Việc thực hiện điều chếđa sóng mang OFDM được mô tảnhư hình 2.5. Luồng dữ liệu ban đầu được điều chế, kết quả là một luồng symbol phức [0], [1],…, [� − 1]. Luồng symbol này đi qua bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song, ngõ ra là một tập N symbol song song [0],…, [� −1] tương ứng với các symbol được truyền trên mỗi sóng mang con. Như vậy, N symbol ngõ ra từ bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song là các thành phần tần số rời rạc của ngõ ra bộ điều chế OFDM ( ). Để tạo ra ( ), các thành phần tần số này được chuyển thành các mẫu thời gian bằng cách thực hiện nghịch đảo DFT đối với N symbol này, việc thực hiện hiệu quảhơn bằng cách sử dụng giải thuật IFFT. IFFT tạo ra symbol OFDM chứa chuỗi [ ] = [0],…, [� −1] có chiều dài N, với: = 1 � 2� /� �−1 =0 , 0 � −1 (2.13)
15
Hình 2.4: Sơ đồ khối máy phát (a) và máy thu (b) OFDM
Chuỗi này tương ứng với các mẫu trong tín hiệu đa sóng mang: nghĩa là tín hiệu đa sóng mang bao gồm các kênh truyền con được điều chế tuyến tính và phía bên tay phải của (pt trên) tương ứng với các mẫu trong tổng các symbol với mỗi [ ] được điều chế với tần số sóng mang 2� /��, = 0,…,� −1. Cyclic prefix sau đó được thêm vào symbol OFDM và cho kết quả là các mẫu thời gian [ ] = [−�],…, [� −1] =
[� − �],…, [0],…, [� −1] được sắp xếp bởi bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp và đi qua bộ chuyển đổi D/A, kết quả là tín hiệu OFDM baseband ( ).
Tín hiệu truyền được lọc bởi đáp ứng xung kênh truyền ℎ( ) và bịảnh hưởng bởi nhiễu cộng, do đó tín hiệu thu được là ( ) = ( )∗ ℎ( ) + ( ). Tín hiệu này được chuyển về băng cơ sở và được lọc để loại bỏ các thành phần tần số cao. Bộ chuyển đổi A/D thực hiện lấy mẫu tín hiệu, thu được = ∗ ℎ + ,−� � −1. Prefix của [ ] gồm � mẫu đầu tiên được loại bỏsau đó.
P/S Giải điều chế 2� LPF 1 � −1 0 FFT A/D Loại bỏ Cyclic Prefix & S/P 1 � −1 0 (b) Điều chế S/P IFFT Cyclic prefix & P/S D/A 0 1 � −1 � −1 0 1 2� (a)
16
Điều này dẫn đến trong N mẫu thời gian có DFT không có nhiễu là [ ] = [ ] [ ]. Những thời gian mẫu này được chuyển nối tiếp sang song song và thực hiện FFT. Điều này dẫn đến các phiên bản tỉ lệ của các symbol ban đầu [ ] [ ], trong đó [ ] =
( ) là độ lợi kênh truyền fading phẳng của kênh truyền con thứ . Ngõ ra FFT được chuyển song song sang nối tiếp và đi qua bộ giải điều chếđể khôi phục lại dữ liệu ban đầu.
Hệ thống OFDM phân tích kênh truyền băng rộng thành một tập các kênh truyền con trực giao băng hẹp với mỗi symbol khác nhau được truyền trên mỗi kênh truyền con. Các độ lợi kênh truyền [ ], = 0,…,� −1 không cần thiết trong quá trình phân tích này, tương tự kênh truyền thời gian liên tục với đáp ứng tần số ( ) có thể được chia thành các kênh truyền con trực giao mà không có thông tin của ( ) bằng cách chia tổng băng thông tín hiệu thành các băng con không chồng lấn. Bộ giải điều chế có thể sử dụng các độ lợi kênh truyền để khôi phục lại các symbol ban đầu bằng cách chia ra
những độ lợi: [ ] = [ ]/ [ ]. Quá trình này được gọi là cân bằng tần số. Tuy nhiên,
đối với OFDM liên tục thời gian, cân bằng tần số dẫn đến tăng cường nhiễu, vì nhiễu trong kênh truyền con thứ tỉ lệ với 1/ [ ]. Do đó, ảnh hưởng của fading phẳng đối với [ ] được loại bỏ bởi quá trình cân bằng nhưngSNR không thay đổi. Một cách sử dụng cyclic prefix khác là prefix gồm các symbol zero. Trong trường hợp này, symbol OFDM là , 0 � −1 với phía trước là � mẫu không. Tại máy thu, phần "đuôi" của ISI cùng với phần cuối của symbol OFDM được thêm ngược lại vào phần đầu của symbol, tạo lại cyclic prefix, do đó, phần còn lại của hệ thống OFDM như bình thường. Prefix zero này giảm công suất phát so với cyclic prefix là �
�+�, vì prefix không yêu cầu bất kỳ công suất phát. Tuy nhiên, nhiễu từ phần đuôi thu được được thêm vào phần đầu của symbol, làm tăng công suất nhiễu lên �+�
� . Như vậy, sự khác biệt trong SNR là không đáng kểđối với hai loại prefix.
17
2.2.3 u vƠ nhược điểm của OFDM
u điểm của hệ thống OFDM:
Hiệu quả phổ cao
Thực hiện đơn giản bằng FFT (biến đổi Fourier nhanh)
Độ phức tạp máy thu thấp
Độ linh hoạt cao về khảnăng thích nghi
Mô hình đa truy nhập có độ phức tạp thấp như đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).
Vì OFDM là hệ thống truyền dẫn song song, trong đó thực hiện chuyển fading chọn lọc tần số thành fading phẳng bằng cách phân phối dữ liệu lên các kênh truyền phụ. OFDM là ứng cử viên để chống lại fading đa đường và lỗi burst ngẫu nhiên. Truyền tốc độ dữ liệu cao trên kênh truyền fading đađường.
Trong hệ thống OFDM, cân bằng được thực hiện rất đơn giản, giảm sự phức tạp của máy thu. Cân bằng áp dụng cho các kênh truyền phụđể giảm tỷ lệ lỗi.
Trễ của kênh truyền được xử lý bằng cách chèn dải bảo vệ có kích thước thích hợp.
OFDM cung cấp hiệu quả phổ cao hơn do tính trực giao giữa các sóng mang phụ.
OFDM đóng vai trò chính trong sự phát triển các tiêu chuẩn về truy cập băng rộng và tương thích với cơ sở hạ tầng hiện hữu.
Khoảng cách giữa các sóng mang con có thể được điều chỉnh theo yêu cầu của ứng dụng và tốc độ dữ liệu; hỗ trợ các mô hình điều chế khác nhau cho các kênh phụ khác nhau.
Nhược điểm của OFDM:
Trong môi trường di động, dịch Doppler, lệch tần số sóng mang trong trường hợp số sóng mang lớn, sai số thời gian và nhiễu pha là các vấn đề thực tếthường gặp trong hệ thống OFDM. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
18
Tỉ số công suất đỉnh-trung bình tương đối cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang, làm giảm hiệu quả công suất của bộ khuếch đại RF.
Việc thêm vào dải bảo vệ làm giảm hiệu quả phổ do đó tổng dung lượng kênh giảm
2.3 MIMO
Các thế hệ tiếp theo của hệ thống thông tin không dây nhằm đáp ứng nhu cầu tốc độ dữ liệu cao cùng với các hệ thống chất lượng cao. Nói cách khác, tài nguyên phổ đã trở thành một nguồn tài nguyên khan hiếm và đắt đỏ trong khi băng thông là rất hạn chế. Công suất phát bị hạn chế cùng với quá trình xử lý trong miền thời gian/tần số là những giới hạn nhưng không gian thì không bị giới hạn.
Hệ thống MIMO (multiple-input multiple-output) đã chứng tỏ tiềm năng của nó bằng cách giảm ảnh hưởng của can nhiễu trên kênh truyền bằng cách tăng dung lượng thông qua ghép kênh không gian và nâng cao dung lượng liên kết thông qua mã hóa không gian-thời gian. Hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten ở cả hai phía phát và thu, đã thu hút sựchú ý đáng kể, vì chúng mang lại sự cải tiến hiệu suất tuyệt vời về tốc độ truyền dữ liệu, dung lượng và giảm can nhiễu. Có hai độ lợi có thể được khai thác trong hệ thống MIMO và chúng được gọi là độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh không gian.
2.3.1 Mô hình h thống và kênh truyền MIMO
Hệ thống MIMO bao gồm nhiều anten ở cả hai phía của tuyến thông tin. Việc sử dụng nhiều anten cung cấp � ×� bậc tự do (DOF), trong đó � và � ký hiệu các anten thu và phát, tương ứng. Không giống như hệ thống thu phát đơn anten, giới hạn ở một bậc tự do, hệ thống MIMO có thể khai thác nhiều DOF để thay đổi các khía cạnh khác nhau của sự liên kết thông tin cơ sở như dung lượng kênh, tỉ lệ bit lỗi (BER), mức độ bao phủ, triệt can nhiễu.
19
Tổng quát, một hệ thống MIMO bao gồm � anten phát và � anten thu. Nó được gọi là hệ thống MIMO �,� . Tín hiệu truyền đi trong hệ thống MIMO với � anten phát có thể được tạo ra bằng cách thực hiện các công việc sau sau trên luồng bit dữ liệu:
Mã hóa kênh
Ánh xạ các bit mã hóa lên các chiều không gian và/hoặc thời gian
Điều chế
Tất cả anten truyền tín hiệu đồng thời trên cùng một băng thông của kênh truyền vô tuyến. Mỗi anten thu sẽ thu được sự chồng chất của tất cả tín hiệu đã phát đi bị ảnh hưởng bởi nhiễu trong kênh truyền vô tuyến. Nếu không có nhiều hơnmin �,� tín hiệu độc lập được truyền đi, tín hiệu thu được có thểđược giải mã chính xác.
Gọi ℎ là số phức tươngứng với độ lợi kênh truyền giữa anten phát thứ và anten thu thứ . Nếu tại một thời điểm nhất định, các tín hiệu phức 1, 2,…, � được phát trên
� anten, tín hiệu thu được tại anten thứ có thểđược biểu diễn là:
Trong đó là thành phần nhiễu. Kết hợp tất cả tín hiệu thu được trong một vector �, phương trình (2.14) có thể dễ dàng biểu diễn dưới dạng ma trận: Với: = ℎ, . + � =1 (2.14) �= +� (2.15) = ℎ1,1 ℎ1,� ℎ2,1 … ℎ2,� ⋱ ℎ� ,1 ℎ� ,�
20
� là vector symbol thu được có kích thước � × 1, là ma trận kênh truyền MIMO
� ×� và là vector symbol phát đi có kích thước � × 1 và giả định các biến là ngẫu nhiên không tương quan có trung bình zero và phương sai �2. Tổng công suất của được giả sử là � (độc lập với số anten phát). � là vector nhiễu cộng � × 1. Lưu ý rằng trong mô hình hệ thống, kênh truyền MIMO được giả sử là fading phẳng, nghĩa là các hệ số kênh truyền không đổi trong quá trình truyền các symbol. Fading phẳng sử dụng trong hệ thống có băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn nhiều so với băng thông kết hợp của kênh truyền. Tất cả thành phần tần số của tín hiệu phát cùng bị suy hao và dịch pha như nhau khi truyền qua kênh truyền[6].
Hình 2.5: Hệ thống MIMO tổng quát với � anten phát và � anten thu
2.3.2 Dung lượng kênh truyền MIMO
Nhiều nghiên cứu lý thuyết thông tin về kênh truyền không dây đã chứng minh rằng dung lượng hệ thống MIMO tăng lên đáng kể so với dung lượng hệ thống SISO. Một trong những lĩnh vực quan trọng nhất lĩnh vực nghiên cứu hệ thống MIMO là làm thế nào để khai thác tiềm năng vềdung lượng kênh truyền một cách hiệu quả.
1 2 � 1 2 � Kênh truyền MIMO Mã hóa Mã hóa MIMO (De- Mux) Điều chế Giải mã MIMO (tách sóng và Mux) Giải điều chế Gimã ải
21
Tốc độ dữ liệu tối đa, không xảy ra lỗi mà một kênh truyền có thể hỗ trợ được gọi là dung lượng kênh. Dung lượng kênh cho các kênh truyền AWGN SISO đầu tiên được bắt nguồn bởi Claude Shannon:
Với là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
Ngược lại với kênh truyền AWGN, kênh truyền nhiều anten có thể chống lại fading và bao gồm chiều không gian. Dung lượng của một kênh truyền MIMO xác định với mối quan hệ ngõ vào-ngõ ra = +�được xác định bởi:
Trong đó, 2 là công suất kênh truyền chuẩn hóa và SNR trung bình tại mỗi nhánh máy thu là .
Đối với kênh truyền fading MIMO, dung lượng của kênh truyền là một biến ngẫu nhiên bởi vì dung lượng là một hàm của ma trận kênh truyền . Phân phối của dung lượng được xác định bởi phân phối của ma trận kênh truyền . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dung lượng của kênh truyền MIMO ngẫu nhiên [7]
Giả sử công suất của các anten phát được phân phối bằng nhau. Dung lượng của một kênh truyền MIMO ngẫu nhiên được xác định bởi:
Với � = min(� ,� )
Đối với trường hợp � � , giới hạn dưới của dung lượng có thểđược bắt nguồn theo biến ngẫu nhiên chi-square như: � = log2 1 + (2.16) � = log2 1 + � (2.17) � = log2 + � (2.18) � > log2 1 + �.� � =� −� +1 (2.19)
22
Với � là biến ngẫu nhiên chi-square với 2 bậc tự do. Đối với trường hợp đặc biệt,
� =� , giới hạn dưới của dung lượng trong (2.19) là:
Dung lượng kênh truyền trung bình được gọi là dung lượng ergodic được xác định bởi:
Trong đó �[ ] ký hiệu cho kỳ vọng của biến ngẫu nhiên . Dung lượng ergodic tăng theo số anten � (theo giảđịnh � =� ), kết quảlà độ lợi dung lượng của kênh truyền fading MIMO tăng đáng kể so với kênh truyền SISO.
Hình 2.6: Dung lượng kênh truyền ergodic
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 5 10 15 20 25 SNR (dB) b p s /H z NT=1; NR=1 NT=1; NR=2 NT=2; NR=1 NT=2; NR=2 NT=4; NR=4 �� = log2 1 + �.� � =1 (2.20) � =� log2 + � (2.21)
23
2.3.3 u điểm của công ngh MIMO [8]
Độ lợi mảng
Độ lợi mảng là mức tăng SNR trung bình tại máy thu có được từ hiệu quả kết hợp của nhiều anten tại máy thu hoặc máy phát hoặc cả hai. Nếu kênh truyền được biết đối với nhiều anten phát, phía phát sẽ cân nhắc việc truyền bằng các trọng số sao cho có sự kết hợp mạch lạc tại phía thu một anten (trường hợp MISO). Độ lợi mảng trong trường hợp này được gọi là độ lợi mảng phía phát. Nếu chỉ có một anten ở phía phát và không có thông tin về kênh truyền, phía thu có nhiều anten và phía thu có thông tin hoàn hảo về kênh truyền, thì phía thu có thể xử lý một cách phù hợp các tín hiệu đến để chúng kết hợp mạch lạc ở ngõ ra, do đó cải thiện tín hiệu (trường hợp SIMO). Được gọi là độ lợi mảng phía thu.
Giảm can nhiễu
Can nhiễu có thể được giảm trong các hệ thống MIMO bằng cách khai thác chiều không gian để tăng sự tách biệt giữa các user. Trong trường hợp có sự hiện diện của can nhiễu, độ lợi mảng làm tăng khảnăng chống nhiễu cũng như năng lượng can nhiễu, do đó cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR). Ngoài ra, chiều không gian có thểđược sử dụng cho mục đích tránh can nhiễu, chẳng hạn như, năng lượng tín hiệu định hướng đến user mong muốn và giảm can nhiễu cho các user khác. Giảm can nhiễu cải thiện mức độ bao phủ và phạm vi của mạng không dây.
Độ lợi phân tập
Chúng ta sử dụng phân tập để chống lại fading. Điều này yêu cầu tạo ra nhiều bản sao của tín hiệu truyền theo thời gian, tần số, hoặc không gian. Phân tập không gian hoặc phân tập anten đã được sử dụng phổ biến trong thông tin không dây và có thể được phân thành hai loại: phân tập thu và phân tập phát, tùy thuộc vào nhiều anten được sử dụng ở phía thu hoặc phía phát.
24
Độ lợi ghép kênh không gian
Ghép kênh không gian tạo ra khả năng gia tăng tuyến tính (theo số cặp anten phát-thu hoặc min(� ,� )) về tốc độ truyền (hoặc dung lượng) cho cùng băng thông và không yêu cầu thêm công suất. Điều này chỉ có trong kênh truyền MIMO.
2.4 MIMO-OFDM
MIMO-OFDM là một công nghệ kết hợp MIMO và OFDM với nhau để truyền dữ liệu trong thông tin không dây để giải quyết các ảnh hưởng gây ra bởi kênh truyền fading chọn lọc tần số. Tín hiệu OFDM trên mỗi sóng mang phụ có thể khắc phục fading băng hẹp, do đó OFDM có thể chuyển các kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền fading phẳng song song. Hệ thống MIMO-OFDM truyền dữ liệu đã được điều chế OFDM trên nhiều anten phát cùng một lúc. Tại phía thu, sau khi giải điều chế OFDM, tín hiệu được khôi phục bằng cách giải mã mỗi kênh truyền con từ tất cả anten phát. MIMO-OFDM đạt được hiệu quả phổ, tăng thông lượng và chống lại ISI.
25
Hình 2.7: Mô hình tổng quát hệ thống MIMO-OFDM � ×�
2.5 Tổng quan bộ mã LDPC
Yêu cầu về độ tin cậy truyền dữ liệu cao và hiệu quảtrong đa phương tiện di động và dịch vụ truyền hình kỹ thuật số đặt ra một thách thức lớn cho các kỹ thuật mã hóa kênh. Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) là mã sửa sai thuộc lớp mã khối tuyến