Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến bằng các kỹ thuật phân tập

Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến bằng các kỹ thuật phân tập.Đồ án được trình bày bao gồm bốn chương:Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến và kỹ thuật OFDMChương này bao gồm các mục sau1.1Giới thiệu chươngPhần giới thiệu này tóm tắt nội dung của chương. 1.2Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện naySóng vô tuyến là môi trường truyền hấp dẫn với các địa hình không hỗ trợ lắp đặt cáp. Để bao phủ các khu vực đồi núi, các khu vực bị ngăn cách bởi sông, hồ…, sóng vô tuyến mặt đất được sử dụng cho các vòng lặp local và trunk.1.3Khái niệm về OFDMNguyên 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.1.4 Tính trực giao Tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là null (điểm không) của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau.1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDMChia làm 6 phần chính:1.5.1Mã hóa kênh: Sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi.1.5.2Khối xen rẽ: Dùng để khắc phục lỗi chùm thường xuyên xuất hiện trong thông tin đa sóng do hiện tượng Fading lựa chọn tần số.1.5.3Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở: BPK, QPSK, 16QAM, 64QAM.1.5.4IFETFET: Là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFTIDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFTIDFT.1.5.5Tiền tố lặp: Dùng để sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó.1.5.6Biến đổi cao tần RF: Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao, giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở.1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM: Tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT.1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDMMục chia làm 2 phần chính:1.8.1Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:1.8.2Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:1.9 Kết luận chươngTóm tắt lại ý chính và mục đích của toàn chương.Chương 2: Tổng quan mạng thông tin di động và các đặc tính của kênh truyền vô tuyếnChương này bao gồm các mục sau:2.1 Giới thiệu chươngPhần giới thiệu này tóm tắt nội dung của chương.2.2 Tình hình hệ thống mạng thông tin di độngMục này chia làm 5 phần chính:2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1: Các dịch vụ thoại tương tự và kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người.2.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2: Sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.2.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3: Sử dụng kỹ thuật WCDAM và CDMA2000s.2.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4: Sử dụng kỹ thuật OFDM, SDMA, LTE, UMB và WiMax.2.2.5. Các mô hình hệ thống thông tin không dây:2.3 Các đặc tuyến kênh truyền vô tuyếnMục này chia làm 8 phần:2.3.1 Suy hao đường truyền: Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến thì càng truyền đi xa, công suất của tín hiệu sẽ trở nên yếu đi, ta nói rằng tín hiệu bị suy hao trên đường truyền.2.3.2 Hiện tượng multipath fading: Sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu sẽ chạm phải rất nhiều vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa, xe cộ, đường xá... gây ra các hiện tượng sau đây: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ.2.3.3. Trải trễ trong hiện tượng đa đường: Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu.2.3.4 Hiệu ứng Doppler:2.3.5 Nhiễu AWGN:2.3.6 Nhiễu liên kí tự ISI:2.3.7 Nhiễu liên sóng mang ICI:2.3.8 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean:2.4 Power delay profile (PDP)PDP đặc trưng cho sự phân bố công suất, nhờ nó ta có thể mô tả được đáp ứng kênh truyền blockfading.2.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM Điều chế biên độ cầu phương là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha.2.6 Kênh truyền blockfading trên nền OFDM Mục này chia làm 2 phần:2.6.1 Tín hiệu phát và thu OFDM: Mỗi symbol OFDM bao gồm N sóng mang con mang thông tin , k=0, 1, 2, ..., N1. Sau khi thực hiện IFFT và cyclic prefix (CP) thì symbol OFDM phát m: . Ở bên thu sau khi FFT và loại bỏ CP thì symbol OFDM thu được = . . 2.6.2 Kênh truyền blockfading: Với tất cả các symbol, thông số kênh truyền H xét trên miền tần số là đều như nhau. H = Với L channel tap gain, l = 0, 1, ..., L1. Lúc này, ta có thông số kênh truyền H tại sóng mang con thứ k của symbol m là: và symbol OFDM thu được : = .2.7 Kết luận chươngTóm tắt lại ý chính và mục đích của toàn chương.Chương 3: Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống vô tuyếnChương này bao gồm các mục như sau3.1 Giới thiệu chungPhần giới thiệu này tóm tắt nội dung của chương.3.2 Tổng quan về kỹ thuật phân tậpPhát biểu về kỹ thuật phân tập (Diversity). Phân tập bao gồm có phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập không gian.Bao gồm ba phần chính 3.2.1 Phân tập tần số : Phát đi cùng một tín hiệu trên các tần số khác nhau, tăng công suất phát.3.2.2 Phân tập thời gian : Cùng một tín hiệu được phát đi trên các khe thời gian khác nhau. Không tăng công suất phát nhưng giảm tốc độ truyền.3.2.3 Phân tập không gian : Gồm có phân tập phát và phân tập thu.3.3 Phân tập phát3.3.1 kỹ thuật phân tập phát sử dụng mã Alamouti:Sơ đồ Alamouti hai anten phát với một anten thuSơ đồ Alamouti làm việc cho tất cả các kiểu chùm ký hiệu x1, x2 khác nhau, tuy nhiên để đơn giản, ở đây chỉ xét QAM với truyền 2 bit trong thời gian hai ký hiệu và kỹ thuật Alamouti thực hiện ba bước sau:Mã hóa và chuỗi các ký hiệu phát tại máy phát: Trong khoảng thời gian cho trước một ký hiệu, hai ký hiệu được truyền đồng thời từ hai anten phát. Ký hiệu tín hiệu phát từ anten một là x1(k)=x1 và tín hiệu phát từ anten hai là x2(k)=x2. Trong thời gian ký hiệu tiếp theo, x1(k+1) = được phát đi từ anten một và x2(k+1)= được phát đi từ anten hai. Giả thiết fading không đổi trong thời gian hai ký tự phát, có thể viết: Trong đó vector phía thu: Độ lợi kênh truyền: Với và Vector dữ liệu phát: và tạp âm nhiễu gauss trắng: Sơ đồ kết hợp tại máy thu: Giả thiết rằng máy thu hoàn toàn biết được trạng thái kênh truyền. Bộ kết hợp thực hiện nhân bên trái vector thu y với ma trận chuyển vị Hermitian HH để được : Khai triễn ta được: Quy tắc quyết định khả năng cực đại: Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, những tín hiệu kết hợp này sau đó được gửi đến các máy dò khả năng tối đa sẽ chọn ra hai tín hiệu ước tính x1 và x2 sao cho: SNR: Trong đó Eb là năng lượng của tín hiệu phát, với N0 là công suất tạp âm đơn biên.Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và Nr anten thuHệ thống này sử dụng hai anten phát và hai anten thu. Tiến hành các bước như trên hệ thống cho SRN là: Ta thấy rằng các tín hiệu kết hợp từ hai anten nhận được là phép cộng đơn giản của từng anten thu, nghĩa là sơ đồ kết hợp này giống hệt với một anten thu duy nhất. Vì vậy ta có thể mở rộng hệ thống ra hai anten phát và M anten thu dể dàng để cải thiện chất lượng hệ thống mà không cần có những tính toán phức tạp.3.4 Kỹ thuật phân tập thuMục này chia làm bốn mục chính:3.4.1 Kỹ thuật phân tập thu Maximal Ratio Combining (MRC): Thực hiên đồng pha các tín hiệu đến bên thu. Biên độ tín hiệu là tổng hợp biên độ của tất cả các tín hiệu nhận được trên các anten ở bên thu. SNR là tổng hợp toàn bộ các anten thu.3.3.1 Kỹ thuật phân tập thu Selection Combining (SC): Lựa chọn tín hiệu tại anten thu có SNR tốt nhất để đưa đến bộ giải điều chế. Việc đồng pha các tín hiệu đến bên thu là không cần thiết.3.3.2 Kỹ thuật phân tập Thu threshold Combining (TC): Bộ thu chuyên dụng sẽ quét tuần tự các tín hiệu thu được từ các anten. Khi gặp tín hiệu tại anten thu có SNR trên một mức ngưỡng thì xuất ra tín hiệu đó. Khi nhánh tín hiệu đó có SNR thấp hơn mức ngưỡng thì sẽ chuyển tuần tự tiếp nhánh tín hiệu tiếp theo. Quá trình như vậy diễn ra liên tục.3.3.4 Kỹ thuật phân tập thu Equalgain Combining (EGC): Thực hiện đồng pha các tín hiệu đến tại các anten thu. Các tín hiệu được nhân với một trọng số để đồng pha. Trong đó tương ứng là biên độ và pha tín hiệu . Kỹ thuật EGC với đặc điểm là tất cả đều có cùng hệ số 3.5 Kết luân chương So sánh các kỹ thuật, tóm tắt lại ý chính và mục đích của toàn chương.Chương 4 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng đồ án này là kết quả tìm hiểu của bản thân, không giống hoàn toàn với bất kỳ Đồ Án khác hay bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác

Đà nẵng ngày tháng năm 2014 Người thực hiện

Trần Phương Nam

LỜI CẢM ƠN

Em xin cảm ơn chân thành đến các quý Thầy Cô trong Khoa Điện Tử - ViễnThông Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, đặc biệt là Thầy PGS TS Tăng Tấn Chiến đã tạođiều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án này

Trong quá trình thực hiện, em vẫn còn nhiều sai sót do và hạn chế Kính mong cácThầy Cô chỉ bảo thêm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT OFDM 8

1.1 Giới thiệu chương 8

1.2 Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay 8

1.3 Khái niệm về OFDM 9

1.4 Tính trực giao 11

1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 12

1.5.1 Mã hóa kênh 13

1.5.2 Khối xen rẽ 13

1.5.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở 14

1.5.4 IFFT/FFT 14

1.5.5 Tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix) 14

1.5.6 Biến đổi cao tần RF 15

1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM 16

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM 17

1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 18

1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM 18

1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM 19

1.9 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 20

2.1 Giới thiệu chương 20

2.2 Tình hình hệ thống mạng thông tin di động 20

2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G: First Generation ) 21

2.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G: Second Generation ) 21

2.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation) 22

2.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G: Fourth Generation) 23

2.2.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 23

2.3 Các đặc tuyến kênh truyền vô tuyến 24

2.3.1 Suy hao đường truyền 24

2.3.2 Hiện tượng multipath fading 25

2.3.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường 26

2.3.4 Hiệu ứng Doppler 27

2.3.5 Nhiễu AWGN 28

2.3.6 Nhiễu liên ký tự ISI 28

2.3.7 Nhiễu liên sóng mang ICI 29

2.3.8 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean………30

2.4 Power delay profile (PDP) 31

2.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM 31

2.6 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM 33

2.6.1 Tín hiệu phát và thu OFDM 33

2.6.2 Kênh truyền block-fading 34

2.7 Kết luận chương 36

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 37

3.1 Giới thiệu chung 37

3.2 Tổng quan về kỹ thuật phân tập 37

3.2.1 Phân tập thời gian 37

3.2.2 Phân tập tần số 39

3.2.3 Phân tập không gian 39

3.3 Phân tập phát 41

3.3.1 kỹ thuật phân tập phát sử dụng mã Alamouti 42

3.4 Kỹ thuật phân tập thu 48

3.4.1 Kỹ thuật phân tập thu Maximal Ratio combining ( MRC ) 49

3.4.1.1 Đặc điểm 49

3.4.1.2 Perfomance 49

3.4.1.3 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân tập thu MRC 52

3.4.2 Kỹ thuật phân tập thu Selection Combining (SC) 53

3.4.2.1 Đặc điểm 53

3.4.2.2 Perfomance 53

3.4.2.3 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân thu SC 55

3.4.3 Kỹ thuật phân tập thu threshold combining (TC) 55

3.4.3.1 Đặc điểm 55

3.4.3.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân tập thu threshold combining 56

3.4.4 Kỹ thuật phân tập thu Equal-gain Combining (EGC) 56

3.4.4.1 Nguyên lý 56

3.4.4.2 Perfomance 57

3.5 Kết luận chương 57

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 58

4.1 Giới thiệu chung 58

4.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình 58

4.2.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống phân tập phát sử dụng mã Alamouti 58

4.2.2 Kết quả mô phỏng 62

4.3 Lưu đồ thuật toán của toàn bộ hệ thống phân tập thu……….62

4.3.1 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập thu TC 65

4.3.2 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập phát MRC 67

4.3.3 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập thu SC 69

4.3.4 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập phát EGC 71

4.3.5 Kết quả mô phỏng tổng hợp các kỷ thuật phân tập thu 73

4.4 Kết luận chương 75

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

C/I Carrier to Interference Ratio

CP CyclicPrefix

(I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Transform

FDMA Frequency Division Multiple Access

ICI Inter Channel Interference

(I)FFT (Inverse) Fast Fourier Transform

ISI Intersymbol Interference

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak_to_Average Power Ratio (PAR)

QAM Quadrature Amplitude Modulation

SER Symbol Error Rate

SNR Signal to Noise Rate

TC Threshold Combining

SC Selection Combining

MRC Maximal Ratio Combining

EGC Equal Gain Combining

SISO Single Input Single Output

SIMO Single Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MIMO Multiple Input Multiple Output

FDM Frequency Division Multiplexing

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển hệ thống thông tin di động trong tương lai ngày càng đòi hỏi hệ thống phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, băng thông hiệu quả, khả năng kháng nhiễu tốt, xác suất lỗi thấp,…Do vậy nhiều kỹ thuật mới đã ra đời Một trong những kỹ thuật được sử dụng là kỹ thuật phân tập mà cụ thể ở đây là kỹ thuật phân tập phát và thu nhằm cải thiện BER để nâng cao chất lượng hệ thống, giải quyết multipath fading,…

Với lý do trên, em đã chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP” Nội dung đề tài gồm có 4

chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến và kỹ thuật OFDM

Nội dung chính của chương là trình bày về nguyên lý kỹ thuật của OFDM Đi sâu

về tìm hiểu từng khối chính trong một hệ thống có sử dụng kỹ thuật OFDM

Chương 2: Tổng quan mạng thông tin di động và các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Nội dung chính của chương là trình bày một số biểu thức mô tả tín hiệu thu, phát,biểu thức kênh truyền block-fading, làm cơ sở cho việc mô phỏng

Chương 3: Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống vô tuyến

Nội dung chính của chương trình bày về phân tập phát Alamouti và các kỹ thuậtphân tập thu kết hợp MRC, TC, SC, EGC, từ đó làm cơ sở cho việc giải thuật các chươngtrình mô phỏng

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

Chương này trình bày các lưu đồ thuật toán để xây dựng các chương trình để môphỏng việc thực hiện hệ thống Tính ra giá trị BER và mối tương quan với SNR qua đónhận xét, đánh giá từng kỹ thuật thông qua các kết quả mô phỏng

Phương pháp nghiên cứu của đồ án là xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng để thực hiện xử lý các kỹ thuật phân tập phát và thu kết quả biểu hiện của các kỹ thuật này được đánh giá thông qua hai thông số chính là BER và SNR

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾNVÀ KỸ

THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại có hình, internet không dây… đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến

OFDM là một kỹ thuật khá khác biệt so với kỹ thuật điều chế sử dụng các phương pháp truyền dẫn truyền thống Chương này sẽ trình bày các đặc điểm, thông số kỹ thuật

và mô hình toán học của kỹ thuật OFDM

1.2 Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay

Sóng vô tuyến là môi trường truyề nhấp dẫn với các địa hình không hỗ trợ lắp đặt cáp Để bao phủ các khu vực đồi núi, các khu vực bị ngăn cách bởi sông, hồ…, sóng vô tuyến mặt đất được sử dụng chocác vòng lặp local và trunk

Để thuận lợi trong việc cung cấp viễn thông cho vùng sâu vùng xa, nông thôn, mộtlần nữa sóng vô tuyến là lựa chọn tốt nhất Để tránh việc đào đường, ngay cả khu vực đô thị, hệ thống sóng vô tuyến được sử dụng Sóng vô tuyến có một lợi thế: nó cung cấp khả năng di động cho người dùng Đối với các ứng dụng phát thanh truyền hình, sóng vô tuyến là sự lựa chọn tốt nhất bởi vì sóng vô tuyến truyền trên khoảng cách xa

- Sóng vô tuyến có thể tuyên truyền trên khoảng cách lớn Vùng phủ sóng phụ thuộc vào băng tần Sóng HF có thể truyền hàng trăm cây số, các hệ thống VHF

và UHF có thể phủ lên đến 40 km và các hệ thống vi ba có thể bao gồm một vài

km Có thể tăng khoảng cách truyền bằng việc sử dụng các trạm lặp

 Nhược điểm

Việc truyền sóng vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: địa hình tự nhiên (đồi núi, thung lũng, hồ, bờ biển, vv), địa hình nhân tạo (nhà cao tầng) và điều kiện thời tiết(mưa, tuyết, sương mù)

Sóng vô tuyến dễ bị nhiễu bởi các hệ thống vô tuyến khác đang hoạt động trong cùng một khu vực lân cận Sóng vô tuyến cũng bị ảnh hưởng bởi các thiết bị phát điện, tiếng ồn động cơ máy bay, vv…

Sóng vô tuyến bị yếu đi khi truyền trong khí quyển Việc mất tín hiệu là do suy hao đường truyền Để khắc phục những tác động của suy hao đường truyền, các máy thu sóng phải có độ nhạy cao, có khả năng thu tín hiệu yếu và khuếch đại tín hiệu giải mã

1.3 Khái niệm về OFDM

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóngmang, trong đó tập hợp các ký tự được điều chế song song trên các sóng mang phụ Cácsóng mang phụ này được lựa chọn với khoảng cách tần số nhỏ nhất và thỏa mãn tính trựcgiao của sóng trong miền thời gian Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phépchồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấnphổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹthuật điều chế thông thường Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnhchống lại fading lựa chọn tần số, bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thànhtập hợp các kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyềnsong song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp

frequency-Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách rất gầnnhau Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu,… lên sóng mang, phổ của chúng sẽ chồnglấn lên nhau Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều

chế chính xác dữ liệu Với các kỹ thuật trước đây như FDM, khi tín hiệu được truyền gầnnhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc vàphải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng Tuy nhiên với những cải tiến của OFDM, mặc

dù phổ của các sóng mang chồng lấn lên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu màkhông bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao với nhau

FDM

OFDM

Hình 1.1: Phổ của sóng mang trong OFDM

Một yêu cầu quan trọng trong hệ thống phát và thu OFDM là chúng phải tuyếntính Bất kì sự phi tuyến nào cũng sẽ gây ra nhiễu giữa các sóng mang do méo xuyên điềuchế Điều này sẽ dẫn đến những tín hiệu không mong muốn gây ra nhiễu và làm mất tínhtrực giao ban đầu

Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của của hệ thống đa sóngmang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ở đầu ra của máyphát phải đáp ứng được công suất đỉnh Trong khi công suất trung bình rất thấp Điều này

là không hiệu quả Để khắc phục, trong một số hệ thống, công suất đỉnh bị hạn chế Mặc

dù điều này sẽ làm méo tín hiệu và lỗi sẽ cao hơn, nhưng hệ thống có thể sử dụng kỹthuật sửa lỗi để khắc phục

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM đãđược thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein vàEbert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phépbiến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng phép biến đổiDFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chếOFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta

có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử

lý tín hiệu ở máy phát và máy thu

1.4 Tính trực giao

Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóngmang trong hệ thống OFDM Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên củachúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sựcan nhiễu giữa các sóng mang Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặttoán học OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một

số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sinnày Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cầnthiết để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽcần mốt số nguyên lần của chu kỳ

Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:

∫0

T

s i (t ) s j (t ) dt =C∗δ (i− j )={C0⟺ i= j ⇔i ≠ j (1.1)

Ta sẽ xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng không vàthỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điềuchế tín hiệu

Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:

1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Hình 1.2: Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệusong song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Mỗi dòng dữ liệu songsong sau đó được mã hóa (Conv Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợpbằng bộ xen rẽ (Interleaver) Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên cácnhánh sẽ được điều chế số (ánh xạ vào biên độ và pha của sóng mang phụ) bằng bộMQAM mapping và được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối IFFT có nhiệm vụ biếnđổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian Sau đó tiền tố lặp CP được chènvào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vôtuyến di động đa đường Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất vàphát đi từ anten

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến nhưnhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) và đáp ứng của kênhtruyền di động Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn thêm

các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền và nhiễutại máy thu.

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhậnđược sau bộ D/A thu Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miềnthời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT) Sau

đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng.Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã (decoder).Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ songsong về nối tiếp

1.5.1 Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền

số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạnchế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa,còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được Nếu mộttuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cầnphải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, baogồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệuphát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi Lý do làđối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi màcòn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại

Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập(convolutional code) Trong phần mô phỏng của đồ án này, ta sử dụng mã chập để mãhóa kênh cho hệ thống OFDM

bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu cóxảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởicác loại mã hóa kênh

1.5.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chếBPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành cácnhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK,QPSK, 16-QAM, 64-QAM

1.5.4 IFFT/FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điềuchế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con

Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế

và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên khônghiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thựchiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao độngsóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là mộtthuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cáchgiảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT

1.5.5 Tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ đó

mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảngbảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phảilớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể khôngchứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự

OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lênđầu của ký tự đó Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP và tínhiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượngICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính củakênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miềntần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.

Hình 1.3: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau

Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM

Trong đó:

Tg là chiều dài của khoảng bảo vệ

Τmax là trễ lớn nhất của ký tự.max là trễ lớn nhất của ký tự

Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax <Tx<Tg

Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM

1.5.6 Biến đổi cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần sốcao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phảinâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF

Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở,

đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần

1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM

Hình 1.4: Cấu trúc khung dữ liệu OFDM

Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương

M mức M-QAM

Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các sốphức Xk,m Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log2M N là số mẫu phức trongmột khung và m là chỉ số khung Hay nói cách khác, Xk,m là mẫu phức của sóng mangphụ thứ k trong ký tự OFDM thứ m

N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược FFT

để chuyển tín hiệu sang miền thời gian xn,m

Hình 1.5: Biến đổi IFFT và chèn CP

Sau đó n mẫu xn,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP

Hình 1.6: Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu

Và tín hiệu băng gốc trước khi nâng tần của một ký tự OFDM như sau:

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM

Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải đượcđiều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT Các dạng điềuchế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức d n = a n + jb n ở ngõ ra

Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM

1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM

 Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóngmang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả

sử dụng phổ

 Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằngcách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳngtương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

 Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sửdụng tiền tố lặp CP

 Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM

có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số

ở kênh gây ra Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã

ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc

sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần

 Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourierrời rạc một cách đơn giản và hiệu quả

 Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quảtrong các môi trường đa đường dẫn

1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM

Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:

 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn Tín hiệu OFDM là tổnghợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mangphụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn.Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để khônglàm méo dạng tín hiệu Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếchđại cao tần

 Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler.CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chínhxác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây

ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu

1.9 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay và trình bàynhững vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu vàphát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trongquá trình truyền Chương tiếp theo sẽ đề cập đến tổng quan mạng thông tin di động vàcác đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh truyền

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNGVÀ CÁC ĐẶC TÍNH

CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này ta sẽ biết thêm về sự phát triển của mạng di động và tình hình chung của mạng di động hiện nay Và đi sâu vào tìm hiểu kênh truyền vô tuyến có những ảnh hưởng đến tín hiệu như thế nào Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến

bị thay đổi, có thể bị vật chắn ngăn cách, thời tiết, tần số này nhiễu tần số khác Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này

đa truy cập phân chia theo mã CDMA vào những năm 2000

Thế hệ thứ tư ra đời có thế được xem là bước nhảy vô cùng to lớn trong công nghệtruyền thông khi khắc phục được băng thông hạn chế, đường truyền cao dù thuê bao di động với vận tốc cao, đó là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM

và đa truy cập phân chia theo không gian SDMA

Sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình phát triển của hệ thống truyền thông :

Hình 2.1: Sơ đồ các thế hệ của hệ thống thông tin di động

2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G: First Generation )

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1

Dung lượng (capacity) thấp

Kỹ thuật chuyển mạch tương tự (circuit-switched)

Xác suất rớt cuộc gọi cao

Chất lượng âm thanh rất kém

Không có chế độ bảo mật

Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến.Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể

2.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G: Second Generation )

Truyền thông di động ngày phát triển nhanh chóng, nhu cầu thuê bao ngày càng tăng nhanh nên hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần, mỗi dải tần dùng cho N kênh, mỗi kênh là một khe thời gian trong chu kì một khung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung

Hình 2.3: Sơ đồ của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2

Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

Giảm số máy thu ở BTS

Giảm nhiễu giao thoa

Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có

sự can nhiễu lẫn nhau

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương

tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây

2.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation)

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử dụng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G

và 2,5G Kỹ thuật WCDAM và CDMA-2000 đã được sử dụng trong thế hệ thứ 3

Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo băng thông rộng: truy cập Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện

Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh.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

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3

Dải tần tín hiệu rộng

Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp

Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ

và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA

Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi, chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt

2.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G: Fourth Generation)

Công nghệ di động thế hệ thứ 4 hiện nay đang được đầu tư phát triển, nó cho phép truyền dữ liệu bằng 2 đường: âm thanh và hình ảnh với dữ liệu khổng lồ Công nghệ 4G cho phép truyền và nhận với băng thông rộng tốc độ cao Cho phép truyền dữ liệu với tốc

độ 100Mb/s trong khi đang di chuyển và có tốc độ 1Gb/s khi người sử dụng cố định

Trong số những công nghệ tiên phong trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE, UMB

và WiMax Cả 3 đều sử dụng công nghệ anten mới, qua đó cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dẫn dữ liệu

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4

2.2.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây

Hệ thống thông tin không dây có thể chia ra làm 4 hệ thống cơ bản đó là: SISO, SIMO, MISO và MIMO

SISO Single Input Single Output

SIMO Single Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MIMO Multiple Input Multiple Output

Hình2.6: Phân loại hệ thống thông tin không dây

2.3 Các đặc tuyến kênh truyền vô tuyến

Trong thông tin di động, tín hiệu được truyền từ nơi này đến nơi khác bằng kênh truyền vô tuyến, đây là một môi trường vô cùng phức tạp Khi được truyền dẫn trong trong kênh vô tuyến, tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng của Fading đa đường, các loại tạp âm, giao thoa, nhiễu và suy hao rất lớn Tất cả những điều đó làm cho tín hiệu truyền bị bóp méo và việc khôi phục tín hiệu ở đầu thu sẽ trở nên khó khăn

2.3.1 Suy hao đường truyền

Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến thì càng truyền đi xa, công suất của tín hiệu sẽ trở nên yếu đi, ta nói rằng tín hiệu bị suy hao trên đường truyền Suy hao đường truyền dẫn xảy ra do: Sự chuyển động về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, không khí, và bi vật chắn, bị phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di

động tốc độ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở dướidạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Cho nên mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Công thức tính côngsuất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R

G P



(2.1)

Trong đó : PR là Công suất tín hiệu thu được (W)

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2

f G

G T 10 log R 20 log 20 log 47 6 log





2.3.2 Hiện tượng multipath fading

Sóng vô tuyến truyền từ máy phát đến máy thu sẽ chạm phải rất nhiều vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa, xe cộ, đường xá gây ra các hiện tượng sau đây: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ

- Phản xạ (Reflection): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm vào các bề mặt tương đối bằng phẳng (tia sóng B trên hình 2.7)

- Nhiễu xạ (Difraction): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm phải những vật cản có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng.(tia sóng c trên hình 2.7)

- Tán xạ (Scattering): Xảy ra khi sóng vô tuyến chạm phải những vật cản không bằng phẳng và có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài bước sóng Có rất nhiềuvật cản làm cho sóng vô tuyến bị phản xạ, điển hình là cây cối (tia sóng D trên

(2.3)

Hình 2.7: Các hiện tượng xảy ra khi truyền sóng vô tuyến

Các sóng phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ này sẽ lại lan toả tiếp trong không gian để đến máy thu Như vậy, máy thu sẽ nhận được vô số những bản copy của tín hiệu phát từ nhiềuđường khác nhau với biên độ, thời gian đến và góc pha khác nhau Tại đây, tín hiệu từ các đường khác nhau được cộng với nhau tạo nên tín hiệu thu cuối cùng Vì các tín hiệu này có góc pha khác nhau nên nếu chúng đồng pha sẽ tạo nên hiện tượng cộng tích cực, biên độ của tín hiệu sẽ được cải thiện, nhưng nếu chúng ngược pha thì sẽ triệt tiêu lẫn nhau Do đó hiện tượng multipath fading sẽ làm cho biên độ và góc pha của tín hiệu thu thay đổi liên tục theo thời gian và nếu bị fading trầm trọng (deep fading) thì tín hiệu sẽ bị méo mó và rất khó khôi phục lại dạng ban đầu Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền

mà tín hiệu trong kênh

2.3.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường

Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệutrực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Hình 2.10: Hiện tượng đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn

và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian Khoảng trải trễ DS (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu 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

c

v f

Trong đó: A là biên độ, f C là tần số phát, f D độ dịch tần Doppler:

(2.6b)Trong môi trường thực tế, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường phản xạ cókhoảng cách khác nhau và góc đến khác nhau Vì vậy, khi phát một sóng sin có thêm độ

dịch Doppler, khi thu sẽ có phổ mở rộng từ f C(1−v /c) và f C(1+v/c) được gọi là

phổ Doppler Khi tất cả các hướng di chuyển của trạm di động hoặc tất cả các góc tớiđược giả sử là có xác suất bằng nhau, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu thu được chobởi:

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng 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 biên độ tuân theo phân bố Gaussian Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.

Nhiễu nhiệt là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đếnkênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầuhết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tácđộng trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễunày thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

2.3.6 Nhiễu liên ký tự ISI

ISI được định nghĩa là nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ gây ra giao thoa giữa những ký tựcạnh nhau dẫn đến méo dạng ký tự và máy thu sẽ giải mã sai ký tự này Hiện tượng fading đa đường, trải trễ làm cho ký tự bị trải năng lượng sang những ký tự lân cận, điều này làm cho ký tự được gửi trước sẽ gây nhiễu lên ký tự đang gửi hiện hành Đây là nguyên nhân dẫn đến ISI

Hình 2.12: Nhiễu ISI

Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được

và giải pháp để giảm nhiễu ISI chính là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM

2.3.7 Nhiễu liên sóng mang ICI

ICI được định nghĩa là nhiễu liên sóng mang ICI sẽ làm cho các sóng mang cạnh nhau của hệ thống chồng lấn lên nhau và do đó chất lượng tín hiệu thu sẽ giảm đáng kể

f n-1 + δf=0f f n + δf=0f

+ fn+1+ δf=0f Δff

δf=0f ≠ 0

Hình 2.13:Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM

Đối với hệ thống OFDM, ICI gây ra nhiễu xuyên giữa các sóng mang con của cùng một Symbol OFDM ICI phá hủy tính trực giao của sóng mang con, dẫn đến tín hiệu bị nhiễu nghiêm trọng và khó có thể khôi phục được Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập tần số trực giao làm tập tần số của các sóng mang con

2.3.8 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean

Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyền thẳng LOS Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm ta chứng minh được đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền gọi là kênh truyền Rayleigh fading

Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản

xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng NLOS không đóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền phân bố Rice nên kênh truyền gọi là kênh truyền Ricean fading

Tín hiệu tới máy thu có dạng:

ix t t

y

1

) (

)

(2.8)Các hệ số suy hao i là các hệ số phức nên viết dưới dạng:

) (

) ( ) ( )

) ( )

t

t tg

Hình 2.14: Hàm mật độ xác xuất Rayleigh và Ricean

2.4 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 h(t) (đáp ứng kênh truyền) 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 propagation 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 tại nên một hiện tượng giống như sự “tán sắc” và rồi sẽ tạo ra nhiều đường truyền tới bên thu, sự kết hợp ngẫu nhiên của tín hiệu này xem như là multipath fading Để đặc trưng và mô phỏng, phân tíchcho một kênh truyền multipath fading ta sử dụng hàm mô tả cho 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 paths 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 block-fading Trên một kênh multipath với L channel tap gain thì PDP được cho bởi p:

2.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM

Điều chế biên độ cầu phương 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 Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang và 2 sóng mang này được dịch pha nhau một góc 900 Tín hiệu tổng hợp của 2 sóng mang này vừa có dạng vừa điều biên vừa điều pha

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

Điều chế:

Hình 2.14: Điều chế QAM ở bên phát

Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế vào thành m chuỗi tín hiệu nhị phân Bộ biến đổi 2/L có chức năng chuyển đổi chuỗi nhị phân thành chuỗi tín hiệu có L = √ M

mức Ta có mối quan hệ giữa m và L mức như sau: mωt=log2L

Hình 2.15: Hình ảnh chòm sao minh họa điều chế QAM

Giải điều chế :

Hình 2.16:Giải điều chế QAM ở bên thu

Tín hiệu M-QAM vào: Q(t )=a(t ).cosωt0( t )+b(t ) sin ωt0( t )

Tín hiệu chuẩn Qreft 1=2.cos ωt0( t ) ;

Qreft 1=2.sin ωt0( t ) ;

Sau khi loại bỏ thành phần hài bậc cao ở các bộ lọc thông thấp ta sẽ có:

QLPF1= a(t ) ; QLPF2= b(t )

Biên độ tín hiệu giải điều chế có L= √ M mức, trong đó M là số trạng thái tín

hiệu Tín hiệu L mức được biến đổi bởi bộ biến đổi ADC thành n/2 tín hiệu 2 mức, trong

đó L=2nωt /2 và M=Lalignωtl ¿2¿¿¿

2.6 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM

2.6.1 Tín hiệu phát và thu OFDM

Giả sử điều chế QAM với M mức Mã hóa dòng bits sẽ được một chuỗi của Q bits

dữ liệu { dk,mωt} trong đó Q=log2M và dk ,mωt=[ dk ,mωt,0,dk ,mωt,1, ,dk ,mωt,Q−1]T

Chuỗi bits đó được ánh xạ tới symbol phức Xk ,mωt Trong đó m,k tương ứng là ký hiệu

của OFDM symbol thứ m và sóng mang con thứ k

Hình 2.17: Mô tả chi tiết symbol OFDM

Mỗi OFDM symbol bao gồm N sóng mang con mang thông tin Xk ,mωt , 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:

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

là samples nhận được trong miền thời gian

2.6.2 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 2.18: Mô tả điều chế số ở bên phát và bên thu

Ở bên thu giả sử 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+nωt (2.14)

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 phảibiết được h Giải quyết vấn đề này ta phải mô hình hóa thông số h Với hệ thống di động 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

( α i -physical path) Nhóm các physical path có công suất xấp xỉ giống nhau ta được

một channel tap gain ( l ) Ta giả sử có L channel tap gain Như vậy l = [0, 1, , L-1]

Mặt khác ứng với mỗi channel tap gain sẽ ứng với một đáp ứng kênh truyền hl ta sẽ

có ứng với một OFDM symbol:

sau:

hl

= √ pl/ 2.ranωtdnωt(l )

(2.14)Trong đó ranωtdnωt(l ) là hàm ngẫu nhiên.

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]

.Kênh truyền của chúng ta là block-fading nên tại sóng mang con thứ k, ở một nhánh của anten thu thì với bất cứ một symbol OFDM nào trong đều cho thông số H nhưnhau Điều này được minh họa như hình dưới đây:

Tiếp theo chúng ta sẽ nghiên cứu 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:

(2.17)

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN 3.1 Giới thiệu chung

Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảmảnh hưởng của fading nhiều tia và tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần tăng công suất phát hay thay đổi băng thông

Trong chương này, ta sẽ trình bày về các kỹ thuật phân tập và nghiên cứu hai kỹ thuật phân tập phát Alamouti và phân tập thu kết hợp

3.2 Tổng quan về kỹ thuật phân tập

Phân tập (diversity) là một khái niệm rất phổ biến và quen thuộc trong viễn thông đặc biệt là thông tin di động Trong lĩnh vực viễn thông ta có thể có một khái niệm về phân tập như sau:

 Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằngcách 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 thànhmột tín hiệu tốt nhất

Như vậy mục đích chính của phân tập là giúp bên thu có thể thu được một tín hiệu gần nhất với tín hiệu phát 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

Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát ở máy thu Các bản saonày đều chứa một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan trong thống kêfading Ý tưởng cơ bản của phân tập là, nếu nơi thu nhận hai hay nhiều mẫu độc lập củatín hiệu một cách độc lập thì các mẫu này cũng bị suy giảm độc lập với nhau

3.2.1 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

Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu, như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

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 xâydựng 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 lỗitrong một khoảng thời gian dài hơn và do vậy sẽ dễ dàng để xây dựng lại tín hiệu gốc

do vậy phải cân bằng giữa khả năng kháng nhiễu và trễ truyền sinh ra do việc thực hiện

kỹ thuật phân tập thời gian

Như vậy, nhược điểm chính của kỹ thuật này là cần phải tạo ra độ dự phòng trong