Mô phỏng kênh truyền SDMA trong hệ thống MUMIMO

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn được tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự. Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang . OFDM chuyển đổi kênh lựa chọn tần số sang nhóm các tần số kênh sóng mang phẳng. Tần số gốc của sóng mang phụ sẽ bằng một số nguyên lần ngịch đảo thời gian tồn tại của ký tự (symbols). Như vậy, mỗi sóng mang phụ sẽ có tần số khác nhau , mặc dù phổ của chúng vẫn chồng lên nhau nhưng không gây ảnh hưởng đến nhau, đảm bảo tính trực giao của hệ thống. Hệ thóng OFDM điều chế một chuỗi N ký tự thông tin được truyền đi trên N sóng mang phụ. Thời gian tồn tại của các ký tự OFDM là lớn hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Bộ điều chế OFDM có thể thực hiện như một bộ chuyển đổi ngược Fourier rời rạc trên một chuỗi các ký tự thông tin liên tiếp, theo sau là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Để giảm thiểu những ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI: Inter Symbol Interference) gây ra do thời gian lan truyền của các khung ký tự, mỗi chuỗi thông tin OFDM được chèn thêm một tiền tố vòng (CP: Cyclic Prefix), chiều dài mỗi CP ít nhất phải bằng số đáp ứng kênh của đường truyền.

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

MIMO-OFDM

1.1 Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1: Sơ đồ khối chức năng thu phát OFDM

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn được tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang

OFDM chuyển đổi kênh lựa chọn tần số sang nhóm các tần số kênh sóng mang phẳng Tần số gốc của sóng mang phụ sẽ bằng một số nguyên lần ngịch đảo thời gian tồn tại của ký tự (symbols) Như vậy, mỗi sóng mang phụ sẽ có tần số khác nhau , mặc dù phổ của chúng vẫn chồng lên nhau nhưng không gây ảnh hưởng đến nhau, đảm bảo tính trực giao của hệ thống

Hệ thóng OFDM điều chế một chuỗi N ký tự thông tin được truyền đi trên N sóng mang phụ Thời gian tồn tại của các ký tự OFDM là lớn hơn so với hệ thống đơn sóng mang Bộ điều chế OFDM có thể thực hiện như một bộ chuyển đổi ngược Fourier rời rạc trên một chuỗi các ký tự thông tin liên tiếp, theo sau là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

sang tín hiệu số Để giảm thiểu những ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI: Inter

Symbol Interference) gây ra do thời gian lan truyền của các khung ký tự, mỗi chuỗi thông tin OFDM được chèn thêm một tiền tố vòng (CP: Cyclic Prefix), chiều dài mỗi CP ít nhất phải bằng số đáp ứng kênh của đường truyền

Hình 2: Cách chèn CP vào mẫu thông tin OFDM

Với điều kiện này, một phép chập tuyến tính của chuỗi truyền và kênh được

chuyển thành một phép chập vòng, kết quả là nhũng ảnh hưởng của nhiễu ISI được loại

bỏ hoàn toàn Hơn nữa phương pháp này cho phép bên thu sử dụng biến đổi Fourier nhanh cho OFDM, Kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng trong các hệ thống đơn sóng mang, bằng cách chèn các CP vào trước mỗi khung dữ liệu truyền đi , sử dụng cân bằng miền tần số ở bên thu

1.2 Hệ thống MIMO

MIMO ( Multiple Input – Multiple Output ) là hệ thống vô tuyến sử dụng đồng

thời đa anten ở máy phát và anten ở máy thu Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian (STE: Space-Time Encoder) Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian được phát đi nhờ MT anten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với MR anten thu Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có MT đầu vào và MR đầu ra,và vì vậy, được gọi là kênh MIMO

Hình 3: Mô hình một hệ thống MIMO

Trong một hệ thống MIMO với M T anten phát và M R anten thu, ký hiệu đáp ứng xung

của kênh thông thấp tương đương giữa anten phát thứ j và anten thu thứ i là h ji (τ;t), trong

đó τ được gọi là biến trễ và t là biến thời gian Vì thê kênh thay dổi theo thời gian một

cách ngẫu nhiên và được mô tả bằng ma trận H(τ;t) kích thước M T x M R như sau :

Giả sử tín hiệu phát từ anten phát thứ j là s j (t) , j = 1,2,…M T Ta có tín hiệu thu tại

anten thứ i là :

r(t) = H(τ;t)*s j (t)

Đối với kênh không lựa chọn tần số, ma trận kênh H được biểu diễn như sau:

Khi đó vector tín hiệu thu r(t) được biểu diễn như sau:

r(t) = H(t)*s(t)

Trong hệ thống MIMO nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu , dòng dữ liệu bên phát được tách thành MT dòng số liệu có tốc độ thấp hơn , mỗi dòng số liệu được điều chế và phát trên mỗi anten phát Thông thường các mát phát cùng làm việc ở cùng một tốc độ , tuy nhiên tốc độ này có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu của dịch vụ nhờ phương pháp điều chế thích nghi Các dong số liệu lúc này có tốc độ chỉ bằng 1/MT tốc độ dữ liệu ban đầu , được phát đồng thời trên cùng một bang tần , nên về mặt lý thuyết hiệu suất

sử dụng phổ được tăng lên gấp MT lần Các tín hiệu này được thu bởi MR anten thu của

hệ thống thu

1.3 Dung lượng kênh MIMO

Dung lượng kênh truyền dẫn được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một

xác suất lỗi nào đó Đối với kênh truyền thông sử dụng phân tập , có độ lợi h , chịu ảnh

hưởng của nhiễu trắng Gauss thì dung lượng kênh truyền dẫn có thể tính được theo đinh

lý Shannon như sau :

Trong đó : W là bang tần của kênh truyền tính bằng Hz và ρ chính là tỷ số tín

hiệu trên nhiễu (SNR) tại đầu vào máy thu Từ phương trình (s1.1) , chúng ta thấy rằng với một kênh vô tuyến có độ rộng băng tần nhất định không sử dụng phân tập không gian (SISO: Single Input – Single Output) thì dung lượng kênh tỷ lệ với SNR ở đầu vào máy thu theo luật logarith Vì vậy muốn tăng dung lượng kênh thì phải tăng công suất phát, tuy nhiên dung lượng kênh truyền SISO tăng rất chậm

MIMO được đề xuất để khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền của hệ thống SISO Với MT anten phát và MR anten thu ,trong môi trường pha đinh Rayleigh giàu tán

xạ và biến đổi chậm ,kênh MIMO cho phép đạt được dung lượng kênh truyền :

C MIMO =

2 2

T T

T R

ρ ρ

+ <



<

+



Xem xét công thức (1.2) chúng ta thấy rằng dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính

theo số anten phát hoặc anten thu và có thể đật đến r = min(M T, M R ) lầ dung lượng của

một kênh SISO

1.4 Các phương pháp truyền dẫn MIMO

Các kết quả nghiên cứu về dung lượng MIMO đã thúc đẩy một làn song nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt được dung lương lý thuyết mong muốn.Vì vậy để

có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình ngiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền dẫn thỏa

mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu kênh MIMO và độ phức tạp khi thực hiện Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thnahf hai nhóm sau : Phân kênh theo không gian SDM ( Spatial Division Multiplexing) và mã hóa không gian thời gian STC ( Space – Time Coding)

1.4.1 Phân kênh theo không gian thời gian SDM

Ở sơ đồ phân kênh theo không gian , dòng dữ liệu phát, sau khi được ánh xạ thành Các lượng ký tự (symbol) của một bộ tín hiệu (constellation) được phân (DEMUX) thành

MT luồng song song và truyền đồng thời qua MT anten phát Vì vậy tốc độ truyền đãn tăng MT lần so với hệ thống sử dụng một anten phát Tuy nhiên do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên khi tăng số lượng anten phát đồng nghĩa với việc tăng nhiễu xuyên kênh giữa các luồng tín hiệu , vì vậy làm tăng BER Để giảm BER của

hệ thống máy thu sử dụng MR > MT anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả đê thực hiện tách riêng từng luồng tín hiệu

Hình 6 : So sánh phảm chất BER của các bộ tách tín hiệu khác nhau

1.4.2 Mã hóa không gian thời gian STC

Mã hóa không gian thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập phát Phương pháp mã hóa không gian thời gian đưa đồng thời tương quan cả hai miền không gian vào trong tín hiệu phát ,kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa Mã hóa không gian thời gian có thể được phân thành hai loại : Mã khối không gian - thời gian ( STBC : Space – Time Block Code ) và Mã lưới không gian – thời gian (STTC : Space – Time Trellis Code) Mã STBC có ưu điểm thiết kế và giã mã đơn giản , tuy nhiên chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung cấp độ lợi mã hóa Mã STTC cho phép thu được cả độ lợi phân tập

và độ lợi mã hóa nhưng việc thiết kế và giãi mã phức tạp trong các sơ đồ mã hóa không gian- thời gian thì phương pháp STBC do Alamouti đề xuất năm 1998 được đánh giá là hiệu quả nhất Phương pháp của Alamouti có phương thức mã hóa và giãi mã đơn giãn , nhưng lại cho phép đạt được đầy đủ cả tốc độ mã hóa và độ phân tập cho các tín hiệu phức (hình 7)

Mã Alamouti sử dụng hai anten phát và hai anten thu Số lượng anten phát bị giới

hạn bằng N T = 2 trong khi số anten thu có thể tăng lên bắt kỳ để có độ lợi tốt hơn

Nguyên lý mã hóa Alamouti như sau: tại thời điểm k, anten phát thứ nhất phát đi s k trong

khi anten phát thứ hai phát đi s k+1 Tại thời điểm tiếp theo, anten phát thứ nhất phát đi

–s k+1 ,trong khi anten phát thứ hai phát đi s* k Do tín hiệu phát đi từ hai anten phát trực giao với nhau nên việc giải mã đơn giản hơn nhờ sử dụng các bộ kết hợp với tách tín hiệu hợp lẽ tối đa (MLD: Maximum Lilikehood Detector )

Hình 8: So sánh phẩm chất BER của STBS Alamouti với MRC

Những phần trình bày trong chương 1, giúp chúng ta phần nào hiểu một khái quát

nhất về hệ thống MIMO Đặc biệt là về mặt dung lượng trong kênh truyền vô tuyến và các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống MIMO để đạt được hiệu quả cao nhất

Chương 2 MÔ HÌNH TÍN HIỆU TRONG

HỆ THỐNG MU-MIMO

Trong những năm gần đây, người ta đã có một sự quan tâm đáng kể đối với hệ thống MIMO vì những cải thiện về hiệu suất và hiệu quả sử dụng băng thông Một hướng nghiên cứu quan trọng đó là hệ thống MU-MIMO (Multi user input multiple-output) Hệ thống MU-MIMO cung cấp tốc độ kết nối cao với các lợi ích của đa truy cập phân chia theo không gian Trạng thái kênh truyền tại trạm trạm gốc hoặc điểm truy cập (AP: Access Point) là rất quan trọng vì nó cho phép kết nối để xử lý tín hiệu của tất cả các user làm tăng hiệu quả và tốc độ dữ liệu Kỹ thuật tiền xử lý cho phép ta thực hiện xử

lý hầu hết độ phức tạp tại trạm gốc hoặc điểm truy cập để cung cấp một kết quả đơn giản tại thiết bị đầu cuối của các user

Hình 9: Mô hình hệ thống MU-MIMO downlink

2.1 Mô hình tín hiệu phát trong hệ thống MU-MIMO

Dữ liệu cần truyền được chuyển đổi thành các ma trận nhị phân, những ma trận này được điều chế ( có thể dùng điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK: Binary Phase Shift Keying) , khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) , hoặc

M-QAM với M>4 ) Ta tính toán các trọng số vector w , sau đó nhân với ma trận đã được

điều chế ,chuyển sang miền thời gian bằng cách sử dụng bộ IFFT ,chèn cyclic prefix, cuối cùng là phát tín hiệu này thông qua các anten phát

Trong trường hợp này, ta không thể biết được độ lợi pha đinh ,do đó, trước khi phát tín hiệu, ta gửi các chuỗi huấn luyện (pilot) để ước lượng độ lợi pha đinh và gửi trở

về máy phát để có trọng số vector w Độ chính xác của ước lượng kênh truyền liên quan

chặt chẽ đến chiều dài pilot ,ta có thể tăng chiều dài của chuỗi này để có một ước lượng tốt Tuy nhiên, khi đó hệ thống sẽ tốn kém và độ trễ lớn, làm chậm hệ thống Ở đây, ta xét kênh biến đổi pha đinh chậm (block fading) , với mỗi khối hay chuỗi ký tự có độ lợi pha đinh là giống nhau Vì vậy, trước khi phát tín hiệu, ta sẽ phát một chuỗi huấn luyện

đê tính toán độ lợi pha đinh tại máy thu ( sử dụng thuật toán Maximum Likelihood ) sau

đó gửi trở về lại may phát Tại máy phát,sử dụng độ lợi pha đinh đã có này để tính toán các trọng số vector cho chuỗi hiện tại

Chương này, ta xét tuyến xuống trong hệ thống MIMO với V người dùng (user) và

một trạm phát gốc Mỗi user có NR anten và trạm gốc có NT anten, ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao (OFDM), biến đổi nhanh Fourier N điểm,chuỗi CP được chèn vào,

sau đó qua bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự.Tín hiệu phát,giải nền của ký

tự thứ m tại các anten phát thứ u có thể được viết như sau :

Trong đó, n , N g là độ dài chuỗi CP, là tín hiệu điều chế sóng mang phụ thứ k đã

xử lý của ký tự OFDM thứ m từ anten phát thứ v,là sự chồng chập của tất cả các sóng

mang đã được tiền xử lý trong truyền tải đa đường Tín hiệu phát giải nền ở phương trình (2.1) truyền đi với kênh MIMO đa người dùng chọn lựa hai lần (doubly selective

multiuser MIMO channel)

Với mỗi cặp anten phát thứ u và anten thu thứ v, thời gian đáp ứng của kênh bao

gồm cả ảnh hưởng của bộ lọc tại máy phát và kênh truyền chọn lựa hai lần được ký hiệu

là Thời gian diễn biến kênh dẫn của đường resolvable path giữa anten phát thứ u và anten thu thứ v của user với lần thứ n của ký tự OFDM thứ m có thể được viết

2.2 Mô hình tín hiệu thu của hệ thống MU-MIMO

Thời gian truyền khác nhau do phản xạ đa đường, sau khi loại bỏ chuỗi CP, mẫu

thu thứ n của ký tự OFDM thứ m tại anten thu của user thứ v , có thể được viết :

Với là nhiễu trắng cộng Gauss ,phương sai N 0 = 1 tại user thứ v

Sau bộ chuyển đổi FFT,sóng mang phụ thứ k của ký tự OFDM tại anten thu của user thứ

v có thể được xác định :

Trong đó, là nhiễu xuyên sóng mang bao gồm thời gian diễn biến kênh

là đáp ứng tần số

được đinh nghĩa là nhiễu trong miền tần số

Để đơn giản , chỉ số m của ký tự OFDM có thể được bỏ qua trong phương trình tiếp theo, kết quả là, sóng mang phụ thứ k tại user thứ v có thể viết :

Trong đó, và Giả sử tại trạm gốc, công suât phát trung bình (E[XkXk]) P

2.3 Tiền xử lý cưỡng bức búp sóng không (Zero-Forcing Beamforming precoding)

Trong kỹ thuật cưỡng bức búp sóng không (zero-forcing beamforming technique: ZFBF), nhiễu xuyên người dùng (Inter User Interference) có thể được hạn chết bằng tiền

xử lý dòng dữ liệu với các trọng số vector Đặt là ký tự dữ liệu, trọng số vector (BF :

beamforming), công suât truyền của sóng mang phị thứ k của user thứ v Tín hiệu phát tại

trạm gốc là :

Với V là tập hợp các user (selected/scheduled), ,

Tín hiệu thu của user V có thể được biểu diễn bằng một vector :

Trong đó:

Trong kỹ thuật cưỡng bức búp sóng không.ma trận trọng số W k được tính toán để hạn

chế nhiễu xuyên người dùng (IUI)

H k V * w k j = 0 với j ≠ V

Ma trận W k là ma trận nghịch đảo ảo của ma trận H k

Thay vào phương trình (2.5),ta có được tín hiệu thu sau khi sửu dụng kỹ thuật tiền xử lý cưỡng bức không là :

2.4 Ước lượng kênh truyền (CE: Channel Estimation)

Thông tin trạng thái kênh (CSI: channel state information ) cho phép ta biết được các đặc tính của kênh thông tin, như tín hiệu truyền từ bên phát đến bên thu như thế

nao,sự ảnh hưởng của tán xạ, pha đinh, suy hao công suất tín hiệu theo khoảng cách truyền CSI giúp cho việc thích ứng của đường truyền với điều kiện kênh hiện tại,điều này rất quan trọng đê đạt được độ tin cậy ,tốc độ cao trong hệ thống đa anten

CSI cần được ước lượng tại bên thu, và được phản hồi về lại máy phát.Vì vậy, máy thu và máy phát có thể khác nhau về CSI Ở đây, ta chấp nhận CSI bên phát và bên thu giống nhau hoàn toàn

Trong hệ thống tiền xử lý cưỡng bức không, ban đầu, bên phát sẽ gửi một chuỗi huấn luyện đến bên thu để có được những thông tin phản hồi về độ lợi pha đinh Chiều dài của chuỗi huấn luyện có thể là một ký tự OFDM hoặc nhiều hơn phụ thuộc vào số lượng người dùng,số máy phát và tiêu chuẩn về xác suất bít lỗi cho mỗi hệ thống

Để ước lượng kênh truyền,ta sử dụng ước lương Fisher ( ví dụ: Maximum

Likelihood: ML) để xử lý các tham số kênh chưa xác định trước, hơn nữa, hệ số BEM của ước lượng ML có thể thu được bằng cách :

Với , khi đó, hệ số BEM của ước lượng ML sẽ được xác đinh như sau:

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ

MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB

Trong chương này , ta tiến hành xây dựng hệ thống kênh MIMO-OFDM,baogồm

tín hiệu phát tại các anten, tín hiệu thu tại máy thu, mô phỏng các kỹ thuật ZF , ước lượng kênh truyền ML, kết quả và đồ thị

3.1 Thiết lập tín hiệu

Một hệ thóng OFDM bao gồm ba thành phần: máy phát ,máy thu và đường truyền

Ở chương này,ta xây dựng hệ thống với 4 anten phát tại trạm gốc, và 3 anten thu tại 3 user, gồm 3 khe thời gian,ứng vơi mỗi khe thời gian có 7 ký tự, độ suy hao fading là 5.Ta

sẽ khảo sát tỷ số bít lỗi BER với khoảng công suất tín hiệu trên nhiễu 0-20 [dB]

Tại máy phát , ta tạo tín hiệu phát bằng cách: tạo một chuỗi bít nhị phân sử dụng hàm “randn” trong Matlab, chuỗi bít này bao gồm chuỗi huấn luyện và dữ liệu cần phát Điều chế M-QAM với M=4 chuỗi này và chuyển sang miền tần số sử dụng hàm “ifft” của Matlab

Tại máy thu, tạo tín hiệu thu qua các bước: sử dụng hàm “randn” tạo tín hiệu nhiễu Gauss, giá trị nhiễu này phụ thươc vào công suất tín hiệu và được cho bởi phương trình:

No = SigPow/(10^(SNR/10))

Cộng tín hiệu phát với nhiễu trắng Gauss vừa tạo đê có được tín hiệu tại anten thu,

chuyển tín hiệu này sang miền thời gian bằng cách sử dụng hàm “fft” Giải điều chế tín hiệu này và tính xác suất lỗi bít BER

Trong quá trình truyền tín hiệu, kênh biến đổi pha đinh chậm được sinh ra bởi ma

trận có N_u x L điểm, với N_u là số user và L là đô suy hao pha đinh.

3.2 Xử lý ZF tại máy phát

Mục đích của tiền xử lý cưỡng bức không là lạo bỏ nhiễu không mong muốn bằng cách

sử dụng các trọng số vector Ma trận trọng số vector này được tính bởi công thức

Trước khi phát tín hiệu , tín hiệu phát được nhân với ma trận này nhằm đảm bảo những tín hiệu không mong muốn sẽ bằng không

3.3 Ước lượng kênh tại máy thu