1. Kỹ thuật MIMO
1.1. Khái niệm MIMO.
Trong radio , Multi Input Multi Output, hoặc MIMO là phương án sử dụng nhiều
anten ở phía phát và phía thu để cải thiện hiệu suất truyền dữ liệu. Đây là một trong những giải pháp của công nghệ anten thông minh.
Công nghệ MIMO đã thu hút sự chú ý trong viễn thơng bởi vì nó cung cấp sự gia tăng đáng kể trong phạm vi và liên kết dữ liệu thông qua mà không cần bổ xung băng thơng hoặc tăng cường cơng suất truyền sóng. Nó đạt được mục tiêu này bằng cách truyền trên nhiều các antten để đạt được một tăng mảng cải thiện hiệu quả quang phổ (nhiều bit trong một giây cho mỗi hertz băng thông) hoặc để đạt được một lợi ích đa dạng, cải thiện độ tin cậy liên kết (giảm dần ). \
Bởi vì các đặc tính này, MIMO là một phần quan trọng của tiêu chuẩn truyền thông hiện đại không dây IEEE 802.11n (Wifi), 4G , 3GPP dài hạn tiến hóa ,
WiMAX và HSPA + .
Trong lĩnh vực thương mại, Iospan Wireless Inc phát triển hệ thống thương mại đầu tiên vào năm 2001 mà được sử dụng MIMO với phân chia tần số trực giao
công nghệ truy cập nhiều (MIMO-OFDMA). Iospan công nghệ hỗ trợ mã hóa đa
dạng và ghép kênh khơng gian. Trong năm 2005, Airgo Networks đã phát triển
một IEEE 802.11n thực hiện tiền thân dựa trên bằng sáng chế của họ trên MIMO.
Sau năm 2006, một số cơng ty (bao gồm cả ít nhất là Broadcom , Intel , Marvell ) Trường một giải pháp MIMO-OFDM dựa trên một tiêu chuẩn cho tiêu chuẩn
802.11n WiFi. Cũng trong năm 2006, một số công ty (Beceem Communications, Samsung, Runcom công nghệ, vv) đã phát triển MIMO-OFDMA giải pháp dựa trên chuẩn IEEE 802.16e WiMAX băng thông rộng di động tiêu chuẩn. Tất cả các hệ thống 4G cũng sử dụng công nghệ MIMO. Một số nhóm nghiên cứu đã chứng
61 PHẠM NHƯ NGỌC
1.2. Chức năng của MIMO
MIMO có thể được phân chia thành ba loại chính, precoding , ghép kênh khơng gian hoặc SM, và mã hóa đa dạng .
Precoding là đa dòng beamforming , trong định nghĩa hẹp. Trong nhiều điều khoản chung, nó được coi là tất cả các xử lý không gian xảy ra ở máy phát.
(Single-layer) beamforming, cùng một tín hiệu được phát ra từ mỗi ăng-ten truyền
với giai đoạn thích hợp (và đơi khi đạt được) trọng như vậy mà tín hiệu điện được tối đa đầu vào thu. Các lợi ích của beamforming để tăng thu được tín hiệu nhận được, bằng cách làm cho tín hiệu phát ra từ ăng-ten khác nhau xây dựng, và để giảm hiệu ứng đa đường mờ dần. Trong sự vắng mặt của phân tán, kết quả beamforming trong một mơ hình định hướng được xác định rõ, nhưng trong dầm tế bào thông thường tiêu biểu là không phải là một tương tự tốt. Khi nhận có nhiều ăng-ten, truyền beamforming có thể khơng đồng thời tối đa hóa mức độ tín hiệu ở tất cả các ăng-ten nhận được, và precoding với nhiều dòng được sử dụng. Lưu ý rằng precoding đòi hỏi kiến thức của kênh thông tin nhà nước (CSI) tại máy phát.
Ghép kênh khơng gian địi hỏi cấu hình MIMO ăng-ten. Trong ghép kênh khơng
gian, một tín hiệu tốc độ cao được chia thành nhiều dòng tỷ lệ thấp hơn và mỗi
dòng được truyền từ một ăng-ten truyền tải khác nhau trong cùng một kênh tần số.
Nếu những tín hiệu đến các mảng ăng-ten nhận với đầy đủ chữ ký khơng gian khác nhau, người nhận có thể tách những dòng này vào các kênh song song (gần như).
Ghép kênh không gian là một kỹ thuật rất mạnh mẽ để tăng dung lượng kênh cao
hơn tỷ lệ tín hiệu-nhiễu (SNR). Số lượng tối đa của các dịng khơng gian bị hạn chế bởi ít hơn số lượng các ăng-ten tại máy phát hoặc nhận. Ghép kênh không gian có thể được sử dụng có hoặc khơng có kiến thức kênh truyền. Ghép kênh khơng gian cũng có thể được sử dụng để truyền đồng thời nhiều người nhận, được gọi là đa truy nhập phân chia không gian . Lập kế hoạch thu có chữ ký khơng gian khác
62 PHẠM NHƯ NGỌC
Đa dạng mã hố kỹ thuật được sử dụng khi khơng có kiến thức kênh tại máy phát.
Trong phương pháp đa dạng, một dòng duy nhất (không giống như nhiều dịng ghép kênh khơng gian) được truyền đi, nhưng tín hiệu được mã hố bằng cách sử dụng các kỹ thuật được gọi là mã hóa khơng gian-thời gian . Các tín hiệu được phát ra từ mỗi của các ăng-ten truyền mã hóa trực giao với đầy đủ hoặc gần. Đa dạng mã hóa khai thác mờ dần độc lập trong các liên kết nhiều anten để tăng cường sự đa dạng tín hiệu. Vì khơng có kiến thức kênh, có khơng beamforming hoặc mảng được từ mã hóa đa dạng.
Ghép kênh khơng gian cũng có thể được kết hợp với precoding khi kênh được biết đến máy phát hoặc kết hợp với sự đa dạng mã hóa khi giải mã độ tin cậy trong thương mại-off.
1.3. Khái niệm STBC
Trong môi trường vô tuyến chịu ảnh hưởng của tán xạ , khúc xạ, phản xạ, (hiệu ứng fading, doppler ) vì vậy tín hiệu có thể bị ảnh hưởng xấu , thậm chí là mất dữ
liệu. Truyền các bản sao của dữ liệu trên nhiều anten có khả năng chọn lựa được tín hiệu trên đường truyền ít bị ảnh hưởng nhất. Đây là kỹ thuật phân tập
Thường trong các mạng wireless tập trung khai thác mảng anten phát và nhiều
anten thu ở đầu cuối. Kỹ thuật sử dụng mảng anten thu, phát để nâng cao độ tin cậy của kênh truyền (tăng tỉ số SNR)
Trong thức tế, mã STBC là kết hợp của tất cả các bản sao dữ liệu nhận được một cách tối ưu để giải mã được càng nhiều thông tin càng tốt
Trong mã STBC, dịng dữ liệu của ng sử dụng được mã hóa và phân phối giữa các anten theo không gian và thời gian.
63 PHẠM NHƯ NGỌC
Mỗi hàng biễu diễn một khe thời gian, Mỗi cột biễu diễn một anten phát.
-Vậy Sij biễu diễn một kí hiệu được truyền đi trong khe thời gian thứ i của anten thứ j. Vậy có T khe thời gian nT anten phát cũng như nT anten thu. Một khối dữ liệu có chiều dài T.
- Tốc độ mã hóa được tính bằng số symbol trung bình truyền trên 1 khe thời gian trong một khối. Nếu một khối mã hóa k symbol trong 1 khe time thì tốc độ mã hóa là: k r T = 1.4. Mã Alamouti
- Các mã khối không gian-thời gian trực giao (STBC) được tập trung nghiên cứu và phát triển cho MIMO, bởi vì chúng cho phép khả năng giải mã hóa tối đa với
mức phức tạp thấp và bảo đảm hoàn toàn sự phân tập.
- Mã STBC trực giao đơn giản nhất do Alamouti phát minh năm 1998. Xét 1 ví dụ
đơn giản nhất . Tín hiệu phát đi là ma trân hai ký hiệu liên tiếp x1 và x2. Ma trận mã trực giao cho 2 anten phát:
[ ]
2 1 2
X = x x
Tại khe thời gian thứ 1, anten 1,2 sẽ phát đi x1,x2. Tại khe thời gian thứ 2 anten 1,2 sẽ phát đi * 2 x − và * 1 x
64 PHẠM NHƯ NGỌC
Hình …
Hình 32 : Mơ hình kênh truyền sóng
1.5. Các giả định
Mỗi anten phát đi trên kênh truyền độc lập với các kênh truyền của các anten phát khác.
Đối với anten thứ i, ký hiệu phát đi được nhân với giá trị phức ngẫu nhiên hi (đặc trưng của kênh truyền thứ i). Xem xét kênh truyền Rayleigh, giá trị phần thực và
phần ảo của hi tuân theo phân bố Gaussian với kỳ vọng µhi=0 và phương sai
2 1 2 i h σ = .
Kênh truyền giữa anten phát và anten thu biến đổi ngẫu nhiên theo thời gian, tuy
nhiên ta giả định rằng: kênh truyền này không thay đổi qua 2 khe thời gian.
Tín hiệu tại anten thu chịu tác động của tạp âm nhiệt n (nhiễu trắng) được mô tả bởi hàm mật độ xác suất 2 2 ( ) 2 2 1 ( ) 2 n p n e µ σ πσ − − = với µ =0 và 2 0 2 N σ = 1.6. Giải mã hóa STBC
Tại khe thời gian đầu tiên, tín hiệu thu được là [ ] 1 1 1 1 2 2 1 1 2 1 2 x y h x h x n h h n x = + + = + (1)
65 PHẠM NHƯ NGỌC * * * 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 [ ] x y h x h x n h h n x − = − + + = + (2) Trong đó :
o y1, y2 là ký hiệu thu được trên khe thời gian thứ nhất và hai.
o h1, h2 là đặc tính kênh truyền thứ nhất và thứ 2.
o x1, x2 là ký hiệu được phát;
o n1 và n2 là nhiễu trắng trên 2 khe thời gian thứ nhất và thứ hai. Biểu diễn 2 phương trình (1) và (2) dưới dạng ma trận:
1 1 2 1 1 * * * * 2 2 1 2 2 y h h x n y h h x n = + −
Ký hiệu H là ma trận đáp ứng xung của kênh truyền
1 2 * * 2 1 h h H h h = − Để tìm được 1 2 x x
, ta cần biết được ma trận nghịch đảo của H. Một ma trận kích thước m×n, ma trận nghịch đảo của nó là:
1 ( H ) H H+ = H H − H Với 2 2 * 1 2 1 2 1 2 * * * 2 2 2 1 2 1 1 2 0 ( ) 0 H h h h h h h H H h h h h h h + = − − = + Bởi vì H
H H là một ma trận đường chéo, nên nghịch đảo của ma trận này chính là nghịch đảo của các phần tử đường chéo. Cụ thể là:
2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 0 ( ) 1 0 H h h H H h h − + = +
66 PHẠM NHƯ NGỌC 1 1 1 * 2 2 ( H ) H x y H H H x y − = 1 1 1 * 2 2 (H HH ) HH H x n x n − = + 1 1 1 * 2 2 ( H ) H x n H H H x n − = +
Kết quả : Với phương pháp mã hóa STBC – Alamouti ở trên ta có thể hồn tồn
thu được tín hiệu truyền ban đầu.
2. Công nghệ OFDM.
Ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM)là một phương pháp mã hóa dữ liệu kỹ thuật số trên nhiều tần số sóng mang. OFDM đã phát triển thành một chương trình phổ biến cho băng rộng thơng tin liên lạc kỹ thuật số , cho dù không dây hoặc dây đồng trên , được sử dụng trong các ứng dụng như phát sóng truyền hình và âm thanh kỹ thuật số, DSL truy cập internet băng thông rộng , mạng không dây và truyền thông di động 4G .
OFDM là cơ bản giống với Code OFDM (COFDM) và điều chế đa âm rời rạc
(DMT), và là ghép kênh phân chia tần số (FDM) chương trình được sử dụng như là
một kỹ thuật số đa phương pháp điều chế … . Một số lượng lớn rất gần nhau tín hiệu sóng mang phụ trực giao được sử dụng để mang dữ liệu . Dữ liệu được chia thành một số dòng dữ liệu song song hoặc kênh, một cho mỗi cung cấp dịch vụ phụ. Mỗi nhà cung cấp dịch vụ phụ là điều chế với một chương trình điều chế thông thường (chẳng hạn như điều chế biên độ vng góc hay pha ca keying ) tại một tỷ lệ biểu tượng thấp , duy trì tốc độ dữ liệu tổng số tương tự như đề án điều chế thông thường đơn tàu sân baytrong cùng một băng thông.
Ưu điểm chính của OFDM là nhà cung cấp dịch vụ duy nhất là khả năng để xử lý với các điều kiện kênh nghiêm trọng (ví dụ , suy giảm của tần số cao trong một dây đồng dài, hẹp nhiễu và mờ dần do chọn lọc tần số để đa ) mà khơng có bộ lọc cân bằng phức tạp. Kênh cân bằng đơn giản bởi vì OFDM có thể được xem như là sử
67 PHẠM NHƯ NGỌC dụng tín hiệu băng hẹp từ từ điều chế thay vì hơn một cách nhanh chóng điều chế tín hiệu băng rộng . Tỷ lệ biểu tượng thấp làm cho việc sử dụng một khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu giá cả phải chăng, làm cho nó có thể để loại bỏ sự can thiệp
intersymbol (ISI) và sử dụng tiếng vang và thời gian lây lan (hiện như bóng ma trên TV tương tự) để đạt được một lợi ích đa dạng , tức là một cải thiện tín hiệu-to- noise ratio . Cơ chế này cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế mạng lưới tần số duy nhất (SFNs), thiết bị phát sóng một số liền kề gửi cùng một tín hiệu cùng một lúc tại cùng một tần số, như các tín hiệu từ máy phát nhiều xa có thể được kết hợp xây dựng, chứ không phải là can thiệp thường sẽ xảy ra trong một truyền thống hệ thống duy nhất-nhà cung cấp dịch vụ.
2.1 Đặc điểm và nguyên tắc hoạt động Trực giao. Trực giao.
Khái niệm, OFDM là một bộ phận của điều chế FDM, bổ sung thêm tất cả các tín hiệu sóng mang trực giao với nhau.
Trong OFDM, các tần số sóng mang phụ được lựa chọn để các sóng mang phụ trực
giao với nhau, có nghĩa là qua nói chuyện giữa các kênh phụ bị loại bỏ và ban nhạc
bảo vệ được liên sóng mang khơng cần thiết. Điều này giúp đơn giản hố việc thiết kế của cả hai máy phát và người nhận , không giống như thông thường FDM , một bộ lọc riêng biệt cho mỗi kênh phụ là không cần thiết.
Trực giao yêu cầu khoảng cách giữa các sóng mang phụ Hertz , nơi T U giây là thời gian biểu tượng hữu ích (kích thước cửa sổ phía người nhận), và k là
một số nguyên dương, thường bằng 1. Vì vậy, với N sub-tàu sân bay, tổng băng thông dải thông sẽ là B ≈ N · Δ f (Hz).
Trực giao này cũng cho phép hiệu suất phổ cao , với tỷ lệ biểu tượng tổng cộng gần tốc độ Nyquist đối với tín hiệu baseband tương đương (tức là gần một nửa tỷ lệ Nyquist đối với tín hiệu ban nhạc đơi bên passband vật lý). Hầu như tồn bộ băng tần có sẵn có thể được sử dụng. OFDM có gần một quang phổ 'trắng', cho nó thuộc
68 PHẠM NHƯ NGỌC
Một ví dụ đơn giản: Một thời gian biểu tượng hữu ích T U = 1 ms sẽ yêu cầu một khoảng cách phụ mang (Hoặc bội số của đó) trực giao. N = 1,000 phụ sẽ cho kết quả trong một tổng băng thông dải thông của N Δf = 1 MHz. Đối với thời gian này, biểu tượng, băng thông yêu cầu về mặt lý thuyết theo Nyquist là N / 2 T U = 0,5 MHz (tức là, một nửa số băng thông đạt được u cầu của chương trình của chúng tơi). Nếu một khoảng bảo vệ được áp dụng (xem dưới đây), Nyquist băng thông yêu cầu sẽ được thậm chí cịn thấp hơn. FFT sẽ dẫn đến N = 1.000 mẫu cho mỗi biểu tượng. Nếu khơng có khoảng bảo vệ đã được áp dụng, điều này sẽ dẫn đến một tín hiệu băng tần cơ sở có giá trị phức tạp với một tỷ lệ
mẫu của 1 MHz, mà sẽ yêu cầu băng thông baseband là 0,5 MHz theo Nyquist. Tuy nhiên, tín hiệu dải thơng RF được sản xuất bằng cách nhân tín hiệu baseband với một dạng sóng mang (tức là, đơi biên vng góc biên độ, điều chế) trong một dải thông băng thông của 1 MHz. Một ban nhạc duy nhất-side (SSB) hoặc
sideband vestigial (VSB) điều chế sẽ đạt được hầu như một nửa băng thông cho tốc độ cùng một biểu tượng (tức là cao gấp đôi hiệu quả quang phổ cho cùng một
chiều dài bảng chữ cái biểu tượng). Tuy nhiên, nhạy cảm hơn nhiễu đa đường.
Tần số OFDM rất chính xác địi hỏi phải đồng bộ hóa giữa máy thu và máy phát, với độ lệch tần số sóng mang phụ sẽ khơng cịn là trực giao, gây can nhiễu giữa
các bên. Độ lệch tần số thường được gây ra bởi máy phát không phù hợp và tạo
dao động thu, hoặc bằng cách dịch chuyển Doppler do sự chuyển động. Trong khi sự thay đổi Doppler một mình có thể được bồi thường của người nhận, tình hình trở nên tồi tệ hơn khi kết hợp với đa đường , là sự phản xạ sẽ xuất hiện tại các độ