tài liệu kỹ thuật MIMO-OFDM

Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 1 Chương 4 KỸ THUẬT MIMO-OFDM 4.1 Giới thiệu Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống. Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số. Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai. Chương này trình bày tổng quan và phân tích hệ thống hệ thống MIMO. Có nhiều loại hệ thống MIMO-OFDM, tùy vào từng kỹ thuật MIMO mà chúng ta có các hệ thống khác nhau, hệ thống MIMO-OFDM mã hoá không gian_thời gian, hệ thống MIMO-OFDM ghép kênh không gian. 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 2 STC Encoder OFDM Transmitter OFDM Transmitter OFDM Transmitter STC Decoder OFDM Receiver OFDM Receiver OFDM Receiver Signal Demapper Signal Mapper 1Rx 1Tx 2Rx 2Tx T NTx T NRx Data Data Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO N T anten phát và N R anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng N c sóng mang phụ. Tín hiệu thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau: y 1 (k)=h 11 x 1 (k)+ h 12 x 2 (k)+ + h 1Nt x Nt (k)+n 1 (k) 3 y 2 (k)=h 21 x 1 (k)+ h 22 x 2 (k)+ + h 1Nt x Nt (k)+n 2 (k) (4.1) y Nr (k)=h Nr1 x 1 (k)+ h Nr2 x 2 (k)+ + h NrNt x Nt (k)+n Nr (k) Với x j (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM n i (k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i h ij là hệ số kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau H=             NrNtNrNr Nt Nt hhh hhh hhh 21 22221 11211 4.2.2 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM. Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 3 Hình 4.2: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM. Trong môi trường thời gian thực, frame là đơn vị vận chuyển nhỏ nhất bao gồm 10 khe. Mỗi khe bao gồm 1 khe preamble và 8 symbols OFDM. Preamble được sử dụng cho mục đích đồng bộ thời gian. Mỗi OFDM symbol được gắn thêm 1 CP. CP được sử dụng để giảm nhiễu symbol ISI và cân bằng kênh một cách đơn giản hơn. Mỗi frame được vận chuyển qua sóng mang phụ (định thời pha, định thời tần số và ước lượng tần số offset). 4.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Hình 4.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 4 Sơ đồ khối STBC-OFDM được cho trong Hình 4.5. Dòng tín hiệu nhị phân được điều chế và ánh xạ thành chuỗi kí tự phức. Bộ chuyển đổi Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) M điểm thực hiện trên từng dòng dữ liệu nối tiếp. Ngõ ra của khối IDFT là M mẫu tín hiệu trong miền thời gian, tương ứng với một khung OFDM. Để tránh tác động của nhiễu xuyên kí tự, một cyclic prefix (CP) với chiều dài v được thêm vào các mẫu ở ngõ ra, kết quả là tạo ra một khung có chiều dài M+v. Các khung OFDM được truyền đồng thời từ anten thứ nhất và anten thứ hai, như sau: + Khung OFDM thứ n: Anten 1:       1 1 1 1 1 1 1 1 ,0 , 1 , , 1 ,0 , 1 (0) ( 1) , IDFT CP n n n n M n M v n M n n M X X M x x x x x x        Anten 2:       2 2 2 2 2 2 2 2 ,0 , 1 , , 1 ,0 , 1 (0) ( 1) , IDFT CP n n n n M n M v n M n n M X X M x x x x x x        + Khung OFDM thứ (n + 1) : Anten 1:       2* 2* 1 1 1 1 1 1 1,0 1, 1 1, 1, 1 1,0 1, 1 (0) ( 1) , IDFT CP n n n n M n M v n M n n M X X M x x x x x x                Anten 2:       1* 1* 2 2 2 2 2 2 1,0 1, 1 1, 1, 1 1,0 1, 1 (0) ( 1) , IDFT CP n n n n M n M v n M n n M X X M x x x x x x              Trong đó (.) * là chỉ đại lượng liên hợp phức và n = 2u-1, u=1,2. Tín hiệu phát đi tại anten: Xm,J (t) = X m,n,[J,t] = 0 1, 2 1 , N x x x x    Trong đó m:là số kí tự thứ m của OFDM n:là số kí tự thứ n được điều chế trên sóng mang con n Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 5 J là số thứ tự anten phát J=1,2 T là khe thời gian tương ứng t=1,2 X m,1 (1) = [s1,s3,s5….] X m,2 (1) = [s2,s4,s6….] (4.3) X m,1 (2) =- X m,2 (1) * =[-s2 * ,-s4 * ,-s6 * ….] X m,2 (2) = X m,1 (1)* = [s1 * ,s3 * ,s5 * … ] Sau đó Xm được biến đổi IFFT để điều chế sóng mang và chèn CP vào đông thời được truyền đi trên 2 anten như phân tích ở trên ( 4.4 ) Với n  {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP J=1,2 tương đương với anten1,2 t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2 Tại máy thu: Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễu AWGN(additive white gausian) và fading r 1,m (1) =  (h 11,m x 1,m (1) + h 12,m x 2,m (1) +n 1,m (1) ) r 1,m (2) =  (h 11,m x 1,m (2) + h 12,m x 2,m (2) +n 1,m (2) ) (4.5) r 2,m (1) =  (h 21,m x 1,m (1) + h 22,m x 2,m (1) +n 2,m (1) ) r 2,m (2) =  (h 21,m x 1,m (2) + h 22,m x 2,m (2) +n 2,m (2) ) Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 6 Trong đó r J,m (t) ,x J,m (t) ,n j,m (t) la tín hiệu nhận được, tín hiệu truyền, và nhiễu tác động tại anten thứ J (J=1,2) trong khe thời gian t (t=1,2) tương ứng của kí tự OFDM thứ m. h j,k,m là hệ số kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu tương ứng của kí tự OFDM thứ m ,nó không thay đổi trên 2 khe thời gian. Ở đây để đơn giản ta xét trong một kí tự OFDM với môi trường fading phẳng Tại máy thu tách CP ta được 1 , , [1] , , [1] , [2] , , [2] , 0 L n m n m l n m n m l n m n m l y x h x h z       r 1 (1) =    1 0 L l    1 0 N n (h 11,l x 1,n (1) + h 12,m,l x 2,n (1) +n 1 (1) ) (4.6) r 1 (2) =    1 0 L l    1 0 N n (h 11,l x 1,n (2) + h 12,m,l x 2,n (2) +n 1 (2) ) r 2 (1) =    1 0 L l    1 0 N n (h 21,l x 1,n (1) + h 22,m,l x 2,n (1) +n 2 (1) ) r 2 (2) =    1 0 L l    1 0 N n (h 21,l x 1,n (2) + h 22,m x 2,n (2) +n 2 (2) ) Trong đó: n=0…N-1 tương đương với các sóng mang co l : chùm tia fading thứ l Sau đó qua bộ FFT ta được: ( 4.7 ) R J (t) =H J,1 X 1 (t) + H J,2 X 2 (t) + Z J Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 7 Với : Sau khi tách CP và biến đổi FFt để tách sóng mang, tín hiệu sẽ dược đưa đến bộ giải mã STC. Ở đây bộ giải mã sẽ tiến hành giải mã trên 2 khe thời gian để ước lượng các kí tự truyền. Ở máy thu bằng phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta có thể khôi phục lại các kí tự phức M-PSK hoặc M-QAM và sau đó giải mã, ta tìm được các bit tin cần thiết. Với s1,s2 là các số phức trong mặt phẳng phức được thay lần lượt vào để tìm được giá trị gần với nó. Mô hình hệ thống trên có thể sử dụng với Nr anten thu. Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 8 4.4 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST OFDM Transmitter OFDM Transmitter OFDM Transmitter Signal Mapper TX 1 TX 2 TX NT 1 X 2 X T N X STC Coder Data Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST được áp dụng nhằm tăng tối đa dung lượng kênh truyền. Tín hiệu đầu vào sẽ được đưa qua bộ điều chế để điều chế M-psk hoặc M-QAM, sau đó nó đi qua bộ MIMO coder. Bộ MIMO coder trong trường hợp này chỉ là một bộ S/P chia luồng dữ liệu lớn thành N T luồng dữ liệu nhỏ(tương đương với N T anten phát, N T luồng này được đưa vào N T bộ phát OFDM. Từng luồng dữ liệu sẽ được biến đổi nối tiếp sang song song và chèn pilot để thành N C vector x k , với k = 1,2,…N C tương ứng với Nc sóng mang con, từng vector x k sẽ được đưa qua bộ biến đổi IFFT. OFDM Receiver OFDM Receiver OFDM Receiver RX 1 RX 2 RX NR 1 1 1 1 2 2 2 2 N N N N ZF/MMSE Decoder ZF/MMSE Decoder ZF/MMSE Decoder ZF/MMSE Decoder Signal Demapper NT x N Symbol Data STC Decoder Soùng mang phuï 1N f 1 f 0 f 1 Y 2 Y R N Y Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 9 Tại phía thu, tín hiệu nhận được sẽ được sau khi loại bỏ cao tần sẽ đưa đến bộ thu OFDM. Tại đây nó loại bỏ khoảng bảo vệ CP khỏi symbol OFDM, vector thu có dạng sau y (k)1 =h 11 X (k)1 +h 12 X (k)2 + + h 1Nt X (k)Nt +n 1 y (k)2 =h 21 X (k)1 +h 22 X (k)2 + + h 2Nt X (k)Nt +n 2 (4.10) y (k)Nr =h Nr1 X (k)1 +h Nr2 X (k)2 + + h NrNt X (k)Nt +n Nr Với h ij là ma trận kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j n j là vector nhiễu tại anten thu thứ j Sau đó tín hiệu được đưa qua bộ FFT, vector thu sẽ có biểu thức sau: Y (k)1 =H 11 x (k)1 +H 12 x (k)2 + + H 1Nt x (k)Nt +N 1 Y (k)2 =H 21 x (k)1 +H 22 x (k)2 + + H 2Nt x (k)Nt +N 2 (4.11) Y (k)Nr =H Nr1 x (k)1 +H Nr2 x (k)2 + + H NrNt x (k)Nt +N Nr Trong đó Y (k)j =fft(y (k)j ), H ij =fft(h ij ), N j =fft(n j ) Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST tương đương với hệ gồm N c hệ thống MIMO VBLAST băng hẹp . Sau khi qua bộ FFT tín hiệu sẽ được đưa qua bộ thu Vblast, nó giải mã vector thu tại sóng mang thứ k (Y (k)1 Y (k)2 Y (k)Nr ) để ước lượng các vector phát ( 1)( ~ k x 2)( ~ k x Ntk x )( ~ ) thông qua giải thuật Zero-forcing hay MMSE. Chương 4.kỹ thuật MIMO-OFDM 10 Bộ thu ZF/MMSE Giải mã luồng 1 Bộ thu ZF/MMSE Giải mã luồng 2 Bộ thu ZF/MMSE Giải mã luồng 3 Bộ thu ZF/MMSE Giải mã luồng Nt Loại trừ luồng 1 Loại trừ luồng 1, 2 Loại trừ luồng 1, 2, 3,…,NT-1   kX 1 ~   kX 2 ~   kX 3 ~   kX T N ~   kY T N ~   kY 1 ~   kY 3 ~   kY 2 ~ ZF/MMSE Decoder cho sóng mang phụ thứ k 4.4. Kết luận chương. Trong chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM. Đây là kỹ thuật đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống thơng tin di động vì nó mở rộng băng thơng và tăng tốc độ dữ liệu lên nhiều lần, nâng cao chất lượng tín hiệu . Hiện nay, MIMO-OFDM đang là cơ sở cho chuẩn IEEE 802.11n, đây là chuẩn mới cho hệ thống WIFI vừa hỗ trợ các chuẩn cũ vừa có tính năng ưu việt hơn hẳn, như hỗ trợ liên lạc giọng nói, trao đổi hình ảnh, video với chất lượng cao. MIMO-OFDM còn được áp dụng trong hệ thống WIMAX, hiện nay và trong một tương lai khơng xa nữa cơng nghệ này sẽ được áp dụng rộng rãi và đem lại các tiến bộ vượt bậc trong thơng tin liên lạc khơng dây của nhân loại. [...]...Chương 4 .kỹ thuật MIMO-OFDM 11 . Chương 4 .kỹ thuật MIMO-OFDM 1 Chương 4 KỸ THUẬT MIMO-OFDM 4.1 Giới thiệu Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền,. Trong chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM. Đây là kỹ thuật đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống thơng tin di động vì nó mở rộng băng thơng và tăng tốc độ dữ liệu lên nhiều lần, nâng cao. 4.2.2 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM. Chương 4 .kỹ thuật MIMO-OFDM 3 Hình 4.2: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM. Trong môi trường thời gian thực, frame là đơn vị