1. 1T NG QUA NH TH NG DUAL TURBO TRONG MIMO-OFDM
2.2H TH NG MIMO-OFDM (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT
OFDM).
S tích h p c a m ng Internet và các ng d ngă đaă ph ngă ti n trong thông tin vô tuy n th h k ti p g năđơyălƠmăgiaătĕngănhuăc u t căđ d li u cao c a các d ch v
thôngătinăbĕngăr ng.ăDoăbĕngăt n ph cho phép b gi i h n, nên vi c có th đ tăđ c t căđ d li u cao nh vào vi c nâng c p các thi t k v k thu t báo hi u. K t h p k thu tăkhôngădơyăđaăantennaăphátăvƠăantennaăthuăMIMOăv i OFDM là m t gi i pháp
đ y h a hẹn cho các m ng WLAN, WMAN th h ti pătheo,ăcũngănh ăcácăh diăđ ng t bào vô tuy n 4G.
Hình 2.1. T l l iăbităBERăđ i v i t s tín hi u trên nhi u Eb/No (dB) trong các h th ngăđaăantenăphátăvƠăđaăantenăthu.
Cĕnăc vào hình trên ta th y,ăđ ngăcongăBERă(hìnhăngôiăsao)ăđ i v i h 1 anten phát và 1 anten thu là cao nh tă(1Tx,ă1Rx).ăCácăđ ng còn l i là bi u di n BER c a h th ngăđaăantenă phía phát hay phía thu MIMO (k thu t phân t p).
uă đi m c a h th ngă MIMOă lƠă cóă đ c s phân t p không gian nh các
Tx Tx Tx Tx Rx Rx Rx Rx Complex scattering environment Signal estimation and decode Signal encode and split Single data stream input
Lower rate parallel data streams
Data stream output
Hình 2.2: H th ng MIMO.
Có nhi uăcáchăkhácănhauăđ th c hi n h th ng MIMO v i m căđ phân t p
nƠoăđóănhằm lo i b tín hi u fading hay m r ngădungăl ng. Nhìn chung, có 3 k thu t MIMO. Th nh t là k thu t phân t p không gian t iăđaăđ c i thi n hi u su t công su t chẳng h nănh ăphơnăt păđ tr , mã hóa không gian-th i gian. Th hai là k thu t phân l păđ tĕngădungăl ng do Foschinietalăđ ngh trong h th ng V-BLAST, tuy nhiên k thu tănƠyăth ngăkhôngăcóăđ căđ phân t păkhôngăgianăđ yăđ . K thu t th ba là khai thác thông tin kênh truy n b phátă đ cóă đ că dungă l ng mong mu n.
OFDM là m tă tr ng h pă đ c bi t c a ghép kênh phân chia t n s FDM (Frequency Division Multiplexing). OFDM nằm trong m t l p các k thu tăđi u ch
đaăsóngămangătrongăthôngătinăvôătuy n, là k thu tăđi u biên và ghép kênh s ,ătrongăđóă
m t tín hi uăđ c tách ra làm nhi uăkênhăbĕngăhẹp t i nh ng t n s khác nhau, lu ng d li u t căđ caoăđ c chia thành nhi u lu ng t căđ th păh n, truy năđiătrênănh ng sóng mang con tr căgiao.ăNóăcóă uăđi m ch ng l i fading ph thu c t n s .
2.2.1. GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO T N S TR C GIAO
K thu t OFDM l năđ u tiênăđ c gi i thi u trong bài báo c aăR.ăW.ăChangănĕmă1966ă
v v năđ t ng h p các tín hi u có d i t n h n ch khi th c hi n truy n tín hi u qua nhi u kênh con. Tuy nhiên, cho t i g năđơy,ăk thu t OFDM m iăđ c quan tâm nh có nh ng ti n b v t b c trong lĩnh v c x lý tín hi uăvƠăviăđi n t và bây gi đ c k t h p r ng rãi vào trong các h th ngă khácă nhauă nh ă MIMO-OFDM, OFDM- CDMA, MC-CDMA (MultiCode - CDMA),...
Th păniênă80,ăOFDMăđ c nghiên c uăchoăthôngătinădiăđ ng s , truy n d li u t căđ cao (high speed modems). Nh ngănĕmă90,ăOFDMăđ c khai thác ng d ng cho truy n thông d li uăbĕngăr ngă(widebandădataăcommunications),ăđ ng truy n thuê bao s t căđ caoăHDSLă1.6ăMbps,ăđ ng truy n thuê bao s b tăđ i x ng ADSL, VDSL 100Mbps, DAB. Trong các h th ng thông tin h u tuy n (ví d h th ng
ASDL,ầ),ă k thu tă OFDMă nƠyă th ngă đ c nh că đ nă d iă cáiă tên:ă đaă t n DMT (Discrete MultiTone).
Trong các h th ngăđ năsóngămang,ătoƠnăb d i t n s tín hi uăđ c chia thành kênh không ch ng l n l n nhau. M iăkênhăđ c đi u ch v i m t symbol riêng bi t và r iăNăkênhănƠyăđ c tr n t n v iănhau.ăNh ăth , taătránhăđ c ch ng ph nhằm lo i b giaoăthoaăxuyênăkênhănh ngăl i s d ng nhi uăbĕngăthông.ăĐ gi i quy t v n
đ này, OFDM s d ng d li u song song và FDM v i các kênh ph ch ng l n l n
nhau.ă Trongă đóă m i kênh ph mang m t t că đ d li u,ă đ că đ t cách nhau m t kho ng t n s đ tránh s cân bằng t căđ cao (High-Speed Equalization), ch ng l i nhi uăvƠăméoăđaătuy n,ăcũngănh ăs d ng hoàn toàn d i thông có s n.
f
f
Tieát kieäm baêng thoâng (a)
(b)
Hình 1.3:Soăsánhăđ l iăbĕngăthôngăgi a k thu tăđaăsóngămangăFDMăvà k thu t OFDM. 2.2.1.1.ăĐ CăĐI M C A K THU T OFDM
a) u điểm
So v i các k thu tăđi u ch đ năsóngămang,ăk thu tăOFDMăcóăcácă uăđi m (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nh ăsau:
Ti t ki măbĕngăthôngăs d ng vì cho phép ch ng ph gi a các sóng mang con. Lo i b đ c h u h t giao thoa gi a các sóng mang ICI và giao thoa gi a các
ký hi u ISI do s d ng kho ng b o v ti n t vòng CP (Cyclic Prefix).
B n v ngăđ i v i fading ph thu c t n s và tr i tr đaăđ ng. Do các ký hi u
cóăbĕngăthôngăhẹp nên m i sóng mang ph ch ch u fading phẳng. Ngoài ra do kho ng ký hi uădƠiănênăl ng phân tán do tr i tr đaăđ ng gi m. S d ng các bi n pháp xen và mã hóa kênh thích h p s kh c ph că đ c hi nă t ng suy gi m xác su t l i trên ký hi u do các hi u ng ch n l c t n s kênh gây ra. Kh nĕngăkhángănhi u r t t t vì can nhi u ch nhăh ngăđ n t l nh các sóng
mang ph .
Đ ph c t p gi m nh th c hi n FFT và IFFT trên lu ng d li u nh phân thay cho các b đi u ch sóng mang ph .
Có th t o ra các m ngăđ năt n SFN (Single Frequency Network), mà các m ng
nƠyăđ căđ c bi tăchúăỦăđ i v i các h th ng truy n thông. Ví d nh ă ng d ng trong m ngăđ năt n trong truy n thanh s qu ng bá.
Quá trình cân bằngăkênhăđ c th c hi năđ năgi năh năsoăv i vi c s d ng các k thu t cân bằng thích nghi trong các h th ng đ năt n.
Trong nh ng kênh th iăgianăthayăđ iăt ngăđ i ch m, có th tĕngădungăl ng
đángăk bằng cách dung hòa gi a t căđ d li uăđ i v i m t sóng mang ph theo t l tín hi u trên nhi u c a riêng sóng mang ph này.
Truy n d li u t căđ cao.
b) Nh ợc điểm
Ngoài ra, k thu tăOFDMăcũngăcóănh ng h n ch so v i k thu tăđi u ch đ nă sóngămang,ăđóălƠ:ă
OFDM nh yăh năv i s chênh l ch t n s và nhi u pha.
H th ng OFDM t o ra tín hi u là t p h p c a tín hi u trên nhi u sóng mang, d iăđ ng c a tín hi u l n nên công su tăđ nhătrênătrungăbìnhăPAPRăt ngăđ i l n, mà t s nƠyăcóăkhuynhăh ng làm gi m hi u su t c a khu chăđ i công su t âm t n.ăĐ ng th i d b nhăh ng c a d ch t năvƠăphaăh năsoăv i h th ng m t sóng mang. Vì v y, ph i th c hi n t tăđ ng b t n s trong h th ng.
2.2.1.2.ăS ăĐ KH I H TH NG OFDM
Hình 2.5:Ph c a m t kênh con OFDM (a) và tín hi u OFDM 05 sóng mang con (b). 2.2.1.3. BI U DI N TÍN HI U OFDM
Theo hình 2.4, ta th y d li u vào n i ti p nh phơnătr cătiênăđ c b ng u nhiên hóa x lỦăsauăđóăđ căđ aăđ n b mã hóa kênh truy năđ c i thi n hi u su t h th ng BER.
Tùyătheoăcácăđi u ki n fading khác nhau c a kênh truy n mà ki uăđi u ch bĕngăg c riêng chẳng h n BPSK, QPSK,ăQAMăđ c l a ch n nhằmătĕngăt căđ d li u. Th m chí ki uăđi u ch có th thayăđ i trong quá trình truy n các frame d li u. Nh ng tín hi u ph c k t qu s đ c nhóm thành nhi u vector c tăcóăcùngăkíchăth c FFT, N. Nhằmăđ năgi n vi c bi u di n, ta dùng ma tr năvƠăvectorăđ mô t mô hình toán h c.
Đ t là ký t OFDM th m trong mi n t n s ,ătaăđ c:
=
+ −1 1
(2.1)
Trongăđóă là ch s c a các ký t OFDM. Ta gi s các thành ph n giá tr ph c { ( ), ( + 1),… , ( + −1)} c a là các bi n ng u nhiên có
trungăbìnhălƠă0ăvƠăkhôngăt ngăquanăv i kho ng cách l y m u c a chúng là nhóm tín hi u trong ki uăđi u ch .ăĐ công su t trung bình c a các ánh x khác nhau này đ c chuẩn hóa bằngă1,ăng i ta nhân 1 h s chuẩn hóa v i m i thành ph n c a
. Vi c l y m u trong mi n th iă giană đ c th c hi n thông qua kh i bi nă đ i
ng c r i r c Fourier IDFT (Inverse Fast Fourier Transform) bi u di n nó là m t phép nhân ma tr n. Đ t là ma tr n DFT N-đi m mà các thành ph n (p,q) là − � − ( − ). Các m u k t qu trong mi n th i gian có th đ c bi u di n b i: = + −1 1 = 1 (2.2)
So v i vi căđi u ch và ghép kênh t năkémăcũngănh ăph c t p c a nh ng h th ngăFDMăthôngăth ng, các h th ng OFDM d dàng th c hi n nh áp d ng thu t toán FFT trong x lỦăbĕngăg c.ăĐ tri t tr i tr đaăđ ng trong nhi u kênh truy n vô tuy n, các m u trong mi n th i gian đ c m r ng l p vòng thông qua vi c sao chép các m u cu iăvƠăchènăchúngăvƠoătr c d li u,ănh ăđ c ch raăd iăđơy: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.6: a) Khái ni m v ti n t vòng CP (Cyclic Prefix); b) Ký t OFDM v i CP. Đ t là ký t OFDMăkhiăcóăthêmăCP,ătaăđ c: = ( ) ( + −1) = ( ) 1 (2.3)
v i : = + là chi u dài c a . Vi c chèn CP có th đ c bi u di nănh ă
tích s ma tr n c a và m t ma tr n có chi u. Bằng tính toán tr c ti p, ta có: = trongăđó:ă = 0 − 0 0 + (2.4)
M t trong nh ng v năđ khó ch u c a kênh truy n vô tuy n là tr i tr đaăđ ng. N u tr i tr t ngăđ i l n so v i kho ng th i gian ký t , thì 1 b n tr c a tín hi uătr c s ch ng lên tín hi u hi n t i gây ra hi nă t ng nhi u liên ký t ISI (InterSymbol Interference) nghiêm tr ng.ăĐ lo i b hoàn toàn ISI, ng i ta ph i t o cho m i ký t OFDM và chi u dài c a , ph iăđ c ch n l năh nătr i tr đoăđ c, , vì v y
> . Ngoài ra, còn có kh nĕngăduyătrìăs tr c giao gi a các sóng mang ph , n u không s d năđ n hi năt ng nhi u liên sóng mang ICI (Inter Carrier Interferene).
ĐóălƠălỦădoăkỦăt OFDMăđ c m r ng l păvòngăvƠăđi uănƠyăđ m b o các b n sao b tr c a ký t OFDM luôn có 1 s nguyên l n chu kỳ trong kho ngăFFT,ăcũngănh ăb n tr nh h nă . Rõ ràng theo hình 2.6 ta th y, cho dù c a s FFT b tăđ u ch nƠoăđiă
n a,ănh ngănóăluônănằm trong kho ng , t iăđóăluônăcóă1ăhayă2ăchuăkỳ c a th i gian th c hi n FFT cho ký t l năl t trênăvƠăd i c a ký t hi n t i. Ký t OFDM có
đ c này (k c kho ng ), ph iăđ c chuy n sang tín hi uăt ngăt nh b bi năđ i s sang t ngăt DAC (Digital-to-AnalogăConverter)ăvƠăsauăđóăchuy n lên t n s vô tuy năRFă(RadioăFrequency)ăđ truy năđi.
Đ gi đ c tính r i r c th i gian, ký t OFDM có th đ c quá l y m u và c ng v i t n s sóng mang r i r c. Sóng mang này có th là 1 t n s trung t n IF (Intermediate Frequency) mà t căđ l y m u c aănóăđ c k thu t hi n nay x lý. Nó có th đ c chuy năsangăt ngăt vƠătĕngăt n s phát cu i cùng thông qua vi c s d ngă ph ngă phápă chuy n đ i t n s t ngă t . Ho c, vi că đi u ch OFDM có th
đ c chuy nă đ i l p t că sangă t ngă t vƠă tĕngă tr c ti pă đ n t n s phát RF mong mu n.ăTùyătheoăđi u ki n v chi phí, công su t tiêu th vƠăđ ph c t p h th ng mà l a ch năph ngăphápănƠoăchoăphùăh p.
Tín hi uăRFăđ căphátăraămôiătr ng ngoài. Ta gi s kênh truy n vô tuy n là fading l a ch n t n s đ cămôăhìnhănh ă1ăb l căđápă ng xung h u h n FIR (Finite
ImpulseăResponse)ăbĕngăg c r i r c th i gian b c ( –1) v i các v trí b l c (filter tap) { 0, 1,… , ,… , −1}. Các t p là các bi n ng u nhiên Gauss, ph c,ă đ c l p, trung bình là 0 v iăph ngăsaiă(1
2 ) m i chi u. T p h p các { 0,…, ,…, −1} là profile tr công su t PDP (Power Delay Profile) c a kênh truy năvƠăthôngăth ng có công su t t ng c ngăđ c chuẩn hóa bằngă1ănh ăsuyăhaoăkênhătrungăbìnhăđ năv . Đ t
vectorăđápă ng xung CIR (Channel Impulse Response) là ta có: =
0,
−1, 1
(2.5)
Trongăđóămănhằm ch ra rằng kênh truy n có th thayăđ i t ký t OFDM này sang ký t OFDM k . V y tín hi u thu ph căbĕngăg c có th đ c bi u di nănh ă1ătíchă
ch p r i r c th iăgianăsauăđơy:
+ = , + −1 + (
−1 =0
+ ) (2.6)
V i + là m u thu th n trong ký t OFDM th m và 0 –1. Thành ph n ( + ) bi u di n AWGN ph c m u th i gian th ( + )
v i trung bình 0 vƠăph ngăsaiă1/2 2 m i chi u. Kh i DFT x lý song song các tín hi uătrongăph ngătrìnhă(2.6)ăd i d ng ma tr n sau:
= , + , −1 + + (2.7) = ( ) ( + −1) ; = ( ) ( + −1) (2.8) , = , … … … … ⋱ ⋱ −1, … … ⋱ … , … ⋱ −1, … , ; ( ), = −1, … 1, ⋱ … … −1, (2.9) D dàng th y rằng công th c (2.7), –1 thành ph nă đ u c a là { ( ),…, ( + –2))} s b ISI nhă h ng t các thành ph n ,
( −1) c a ma tr n tam giác trên và Toeplitz , có các ngõ vào khác 0
trên –1 hƠngăđ uătiên.ăĐ lo i b thành ph n ISI, ta có th chuy n vector có
1 chi u thành vector có 1 chi u nh đ năgi n c t b các thành ph n có th b ISI. Nhằm xóa b tri tăđ ISI,ăđi u ki n > ph iăđ c th aămƣn.ăĐóălƠă quáătrìnhăng c l i c a vi c m r ng l p vòng so v i bên phát. Bi năđ i này có th
đ c bi u di nănh ătíchăvectorămaătr n: = ( ) ( + −1) = (2.10) Trongăđó: = 0
Theo hình (2.4), tín hi u thu không ISI ( ) đ căđi u ch FFT,ădoăđóăđ c chuy n l i v mi n t n s ( ) có d ng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
=
( )
( + −1)
(2.11)
Sau khi nh năđ c tín hi u thu , vi c phát hi n ký t có th th c hi n n u thông tin tr ngătháiăkênhăCSIă(ChannelăStateăInformation)ăđ c bi tătr c hay có th
tr iăquaăquáătrìnhăng c l i v iăphíaăphátăđ khôi ph c l i thông tin nh phân ngõ vào
banăđ u.ăPh ngătrìnhăbi u di n tín hi u thu đ i v i tín hi u phát nh ăsau: = , + (2.12) v i: , là ma tr n chéo d ng: , = 0, ⋱ −1, ; , = − 2� −1 =0 , 0 (2.13) và là AWGN ph c trong mi n t n s .
Nh ăth , tín hi u phát có th đ c tách d dàng nh đ năgi năphơnăchiaăđápă ng t n s kênh cho sóng mang ph xácăđnh.
2.2.2. K THU T MIMO-OFDM
H th ngă MIMOă đ c xây d ng v i nhi u antenna thành ph n cácă đ u cu i c a
đ ng dây vô tuy n. M t s công trình nghiên c u v lý thuy t thông tin m iăđơyăđƣă
ch ng t ng iătaăcóăđ c nhi u thu n l iătrongădungăl ng kênh thông tin vô tuy n khi th c hi n trên h MIMO. Tuy nhiên khi truy n d li u t că đ cao,ă đ că tínhă đaă đ ng c a môiătr ng s làm cho kênh truy n MIMO b l a ch n t n s . OFDM là m t k thu t hi u qu đ phát d li u trên nh ng kênh l a ch n t n s . OFDM d a
trênăỦăt ng phân chia kênh t n s bĕngăr ng thành nhi uăkênhăconăbĕngăhẹp. Do v y, m c dù tính ch t l a ch n t n s c a kênh truy năbĕngăr ng thì m i kênh con v n là m t kênh fading phẳng.
2.2.2.1.ăS ăĐ KH I H TH NG MIMO-OFDM
Hình 2.7: S ăđ b phát tín hi u MIMO-OFDM.
D li u (lu ng bit) t ngu năđ c b mã hóa ti n s a l i mã hóa. Ti p theo, lu ngăbităđƣămƣăhóaăđ c ánh x thành m t tín hi u nh b đi u ch s , và mã hóa b i
Data source Channel encoder Digital modulation MIMO encoder OFDM modulation OFDM modulation OFDM modulation
b mã hóa MIMO. Cu i cùng, nh ng lu ng tín hi u song song ngõ ra s đ c phát trên m tăantennaăt ngă ngăsauăkhiăđƣăquaănh ng quá trình x lý gi ng nhau.
+ Chèn tín hi uăpilotătheoăs ăđ pilot.
+ Đi u ch IFFT chu i tín hi u trong mi n t n s thành chu i tín hi u OFDM.
+ Thêm ti n t vòng CP vào m i ký t OFDMăđ gi mătácăđ ng tr i tr kênh truy n.
+ăChènă‗mƠoăđ u‘ă(preamble)ăvƠoăm iăkheăđ đnh th i.
+ Cu i cùng, khung d li u v i c uătrúcătrênăđ c truy n t i các b ph n trung t n/cao