Kỹ thuật đa anten multiple input multiple output (MIMO) là một trong những phương pháp giúp cải thiện hiệu suất của truyền thông di động không dây. Kỹ thuật MIMO sử dụng nhiều thành phần anten tại bộ phát cũng như bộ thu để cải thiện chất lượng kết nối hoặc dung lượng truyền. Một hệ thống MIMO có thể cung cấp hai loại độ lợi: độ lợi phân tập không gian (spatial diversity) và độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing). Độ lợi phân tập không gian cải thiện sự đáng tin cậy của việc truyền trong kênh fading và ghép kênh không gian làm tăng dung lượng bằng cách gửi các chuỗi dữ liệu được ghép với nhau một cách song song thông qua nhiều kênh truyền không gian.
2.4.1. Phân tập không gian và ghép kênh không gian trong các hệ thống MIMO
Ý tưởng cơ bản của các các kỹ thuật phân tập không gian là để chống lại fading kênh truyền bằng cách gửi cùng một tín hiệu truyền đi qua những đường truyền fading độc lập nhau. Tại đầu thu, các tín hiệu thu được kết hợp
đồng bộ để tạo ra tín hiệu đáng tin cậy nhất. Trong một hệ thống với Nt
anten phát và Nr anten thu, độ lợi phân tập tối đa là Nt * Nr, giả sử độ lợi đường truyền của các đường truyền riêng biệt nhau, các cặp anten thu độc lập với nhau và fading Rayleigh phân phối tương tự nhau. Các kỹ thuật anten thông minh, kỹ thuật phân tập truyền Alamouti và mã hóa không gian- thời gian là một vài kỹ thuật phân tập không gian thường được sử dụng.
Nếu phân tập không gian là để chống lại fading, ghép kênh không gian giúp tăng lưu lượng dữ liệu. Về bản chất, nếu độ lợi đường truyền trong số các cặp anten thu-phát riêng biệt fading độc lập với nhau, nhiều kênh không gian song song có thể được tạo ra và tốc độ dữ liệu có thể tăng lên bằng cách truyền nhiều chuỗi dữ liệu thông qua các kênh không gian.
Với một kênh truyền MIMO cho trước, độ lợi phân tập và ghép kênh có thể đạt được một cách đồng thời tuy nhiên phải có sự đánh đổi giữa hai độ lợi này. Tức là độ lợi phân tập không gian cao hơn thì độ lợi ghép kênh không gian sẽ thấp hơn và ngược lại.
Hình 2.25: Bộ phát băng hẹp đơn sóng mang với kỹ thuật Alamouti cho hai anten
Một sơ đồ khối của một hệ thống MIMO SC-FDMA ghép kênh không gian được biểu diễn trong Hình 2.30.
2.4.2. SC-FDMA phân tập không gian
Trong kỹ thuật này, các tín hiệu được truyền từ nhiều anten riêng biệt. Với mapping một cách cẩn thận các tín hiệu vào nhiều anten truyền, một độ lợi bằng với tỷ số kết hợp tối đa (MRC) có thể đạt được. Với hai anten truyền, kỹ thuật phân tập Alamouti là một phương pháp đơn giản để đạt được hiệu quả độ lợi phân tập không gian. Hình 2.31 là mô hình của bộ phát dải hẹp đơn sóng mang với kỹ thuật Alamouti cho hai anten phát.
2.5. Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu SC-FDMA
Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) là một phương pháp đo lường hiệu suất để biểu thị hiệu quả công suất của bộ phát. Trong trường hợp một bộ khuếch đại công suất tuyến tính lý tưởng có thể đạt được sự khuếch đại tuyến tính lên đến điểm bão hòa, ta sẽ có hiệu quả công suất tối đa khi bộ khuếch đại hoạt động tại điểm bão hòa. Ta có thể biểu diễn mỗi quan hệ về lý thuyết giữa PAPR (dB) và hiệu quả công suất truyền như sau:
. (3)
Một ưu điểm dễ thấy của SC-FDMA so với OFDMA là PAPR thấp hơn nhờ cấu trúc đơn sóng mang vốn có của nó. PAPR thấp hơn sẽ tạo ra lợi ích lớn trong truyền thông đường lên với thiết bị đầu cuối di động là đầu phát. Như đã biết, các mẫu miền thời gian của tín hiệu điều chế SC-FDMA khác nhau phụ thuộc vào kỹ thuật mapping sóng mang và do đó sẽ có nhiều đặc tính PAPR khác nhau cho những kỹ thuật mapping sóng mang con khác nhau.
2.5.1. Đặc tính công suất đỉnh của một tín hiệu đơn sóng mang
Công suất đỉnh của tín hiệu bất kỳ x(t) nào là tối đa bình phương đường bao của nó |x(t)|2. Tuy nhiên, với một quá trình ngẫu nhiễn liên tục, |
x(t)|2 tối đa.Có thể trở nên vô hạn. Phân phối của |x(t)|2 là một cách chỉ thị
hiệu suất tốt hơn. Với một giá trị w cho trước, xác suất giới hạn được định nghĩa theo Pr{|x(t)|2≤ w} = F|x(t)|2(w), với F|x(t)|2(w) là hàm phân phối tích lũy (CDF) của |x(t)|2, và phần bù xác suất giới hạn là
Pr{|x(t)|2≥ w} = 1 - F|x(t)|2(w). Ta có thể xem Pr{|x(t)|2≥ w} là hàm CDF bù (CCDF).
Biên độ của một tín hiệu đơn sóng mang không có phân phối Gaussian như tín hiệu OFDM và sẽ khó khăn để phân tích dạng chính xác phân phối của nó. Thay vào đó ta tính hàm phân phối tích lũy bù CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) của PAPR, đó là xác xuất mà PAPR cao hơn một giá trị PAPR0 (Pr{PAPR > PAPR0}) biết trước. Ta sẽ so sánh CCDF của PAPR cho IFDMA, DFDMA, LFDMA và OFDMA.
Hình 2.26: So sánh CCDF của PAPR cho IFDMA, DFDMA, LFDMA, và FDMA với (a) QPSK; (b) 16-QAM
Hình 2.32 là đồ thị CCDF của PAPR cho IFDMA, DFDMA, LFDMA và OFDMA với số sóng mang con N = 512, số symbol vào M = 128, hệ số trải IFDMA Q = 4, và hệ số trải DFDMA = 2. Ta so sánh giá trị PAPR được làm trội với xác suất nhỏ hơn 0,1% (Pr{PAPR > PAPR0} = 10-3), hay PAPR99,9%.
Bảng 2.3 tóm tắt PAPR99,9% cho mỗi phương pháp mapping sóng mang con. Ta có thể thấy rằng tất cả các trường hợp cho SC-FDMA quả thật có PAPR thấp hơn OFDMA. Cùng với đó, IFDMA có PAPR thấp nhất, DFDMA và LFDMA có mức PAPR tương đương nhau
2.5.2. Giảm công suất đỉnh bằng cách cắt bớt biên độ symbol (clipping)
Một cách để giảm PAPR là giới hạn hoặc cắt bớt công suất đỉnh của các symbol được truyền. Phụ thuộc vào độ mượt của bộ giới hạn, ta có thể định nghĩa ba loại của bộ giới hạn: hard, soft và smooth. Tuy nhiên clipping thường gặp phải vấn đề méo dạng tín hiệu trong dải và tạo ra các tín hiệu ngoại dải. Vì điều chế SC-FDMA trải dữ liệu trên toàn bộ các symbol điều chế, nên méo dạng tín hiệu trong dải sẽ được giảm bớt khi một symbol SC- FDMA bị cắt bớt.
Bảng 2.2: PAPR 99,9% cho IFDMA, DFDMA, LFDMA, và OFDMA Điều chế Nắn dạng Xung IFDMA (dB) DFDMA (dB) DFDMA (dB) OFDMA (dB) QPSK Không 0 7,7 7,7 11,1 RC 6,2 7,7 8,0 N/A RRC 5,3 7,8 8,7 N/A 16-QAM Không 3,2 8,7 8,7 11,1 RC 7,8 8,7 9,0 N/A RRC 7,2 8,7 9,5 N/A
RC: nắn dạng xung raised-cosin. RRC: nắn dạng xung raised-cosin căn bậc hai. Hệ số uốn 0,22.
Hình 2.27: Ba loại giới hạn biên độ
Hình 2.34 là sơ đồ khối của một phương pháp clipping biên độ symbol cho truyền SC-FDMA MIMO ghép kênh không gian. Trong phân tích hiện tại, ta áp dụng clipping sau khi nắn dạng xung dải gốc. Ta cũng có thể xét các phương pháp clipping phức tạp khác, như clipping lặp.
Hình 2.28: Sơ đồ khối của một phương pháp clipping biên độ symbol cho truyền SC-FDMA MIMO
Hình 2.29: CCDF của công suất symbol sau khi clipping.
Hình 2.35 biểu thị cho CCDF của công suất symbol với clipping tại nhiều mức khác nhau. Với clipping tối đa 7 dB, ít hơn 1% số symbol sẽ bị cắt bớt. Lưu ý rằng ngay cả với clipping PAPR tối đa 3 dB, chỉ có khoảng 10% symbol điều chế bị cắt bớt.
Hình 2.36 cho thấy hiệu suất (tỷ lệ lỗi) đối với trường hợp không mã hóa (Hình a) và có mã hóa (Hình b) khi ta áp dụng clipping biên độ symbol. Ta có thể quan sát thấy hiệu suất suy giảm do clipping hầu như không có với clipping tối đa 7 dB. Hiệu suất suy giảm nhiều hơn một chút khi ta áp dụng clipping tối đa từ 5 đến 3 dB. Với clipping tối đa 3 dB, một tầng lỗi bắt đầu xuất hiên trong vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao cho BER không mã hóa. Nhưng khi ta kết hợp mã hóa sửa sai tiên tiến, nó sẽ làm giảm hiệu ứng này. Do đó, ta có thể sử dụng clipping một lượng vừa phải biên độ để giới hạn sự tăng PAPR mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất.
Hình 2.30: Hiệu suất đối với clipping: (a) không mã hóa; (b) được mã hóa
Clipping sẽ tạo ra cả các thành phần tần số trong và ngoại dải. Do đó, ta nên điều khiển lượng clipping phụ thuộc vào phát xạ ngoại dải yêu cầu.
2.6. Tóm tắt
Chương này bao gồm 5 phần, là cơ sở lý thuyết của kĩ thuật điều chế cho mô phỏng ở phần tiếp theo.
Đầu tiên là giới thiệu về các đặc điểm của kênh truyền vô tuyến cùng với những nhân tố ảnh hưởng tới việc truyền tín hiệu, trong đó truyền đa đường là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất trong truyền thông băng rộng. Các bước xử lý tín hiệu cơ bản. So sánh kỹ thuật điều chế đơn sóng mang FDMA với cân bằng trong miền tần số (SC/FDE).
Phần thứ 2 tập trung vào kĩ thuật điều chế FDMA về xử lý tín hiệu, ánh xạ sóng mang con, so sánh với OFDM cũng như nêu ra lý do cho tên gọi "đơn sóng mang" hay kĩ thuật điều chế. Các tín hiệu tham chiếu pilot giúp ước lượng kênh và giải điều chế cũng được nhắc đến.
thống sử dụng SC-FDMA: lập lịch phụ thuộc kênh truyền để cấp phát sóng mang con tương thích với từng đầu cuối và MIMO SC-FDMA giúp cải thiện chất lượng tín hiệu với phân tập không gian và tăng lưu lượng dữ liệu với ghép kênh không gian.
Cuối cùng, đặc tính công suất đỉnh trên công suất trung bình được nhắc đến đồng thời so sánh các đặc tính này của các phương pháp ánh xạ sóng mang con khác nhau và với OFDMA để thể hiện ưu điểm của điều chế FDMA (SC-FDMA) so với OFDMA về PAPR trong truyền đường lên.
CHƯƠNG 3: SO SÁNH KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ FDMA VÀ OFDM
3.1. Sơ lược về kĩ thuật điều chế OFDM
OFDM (là viết tắt của Othogonal Frequency Division Multiplexing) gọi là Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Kĩ thuật này được đưa ra vào những năm giữa 60 chứ không phải là mới mẻ. Tuy nhiên độ phức tạp trong tính toán của nó nên mãi đến gần đây nó mới được áp dụng trong các ứng dụng dân dụng. Trước đó nó dử dụng cho các ứng dụng quốc phòng của bộ Quốc phòng Mỹ.
Một trong những vấn đề phức tạp trong truyền thông tin với tốc độ cao qua một kênh có băng thông rất rộng là vấn đề chọn lọc tần số . Một kênh chọn lọc tần số là một trong đó các c thành phần tần số khác nhau của tín hiệu khi được truyền qua kênh sẽ bị suy giảm và dịch pha với mức độ khác nhau (cả về biên độ và mức phi tuyến) cho nên tín hiệu phía thu sẽ bị méo rất nặng và dẫn tới việc khôi phục tín hiệu sẽ trở nên khó khăn.
Hình 3.1: Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang , dòng tín hiệu truyền đi trên toàn bộ trên băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi tín hiệu có độ dài là :
Tsc = 1/B
Trong thông tin vô tuyến băng rộng , kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số . Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kì lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ. Vì vậy, phương pháp điều chế sóng mang đơn có những đặc điểm sau:
Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI (Intersymbol Interferece) gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với tín hiệu điều chế đa sóng mang . Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu lên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu. Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến:
1. Gaussian Noise (Nhiễu Gausian)
2. Interchanel Interference (Nhiễu liên kênh) 3. Co-chanel Interference (Nhiễu đồng kênh)
4. Inter-symbol Interference (Nhiễu giữa các kí tự ISI) 5. Multiple Access Interference (Nhiễu truy cập)
Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh truyền theo tần số là rất lớn đối với hệ thống. Do băng rộng kênh phụ thuộc và tần số.
Hai lí do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu tỏng thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên.
3.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM
Hình 3.3: Hệ thống đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang được biểu diễn là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau. Chi tiết của phương pháp này thể hiện ở Hình 3.3
Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết là phương pháp phân kênh theo tần số FDM , trong đó phổ của tín hiệu được hệ thống chia
làm NC =2L+1 kênh song song. Vì vậy, độ dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang:
TS = 1/FS = TS.NC PT(3.2)
Hệ quả đó là tỉ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi NC lần. Do vậy, ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu gây ra bởi trể truyền dẫn sẽ giảm (giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường). Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm của điều chế đa sóng mang so với điều chế đơn sóng mang trong kĩ thuật OFDM là:
• Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI giảm.
• Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều phần (băng thông giảm, dẫn đến B<BC dẫn đến kênh ít phụ thuộc vào tần số).
Từ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh. Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên (T tín hiệu tăng lên -> T > TC dẫn tới kênh phụ thuộc thời gian. Làm cho sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu.
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ giảm hiệu quả của việc sử dụng phổ. Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều
chế đa sóng mang nên người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau.
3.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Division Multiplex). Có thể hình dung kênh FDM giống như vòi nước chảy trong hình a. Còn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen. Trong hình a thì dòng nước chảy lớn thành dòng nhưng mà không thể chia nhỏ. Còn hình b thì có thể chia thành nhiều dòng nhỏ. Chúng ta có thể đặt ngón tay để ngăn cản làm dừng dòng nước ở vòi hình a nhưng mà không thể làm thế đối với vòi nước hình b. Vì vậy tuy cả hai làm những công việc khác nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác nhau.
Một cách khác nhìn trực quan. Giả sử chúng ta vân chuyển hàng bằng xe kéo. Có hai cách, cách một là chúng ta vận chuyển hết hàng lên một xe,
cách hai là chúng ta chia thành nhiều phần nhỏ rồi chúng ta chở bằng nhiều xe khác nhau. Cả hai cách đều mang chính xác một lượng dữ liệu. Nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra thì chỉ ¼ dữ liệu trong kiện hàng trong