Tổng quan về kỹ thuật mimo ofdm trong hệ thống thông tin di Động

Song song với từng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO…Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng đều được phát triển theo xu hướ

Mục Lục

Mở đầu 3

1 Lí do chọn đề tài 3

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động 5

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 9

1.3 Tổng quan về kỹ thuật MIMO - OFDM 10

1.3.1 Khái niệm 10

1.3.2 Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thông tin di động 11

1.4 Kết luận chương 12

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM 12

2.1 Tổng quan về OFDM 12

2.2 Khái niệm chung 12

2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang 12

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang 13

2.2.3 Tín hiệu trực giao 13

2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 14

2.4 Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM 15

2.4.1 Điều chế/giải điều chế 15

2.4.2 Mã hóa kênh 17

2.4.3 Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial 18

2.4.4 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM 20

2.4.5 Tiền tố lặp CP 21

2.4.6 Ước lượng kênh 23

2.5 So sánh độ phức tạp giữa kỹ thuật OFDM với điều chế sóng mang 23

2.6 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO 25

3.1 Giới thiệu tổng quan về MIMO 25

3.1.1 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 26

3.1.2 Nhược điểm của hệ thống MIMO 26

3.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO 26

3.3 Các kỹ thuật phân tập 27

3.3.1 Phân tập thời gian 28

3.3.2 Phân tập không gian 29

3.3.3 Phân tập tần số 30

3.3.4 Các phương pháp kết hợp phân tập 30

3.4 Mã hóa không gian – thời gian 33

3.4.1 Mã hóa khối không gian thời gian (Space time block Codes) .33

3.4.2 Mã lưới không gian thời gian STTC 34

3.5 Kết luận chương 35

CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM 35

4.1 Giới thiệu chung 35

4.2 Mổ tả tổng quan về hệ thống MIMO – OFDM 36

4.2.1 MIMO-OFDM Tx 37

4.2.2 MIMO - OFDM Rx 37

4.2.3 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM 38

4.3 Phân tích hệ thống MIMO-OFDM 39

4.3.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 39

4.3.2 Thuật toán mô phỏng MIMO – OFDM 40

4.4 Mô phỏng và các kết quả 42

KẾT LUẬN 44

Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài.

Mạng thông tin di động có những ưu điểm mà mạng có dây không

có được như: tính lưu động, những nơi có địa hình phức tạp, trong không gian v v Vì vậy con người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động từng ngày, từ mạng 2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng các mô hình mạng WIFI (Wireless Fidelity), WIMAX (World Interoperability

Microwave Access) Song song với từng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO…Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng đều được phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thông, tăng chất lượng dịch vụ…Trong đó OFDM và MIMO là hai

kỹ thuật được kết hợp với nhau và đưa vào sử dụng OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để truyền và nhận dữ liệu OFDM được đưa vào ứng dụng trong thực tế như: truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh và đã đem lại những hiệu quả đáng kể Bên cạnh đó, MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử

(Institute of Electrical and Electronic Engineers – IEEE), thường được 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 thông hiện đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Và với sự kết hợp hai kỹ thuật MIMO và OFDM vào một

số mô hình như WiMax, VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.16, 802.11n đã đem lại các kết quả cao trong thực tế

Vì thế, em đã chọn đề tài “Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO - OFDM trong hệ thống thông tin di động 4G” để làm bài đồ án tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu.

Nghiên cứu về kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO để kết hợp giữa

kỹ thuật MIMO và kỹ thuật OFDM nhằm tăng dung lượng và chất lượng cho hệ thống thông tin di động không dây

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

4 Phương pháp nghiên cứu

 Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

 Nghiên cứu, tìm tài liệu qua các phương tiện truyền thông (sách, báo, internet…)

 Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên và cán bộ hướng dẫn

đồ án tốt nghiệp

 Nghiên cứu lý thuyết nhằm có một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO cũng như hệ kỹ thuật OFDM từ đó kết hợp lại để tạo ra những mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kỹ thuật MIMO - OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE

802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏnhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin diđộng như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được

Đề tài đã giới thiệu kỹ thuật OFDM, kỹ thuật này cho thấy sự cải thiện đáng kể về chất lượng tín hiệu Phát triển đề tài này, có thể nghiên

cứu thêm các hệ thống MIMO - OFDM với số anten phát và thu lớn hơn; như hệ thống 3x4, 4x4, 8x8… Nhưng số anten tăng cũng nảy sinh vấn đề cần giải quyết đó là: sự phức tạp trong bộ thu tín hiệu, làm cho các phép tính có độ khó cao, thiết bị thì cồng kềnh, giá thành cao Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO - OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế Với những ưuđiểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO -OFDM sẽ là một trong những kỹ thuật hàng đầu được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

MIMO-1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động.

 Giới thiệu chung

Thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiplex Access) Điển hình cho thế hệ này

 NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu

và sử dụng Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không

nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại …

Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đatruy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

và phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Hai thông

số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động Một số hệ thống thông tin di động thế hệ hai điển hình như:

 GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu

 IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do Qualcomm đề xuất

 IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiến của Mĩ do AT&T đề xuất

 PDC (Personal Digital Cell): Hệ thống tổ ong cá nhân của Nhật Bản

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử dụng là 8-13Kbps Chúng có những phát triển rất mạnh vào những năm 1990 Tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, cácyêu cầu về chất lượng cuộc gọi… đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới

Trong bối cảnh đó ITU đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di độngthế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động Nhiều tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000 Các hệ thống này điều sử dụng công nghệ CDMA và cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3.

WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136 CDMA-2000 sẽ là sự phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA IS-95

Nhưng không dễ để phát triển từ thế hệ hai sang thế hệ ba do các vấn

đề kỹ thuật giữa hai thế hệ có những điểm khác nhau Thế giới có xu

hướng quá độ lên thế hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3 Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyếngói đa năng và số liệu 144 Kbps

Thông tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3:

 Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbps

 Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên.

 Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là phải đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số hóa các dịch vụ số liệu

 Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng

cố định nhất là đối với thoại

 Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh

Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giải quyết những vấn đề đó trong lĩnh vực thông tin di động như: sự hạn chế về dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pin trong các thiết bị di động…

Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation)

4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép lại không được mở rộng Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler … đã gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu tại đầu thu Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể trong trong việc giảm fading đa đường MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông

Nhiều cấu trúc MIMO đã được đề xuất và đạt được nhiều hiệu quả to lớn như cấu trúc không gian - thời gian lớp dọc của phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time), mã hoá khối không gian - thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hoá Trellis không gian - thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)…

Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặt biệt là các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter - Symbol Interference) xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một cách đáng kể Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn Nguyên lý

cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu liên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn doviệc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM

Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu

kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, các nhà thiết kế đã kết hợp cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểmcủa chúng Thành công rực rỡ đã đặt MIMO - OFDM làm nền tảng cho sự phát triển 4G Trong tương lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ thống MIMO - OFDM

Hình 1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G.

 Wi-Fi (Wireless Fidelity)

 Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

 HSPA (High Speed Packet Access): Truy nhập gói tốc độ cao

 LTE (Long Term Evolution): Phát triển bền vững

 Những khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di độngDung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA Các kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần

số, một khe thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào

hệ thống Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì có hạn CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell Do đó dung lượng hệ thống không cao

Bên cạnh đó, chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao

gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ thấp cho đến các dịch vụ số liệu tốc

độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến2MHz, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di động thông thường

Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật

MIMO_OFDM

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động.

Trong một kênh vô tuyến lí tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác.Tuy nhiên, trong một kênh thực tế tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác Quan trọng

là kênh truyền có thể cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler) Chấtlượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền Do

đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu điều rất quan trọng

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia… Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa là rất lớn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu ảnh hưởng đáng kể của

Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số

Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật có chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ Phản xạ xuất hiện từ mặt đất, các tòa cao ốc…

Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộthu bị một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra

Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các vật thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi trường là rất lớn Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh truyền tạo ra sóng tán xạ Thực tế là các tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện tượng tán xạ trong thông tin di động

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM

đã khắc phục được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp CP, kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang

1.3 Tổng quan về kỹ thuật MIMO - OFDM

Với sự phát triển dịch vụ di động, ngày càng yêu cầu tốc độ cao (băng thông rộng) và chất lượng thông tin tốt

Trong đó kỹ thuật OFDM và MIMO đã được sử dụng để đáp ứng yêu cầu trên Kỹ thuật MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin, giảm công suất phát Và kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tin trong môi trường không dây Kỹ thuật MIMO -

OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai

ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chất lượng thông tin trao đổi tốt nhất

1.3.1 Khái niệm

OFDM viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là

kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên một sóng mang con Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi Tại đầu thu,

dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp Loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồngtín hiệu gốc Cuối cùng được tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu

MIMO viết tắt của Multi Input Multi Output, là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát hoặc nhiều anten thu nhằm đạt được độ tin cậy của tín hiệu truyền dẫn và tốc độ dữ liệu cao Kỹ thuật MIMO là chia dòng dữ liệuban đầu thành các dòng dữ liệu con theo một thuận toán cho trước, sau đó đưa từng dòng dữ liệu này đến các anten tương ứng và truyền đi Phía thu

sẽ nhận được các dòng dữ liệu này, sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu

MIMO - OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên

Nó là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu, chia dòng dữ liệu ban đầu thành nhiều dòng dữ liệu con theo một thuật toán cho trước, các dòng dữ liệu này được thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, trước khi được đưa đến các anten tương ứng và truyền đi Phía thu sẽ cũng nhận các dòng dữ liệu này từ nhiều anten và sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu

1.3.2 Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thông tin di động

 Đối với công nghệ :

 Hiệu quả trong việc sử dụng phổ, chống fading nhiều tia

 Tối ưu hóa công suất phát

 Chống nhiễu xuyên kí tự, nhiễu xuyên kênh

 Nâng cao tốc độ truyền tín hiệu

 Thích ứng hầu hết với các chuẩn vô tuyến

 Thích ứng việc truyền dẫn đa đường, chất lượng tín hiệu nâng cao nhờ phân tập không gian

 Tăng phạm vi bao phủ

 Nâng cao chất lượng mạng, giảm chi phí hệ thống

 Có thể áp dụng hầu hết các hệ thống thông tin di động

 Đối với người dùng :

 Chất lượng dịch vụ cao

 Độ tin cậy được đảm bảo

 Nhiều dịch vụ mới được tích hợp

1.4 Kết luận chương.

Kỹ thuật MIMO – OFDM ra đời đã tạo ra rất nhiều ưu điểm cho hệ thống thông tin di động Đó là cho hiệu năng phổ cao, thích ứng với truyềndẫn đa đường trong hệ thống truyền dẫn không dây, tận dụng được sự phântập anten từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu, chống được hiện tượng Fading ảnh hưởng đến hệ thống băng rộng

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM.

2.1 Tổng quan về OFDM.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn Mỗi dòng dữ liệunày sẽ được truyền trên một sóng mang con Các sóng mang con được điềuchế trực giao với nhau Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi.Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa

về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc

độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểm cần khắc phục

 Ưu điểm của OFDM:

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 chọn 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 Khi sửdụng các khoảng bảo vệ có tính chất CP lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu liên kí tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất CP nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản 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.

 Nhược điểm của OFDM:

OFDM là môt kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR 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 khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại các đỉnh sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol

2.2 Khái niệm chung.

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc vào tần số Tần số lấy mẫu rất lớn nên chu kì lấy mẫu (độ dài một mẫu tín hiệu) sẽ rất bé

Nhược điểm của phương pháp này là:

Ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI gây ra là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên nhiễu gây liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu

Ảnh hưởng sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn.

Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với điều chế đa sóng mang

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang.

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau Cụ thể hơn, hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầu thành các luồng tín hiệu khác nhau và điều chế mỗi dòng tín hiệu với các sóng mang khác nhau Các tín hiệu được truyền trên các kênh tần số khác nhau, sau đó ghép những kênh này lại theo kiểu FDM Ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộ thu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra tín hiệu gốc ban đầu

Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM) toàn bộ băng tần

B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau

Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng: Bn = B/N Với B là bề rộng cả băng tần hệ thống (Hz)

Bn là bề rộng mỗi kênh phụ (Hz) N là số kênh phụ

 Phương pháp này khắc phục được một số hạn chế của điều chế đơn sóng mang:

 Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng của hệ thống giảm đáng kể

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể

 Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm

Bên cạnh đó vẫn còn một số nhược điểm: độ dài một mẫu tín hiệu tăng lên do hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh; giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang.

2.2.3 Tín hiệu trực giao

Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau Tín hiệu trực giao có tính chất cho phép truyền và thu tốt nhiều tín hiệu trên cùng một kênh truyền mà không gây ra nhiễu xuyên kí tự giữa các tín hiệu này

Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần số Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao

có đáp ứng tần số là sin hay sin(x)/x Biên độ hàm sin có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm Mỗi sóng mang của tín hiệu có biên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng mang khác Do đó ta gọi các tín hiệu trực giao nhau Tính trực giao đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vi trí null của 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

Hình 2: Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM

2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM.

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM

 Khối mã hoá: mã hoá dòng dữ liệu bằng thuật toán FEC (Forward error correcing) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp

 Khối S/P (Serial to paralled): chuyển dòng dữ liệu nhị phân tốc độ cao ban đầu thành các dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn

 Khối chèn pilot: chèn các chuỗi giả nhiễu, giúp ta ước lượng được

độ quay pha do lỗi tần số gây ra

 Khối IFFT và FFT : dùng thuật toán IFFT, tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số

 Khối chèn dải bảo vệ: chèn các khoảng bảo vệ để giảm nhiễu xuyên kí tự

 Khối ước lượng kênh: ước lượng kênh (Channel Estimation) trong

hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian

để thực hiện

2.4 Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM.

2.4.1 Điều chế/giải điều chế.

Trong hệ thống OFDM tín hiệu vào là luồng bit ở dạng nhị phân Nên trong hệ thống OFDM là các quá trình điều chế số và có thể được chọn dựa trên yêu cầu công suất và hiệu suất sử dụng băng thông kênh

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N bits (1, 2, 4, 6) khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Haynói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

Chẳng hạn: Khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có

6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM

constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q

 Kỹ thuật điều chế QAM

Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ điều này và để các thành phần đồng pha và vuông pha

có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biêncầu phương QAM (điều chế biên độ vuông góc) Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ và pha Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số

Dạng tổng quát của điều chế QAM M trạng thái (M_QAM) được xác định như

sau:

Trong đó:

E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

ai, bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí kí tự trongTín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:

Hình 2.2: Chùm tín hiệu M_QAM

Dạng điều chế có thể được qui định bởi số trạng thái ngõ vào M và

số phức ở ngõ ra

2.4.2 Mã hóa kênh.

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị tỷ số Eb/No, điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN

Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính: mã khối (block

coding) và mã chập (convolutional coding) Ngoài ra, người ta còn dùng

mã hóa Trellis, đây là kiểu mã hóa xem như gần giống với mã hóa chập

Với mã hóa khối: Luồng bit vào được chia thành những nhóm có k bit, mỗi nhóm được thêm vào những bit kiểm tra để tạo thành nhóm mới có

n bit (n>k) Số bit kiểm tra thêm vào đây là (n-k) bit Ví dụ: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã Reed Solomon

Với mã chập: Đặc trưng bởi 3 thông số là (n, k, m), trong đó: n là số bit ra, k là số bit vào, m là số bit trước đó Vậy n bit của từ mã ra không chỉphụ thuộc vào k bit vào mà còn phụ thuộc vào (m-1)k bit thông tin trước

đó (được gọi là các bit trạng thái) n bit ngõ ra được tạo ra bằng cách chập

k bit ngõ vào với một đáp ứng xung nhị phân Mã chập được xây dựng bởi mạch dãy Tỷ số R=k/n được gọi là tỷ số mã, tổng số ô ghi dịch là ô

Với mã Trellis: là một dạng của mã chập nhưng có thêm phần mã hóa Sử dụng mã hóa Trellis sẽ cho hiệu quả tốt nhất ở phần sắp xếp

(mapping) khi ta sử dụng mã hóa M-QAM với M khác nhau trên các sóng

mang nhánh khác nhau Bên thu có thể sử dụng thuật toán Viterbi Viterbi

là giải thuật giải mã hoá

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

2.4.3 Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial.

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN (không có fading):

Cmax = B.log2 (1 + S/N) [b/s] Với: - B là băng thông của kênh truyền [Hz]

- S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn

Cmax bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song

Serial/Parallel

Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài :

k ×b Bit (k ≤ N) Với: - b là số bit trong mô hình điều chế số

- N số sóng mang,

k, 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 S/P ta đã

chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng

Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.

2.4.4 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM.

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho

việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm

số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ

Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k), 0 ≤ k ≤ N-1 Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là: ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts

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

fk = k∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:

Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình trên được viết lại như sau:

Nếu thỏa mãn điều kiện f  1/Ts ,(f 1) , thì các sóng mang sẽ

trực giao với nhau, lúc này, phương trình được viết lại :

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu Thật vậy, ta có :

Ở đây, hàm (m k ) là hàm delta, được định nghĩa là:

Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chếQAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT

2.4.5 Tiền tố lặp CP.

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trướcmỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)