Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM Hiện nay, kỹ thuật viễn thông đang phát triển một cách bùng nổ. Số lượng người sử dụng các thiết bị công nghệ ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng thông tin vô tuyến vào khoa học đời sống đã mang lại rất nhiều tiện ích cho người dùng cùng với những ưu điểm mà mạng có dây không có được như tính di động, những nơi có địa hình phức tạp,... Tuy nhiên, truyền thông tin trong môi trường vô tuyến chịu tác động rất nhiều từ môi trường, đối mặt với rất nhiều thách thức. Bên cạnh đó yêu cầu về chất lượng lẫn tốc độ truyền dẫn ngày một cao hơn. Qua đồ án này chúng ta sẽ tìm hiểu một số giải pháp nâng cao chất lượng và tốc độ truyền là sự kết hợp giữa phương pháp mã hóa kênh, hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM. Đó chính là lý do để đồ án có đề tài là “Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMOOFDM”.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI

GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO OFDM

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 1

1.3 Sự suy giảm tín hiệu 3

1.4 Fading 4

1.4.1 Độ trải trễ 6

1.4.2 Hiệu ứng Doppler 8

1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading 9

1.5.1 Rayleigh fading 10

1.5.2 Rician fading 11

1.6 Kết luận chương 11

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO 12

2.1 Giới thiệu chương 12

2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM 12

2.2.1 Lịch sử ra đời 12

2.2.2 Ý tưởng 12

2.2.3 So sánh FDM và OFDM 12

2.3 Sự trực giao 13

2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 14

2.4.1 Khối S/P và P/S 17

2.4.2 Khối điều chế và giải điều chế sóng mang 17

2.4.3 Khối chuyển đổi D/A, A/D và khối biến đổi cao tần RF 17

2.4.4 Khối FFT và IFFT 18

2.4.5 Khối chèn bảo vệ CP 19

2.4.6 Ước lượng kênh 21

2.5 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống OFDM 22

2.5.1 Ưu điểm 22

2.5.2 Nhược điểm 22

2.5.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam 22

2.6 Hệ thống MIMO 23

2.6.1 Kỹ thuật phân tập 23

2.6.1.1 Phân tập thời gian 24

2.6.1.2 Phân tập tần số 25

2.6.1.3 Phân tập không gian 25

2.6.1.4 Phân tập phát 25

2.6.1.5 Phân tập thu 25

2.6.2 Kỹ thuật MIMO 26

2.6.2.1 Các mô hình của hệ thống MIMO 26

2.6.2.2 SISO - Single Input Single Output 26

2.6.2.3 SIMO – Single Input Multiple Output 27

2.6.2.4 MISO - Multiple Input Single Output 27

2.6.2.5 MIMO - Multiple Input Multiple Output 27

2.7 Kết luận chương 29

CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KHÔNG GIAN- THỜI GIAN 30

3.1 Giới thiệu chương 30

3.2 Tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian 30

3.2.1 Hệ thống mã hóa không gian thời gian 30

3.3 Mã trellis không gian-thời gian 32

3.3.1 Tổng quan 32

3.3.2 Nguyên lý mã hóa mã lưới 33

3.3.3 Nguyên lý giải mã mã lưới 35

3.3.3.1 Giải mã sử dụng giản đồ lưới 35

3.3.3.2 Khoảng cách Hamming trong giải mã lưới 35

3.3.3.3 Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi 37

3.3.3.4 Bộ mã hóa STTC 41

3.3.3.5 Bộ giải mã STTC 43

3.4 Mã hóa khối không gian thời gian STBC 43

3.4.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu 44

3.4.1.1 Mã hóa và truyền dẫn 45

3.4.1.2 Bộ kết hợp 46

3.4.1.3 Quy tắc quyết định khả năng cực đại 47

3.4.3 Kỹ thuật OSTBC khi tăng số anten phát Tx=3, 4 50

3.4.3 STBC trong MIMO – OFDM 54

3.5 Kết luận chương 56

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT PHÂN TẬP BẰNG MÃ HÓA 58

4.1 Giới thiệu chương 58

4.2 Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STTC với số trạng thái lưới khác nhau 58

4.2.1 Thông số mô phỏng 58

4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá kỹ thuật mã hóa STTC 59

4.3 Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STBC theo mô hình Alamouti 60

4.3.1 Thông số 60

4.3.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – OFDM theo mô hình Alamouti 61

4.4 Mô phỏng kỹ thuật STBC với TX=3, 4 trong kênh truyền Rayleigh và Rician 63

4.4.1 Thông số mô phỏng 63

4.4.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – Alamouti khi tăng số anten phát TX=2, 3, 4 64

4.4.3 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC - Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và Rician với Tx=2,4 , Rx=1,2,4 66

4.5 Mô phỏng so sánh hai kỹ thuật STBC và STTC 67

4.5.1 Thông số mô phỏng 67

4.6 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten

Bảng 3.2 Định nghĩa các đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và anten thu Bảng 3.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu

Hình 1.1 Các đường tính hiệu khác nhau trong kênh truyền vô tuyến

Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số

Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM

Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao

Hình 2.3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

Hình 2.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ

Hình 2.5: Giải thích ý nghĩa chèn CP

Hình 2.6 Phân tập thời gian

Hình 2.7: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu

Hình 2.8: Các hệ thống SISO, SIMO và MISO

Hình 2.9: Hệ thống MIMO

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ mã hóa không gian thời gian

Hình 3.2 Sơ đồ khối của mã lưới

Hình 3.3: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2

Hình 3.4: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2

Hình 3.5 Sơ đồ lưới với t=6

Hình 3.6 Đi hết giản đồ lưới thì chuỗi bit nhận được là 110100

Hình 3.7 Khoảng cách Hamming h của 2 nhánh trại S0

Hình 3.8: Khoảng cách Hamming trong từng đoạn

Hình 3.9: Tổng khoảng cách Hamming H

Hình 3.10: Thuật toán Viterbi trong giải mã lưới

Hình 3.11: Có 8 đường đi tới thời điểm t=3

Hình 3.12: Loại bỏ các đường có H lớn

Hình 3.13: Lỗi thứ 2 xảy ra trong quá trình truyền

Hình 3.14: Chọn ngẫu nhiên 2 trong số 4 đường có cùng tổng khoảng cách amming Hình 3.15 Chọn được đường có Hmin

Hình 3.16: Cấu trúc mã hóa 4 trạng thái, 4 QAM

Hình 3.17: Sơ đồ lưới 4 trạng thái, 4 QAM

Hình 3.18: Sơ đồ lưới 8 trạng thái, 8 QAM

Hình 3.19 Ma trận mã khối không gian - thời gian

Hình 3.20 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu

Hình 3.21 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.22 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và hai anten thu

Hình 3.23: Mô hình của STBC – OFDM

Hình 4.1 So sánh tỷ số lỗi khung (FER) giữa các trạng thái lưới STTC

Hình 4.2 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2x1 và 2x2

Hình 4.3 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2xM

Hình 4.4 BER của kỹ thuật STBC với TX=2,3,4

Hình 4.5 So sánh data rate

Hình 4.6 Tương quan BER-RATE tại SNR =6 Hình 4.7 BER của STBC-Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và Rician Hình 4.8 So sánh BER của STBC và STTC

CÁC TỪ VIẾT TẮT

A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

B

C

D DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Hệ thống phát hình số

FEC Forward Error Correction Thuật toán sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

I ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

Transform

Biến đổi ngược Fourier rời rạc

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

L LTE Long Term Evolution Quá trình phát triển lâu dài

M

MIMO Multiple Input Multiple Ouput Đa ngõ vào đa ngõ ra

MISO Multiple Input Single Ouput Đa ngõ vào đơn ngõ ra

trung bình

Q QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

S

SNR Signal To Noise Ratio Hệ số tín hiệu trên tạp âm

về chất lượng lẫn tốc độ truyền dẫn ngày một cao hơn Qua đồ án này chúng ta sẽ tìm hiểu một số giải pháp nâng cao chất lượng và tốc độ truyền là sự kết hợp giữa phương pháp mã hóa kênh, hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM Đó chính là lý do

để đồ án có đề tài là “Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM”

Nội dung của đồ án này sẽ tìm hiểu về các đặc tính của kênh truyền vô tuyến, những khó khăn và thách thức Sau đó sẽ đi vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO và quan trọng nhất là kỹ thuật mã hóa không gian thời gian (STC-Space Time Coding) Dựa trên các lý thuyết đã phân tích đồ án sẽ mô phỏng đánh giá ưu nhược điểm các kỹ thuật, từ đó rút ra những giải pháp và kết luận chung

Nội dung chính của đồ án bao gồm:

 Chương 1: Kênh truyền vô tuyến

 Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO

 Chương 3: Mã hóa không gian – thời gian

 Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa STBC và STTC

Đồ án đã mô phỏng phân tích kỹ thuật STBC theo mô hình Alamouti với số anten phát, số anten thu thay đổi lần lượt trong hệ thống MIMO – OFDM, thay đổi tính chất kênh truyền như kênh AWGN, Fading Rayleigh, Rician Mô phỏng chứng minh ưu điểm của kỹ thuật STTC, sau đó so sánh hai kỹ thuật mã hóa STTC và STBC

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương

Hiệu suất của hệ thống truyền thông tin vô tuyến được quyết định bởi môi trường của kênh vô tuyến Trái ngược với đặc tính cố định và các đặc tính có thể dự đoán trước của kênh hữu tuyến, đặc tính của kênh vô tuyến thường là đặc tuyến động và không dự đoán trước được làm cho việc phân tích chính xác hệ thống truyền thông tin không dây thường trở nên rất khó khăn Mở rộng về mặt vật lí cơ học thì việc truyền sóng điện từ bị hạn chế bởi ba yếu tố: sự phản xạ, sự nhiễu xạ và

sự tán xạ Ba yếu tố này là ba cơ chế cơ bản cho truyền sóng vô tuyến

Trong chương này sẽ trình bày các thành phần tác động lên kênh truyền vô tuyến như hiện tượng fading, suy hao, hiệu ứng Doppler và tìm hiểu mô hình kênh fading Rayleigh và Rician

1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

Hình 1.1 Các đường tính hiệu khác nhau trong kênh truyền vô tuyến

Một trong những đặc tính riêng biệt của kênh truyền vô tuyến là có rất nhiều đường truyền khác nhau giữa đầu phát và đầu thu Việc tồn tại nhiều đường truyền này dẫn đến việc nhận nhiều đường khác nhau của cùng tín hiệu phát tại đầu thu Những đường khác nhau này có sự khác nhau về suy hao đường truyền và về pha Tại đầu thu, tất cả tín hiệu nhận được tích lũy cùng nhau tạo nên mô hình nhiễu Gaussian trắng (AWGN) cho kênh truyền vô tuyến Vì mô hình AWGN không mô

tả kênh truyền vô tuyến, vì thế điều quan trọng là tìm ra mô hình khác đại diện cho kênh truyền Để mô tả mô hình, đầu tiên chúng ta tìm hiểu những đường truyền khác nhau có thể có khi tín hiệu đi từ đầu phát đến đầu thu Hình 1.1 mô tả quỹ đạo của những đường đi khác nhau của tín hiệu trong ví dụ điển hình

Nếu đó là đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu nó được gọi là đường truyền thẳng (LOS) LOS không tồn tại khi có một vật thể lớn cản đường truyền giữa đầu phát và đầu thu Nếu LOS tồn tại thì tín hiệu nhận được tại đầu thu qua LOS là tín hiệu mạnh nhất và vượt trội Dù công suất và pha của tín hiệu có thể thay đổi do tính di động, nhưng nó là những sự thay đổi có thể dự đoán được và thường là một hàm của khoảng cách và những nhân tố ngẫu nhiên khác

Ngoài LOS, sóng điện từ có thể phản xạ khi gặp vật cản lớn hơn nhiều so với bước sóng của nó Qua nhiều sự phản xạ sóng có thể tới đầu thu và tất nhiên những tín hiệu này truyền qua khoảng cách dài hơn và cống suất, pha của nó cũng thay đổi so với tín hiệu qua LOS

Một đường truyền nữa mà sóng điện từ có thể truyền qua là do hiện tượng nhiễu xạ Nhiễu xạ xảy ta khi sóng điện từ gặp bề mặt với các đỉnh sắc nhọn

Cuối cùng hiện tượng tán xạ xảy ra khi có một số lượng lớn những vật cản giữa đầu phát và đầu thu nhỏ hơn so với bước sóng của tín hiệu phát Qua những vật cản này sóng bị tán xạ và truyền theo những hướng khác nhau Còn có những hiện tượng khác ảnh hưởng đến đường truyền và sóng điện từ như hấp thụ và khúc xạ

Những ảnh hưởng từ các đường truyền khác nhau ở trên mà tín hiệu có thể đi qua và kết hợp tại đầu thu tạo ra những đặc tính chỉ có ở kênh truyền vô tuyến Những ảnh hưởng này có thể làm suy giảm công suất của tín hiệu theo những cách khác nhau Có hai khía cạnh chính của việc suy giảm công suất và mỗi khía cạnh có những cách khắc phục khác nhau Khía cạnh thứ nhất là ảnh hưởng quy mô lớn tương ứng với đặc tính của công suất tín hiệu khi qua khoảng cách dài Nó được gọi

là suy hao tín hiệu hoặc suy hao đường truyền Khía cạnh thứ hai là sự thay đổi nhanh chóng của biên độ và công suất tín hiệu, nó được gọi là fading quy mô nhỏ, hoặc đơn giản là fading Nó liên quan đến đặc tính của tín hiệu khi tín hiệu qua

đường truyền ngắn hoặc khảng thời gian ngắn Dưới đây ta sẽ đi vào tìm hiểu mô hình giúp hiểu được những đặc tính của suy hao tín hiệu và fading

Hình 1.2 Kênh fading

1.3 Sự suy giảm tín hiệu

Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Sự suy giảm tín hiệu này có thể là do suy hao đường truyền, suy hao anten và suy hao bộ lọc khi truyền trên kênh truyền vô tuyến Sự suy giảm này theo hàm logaric với khoảng cách Những yếu tố ảnh hưởng

và bậc độ lợi đường phụ thuộc vào đường truyền dẫn và môi trường giữa đầu phát

và đầu thu Ví dụ trong môi trường không gian tự do như trong thông tin vệ tinh, bậc độ lợi đường là 2 Nói cách khác, công suất tín hiệu thu được Pr tỉ lệ với d-2, với

d là khoảng cách giữa đầu phát và đầu thu Với những môi trường truyền dẫn khác như trong môi trường đô thị, bậc suy hao đường truyền thường lớn hơn 2 Tổng quát với công sất phát là Pt, ta có :

Fading quy mô lớn Fading quy mô nhỏ

Suy hao đường

truyền

spreading

Time variance

Fading lựa chọn tần số

Fading phẳng

Fading nhanh

Fading chậm

Hình 1.3 Mô hình hóa kênh truyền đa đường với đáp ứng xung thay đổi thời

gian tuyến tính Đầu tiên, ta tìm hiểu về ảnh hưởng của tính di động đến mô hình kênh truyền Giả sử vật cản trong môi trường truyền dẫn giữa máy phát và máy thu là tĩnh và chỉ máy thu chuyển động Trong trường hợp này fading là hiện tượng không gian được mô tả hoàn toàn bằng khoảng cách Mặt khác, vì máy thu chuyển động trong môi trường nên những biến đổi không gian của tín hiệu thu được chuyển đổi thành biến đổi theo thời gian của máy thu Nói cách khác, vì tính di động nên ta có mối quan hệ giữa khoảng cách và thời gian điều này tạo ra kênh truyền fading biến đổi theo thời gian Do đó, chúng ta có thể dùng tương đương thời gian và khoảng cách trong trường hợp này

Như chúng ta đã tìm hiểu ở trước, hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ tạo

ra những phiên bản khác nhau của tín hiệu tại máy thu Kênh truyền đa đường có thể được mô hình hóa như kênh truyền biến đổi thời gian tuyến tính như hình 1.3 Đáp ứng xung biến đổi thời gian tuyến tính phụ thuộc vào những thông số khác nhau của kênh truyền Ví dụ, tốc độ chuyển động và vật thể trong môi trường truyền dẫn ảnh hưởng đến đặc tính của mô hình

Sự có mặt của các đối tượng có thể làm phản xạ hoặc tán xạ sóng vô tuyến tạo nên những thay đổi trong môi trường truyền dẫn Hiện tượng đa đường làm tăng thời gian yêu cầu để phần băng tần cơ sở của tín hiệu đến đầu thu Dẫn đến sự biến đổi của tín hiệu ở biên độ, pha và thời gian có thể gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI) Nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số và đáp ứng pha tuyến tính qua dải thông lớn hơn băng thông của tín hiệu phát, đáp ứng xung h(t,τ ) có thể được xấp xỉ bằng hàm delta a tại τ = 0 hay h(t,τ ) = α(t )δ(τ ) với δ(·) là hàm Dirac Đó là kênh truyền băng hẹp với đặc tính phổ của tín hiệu phát được bảo vệ đến đầu thu, hay còn gọi là fading phẳng hoặc fading không lựa chọn tần số Ví dụ đáp ứng xung cho kênh truyền fading phẳng được minh họa ở hình 1.4 Có thể dùng đặc tính thời gian và tần số của kênh truyền để biết được rằng đó là kênh truyền băng hẹp Trong miền tần số, băng thông của tín hiệu nhỏ hơn băng thông của kênh truyền Trong miền thời gian, độ rộng của đáp ứng xung kênh truyền nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu Như vậy, một kênh truyền có thể là phẳng đối với tốc độ truyền dẫn nhận được tương ứng với chu kỳ tín hiệu nhận được, trong khi cùng với kênh truyền đó nhưng lại không phẳng đối với tốc độ truyền dẫn cao hơn Do đó, khi nói kênh truyền là phẳng thì cần biết thông tin về tín hiệu được phát

Hình 1.4 fading phẳng

Chúng ta cần xác định băng thông của kênh truyền để có thể so sánh với băng thông của tín hiệu Thông thường băng thông của tín hiệu được xác định bằng

độ trải trễ của nó

1.4.1 Độ trải trễ

Khi truyền sóng trên kênh truyền vô tuyến, do tín hiệu trong quá trình truyền

bị phản xạ, hấp thụ dẫn đến cùng 1 tín hiệu nhưng đến máy thu không đồng thời

Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất giữa tín hiệu trực tiếp (tín hiệu truyền thẳng) và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu

Hình 1.5 Trải trễ đa đường Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI Để đảm bảo nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép, ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó ta có thể xác định được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được

Để xác định độ trải trễ, giả sử kênh truyền đa đường bao gồm I đường với công

suất và độ trễ của đường thứ i lần lượt là pi và τi Khi đó trễ trung bình được tính

̅ = ∑

Độ trải trễ được định nghĩa như sau:

= − ̅ [5] (1.4) với

= ∑

∑ [5] (1.5)

Băng thông kết hợp của kênh truyền được xấp xỉ bởi:

= [5] (1.6) Như đã được định nghĩa với kênh truyền fading phẳng, băng thông kết hợp Bc là lớn

hơn nhiều so với băng thông tín hiệu Bs

Mặt khác, nếu kênh truyền có độ lợi cố định và pha tuyến tính qua băng thông nhỏ

hơn băng thông tín hiệu thì sẽ xuất hiện ISI và tín hiệu nhận được bị biến dạng

Hình 1.6 Fading lựa chọn tần số

Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số Một kênh truyền băng rộng được gọi là fading lựa chọn tần số Hình 1.6 thể

hiện đáp ứng xung của một kênh truyền fading lựa chọn tần số Trong trường hợp

này, đáp ứng xung h(t,τ ) có thể được xấp sỉ bằng một số hàm delta thể hiện trong

hình 1.7 Như vậy:

h(t, τ ) = ( )δ(τ − τ ) [5] (1.7)

Với fading lựa chọn tần số, băng thông của tín hiệu lớn hơn băng thông kết hợp của kênh truyền Trong miền thời gian, độ rộng đáp ứng xung kênh truyền là lớn hơn chu kỳ tín hiệu Và việc kênh truyền fading có lựa chọn tần số hay không phụ thuộc vào tốc độ truyền dẫn cũng như đặc tính kênh truyền Tóm lại, dựa trên thời gian trễ

đa đường, kênh truyền fading được phân thành 2 loại phẳng và lựa chọn tần số

1.4.2 Hiệu ứng Doppler

Một hiện tượng nữa gây nên bởi tính di động là hiệu ứng dịch tần số Doppler Giả sử tín hiệu với bước sóng λ và đầu thu di chuyển với vận tốc v, góc giữa hướng di chuyển của máy thu và hướng đến của sóng là θ Khi đó độ dịch tần

số Doppler fd được xác định là:

= cos [5] (1.8)

Vì có nhiều đường khác nhau nên có nhiều góc θ khác nhau, sự thay đổi tần

số là ngẫu nhiên vì sự thay đổi θ là ngẫu nhiên Chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu dẫn đến điều chế tần số ngẫu nhiên vì độ dịch tần số khác nhau với mỗi đường đi của tín hiệu Nếu vật thể xung quanh môi trường truyền dẫn chuyển động, chúng tạo ra độ dịch Doppler với các đường khác nhau Độ dịch tần số thay đổi theo thời gian có thể bỏ qua nếu tốc độ di chuyển lớn hơn nhiều so với tốc độ di chuyển của các vật thể xung quanh môi trường Độ trãi Doppler là phép đo độ rộng phổ và được xác định bằng khoảng tần số mà phổ Doppler nhận được đi qua là khác không Nếu độ dịch Doppler lớn nhất là fs, tần số phát là fc thì khoảng tần số nhận được từ fc - fs đến fc + fs Nếu băng thông tín hiệu cơ bản lớn hơn độ trải Doppler, fading được gọi là fading chậm Khi đó ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là không đáng kể Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi với tốc độ chậm hơn tín hiệu băng tần cơ sở được phát và kênh truyền giả sử rằng là tĩnh với một hoặc nhiều những khoảng băng thông Mặt khác nếu ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là đáng kể nó được gọi là fading nhanh Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn đối với chu kỳ tin hiệu Như vậy, dựa trên độ trải Doppler kênh truyền fading được phân thành 2 loại nhanh hoặc chậm

Kênh truyền fading nhanh hoặc chậm có thể được xác định dựa trên những đặc tính trong miền thời gian Đầu tiên, ta cần xác định được thời gian kết hợp của kênh truyền Tc Thực tế, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà ở đó đáp ứng xung kênh truyền là bất biến Nói cách khác, thời gian kết hợp là khoảng thời gian

mà hai tín hiệu tách rời nhau trong miền thời gian nhỏ hơn thời gian kết hợp có sự tương quan cao với nhau Nếu chọn ngưỡng tương quan là 0.5, thì Tc được xấp xỉ bằng = Nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian nhỏ hơn thời gian kết hợp thì kênh truyền sẽ tác động như nhau lên toàn bộ tín hiệu và kênh truyền là kênh fading chậm Mặt khác, nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian lớn hơn thời gian kết hợp, kênh truyền thay đổi đủ nhanh để những phần khác nhau của tín hiệu phát đi qua những kênh truyền khác nhau, nghĩa là chúng bị ảnh hưởng khác nhau Đó được gọi là fading nhanh vì nguyên nhân chính gây ra nó là sự chuyển động nhanh của máy thu và máy phát

Như vậy là chúng ta phân loại kênh truyền fading dựa trên độ trễ thời gian đa đường thành phẳng và lựa chọn tần số, còn dựa trên độ trải Doppler thành nhanh và chậm Hai khái niệm này là độc lập với nhau và dẫn đến có 4 loại kênh truyền fading

- Fading chậm phẳng hoặc fading chậm không lựa chọn tần số

- Fading nhanh phẳng hoặc fading nhanh không lựa chọn tần số

- Fading chậm lựa chọn tần số

- Fading nhanh lựa chọn tần số

1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading

Như đã nói, chúng ta đã mô hình hóa kênh truyền fading bằng đáp ứng xung thay đổi thời gian tuyến tính Đáp ứng xung được xấp xỉ bằng một hàm delta trong trường hợp fading phẳng và bằng nhiều hàm delta trong trường hợp fading lựa chọn tần số Như đã tìm hiểu ở các phần trước, biên độ của những hàm delta là ngẫu nhiên Sự ngẫu nhiên này được tạo ra từ hiện tượng đa đường và vị trí ngẫu nhiên của các vật thể trong môi trường truyền dẫn Do đó, mô hình thống kê là cần thiết

để tìm hiểu đặc điểm về biên độ cũng như công suất của tín hiệu nhận được Trong

phần này chúng ta tìm hiểu về 2 mô hình quan trọng đó là Rayleigh fading và Racian fading

( ) = cos(2 ) ∑ cos( ) − sin(2 ) ∑ sin( ) + ( ) [5] (1.10)

với a i và lần lượt là biên độ và pha của thành phần thứ i

η(t) là nhiễu Gaussian

Đặt = ∑ cos( ) và = ∑ sin( ) với giá trị I lớn, sử dụng định lý

giới hạn tập trung biến ngẫu nhiên A và B là những biến ngẫu nhiêu phân bố Gaussian độc lập Đường bao tín hiệu thu = √ + theo phân bố Rayleigh vì A,B là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0 Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh là:

( ) = exp , ≥ 0 [5] (1.11) với σ2 là phương sai của biến ngẫu nhiên A,B Công suất nhận được là biến ngẫu nhiên theo hàm mũ với hàm mật độ xác suất pdf

( ) = exp , ≥ 0 [5] (1.12) Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và thu có dạng:

= + [5] (1.13) với α là biến ngẫu nhiên Gaussian, nói cách khác, phần thực và phần ảo của hệ số α

là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0 Biên độ của hệ số α (|α|) là biến ngẫu nhiên Rayleigh Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra phương trình trên được gọi là

mô hình kênh truyền fading Reyleigh với hệ số α được gọi là độ lợi đường

1.5.2 Rician fading

Nếu kênh truyền tồn tại đường truyền tầm nhìn thẳng LoS (Light of Sight) thì A và B là hai biến ngẫu nhiên Gaussian không có trung bình 0 Trong trường hợp này đường bao của tín hiệu là biến ngẫu nhiên phân bố Rician với hàm mật độ

xác suất:

( ) = exp , ≥ 0, ≥ 0 [5] (1.14) D: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

0

I : Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Khi D →0, thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Rician trở thành phân bố Rayleigh Tương tự trường hợp mô hình fading Rayleigh, mối quan

hệ giữa đầu vào và đầu ra trong trường hợp mô hình fading Rician được cho bởi phương trình

= + [5] (1.15) Điểm khác biệt chính giữa 2 mô hình là phần thực và ảo của độ lợi đường α trong

mô hình fading Rician là biến ngẫu nhiên Gaussian không có trung bình 0 Như vậy, biên độ |α| là phân bố Rician thay vì phân bố Rayleigh

1.6 Kết luận chương

Chương này đã cung cấp một cách chi tiết các đặc điểm chính của kênh truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, các loại kênh truyền fading, ảnh hưởng của dịch Doppler và trải trễ đa đường Nhằm khắc phục những hạn chế này và nâng cao hiệu quả kênh truyền chúng ta sẽ đưa ra các giải pháp được trình bày ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, có hai vấn đề chính được trình bày là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và hệ thống MIMO Các nội dung về kỹ thuật OFDM bao gồm: Lịch sử phát triển, khái niệm, tính trực giao trong OFDM, phân tích sơ đồ khối chức năng hệ thống OFDM để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của nó Sau đó là đánh giá ưu nhược điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM Nội dung cuối của chương sẽ trình bày tổng quan về hệ thống MIMO cùng các kỹ thuật phân tập

2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM

2.2.1 Lịch sử ra đời

Năm 1966, R.W.Chang phát minh ra kỹ thuật OFDM tại Mỹ Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT (biến đổi Fourier rời rạc) Sau đó, cùng với

sự phát triển của kỹ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT giúp cho

việc thực hiện biến đổi IDFT/DFT nhanh hơn

Kỹ thuật OFDM đã khắc phục nhược điểm trên của FDM Trong OFDM việc sử dụng phổ tần hiệu quả hơn nhiều so với FDM vì khoảng cách giữa các kênh được

giảm đến mức tối thiểu và chống lại được sự giao thoa giữa hai sóng mang con gần nhau Để đạt được điều này thì tất cả các sóng mang con phải trực giao với nhau Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ trong OFDM là chu kỳ của mỗi sóng mang con này bằng số nguyên lần khoảng thời gian để một ký hiệu

Tần số

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép phân chia theo tần số OFDM

Tiết kiệm phổ tần

Tần số

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép phân chia theo tần số FDM truyền thống

Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM Mỗi tín hiệu sóng mang trong hệ thống OFDM có băng thông rất hẹp do đó tốc độ

kí tự chậm

2.3 Sự trực giao

Tín hiệu được xem là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau Trực giao

là đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng

Xét tín hiệu phức { } trong khoảng thời gian với mỗi sóng mang khác nhau tại = / tại 0 < t < Tsym Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu tích phân của chúng trong cùng chu kì bằng 0:

Xét các mẫu rời rạc tại t = nTs = nTsym / N, n= 0,1,2,3, ,N-1 Phương trình trên có thể được viết lại trong miền thời gian rời rạc như sau:

Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao Tính chất trực giao ở trên là điều kiện cần thiết cho việc chống nhiễu liên sóng mang ICI sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo của chương này

2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P Mỗi dòng dữ liệu song song được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp rồi được đưa vào của khối IFFT để chuyển đổi tín hiệu sang miền thời gian Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Tiếp theo chuyển đổi tín

hiệu từ dạng số sang tương tự rồi điều chế thành sóng mang cao tần để phát đi Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN, …

Phía thu, tín hiệu được rời rạc tại bộ lọc thu, khuếch đại và giải điều chế cao tần Khoảng bảo vệ được loại bỏ rồi chuyển đổi nối tiếp sang song song và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải

mã Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Hình 2.3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

2.4.1 Khối S/P và P/S

Nhiệm vụ khối S/P là chuyển luồng bít nối tiếp đầu vào thành các luồng bítsong song Các luồng bít song song này phụ thuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu một cách hợp lý Tuy nhiên để tránh hiện tượng lỗi chùm do nhiễu tác động người ta phân bổ luồng tín hiệu một cách ngẫu nhiên lên các sóng mang Khối P/S dùng để chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp

2.4.2 Khối điều chế và giải điều chế sóng mang

Điều chế trong OFDM người ta thường sử dụng kiểu điều chế PSK hoặc QAM

Điều chế PSK là kỹ thuật điều chế theo pha của tín hiệu, biên độ giữ nguyên nên công suất tín hiệu không đổi Một số dạng PSK thường gặp: BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào Phương pháp này đòi hỏi phía thu phải khôi phục được chính xác sóng mang

Điều chế QAM là kỹ thuật điều chế về biên độ và pha của tín hiệu Nếu tín hiệu thu được bị tác động của nhiễu thì pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi, điểm được biểu diễn trên chòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát một lượng nhất định

Máy thu, bộ giải mã sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách đến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhất bằng một bộ so sánh Tùy vào số điểm điều chế trên chòm sao mà có các mức tương ứng: 4QAM, 8QAM, 16QAM, 64QAM Số mức điều chế lớn thì lượng tin được chuyển tải càng nhiều, nên việc

sử dụng băng thông hiệu quả hơn Tuy nhiên sử dụng càng nhiều mức thì lỗi bit càng cao

2.4.3 Khối chuyển đổi D/A, A/D và khối biến đổi cao tần RF

Khối D/A dùng để chuyển tín hiệu từ dạng số sang tương tự để truyền trong

kênh truyền và A/D chuyển từ dạng tương tự sang số để lấy mẫu đưa đến bộ FFT

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

2.4.4 Khối FFT và IFFT

Ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế 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 không hiệu quả, khó thực hiện được Và khối FFT/IFFT được xem như là giải thuật hữu hiệu để giải quyết vấn đề này, dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT là thuật toán giúp cho việc biến đổi giữa miền thời gian và tần số nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi

Chuỗi dữ liệu vào khối IFFT là:

2

).

(

1 ) (

N

k

kn N

je k X N

n x



FFT chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần số tương ứng Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để đưa vào khối Signal Demapper

Công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm :

1, ,2,1,0)

(

1)(

1, ,

2,1,0)

()

2.4.5 Khối chèn bảo vệ CP

Hình 2.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống truyền thông, cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI

- ISI (Inter-Symbol Interference): nhiễu giao thoa liên ký tự, được định nghĩa

là xuyên nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Symbol Ts của các frame FFT liên tiếp (trong miền thời gian)

- ICI (Inter-Carrier Interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchannels) của cùng một frame FFT (trong miền tấn số)

Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Tuy khoảng bảo vệ có thể không chứa 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 lên đầu của ký tự đó

Giả sử rằng tuyến đầu tiên không có trễ truyền dẫn Ở tuyến 2, mẫu tín hiệu

thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k một khoảng là “t” do trễ truyền dẫn

Tương tự như vậy mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) một khoảng

“t” Trong trường hợp TCP ≥t, thì phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI chỉ nằm

trong khoảng của chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài TFFT không bị chồng lấn bởi các mẫu tín hiệu khác Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP Và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiện tượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT

Hình 2.5: Giải thích ý nghĩa chèn CP

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang phụ và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI Ở đây, giá

trị trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường Giá trị trải trễ cực đại được xác định là thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu qua đường phản xạ Vì tín hiệu của chuỗi bảo vệ CP không mang thông tin có ích nên ở phía thu, chuỗi bảo vệ này sẽ bị loại bỏ trước khi được gửi đến bộ giải điều chế OFDM Nhược điểm của chèn tiền tố CP là chỉ một phần

TFFT/(TFFT +TCP) của công suất tín hiệu thu là phần thực tế được bộ giải điều chế OFDM sử dụng và điều này có nghĩa là mất một phần công suất khi giải điều chế OFDM Ngoài việc mất công suất, chèn CP còn gây ra mất băng thông vì tốc độ ký hiệu OFDM giảm trong khi độ rộng băng tần của tín hiệu không giảm

Cần lưu ý rằng CP không thể bao phủ toàn bộ độ dài của kênh Vì thế, chúng

ta cần có một sự cân nhắc giữa mất công suất do CP và hỏng tín hiệu (ISI và ICI) do

CP không phủ hết gây ra Điều này có nghĩa rằng tồn tại một điểm tối ưu cho độ dài

CP mà việc tăng nó không ảnh hưởng xấu đến mất công suất dẫn đến giảm kích thước ô và ngược lại việc giảm nó không ảnh hưởng xấu đến hỏng tín hiệu Khoảng bảo vệ có thể là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 thời gian symbol tích cực

2.4.6 Ước lượng kênh

Trong hệ thống OFDM, máy phát điều chế các chuỗi bit thành các kí tự PSK/QAM, phép biến đổi IFFT trên các kí tự chuyển đổi các kí tự này thành các tín hiệu trong miền thời gian và gửi qua kênh truyền vô tuyến Tín hiệu nhận được thường bị méo dạng vì các đặc tính của kênh truyền vô tuyến như đã trình bày ở các mục trên Để khôi phục lại các bit đã được truyền ban đầu, kênh truyền phải được ước lượng và được bù ở máy thu Mỗi sóng mang con có thể được xem như là một kênh độc lập, không xuất hiện nhiễu ICI, do đó giữ được tính trực giao giữa các sóng mang con Như vậy, tín hiệu có thể được khôi phục bằng cách ước lượng đáp ứng kênh truyền trên mỗi sóng mang con

Ước lượng kênh (Channel estimation) trong OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay

là dùng tín hiệu dẫn đường Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng

là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot gốc sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng

2.5 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống OFDM

- Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao nhờ việc chia băng tần thành các băng tần con

- Các kênh con có thể coi là các kênh fading phẳng nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin, giảm độ phức tạp của máy thu

- Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT/IFFT

2.5.2 Nhược điểm

Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, trường hợp xấu nhất khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín

hiệu và làm giảm hiệu quả sử dụng các bộ khuếch đại cao tần

Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần hơn hệ thống một sóng mang Khi tần số trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu

đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế

2.5.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền thông

số như: DVB-T, WiFi, WiMAX, hệ thống MIMO OFDM có thể gửi luồng dữ liệu

ở tốc độ cao bằng cách dùng các sóng mang trực giao Ngoài ra, kỹ thuật OFDM có thể tránh nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu kênh Các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVB-T, kỹ thuật OFDM đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như Hiper LAN/2, IEEE 802.11 cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số Các nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, v.v ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện rộng hơn với số trạm gốc giảm đi Kỹ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kỹ thuật truy cập WiFi, Wimax và các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm

2.6 Hệ thống MIMO

2.6.1 Kỹ thuật phân tập

Như đã trình bày ở chương đầu tiên, mô hình kênh truyền fading đa đường phải chịu sự suy giảm đột ngột về mặt công suất của tín hiệu thu được Điều này dẫn đến thay đổi công suất tín hiệu thu được từ 20 đến 30 dB Nó cũng có thể là do ảnh hưởng từ các user khác Do đó SNR thu được tại đầu vào máy thu có thể suy giảm đột ngột và khi SNR nhỏ hơn mức ngưỡng cho phép thì việc khôi phục lại tín hiệu được phát đi là điều không thể Và một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm hiệu ứng của fading đa đường là sử dụng kỹ thuật phân tập Ý tưởng của kỹ thuật phân tập là cung cấp nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu truyền đi đến máy thu Có 2 vấn đề chính mà chúng ta cần tìm hiểu Thứ nhất là làm cách nào để

cung cấp những phiên bản khác nhau của tín hiệu phát đến máy thu với công suất nhỏ nhất, tiết kiệm băng thông, độ phức tạp nhỏ nhất, Thứ hai là làm thế nào để

sử dụng những phiên bản của tín hiệu phát tại máy thu để có được xác suất lỗi là nhỏ nhất

Có nhiều cách để đạt được phân tập, có 3 kỹ thuật phân tập cơ bản là phân tập thời gian (Time diversity), phân tập tần số (Frequency diversity) và phân tập không gian (Space diversity) hay còn gọi là phân tập anten

2.6.1.1 Phân tập thời gian

Là sự truyền cùng một tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau

Hình 2.6 Phân tập thời gian T: chu kì truyền tín hiệu

nT là thời điểm truyền tín hiệu; n N

Phân tập thời gian có thể đạt được thông qua mã hóa (coding) và xen kênh (Interleaving) Xen kênh sẽ tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bản sao của tín hiệu truyền, do đó sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã Do xen kênh sẽ gây nên độ trễ khi giải mã nên kỹ thuật này chỉ phù hợp với các môi trường

có fading nhanh khi khoảng thời gian liên kết (coherence time) của kênh truyền nhỏ Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng các bộ Interleaver có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể, không chấp nhận được cho các ứng dụng nhạy với độ trễ như truyền thoại Một nhược điểm của kỹ thuật phân tập thời gian là sự sử dụng băng thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian

2.6.1.2 Phân tập tần số

Phân tập tần số đạt được bằng cách phát cùng một tín hiệu trên nhiều tần số sóng mang khác nhau Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủ lớn để ảnh hưởng của fading lên các tần số này là độc lập nhau Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng có khái niệm băng thông liên kết (coherence bandwidth) Tuy nhiên, thông số này sẽ thay đổi tương ứng với các môi trường truyền sóng khác nhau

2.6.1.3 Phân tập không gian

Một phương pháp phân tập khác không làm suy giảm hiệu quả sử dụng phổ là phân tập không gian hay phân tập anten Kỹ thuật phân tập không gian là kỹ thuật dùng nhiều anten ở đầu thu hoặc đầu phát hoặc cả hai để đạt độ lợi phân tập Các anten được đặt ở khoảng cách đủ lớn, ít nhất là nửa bước sóng để tín hiệu tương ứng từ các anten khác nhau là độc lập

Ngoài ra, kỹ thuật phân tập có thể được phân ra thành 2 nhóm là phân tập phát (Transmitter diversity) và phân tập thu (Receiver diversity)

2.6.1.4 Phân tập phát

Các bản tin được xử lý và truyền đi bằng nhiều anten khác nhau Giúp giảm công suất xử lý của bộ thu, dẫn đến cấu trúc hệ thống thu đơn giản, giảm công suất tiêu thụ và giảm chi phí Phân tập phát cũng được sử dụng trong thông tin di động với nhiều anten phát tại trạm gốc Điều này giúp nâng cao chất lượng, cũng như giải quyết được yêu cầu phân tập thu tại máy thu

2.6.1.5 Phân tập thu

Nhiều anten được sử dụng tại đầu thu để thu các bản sao độc lập nhau của tín hiệu truyền Làm tăng tỷ số SNR tại đầu thu và hạn chế fading đa đường Nếu thực hiện phân tập thu tại máy đầu cuối sẽ cần có nhiều bộ chuyển đổi RF, do đó sẽ mất nhiều năng lượng hơn để xử lý, trong khi nguồn pin của máy đầu cuối là hạn chế

Tùy vào việc sử dụng số anten tại đầu phát và đầu thu mà chia phân tập anten ra thành 3 loại: hệ thống phân tập phát MISO, phân tập thu SIMO và phân tập cả hai đầu phát - thu MIMO

2.6.2 Kỹ thuật MIMO

Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output) là tên gọi chung cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng nhiều anten ở phía thu và phía phát kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu Hệ thống MIMO ra đời nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng phủ sóng của hệ thống thông tin vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông của hệ thống

Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i

Hình 2.7: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu

2.6.2.1 Các mô hình của hệ thống MIMO

Hình 2.8: Các hệ thống SISO, SIMO và MISO

2.6.2.2 SISO - Single Input Single Output

Là một hệ thống chỉ sử dụng một anten tại đầu phát và một anten thu Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế Gọi C là dung

Bộ chuyển đổi MIMO

Bộ giải chuyển đổi MIMO

lượng hệ thống theo công thức Shannon, B là băng thông kênh truyền, SNR là tỉ số tín hiệu trên nhiễu thì dung lượng của hệ thống SISO sẽ là:

B

CSHANNON  log2 1  [bit/s/Hz.]

Vậy để tăng dung lượng kênh truyền ta phải tăng băng thông B, nhưng băng thông

là tài nguyên có hạn và quý giá Nên hệ thống SISO không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông [6]

2.6.2.3 SIMO – Single Input Multiple Output

Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu hay còn gọi là phân tập thu Máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu để đạt được tỉ số SNR tốt nhất thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC Ưu điểm lớn nhất của hệ thống SIMO là đơn giản và có thể thực hiện tương đối dễ dàng, tuy nhiên yêu cầu máy thu có kích thước phải lớn, cũng như vấn đề về công suất máy thu nên thường không phù hợp với các thiết bị di động Dung lượng kênh truyền của hệ thống SIMO là:

B

CSIMO  log2 1  R.

2.6.2.4 MISO - Multiple Input Single Output

Hệ thống sử dụng nhiều anten tại phát và một anten thu Có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và có được xác định theo biểu thức sau:

B

CMISO  log2 1  T.

2.6.2.5 MIMO - Multiple Input Multiple Output

Đây là mô hình tổng quát của hệ thống MIMO, sử dụng đa anten phát và thu

Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu

Tuy nhiên, MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì vậy kỹ thuật MIMO-OFDM được áp dụng để khắc phục nhược điểm này

Hình 2.9: Hệ thống MIMO

Cùng tín hiệu được phát bởi mỗi anten:

Có thể được xem như hiệu quả của sự kết hợp giữa kênh truyền SIMO và MISO

noise N

N

r SignalPowe N

N

R T

R T

)

.(

.

. 2

Dung lượng kênh truyền của MIMO cao hơn so với SIMO và MISO Nhưng trong trường hợp này dung lượng tăng ở phía trong hàm log Điều này có nghĩa là cố gắng tăng tốc độ dữ liệu bằng cách tăng công suất phát là cực kỳ tốn kém

Tín hiệu khác nhau được phát trên mỗi anten

Ý tưởng lớn trong MIMO đó là chúng ta có thể gửi các tín hiệu khác nhau sử dụng cùng băng thông và vẫn có thể giải mã chính xác được tại đầu thu Do đó, nó giống như việc chúng ta đang tạo ra một kênh truyền cho mỗi bộ phát Dung lượng của mỗi kênh truyền này tương đương đương với:

) / (

1 log 2 SNR bps Hz

N

N B

) / (

1 log 2 SNR bps Hz

N

N B

N C

T

R T

dễ dàng được khôi phục ở đầu thu Điều này giúp hệ thống OFDM tiết kiệm băng tần và có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu xuyên kí tự (ISI) Nhờ

đó cùng với việc kết hợp kỹ thuật mã hóa STC và MIMO sẽ mang lại rất nhiều ưu

điểm cho hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại