Ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMO OFDM

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDMKỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. Kỹ thuật này cho phép truyền dữliệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả. Ngoài ra OFDM có đặc điểm nổi bật là khả năng chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ thống thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Đặc biệt đối với kênh truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được. Vì vậy nắm được các đặc tính kênh truyền sẽ giúp lựa chọn cấu trúc, thông số phù hợp cho hệ thống.Chương 2: Hệ thống MIMOOFDMMIMOOFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống. Chương 2 trình bày về hệ thống MIMO và các các dạng cấu hình của nó, các kỹ thuật phân tập của, hệ thống MIMOOFDM kết hợp và mô hình toán học của nó.Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDMTrong hệ thống MIMO, máy phát sử dụng nhiều anten để truyền tín hiệu với máy thu (một máy thu có thể có nhiều anten), đây chính là kỹ thuật SDMA. Hệ thống này kết hợp với sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ làm tăng đáng kể năng lực truyền thông băng rộng hông dây. Tuy nhiên, tại mỗi thuê bao, ngoài tín hiệu mong muốn thu được còn có các thành phần không mong muốn khác mà về mặt công suất là tương đương với tín hiệu mong muốn. Kỹ thuật tiền mã hóa giúp loại bỏ những thành phần nhiễu này.Các phương pháp tiền mã hóa được chia làm hai loại chính: tuyến tính (như phương pháp Zeroforcing, MMSE) và phi tuyến (như DPC, THS). Các phương pháp phi tuyến cho độ chính xác cao nhưng phức tạp, thực hiện khó khăn, trong khi đó các phương pháp tuyến tính cho kết quả chấp nhận được với việc thực hiện đơn giản hơn nhiều.Các phương pháp tiền mã hóa trình bày trong đồ án:Phương pháp Zeroforcing (ZF)Đây là phương pháp tuyến tính tiền mã hóa tuyến tính dùng đề loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các người dùng. Ma trận tiền mã hóa W được nhân vào tín hiệu trước khi phát đi. Ma trận này được xác định dựa vào thông tin kênh truyền H hồi tiếp về trạm phát và được tính bằng:W = HH (HHH)1Phương pháp Block Diagonalization (BD)Đây là một phương pháp tiền mã hóa mở rộng của phương pháp ZF khi thuê bao có nhiều anten thu. Ngoài việc loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì còn phải loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten thu.Sau khi loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì tín hiệu thu được có dạng: yn = Hn Wn s + zLoại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten bằng cách nhân với ma trận trọng số w sao cho wHnWn = 1.Phương pháp Dirty Paper Coding (DPC)Với kỹ thuật DPC, việc thiết kế ma trận tiền mã hóa không chỉ dựa trên thông tin kênh truyền mà còn dựa vào mối liên hệ lẫn nhau về thông tin giữa tín hiệu nhiễu của mỗi người dùng tại trạm phát. Ma trận tiền mã hóa trong phương pháp DPC có thể tìm được từ khối ma trận tam giác L như sau:Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDMChương này sẽ đi thực hiện mô phỏng để đánh giá các phương pháp tiền mã hóa trong việc nâng cao chất lượng hệ thống. Qua đó có sự so sánh, nhận xét các kết quả có phù hợp với lý thuyết đã trình bày hay không.Kết quả mô phỏng:Hình 1: BER của các phương pháp ZF, BD, DPCNhận xét:BER của hệ thống giảm khi tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu.Cùng một mức SNR thì BER của phương pháp DPC là tốt nhất.Hình 2: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê baoHình 3: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê baoNhận xét:BER của hệ thống giảm khi số thuê bao tăng lên ở cùng một mức SNR.BER của hệ thống sẽ tiệm cận đến một mức giới hạn khi số lượng thuê bao tăng lên.3. Kết luậnKỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của hệ thống MIMOOFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao. Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMOOFDM, đồ án án đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC. Bên cạnh đó, đồ án cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có cái nhìn toàn diện hơn về hệ thống MIMOOFDM.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 1

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM 8

1.1 Giới thiệu chương 8

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Sự trực giao 10

1.3 Sơ đồ khối OFDM 11

1.3.1 Mã hóa kênh 12

1.3.2 Khối xen rẽ 13

1.3.3 Khối MQAM-mapping 13

1.3.4 Khối IFFT/FFT 14

1.3.5 Tiền tố lặp (CP) 14

1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM 16

1.5 Các đặc tính của OFDM 18

1.5.1 Ưu điểm 18

1.5.2 Nhược điểm 18

1.6 Các đặc tính kênh truyền 19

1.6.1 Fading 19

1.6.2 Hiệu ứng đa đường 20

1.6.3 Hiệ ứng Doppler 22

1.6.4 Suy giảm tín hiệu 23

1.6.5 Trãi trễ 23

1.6.6 Nhiễu AWGN 23

1.6.7 Nhiễu liên ký tự ISI 24

1.6.8 Nhiễu liên sóng mang ICI 24

1.7 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 27

2.1 Giới thiệu chương 27

2.2 Hệ thống MIMO 27

2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO 27

2.2.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO 28

2.2.3 Các kỹ thuật phân tập 29

2.2.3.1 Phân tập theo thời gian 29

2.2.3.2 Phân tập theo không gian 30

2.2.3.3 Phân tập theo tần số 31

2.3 Hệ thống MIMO-OFDM 31

2.3.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM 31

2.3.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 32

2.4 Kết luận chương 33

CHƯƠNG 3:KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 34

3.1 Giới thiệu chương 34

3.2 Giới thiệu kỹ thuật SDMA 34

3.3 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa 35

3.3.1 Mục đích của tiền mã hóa 35

3.3.2 Phân loại tiền mã hóa 37

3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM 37

3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing (ZF) 38

3.5.1 Giới thiệu 38

3.5.2 Thuật toán tiền mã hóa ZF 40

3.6 Kỹ thuật tiền mã hóa Block Diagonalization (BD) 41

3.6.1 Giới thiệu 41

3.6.2 Thuật toán BD 42

3.7 Kỹ thuật tiền mã hóa Dirty Paper Coding (DPC) 43

3.7.1 Giới thiệu 43

3.7.2 Thuật toán tiền mã hóa DPC 44

3.8 Lựa chọn người dùng 46

3.9 Kết luận chương 47

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓATRONG HỆ THỐNG

MIMO-OFDM 48

4.1 Giới thiệu chương 48

4.2 Sơ đồ tổ chức công việc 48

4.3 Lưu đồ thuật toán 49

4.4 Kết quả mô phỏng 50

4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC 50

4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC theo mức điều chế 51

4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao 53

4.5 Kết luận chương 54

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 58

DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Addition White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

ADC Analog-to-Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số

DAC Digital-to-Analog Chuyển đổi số sang tương tự

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sốFDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo tầnsố

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc đảoIFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ raM-QAM M Quadrature Amplitude

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần sốtrực giao

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công

suất trung bìnhQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phươngQPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

không gianSINR Signal Interference to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can

nhiễu

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu thông tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúcmọi nơi Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biếnvới số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng Do đó, yêu cầu đặt ra cho hệ thốngviễn thông ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượngtốt và tốc độ cao Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của cácdịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theotần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát vàthu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiệnnay Tuy nhiên, với số lượng thuê bao rất lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMO-OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bịsuy giảm rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao

Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống OFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ Một trong số các phương phápđưa ra là kỹ thuật tiền mã hóa Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băngtần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liênthuê bao

MIMO-Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu

kỹ hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ứng

dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống OFDM”

MIMO-Đồ án bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM

Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

Đồ án này sẽ tìm hiểu và giải quyết các vấn đề liên quan đến tiền mã hóa vàđưa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềm Mathlab

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều nhưng với kiếnthức còn hạn chế của mình thì không khỏi mắc những sai sót, kính mong quý thầy

cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt làthầy Tăng Tấn Chiến đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên giúp đỡ

em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụngrộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến Kỹ thuật này cho phép truyền

dữ liệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả Đặc biệt nhiềuchuẩn mạng không dây như Wifi, DVB, LTE… đã ứng dụng kỹ thuật OFDM nhưmột phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di động tốc độ cao trongthời gian tới

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn mới và có nhiều ưu điểm so với các kỹthuật truyền thống Trong hệ thống thông tin di động, yếu tố kênh truyền ảnh hưởngrất lớn đến chất lượng hệ thống cho dù sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nào đi chăngnữa Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về OFDM và các đặc tính kênhtruyền để thấy được các ưu, nhược điểm của nó cũng như các yếu tố ảnh hưởng đếnchất lượng của hệ thống

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trêncác kênh băng hẹp Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất

hiệu quả để khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) trong việc trải trễ fading đađường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ tại vị trí bắt đầu của mỗi ký tự.

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng tần rấtgần nhau, do đó chúng sẽ chồng lấn lên nhau khi điêu chế các tín hiệu Vì vậy cácmáy thu phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều chế chúng chính xác Với các

kỹ thuật trước đây như FDM, các tín hiệu phải tách biệt nhau khi truyền đi để máythu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và khoảng băng bảo vệ giữa chúng Tuy nhiênvới những cải tiến của kỹ thuật OFDM thì máy thu vẫn thu được tín hiệu mà không

bị nhiễu mặc dù phổ của sóng mang chồng lấn lên nhau nhờ vào tính trực giao cácsóng mang

Hình 1.1: So sánh hiệu quả sử dụng phổ của FDM và OFDM

Một yêu cầu quan trọng đối với hệ thống thu và phát OFDM là chúng phảituyến tính Các sóng mang sẽ bị nhiễu do méo xuyên điều chế nếu hệ thống có bất

kỳ sự phi tuyến nào Khi méo phi tuyến xảy ra sẽ xuất hiến những tín hiệu khôngmong muốn và tính trực giao ban đầu cũng mất đi

Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệucủa hệ thống đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của

bộ RF ở đầu ra máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh trong khi công suất đỉnh

trung bình rất thấp Hạn chế công suất đỉnh là một phương pháp để khắc phục trongmột số hệ thống Tuy nhiên việc hạn chế này gây méo tín hiệu và làm cho lỗi caohơn Để giảm lỗi, hệ thống phải sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi để nâng cao chấtlượng Việc sử dụng phép biến đổi IDFT trong điều chế và phép biến đổi DFT tronggiải điều chế của kỹ thuật OFDM cũng làm tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát vàmáy thu Ngày nay, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng IFFT/FFT

để giảm bớt độ phức tạp của hệ thống

1.2.2 Sự trực giao

Orthogonal là thuật ngữ đề cập mối quan hệ chính xác về mặt toán học giữacác tần số sóng mang của hệ thống OFDM Trong FDM, các sóng mang thườngđược đặt cách nhau một khoảng dải tần để các tín hiệu không bị can nhiễu và có thểthu chúng bằng các bộ giải điều chế và bộ lọc thông thường Vì vậy các khoảng bảo

vệ giữa các sóng mang cần được dự liệu trước và việc sử dụng khoảng bảo vệ nàylàm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống Trong kỹ thuật OFDM, các sóngmang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà máy thuvẫn có thể thu được chính xác các tín hiệu không có can nhiễu giữa các sóng mang.Muốn đạt được điều này thì các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học.OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một sốsóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp tất cả sóng sin này.Mỗi sóng mang có một chu kỳ sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết

1.3 Sơ đồ khối OFDM

Xét hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M-QAM

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy phát OFDM

Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu OFDM

Dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được mã hóa (thông qua bộ Conv.Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaving).Sau đó các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số bằng bộ QAM mapping.Cóthể chèn pilot để phục vụ ước lượng kênh Dòng dữ liệu tiếp tục được đưa vào bộchuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P) sau đó đưa vào bộ IFFT để chuyển đổi dữliệu từ miền tần số sang miền thời gian Chèn tiền tố lặp (CP) để giảm nhiễu liên ký

tự (ISI) và nhiễu xuyên kênh Dữ liệu tiếp tục được chuyển đổi từ song song thànhnối tiếp thông qua bộ P/S, dữ liệu được điều chế cao tần, khuếch đại công suất vàphát đi thông qua anten

Tại máy thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và được đưa qua bộADC thành tín hiệu rời rạc Tiền tố lặp được loại bỏ và tín hiệu được chuyển đổi từmiền thời gian sang miền tần số thông qua bộ FFT Tín hiệu tiếp tục được giải điềuchế bằng phương pháp tương ứng với bên phát sau đó được sắp xếp lại và giải mã.Thông qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp ta sẽ thu lại được tín hiệu banđầu

trong đó độ dư thêm của mã sửa lỗi nhiều hơn mã phát hiện lỗi để bên thu có thểphát hiên và sửa lỗi mà không phải truyền lại Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là

mã khối và mã chập

1.3.2 Khối xen rẽ

Trong OFDM, để khắc phục lỗi chùm thường xuất hiện trong thông tin đasóng mang do fading, người ta kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ Kỹ thuật xen rẽchuyển đổi lỗi chùm thành lỗi ngẫu nhiên để bộ mã hóa kênh có thể khắc phục dễ

và có tính bảo mật tốt hơn Với kỹ thuật điều chế nhiều mức như M-QAM trongđiều chế số cho tốc độ bit cao hơn nhiều so với điều chế tương tự ở cùng băngthông Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độtruyền dẫn và chất lượng truyền dẫn

Hình 1.6: 4-QAM

Khi sử dụng điều chế QAM, sẽ có lần lượt log2M bit được đưa đến đầu vào

và sau khi ánh xạ thì sẽ là một trong M vị trí trong mặt phẳng phức Khi giải điềuchế, ta chỉ cần biết vị trí tọa độ trong mặt phẳng phức thì ta sẽ biết được bit đó là bitnào

1.3.4 Khối IFFT/FFT

Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóngmang con Cụ thể là mỗi kênh con cần một bộ điều chế và giải điều chế, một máyphát sóng sin Vì vậy khi số lượng kênh con khá lớn thì cách làm trên không hiệuquả Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng khối biến đổi IDFT/DFT để tạosóng sin, điều chế và giải điều chế trên mỗi kênh con Để giảm độ phức tạp, cồngkềnh của hệ thống, thuật toán IFFT/FFT được sử dụng làm cho phép biến đổi nhanhhơn

1.3.5 Tiền tố lặp (CP)

Tiền tố lặp là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đếnmức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự, nhiễu liên kênh đến tín hiệuOFDM, 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 OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần

lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gianbảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thờigian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) vàthời gian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộIFFT/FFT phát đi một ký tự).

Hình 1.8: Tiền tố lặp CP

Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạnchế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loạihình ứng dụng khác nhau Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ

thống Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax nhằm

duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các nhiễu ICI,ISI Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền

trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, tức là tín hiệu thuđược tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản

xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau Giátrị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữathời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được quađường phản xạ

Ngoài khái niệm tiền tố lặp còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix.Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFTđược sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu Thêm vào hậu tố cũng có thểchống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nólàm giảm hiệu suất băng thông Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nóphải lớn hơn trải trễ lớn nhất Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổngchiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền

1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Xét một ký tự OFDM gồm N sóng mang phụ, với N là kích thước của phépbiến đổi FFT và IFFT

Hình 1.9: Cấu trúc của ký tự OFDM

N sóng mang phụ sau khi được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song đượcđưa vào khối IFFT để chuyển từ miền tần số sang miền thời gian.

Hình 1.10: Biến đổi IFFT và chèn CP

Sau khi chèn CP, cấu trúc của tín hiệu OFDM được truyền đi như sau:

Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi

Tín hiệu OFDM phát được biểu diễn dạng toán học như sau:

(1.3)

Tín hiệu thu của mẫu thứ n trong ký tự OFDM thứ m sau khi qua kênhtruyền fading và nhiễu:

(1.4)

2 1

Trong đó: n ∈ {0,…,N-1}

hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền

zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian với công suất nhiễu N0Nếu chiều dài Ng của tiền tố lặp thỏa mãn Ng ≥ L-1 thì không xảy ra nhiễuliên ký tự Sau khi loại bỏ CP và thực hiện FFT, mẫu tín hiệu nhận được trong miềntần số được biểu diễn như sau:

(1.5)

không đổi theo thời gian thì ρk,m bằng 0 Ký tự QAM truyền đi được khôi phục lại

 Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đườngbằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền conphẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau

 Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang và nhiễu liên ký tự bằng cáchchèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM

 Nhờ sử dụng các biện pháp chèn kênh và mã hoá kênh thích hợp nên hệthống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệuứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra

 Thích hợp cho các hệ thống không dây tốc độ cao và hiệu quả trong các môitrường truyền dẫn đa đường

2 1

 Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu đểgiảm ảnh hưởng của ICI, ISI.

 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) là lớn vì tín hiệuOFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau.Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên

độ rất lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm chongõ ra bằng 0 Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rấtlớn

1.6 Các đặc tính kênh truyền

1.6.1 Fading

Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệthống thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống Đặc biệt đối vớikênh truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được Nóhoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Qua kênh truyền vôtuyến, tín hiệu phát đi bị cản bởi các vật cản, bị phản xạ, tán xạ,… và kết quả là máythu sẽ thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu đã phát Vấn đề này đượchiểu là fading Tín hiệu sẽ bị thay đổi thất thường và nhanh chóng suy giảm về chấtlượng khi có hiện tượng fading Điều này gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệthống thông tin di động Vì vậy, nắm vững các đặc tính kênh truyền trong thông tin

di động sẽ giúp chúng ta có lựa chọn thích hợp cho cấu trúc của hệ thống cũng nhưcác thông số để giúp nâng cao chất lượng

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hailoại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độsuy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịuảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình giữa máy phát và máy thu Người ta nói phíathu được bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầmrộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.Fading tầm nhìn rộng thì được sinh ra bởi hai yếu tố chính suy hao đường truyền(path loss) và che chắn (shadowing) Path loss của tín hiệu như là một hàm củakhoảng cách Trong khi đó shadowing như là các vật cản lớn như tòa nhà, đồi núi

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điềunày xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bướcsóng) giữa phía phát và phía thu Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biếnđổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổiđường truyền sóng

Ảnh hưởng của fading là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc nàycường độ tín hiệu thu sẽ bị suy giảm, méo đáng kể vì thay đổi đáng kể Tính dichuyển của các thuê bao trên khoảng cách lớn (>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địahình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao và công suất thu thay đổi chậm Có rất nhiều các kỹthuật khác nhau được sử dụng để khắc phục fading nhưng cách phổ biến nhất vàthường được dùng nhất là phân tập không gian.Trong thông tin di dộng tốc độcao,sự phân tập khắc phục tốt được hiện tượng fading

1.6.2 Hiệu ứng đa đường

Trong hệ thống thông tin di động, các bức xạ điện từ phát ra từ anten máyphát gần như không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu do luôn có sự tồntại của các vật cản giữa chúng Vì vậy tín hiệu nhận được là sự chồng chập của các

sóng đến từ các hướng khác nhau do hiện tượng phản xạ, tán xạ, khúc xạ… từ cácvật cản Hiện tượng này gọi là sự truyền sóng đa đường.

Hình 1.12: Hiệu ứng đa đường trong thông tin di động

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệuphát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộcvào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc

bị hư hỏng hoàn toàn Một trong những hệ quả của hiện tượng đa đường mà chúng

ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộthu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sựphối hợp về pha Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽtăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha.Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha 1800 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu.Một hệ quả nữa của hiện tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thànhnhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhaugây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênhtruyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiệntương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méogây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằngcác bộ cân bằng.

1.6.3 Hiệ ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thugây ra Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệutại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là : khi nguồn phát vànguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu sẽ giảm đi, khi nguồn phát vànguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát

đi Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler

Dịch tần số Doppler tỉ lệ với tốc độ chuyển động và phương chuyển độngcủa máy thu so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường DịchDoppler fD có thể được biểu diễn như sau :

Hình 1.13: Hiệu ứng Doppler

1.6.4 Suy giảm tín hiệu

Suy hao là do suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểmkhác Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng

đa đường Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Phương trình tính công suất thuđược sau khi truyền qua khoảng cách d :

1.6.6 Nhiễu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủyếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô(inter-cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự,nhiễu liên sóng mang và nhiễu liên điều chế (IMD: Inter-ModulationDistortion) Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu, giảm hiệu quả phổ của

hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quảphổ của hệ thống phải được lựa chọn.

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng mộtcách 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 độphổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bốGaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Vậy dạngkênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra)

là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyềndẫn 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 cộngtác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của cácloại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

1.6.7 Nhiễu liên ký tự

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng củakênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Nhiễu ISI gây ra do trải trễ đađường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiệnnay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thểthực hiện được Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế

là chèn tiền tố lặp vào mỗi ký tự OFDM Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác độngkhông nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rấtquan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảngthời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ

ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là cónhiễu liên ký tự Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tựOFDM với ký tự trước đó Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI,phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp

1.6.8 Nhiễu liên sóng mang

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giaovới sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóngmang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Máy thu lấy mẫu các ký tự

dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránhnhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cậnđược xem là nhiễu xuyên kênh

Hình 1.14: Lỗi dịch tần số gây ra nhiễu ICI trong OFDM

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM DịchDoppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang,kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bịnhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễuICI trong hệ thống OFDM

1.7 Kết luận chương

Kỹ thuật OFDM là một trong những kỹ thuật tiên tiến, mang lại hiệu quả vànâng cao chất lượng của hệ thống thông tin di động Qua chương này, chúng ta thấyđược những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu tốt,hiệu quả sử dụng phổ cao, hạn chế được ảnh hưởng của fading, nhiễu xuyên kênhkết hợp… Kỹ thuật này thích hợp cho những hệ thống vô tuyến yêu cầu tốc độ cao

và truyền dẫn trong môi trường đa đường Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có nhữnghạn chế nhất định như rất nhạy với dịch tần số, tỉ số PAPR lớn cần được khắc phục.Chương này cũng đã trình bày về các đặc tính kênh truyền trong hệ thống thông tin

di động Kênh truyền trong thực tế rất phức tạp, gây nhiều ảnh hưởng đến hệ thốngnhư fading, hiệu ứng đa đường,… làm suy giảm tín hiệu, nhiễu, biến đổi tín hiệu tạiđầu thu dẫn đến suy giảm chất lượng của hệ thống

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO-OFDM

2.1 Giới thiệu chương

MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuậtOFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thướccủa máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống Đây là một giảipháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương này chúng ta sẽ đivào tìm hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, các kỹ thuật phân tập của nó,

hệ thống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó

2.2 Hệ thống MIMO

2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống thông tin điểmđiểm sử dụng đa anten phát và thu Nhờ vậy hệ thống có thể cung cấp phân tập phát

và thu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như tang tốc độ truyền, giảm BER,tăng vùng phủ sóng mà không cần tang công suất hay tăng băng thông

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO ra đời vào khoảng năm 1984 do Jack Winters của phòng thínghiệm Bell xin cấp bằng sáng chế với việc sử dụng đa anten trong vô tuyến Từ đó

đến nay có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống này Đến năm 2004, IEEE bắt đầunghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp với kỹ thuật OFDM vàđưa ra thử nghiệm vào năm 2006 Từ đó hệ thống MIMO được sử dụng ngày càngrộng rãi góp phần giải quyết vấn đề tiết kiệm băng thông và giảm công suất cho hệthống vô tuyến.

2.2.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO

Khái niệm MIMO (Multiple Input Multiple Output) trong thông tin vô tuyến

có thể hiểu Input là máy phát và Output là máy thu Hệ thống MIMO sử dụng nhiềucấu hình khác nhau, dựa trên số lượng anten phát và thu có thể phân loại thành:

- SISO - Single Input Single Output

- SIMO - Single Input Multiple Output

- MISO - Multiple Input Single Output

- MIMO - Multiple Input multiple Output

Hệ thống SISO

SISO là cấu hình đơn giản nhất của hệ thống MIMO Đây là một kênh truyền

vô tuyến đúng chuẩn Trong hệ thống này máy phát và máy thu chỉ sử dụng mộtanten để truyền nhận tín hiệu Ưu điểm lớn nhất của hệ thống này chính là sự đơngiản Tuy nhiên ảnh hưởng của nhiễu và fading là rất lớn do không sử dụng kỹ thuậtphân tập

Hệ thống SIMO

SIMO sử dụng một anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu Phươngpháp này còn được gọi là phân tập thu Hệ thống này có khả năng chống được cácảnh hưởng của fading do máy thu sẽ thu được các tín hiệu độc lập nhau từ nguồn.Việc thực hiên hệ thống này là khá dễ dàng nhưng yêu cầu máy thu phải có bộ xử lýphức tạp

Hệ thống MISO

MISO sử dụng nhiều anten tại máy phát với kỹ thuật phân tập phát Dữ liệu

sẽ được truyền đi bằng nhiều anten tại trạm phát Hệ thống này giúp giảm độ phứctạp của thiết bị thu do các quá trình xử lý đã chuyển sang máy phát

Hệ thống MIMO

MIMO là dạng cấu hình tổng quát nhất, nó sử dụng đa anten tại máy phát vàmáy thu Hệ thống này quy tụ được các ưu điểm của các dạng cấu hình trên Vớiviệc sử dụng cả phân tập phát và thu thì dung lượng của hệ thống được tăng lênđáng kể, khả năng chống nhiễu và fading rất tốt Tuy nhiên chi phí là một vấn đềcần tính toán cân bằng cho hệ thống Vì vậy thùy theo yêu cầu của các dịch vụ màchúng ta chọn dạng cấu hình cho phù hợp

2.2.3 Các kỹ thuật phân tập

Một kênh truyền vô tuyến có thể bị ảnh hưởng của các đặc tính kênh truyền

vô tuyến như sự suy giảm tín hiệu, fading, hiệu ứng đa đường … làm giảm SNRbên phía đầu thu Một phương pháp hiệu quả để làm giảm ảnh hưởng của fading là

sử dụng kỹ thuật phân tập để cung cấp cho đầu thu các phiên bản khác nhau củacùng một tín hiệu Những phiên bản này bị ảnh hưởng khác nhau của yếu tố kênhtruyền và hầu như chúng khác nhau Do đó phân tập làm cho kênh truyền ổn địnhhơn, làm tăng hiệu suất kênh truyền và giảm được xác suất lỗi của kênh truyền Cónhiều kỹ thuật phân tập khác nhau như phân tập theo không gian, phân tập theo tần

số, phân tập theo thời gian

2.2.3.1 Phân tập theo thời gian

Phân tập theo thời gian: trong kỹ thuật này, một bản tin được truyền ở các thờiđiểm khác nhau Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất truyền tải, nhưng

nó làm giảm tốc độ dữ liệu khi đó dữ liệu được lặp đi lặp lại trong khe thời gianphân tập so với là gửi dữ liệu trong các khe thời gian khác Nhưng kỹ thuật nàycũng có nhược điểm là ở đầu thu phải chờ một khoảng thời gian để xử lý tín hiệu,không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực

Do tính chất ngẫu nhiên của fading, các tín hiệu chịu ảnh hưởng fading ngẫunhiên khác nhau nếu khoảng thời gian lấy mẫu đủ lớn do đó các tín hiệu khôngtương quan với nhau Khoảng thời gian cần thiết để thu được các tín hiệu trongthông tin di động thu được không tương quan nhau:

Tc = c / (2vfc) (2.1)Trong đó:

c = 3.108 m/sv: vận tốc của thuê bao di động

fc: tần số sóng mangCác hệ thống di động gần đây đã sử dụng mã sửa lỗi kết với với xen kẽ tín hiệu để tạo ra phương pháp phân tập theo thời gian mới Phương pháp này chỉ phù hợp với kênh truyền fading biến đổi nhanh

2.2.3.2 Phân tập theo không gian

Phân tập theo không gian: là kỹ thuật thu hay phát một tín hiệu trên 2 hoặcnhiều anten với cùng một tần số vô tuyến Khoảng cách giữa các anten được chọnsao cho các tín hiệu riêng biệt thu không tương quan nhau Nghĩa là hệ số tươngquan bằng 0 Nhưng trong thực tế không đạt được giá trị này Theo khuyến nghị củaCCIR, người ta chọn khoảng cách giữa các anten sao cho hệ số tương quan khôngvượt quá 0,6 Bằng cách mô phỏng nhiều lần để tìm hai vị trí tốt nhất cho anten, khikhông tính được vị trí thì khoảng cách hai anten phải lớn hơn 150λ

Ưu điểm của phân tập theo không gian là không làm suy giảm hiệu suất băngtần, phổ tần số, trên lý thuyết thì không giới hạn số lượng nhánh phân tập

Phân tập phân cực và phân tập góc là hai dạng của phân tập không gian.Trong phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân cực ngang đượcphát bằng hai anten phân cực khác nhau Sự khác nhau về phân cực đảm bảo hai tínhiệu không tương quan mà không phải đặt hai anten ở cách xa nhau Phân tập gócđược sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10 GHz Trongtrường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong không gian nên các tínhiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau Từ đó hai hay nhiều anten

định hướng để thu từ các hướng khác nhau ở máy thu sẽ tạo ra bản sao tín hiệu phátkhông tương quan.

Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu ta phân loại phântập không gian thành phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập thu, nhiều antenđược sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát Các bản saocủa tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading đa đường Trong phântập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát Tin được xử lý ở máy phát

và sau đó được truyền chéo qua các anten

2.2.3.3 Phân tập theo tần số

Phân tập theo tần số: là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 hoặc nhiềukênh trên tần số vô tuyến Các tần số được phân chia đảm bảo không bị nhiễu vàchịu ảnh hưởng của fading một cách độc lập

Mặc dù kỹ thuật phân tập theo tần số có thể cho hệ số cải thiện tốt hơnnhưng việc sử dụng phổ tần không hiệu quả cao Để tăng hiệu quả chống fadingngười ta sử dụng kết hợp phân tập không gian và phân tập tần số

2.3 Hệ thống MIMO-OFDM

2.3.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM

Cải thiện chất lượng của hệ thống thông tin di động là một mục tiêu đượcnghiên cứu hàng đầu hiện nay Có nhiều giải pháp được đưa ra như tăng công suất,tăng băng thông Tuy nhiên không thể tăng công suất mãi được vì khi tăng côngsuất sẽ gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh Còn băng thông cũngkhông thể tăng lên nhiều vì chúng đã được chuẩn hóa và có giới hạn nhất định Vìthế các nhà nghiên cứu đang tập trung vào các giải pháp kỹ thuật nhằm tăng chấtlượng hệ thống

MIMO-OFDM là hệ thống sử dụng kết hợp các ưu điểm của hệ thống MIMO

và kỹ thuật OFDM Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng nhiều anten ở phía phát vàthu, có thể tăng hiệu quả sử dụng băng thông và tăng dung lượng kênh truyền nhờ

vào các kỹ thuật phân tập phát, phân tập thu và ghép kênh không gian Kỹ thuậtOFDM là một kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thểchống fading chọn lọc tần số hiệu quả nhờ vào sử dụng nhiều sóng mang con có tần

số trực giao để chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp

Kỹ thuật OFDM còn loại bỏ được nhiễu liên ký tự khi sử dụng khoảng bảo vệ đủlớn Việc kết hợp các ưu điểm trên của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM đã tạo

ra hệ thống có chất lượng tốt hơn ứng dụng cho hệ thống thông tin di động băngrộng hiện nay

2.3.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM

Hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ thống MIMO sử dụng NT anten phát và

NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ trực giao

STC Encoder

OFDM Transmitter

OFDM Transmitter

OFDM Transmitter

STC Decoder

OFDM Receiver

OFDM Receiver

OFDM Receiver

Signal Demapper

Xi (k) là tín hiệu phát trên sóng mang phụ thứ k

Zj (k) là nhiễu Gauss tại anten thứ j

hj,i là đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j

Nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền thì ta sẽ biếtchính xác hj,i Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả bằng ma trận sau:

2.4 Kết luận chương

Việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống MIMO là một giải pháp côngnghệ để nâng cao chất lượng cho hệ thống, tăng dung lượng kênh truyền, giảmnhiễu cho hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay Tuy nhiên khi số thuê bao trong hệthống tăng lên sẽ làm tăng nhiễu giao thoa xuyên kênh Sử dụng kỹ thuật tiền mãhóa là một trong những giải pháp để khắc phục vấn đề này Trong chương tiếp theochúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG

MIMO-OFDM

3.1 Giới thiệu chương

Kỹ thuật tiền mã hóa là một trong những kỹ thuật sử dụng trong mạng truyềnthông không dây có tốc độ cao để loại bỏ nhiễu không mong muốn đặc biệt là nhiễugiao thoa liên thuê bao Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về các kỹthuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM dùng để loại bỏ nhiễu Ngoài ratrong chương này còn tìm hiểu kỹ thuật truyền dẫn SDMA, kỹ thuật lựa chọn ngườidùng, đây là các kỹ thuật giúp tăng dung lượng của hệ thống và được ứng dụng rộngrãi trong hệ thống thông tin vô tuyến

3.2 Giới thiệu kỹ thuật SDMA

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) là một kỹ thuậttruyền dẫn trong hệ thống thông tin di động, nó giúp tăng đáng kể dung lượng vàtốc độ của hệ thống Trước SDMA, có các kỹ thuật đa truy cập khác như FDMA,TDMA, CDMA… nhưng các kỹ thuật này đều có khuyết điểm như cồng kềnh, phứctạp, chống nhiễu kém khi hệ thống yêu cầu cung cấp các dịch vụ tốc độ cao với sốngười dùng lớn Hiện tại SDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng để phục vụ nhucầu ngày càng cao của hệ thống thông tin di động

Hình 3.1: Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA

SDMA phục vụ các thuê bao theo các anten định hướng búp sóng hẹp Với

kỹ thuật này thì không gian phủ sóng được khu vực hóa, nghĩa là không gian phủsóng sẽ được chia thành các miền hẹp hơn Với kỹ thuật này thì hệ thống sẽ tăngđược hiệu quả sử dụng lại tần số, giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đađường, nhiễu đồng kênh, góp phần tăng dung lượng hệ thống Hiện nay kỹ thuậtnày được triển khai ngay trên các hệ thống anten thông minh, hệ thống anten này cóthể xử lý tín hiệu và điều khiển búp sóng chính cho phù hợp với khoảng cách thuêbao

3.3 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa

3.3.1 Mục đích của tiền mã hóa

Kỹ thuật tiền mã hóa thực chất là một sự tổng quát của beamforming (quátrình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt) để hỗ trợlớp truyền dẫn trong hệ thống thông tin di động đa anten Các tín hiệu giống nhauđược phát ra từ các anten với trọng số thích hợp để tối ưu hóa mức tín hiệu tại đầuthu trong lớp truyền dẫn đơn beamforming Khi có nhiều anten nhận thì phải dùngnhiều lớp beamforming

Để hiểu rõ hơn mục đích của kỹ thuật tiền mã hóa, chúng ta xét hệ thống sửdụng kỹ thuật SDMA đơn giản sau: