các kỹ thuật phân tập thu ở trong ofdm

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua một đường truyền.. Hình 1.1 Băng thông đư

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa

Sinh viên thực hiện

Bùi Kim Vũ

A/D Analog to Digital

ASK Amplitude Shift Keying

AWGN Additive White Gaussion Noise

BER Bit Error Rate

CDMA Code Division Multiple Access

CP Cyclic Prefix

CSI Channel State Information

D/A Digital to Analog

EGC Equal Gain Combining

FDM Frequency Division Multiplexing

FEC Forward Error Corection

FFT Fast Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI Inter Symbol Interference

HPA High Power Amplifier

LTE Long Term Evolution

MC Multicarrier communication

MIMO Multiple Input Multiple Output

M-QAM M-state Quadrature Amplitude Modulation

MRC Maximal Ratio Combining

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing AccessPAPR Peak-to-Average Power Ratio

PSK Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

SNR Signal-to-Noise Ratio

SSC Switch and Stay Combining

TC Threshold Combining

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966 Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang Do đó sử dụng dải thông một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác

mà các kỹ thuật khác không có Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Để đạt được ứng dụng như ngày hôm nay, OFDM đã phải trải qua thời gian dài khắc phục các hạn chế nhược điểm Một trong những phương pháp đó là kỹ thuật

“phân tập thu” Tôi lựa chọn đề tài Các kỹ thuật phân tập thu ở trong OFDM

gồm 4 chương sau:

Chương 1 : Kỹ thuật OFDM

Chương nói về nguyên lý kỹ thuật của OFDM Ưu điểm, nhược điểm và chức năng các khối trong OFDM

Chương 2 : Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading

Chương này làm rõ các vấn đề về kênh truyền block-fading, xây dựng các biểu thức toán học, nền tảng cơ sở cho việc mô phỏng tính toán trong các chương sau

Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập thu trên nền OFDM

Có bốn kỹ thuật phân tập thu được trình bày ở chương này trên cơ sở lý thuyết các đặt tính phương pháp phân tích tổng hợp tín hiệu của mỗi kỹ thuật sẽ được làm

rõ ở đây Qua đó dự đoán, đánh giá hiệu quả của mỗi kỹ thuật Công thích tính toán của mỗi kỹ thuật cũng được đưa ra

Chương 4 : Lưu đồ thuật toán và các kết quả mô phỏng.

Dựa trên cấu trúc thuật toán đó,có ba script của Matlab được xây dựng Trong mỗi phần chúng giá trị BER và mối tương quan với SNR sẽ được đưa ra bằng đồ thị, từ

đó đánh giá kết luận vấn đề

Lời cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt đồ án này, thầy Nguyễn Lê Hùng người đã truyền dạy rất nhiều kiến thức bổ ích trong môn thông tin di động và đặt biệt là sự hướng dẫn trực tiếp, tận tình của thầy Phạm Vĩnh Minh

Chương 1 KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã ra đời cách đây ba thập kỷ, bên cạnh những ưu điểm hơn hẳn với các hệ thống cũ chúng cũng có những tồn tại lớn Do vậy tới nay, khi người ta dần dần hạn chế được các khuyết điểm nó mới được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao Chương chủ yếu trình bày về sự phát triển phát triển, ưu- nhược điểm và nguyên lý kỹ thuật OFDM

1.2 Sự hình thành và phát triển của OFDM

1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh FDM

Mỗi kênh được chuyển vào một băng tần xác định và chúng cách li nhau bởi một khoảng tần số Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua một đường truyền

Dải tần số bảo vệ nhằm tránh sự tương tác giữa các kênh với nhau Nhưng đây là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông, một tài nguyên đang ngày càng trở nên quý hiếm

1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM

Trước tiên chúng ta cần hiểu truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) là gì? Bởi vì nó là tiền đề của OFDM

Là FDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng MC không được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song Dạng

MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua

N kênh truyền con Sau đó, N luồng này điều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênh truyền Ở phía thu thì làm ngược lại phân kênh, giải điều chế và ghép các luồng dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như ban đầu

MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực giao nhau Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với nhau Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí null của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống Hình 1.1 cho thấy ưu thế của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả băng thông.

Hình 1.1 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM

1.3.1 Ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả

Dùng cycle prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT

1.3.2 Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- to-Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA ( High-Power Amplifier) Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần

số, khi hiệu ứng Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol

1.4 Nguyên lý kỹ thuật OFDM

,0

,)

()

0 (1.1)Chúng ta sử dụng N sóng mang con trực giao thỏa mãn tính công thức (1.1) Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng Việc giải điều được thực hiện bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu với một sóng mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha Sau đó phép tích phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang có cùng tần số với sóng mang do máy thu tạo ra Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế Khi đó các sóng mang chồng lấn này sẽ được tách ra

1.4.2 Mô hình hệ thống OFDM

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

1.4.2.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và song song - nối tiếp

Bộ nối tiếp-song song chuyển dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song và từ

đó làm tăng dung lượng kênh truyền

Ta chia luồng dữ liệu vào thành N luồng N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng Bằng cách sử dụng bộ nối tiếp-

song song ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading

phẳng

Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ song song - nối tiếp để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất Hình 1.5 cho thấy tác dụng chuyển đổi của bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại

từ song song sang nối tiếp

1.4.2.2 Bộ mapper và Demapper

Hình 1.3 Bộ mapper và Demapper

Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper, ấn định vị trí của symbol b bít

đó trong giản đồ chòm sao (constellation) Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong

M = 2b trang thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao Số trạng thái tăng lên, sai

số BER cũng tăng lên

Phía phát symbol [X0,X1, ,X N−1]từ bộ mapper sẽ đi vào bộ IFFT, tạo symbol

,

1 1 0

e X N

k

kn N j k n

π

(1.2)

~ 1

~ 1

~

0,X , , X N X

1 0

.

2 1

Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức là độ rộng một symbol ts sẽ lớn hơn trãi trễ của kênh truyền Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được chọn tối ưu, khối chèn CP (hình 1.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol ts mà vẫn giữa nguyên số sóng mang khối chèn CP sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ ∆G(Guard

Interal) có tính chất cyclic prefix vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol sẽ là :

Ts = ∆G + t

Bên thu loại bỏ CP bằng khối loại bỏ CP

1.4.2.5 Bộ biến đổi D/A và A/D

Chuỗi symbol xn sau khi được chèn khoảng bảo vệ ∆G cho chuỗi s

n ,sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để đưa ra kênh truyền vô tuyến

Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được r(t), cho ra tín hiệu số rời rạc rn, sau đó rn sẽ được cho qua bộ Guard Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ ∆G

Hình 1.6 Bộ A/D và D/A

1.4.2.6 Bộ Up-Converter và Down-Converter

Các bộ Up-Converter và Down-Converter chính là các bộ đổi tần số Sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) lên tần số cao tạo thành tín hiệu sRF(t) để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian Ở phía thu, tín hiệu rRF(t) thu được từ anten phát sẽ được đổi tần xuống thành tín hiệu r(t) nhờ

Ngoài ra để cải thiện BER người ta còn sử dụng thêm các khối FEC (Forward Error Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hoán đổi vị trí biến các bit lỗi dạng chùm thành các bit đơn để FEC có thể sửa được

1.5 Kết luận

Chương đã trình bày các khái niệm, nguyên lí cơ bản của OFDM Ưu điểm vượt trội khiến nó được lựa chọn khi các vấn đề tồn tại được giải quyết

Việc trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM cũng như tổng quan mô hình hệ thống OFDM, các thành phần trong đó là cơ sở để xây dựng nền tảng cho việc tạo ra

mô hình hệ thống với kênh truyền block-fading trên nền OFDM

Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN

BLOCK-FADING

2.1 Giới thiệu chương

Có nhiều mô hình để thể hiện đặc tính kênh truyền trong OFDM,chúng ta sẽ dùng kênh truyền block-fading để khảo sát hệ thống

Chương này nói về vấn đề fading, multipath tạo tiền đề để mô tả kênh truyền fading Và xây dựng một hệ thống thông tin di động bằng toán học thực hiện với kênh truyền này Nội dung chính:

block- Fading và multipath

 Power delay profile (PDP)

 Điều chế biên độ cầu phương M-QAM

 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM

2.2 Fading và multipath

2.2.1 Fading

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền trong thông tin di động là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích

Hiện tương cường độ tín hiệu sóng mang cao tần thay đổi tại ngõ vào máy thu gọi là fading Hiện tượng pha đinh khiến tín hiệu bị thay đổi thất thường và rất nhanh chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin di động Người ta dùng kỹ thuật phân tập không gian để khắc phục fading là.Trong thông tin di dộng tốc độ cao, sự phân tập khắc phục khá tốt ảnh hưởng của fading

Fading có thể phân loại ra hai loại fading phẳng (flat fading), fading lựa chọn tấn số (selective fading)

 Fading phẳng làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số, xảy ra khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu

 Fading lựa chọn tần số làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ thuộc vào tần số, xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh

truyền

2.2.2 Hiện tượng đa đường (multipath)

Trong một hệ thống thông tin không dây, tín hiệu được truyền phát trên nhiều đường khác nhau bởi vì trong môi trường truyền có rất nhiều chướng ngại vật,tín hiệu đi trên những đường khác nhau có đặc tính khác nhau Do vậy, sóng nhận được chính là sự tổng hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác Đây gọi là hiện tượng

đa đường (multipath)

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc

bị hư hỏng hoàn toàn

Một trong những hệ quả của hiện tượng multipath mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha1800 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu Một hệ quả nữa của hiện tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự

2.3 Power delay profile (PDP)

Các kênh truyền di động thì luôn là ngẫu nhiên và phức tạp Tuy nhiên ta có thể đặc trưng nó bằng việc sử dụng đáp ứng xung gần đúng ( đáp ứng kênh truyền ) h(t) Đáp ứng kênh truyền cung cấp một đặc tính băng rộng của kênh truyền và chứa tất cả thông tin cần thiết để mô phỏng và phân tích bất cứ một kiểu của truyền dẫn

di động nào

Multipath là nguyên nhân sinh ra sự phân tán của tín hiệu phát Các tín hiệu này vào không gian sẽ đi theo nhiều đường, nhiều hướng Rồi sẽ tạo ra nhiều đường truyền tới bên thu, sự kết hợp các tín hiệu là multipath fading Để đặc trưng và mô phỏng, phân tích cho một kênh truyền multipath fading ta sử dụng mô tả của PDP

PDP tiêu biểu cho công suất trung bình với trễ multipath Nó cung cấp một chỉ định của việc phân tán và phân bố công suất phát trên các resolvable multipaths khác nhau trong trễ truyền multipath PDP của kênh thì được lấy giá trị trung bình trong khoảng không gian theo các vị trí khác nhau

Nói tóm lại PDP đặc trưng cho sự phân bố công suất, nhờ nó ta có thể mô tả được đáp ứng kênh truyền trong thông tin di động Trên một kênh multipath với L resolvable multipaths thì mô tả của PDP được cho bởi hàm p(l) :

4 /

)

l l

l

e

e l

p

(2.1)Trong đó : l = {0, 1, 2, , L-1}

2.4 Điều chế biên độ cầu phương M-QAM

2.4.1 Mã hóa gray

Hiện tượng xảy ra bội lỗi đối với các hệ thống sử dụng điều chế số nhiều mức Trong các hệ thống điều chế nhiều mức, các khối m-bít được biến thành các symbol M=2m mức và được biến thành tín hiệu dạng sóng để truyền đi Dưới tác

động của đường truyền, máy thu có thể quyết định sai các symbol Một symbol được quyết định sai khi đó có thể dẫn tới tối đa m bít lỗi

Hiện tượng bội lỗi như trên có thể được hạn chế nhờ áp dụng mã hóa Gray Tác động của nhiễu trên kênh hầu như chỉ dẫn đến việc quyết định sai các symbol đi một giá trị Thường thì áp dụng mã Gray sẽ cho kết quả là việc quyết định sai một symbol ở phía thu hầu như chỉ dẫn đến một bít lỗi

Ta có bảng mã hóa Gray cho 4 bít:

Giá trị symbol dạng thấp phân

Bảng 2.1 Bảng mã hóa Gray cho 4 bit

2.4.2 Điều chế và giải điều chế M-QAM

Điều chế biên độ cầu phương M trạng thái (M-QAM) là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha Các bít mang thông tin thì được

mã trong cả biên độ và pha của tín hiệu phát

Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa nhau, do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm

Giả sử ta xét điều chế M-QAM với hai sóng mang Tín hiệu điều chế M-QAM có dạng:

s(t) = 2E/T s.a(t) cos 2πf0t− 2E/T s.b(t) sin 2πf0t (2.2)trong đó a(t),b(t)=±1,±3,±5, , M −1 ; trong đó M=4, 16, 64,

Các hàm trực giao cơ sở có dạng :

p1 (t) = 2E/T s cos 2πf0t và p2(t) = 2E/T s sin 2πf0t (2.3)

Hình 2.2 Sơ đồ khố bộ điều chế M-QAM

Sơ đồ điều chế M-QAM được vẽ như hình trên Bộ biến đổi nối tiếp/song song biến đổi từng cụm k = log 2M bít lối vào bộ điều chế thành hai cụm tín hiệu NRZ, mỗi cụm gồm k/2 xung Khối 2/L biến cụm NRZ nhị phân thành tín hiệu có L= M

biên độ khác nhau Sau đó tín hiệu với L mức biên độ khác nhau đi tới bộ lọc thông thấp LPF

Giải điều chế bên thu có sơ đồ khối như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAMGiả sử tín hiệu M-QAM lối vào có dạng như biểu thức (2.2) Trong trường hợp lý tưởng, các sóng mang giải điều chế có dạng

t t

V1( )=2.cosω0 và V2(t)=−2.sinω0t (2.4)

Sau khi thực hiện nhân và loại bỏ thành phần bậc hai, tín hiệu giải điều chế có dạng :

V d1(t)= a(t) và V d2(t)=b(t) (2.5)a(t) và b(t) có thể có L= M giá trị biên độ Tín hiệu với L giá trị biên độ được

biến đổi tại bộ biến đổi A./D thành tín hiệu nhị phân có k/2 bít Hai nhánh tín hiệu nhị phân này được đưa tới bộ biến đổi song song/nối tiếp để trả thành cụm k bít lối ra.Ví dụ về giản đồ chòm sao 16-QAM

Hình 2.4 Hình ảnh minh họa giản đồ chòm sao điều chế 16-QAM

2.5 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM

2.5.1 Tín hiệu phát và thu OFDM

Giả sử điều chế M-QAM với M mức Mã hóa dòng bits sẽ được một chuỗi của Q bits dữ liệu {d k ,m} trong đó Q=log2 M và d k,m =[d k,m,0,d k,m,1, ,d k,m,Q−1]T Chuỗi bít đó được ánh xạ tới symbol phức X k,m Trong đó m, k tương ứng là ký hiệu của OFDM symbol thứ m và sóng mang con thứ k

Hình 2.5 Mô tả chi tiết symbol OFDM

Mỗi OFDM symbol bao gồm N sóng mang con mang thông tin X k,m, k = 0,

1, 2, , N-1, trong đó N là kích thước của hàm truyền Fourier nhanh (FFT) và biến đổi ngược FFT (IFFT) được sử dụng trong truyền dẫn đa sóng mang con Ở bên phát sau khi thực hiện IFFT và chèn cyclic prefix (CP), tín hiệu phát của OFDM symbol thứ m có thể được viết như sau :

N kn j N

k

m k m

N

0 ,

=

=

(2.6)Trong đó n = 0, 1, 2, , N-1

Tại bên thu, sau khi thực hiện loại bỏ CP và FFT, các mẫu (samples) nhận được trong miền tần số có thể được xác định như sau :

Y k,m= N

1.∑−

n l m

L

l

m n l m

0 , ,

là các mẫu nhận được trong miền thời gian, z n,m là tạp âm nhiễu trắng Gaussian cộng sinh (AWGN) với biên độ nhiễu No.

2.5.2 Kênh truyền block-fading

Xét một hệ thống cơ bản của một hệ thống số Tín hiệu số sau khi mã hóa, điều chế là S Như vậy ở bên phát (Tx) , sẽ phát đi S Vấn đề của chúng ta ở bên thu là khôi phục lại S ở bên thu

Hình 2.6 Mô tả điều chế số ở bên phát và bên thu

Ở bên thu, ta thu được tín hiệu r Mặt khác, ta xem tất cả nhiễu trong quá trình truyền là n Một cách logic ta sẽ có được :

r = S h + n (2.9)

Trong đó h đáp ứng xung của kênh truyền (đáp ứng kênh truyền) Bên thu sẽ biết được r, giả sử vấn đề nhiễu cũng sẽ được xử lý Do vậy muốn khôi phục lại S thì cần phải biết được h Giải quyết vấn đề này ta phải mô hình hóa thông số h Với hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading thì ta sẽ mô hình hóa h như sau

Giả sử phát đi một tín hiệu, khi đó ở phía thu ta sẽ nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu Mỗi bản sao tín hiệu đó tới ăn ten thu chúng ta có thể biểu diễn bằng một tia (αi-physical path ) Nhóm các physical path có công suất xấp xỉ giống

nhau ta được một một resolvable multipath (l) Ta giả sử có L resolvable

multipaths, như vậy l = [0, 1, , L-1] Mặt khác ứng với mỗi resolvable multipaths

sẽ ứng với một đáp ứng kênh truyền hl ta sẽ có ứng với một OFDM symbol :

4 /

4 / 0

[L

l

l e

4 /

4 / 1

L l

l e

e

, ,

]

1 0

4 /

4 / ) 1 (

L e

e

(2.11) Thông số hl sẽ được tạo theo sự phân bố của p l

Chuyển qua miền tần số tham số kênh truyền h đối với symbol m trở thành H, ta

có :

H=[H0,H1, , H L− 1] (2.12) Kênh truyền của chúng ta là block-fading nên tại sóng mang con thứ k, ở một

nhánh của ăng ten thu thì với bất cứ một symbol OFDM nào trong đều cho thông số

H như nhau

Tiếp theo chúng ta sẽ nghiên xem xét tín hiệu thu được của các OFDM

symbol khi truyền trên hệ thống đó truyền trên kênh truyền block-fading Thông số kênh truyền H tại sóng mang con thứ k của symbol m là :

N n k j L

l l m

n l m

L

l

m n l m

0 , ,

Y k,m=

N n j N

n m

n e y N

/ 2 1

0 ,

N k j N

n m n m

N

0 ,

Chương 3 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương này các vấn đề cơ bản về phân tập bao gồm có phân tập tần số, phân tập thời gian và phân tập không gian sẽ được trình bày

Phân tập không gian sử dụng hệ thống thu phát nhiều anten là một trong những giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của fading và multipath,tăng độ tin cậy của việc truyền phát thông tin mà không tăng băng thông hay công suất phát.Phân tập thu là sử dụng một hệ thống nhiều anten ở phía thu để tăng hiệu quả thu phát tín hiệu

Kỹ thuật phân tập thu bao gồm bốn kỹ thuật SC, TC, MRC và EGC

3.2 Tổng quan về phân tập

Phân tập (diversity) là một khái niêm rất phổ biến và quen thuộc trong viễn thông đặc biệt là thông tin di động.Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất

Như vậy mục đích chính của phân tập là giúp bên thu có thể thu được một tín hiệu với BER tốt nhất có thể Cụ thể trong thông tin di đông thì nó cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm, sai hỏng do fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu đa đường đến từ nguồn phát Hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

Phân tập có thể thực hiện ở cả bên thu lẫn bên phát

Trong thông tin di động kỹ thuật phân tập có thể phân ra làm 3 loại:

 Phân tập thời gian

 Phân tập tần số

 Phân tập không gian

3.2.1 Phân tập tần số

Khái niệm: Phân tập tần số là kỹ thuật mà trong đó cùng một tín hiệu sẽ được phát đi trên các tần số khác nhau.

Kỹ thuật này đòi hỏi phải tăng thêm công suất phát để gửi tín hiệu trên dải nhiều tần số Độ dự phòng tần số thì được tạo ra trong miền tần số Suy hao hiệu suất phổ do việc phải tạo ra các khoảng bảo vệ giữa các tần số sóng mang Mặt khác cấu trúc của bộ thu phức tạp như là nó phải đủ khả năng làm việc với nhiều tần số

Phân tập tần số phức tạp hơn và giá cả đắt hơn phân tập không gian Trong thực tế, phân tập tần số thì thường dùng trong kênh truyền vi ba tầm nhìn thẳng

3.2.2 Phân tập thời gian

Phân tập thời gian là một kỹ thuật trong đó các tín hiệu giống nhau được phát

đi trong các khe thời gian khác nhau

Như vậy phân tập thời gian có nghĩa là tín hiệu được trải trên miền thời gian

Nó không đòi hỏi việc tăng công suất phát, nhưng nó làm giảm tốc độ truyền dữ liệu

vì lúc đó dữ liệu được lặp lại trong các khe thời gian phân tập chứ không phải là gửi

đi dữ liệu mới trong những khe thời gian này

Nếu có một khoảng thời gian ngắn trong đó các tín hiệu giao thoa với tín hiệu khác và gây ra sự méo mó, biến dạng của một phần tín hiệu Phân tập thời gian

có thể xây dựng lại tín hiệu ở phía thu bất chấp lỗi Phân tập thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa (coding) và đan xen (interleaving) Kỹ thuật phân tập thời gian sẽ trải những bít bị lỗi trong một khoảng thời gian dài hơn và do vậy sẽ dễ dàng

để xây dựng lại tín hiệu gốc

Ta xét một ví dụ sau :

Nếu có 4 bít lỗi liên tục trong một byte thì rất khó để phục hồi lại dữ liệu gốc

Hình vẽ minh họa dưới đây :

Hình 3.1 Interleaving.

Tuy nhiên nếu 4 bít bị lỗi đó được trải ra trên 4 byte bằng cách đan xen và bằng cách sử dụng mã sửa lỗi chúng ta sẽ dễ dàng phục hồi dữ liệu Thời gian đan xen dài hơn, khả năng chống nhiễu sẽ tốt hơn Tuy nhiên, đan xen kéo dài lâu hơn

sẽ tăng trễ truyền và do vậy phải cân bằng giữa khả năng kháng nhiễu và trễ truyền sinh ra do việc thực hiện kĩ thuật phân tập thời gian

Như vậỵ nhược điểm chình của kỹ thuật này là cần phải tạo ra độ dự phòng trong miền thời gian với một sự trả giá tương ứng về độ trễ Độ dự phòng là nguyên nhân phải tồn tại khoảng thời gian bảo vệ giữa các khe thời gian Vì thế kỹ thuật không được sử dụng phổ biến

3.2.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong thông tin vô tuyến sóng ngắn Phân tập không gian cũng được gọi là phân tập ăng ten, việc thực hiện phân tập ăng ten điển hình là việc sử dụng nhiều ăng ten hoặc sử dụng mảng ăng ten sắp xếp khoảng cách phù hợp đối với việc phát và nhận

Hình 3.2 Phân tập không gian.

Nhiều ăng ten được phân bố về mặt vật lý ở các khoảng cách thích hợp và

do vậy các tín hiệu riêng rẽ sẽ không có tương quan với nhau Yêu cầu về sắp xếp ăng ten sẽ khác nhau đối với các môi trường lan truyền và tần số Điển hình là sự phân chia theo một số lần bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các bản sao của các tín hiệu phát được sử dụng để đưa tới các bộ thu ở dạng dự trữ trong miền không gian, không giống như trong phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không gây ra bất kỳ sự suy giảm hiệu quả băng thông Kỹ thuật phân tập không gian cải thiện performance của hệ thống mà không tăng bất cứ một chút công suất phát nào Đặc điểm này rất hấp dẫn đối với các thông tin vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai

3.2.3.1 Phân tập phát

Hình 3.3 Minh họa phân tập phát.

Phân tập phát là kỹ thuật sử dụng hai hay nhiều ăng ten ở phía phát để phát tín hiệu, công suất phát được chia cho các ăng ten phát Việc khai thác phân tập phát cũng có những khó khăn

Thứ nhất, vì các tín hiệu phát từ nhiều ăng ten sẽ được trộn với nhau về mặt không gian trước khi tới được các bộ thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm một số bộ

xử lý tín hiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu và lợi dụng được phân tập

Thứ hai, phía thu thường ước lượng được các kênh fading còn phía phát thì không giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếu như không có thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát Như vậy phân tập phát có thể được biết tới hai loại đó là trạng thái kênh truyền được biết ở bên phát ( trong

trường hợp này biết CSI ) và loại khác là trạng thái kênh truyền không biết ở bên phát (không biết CSI)

Để minh họa rõ hơn ta xét mô hình sau

Hình 3.4 Mô hình phân tập phátXét trường hợp có CSI biết ở bên phát Xét hình sau với phân tập phát M ăng

ten phát và một ăng ten thu Hệ số đường truyền thì cho bởi i

j i

i a e

h = .θ ( i = 1, 2,

3, …,M ) biết ở bên phát qua một bộ hồi tiếp từ thiết bị đầu cuối

Tín hiệu này được nhân với hệ số phức i

1

.

+ n (3.1) Trong đó x là tín hiệu gốc được phát đi, n là tín hiệu nhiễu

Chọn gi

để đạt được SNR cực đại

gi = ∑

=

M

i i

i

a a

.

=

M i

i

1

γ

[5] (3.3)Trong đó γi là SNR nhánh thứ i.

Trường hợp không biết CSI ở bên phát Chúng ta sẽ xét mô hình như trường hợp

trên, có điều ở đây không biết trước hệ số kênh truyền i

j i

i a e

h = .θ vì vậy không

biết được CSI

Như vậy hệ số phân tập phát đòi hỏi phải kết hợp giữa không gian và thời gian Điều này được giải quyết qua một kỹ thuật nổi tiếng có tên gọi là Alamouti Qua thực tế cho thấy phân tập phát có khả năng làm tăng đáng kể dung lượng và chất lượng của hệ thống

3.2.3.2 Phân tập thu

Là kỹ thuật sử sụng nhiều ăng ten khác nhau ở phía thu Các ăng ten thu sẽ thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau

Có một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không dây gây ra do hiện tượng đa đường ( multipath ) dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu Kỹ thuật phân tập thu sẽ góp phần giải quyết vấn đề này

Khi tín hiệu được phát và truyền đi trong không gian từ một ăng ten phát Sóng lan truyền sẽ va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được các ăng ten thu Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: