KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG MIMO và OFDM dùng MATLAB (có code đầy đủ)

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG MIMO OFDM dùng MATLAB ...............................................................................

KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG

MIMO-OFDM

MỤC LỤC

A/D Analog to Digital

BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code

CP Cyclic Prefix

I.I.D Independent and Identically Distributed

QAM Quadrature Amplitute Modulation

V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống MIMO điển hình [4]

1.1.1.1 Ưu điểm của hệ thống MIMO

Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảngcách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát

Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệthống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống

Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian

Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông

1.1.1.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO

Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.

Kích thước của thiết bị di động tăng lên

Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băngtần

Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO

1.1.2 Sơ lược phân tập

Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu bằng cách sử dụng hai haynhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác nhau Phân tập có vai trò quantrọng trong chống fading, nhiễu đồng kênh, lỗi chùm Kỹ thuật phân tập có thể sửdụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi phân tập Độ lợi phân tập là sựtăng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập hoặc có thể tính là sự rút gọn củacông suất phát khi có phân tập

Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tậpkhông gian

1.1.1.3 Phân tập thời gianPhân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ sosánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyềnrất nhỏ

Hình 1.2: Phân tập theo thời gian [5]

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộxen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phụchồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau quanhững khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quanvới nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênhtruyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading

1.1.1.4 Phân tập tần sốĐây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tin Các tần số cầndùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với cáctần số còn lại Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảođặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau Trong thông tin

di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trongmiền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóngmang, nhảy tần Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ.Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ

đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu

Tín hiệu vào

x(nT) x(nT)

x’(nT)

combination ~ x

Y1(nT) Y2(nT)

H11 H12

quả để tạo ra phân tập tần số Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây

ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số

1.1.1.5 Phân tập không gianPhân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắpxếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập Khoảng cáchyêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số Khoảng cáchđiển hình khoảng vài bước sóng

Phân tập không gian không gây tổn thất trong sử dụng hiệu quả băng tần nhưphân tập thời gian

Hình 1.3: Mô hình phân tập không gian [5]

Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten

Phân tập không gian gồm có:

Phân tập phân cực

Trong phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang được phátbằng hai anten phân cực khác nhau và cũng thu bằng 2 anten phân cực khác nhau.Điều đó đảm bảo tạo ra 2 tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặt haianten cách xa nhau

Phân tập anten phát

Trong phân tập phát, nhiều anten đựơc triển khai ở vị trí máy phát Tin được xử

lí ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten

Phân tập anten thu

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độclập của tín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR vàgiảm fading nhiều đường

1.1.3 Các phương pháp truyền dẫn

Để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực

tế, các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phươngpháp truyền dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO

và độ phức tạp cần thiết Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thànhhai nhóm sau: Phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing)

và mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding)

1.1.1.6 Phân kênh theo không gian

Hình 1.4: Sơ đồ phân kênh theo không gian [4]

Ở sơ đồ phân kênh theo không gian, dòng dữ liệu phát, sau khi được ánh xạ thành

các dấu (symbol) của một bộ tín hiệu (constellation) được phân (DEMUX) thành N luồng song song và truyền đồng thời qua N anten phát Vì vậy, tốc độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một anten thu (SISO) thông

thường Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên

tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữa các

luồng tín hiệu, và vì vậy làm tăng BER Để giảm nhỏ BER của hệ thống máy thu sử

dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiện tách riêng từng

luồng tín hiệu

1.1.1.7 Mã hóa không gian-thời gian

Mã hóa không gian-thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tậpphát Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong cảhai miền không gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuậttách tín hiệu ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa

Mã không thời gian có thể được phân loại thành hai loại: mã khối không

gian-thời gian (STBC: Space-Time Block Code) và mã lưới không gian-gian-thời gian

(STTC: Space-Time Trellis Code) Mã STBC có ưu điểm thiết kế và giải mã đơngiản Tuy nhiên, mã STBC lại chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cungcấp độ lợi mã hóa Ngược lại, mã STTC cho phép thu được cả độ lợi phân tập và

mã hóa, nhưng việc thiết kế và giải mã lại phức tạp

1.2 Tổng quan kỹ thuật OFDM

1.1.4 Giới thiệu

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theotần số trực giao OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thànhnhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên mộtsóng mang con Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau Sau đó sóngmang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi.Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó được táchthành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tínhiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giaovới nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vàikhuyết điểm cần khắc phục

Ưu điểm của OFDM:

 Giảm nhiễu xuyên kênh

 Giảm nhiễu xuyên kí tự

 Hiệu suất sử dụng băng thông cao.

 Hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia

Khuyết điểm của OFDM:

 Kí tự symbol OFDM bị nhiễu biên độ trong một khoảng động rất lớn Vì tỷ sốPAPR (Peak to Average Power Ratio) cao của OFDM Dễ gây nhiễu xuyên điềuchế

 Méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng do rút ngắn(clipping) tín hiệu

 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thốngđơn sóng mang con khác Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóngmang con trực giao và gây ra nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động cho các bộ điềuchế một cách trầm trọng Vì vậy đồng bộ là một vấn đề cực kì cần thiết đối với bộthu OFDM

1.1.5 Kỹ thuật OFDM

Hình 1.5: Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM [6]

1.1.1.8 Khối S/P (Serial to Parallel ) và P/S (Parallel to Serial )Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít nối tiếp đầu vào thành các luồng bítsong song Các luồng bít song song 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 hiệntượng lỗi chùm do nhiễu tác động người ta phân bổ luồng tín hiệu một cách ngẫunhiên lên cácsóng mang.

kênh truyền FEC có hai loại chính: mã hóa khối và mã hóa chập Đồng thời đểtránh hiện tượng lỗi chùm trong OFDM người ta còn sử dụng kỹ thuật xen kẽ IL(interleaving) để chuyển các lỗi chùm thành các lỗi ngẫu nhiên đơn giản có thể sửalỗi Phương pháp IL thực chất là đưa luồng bit vào theo hàng và lấy ra theo cột.

Trong OFDM người ta thường sử dụng BPSK, QPSK, 4QAM, 16QAM, 64QAMcho việc điều chế tín hiệu

Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) điều chế pha nhị phân, là kỹ thuật

điều chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1tương ứng sóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại)

QAM (Quadrature Amplitude Modulation ) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ

của tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thànhphần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit Tại phía thu, tín hiệu thu được

bị tác động của nhiễu trên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bịthay đổi và được biểu diễn trên chòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát

một lượng nhất định Máy thu sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cáchđến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhất bằng một bộ so sánh.

Dựa vào việc điều chế các mức tương ứng ta có 4QAM, 8QAM, 16QAM,64QAM

Số mức điều chế lớn thì lượng tin được chuyển tải càng nhiều, nên việc sử dụngbăng thông hiệu quả hơn Tuy nhiên sử dụng càng nhiều mức thì lỗi bit càng cao

Hình 1.10: Sơ đồ chòm sao QPSK, 16QAM, 64QAM [6]

1.1.1.10Khối chèn pilotKhối chèn pilot thực hiện chèn các kí hiệu pilot vào tín hiệu trước khi truyền đi Các

kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết được tình trạng của kênh truyền, cùng với cáctham số của máy phát Nhờ đó mà máy thu có thể cân bằng và ước lượng kênhtruyền

Hình 1.11: Vị trí phổ của sóng mang pilot [6]

1.1.1.11Khối FFT và IFFT

- Nhiệm vụ chính

Kỹ thuật đa sóng mang gặp rất nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết lập cácsóng mang khác nhau để phát đi Và khối FFT, IFFT được xem như là giải thuậthữu hiệu để giải quyết vấn đề này Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi dữ liệu đượcthiết lập một biên độ và pha tương ứng Điều này cho thấy tín hiệu phát đang ởmiền tần số vì vậy khối IFFT được sử dụng để chuyển tín hiệu sang miền thời gian

để phát đi Thông qua đó các chuổi dữ liệu được gán một tần số sóng mang sao chochúng trực giao nhau

k

kn N

j

e k X N

n x

π

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau

Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền thần số tươngứng Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để đưa vàokhối Signal Demapper

Ta có công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm :

(

1 )

( )

X

Hình 1.12: Bộ điều chế OFDM [6]

1.1.1.12Khối chèn bảo vệ

kí tự i-1 kí tự i kí tự i+1

Hình 1.13: Chèn khoảng bảo vệ vào OFDM [1]

Chèn bảo vệ (CP) nhằm mục đích khoảng kéo dài của mỗi OFDM lớn hơn trải trễcực đại của kênh đa đường, đồng thời giữ nguyên tính trực giao giữa các sóng mangcon trong ký hiệu OFDM CP là bảng sao chép đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệuOFDM, được ghép vào đầu của nó để đảm bảo các sống mang con thành phần cótính tuần hoàn Điều này giúp cho hệ thống có khả năng chống ISI và ICI rất tốt.Ngoài ra kỹ thuật này còn có tác dụng tốt trong việc thực hiện đồng bộ

Mặc dù việc chèn CP vào chuỗi kỹ thuật OFDM truyền đi làm giảm hiệu suất tínhiệu, song những lợi ích to lớn mà nó đem lại khiến cho việc sử dụng kỹ thuật nàyrất phổ biến trong thực tế

1.1.1.13Khối D/A - Up converter và khối A/D - Down converterChuỗi ký hiệu rời rạc sau khi được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi

từ số sang tương tự để xử lý đưa lên tần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạtín hiệu ra ngoài không gian Ở phía thu, tín hiệu OFDM được thu từ anten sẽ đượcđổi tần xuống tín hiệu tần số thấp Và được đưa vào bộ biến đổi tương tự sang sốchuẩn bị cho việc xử lý

1.1.1.14Khối ước lượng kênh truyềnƯớc lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống 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 (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường Trong phương phápnày, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha vàbiên độ Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho

biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát Ước lượng kênh có thểđược phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số Trong miền thời gian thìcác đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng Trong miền tần số thì cácđáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng

1.3 Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM

1.1.6 Giới thiệu

Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin,giảm công suất phát Còn kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tintrong môi trường không dây Hệ thống MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹthuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chấtlượng thông tin trao đổi là tốt nhất

Có nhiều loại hệ thống MIMO-OFDM, tùy vào từng kỹ thuật MIMO mà chúng ta

có các hệ thống khác nhau, như: hệ thống MIMO-OFDM mã hoá không gian_thờigian, hệ thống MIMO-OFDM ghép kênh không gian Mỗi hệ thống có những ưuđiểm và hạn chế riêng, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu kinh tế mà ta sử dụngcác hệ thống thích hợp

Hình 1.14: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM [5]

1.1.7 MIMO-OFDM Tx

Hình 1.15: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM [5]

Luồng dữ liệu được mã hoá bởi bộ mã hoá FEC

Luồng dữ liệu mã hoá đó được ánh xạ qua bộ constellation bởi bộ điều chế và

mã hoá MIMO

Mỗi luồng symbol đầu ra tương ứng với một anten phát Tx và chịu sự xử líOFDM của anten đó:

Chèn thêm chuỗi pilot vào

Điều chế bởi bộ IFFT

Cuối cùng luồng dữ liệu được chuyển đến IF/RF cho anten phát

1.1.8 MIMO_OFDM Rx

Hình 1.16: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM [5]

Đầu tiên, các luồng dữ liệu nhận được từ anten thu Rx được đồng bộ

Sau đó Preambles và CP được tách ra từ luồng Rx nhận được Phần tín hiệucòn lại sau khi tách ra là một kí tự OFDM được giải điều chế bằng bộ FFT

Pilot tần số được được tách ra từ symbol OFDM giải điều chế và được sửdụng cho việc ước lượng kênh Ma trận ước lượng kênh được thêm vào trong bộgiải mã MIMO.

Các symbol được tổng hợp, giải điều chế và giải mã để tạo ra luồng dữ liệuphát ban đầu

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG MIMO-OFDM

1.5 Giới thiệu

Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR-Peak to Average Power Ratio), được gọi làPAPR Hệ thống OFDM sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữacác sóng mang con Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đườngbằng cách chia fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứngvới các tần số sóng mang OFDM khác nhau

Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết sự giao thoa giữacác sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các kí hiệu (ISI) do sử dụng CP Tuy nhiên,khi symbols OFDM được điều chế bởi sự chồng chất độc lập của nhiều tín hiệusóng mang phụ Pha của mỗi sóng mang phụ khi mà giống hoặc tương tựnhau…….dẫn đến PAPR cao, trong khi đó dải hoạt động của bộ khuyếch đại côngsuất có giới hạn, do đỉnh tín hiệu OFDM lớn nên dễ dàng nằm vào vùng hoạt độngphi tuyến tính của bộ khuyếch đại công suất, điều này làm cho tín hiệu bị suy giảmnghiêm trọng PAPR cao là một trong vấn đề cần phải được giải quyết trong hệthống OFDM

1.6Tìm hiểu PAPR

Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (peak to average power ratio) ký hiệu

là PAPR, được định nghĩa như sau:

PAPRdB = 10 lg( PAPR )