biểu thức j j 2  H1 j X1  H j X  R2j  H1 j X 2*  H j X1*  tương đương với cực tiểu riêng rẽ hai biểu thức Ta thực cực tiểu “độ thông suốt định” sau: 2    2 j j * *    R1 H1 j  ( R2 ) H j    X   1   H ij  X j 1 i 1  j 1    2    2 * j j *      R ( H ) R H X H ij  X      j 1j  j 1 i 1  j 1    để giải mã X1 để giải mã X2 Gọi d ( x, y)  ( x  y )( x*  y* )  x  y , qui tắc định cho tín hiệu tổ hợp X j , j=1, trở thành: Chọn Xi nếu: 2 2   2 2 2 2  1   H ij  X i  d ( X j , X i )   1   H ij  X k  d ( X j , X k ) ; j 1 i 1 j 1 i 1     i k Trong Xi Xk kí tự thuộc chịm kí tự mà phần mã hố thực Như ta thu tín hiệu X 1n , k = X1; X 2n , k = X2 Kết luận: Mơ hình hệ thống STBC_OFDM với tác động kênh fading lựa chọn tần số Bộ thu thực số tiến trình xử lí hỗ trợ thuật toán Viterbi, phần gán cho tần số riêng mơ hình OFDM 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM Đây kỹ thuật ứng dụng nhiều hệ thống thơng tin di động mở rộng băng thơng SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 51 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động tăng tốc độ liệu lên nhiều lần, nâng cao chất lượng tín hiệu MIMO-OFDM sở cho chuẩn IEEE 802.11n, chuẩn cho hệ thống WIFI vừa hỗ trợ chuẩn cũ vừa có tính ưu việt hẳn, hỗ trợ liên lạc giọng nói, trao đổi hình ảnh, video với chất lượng cao MIMO-OFDM áp dụng hệ thống WIMAX kỹ thuật áp dụng rộng rãi đem lại tiến vượt bậc thông tin liên lạc không dây nhân loại SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 52 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động KẾT LUẬN Kỹ thuật MIMO_OFDM ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n hệ thống WIFI IEEE 802.16 hệ thống WIMAX Mặc dù bước đầu giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ mang lại bước tiến vượt bậc lĩnh vực thông tin di động, mở rộng băng thơng, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi Mạng WIFI sử dụng 802.11n trao đổi liệu dung lượng lớn âm thanh, hình ảnh mà mạng WIFI trước khơng thực Đề tài giới thiệu kỹ thuật OFDM, kỹ thuật cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu Phát triển đề tài này, nghiên cứu thêm hệ thống MIMO_OFDM với số anten phát thu lớn hơn; hệ thống 3x4, 4x4, 8x8,… Nhưng số anten tăng nảy sinh vấn đề cần giải là: phức tạp thu tín hiệu, làm cho phép tính có độ khó cao, thiết bị cồng kềnh, giá thành cao Tuy nhiên gần đây, với phát minh xử lí tín hiệu số giá rẻ, xử lí đa năng, thuật tốn xử lí tín hiệu mới, điều giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng đưa vào áp dụng rộng rãi thực tế Với ưu điểm mặt kỹ thuật hỗ trợ phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM kỹ thuật hàng đầu áp dụng hệ thống thông tin di động hệ NGN, 4G SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 53 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A 54 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS.Phan Hồng Phương, KS.Lâm Chi Thương, “Kỹ thuật phân tập anten cải thiện dung lượng hệ thống MIMO” [2] TS.Nguyễn Anh Tuấn, “Phương pháp mã hóa khơng gian – thời gian hệ thống MIMO số hướng nghiên cứu”, báo trình hội nghị khoa học lần thứ VI [3] TS.Nguyễn Ngọc Tiến, “Một số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM”, Tạp chí bưu Viễn thông Công nghệ thông tin, 29/09/2003 Tiếng Anh [4] John R.Barry, “Boardband MIOMO – OFDM wireless communications”, 2004 [5] Lisa Meilhac, Alian Chiodini, Clement Boudesocque, Crislin Lele, Anil Gercekei, “MIMO - OFDM modem for WLAN”, Newlogic Technology S.A.R.L, 07 2004 Trang web [6] http://www.scribd.com/doc/93447515/K%E1%BB%B8-THU%E1%BA%ACT MIMO [7] http://kiemtailieu.com/ky-thuat-cong-nghe/tai-lieu/ky-thuat-mimo-ofdm.html SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A 55 ... dụng hệ thống thông tin di động hệ NGN, 4G SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO- OFDM TRONG HỆ THỐNG... Trinh – Lớp: CCVT05A 41 Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG MIMO- OFDM kết hợp hai kỹ thuật OFDM MIMO Nó kĩ thuật. .. khó khăn kỹ thuật lĩnh vực thông tin di động SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A Tìm hiểu kỹ thuật MIMO – OFDM hệ thống thông tin di động Dung lượng hệ thống thông tin di động hệ bị hạn