Các hệ thống thông tin di động

CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thế hệ thứ nhất (1G)

Hệ thống mạng di động tế bào thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 đầu 80, sử dụng kỹ thuật tương tự (Analog).Tất cả các hệ thống thuộc thế hệ này đều sử dụng kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ( Frequency Division Multiple Access).

Chất lượng hệ thống vào thời điểm này còn rất thấp do thường xuyên xảy ra tình trạng nghẽn mạch và nhiễu.

 NMT (Nordic Mobile Telephone): Nga và Đông Âu.

 AMPS (Advanced Mobile Phone System): Mỹ.

 TACS (Total Access Communications System): Anh.

 ETACS (Enhanced Total Access Communications System): Châu Âu.

Thế hệ thứ hai (2G)

Các hệ thống mạng thuộc thế hệ 2G được triển khai từ năm 1990, ngày nay vẫn còn tồn tại và ứng dụng phổ biến Là một mạng thông tin số băng hẹp sử dụng phương pháp chuyển mạch - mạch là chủ yếu Đa truy cập theo thời gian TDMA kết hợp tần số FDMA hoặc đa truy nhập kiểu mã CDMA kết hợp tần số FDMA

Ra đời năm 1988 GSM là chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động Tế bào, trên 2 tỉ người trên thế giới sử dụng các loại hình dịch vụ của chuẩn này, và nó phủ sóng ở trên 200 quốc gia trên toàn thế giới Chuẩn này cho phép roaming toàn cầu với các mạng cùng chuẩn mang lại tiện ích rất lớn cho người sử dụng, họ có thể mang máy tới bất kỳ nơi đâu chỉ cần các nhà điều hành mạng kết nối mạng lưới sử dụng của họ với nhau.

Sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA nhờ đó tại một thời điểm có thể có 8 thuê bao cùng sử dụng chung một kênh toàn tốc (Full Rate) 13Kbps và 16 thuê bao cùng dùng chung một kênh bán tốc (Haft Rate) 6Kbps. Điện thoại GSM sử dụng SIM - CARD do nhà điều hành cấp, SIM như một máy tính nhỏ lưu trữ danh bạ và các thông tin từ nhà điều hành mạng, thuê bao có thể liên kết với mạng nhờ thẻ SIM này.

GSM khai thác băng tần 900MHz và 1800MHz, một số ít nơi khai thác băng tần 850MHz và 1900MHz như Mỹ và Canada do băng 900MHz và 1800MHz đã bị khai thác hết Công suất của MS tối đa với GSM900 là 2.5W, đối với GSM1800 là 1W.

Bán kính phủ sóng của GSM phụ thuộc vào độ cao, tăng ích của ăng-ten và điều kiện truyền sóng Bán kính tối đa cho vùng phủ sóng của nó là 35Km. Ở Việt Nam hiện có 3 nhà điều hành mạng khai thác băng tần GSM900: Viettel, Vinaphone, MobiPhone Riêng có MobiPhone, Viettel đang triển khai và khai thác băng tần GSM1800.

IS95 là mạng tế bào số đầu tiên sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA nên còn được gọi là CDMA ONE do Qualcom đề suất và được triển khai đầu tiên ở Mỹ.

Dung lượng kênh của CDMA là lớn gấp khoảng 6 lần so với dung lượng kênh của GSM dó đó một số lượng lớn thuê bao có thể được phục vụ bởi số tế bào ít hơn, nhờ đó mà đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với GSM Đặc biệt với hạ tầng và công nghệ của nó dễ dàng để nâng cấp lên chuẩn cao hơn với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn.

Sử dụng đa truy nhập thep phương pháp CDMA (Code Division Multi Access), trong đó mỗi thuê bao sử dụng mạng sẽ được cung cấp một mã trải phổ

PN (Pseudo Noise) Khác với GSM các thuê bao sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA có thể truy nhập mạng cùng một lúc và các thuê bao có thể sử dụng chung tần số sóng mang trong cùng một tế bào Các thuê bao chỉ phân biệt nhau ở mã trải phổ mà nó được cấp.

Thế hệ 2.5G

Hệ thống mạng 2.5G là một sự chuyển tiếp giữa thế hệ 2G và 3G và thực sự nó là sản phẩm cải tiến trên nền của hệ thống 2G phát triển lên Hệ thống hoạt động dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó nó có ưu điểm là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn.

Nâng cấp từ 2G lên 2.5G nhanh và dễ hơn so với chuyển trực tiếp lên 3G từ 2G, nó như là một sự chuyển tiếp mềm dẻo không gây ra sự thay đổi một cách đột biến

GPRS (General Packet Radio Service):

GPRS là một hệ thống được nâng cấp lên từ hệ thống GSM Nó sử dụng phương thức chuyển mạch gói, người dùng sẽ nhận thông tin dưới dạng gói dữ liệu, cũng chính vì thế mà giá cước cũng tính theo dung lượng mà người dùng nhận và gửi, khác với GSM là tính cước dựa trên thời gian đàm thoại của người sử dụng Cũng nhờ phương pháp này mà tốc độ truyền dẫn tăng lên và giá thành sử dụng lại kinh tế hơn GPRS cho phép cung cấp các dịch vụ kết nối ảo, truyền số liệu lên đến 171.2Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ có thể sử dụng cùng một lúc nhiều khe thời gian để truyền dẫn Bên cạnh mục đích nâng cao dung lượng và chất lượng phục vụ, GPRS còn được xem là bước đệm để tiến lên 3G.

Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP (Internet Protocol) để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như tạo ra môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ 3G sau này.

Trong hệ thống tập trung hỗ trợ cho dịch vụ thoại là chủ yếu như GSM thì mục đích chính của GPRS là cung cấp các tiện ích truy nhập mạng sử dụng chuẩn TCP/IP.

EDGE (Data rates for GSM Evolution):

EDGE hay còn gọi là E-GPRS, có thể coi là một sản phẩm cải tiến của GPRS Cũng giống như GPRS, EDGE là một sản phẩm được nghiên cứu và triển khai trên nền GSM để tiến lên 3G Sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói với tốc độ cao gấp 3 lần so với GPRS nhờ đó mà EDGE có thể cung cấp các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, ngòai truyền thoại còn có thể truyền Video với chất lượng tương đối tốt, ngoài ra còn có thể kết nối Internet.

EDGE sử dụng phương thức điều chế, phương thức mã hóa và cơ chế thích ứng đuờng truyền mới để đạt được tốc độ truyền dữ liệu tối đa (với MCS-9) gấp

3 lần tốc độ tối đa của GPRS (với CS4) Trong khi GSM, GPRS sử dụng điều chế GMSK, thì EDGE sử dụng thêm điều chế 8-PSK cho mã hóa tốc độ cao MCS5-MCS9, bên cạnh GMSK cho mã hóa tốc độ thấp MCS1-MCS4

Bảng 1.1 Các phương pháp mã hoá trong thông tin di động.

Phương pháp Mã hóa & Điều chế

Thế hệ 3G

Là thế hệ di động số cho phép chuyển mạng bất kỳ cho phép truyền thông đa phương tiện chất lượng cao Các hệ thống 3G được xây dựng trên nền chuẩnCDMA hoặc là CDMA kết hợp với TDMA, có khả năng cung cấp một băng tần theo yêu cầu do đó có thể hỗ trợ các dịch vụ có những tốc độ khác nhau. Ở thế hệ thứ 3, các hệ thống có xu hướng tiến đến một chuẩn chung duy nhất, cung cấp dich vụ truyền với tốc độ 2Mbps Mặc dù được tính toàn là một chuẩn chung cho toàn cầu nhưng chi phí để triển khai nó là rất lớn.

WCDMA (Wideband-CDMA): Được nghiên cứu và phát triển bởi tập đoàn viễn thông NTT DOCOMO và sau đó đã được đề xuất lên tổ chức viễn thông quốc tế ITU làm chuẩn cho thế hệ thứ 3 và được biết đến với một tên khác là IMT-2000.

Phát triển lên trên nền chuẩn CDMA, độ phân cách sóng mang cho các kênh truyền là 5MHz trong khi của CDMA2000 là 1.25MHz qua đó có thể thấy dung lượng của WCDMA là rất lớn, do đó nó cho phép hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao, hỗ trợ truyền thoại, hình ảnh và Video chất lượng cao.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

UMTS là một trong những mạng di động thuộc thế hệ 3G Nó là sự kết hợp các công nghệ của thế hệ 3G kết hợp với chuẩn GSM vì thế mà đôi khi người ta còn gọi UMTS là 3GSM Hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 2Mbps cho phép truyền hình ảnh và đa phương tiện chất lượng cao.

Thế hệ 4G

Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao.

Yêu cầu về tốc độ là từ 100Mbps đến 1Gbps.

Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau.

Mạng lõi hòan toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói.

Các công nghệ ứng dụng cho thế hệ 4G:

Một trong những công nghệ chính của mạng 4G là ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM là bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/

N Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và mã hoá dữ liệu trước khi điều chế Một bộ IFFT (biến đổi ngược Fourier nhanh) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự IF và được gửi tới bộ thu RF Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ các sóng mang con khác Không bị pha- đinh và trễ đa đường như các công nghệ truyền dẫn khác, OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn.

Hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) sử dụng hệ thống ăng-ten dàn ở cả phần phát và phần thu Tín hiệu cần gửi được tách ra thành N luồng nhỏ và được phát đi trên N ăng-ten qua các môi trường có đặc tính pha-đinh khác nhau.

Về lý thuyết thì có nghĩa ta đã tăng hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp N lần và tỉ lệ lỗi bit cho ảnh hưởng của pha-đinh và điều kiện kênh truyền sẽ giảm đi Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi ăng-ten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các ăng-ten khác nhau.

WiMax di động là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ các mạng băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo Giao diện không gian WiMax di động thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao(OFDMA) để cải thiện hiệu suất đa đường trong môi trường tầm nhìn không thẳng NLOS OFDMA theo tỷ lệ (SOFDMA) được giới thiệu trong bổ sungIEEE 802.16e để hỗ trợ các băng tần kênh truyền theo tỷ lệ từ 1.25 đến 20MHz.Nhóm kỹ thuật di dộng (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMax đang phát triển các tham số hệ thống cho WiMax di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE mà cần thiết để xây dựng giao diện không gian tuân theo WiMax di động có thể được chứng nhận bởi diễn đàn WiMax Các tham số hệ thống WiMax di động cho phép các hệ thống di động được cấu hình dựa trên một tập hợp đặc tính cơ bản phổ biến do đó đảm bảo các chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc có thể tương tác hoàn toàn Một số các phần tử của tham số trạm gốc được đưa ra như một tùy chọn để cung cấp thêm tính linh hoạt cho việc triển khai, dựa trên các điều kiện triển khai cụ thể mà có thể yêu cầu các cấu hình khác nhau là dung lượng tối ưu hay độ bao phủ tối ưu Các tham số WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao phủ các băng tần kênh là 5, 7, 8.75 và 10MHz cho các ấn định phổ cấp phép toàn cầu trong các băng tần 2.3, 3.3 và 3.5 GHz.

Nhóm làm việc diễn đàn WiMax đang phát triển các đặc điểm kỹ thuật mạng mức cao hơn cho các hệ thống WiMax di động dựa trên những gì được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 mà chỉ đơn giản gọi tên các đặc điểm kỹ thuật giao diện vô tuyến Sự cố gắng kết hợp của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMax giúp định nghĩa giải pháp hệ thống đầu cuối-đầu cuối (end-to-end) cho một mạng WiMax di động.

Các hệ thống WiMax di động đề xuất khả năng thay đổi được cho cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, vì vậy nó cung cấp tính linh hoạt lớn cho các lựa chọn triển khai mạng và các đề xuất dịch vụ.

Kết luận

Thông tin vô tuyến di động đã và đang phát triển với tốc độ hết sức nhanh chóng trên phạm vi toàn cầu Kết quả thống kê cho thấy ở một số quốc gia, số lượng thuê bao di động đã vượt hẳn số lượng thuê bao cố định Trong tương lai, số lượng thuê bao cả di động và cố định sẽ tiếp tục tăng lên và cùng với nó là sự gia tăng về nhu cầu sử dụng các dịch vụ thông tin của người sử dụng Điều này đòi hỏi các nhà khai thác cũng như các tổ chức viễn thông trên toàn cầu không ngừng nghiên cứu, cải tiến và đưa ra các phương pháp kỹ thuật, các công nghệ mới để cải tiến và nâng cấp các hệ thống thông tin Cho đến nay hệ thống thông tin đã trải qua 3 thế hệ và đang nghiên cứu công nghệ 4G để phát triển hệ thống thông tin di động không dây trong tương lai.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM

Khái niệm

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM. OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), đây là phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.

2.1.1 Điều chế đơn sóng mang

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

Hình 2.1: Truyền dẫn sóng mang đơn.

Hình 1.7 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

2.1.2 Điều chế đa sóng mang

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.

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.

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.

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng :

Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

Trong đó al,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l

L: chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao với nhau Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT

2.1.3 Nguyên lý cơ bản OFDM

OFDM là một dạng đặc biệt của ghép kênh phân chia theo tần số thông thường FDM (Frequency Division Multiplexing), trong đó độ rộng băng thông kênh có sẵn được chia thành các băng con, hay còn gọi là các sóng mang con. Hơn nữa các sóng mang con trong một hệ thống OFDM chồng lấn lên nhau để tối đa hoá hiệu quả băng thông Thông thường, các kênh con kế cận chồng lấn lên nhau có thể nhiễu lẫn nhau Tuy nhiên, các sóng mang con trong hệ thống OFDM được trực giao một cách chính xác với nhau nên chúng có thể chồng lấn mà không gây nhiễu lẫn nhau Do đó, các hệ thống OFDM có thể tối đa hoá hiệu quả độ rộng băng thông mà không gây nhiễu cho các kênh lân cận

1  Điều kiện trực giao của hai sóng mang con f k và f l là:

Hình 2.3 (a) minh hoạ phổ dữ liệu riêng biệt của một kênh con và hình 2.3 (b) là phổ tín hiệu OFDM với các kênh con chồng lấn lên nhau.

Hình 2.3 Phổ một kênh con OFDM (a) và một tín hiệu OFDM (b)

Các hệ thống thông tin OFDM có thể tận dụng tốt hơn hiệu quả phổ tần số thông qua việc chồng lấn các sóng mang con Các sóng mang con này được sắp xếp trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho công suất cực đại của mỗi sóng mang con tương ứng với công suất cực tiểu của các sóng mang con lân cận, nên chúng có thể chồng lấn một phần mà không gây nhiễu cho các symbol bên cạnh Trong hình 2.3, mỗi sóng mang con được biểu diễn bằng một đỉnh khác nhau và đỉnh mỗi sóng mang con tương ứng lập tức về không qua tất cả các kênh của sóng mang con lân cận.

Chú ý rằng các kênh OFDM khác so với các kênh FDM do việc sử dụng bộ lọc tạo dạng xung Với hệ thống FDM, một xung hình sinc được sử dụng trong miền thời gian để tạo dạng mỗi symbol riêng biệt và ngăn chặn ISI Còn các hệ thống OFDM lại sử dụng một xung hình sin trong miền tần số nên mỗi sóng mang con có thể duy trì được tính trực giao với sóng mang con khác.

Sự trực giao

“Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu

(2.2) có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.

Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác và không có sự can nhiễu giữa các sóng mang ICI Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học Máy thu gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC lấy tích phân tín hiệu nhận được trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol

‡), thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là 0 Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/‡ Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi ICI cũng làm mất đi tính trực giao

2.2.1 Trực giao miền tần số

Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin (x)/x) Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT) Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/

TFFT Hz Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis ) {{Φi(t)/i = 0,1, …} có tính chất sau :

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế ) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing ) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau và tích vô hướng của 2 vectơ là bằng 0 Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0. Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không. (VD giá trị trung bình của hàm sin hình 2.4 và hình 2.5 ) Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích phần dưới đường cong Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 2.4 Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0

Hình 2.5 Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau Ta nhận thấy kết quả cũng bằng 0 Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0 thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Nếu hai tích phân cùng tần số được mô tả hình 2.6

Hình 2.6 Tích phân các sóng hình sin có cùng tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác 0 (hình 2.6) Đây là cơ cấu rất quan trọng cho quá trình giải điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đuợc từ miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT) Toàn bộ quá trình nay được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế Từ phân tích trên ta có thể rút ra kết luận

- Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy bị ảnh hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung

- Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó phổ điều chế các sóng mang có thể trùng lắp nhau mà vẫn không gây can nhiễu.

Bộ điều chế và bộ giải điều chế OFDM

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức e jp t  s , trong đó

     là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau Tính trực giao của hai sóng mang phụ p và q được kiểm chứng như sau:

S S k T k T jp t jq t j p q t kT kT e  e  dt e  dt

 Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc của phép điều chế OFDM Hình 2.7 mô tả sơ đồ khối của bộ điều chế OFDM.

Xung cơ sở (basic impulse)

Xung cơ sở ∑ (basic impulse)

Xung cơ sở (basic impulse)

Hình 2.7 Bộ điều chế OFDM Giả thiết toàn bộ băng tần của hệ thống B được chia thành K kênh con, với chỉ số của các kênh con là n,

N FFT  L (2.7) Đầu vào bộ điều chế là dòng dữ liệu {a l } được chia thành N FFT dòng dữ liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N FFT lần thông qua bộ phân chia nối tiếp /song song Dòng bit trên mỗi luồng song song {a i,n } lại được điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d k,n }, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với K bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, chỉ số k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với K mẫu tín hiệu phức

Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, vv vv Các mẫu tín hiệu phát {d k,n } lại được nhân với xung cơ bản (basic impulse) g(t) mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu mỗi sóng mang Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ bản là xung vuông Sau khi nhân với xung cơ sở tín hiệu lại được dịch tần đến kênh con tương ứng thông qua phép nhân với hàm phức e jn t  s Phép nhân này làm các tín hiệu trên các sóng mang phụ trực giao với nhau như chứng minh ở trên Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần được cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau:

(2.8) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k Sự biểu diễn tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là:

2.9) Ở đây tín hiệu '( )m t là tín hiệu ' ( )m t k với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô hạn. Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ nhiễu xuyên tín hiệu ISI thông qua chuỗi bảo vệ (Guard Interval) Do vậy tín hiệu OFDM trước khi phát đi được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI.

2.3.2 Bộ giải điều chế OFDM

Giải điều chế ˆ k , L a  ˆ k n , a ˆ k , L a  ˆ , d k n ˆ , k L d  jL t s e   jn t s e  jL t s e 

Hình 2.8 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như ở Hình 2.8 Tín hiệu đưa vào bộ giải điều chế là u(t) Với tín hiệu phát m(t) ở công thức (2.7), biểu diễn của u(t) được viết tiếp dưới dạng: max ( )

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế Các bước đó bao gồm:

 Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

 Nhân với hàm số phức e jn t  n (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế).

 Giải điều chế ở các sóng mang phụ.

 Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit.

 Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp.

Mô hình hệ thống OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang MCM (Hình 2.9) Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành K luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát các luồng dữ liệu đó trên các sóng mang con khác nhau trực giao nhau.

Biến đổi nối tiếp- song song +

Biến đổi song song - nối tiếp n,K-1 ,…, o

Hình 2.9 Mô hình hệ thống truyền dẫn đa sóng mang cơ bản

Các sóng mang con là các sóng hình sin có dạng: j f t k t e

" ẽ Trong đó f k là tần số sóng mang con thứ k

Tần số của mỗi sóng mang con hơn kém nhau một khoảng f W

 K trong đó W là độ rộng dải tần, K là số sóng mang con Luồng data ban đầu tốc độ

T trước tiên được chia thành K luồng con, sau đó mỗi luồng con sẽ điều chế 1 sóng mang con f k , với k 0,1, ,K  1 Các sóng mang con được điều chế sau đó sẽ được cộng lại với nhau và tạo thành tín hiệu OFDM có dạng:

= ồ - = ồ nT S £ £t (n+1)T S với n là chỉ số để biểu diễn symbol thứ n, chỉ số k biểu diễn sóng mang con thứ k S n k , là symbol data phức thứ n điều chế sóng mang con thứ k Vì ta

(2.12) sử dụng tiền tố tuần hoàn CP có độ dài T g (nói rõ trong phần sau) để chống tác động của truyền dẫn đa đường nên dạng tín hiệu:

Như vậy thời gian của mỗi symbol là T S =t x

Tổng của luồng tín hiệu theo thời gian gồm nhiều symbol liên tiếp nhau là:

Ta có khoảng cách giữa 2 sóng mang con liên tiếp là:

Do phổ của các sóng mang con là chồng lấn nhau nên:

S ff + = +T Để đơn giản ta đặt:f 0 =0

= Trên thực tế tín hiệu đầu vào là chuỗi bít nối tiếp, chuỗi bít này được chia thành K luồng con, thời gian mỗi luồng là T S Như vậy ta biểu diễn các mẫu tín hiệu rời rạc S n i , với i =0,1, ,K - 1 trong khoảng thời gian mỗi luồng T S là

T S i K thì tín hiệu đầu ra bộ IDF có dạng sau:

= ồ = ồ Đây chính là phép biến đổi Fourie ngược IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform).

Một ví dụ về tín hiệu OFDM sử dụng 4 sóng mang con Hình (2.10)

Hình 2.10 Tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.

Data trên mỗi sóng mang con được truyền đi với tốc độ:

R OFDM nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ truyền R nếu chỉ sử dụng một sóng mang Thời gian symbol OFDM T S =K T dài gấp K lần thời gian symbol T của luồng data ban đầu.

Tín hiệu OFDM thu được sẽ được tách riêng ra thành các tín hiệu sóng mang con mang thông tin cần truyền Các sóng mang con này sẽ được giải điều chế riêng rẽ, sau đó được biến đổi thành luồng data nối tiếp:

Ta coi như tính trực giao của các sóng mang con không bị ảnh hưởng gì bởi kênh đa đường, tức ta chọn chiều dài của CP T g lớn hơn trải trễ cực đại  Bởi vậy tín hiệu thu R n i , có thể được giải điều chế theo biến đồi DFT như sau:

K trong đó R n i , là mẫu thứ i của tín hiệu thu R t n ( ) và R n k , là symbol phức được thu điều chế sóng mang con thứ k Nếu khoảng cách giữa các sóng mang con Df được chọn nhỏ hơn rất nhiều so với dải thông kết hợp và khoảng symbol T S nhỏ hơn nhiều so với thời gian kết hợp của kênh thì hàm truyền của kênh vô tuyến ( , )H f t có thể xem như là không đổi trên dải tần f của mỗi sóng mang con và khoảng thời gian của các symbol được điều chế R n k , Khi đó ảnh hưởng của kênh vô tuyến chỉ như một phép nhân của mỗi tín hiệu song mang con ( ) t với một hệ số truyền phức H n k , =H k f nT( D , S ) Kết quả là symbol phức thu được R n k , sau khi biến đổi FFT (Discrete Fourier Transform) sẽ có dạng:

R n k , =H s n k n k , , +N n k , trong đó N n k , là tạp âm cộng tính của kênh.

Khoảng bảo vệ

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thì thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho N C sóng mang con tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn N C lần so với truyền sóng mang đơn Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với can nhiễu giữa can nhiễu ISI (Inter- Symbol Interference) gây ra bởi truyền lan nhiều đường Có thể

(2.23) trước của mỗi symbol Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu của mỗi symbol, có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu kỳ Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài hơn

Hình 2.11 Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM

2.5.1 Bảo vệ chống lại offset thời gian Để giải mã tín hiệu OFDM máy thu phải nhận đuợc FFT của mỗi symbol thu được để tìm ra biên độ và pha của các tải phụ Đối với hệ thống OFDM dùng cùng một tần số lấy mẫu cho cả máy phát và máy thu, hệ thống phải dùng cùng một kích thước FFT cho cả máy thu và tín hiệu phát để duy trì sự trực giao của tải phụ Mỗi symbol thu được có các mẫu độ dài TG+TFFT do bổ sung khoảng bảo vệ Máy thu chỉ cần các mẫu TFFT của symbol thu được để giải mã tín hiệu. Các mẫu TG còn lại là thừa, không cần thiết Đối với kênh lý tưởng không có mở rộng độ trễ máy thu có thể dò tìm được độ lệch thời gian bất kỳ (lớn nhất là bằng khoảng bảo vệ TG) và vẫn còn đạt được số các mẫu Do bản chất tuần hoàn của sự thay đổi khoảng bảo vệ lệch thời gian (time offset) chỉ dẫn đến sự quay pha của tất cả các sóng mang con trong tín hiệu Giá trị quay pha tỉ lệ với tần số tải phụ Với sóng mang con ở tần số Nyquist thì sự thay đổi là 1800 cho mỗi offset thời gian mẫu Đã chứng minh rằng offset thời gian được duy trì không đổi từ symbol này tới symbol khác, nên sự quay pha cho offset thời gian có thể được loại bỏ như một phần của cân bằng kênh trong môi trường đa đường ISI giảm độ dài của khoảng bảo vệ, dẫn đến lỗi offset thời gian cho phép.

2.5.2 Bảo vệ chống lại ISI và ICI

Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của sóng mang con phải được duy trì không đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang. Nếu chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các sóng mang con sin c sẽ không có dạng sin c đúng và như vậy điểm không (Null ) sẽ không ở tần số đúng, dẫn đến can nhiễu giữa các sóng mang ICI Ở biên của symbol biên độ và pha thay đổi bất thình lình tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp theo. Trong môi trường đa đường ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ và pha của sóng mang con ở điểm đầu symbol Độ dài của những ảnh hưởng thay đổi nhanh tương ứng với sự mở rông độ trễ của kênh vô tuyến Tín hiệu thay đổi nhanh là kết quả của mỗi thành phần đa đương ở các thời điểm khác nhau một ít, thay đổi véctơ sóng mang con thu được Hình 2.12 và 2.13 chỉ ra ảnh hưởng này Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao Trở lại trạng thái ban đầu, do vậy FFT được lấy từ phần trạng thái đúng của symbol.Điều này loại bỏ ảnh hưởng của ISI Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự mở rộng độ trễ của kênh vố tuyến Các ảnh huởng còn lại mà đa đường gây ra, như thay đổi biên độ và quay pha, thì được sửa bởi san bằng kênh.

Hình 2.12 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ chống lại các ảnh hưởng thay đổi nhanh do đa đường loại bỏ các ảnh hưởng của ISI Tuy nhiên trong thực tế các thành phần đa đường có khuynh hướng suy giảm chậm theo thời gian, dẫn đến vẫn còn ISI ngay cả khi khoảng bảo vệ tương đối dài được sử dụng.

Hình 2.13 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Ưu nhược điểm của OFDM

- Hiệu quả sử dụng băng thông

Trong một hệ thống FDM truyền thống, mỗi kênh con được đặt cách nhau bởi khoảng phòng vệ để đảm bảo các kênh lân cận không nhiễu lẫn nhau Trong khi đó hệ thống OFDM có các kênh con chồng lấn lên nhau Do đó nó có thể sử dụng tối đa băng thông hệ thống như được minh hoạ trong hình 2.14

Hình 2.14 Hiệu quả sử dụng phổ của OFDM

Trong các hệ thống một sóng mang, ISI thường được tạo ra bởi các đặc tính truyền lan đa đường của một kênh thông tin vô tuyến Đặc biệt khi phát một tín hiệu trên một khoảng cách dài thì tín hiệu được truyền theo rất nhiều đường khác nhau Do đó tín hiệu thu được có chứa tín hiệu truyền theo đường thẳng trực tiếp chồng lấn với các tín hiệu phản xạ với biên độ nhỏ hơn, gây méo tín hiệu.

Các hệ thống OFDM hạn chế được vấn đề này bằng cách tạo ra một khoảng symbol dài hơn trải trễ của kênh truyền Tín hiệu từ một luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành L luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Thời gian tồn tại symbol của các kênh con tăng lên L lần sẽ làm giảm được ISI Hơn nữa ta còn có thể loại bỏ được hoàn toàn ISI nếu thêm vào tín hiệu OFDM chuỗi tiếp đầu tuần hoàn (CP) với độ dài của chuỗi lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh ∆ττ max

- Giảm pha đinh chọn lọc theo tần số và cấu trúc hệ thống đơn giản

Với hệ thống OFDM, pha-đinh chọn lọc tần số chỉ tác động đến một hoặc một vài kênh con có băng tần tín hiệu nhỏ nên có thể coi là pha đinh phẳng Bởi vậy, độ phức tạp của bộ san bằng và lọc nhiễu cũng giảm cho phép cấu trúc bộ đổi IFFT/FFT tương ứng thay cho các bộ điều chế và giải điều chế thì cấu trúc máy phát và máy thu cũng đơn giản hơn rất nhiều Đặc biệt ngày nay khi công nghệ chế tạo vi mạch phát triển với tốc độ xử lý cao thì công nghệ OFDM càng có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin băng thông rộng như WiMAX.

Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế.

Các tín hiệu OFDM có tỷ lệ công suất đỉnh tới trung bình thường cao hơn các tín hiệu đơn sóng mang Lý do là trong miền thời gian, một tín hiệu đa sóng mang là tổng của nhiều tín hiệu băng hẹp Trong một vài trường hợp, tổng này là lớn nhưng trong các trường hợp khác lại là nhỏ, điều này có nghĩa là giá trị đỉnh của tín hiệu lớn hơn đáng kể giá trị trung bình Tỉ số PAR cao là một trong những thách thức lớn nhất của hệ thống OFDM, bởi vì nó làm giảm hiệu quả phổ và đẩy điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất về vùng phi tuyến nên làm tăng giá của bộ khuếch đại công suất tần số vô tuyến RF (Radio

Frequency), đây là một trong những thiết bị đắt nhất trong một hệ thống thông tin vô tuyến Do đó cần thiết phải có các biện pháp làm giảm PAR của các tín hiệu OFDM trước khi đưa qua bộ khuếch đại công suất.

- Dịch tần số và quá trình đồng bộ

Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với lỗi dịch tần số vì xuất phát từ nguyên lý cơ bản của OFDM là sự chồng lấn phổ giữa các sóng mang con chứ không phải là các sóng mang con này được cách ly về phổ Hiện tượng dịch tần số này làm cho các sóng mang con không còn tính trực giao với nhau nữa, điều này dẫn đến xuyên nhiễu giữa các sóng mang con lân cận và gây ra ICI Do đó hệ thốngOFDM yêu cầu việc đồng bộ tần số rất ngặt nghèo.

Kết luận

OFDM là một dạng điều chế đa sóng mang (MCM) trong đó luồng dữ liệu đơn được chia thành nhiều luồng dữ liệu con, mỗi luồng dữ liệu con được truyền trên một kênh riêng, các sóng mang con được ghép trực giao với nhau vì vậy tiết kiệm được băng thông, nhờ việc sử dụng kỹ thuật IFFT và FFT để điều chế và giải điều chế tín hiệu nên tốc độ xử lý nhanh Khoảng bảo vệ được thêm vào mỗi ký hiệu OFDM khoảng bảo vệ này phải không nhỏ hơn trễ cực đại để đảm bảo hệ thống không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI Việc chia nhỏ dải tần thành nhiều kênh con đã giúp chuyển một kênh phading lựa chọn tần số thành nhiều kênh phading phẳng song song rất thuận lợi cho việc sử dụng kỹ thuật MIMO, điều này sẽ được nghiên cứu trong chương 3 của đồ án.

TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO Giới thiệu

MIMO là hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu suất phổ mà không phải tăng công suất phát hay tăng băng thông Do đó, ở phần này, trước hết chúng ta tìm hiểu về kỹ thuật phân tập, tiếp theo là mô hình hóa cấu trúc MIMO, cách thức truyền dữ liệu qua kênh truyền MIMO, phân loại mã hóa không gian – thời gian, dung lượng của hệ thống MIMO trong các môi trường fading khác nhau.

Trong truyền thông không dây di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần thiết Kỹ thuật thật phân tập yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với tín hiệu khác có thể không bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền.

Có nhiều cách để đạt được phân tập Phân tập thời gian có thể thu được qua mã hóa (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênh truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn.

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian.

Phân tập không gian là phương pháp phân tập đã được sử dụng rộng dãi trong thông tin vô tuyến Phương pháp này sử dụng nhiều anten ở máy phát, máy thu hoặc ở cả máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau Khoảng cách cân thiết giữa các anten tối thiểu là một nửa bước sóng l/

2 Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát ta có hệ thống phân tập không gian phát, và chúng ta có hệ thống phân tập không gian thu nếu sử dụng nhiều anten phía thu Trong trường hợp sử dụng nhiều anten cả phía phát và phía thu chúng ta có một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào nhiều đầu ra Các hệ thống phân tập thu phát không gian kiểu này được gọi là hệ thống đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO). Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu suất băng tần, không tốn phổ tần số, dễ sử dụng và trên lý thuyết không có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập Do có các ưu điểm nói trên, phương pháp phân tập không gian đã được nghiên cứu từ năm 1927 đến tận nay Các nghiên cứu về phân tập không gian tập chung chủ yếu vào kỹ thuật kết hợp tín hiệu phân tập

Phân tập phân cực và phân tập góc là hai ví dụ của phân tập không gian Trong phân tập phân cực, Các tín hiệu phân cực đứng và ngang được truyền bởi hai ăng-ten phân cực và được nhận bởi hai ăng-ten phân cực Các phân cực khác nhau đảm bảo rằng hai tín hiệu không tương quan với nhau mà không cần phải đặt hai ăng ten cách xa nhau Phân tập góc thường được áp dụng cho việc truyền dẫn với sóng mang có tần số lớn hơn

10 GHz Trong trường hợp này, coi như là tín hiệu phát bị tán xạ mạnh trong không gian, tín hiệu thu từ các hướng khác nhau là độc lập lẫn nhau Vì thế, hai hoặc nhiều hơn các ăng-ten định hướng có thể được đặt trong các hướng khác nhau tại phía máy thu cho ta các bản sao không tương quan của các tín hiệu phát Phụ thuộc vào việc sử dụng nhiều ăng ten ở phía phát hay được dùng ở phía thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp một cách thích hợp để làm tăng SNR thu tổng thể và làm giảm nhẹ pha đinh đa đường Trong phân tập phát, nhiều ăng-ten được sử dụng ở phía phát Các bản tin được xử lý ở máy phát và sau đó được đưa ra các ăng ten

Chúng ta sử dụng một tập hợp các tần số để truyền đi cùng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài trăm lần băng tần đồng bộ, để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng không tương quan với nhau Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ đo được vào khoảng 500kHz, vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1-2 MHz.

Trong thông tin di động hiện đại, phân tập tần số còn có thể nhận được thông qua việc sử dụng các kỹ thuật điều chế đa sóng mang hay sử dụng phương pháp nhẩy tần Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là tốn phổ tần số. Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao tần riêng.

Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởng pha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽ không tương quan với nhau Vì vậy việc truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt nhau đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo để thu được tín hiệu pha-đinh không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ của kênh truyền Đối với thông tin di động thì khoảng thời gian đồng bộ này là:

T =c vf (3.1) trong đó: c =3.10 8 m s/ là tốc độ ánh sáng. v: là vận tốc chuyển động của máy di động. f c : là tần số sóng mang.

Với các máy di dộng làm việc ở tần số 800 Mhz và di chuyển với tốc độ 50 Km/h, thời gian đồng bộ là T c 5ms Để tạo ra M d nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền đi tại M d khe thời gian Vì vậy khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền tín hiệu trên M d nhánh phân tập là M c vf d / 2 c Đối với truyền dẫn tín hiệu thoại, tốc độ lấy mẫu cần thiết ít nhất là 8M kHz Đồng thời, để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băng truyền dẫn, chúng ta chỉ sử dụng tối đa M d P nhánh phân tập Do thời gian cách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên khác với các phương pháp phân tập khác, phương pháp phân tập thời gian không có ý nghĩa trong trường hợp máy di động đứng yên.

Gần đây, trong hệ thống thông tin di động hiện đại, mã sửa lỗi được sử dụng để kết hợp với phương pháp xen kẽ tín hiệu để tạo nên một phương pháp phân tập thời gian mới Do thời gian xem kẽ dài sẽ gây lên độ chậm giả mã lớn, nên phương pháp này chỉ thích hợp đối với các kênh pha-đinh biến động nhanh. Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất băng tần do sự dư thừa trong miền thời gian.

3.1.2 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu Đặc điểm then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất để tất cả các phiên bản của tín hiệu bị nhiều fading (deep fading) là rất thấp Tổng quát, BER của hệ thống dùng kỹ thật phân tập phụ thuộc vào cách mà các phiên bản của tín hiệu kết hợp lại tai nơi thu để làm tăng SNR Vì thế, các dạng phân tập có thể phân loại theo phương pháp kết hợp được sử dụng tại nơi thu Tùy thuộc vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh truyền CSI yêu cầu bởi phương pháp kết hợp tại nơi thu, có bốn loại chính là: kết hợp lựa chọn(Selection combining), kết hợp chuyển nhánh SC (Switching combining), kết hợp theo cùng độ lợi EGC (Equal Gain Combining) và kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất MRC (Maximum Ratio Combining)

Kết hợp lựa chọn là một phương pháp kết hợp phân tập đơn gian Xét một hệ thống phân tập thu với n R ăng-ten thu Sơ đồ khối của phương pháp kết hợp lựa chọn được cho trong Hình 3.1 Trong một hệ thống như thế này, tín hiêu có tỉ số tín trên tạp (SNR) tức thời lớn nhất tại mỗi khoảng thời gian tồn tại symbol được chọn ở đầu ra, vì thế SNR đầu ra bằng với SNR tốt nhât của tín hiệu đầu vào Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất tín hiệu và tập âm (S +N) lớn nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR.

Hình 3.1 Phương pháp kết hợp lựa chọn

3.1.1.2 Kết hợp chuyển nhánh(SC)

TÌM HIỂU HỆ THỐNG MIMO

Kỹ thuật phân tập