KỸ THUẬT OFDM, hệ THỐNG MIMO và ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  - NGUYỄN HỒNG HOẠT KỸ THUẬT OFDM, HỆ THỐNG MIMO VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG XUÂN VINH Huế - 2015 MỤC LỤC Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh DANH MỤC BẢNG Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh DANH MỤC HÌNH Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh MỞ ĐẦU Mạng thông tin di động có ưu điểm mà mạng có dây như: tính lưu động, nơi có địa hình phức tạp, không gian v v Vì người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động ngày, từ mạng 2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng mô hình mạng WIFI, WIMAX Song song với hệ giải pháp đưa như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO Mỗi giải pháp có ưu điểm giải pháp cũ phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thông, chất lượng dịch vụ Trong OFDM MIMO hai kỹ thuật đưa vào thử nghiệm tiếp tục nghiên cứu tương lai OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO kỹ thuật sử dụng nhiều anten để truyền nhận liệu OFDM đưa vào ứng dụng thực tế như: truyền hình số, phát số, truyền hình vệ tinh đem lại hiệu đáng kể Còn MIMO kỹ thuật nên trình thử nghiệm nghiên cứu Tuy nhiên, người ta kết hợp hai kỹ thuật MIMO OFDM vào số mô WiMax, VoWifi tiêu chuẩn 802.16, 802.11n, đem lại kết cao thực tế Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Chương LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu chung Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao kênh truyền băng rộng, đặc biệt kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI(Inter-Symbol Interference) xuất độ trễ kênh truyền, làm tăng tốc độ bit BER (Bit Error Rate) cách đáng kể Để giải vấn đề này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trục giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) áp dụng cho hệ thống truyền dẫn OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng băng hẹp triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ có chiều dài lớn độ trễ kênh truyền vào tín hiệu điều chế Nhờ ưu điểm bật mà OFDM ứng dụng rộng rãi phát số DAB(Digital Audio Broadcasting), truyền hình số DVB(Digital Video Broadcasting), mạng cục chất lượng cao HIPERLAN (High Performance Local Area Networks), mạng cục vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network) theo chuẩn 802.11.a 1.1.2 Những tồn khó khăn kỹ thuật lĩnh vực thông tin di động Dung lượng hệ thống thông tin di động hệ bị hạn chế nhiều sử dụng kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA Các kỹ thuật xác định người dùng việc cấp phát tần số khe thời gian mã trải phổ họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động có hạn CDMA làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể lại dẫn đến gia tăng nhiễu đồng kênh nhiễu xuyên kênh mật độ phân bố cao người dùng cell Do dung lượng hệ thống không cao Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Bên cạnh chất lượng dịch vụ người dùng giảm fading nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động hệ thứ cung cấp nhiểu loại hình dịch vụ bao gồm dịch vụ thoại số liệu tốc độ thấp dịch vụ số liệu tốc độ cao, video truyền Tốc độ cực đại người sử dụng lên đến 2Mhz Nhưng tốc độ cực đại có ô pico nhà, dịch vụ với tốc dộ 14,4Kbps đảm bảo cho di động thông thường ô macro 1.2 Môi trường vô tuyến thông tin di động Trong kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu bao gồm tín hiệu đến trực tiếp thu hoàn hảo tín hiệu khác.Trong thực tế, kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi suốt trình truyền, tín hiệu nhận tổng hợp thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tín hiệu khác Quan trọng kênh truyền cộng nhiễu vào tín hiệu gây dịch tần số sóng mang máy phát máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler) Chất lượng hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền Do đó, hiểu biết ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu vấn đề qua trọng Kênh truyền tín hiệu OFDM môi trường truyền sóng điện từ máy phát máy thu Trong trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến tác động tạp âm bên nhiễu giao thoa lơn Kênh truyền vô tuyến môi trường truyền đa đường chịu ảnh hưởng đáng kể Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số Với đặc tính truyền tín hiệu sóng mang trực giao, phân chia băng tần gốc thành nhiều băng tần nhau, kỹ thuật OFDM khắc phục ảnh hưởng fading lựa chọn tần số, kênh coi kênh fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), ký thuật OFDM hạn chế ảnh hưởng fading nhiều tia, đảm bảo đồng ký tự đồng sóng mang Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh 1.3 Suy hao đường truyền Suy hao đường truyền dẫn trung bình xảy tượng như: mở rộng hướng tín hiệu, hấp thụ tín hiệu nước, phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách biện độ chậm thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, sóng vô tuyến truyền theo hướng (nghĩa sóng mở rộng theo hình cầu) Ngay sử dụng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng mở rộng dạng hình cầu mật độ lượng tập trung vào vùng ta thiết kế Vì thế, mật độ công suất sóng tỷ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác cường độ sóng tỷ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (1.1) tính công suất thu sau truyền tín hiệu qua khoảng cách R: 111Equation Chapter (Next) Section Chapter Section (1.1) PR PT : Công suất tín hiệu thu (W) : Công suất phát (W) GR GT : Độ lợi anten thu ( anten đẳng hướng) : Độ lợi anten phát λ : Bước sóng sóng mang R : Khoảng cách truyền Hoặc ta viết lại là: PT  4π R  1 4π 2 1 = = R f ÷ PR  λ  GT GR C GT GR (1.2)  λ  PR = PT GT GR  ÷  4π R  211Equation Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Gọi Lpt hệ số suy hao việc truyền dẫn không gian tự : Lpt (dB ) = PT (dB) − PR (dB ) = −10 log GT − 10 log GR + 20 logf + 20 logR − 47, dB (1.3) Ví dụ, kênh truyền dẫn vo tuyến di động UHF, điều kiện không gian tự không thỏa mãn, có công thức tính suy hao đường truyền sau: Lpt = −10 log10 GT − 10 log10 GR − 20 log10 hBS − 20 log10 hMS − 40 log10 R (1.4) Với hBS, hMS [...]... 3.2 Kỹ thuật phân tập 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 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... điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểm cần khắc phục 2.2 Khái niệm chung 2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang Hình 2.1 Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang Với quá trình điều chế đơn sóng mang, tín hiệu được biểu di n như sau: S (t) = ∑ al g (t − lTl ) l (2.1) Trong đó là dữ liệu đầu vào của... thu và làm giảm bớt fading đa đường Trong phân tập anten phát, nhiều anten được sử dụng ở nơi phát, dữ liệu được xử lý ở nơi phát, kế đến dữ liệu được đưa đến các anten phát Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiểu chiều (multi - dimensinal diversity) 3.2.2 Phân tập tần số Đây là kỹ thuật sử dụng. .. Việt Nam Chương 3 HỆ THỐNG MIMO 3.1 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 quả phổ mà không tăng công suất phát hay băng thông 28 Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Hình 3.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i Các ký thuật MIMO thường gặp :... thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục 1.5.4 Tạp âm trắng Gauss Tạp âm trắn Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và có phân bố Gaussian về biên độ Theo phương thức tác động thì nhiễu... tần số khác nhau để cùng phát một thông tin Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với các tần số còn lại Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo đặc tính thống kê fading của tần số khác nhau sẽ độc lập nhau Trong thông tin di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số để tạo ra trải... ra môi một số lượng lớn các bộ dao động khóa pha và các bộ thu trong miền tương tự Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối hệ của một hệ thống thu phát OFDM tiêu biểu Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Máy phát sẽ chuyển đổi chỗi sữ liệu nối tiếp thành song song và đưa vào bộ ánh xạ điều chế Bộ này sẽ gán biên độ và pha của các sóng mang con cho các dữ liệu Sau đó toàn bộ biểu di n tần số của dữ liệu sẽ được chuyển... 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... giống hệt nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading 1 c = f d v f c Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông số để cung cấp độ lợi mã (coding gain ) so với hệ thống không mã hóa 32 Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Trong. .. kênh vô tuyến di động có thể được mô hình hóa như là một bộ lọc tuyến tính với đáp ứng xung thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này là do sự di chuyển của máy thu Để có thể hiểu rõ hơn bản chất của kênh fading đa đường, chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm, hiện tượng xảy ra khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến di động như các thông số của kênh fading đa đường, hiệu ứng Doppler, mô hình đáp ứng xung, phân ... 1.1.2 Những tồn khó khăn kỹ thuật lĩnh vực thông tin di động Dung lượng hệ thống thông tin di động hệ bị hạn chế nhiều sử dụng kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA Các kỹ thuật xác định người dùng... OFDM Kỹ thuật OFDM truyền thông tin sóng mang điều chế trực giao với nên có nhiều ưu điểm thông tin di động có vài khuyết điểm cần khắc phục 2.2 Khái niệm chung 2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang Hệ thống. .. dung lượng hệ thống không cao Đồ án GVHD: Đặng Xuân Vinh Bên cạnh chất lượng dịch vụ người dùng giảm fading nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động hệ thứ cung