Hình 4.2: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Tại máy phát:Tín hiệu cần truyền sẽ được đưa qua bộ mã hóa kênh để mã hóa thành các mã phát hiện và sửa lỗi , kết hợp với bộ xen rẻ IL(interleaved) để tránh hiện tượng lỗi chùm.
Tiếp tục chuỗi bít trên sẽ đưa qua bộchuyển đổi S/P và sắp xếp để tạo thành các nhóm bit phục vụ cho điều chế M-PSK hoặc M-QAM để trở thành các chuỗi số phức:
Ci=[c0,I ; c1,I ; c2,i….. cQ-1,i]
Với Q:số bít của một nhóm phục vụ cho điều chế Q=log2 M. i:là số kí tự phức thứ i của điều chế M-PSK hoặc M-QAM. Được phân bố trên mặt phẳng phức như sau:
Chuỗi kí tự điều chế sẽ được chuyển đổi từ nối tiếp thành 2N kí tự song song tương ứng với N sóng mang con như sau:
Dn,m=[d0,m; d1,m; d2,m; d 2N-1,m;]
Trong đó m:là kí tự thứ m của OFDM.
Hình 4.4: Điều chế ở máy phát
Sau đó ta cho chuỗi kí tự được điều chế Dk vào bộ mã hóa STC. Bộ mã hóa STC làm việc như sau:
Nó sẽ tách chuỗi Dk kí tự OFDM thành nhóm có 2 kí tự lần lượt là D1,D2 sau đó qua bộ mã hóa STC tạo ra các kí tự s1,s2,-s2*,s1* .
Hình 4.5: Mã hóa STC
Ở khe thời gian thứ nhất, nó phát kí tự s1, s2 trên anten 1và anten 2, ở khe thời gian tiếp theo nó phát -s2*,s1* trên anten 1và anten 2.
Xm,J,n(t)=x x x0, 1, 2....xN−1
Trong đó m:là số block thứ m của OFDM (1 block tương ứng với 2 kí tự OFDM) n:là số kí tự thứ n được điều chế trên sóng mang con n
J là số thứ tự anten phát J=1,2 T là khe thời gian tương ứng t=1,2 Xét trong block thứ k với 2 kí tự OFDM là
S1,n= [s1,0,s1,1,s1,2…s1,N-1.] S2,n= [s2,0,s2,1,s2,2…s2,N-1.]
Ta có tín hiệu sau khi qua bộ STC là
X1,n(1)= [s1,0,s1,1,s1,2…s1,N-1.]
X2,n(1)= [s2,0,s2,1,s2,2…s2,N-1.] (4.3) X1,n(2)=- X2,n(1) *=[-s2,0* ,-s2,1*... -s2,N-1*]
X2,n(2)= X1,n(1)*= [s1,0*,s1,1*... s1,N-1*]
Sau đó Xm được biến đổi IFFT để điều chế sóng mang và chèn CP vào đông thời được truyền đi trên 2 anten như phân tích ở trên
[1] ( 4.4 ) Với n∈ {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP
J=1,2 tương đương với anten1,2
Hình 4.6: Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten Tại máy thu:
Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễu AWGN(additive white gausian) và fading
r1,m(1)=∑ (h11,m x1,m(1)+ h12,m x2,m(1)+n1,m(1))
r1,m(2)=∑ (h11,m x1,m(2)+ h12,m x2,m(2)+n1,m(2)) [1] (4.5) r2,m(1)=∑ (h21,m x1,m(1)+ h22,m x2,m(1)+n2,m(1))
r2,m(2)=∑ (h21,m x1,m(2)+ h22,m x2,m(2)+n2,m(2))
Trong đó rJ,m(t) ,xJ,m(t),nj,m(t)la tín hiệu nhận được, tín hiệu truyền, và nhiễu tác động tại anten thứ J (J=1,2) trong khe thời gian t (t=1,2) tương ứng của kí tự OFDM thứ m. hj,k,m là hệ số kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu tương ứng của kí tự OFDM thứ m ,nó không thay đổi trên 2 khe thời gian.
Ở đây để đơn giản ta xét trong một kí tự OFDM với môi trường fading phẳng Tại máy thu tách CP ta được
1 , , [1] , , [1] , [2] , , [2] , 0 L n m n m l n m n m l n m n m l y − x h x h z = = ∑ + +
r1(1)= ∑− = 1 0 L l ∑− = 1 0 N n (h11,l x1,n-l(1)+ h12,m,l x2,n-l(1)+n1(1)) (4.6) r1(2)= ∑− = 1 0 L l ∑− = 1 0 N n (h11,l x1,n-l(2)+ h12,m,l x2,n-l(2)+n1(2)) r2(1)= ∑− = 1 0 L l ∑− = 1 0 N n (h21,l x1,n-l(1)+ h22,m,l x2,n-l(1)+n2(1)) r2(2)= ∑− = 1 0 L l ∑− = 1 0 N n (h21,l x1,n-l(2)+ h22,m x2,n-l(2)+n2(2))
Trong đó: n=0…N-1 tương đương với các sóng mang con. l: chùm tia fading thứ l.
Sau đó qua bộ FFT ta được
( 4.7 ) RJ(t)=HJ,1 X1(t)+ HJ,2 X2(t)+ ZJ
Với
Sau khi tách CP và biến đổi FFT để tách sóng mang, tín hiệu sẽ dược đưa đến bộ giải mã STC. Ở đây bộ giải mã sẽ tiến hành giải mã trên 2 khe thời gian để ước lượng các kí tự truyền.
[4] (4.8)
Ở máy thu bằng phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta có thể khôi phục lại các kí tự phức M-PSK hoặc M-QAM và sau đó giải mã, ta tìm được các bit tin cần thiết.
[1] (4.9)
Với s1,s2 là các số phức trong mặt phẳng phức được thay lần lượt vào để tìm được giá trị gần với nó. Mô hình hệ thống trên có thể sử dụng với Nr anten thu.
Hình 4.7 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST
Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST được áp dụng nhằm tăng tối đa dung lượng kênh truyền. Tín hiệu đầu vào sẽ được đưa qua bộ điều chế để điều chế M-psk hoặc M- QAM, sau đó nó đi qua bộ MIMO coder. Bộ MIMO coder trong trường hợp này chỉ là một bộ S/P chia luồng dữ liệu lớn thành NT luồng dữ liệu nhỏ(tương đương với NT
anten phát, NT luồng này được đưa vào NT bộ phát OFDM. Từng luồng dữ liệu sẽ được biến đổi nối tiếp sang song song và chèn pilot để thành NC vector xk, với k = 1,2,…NC
tương ứng với Nc sóng mang con, từng vector xk sẽ được đưa qua bộ biến đổi IFFT. Xk=ifft(xk)
Sau đó từng vector xj sẽ được chèn khoảng bảo vệ và cho qua bộ biến đổi D/A và các bộ lọc nhằm tạo NT tín hiệu miền thời gian µsj(t)để phát trên NT anten .
Hình 4.8: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST
Tại phía thu, tín hiệu nhận được sẽ được sau khi loại bỏ cao tần sẽ đưa đến bộ thu OFDM. Tại đây nó loại bỏ khoảng bảo vệ CP khỏi symbol OFDM, vector thu có dạng sau
y(k)1=h11X(k)1+h12X(k)2 +....+ h1Nt X(k)Nt+n1
y(k)2=h21X(k)1+h22X(k)2 +....+ h2Nt X(k)Nt+n2 (4.10)
...
y(k)Nr=hNr1X(k)1+hNr2X(k)2 +....+ hNrNt X(k)Nt+nNr
Với hij là ma trận kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j nj là vector nhiễu tại anten thu thứ j
Sau đó tín hiệu được đưa qua bộ FFT, vector thu sẽ có biểu thức sau:
Y(k)1=H11x(k)1+H12x(k)2 +....+ H1Nt x(k)Nt+N1
Y(k)2=H21x(k)1+H22x(k)2 +....+ H2Nt x(k)Nt+N2 (4.11)
...
Y(k)Nr=HNr1x(k)1+HNr2x(k)2 +....+ HNrNt x(k)Nt+NNr
Trong đó Y(k)j=fft(y(k)j), Hij=fft(hij), Nj=fft(nj)
Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST tương đương với hệ gồm Nc hệ thống MIMO VBLAST băng hẹp .
Sau khi qua bộ FFT tín hiệu sẽ được đưa qua bộ thu Vblast, nó giải mã vector thu tại sóng mang thứ k (Y(k)1 Y(k)2 ...Y(k)Nr ) để ước lượng các vector phát (x~(k)1 x~(k)2 .... x~(k)Nt) thông qua giải thuật Zero-forcing hay MMSE.
µ
Hình 4.9 :Bộ thu VBLAST
Bộ thu VBLAST làm việc như sau:
Ban đầu hệ số kênh truyền H được ước lượng thông qua bộ ước lượng, nó được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:
H= NrNt Nr Nr Nt Nt h h h h h h h h h ... ... ... ... ... ... ... 2 1 2 22 21 1 12 11 (4.12)
Sau đó bộ thu VBLAST sẽ tính trọng số ZF là W=H+ =HH(H HH)-1 hoặc W=HH(N0I+H HH)-1 Với MMSE . [7] Như đã trình bày ở chương trước khi nhân trọng số Wp với vector thu ta có thể ước lượng được giá trị tại luồng p như sau:
p k
x( ) ~
=Wpy=WpHx+Wpn [7] (4.13)
Tuy nhiên nó sẽ khuếch đại nhiễu nền Wpn. Vì vậy để có thể ước lượng được giá trị tốt hơn ta sẽ ước lượng Wp bé nhất trước tiên. Như vậy bộ thu VBLAST sẽ tiến hành tìm giá trị Wp bé nhất bằng cách so sánh các hàng của ma trận W như sau:
Khi có được giá trị Wp nó sẽ nhận với vector nhận để ước lượng luồng dữ liệu thứ k : p k x( ) ~ =Wpy=[0 0 ...1...0][x1 x2...xp...xNt]T+Wn p k x( ) ~ =xp+Wpn (4.14)
Sử dụng chòm sao điều chế thông qua giải thuật ML ta tìm được x(k)p mong muốn. Tiếp theo bộ thu VBLAST sẽ loại bỏ xk ra khỏi vector thu: y=y-x(k)pHp
Và nó cứ lặp lại các công việc ở trên cho đến khi tìm được hết dữ liệu của các luồng.
4.3 Kết luận
Đây là chương trình bày khái quát về kỹ thuật MIMO-OFDM. Ở các chương trước, ta đã biết được những ưu điểm vượt trội của hai kỹ thuật MIMO và OFDM, vì vậy sự kết hợp hai kỹ thuật nói trên sẽ cho ta được những ưu điểm vượt trội. Kỹ thuật MIMO- OFDM vừa cải thiện được chất lượng của hệ thống, vừa làm tăng dung lượng của hệ thống. Do đó nó có tính linh hoạt cao, tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng hoặc dich vụ cụ thể mà nó có thể làm tăng dung lượng hay chất lượng của một hệ thống mà không cần phải thay đổi hay điều chỉnh thiết bị. Vì vậy kỹ thuật MIMO-OFDM hứa hẹn là kỹ thuật tiên tiến được nghiên cứu, và ứng dụng vào thực tế ngày càng nhiều
Chương 5: Lưu đồ thuật toán và mô phỏng 5.1 Lưu đồ thuật toán
-Thuật toán mô phỏng MIMO-OFDM
Hình 5.1: Lưu đồ hệ thống MIMO-OFDM
Nhập các thông số sau: Độ dài FFT, độ dàiCP, độ dài khung OFDM, chùm tia fading(L), số mức điều
chế(M), các thông số SNR,ii=0
Tạo các bit tin theo ma trận (fft_len,framelen). Và điều chế M-PSK hoặc M-QAM
Vẽ đồ thị E theo SNR_l ii=ii+1
Biến đổi IFFT
Cộng khoảng bảo vệ CP và biến đổi P/S Tạo hệ số kênh truyền h và nhiễu
So sánh tín hiệu ước lượng với bit tin để tính E(ii)=BER
Gọi chương trình nhận tín hiệu
ii=length(SNR_l) S
Đ Bắt đầu
Kết thúc
Hình 5.2: Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu Tách CP và thực hiện FFT tín hiệu nhận Gọi CT MIMO Tính FFT đáp ứng kênh H Biến đổi S/P Tính tổng chập và cộng nhiễu để có tín hiệu nhận được Bắt đầu CT nhận tín hiệu Kết thúc
-Đối với mô phỏng OFDM thì không có khối MIMO code và khối MIMO decode -Mô hình hệ thống MIMO-OFDM VBLAST thì khối MIMO code thực chất là khối S/P chia luồng tín hiệu
Hình 5.3: Lưu đồ CT con MIMO decode hệ MIMO-OFDM VBLAST
Tính W= W=H+ =HH(H HH)-1
i =i+1
Wp= Arg min (W(i)) Tách hàng p của ma trận W Bắt đầu CT MIMO Decode Kết thúc i=length(cột) S Đ i=0 Luồng L=0
Ước lượng luồng p :x(L)=Wp*y Y=y-H*x
L=L+1
-Mô hình MIMO-OFDM theo ALAMOUTI có sơ đồ khối sau :
Hình 5.4: Lưu đồ CT con MIMO code của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI
Tạo Block mới và gán giá trị đã mã hóa (phát trên anten 2)
K=0 K=k+1
Mã hóa: s1,s2->-conj(s2),conj(s1) Tách Block để tiến hành mã hóa 1Block=2 kí tự OFDM , 1 frame= k.Block
Bắt đầu CT MIMO Code Kết thúc K=frame/2 S Đ
Hình 5.5: Lưu đồ CT con MIMO decode của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 5.2 Kết quả mô phỏng
-Ta mô phỏng kỹ thuật OFDM với số sóng mang là fft_len = 64, khoảng bảo vệ thêm vào là cp_len = 16. Ở đây độ dài CP không được quá bé hay quá lớn, nếu quá bé thì không còn ưu điểm chống lại nhiễu xuyên kí tự của OFDM, còn quá lớn sẽ làm tăng độ dài kí tự OFDM làm giảm tốc độ truyền. Để tính BER ổn định hơn ta cho truyền lại nhiều lần và lấy trung bình, ở đây ta lặp lại 20 lần.
K=0 K=k+1 Giải mã: s1e(k)=S_r1(k,1).*conj(H11)+conj(S_r1(k,2).*H12 + S_r2(k,1).*conj(H21) +conj(S_r2(k,2).*H22 S2e(k) = S_r1(k,1).*conj(H12) -conj(S_r1(k,2) .*H11 +S_r2(k,1).*conj(H22)-conj(S_r2(k,2).*H21
Tách Block để tiến hành giải mã Bắt đầu CT MIMO Decode Kết thúc K=frame/2 S Đ
Kênh truyền được mô phỏng ở đây là kênh fading nhiều tia với số chùm tia L=5 và chịu tác dụng của nhiễu trắng.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No (dB) B E R KY THUAT OFDM OFDM co CP OFDM khong co CP
Hình 5.6: Kỹ thuật OFDM với CP
-Ở hình 5.1 ta thất kỹ thuật OFDM khi không có khoảng bảo vệ thì tỉ lệ bít lỗi sẽ cao hơn khi có khoảng bảo vệ. Do không có khoảng bảo vệ sẽ không thể chống lại được nhiễu xuyên kênh, nên tỉ lệ bit lỗi sẽ tăng.
-Quan sát kết quả mô phỏng ở hình 5.2, nếu số mức điều chế tăng lên thì số bit lỗi sẽ tăng càng nhiều. Như vậy để tăng tốc độ đường truyền bằng cách tăng số mức điều chế thì chất lượng của đường truyền sẽ giảm tương ứng. Ở trên hình, ta thấy điều chế QAM, có chất lượng tốt hơn điều chế QPSK, do điều chế OAM vừa điều chế biên độ vừa diều chế pha nên việc ước lượng tín hiệu bằng phương pháp ML ít sai hơn.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No (dB) B E R
SO SANH BER GIUA SISO-SIMO-MISO-MIMO SISO SIMO(1Tx,2Rx) MISO(2Tx,1Rx) MISO(3Tx,1Rx) MIMO(2Tx,2Rx) Hình 5.8: Các hệ thống vô tuyến
-Quan sát hình 5.3, ta thấy tỉ lệ bit lỗi của hệ thống SIMO(dùng MMRC ), MISO, MIMO(sử dụng mã hóa STBC) cho chất lượng tốt hơn truyền với hệ thống SISO.
Nếu các hệ thống MISO, MIMO không sử dụng các kỹthuật tối ưu trên, tỉ lệ bit lỗi cũng không được cải thiện vì hình thức truyền đó thực chất là việc chia công suất phát trên mỗi anten. Hệ thống MISO(2Tx,1Rx) có BER cao hơn so với SIMO đó là do công suất phát trên mỗi anten=1/2 so với hệ thống SIMO, nếu công suất phát như nhau thì hệ thống MISO sẽ cho chất lượng tốt hơn. Hiện nay hệ thống SIMO ngày càng ít được sử dụng hơn. Vì việc thiết kế nhiều anten trên máy thu làm cồng kềnh thiết bị cũng như tính thẩm mĩ ,mà chất lượng thì hệ thống MISO có thể đáp ứng được, đồng thời với viêc ra đời của MIMO cùng với những ưu điểm của nó đã thay thế dần hệ thống SIMO.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No (dB) B E R
SO SANH BER HE THONG MIMO
MIMO(2Tx,2Rx) MIMO(2Tx,4Rx) MIMO(3Tx,4Rx) MIMO(4Tx,4Rx)
Hình 5.9: Hệ thống MIMO
-Hình 5.4 cho thấy hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten sẽ cho chất lượng tốt hơn nhiều so với hệ thống MIMO sử dụng ít anten. Với số lượng anten lớn thì chất lượng sẽ tăng, tuy nhiên thiết bị sẽ cồng kềnh hơn, vì vậy đòi hỏi việc thiết kế phải tốt hơn.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/No (dB) B E R
SO SANH BER CUA HE THONG MIMO-OFDM
MIMO-OFDM(2Tx,2Rx) MIMO-OFDM(2Tx,3Rx) MIMO-OFDM(2Tx,4Rx) OFDM
-Ở các chương trước ta thấy rằng kỹ thuật OFDM, cùng với hệ thống MIMO đã có những ưu điểm riêng của nó và sự kết hợp hai kỹ thuật nói trên sẽ đem lại nhiều lơi ích vượt trội hơn cả. Hình 5.5 đã cho ta thấy rõ được kỹthuật OFDM khi không sử dụng hệ thống MIMO sẽ cho tỉ lệ bit lỗi khá cao. Vì vậy kỹ thuật MIMO-OFDM là một lựa chọn tối ưu cho kênh truyền có chất lượng cao.
-10 -5 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 SNR in dB C a p a c it y b it s /s /H z
DUNG LUONG HE THONG MIMO
nt = 1 , nr = 1 nt = 2 , nr = 2 nt = 3 , nr = 2 nt = 2 , nr = 3 nt = 4 , nr = 4 Hình 5.11: Dung lượng hệ thống
-Như đã giới thiệu ở phần lý thuyết hệ thống MIMO không chỉ cải thiên chất lượng kênh truyền, mà có thể làm tăng dung lượng hệ thống. Bằng thực tế mô phỏng ở hình 5.6 ta thấy được dung lượng hệ thống tăng lên theo số lượng anten phát tăng.
Hình 5.12: Hệ thống MIMO-VBLAST
-Một trong những kỹ thuật đơn giản, làm tăng dung lượng của hệ thống MIMO là kỹ thuật VBLAST đã được giới thiệu ở phần lý thuyết. Ở hình 5.7, ta tiến hành mô phỏng kỹ thuật vbalst với các loại điều chế khác nhau và các giải thuật thu khác nhau, từ đó ta có thể thấy được cái nào tối ưu hơn. Từ đồ thị ta thấy khi tăng số mức điều chế thì BER sẽ tăng theo, đồng thời khi sử dụng giải thuật MMSE sẽ tốt hơn ZF. Tuy nhiên BER của giải thuật MMSE và ZF có SNR lớn thì tỉ lệ bit lỗi tiến tới gần bằng nhau.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 10-2 10-1 100 101 SNR [dB] B E R
HE THONG MIMO VBLAST(2Tx,2Rx)
VBLAST-QPSK(2Tx-2Rx) VBLAST-QPSK(3Tx-3Rx) VBLAST-QPSK(4Tx-4Rx)
-Quá trình mô phỏng hình 5.8 cho ta thấy được, khi sử dụng nhiều anten để tăng dung lượng của hệ thống thì chất lượng đường truyền cũng sẽ giảm theo tương ứng.
0 2 4 6 8 10 12 14 10-2 10-1 100 Eb/No (dB) B E R
BER HE THONG VBLAST-OFDM
VBLAST-OFDM(2Tx,2Rx) VBLAST-OFDM(3Tx,3Rx) VBLAST-OFDM(4Tx,4Rx)
Hình 5.14: Hệ thống MIMO-OFDM VBLAST
-Với kỹ thuật OFDM, ta có thể làm tăng tốc độ đường truyền bằng cách truyền dữ liệu trên các băng tần con trực giao với nhau. Trong khi đó, kỹ thuật VBLAST của hệ thống MIMO có thể làm tăng tốc độ bằng cách chia luồng dữ liệu thành các luồng con và