Tại bộ thu, sau khi lọc, các tín hiệu tại mỗi anten thu được, tiền tố được loại bỏ trong mỗi khung. Sau đó các mẫu được đưa đến bộ giải điều chế OFDM. Tín hiệu ra của bộ giải điều chế cho sóng mang con thứ k, k=1,2,…,K, tại anten nhận được cho bởi:
2 ij , , , , 1 j i j n k n k n k n k i R H X N = =∑ + (4.7) Trong đó H , ij
n k là đáp ứng tần số kênh cho đường truyền từ anten phát thứ i đến anten thu j trên kênh con OFDM thứ k thuộc khung thứ n, và N ,
j
điều chế của nhiễu tại anten nhận của kênh con thứ k với năng lượng phổ cường độ N0; j=1,2.
Tín hiệu thu của từng cặp ( j, , j1,
n k n k
R R + ) sẽ được xử lí giống như trong hệ thống MIMO để thu được tín hiệu 1
( ) n X k và 2 ( ) n X k . Đó là ( j, , j1, n k n k
R R+ ) sẽ được đưa qua bộ kết hợp để thu được tín hiệu ước lượng X k%1n( ), X k%n2( ), sau đó đưa qua bộ tách tối ưu để tách ra tín hiệu 1 ( ) n X k và 2 ( ) n X k . Tín hiệu nhận được tại anten thu:
, j n k R = 1 , j n k H X1 , n k + 2 , j n k H X2 , n k + , j n k N (4.8) 1 1 2 2 1 2* 2 1* 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, , 1, , 1, j j j j j j j n k n k n k n k n k n k n k n k n k n k n k R + =H + X + +H + X + +N + = −H + X +H + X +N + (4.9)
Để thuận tiện tính toán, ta đặt:
, j n k R = 1 j R ; 1, j n k R+ = 2 j R ; , 1, ij ij ij n k n k H =H + =H ; , j n k j X = X ; , 1 j j n k N =N ; j1, 2j n k N + =N
Biểu thức trên ta có thể viết lại như sau:
1 1 1 2 2 1 j j j j R =H X +H X +N (4.10) * * 2 1 2 2 1 2 j j j j R = −H X +H X +N (4.11)
Tín hiệu trên qua bộ kết hợp ta được:
( ) ( ) 2 2 2 2 * * * * 1 1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2 1 1 j j j j j j j j j j j j X H R H R H H X H N H N = = = + = + + + ∑ ∑ % (4.12) ( ) ( ) 2 2 2 2 * * 2 2 1 1 2 1 2 2 2 1 1 2 1 1 j j j j j j j j j j j j X H R H R H H X H N H N = = = − = + + − ∑ ∑ % (4.13)
Bộ tách tối ưu sẽ cực tiểu độ thông suốt quyết định: ( ) 2 2 2 * * 1 1 1 2 2 2 1 2 2 1 2 j j j j j j j R H X H X R H X H X = − − + + − ∑ (4.14)
Thông qua tất cả các giá trị của X1, X2 trong chòm sao X.
Ta mở rộng biểu thức trên, bỏ các thành phần độc lập với các từ mã, sắp xếp lại thì cực tiểu biểu thức trên tương đương với cực tiểu biểu thức sau:
2 * * * * * * * * * 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 1 ( ) ( ) ( ) j j j j j j j j j j j j j R H X R H X R H X R H X R H X R H X = −∑ + + + − − * * * 2j 2 1 ( 2j) 2 1] j j R H X R H X + + 2 2 2 2 2 1 2 1 1 ( ) ij j i X X H = = + + ∑∑ (4.15) Sắp xếp biểu thức cực tiểu độ thông suốt trên thành hai phần:
2 * * * * * * 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 1 [ j ( j) j ( j) ] j j j j j R H X R H X R H X R H X = −∑ + + + 2 2 2 2 1 1 1 ij j i X H = = + ∑∑ (4.16) (4.16) là biểu thức chỉ theo biến X1.
2 * * * * * * 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 1 [ j ( j) j ( j) ] j j j j j R H X R H X R H X R H X = −∑ + − − 2 2 2 2 2 1 1 ij j i X H = = + ∑∑ (4.17)
(4.17) là biểu thức theo biến X2.
Vì vậy cực tiểu biểu thức (4.14) là tương đương với cực tiểu riêng rẽ hai biểu thức trên. Ta lần lượt thực hiện cực tiểu “độ thông suốt quyết định” như sau:
( ) 2 2 2 2 2 2 * * 1 1 2 2 1 ij 1 1 1 1 ( ) 1 j j j j j j i R H R H X H X = = = + − + − + ÷ ∑ ∑∑ (4.18) để giải mã X1. ( ) 2 2 2 2 2 2 * * 1 2 2 1 2 ij 2 1 1 1 ( ) 1 j j j j j j i R H R H X H X = = = − − + − + ÷ ∑ ∑∑ (4.19) để giải mã X2.
Gọi 2 * * 2
( , ) ( )( )
d x y = −x y x −y = −x y , qui tắc quyết định cho mỗi tín hiệu tổ hợp X%j, j=1,2 trở thành: Chọn Xi nếu và chỉ nếu: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ij ij 1 1 1 1 1 i ( j, i) 1 k ( j, k) j i j i H X d X X H X d X X = = = = − + + ≤ − + + ÷ ÷ ∑∑ % ∑∑ % ; ∀i≠k (4.20)
Trong đó Xi và Xk là 2 kí tự thuộc chòm sao kí tự mà phần mã hoá đã thực hiện.
Như vậy là ta đã thu được tín hiệu X1 ,
n k = X1; X2 ,
n k = X2 . Kết luận:
Trên đây là mô hình hệ thống STBC_OFDM với tác động là kênh fading lựa chọn tần số. Bộ thu thực hiện một số tiến trình xử lí được hỗ trợ bởi thuật toán Viterbi, mỗi phần được gán cho một tần số riêng trong mô hình OFDM.
4.4. Kết luận chương.
Trong chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM. Đây là kỹ thuật đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin di động vì nó mở rộng băng thông và tăng tốc độ dữ liệu lên nhiều lần, nâng cao chất lượng tín hiệu. Hiện nay, MIMO-OFDM đang là cơ sở cho chuẩn IEEE 802.11n, đây là chuẩn mới cho hệ thống WIFI vừa hỗ trợ các chuẩn cũ vừa có tính năng ưu việt hơn hẳn, như hỗ trợ liên lạc giọng nói, trao đổi hình ảnh, video với chất lượng cao.
MIMO-OFDM còn được áp dụng trong hệ thống WIMAX, hiện nay và trong một tương lai không xa nữa công nghệ này sẽ được áp dụng rộng rãi và đem lại các tiến bộ vượt bậc trong thông tin liên lạc không dây của nhân loại.
Chương 5
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG. 5.1. Giới thiệu nội dung mô phỏng.
Trong phần mô phỏng này, thực hiện đánh giá chất lượng của hệ thống MIMO-OFDM thông qua so sánh tỉ lệ lỗi bit (BER) theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Ta đánh giá bằng cách so sánh với hệ thống OFDM, một trong những hệ thống có chất lượng tốt nhất trong hệ thống thông tin di động hiện nay.
Để thực hiện so sánh ta xây dựng 2 mô hình hệ thống MIMO-OFDM và hệ thống OFDM. Tín hiệu truyền được tạo ngẫu nhiên, được đưa vào khung và truyền đi với dung lượng lớn để đảm bảo sự đánh giá có độ chính xác cao.
Các bước mô phỏng được thực hiện giống với thực tế. Ở máy phát, các bước mã hoá, điều chế, IFFT, mã hoá không gian-thời gian đựơc mô phỏng đầy đủ và chi tiết. Ở máy phát thì các quá trình ngược lại như giải điều chế, giải mã, ước lượng gần cực đại, thuật toán kết hợp cũng được thực hiện một cách chi tiết. Kênh truyền thì ảnh hưởng của các trải trễ, fading Rayleigh, nhiễu giả ngẫu nhiên được tạo ra để giống với thực tế nhất.
Cuối cùng là kết quả BER theo SNR của hai hệ thống được vẽ trên cùng một giản đồ để dễ dàng so sánh và thấy rõ ưu điểm của hệ thống MIMO-OFDM.
5.2. Các thông số mô phỏng.5.2.1. Hệ thống OFDM. 5.2.1. Hệ thống OFDM.
Số khung mô phỏng : 110
Số sóng mang con : 16
Điều chế : 4QAM; tuỳ chọn
Chiều dài FFT : 512
Kích thước CP : 128
Băng thông hệ thống : 5MHz
SNR : 0; 3; 6; 9; 12; 15
5.2.2. Hệ thống MIMO-OFDM.
Mô hình mô phỏng: Space time block code OFDM; 2 anten phát và 2 anten nhận.
Số khung mô phỏng : 110
Số sóng mang con : 16
Điều chế : 4QAM; tuỳ chọn
Chiều dài FFT : 512
Số kí tự trên một khung : 6
Kích thước CP : 128
Băng thông hệ thống : 5MHz
SNR : 0; 3; 6; 9; 12; 15
5.2.3. Thông số kênh truyền.
Đáp ứng tần số kênh (hij): được tạo ra ngẫu nhiên
Nhiễu cộng ngẫu nhiên.
Tần số Doppler fd (Hz) : 0; 10; 20; 30 ; tuỳ chọn
5.3. Lưu đồ và sơ đồ thuật toán của chương trình mô phỏng.5.3.1. Truyền tín hiệu. 5.3.1. Truyền tín hiệu. 5.3.2. Kênh truyền. Tín hiệu gốc Mã hoá Trellis convolution Ghép xen Điều chế
Mã hoá khối không gian-thời gian.
Thực hiện IFFT, biến đồi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian.
Tín hiệu đã điều chế được truyền đi.
Tín hiệu từ anten phát Tạo tác động của hiện tượng Doppler và trải trễ
Tạo tác động của nhiễu cộng ngẫu nhiên Anten nhận
5.3.3. Nhận tín hiệu. Anten nhận Anten nhận Thực hiện FFT Kết hợp tín hiệu Giải điều chế Giải ghép xen Giải mã trellis convolution Tính BER của hệ thống OFDM
và STBC-MIMO-OFDM Vẽ giản đồ BER theo SNR của
cả hai hệ thống.
So sánh và đánh giá chất lượng các hệ thống
5.3.4. Thuật toán tính BER.k<=SNR(end) k<=SNR(end) end False True true
False s’(i)= =s(i)
leng=length(s);berr=0;i=0;
i <= leng
Tín hiệu thu được sau khi đã xử lí s’(i)
Tín hiệu gốc ban đầu s(i)
i=i+1 berr=berr+1; BER(k)=berr/leng; False k = SNR(begin) k=k+step; begin
5.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá.
Giao diện chính của chương trình
a) Trường hợp kênh truyền chưa có tác động của trải trễ và rayleigh fading
b) Trường hợp có tác động của trải trễ và Fading Rayleigh
Trường hợp :
fd =10Hz trms = 1us
fd=20Hz trms = 1us
Trường hợp:
fd=30Hz trms = 1us
Truyền tín hiệu ở cùng BER thì kỹ thuật MIMO-OFDM sử dụng SNR thấp hơn OFDM. Từ đó có thể chứng minh cho nhận định, sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM chúng ta dùng công suất phát thấp hơn mà chất lượng lại cao hơn.
Khi nhiễu môi trường tăng, thì yêu cầu SNR tăng, hay phải tăng công suất phát.
SNR càng cao thì BER càng nhỏ. Như vậy khi phát với công suất lớn thì chất lưọng tín hiệu tốt nhưng yêu cầu tiêu thụ năng lượng tăng nên giá thành tăng. Vì vậy càng ngày, người ta càng hướng đến sử dụng các công nghệ trong thông tin di động mà có thể truyền tín hiệu đáng tin cậy với mức công suất phát nhỏ.
5.5. Kết luận chương.
Phần mô phỏng còn hạn chế là chưa thực hiện ước lượng kênh, mà xem như phần ước lượng là hoàn hảo. Tuy nhiên với mục đích đánh giá chất lượng hệ thống thì mô hình trên là chấp nhận được vì ta cũng xem phần ước lượng kênh của hệ thống OFDM là hoàn hảo. Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM cũng là một trong những hệ thống chất lượng cao; đang và sẽ được áp dụng trong các thế hệ mạng di động mới như 3G và 4G.
Với kết quả nhận được, là trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật này cho BER nhỏ với SNR thấp. Nó còn tốt hơn cả kỹ thuật OFDM. Điều này chứng tỏ kỹ thuật này còn được nghiên cứu và áp dụng trong tương lai cho các thế hệ mạng di động sau này. Mà bước đầu, MIMO-OFDM đã được ứng dụng vào tiêu chuẩn 802.11n trong WIFI, nó đã tạo ra sự mở rộng băng thông và cải thiện chất lượng tín hiệu một cách đáng kể so với các tiêu chuẩn khác trước đây.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.
Đề tài “ Kỹ thuật MIMO_OFDM” đã trình bày một cách tổng quan về công nghệ MIMO_OFDM. Thông qua hệ thống STBC_OFDM 2x2, cũng đã giới thiệu một cách chi tiết về công nghệ MIMO_OFDM đơn giản. Trong đề tài còn trình bày về kỹ thuật OFDM, MIMO, ước lượng kênh.
Hiện nay, công nghệ MIMO_OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động, như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được.
Đề tài đã giới thiệu công nghệ STBC_OFDM, công nghệ này cho sự cải thiện đáng kể về chất lượng tín hiệu. Phát triển đề tài này, có thể nghiên cứu thêm các hệ thống MIMO_OFDM với số anten phát và thu lớn hơn; như hệ thống 3x4, 4x4, 8x8,…Nhưng số anten tăng cũng nảy sinh vấn đề cần giải quyết đó là: sự phức tạp trong bộ thu tín hiệu, làm cho các phép tính có độ khó cao, thiết bị thì cồng kềnh, giá thành cao. Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, công nghệ MIMO_OFDM sẽ là một trong những công nghệ hàng đầu sẽ được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
[1] TS.Phan Hồng Phương, KS.Lâm Chi Thương, “Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO”.
[2] Phạm Hồng Liên, Đăng Ngọc Khoa, Trần Thanh Phương, “Matlab và ứng dụng trong Viễn Thông”, Nhà xuất bản Đại Học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh-2006. [3] Ths Nguyễn Anh Tuấn, “Phương pháp mã hóa không gian thời gian trong các hệ thống MIMO và một số hướng nghiên cứu”, bài báo trình tại hội nghị khoa học lần thứ VI.
[4] ThS.Lê Văn Ninh, TS.Nguyễn Viết Kính, “Đồng bộ tần số trong miền tần số cho OFDM”, bài báo khoa học.
[5] Ths.Nguyễn Ngọc Tiến, “Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM”, Tạp chí bưu chính Viễn Thông và Công nghệ thông tin, 29/09/2003.
[6] Brank Vucetic, Jinhong Yuan, John Wily& Son, “Space Time Coding”, 2003. [7] Lisa Meilhac, Alian Chiodini, Clement Boudesocque, Crislin Lele, Anil Gercekei, “MIMO-OFDM modem for WLAN”- Newlogic Technology S.A.R.L, 07- 2004 .
[8] John R.Barry, “Broadband MIMO OFDM wireless communications”, 2004
[9] Vahid Tarokh, Hamid Jafarkhani, and A. R. Calderbank. "Space–time block codes from orthogonal designs". IEEE Transactions on Information Theory : 744– 765, July 1999.
[10] Vahid Tarokh, A.Robert Calderbank, “Space-Time Block Coding for Wireless Communications”. IEEE journal on selected areas in communication, March 1999
PHỤ LỤC.
CHƯƠNG TRÌNH MATLAB THỰC HIỆN MÔ PHỎNG. 1) Chương trình chính
function varargout = MIMO_OFDM(varargin) % MIMO_OFDM M-file for MIMO_OFDM.fig gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ... 'gui_Singleton', gui_Singleton, ...
'gui_OpeningFcn', @MIMO_OFDM_OpeningFcn, ... 'gui_OutputFcn', @MIMO_OFDM_OutputFcn, ... 'gui_LayoutFcn', [] , ...
'gui_Callback', []); if nargin == 0 % LAUNCH GUI
fig = openfig(mfilename,'reuse'); % Use system color scheme for figure:
set(fig,'Color',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'));
% Generate a structure of handles to pass to callbacks, and store it. handles = guihandles(fig); guidata(fig, handles); if nargout > 0 varargout{1} = fig; end elseif ischar(varargin{1}) try if (nargout) [varargout{1:nargout}] = feval(varargin{:}); else
feval(varargin{:}); % FEVAL switchyard end
catch
disp(lasterr); end
end
% End initialization code - DO NOT EDIT
% --- Executes just before MIMO_OFDM is made visible. % --- Executes on button press in start.
function varargout = start_Callback(hObject, eventdata, handles) Nfram1=str2double(get(handles.frames,'String'))
fft1=str2double(get(handles.fft_size,'String'))
Nsub1=str2double(get(handles.Nsubcarriers,'String')) Dopler_freq1=str2double(get(handles.fd,'String')) SNR1=eval(get(handles.snr,'String'))
M_qam1=str2double(get(handles.M,'String')); M1 = M_qam1(get(handles.M,'Value'),1) Delay1=str2double(get(handles.t_rms,'String')); t_rms1=Delay1(get(handles.t_rms,'Value'),1); %***************************************************************** ** %state=1:OFDM ; state=2:STBC_OFDM 2x2 state1=1; state2=2;
fd = Dopler_freq1;%fd1;%20; % Doppler frequency in Hz t_rms = 1;%t_rms1;%1; % Delay spread in mu s
subN = Nsub1;%16; % No. of sub-carriers in each sub-channel F_LA = 1; % Link Adaptation Resolusion, useless here.
Nframe = Nfram1;%110; % Total No. of frames to be simulated cdrt = 1/2; % Coding rate
M = M1; % M-QAM
misnr = SNR1(1); % minimum simulated SNR in dB stp = SNR1(2); % SNR simulation step
mxsnr = SNR1(end); % maximum simulated SNR in dB
chnums = 1000; % No. of channel realizations, should be larger than the total simulated symbols (frames * 6)
sampling_rate = 1.08; % over-sampling rate, 1.08 for wimax?, and 1.536 for 3gpp flg_offset = 0; % no Carrier-frequency offset
flg_csi_err = 0; % no Channel state information error N = fft1%512; % FFT size & total No. of sub-carriers cp_l = 128; % CP length
BW = 5e6; % system bandwidth, 5MHz Nsymbol = 6; % 6 symbols within each frame dirname1 = 'yynew1'; % where the result is stored dirname2 = 'yynew2'; % where the result is stored allow_load_oldres = 1; % allow to load previous result Root_path = '.'; % where the path starts