3.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày các nội dung sau
- Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng two way relay - Giới thiệu tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM
- Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM - Mô hình toán học hệ thống MIMO-OFDM Two way relay - Ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM Two way relay - Khôi phục dữ liệu
3.2. Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng two way relay
Mô hình one-way relay có những ưu điểm nhất định như đơn giản, kích thước nhỏ, giá thành thấp hơn so với tram BTS, đồng thời có thể sử dụng chính điện thoại di động làm một one-way relay trong khi chất lường đường truyền được đảm bảo. Tuy nhiên, hệ thống one-way relay có những nhược điểm không thể tránh khỏi. Đó là hiệu quả sử dụng khe thời gian thấp. Chính vì thế thế hệ relay thứ hai two- way relay được đề xuất để khắc phục nhược điểm này.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống two-way relay
Khác với one-way relay, trong two-way relay thông tin đến relay từ trạm gốc và thuê bao tại cùng một thời điểm và thông tin được chuyển tiếp từ relay đến trạm
gốc và thuê bao cũng cùng một thời điểm, do đó nó có tên là two-way relay. Mô hình hệ thống two-way relay được biểu diễn như hình (3.1).
Ta xét mô hình hệ thống thông tin giữa trạm gốc với một thuê bao di động, sử dụng một relay như hình (3.1). Trạm gốc, relay và thuê bao di động được xem như các nodes. Nhiệm vụ chính của relay trong hệ thống two-way relay tương tự như trong hệ thống one-way relay đó là tiếp nhận, trộn các bản tin nó nhận từ trạm gốc và các thuê bao trong khe thời gian thứ nhất, xử lý rồi gửi lại đồng thời cho trạm gốc và thuê bao trong khe thời gian thứ hai. Cách thức thực hiện này của relay được gọi là Network coding.
Tương tự trong hệ thống one-way relay, dựa trên quá trình xử lý tại relay, có 2 giao thức được đưa ra: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyển tiếp (DF).
3.3. Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng dung lượng cũng như khả năng chống hiện tượng đa đường. Cải thiện chất lượng dịch vụ bằng cách tăng công suất, dung lượng hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức nhất định nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thống cũng không thể tăng mãi được vì việc phân bố băng thông đã được chuẩn hoá sẵn. Và chính vì thế đã có rất nhiều nghiên cứu để tìm ra các kỹ thuật nhằm giúp cải thiện chất lượng thông tin.
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) gọi là tuyến thông tin điểm - điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Từ những năm đầu nghiên cứu cho đến gần đây đã cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống nhờ hiện tượng phản xạ đa đường mà tạo ra nhiều kênh ảo riêng lẻ giúp tăng dung lượng kênh truyền. Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu cũng tăng, độ phức tạp của hệ thống xử lý tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên.
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền và sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V - BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào kỹ thuật phân tập phía phát (STBC), phía thu (STTC) mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông của hệ thống. Và kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số bằng cách chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ được nhiễu liên ký tự ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn, và nhiễu liên sóng mang ICI. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số. Từ những ưu điểm nổi bật của thống MIMO và kỹ thuật OFDM nên việc kết hợp hệ đã được nghiên cứu và ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây băng rộng.
3.4. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM
3.4.1.Phân tập không gian
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông tin không dây. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc nhiều chuỗi array được xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không bị nhiễu với nhau. Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tuỳ thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không bị tương quan với nhau. Trong phân tập không gian các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Phân tập không gian làm giảm hiệu suất băng rộng, điều này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao.
Có thể chia ra phân tập không gian thành 3 loại: Phân tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập anten phát và thu. Trong phân tập anten thu, nhiều anten
được sử dụng ở nhiều nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường.
Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều chiều.
3.4.2.Phân tập tần số
Phân tập tần số nghĩa là sử dụng nhiều thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo không bị nhiễu và bị ảnh hưởng fading một cách độc lập, không bị tương quan nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tuỳ thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.
3.4.3.Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể thu được tín hiệu qua mã hoá và xen kênh. Ta xem 2 trường hợp sau: Truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ.
Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu tín hiệu fading không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading . Mã điều khiển lỗi thường sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã so với hệ thống không mã hoá. Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong
miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được qui định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoản việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ.
3.5. Mô hình toán học hệ thống OFDM Two way relay
Trước hết ta giả sử rằng:
- Trạm gốc, relay, thuê bao được ký hiệu theo thứ tự là S, R, D. - Tại S có anten, tại R có relays, tại D có anten.
- Không có đường truyền thẳng giữa trạm gốc và thuê bao.
- Kênh truyền giữa các nodes là kênh truyền biến đổi nhanh, chọn lọc tần số, có phân bố Rayleigh.
- Các tham số hệ thống và ký tự pilots gửi đi từ trạm gốc và thuê bao là như nhau.
- Giao thức được sử dụng tại relay là khuếch đại và chuyển tiếp (AF). - Hệ số khuếch đại tại relay là biến đổi thời gian thời gian .
Trạm gốc cần chuyển bản tin đến thuê bao, ta gọi đó là . Cùng lúc đó, thuê bao cần gửi bản tin đến trạm gốc, ta gọi là . Quá trình trao đổi thông tin được thực hiện trong 2 khe thời gian với sự trợ giúp của relay. Các đáp ứng xung kênh truyền giữa các node trong các khe thời gian được ký hiệu như hình (3.2).
Hình 3.2: Mô hình xử lý two way relay
Sau khi biến đổi IFFT và chèn tiền tố CP, tín hiệu phát dải nền tại ký tự OFDM thứ m, trong thời gian thứ n của mỗi node S, D trong khe thời gian thứ nhất được biểu diễn như sau:
trong đó {- g,...,0,... 1} n∈ N N − , g N
đại diện cho chiều dài tiền tố CP, ,
k m X
là sóng mang con dữ liệu điều chế thứ k trong ký tự OFDM thứ m.
Theo giả thiết ban đầu, tín hiệu pilot phát đi từ S đến R và từ D đến R là giống nhau và phát đồng thời. Qua kênh truyền chọn lọc kép giữa các node, tín hiệu nhận được tại relay sau khi lược bỏ CP trong mẫu thời gian thứ n trong ký tự OFDM thứ
m được viết lại như sau: - Tín hiệu đến từ S
- Tín hiệu đến từ D
trong đó là nhiễu trắng cộng AWGN có phương sai và trung bình , , đại diện cho đáp ứng xung kênh truyền lựa chọn thời gian và tần số giữa S-R và D-R, trong đó bao gồm cả ảnh hưởng của suy hao đường truyền. Tại relays, tín hiệu được khuếch đại với hệ số , sau đó được truyền tiếp đến các nodes. Như vậy tín hiệu phát đi tại relays là:
trong đó là nhiễu AWGN tổng cộng tại Relay, chạy theo a, b.
Theo giả thiết ban đầu, giao thức được sử dụng là AF, do đó trong khe thời gian thứ 2, tín hiệu được phát từ R đến S và D thông qua kênh truyền chọn lọc kép.