ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA VÀO VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA VÀO VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA VÀO VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
1. Giới thiệu
Hiện nay, nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng lớn và yêu cầu các dịch vụ có chất lượng ngày càng cao. Do đó đòi hỏi các hệ thống viễn thông phải có chất lượng tốt, tốc độ cao. Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của các dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện nay.
Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMO-OFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ. Một trong số các phương pháp đưa ra là kỹ thuật tiền mã hóa. Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao.
2. Nội dung đồ án
Nội dung đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. Kỹ thuật này cho phép truyền dữ
liệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả. Ngoài ra OFDM có đặc điểm nổi bật là khả năng chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.
Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ thống
thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Đặc biệt đối với kênh
truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được. Vì vậy nắm được các đặc tính kênh truyền sẽ giúp lựa chọn cấu trúc, thông số phù hợp cho hệ thống.
Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM
MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống.
Chương 2 trình bày về hệ thống MIMO và các các dạng cấu hình của nó, các kỹ thuật phân tập của, hệ thống MIMO-OFDM kết hợp và mô hình toán học của nó.
Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Trong hệ thống MIMO, máy phát sử dụng nhiều anten để truyền tín hiệu với máy thu (một máy thu có thể có nhiều anten), đây chính là kỹ thuật SDMA. Hệ thống này kết hợp với sử dụng kỹ thuật OFDM sẽ làm tăng đáng kể năng lực truyền thông băng rộng hông dây. Tuy nhiên, tại mỗi thuê bao, ngoài tín hiệu mong muốn thu được còn có các thành phần không mong muốn khác mà về mặt công suất là tương đương với tín hiệu mong muốn. Kỹ thuật tiền mã hóa giúp loại bỏ những thành phần nhiễu này.
Các phương pháp tiền mã hóa được chia làm hai loại chính: tuyến tính (như phương pháp Zero-forcing, MMSE) và phi tuyến (như DPC, THS). Các phương pháp phi tuyến cho độ chính xác cao nhưng phức tạp, thực hiện khó khăn, trong khi đó các phương pháp tuyến tính cho kết quả chấp nhận được với việc thực hiện đơn giản hơn nhiều.
Các phương pháp tiền mã hóa trình bày trong đồ án:
vPhương pháp Zero-forcing (ZF)
Đây là phương pháp tuyến tính tiền mã hóa tuyến tính dùng đề loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các người dùng. Ma trận tiền mã hóa W được nhân vào tín hiệu trước khi phát đi. Ma trận này được xác định dựa vào thông tin kênh truyền H hồi tiếp về trạm phát và được tính bằng:
W = HH(HHH)-1
vPhương pháp Block Diagonalization (BD)
Đây là một phương pháp tiền mã hóa mở rộng của phương pháp ZF khi thuê bao có nhiều anten thu. Ngoài việc loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì còn phải loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten thu.
Sau khi loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các thuê bao thì tín hiệu thu được có dạng: yn = Hn Wn s + z
Loại bỏ nhiễu giao thoa giữa các anten bằng cách nhân với ma trận trọng số w sao cho wHnWn = 1.
vPhương pháp Dirty Paper Coding (DPC)
Với kỹ thuật DPC, việc thiết kế ma trận tiền mã hóa không chỉ dựa trên thông tin kênh truyền mà còn dựa vào mối liên hệ lẫn nhau về thông tin giữa tín hiệu nhiễu của mỗi người dùng tại trạm phát.
Ma trận tiền mã hóa trong phương pháp DPC có thể tìm được từ khối ma trận tam giác L như sau:
Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Chương này sẽ đi thực hiện mô phỏng để đánh giá các phương pháp tiền mã hóa trong việc nâng cao chất lượng hệ thống. Qua đó có sự so sánh, nhận xét các kết quả có phù hợp với lý thuyết đã trình bày hay không.
Kết quả mô phỏng:
Hình 1: BER của các phương pháp ZF, BD, DPC
Nhận xét:
- BER của hệ thống giảm khi tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
- Cùng một mức SNR thì BER của phương pháp DPC là tốt nhất.
Hình 2: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê bao
Hình 3: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê bao
Nhận xét:
- BER của hệ thống giảm khi số thuê bao tăng lên ở cùng một mức SNR.
- BER của hệ thống sẽ tiệm cận đến một mức giới hạn khi số lượng thuê bao tăng lên.
3. Kết luận
Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của hệ thống MIMO-OFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao.
Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM, đồ án án đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC. Bên cạnh đó, đồ án cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có cái nhìn toàn diện hơn về hệ thống MIMO-OFDM.
.............
MỤC LỤC
MỤC LỤC.. 1
DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT.. 1
LỜI MỞ ĐẦU.. 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM... 8
1.1 Giới thiệu chương. 8
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM... 8
1.2.1 Khái niệm.. 8
1.2.2 Sự trực giao. 10
1.3 Sơ đồ khối OFDM... 11
1.3.1 Mã hóa kênh. 12
1.3.2 Khối xen rẽ. 13
1.3.3 Khối MQAM-mapping. 13
1.3.4 Khối IFFT/FFT.. 14
1.3.5 Tiền tố lặp (CP). 14
1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM... 16
1.5 Các đặc tính của OFDM... 18
1.5.1 Ưu điểm.. 18
1.5.2 Nhược điểm.. 18
1.6 Các đặc tính kênh truyền. 19
1.6.1 Fading. 19
1.6.2 Hiệu ứng đa đường. 20
1.6.3 Hiệ ứng Doppler. 22
1.6.4 Suy giảm tín hiệu. 23
1.6.5 Trãi trễ. 23
1.6.6 Nhiễu AWGN.. 23
1.6.7 Nhiễu liên ký tự ISI24
1.6.8 Nhiễu liên sóng mang ICI24
1.7 Kết luận chương. 25
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO-OFDM... 27
2.1 Giới thiệu chương. 27
2.2 Hệ thống MIMO.. 27
2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO.. 27
2.2.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO.. 28
2.2.3 Các kỹ thuật phân tập. 29
2.2.3.1 Phân tập theo thời gian. 29
2.2.3.2 Phân tập theo không gian. 30
2.2.3.3 Phân tập theo tần số. 31
2.3 Hệ thống MIMO-OFDM... 31
2.3.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM... 31
2.3.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM... 32
2.4 Kết luận chương. 33
CHƯƠNG 3:KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM... 34
3.1 Giới thiệu chương. 34
3.2 Giới thiệu kỹ thuật SDMA.. 34
3.3 Giới thiệu kỹ thuật tiền mã hóa. 35
3.3.1 Mục đích của tiền mã hóa. 35
3.3.2 Phân loại tiền mã hóa. 37
3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM... 37
3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing (ZF). 38
3.5.1 Giới thiệu. 38
3.5.2 Thuật toán tiền mã hóa ZF. 40
3.6 Kỹ thuật tiền mã hóa Block Diagonalization (BD). 41
3.6.1 Giới thiệu. 41
3.6.2 Thuật toán BD.. 42
3.7 Kỹ thuật tiền mã hóa Dirty Paper Coding (DPC). 43
3.7.1 Giới thiệu. 43
3.7.2 Thuật toán tiền mã hóa DPC.. 44
3.8 Lựa chọn người dùng. 46
3.9 Kết luận chương. 47
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓATRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 48
4.1 Giới thiệu chương. 48
4.2 Sơ đồ tổ chức công việc. 48
4.3 Lưu đồ thuật toán. 49
4.4 Kết quả mô phỏng. 50
4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC.. 50
4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC theo mức điều chế. 51
4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao. 53
4.5 Kết luận chương. 54
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI56
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 57
PHỤ LỤC.. 58
DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
|
AWGN |
Addition White Gaussian Noise |
Nhiễu Gaussian trắng cộng |
|
ADC |
Analog-to-Digital Converter |
Chuyển đổi tương tự sang số |
|
BER |
Bit Error Rate |
Tỷ lệ lỗi bit |
|
BPSK |
Binary Phase Shift Keying |
Điều chế pha nhị phân |
|
BD |
Block Diagonalization |
|
|
BS |
Base Staion |
Trạm gốc |
|
CFO |
Carrier frequency offsets |
Độ lệch tần số sóng mang |
|
CP |
Cyclic Prefix |
Tiền tố lặp |
|
CSI |
Channel State Information |
Thông tin trạng thái kênh truyền |
|
DAC |
Digital-to-Analog |
Chuyển đổi số sang tương tự |
|
DFT |
Discrete Fourier Transform |
Phép biến đổi Fourier rời rạc |
|
DPC |
Dirty Paper Coding |
|
|
FDM |
Frequency Division Multiplexing |
Ghép kênh phân chia theo tần số |
|
FDMA |
Frequency Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo tần số |
|
FFT |
Fast Fourier Transform |
Phép biến đổi Fourier nhanh |
|
ICI |
Inter- Carrier Interference |
Nhiễu liên sóng mang |
|
IDFT |
Inverse Discrete Fourier Transform |
Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo |
|
IFFT |
Inverse Fast Fourier Transform |
Phép biến đổi Fourier đảo |
|
ISI |
Inter- Symbol Interference |
Nhiễu liên ký tự |
|
IUI |
Inter- User Interference |
Nhiễu giao thoa liên thuê bao |
|
MIMO |
Multiple Input Multiple Output |
Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra |
|
M-QAM |
M Quadrature Amplitude Modulation |
Điều chế biên độ cầu phương M điểm |
|
MMSE |
Minimum Mean Squared Error |
Tối thiểu bình phương trung bình sai lệch |
|
OFDM |
Orthogonal Frequency Division Multiplexing |
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao |
|
PAPR |
Peak to Average Power Ratio |
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình |
|
QAM |
Quadrature Amplitude Modulation |
Điều chế biên độ cầu phương |
|
QPSK |
Quadrature Phase Shift Keying |
Điều chế pha nhị phân |
|
SDMA |
Space Division Multiple Access |
Đa truy cập phân chia theo không gian |
|
SINR |
Signal Interference to Noise Ratio |
Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu |
|
SNR |
Signal to Noise Ratio |
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu |
|
ZF |
Zero forcing |
|
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu thông tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúc mọi nơi. Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biến với số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng. Do đó, yêu cầu đặt ra cho hệ thống viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượng tốt và tốc độ cao. Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của các dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện nay. Tuy nhiên, với số lượng thuê bao rất lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMO-OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bị suy giảm rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao.
Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMO-OFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ. Một trong số các phương pháp đưa ra là kỹ thuật tiền mã hóa. Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên thuê bao.
Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMO-OFDM”.
Đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM
Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM
Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Đồ án này sẽ tìm hiểu và giải quyết các vấn đề liên quan đến tiền mã hóa và đưa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềm Mathlab.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều nhưng với kiến thức còn hạn chế của mình thì không khỏi mắc những sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là thầy Tăng Tấn Chiến đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả. Đặc biệt nhiều chuẩn mạng không dây như Wifi, DVB, LTE… đã ứng dụng kỹ thuật OFDM như một phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di động tốc độ cao trong thời gian tới.
OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn mới và có nhiều ưu điểm so với các kỹ thuật truyền thống. Trong hệ thống thông tin di động, yếu tố kênh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệ thống cho dù sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nào đi chăng nữa. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về OFDM và các đặc tính kênh truyền để thấy được các ưu, nhược điểm của nó cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống.
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
1.2.1 Khái niệm
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu được điều chế song song cách đều nhau trên các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có đặc điểm nổi bật là khả năng chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp. Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả để khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) trong việc trải trễ fading đa đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ tại vị trí bắt đầu của mỗi ký tự.
Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng tần rất gần nhau, do đó chúng sẽ chồng lấn lên nhau khi điêu chế các tín hiệu. Vì vậy các máy thu phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều chế chúng chính xác. Với các kỹ thuật trước đây như FDM, các tín hiệu phải tách biệt nhau khi truyền đi để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên với những cải tiến của kỹ thuật OFDM thì máy thu vẫn thu được tín hiệu mà không bị nhiễu mặc dù phổ của sóng mang chồng lấn lên nhau nhờ vào tính trực giao các sóng mang.
Hình 1.1: So sánh hiệu quả sử dụng phổ của FDM và OFDM
Một yêu cầu quan trọng đối với hệ thống thu và phát OFDM là chúng phải tuyến tính. Các sóng mang sẽ bị nhiễu do méo xuyên điều chế nếu hệ thống có bất kỳ sự phi tuyến nào. Khi méo phi tuyến xảy ra sẽ xuất hiến những tín hiệu không mong muốn và tính trực giao ban đầu cũng mất đi.
Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệu của hệ thống đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ở đầu ra máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh trong khi công suất đỉnh trung bình rất thấp. Hạn chế công suất đỉnh là một phương pháp để khắc phục trong một số hệ thống. Tuy nhiên việc hạn chế này gây méo tín hiệu và làm cho lỗi cao hơn. Để giảm lỗi, hệ thống phải sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi để nâng cao chất lượng. Việc sử dụng phép biến đổi IDFT trong điều chế và phép biến đổi DFT trong giải điều chế của kỹ thuật OFDM cũng làm tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu. Ngày nay, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng IFFT/FFT để giảm bớt độ phức tạp của hệ thống.
1.2.2 Sự trực giao
Orthogonal là thuật ngữ đề cập mối quan hệ chính xác về mặt toán học giữa các tần số sóng mang của hệ thống OFDM. Trong FDM, các sóng mang thường được đặt cách nhau một khoảng dải tần để các tín hiệu không bị can nhiễu và có thể thu chúng bằng các bộ giải điều chế và bộ lọc thông thường. Vì vậy các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang cần được dự liệu trước và việc sử dụng khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Trong kỹ thuật OFDM, các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà máy thu vẫn có thể thu được chính xác các tín hiệu không có can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn đạt được điều này thì các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tất cả sóng sin này. Mỗi sóng mang có một chu kỳ sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu.
Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức toán học sau:
(1.1)
Xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM. Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng 0 và thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chế tín hiệu. Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:
Si(t) = sin(mωt) và Sj(t) = sin(nωt)
(1.2)
Nếu hai sóng sin có cùng tần số thì dạng sóng hợp thành luôn dương và giá trị trung bình luôn khác 0.
Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chổ: tại mỗi đỉnh của mỗi sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0.
Hình 1.2: Phổ sóng mang con OFDM
1.3 Sơ đồ khối OFDM
Xét hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M-QAM
Hình 1.3: Sơ đồ khối máy phát OFDM
Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu OFDM
Dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được mã hóa (thông qua bộ Conv. Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaving). Sau đó các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số bằng bộ QAM mapping.Có thể chèn pilot để phục vụ ước lượng kênh. Dòng dữ liệu tiếp tục được đưa vào bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P) sau đó đưa vào bộ IFFT để chuyển đổi dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian. Chèn tiền tố lặp (CP) để giảm nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu xuyên kênh. Dữ liệu tiếp tục được chuyển đổi từ song song thành nối tiếp thông qua bộ P/S, dữ liệu được điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi thông qua anten.
Tại máy thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và được đưa qua bộ ADC thành tín hiệu rời rạc. Tiền tố lặp được loại bỏ và tín hiệu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ FFT. Tín hiệu tiếp tục được giải điều chế bằng phương pháp tương ứng với bên phát sau đó được sắp xếp lại và giải mã. Thông qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp ta sẽ thu lại được tín hiệu ban đầu.
1.3.1 Mã hóa kênh
Bộ mã hóa kênh sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi để cải thiện BER của tuyến truyền dẫn nhằm đáp ứng các yêu cầu dịch vụ. Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện lỗi và sửa các ký tự hay các bít thu bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm của mã sửa lỗi nhiều hơn mã phát hiện lỗi để bên thu có thể phát hiên và sửa lỗi mà không phải truyền lại. Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối và mã chập.
1.3.2 Khối xen rẽ
Trong OFDM, để khắc phục lỗi chùm thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do fading, người ta kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ. Kỹ thuật xen rẽ chuyển đổi lỗi chùm thành lỗi ngẫu nhiên để bộ mã hóa kênh có thể khắc phục dễ dàng.
Hình 1.5: Kỹ thuật xen rẽ
1.3.3 Khối MQAM-mapping
Tín hiệu sau khi đã được mã hóa và xen rẽ sẽ được điều chế số ở máy phát và giải điều chế số ở máy thu. Việc điều chế số cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn, chống được ảnh hưởng của suy hao kênh truyền và có tính bảo mật tốt hơn. Với kỹ thuật điều chế nhiều mức như M-QAM trong điều chế số cho tốc độ bit cao hơn nhiều so với điều chế tương tự ở cùng băng thông. Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
Hình 1.6: 4-QAM Hình 1.7: 16-QAM
Khi sử dụng điều chế QAM, sẽ có lần lượt log2M bit được đưa đến đầu vào và sau khi ánh xạ thì sẽ là một trong M vị trí trong mặt phẳng phức. Khi giải điều chế, ta chỉ cần biết vị trí tọa độ trong mặt phẳng phức thì ta sẽ biết được bit đó là bit nào.
1.3.4 Khối IFFT/FFT
Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con. Cụ thể là mỗi kênh con cần một bộ điều chế và giải điều chế, một máy phát sóng sin. Vì vậy khi số lượng kênh con khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả. Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng khối biến đổi IDFT/DFT để tạo sóng sin, điều chế và giải điều chế trên mỗi kênh con. Để giảm độ phức tạp, cồng kềnh của hệ thống, thuật toán IFFT/FFT được sử dụng làm cho phép biến đổi nhanh hơn.
1.3.5 Tiền tố lặp (CP)
................
1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM
Xét một ký tự OFDM gồm N sóng mang phụ, với N là kích thước của phép biến đổi FFT và IFFT.
Hình 1.9: Cấu trúc của ký tự OFDM
N sóng mang phụ sau khi được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song được đưa vào khối IFFT để chuyển từ miền tần số sang miền thời gian.
Hình 1.10: Biến đổi IFFT và chèn CP
Sau khi chèn CP, cấu trúc của tín hiệu OFDM được truyền đi như sau:
Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi
Tín hiệu OFDM phát được biểu diễn dạng toán học như sau:
(1.3)
với n ∈ {-Ng,…, 0 ,…, N-1} và Ng là chiều dài của tiền tố lặp.
Tín hiệu thu của mẫu thứ n trong ký tự OFDM thứ m sau khi qua kênh truyền fading và nhiễu:
(1.4)
Trong đó: n ∈ {0,…,N-1}
hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền
zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian với công suất nhiễu N0
Nếu chiều dài Ng của tiền tố lặp thỏa mãn Ng ≥ L-1 thì không xảy ra nhiễu liên ký tự. Sau khi loại bỏ CP và thực hiện FFT, mẫu tín hiệu nhận được trong miền tần số được biểu diễn như sau:
(1.5)
Đối với kênh truyền fading không đổi theo thời gian thì ρk,m bằng 0. Ký tự QAM truyền đi được khôi phục lại trong miền tần số:
(1.6)
1.5 Các đặc tính của OFDM
1.5.1 Ưu điểm
vKỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang con có tính chất trực giao nên các sóng mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ.
vHạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.
vLoại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang và nhiễu liên ký tự bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM.
vNhờ sử dụng các biện pháp chèn kênh và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra.
vThích hợp cho các hệ thống không dây tốc độ cao và hiệu quả trong các môi trường truyền dẫn đa đường.
1.5.2 Nhược điểm
vRất nhạy với dịch tần số
- Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ.
- Các sóng mang phụ chỉ thực sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được.
vTại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI.
vTỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
1.6 Các đặc tính kênh truyền
1.6.1 Fading
Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ thống thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Đặc biệt đối với kênh truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được. Nó hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Qua kênh truyền vô tuyến, tín hiệu phát đi bị cản bởi các vật cản, bị phản xạ, tán xạ,… và kết quả là máy thu sẽ thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu đã phát. Vấn đề này được hiểu là fading. Tín hiệu sẽ bị thay đổi thất thường và nhanh chóng suy giảm về chất lượng khi có hiện tượng fading. Điều này gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hệ thống thông tin di động. Vì vậy, nắm vững các đặc tính kênh truyền trong thông tin di động sẽ giúp chúng ta có lựa chọn thích hợp cho cấu trúc của hệ thống cũng như các thông số để giúp nâng cao chất lượng.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách. Fading tầm nhìn rộng thì được sinh ra bởi hai yếu tố chính suy hao đường truyền (path loss) và che chắn (shadowing). Path loss của tín hiệu như là một hàm của khoảng cách. Trong khi đó shadowing như là các vật cản lớn như tòa nhà, đồi núi...
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Ảnh hưởng của fading là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này cường độ tín hiệu thu sẽ bị suy giảm, méo đáng kể vì thay đổi đáng kể. Tính di chuyển của các thuê bao trên khoảng cách lớn (>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao và công suất thu thay đổi chậm. Có rất nhiều các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục fading nhưng cách phổ biến nhất và thường được dùng nhất là phân tập không gian.Trong thông tin di dộng tốc độ cao,sự phân tập khắc phục tốt được hiện tượng fading.
1.6.2 Hiệu ứng đa đường
Trong hệ thống thông tin di động, các bức xạ điện từ phát ra từ anten máy phát gần như không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu do luôn có sự tồn tại của các vật cản giữa chúng. Vì vậy tín hiệu nhận được là sự chồng chập của các sóng đến từ các hướng khác nhau do hiện tượng phản xạ, tán xạ, khúc xạ… từ các vật cản. Hiện tượng này gọi là sự truyền sóng đa đường.
Hình 1.12: Hiệu ứng đa đường trong thông tin di động
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Một trong những hệ quả của hiện tượng đa đường mà chúng ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự phối hợp về pha. Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha. Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu. Một hệ quả nữa của hiện tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
1.6.3 Hiệ ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra. Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu sẽ giảm đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler.
Dịch tần số Doppler tỉ lệ với tốc độ chuyển động và phương chuyển động của máy thu so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường. Dịch Doppler fD có thể được biểu diễn như sau :
(1.7)
Trong đó: fc là tần số sóng mang
v là vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát
c là vận tốc ánh sáng
α là góc giữa phương chuyển động của máy thu và sóng tới
Khi đó tần số tín hiệu thu được là:
(1.8)
Hình 1.13: Hiệu ứng Doppler
1.6.4 Suy giảm tín hiệu
Suy hao là do suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường. Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Phương trình tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách d :
(1.9)
Trong đó: PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang
1.6.5 Trãi trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đa đường. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu liên kí tự. Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
1.6.6 Nhiễu AWGN
Nhiễutồntạitrongtấtcảcáchệthốngtruyềndẫn.Cácnguồnnhiễuchủyếulànhiễunềnnhiệt,nhiễuđiệntừcácbộkhuếchđạibênthu,vànhiễuliênô(inter-cellularinterference).Cácloạinhiễunàycóthểgâyranhiễuliênkítự,nhiễuliênsóng mangvà nhiễu liên điều chế(IMD: Inter-Modulation Distortion).Nhiễunàylàmgiảmtỉsốtínhiệutrênnhiễu,giảmhiệuquảphổcủahệthống.Vàthựctếlàtùythuộcvàotừngloạiứngdụng,mứcnhiễuvàhiệuquảphổcủahệ thống phảiđượclựachọn.
Hầuhếtcácloạinhiễutrongcáchệthốngcóthểđượcmôphỏngmộtcáchchínhxácbằngnhiễutrắngcộng.HaynóicáchkháctạpâmtrắngGaussianlàloạinhiễuphổbiếnnhấttronghệthốngtruyềndẫn.LoạinhiễunàycómậtđộphổcôngsuấtlàđồngđềutrongcảbăngthôngvàbiênđộtuântheophânbốGaussian.TheophươngthứctácđộngthìnhiễuGaussianlànhiễucộng.Vậydạngkênhtruyềnphổbiến làkênhtruyềnchịutácđộngcủanhiễuGaussiantrắng cộng.
Nhiễunhiệt(sinhradosựchuyểnđộngnhiệtcủacáchạttảiđiệngâyra)làloạinhiễutiêubiểuchonhiễuGaussiantrắngcộngtácđộngđếnkênhtruyềndẫn.Đặcbiệt,tronghệthốngOFDM,khisốsóngmangphụlàrấtlớnthìhầuhếtcácthànhphầnnhiễukháccũngcóthểđượccoilànhiễuGaussiantrắngcộngtácđộngtrêntừngkênhconvìxéttrêntừngkênhconriênglẻthìđặcđiểmcủacácloạinhiễu nàythỏamãncácđiềukiệncủanhiễuGaussiantrắngcộng.
1.6.7 Nhiễu liên ký tự
NhiễuISIvàICIlàhailoạinhiễuthườnggặpnhấtdoảnhhưởngcủakênh truyềnngoàinhiễuGaussiantrắngcộng.Nhiễu ISIgâyradotrải trễđađường.ĐểgiảmISI,cáchtốtnhấtlàgiảmtốcđộdữliệu.Nhưngvớinhucầu hiệnnaylàyêucầutốcđộtruyềnphảităngnhanh.Dođógiảiphápnàylàkhôngthể thựchiệnđược.ĐềnghịđưarađểgiảmISIvàđãđượcđưavàoứngdụngthựctếlàchèntiềntốlặpvàomỗikýtựOFDM.NgoàinhiễuISI,nhiễuICIcũngtácđộngkhôngnhỏđếnchấtlượngtínhiệuthuđược,dođóviệctìmhiểunócũngrấtquan trọng đểnângcao chấtlượngcủahệthốngOFDM.
Trongmôitrườngđađường,kýtựphátđếnđầuvàomáythuvớicáckhoảng thờigiankhácnhauthôngquanhiềuđườngkhácnhau.Sựmởrộngcủachukỳkýtựgâyrasựchồnglấngiữakýtựhiệnthờivớikýtựtrướcđóvàkếtquảlàcónhiễuliênkýtự.TrongOFDM,ISIthườngđềcậpđếnnhiễucủamộtkýtựOFDMvớikýtựtrướcđó. TronghệthốngOFDM,đểgiảmđượcnhiễuISI,phươngphápđơn giảnvàthôngdụngnhấtlàđưavàotiềntốlặp.
1.6.8 Nhiễu liên sóng mang
TrongOFDM,phổcủacácsóngmangchồnglấnnhưngvẫn trựcgiaovớisóngmangkhác.Điềunàycónghĩalàtạitầnsốcựcđạicủaphổmỗisóngmangthìphổcủacácsóngmangkhácbằngkhông.Máythulấymẫucáckýtựdữliệutrêncácsóngmangriênglẻtạiđiểmcựcđạivàđiềuchếchúngtránhnhiễutừcácsóngmangkhác.Nhiễugâyrabởicácdữliệutrênsóngmangkếcậnđượcxemlànhiễuxuyênkênh.
Hình 1.14: Lỗi dịch tần số gây ra nhiễu ICI trong OFDM
ICIxảyrakhikênhđađườngthayđổitrênthờigiankýtựOFDM.DịchDopplertrênmỗithànhphầnđađườnggâyradịchtầnsốtrênmỗisóngmang,kết quảlàmấttínhtrựcgiaogiữachúng.ICIcũngxảyrakhimộtkýtựOFDMbịnhiễu ISI.SựlệchtầnsốsóngmangcủamáyphátvàmáythucũnggâyranhiễuICItrong hệthốngOFDM.
1.7 Kết luận chương
Kỹ thuật OFDM là một trong những kỹ thuật tiên tiến, mang lại hiệu quả và nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin di động. Qua chương này, chúng ta thấy được những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu tốt, hiệu quả sử dụng phổ cao, hạn chế được ảnh hưởng của fading, nhiễu xuyên kênh kết hợp… Kỹ thuật này thích hợp cho những hệ thống vô tuyến yêu cầu tốc độ cao và truyền dẫn trong môi trường đa đường. Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có những hạn chế nhất định như rất nhạy với dịch tần số, tỉ số PAPR lớn cần được khắc phục. Chương này cũng đã trình bày về các đặc tính kênh truyền trong hệ thống thông tin di động. Kênh truyền trong thực tế rất phức tạp, gây nhiều ảnh hưởng đến hệ thống như fading, hiệu ứng đa đường,… làm suy giảm tín hiệu, nhiễu, biến đổi tín hiệu tại đầu thu dẫn đến suy giảm chất lượng của hệ thống.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
2.1 Giới thiệu chương
MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống. Đây là một giải pháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, các kỹ thuật phân tập của nó, hệ thống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó.
2.2 Hệ thống MIMO
2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống thông tin điểm điểm sử dụng đa anten phát và thu. Nhờ vậy hệ thống có thể cung cấp phân tập phát và thu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như tang tốc độ truyền, giảm BER, tăng vùng phủ sóng mà không cần tang công suất hay tăng băng thông.
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO ra đời vào khoảng năm 1984 do Jack Winters của phòng thí nghiệm Bell xin cấp bằng sáng chế với việc sử dụng đa anten trong vô tuyến. Từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống này. Đến năm 2004, IEEE bắt đầu nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp với kỹ thuật OFDM và đưa ra thử nghiệm vào năm 2006. Từ đó hệ thống MIMO được sử dụng ngày càng rộng rãi góp phần giải quyết vấn đề tiết kiệm băng thông và giảm công suất cho hệ thống vô tuyến.
2.2.2 Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO
Khái niệm MIMO (Multiple Input Multiple Output) trong thông tin vô tuyến có thể hiểu Input là máy phát và Output là máy thu. Hệ thống MIMO sử dụng nhiều cấu hình khác nhau, dựa trên số lượng anten phát và thu có thể phân loại thành:
- SISO - Single Input Single Output
- SIMO - Single Input Multiple Output
- MISO - Multiple Input Single Output
- MIMO - Multiple Input multiple Output
Hệ thống SISO
SISO là cấu hình đơn giản nhất của hệ thống MIMO. Đây là một kênh truyền vô tuyến đúng chuẩn. Trong hệ thống này máy phát và máy thu chỉ sử dụng một anten để truyền nhận tín hiệu. Ưu điểm lớn nhất của hệ thống này chính là sự đơn giản. Tuy nhiên ảnh hưởng của nhiễu và fading là rất lớn do không sử dụng kỹ thuật phân tập
Hệ thống SIMO
SIMO sử dụng một anten tại máy phát và nhiều anten tại máy thu. Phương pháp này còn được gọi là phân tập thu. Hệ thống này có khả năng chống được các ảnh hưởng của fading do máy thu sẽ thu được các tín hiệu độc lập nhau từ nguồn. Việc thực hiên hệ thống này là khá dễ dàng nhưng yêu cầu máy thu phải có bộ xử lý phức tạp.
Hệ thống MISO
MISO sử dụng nhiều anten tại máy phát với kỹ thuật phân tập phát. Dữ liệu sẽ được truyền đi bằng nhiều anten tại trạm phát. Hệ thống này giúp giảm độ phức tạp của thiết bị thu do các quá trình xử lý đã chuyển sang máy phát.
Hệ thống MIMO
MIMO là dạng cấu hình tổng quát nhất, nó sử dụng đa anten tại máy phát và máy thu. Hệ thống này quy tụ được các ưu điểm của các dạng cấu hình trên. Với việc sử dụng cả phân tập phát và thu thì dung lượng của hệ thống được tăng lên đáng kể, khả năng chống nhiễu và fading rất tốt. Tuy nhiên chi phí là một vấn đề cần tính toán cân bằng cho hệ thống. Vì vậy thùy theo yêu cầu của các dịch vụ mà chúng ta chọn dạng cấu hình cho phù hợp.
2.2.3 Các kỹ thuật phân tập
Một kênh truyền vô tuyến có thể bị ảnh hưởng của các đặc tính kênh truyền vô tuyến như sự suy giảm tín hiệu, fading, hiệu ứng đa đường … làm giảm SNR bên phía đầu thu. Một phương pháp hiệu quả để làm giảm ảnh hưởng của fading là sử dụng kỹ thuật phân tập để cung cấp cho đầu thu các phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu. Những phiên bản này bị ảnh hưởng khác nhau của yếu tố kênh truyền và hầu như chúng khác nhau. Do đó phân tập làm cho kênh truyền ổn định hơn, làm tăng hiệu suất kênh truyền và giảm được xác suất lỗi của kênh truyền. Có nhiều kỹ thuật phân tập khác nhau như phân tập theo không gian, phân tập theo tần số, phân tập theo thời gian.
2.2.3.1 Phân tập theo thời gian
Phân tập theo thời gian: trong kỹ thuật này, một bản tin được truyền ở các thời điểm khác nhau. Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất truyền tải, nhưng nó làm giảm tốc độ dữ liệu khi đó dữ liệu được lặp đi lặp lại trong khe thời gian phân tập so với là gửi dữ liệu trong các khe thời gian khác. Nhưng kỹ thuật này cũng có nhược điểm là ở đầu thu phải chờ một khoảng thời gian để xử lý tín hiệu, không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực.
Do tính chất ngẫu nhiên của fading, các tín hiệu chịu ảnh hưởng fading ngẫu nhiên khác nhau nếu khoảng thời gian lấy mẫu đủ lớn do đó các tín hiệu không tương quan với nhau. Khoảng thời gian cần thiết để thu được các tín hiệu trong thông tin di động thu được không tương quan nhau:
Tc = c / (2vfc) (2.1)
Trong đó:
c = 3.108 m/s
v: vận tốc của thuê bao di động
fc: tần số sóng mang
Các hệ thống di động gần đây đã sử dụng mã sửa lỗi kết với với xen kẽ tín hiệu để tạo ra phương pháp phân tập theo thời gian mới. Phương pháp này chỉ phù hợp với kênh truyền fading biến đổi nhanh.
2.2.3.2 Phân tập theo không gian
Phân tập theo không gian: là kỹ thuật thu hay phát một tín hiệu trên 2 hoặc nhiều anten với cùng một tần số vô tuyến. Khoảng cách giữa các anten được chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt thu không tương quan nhau. Nghĩa là hệ số tương quan bằng 0. Nhưng trong thực tế không đạt được giá trị này. Theo khuyến nghị của CCIR, người ta chọn khoảng cách giữa các anten sao cho hệ số tương quan không vượt quá 0,6. Bằng cách mô phỏng nhiều lần để tìm hai vị trí tốt nhất cho anten, khi không tính được vị trí thì khoảng cách hai anten phải lớn hơn 150λ.
Ưu điểm của phân tập theo không gian là không làm suy giảm hiệu suất băng tần, phổ tần số, trên lý thuyết thì không giới hạn số lượng nhánh phân tập.
Phân tập phân cực và phân tập góc là hai dạng của phân tập không gian. Trong phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân cực ngang được phát bằng hai anten phân cực khác nhau. Sự khác nhau về phân cực đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không phải đặt hai anten ở cách xa nhau. Phân tập góc được sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10 GHz. Trong trường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong không gian nên các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau. Từ đó hai hay nhiều anten định hướng để thu từ các hướng khác nhau ở máy thu sẽ tạo ra bản sao tín hiệu phát không tương quan.
Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu ta phân loại phân tập không gian thành phân tập phát và phân tập thu. Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading đa đường. Trong phân tập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát. Tin được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.
2.2.3.3 Phân tập theo tần số
Phân tập theo tần số: là kỹ thuật thu hoặc phát một tín hiệu trên 2 hoặc nhiều kênh trên tần số vô tuyến. Các tần số được phân chia đảm bảo không bị nhiễu và chịu ảnh hưởng của fading một cách độc lập.
Mặc dù kỹ thuật phân tập theo tần số có thể cho hệ số cải thiện tốt hơn nhưng việc sử dụng phổ tần không hiệu quả cao. Để tăng hiệu quả chống fading người ta sử dụng kết hợp phân tập không gian và phân tập tần số.
2.3 Hệ thống MIMO-OFDM
2.3.1 Tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM
Cải thiện chất lượng của hệ thống thông tin di động là một mục tiêu được nghiên cứu hàng đầu hiện nay. Có nhiều giải pháp được đưa ra như tăng công suất, tăng băng thông. Tuy nhiên không thể tăng công suất mãi được vì khi tăng công suất sẽ gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh. Còn băng thông cũng không thể tăng lên nhiều vì chúng đã được chuẩn hóa và có giới hạn nhất định. Vì thế các nhà nghiên cứu đang tập trung vào các giải pháp kỹ thuật nhằm tăng chất lượng hệ thống.
MIMO-OFDM là hệ thống sử dụng kết hợp các ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM. Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng nhiều anten ở phía phát và thu, có thể tăng hiệu quả sử dụng băng thông và tăng dung lượng kênh truyền nhờ vào các kỹ thuật phân tập phát, phân tập thu và ghép kênh không gian. 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 hiệu quả nhờ vào sử dụng nhiều sóng mang con có tần số trực giao để chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp. Kỹ thuật OFDM còn loại bỏ được nhiễu liên ký tự khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Việc kết hợp các ưu điểm trên của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM đã tạo ra hệ thống có chất lượng tốt hơn ứng dụng cho hệ thống thông tin di động băng rộng hiện nay.
2.3.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
Hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ thống MIMO sử dụng NT anten phát và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ trực giao.
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM
Tín hiệu thu được tại anten thứ j của sóng sóng mang phụ thứ k trong miền tần số được biểu diễn như sau:
(2.2)
Trong đó:
Xi (k) là tín hiệu phát trên sóng mang phụ thứ k
Zj (k) là nhiễu Gauss tại anten thứ j
hj,i là đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ i tới anten thu thứ j
Nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền thì ta sẽ biết chính xác hj,i. Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả bằng ma trận sau:
2.4 Kết luận chương
Việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào hệ thống MIMO là một giải pháp công nghệ để nâng cao chất lượng cho hệ thống, tăng dung lượng kênh truyền, giảm nhiễu cho hệ thống thông tin vô tuyến hiện nay. Tuy nhiên khi số thuê bao trong hệ thống tăng lên sẽ làm tăng nhiễu giao thoa xuyên kênh. Sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa là một trong những giải pháp để khắc phục vấn đề này. Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM.
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật tiền mã hóa là một trong những kỹ thuật sử dụng trong mạng truyền thông không dây có tốc độ cao để loại bỏ nhiễu không mong muốn đặc biệt là nhiễu giao thoa liên thuê bao. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM dùng để loại bỏ nhiễu. Ngoài ra trong chương này còn tìm hiểu kỹ thuật truyền dẫn SDMA, kỹ thuật lựa chọn người dùng, đây là các kỹ thuật giúp tăng dung lượng của hệ thống và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin vô tuyến.
3.2 Giới thiệu kỹ thuật SDMA
Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) là một kỹ thuật truyền dẫn trong hệ thống thông tin di động, nó giúp tăng đáng kể dung lượng và tốc độ của hệ thống. Trước SDMA, có các kỹ thuật đa truy cập khác như FDMA, TDMA, CDMA… nhưng các kỹ thuật này đều có khuyết điểm như cồng kềnh, phức tạp, chống nhiễu kém khi hệ thống yêu cầu cung cấp các dịch vụ tốc độ cao với số người dùng lớn. Hiện tại SDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng để phục vụ nhu cầu ngày càng cao của hệ thống thông tin di động.
4.4 Kết quả mô phỏng
4.4.1 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC
Các thông số mô phỏng:
Số anten phát NT = 4, số khung N_frame = 10, số gói tin N_packet = 4000, sử dụng điều chế BPSK.
Khi thay đổi SNR của hệ thống theo trục hoành thì BER của hệ thống thay đổi như sau:
Hình 4.3: BER của các phương pháp ZF, BD, DPC
Nhận xét:
- BER của hệ thống giảm khi tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
- Cùng một mức SNR thì BER của phương pháp DPC là tốt nhất. Bởi vì phương pháp DPC thiết kế ma trận tiền mã hóa không chỉ dựa trên thông tin trạng thái kênh truyền hồi tiếp về mà còn dựa vào mối liên hệ lẫn nhau giữa tín hiệu phát đến các thuê bao. Với việc biết trước được thông tin các tín hiệu phát nên phương pháp DPC có số bit lỗi ít nhất. Các phương pháp ZF, BD thiết kế ma trận tiền mã hóa chỉ dựa vào thông tin kênh truyền hồi tiếp của hệ thống nên sẽ thiếu chính xác hơn do đó BER cao hơn.
- BER của phương pháp BD là tốt hơn so với phương pháp ZF ở cùng một mức SNR. Vì phương pháp BD sử dụng 2 anten ở thuê bao trong khi với ZF là 1 nên phía thu có sự chọn lọc tín hiệu tốt hơn.
4.4.2 Khảo sát BER của các phương pháp ZF, BD, DPC theo mức điều chế
Các thông số mô phỏng:
Số anten phát NT = 4, số khung N_frame = 10, số gói tin N_packet = 4000, sử dụng các mức điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.
Khi thay đổi SNR của hệ thống thì BER của các phương pháp thay đổi theo mức điều chế lần lượt như sau:
Hình 4.4: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi mức điều chế
Hình 4.5: BER của hệ thống sử dụng BD khi thay đổi mức điều chế
Hình 4.6: BER của hệ thống sử dụng BD khi thay đổi mức điều chế
Nhận xét:
- BER của hệ thống giảm dần khi SNR tăng.
- Cùng một mức SNR thì BER của hệ thống tăng dần theo mức điều chế. Vì khi tăng mức điều chế thì tốc độ dữ liệu tăng nhưng khi đó các điểm phức trên giản đồ chòm sao của kiểu điều chế QAM gần nhau hơn, một khi có nhiễu đánh vào sẽ dễ làm lệch vị trí của nó so với lúc phát vì vậy sẽ dễ gây sai lệch. Do đó BER của hệ thống tăng khi tăng mức điều chế.
4.4.3 Khảo sát BER của các phương pháp khi thay đổi số thuê bao
Các thông số mô phỏng:
Số anten phát NT = 4, số khung N_frame = 10, số gói tin N_packet = 2000, sử dụng điều chế BPSK.
Khi thay đổi SNR của hệ thống thì BER của các phương pháp thay đổi theo số thuê bao như sau:
Hình 4.7: BER của hệ thống sử dụng ZF khi thay đổi số thuê bao
Hình 4.8: BER của hệ thống sử dụng DPC khi thay đổi số thuê bao
Nhận xét:
- BER của hệ thống giảm khi số thuê bao tăng lên ở cùng một mức SNR. Vì khi số lượng thuê bao lớn thì ảnh hưởng của fading kênh truyền tới mỗi thuê bao là khác nhau, việc lựa chọn nhóm người dùng có thông tin trạng thái kênh truyền tốt sẽ tối thiểu hóa ảnh hưởng của fading, do đó BER của hệ thống được cải thiện khi số thuê bao tăng lên.
- BER của hệ thống sẽ tiệm cận đến một mức giới hạn khi số lượng thuê bao tăng lên. Bởi vì khi lựa chọn được nhóm người dùng tốt nhất thì ảnh hưởng của fading kênh truyền không biến thiên nhiều. Do đó BER của hệ thống sẽ không thay đổi nhiều khi số thuê bao tăng cao.
4.5 Kết luận chương
Chương cuối này đã thực hiện mô phỏng so sánh BER của các phương pháp tiền mã hóa. Bằng cách thay SNR, mức điều chế và số lượng thuê bao của hệ thống để khảo sát BER nhằm đưa ra đánh giá so với lý thuyết. Thông qua mô phỏng nhận thấy được các phương pháp tốt dần theo thứ tự ZF, BD, DPC. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đã trình bày.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của hệ thống MIMO-OFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao.
Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM, đồ án án đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC. Bên cạnh đó, đồ án cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có cái nhìn toàn diện hơn về hệ thống MIMO-OFDM. Ngoài ra đồ án cũng đề cập đến kỹ thuật SDMA, một kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian, góp phần giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, tăng dung lượng hệ thống. Hiện nay SDMA được sử dụng rộng rãi và mang lại lợi ích to lớn.
Do hạn chế về thời gian hoàn thành đồ án nên chưa nghiên cứu được các phương pháp tiền mã hóa phức tạp hơn như MMSE (Minimum Mean Squared Error), THS (Tomlinson – Harashima).Hơn nữa, đồ án sử dụng kênh truyền chuẩn để thiết kế ma trận tiền mã hóa. Nếu có điều kiện, thì đề tài sẽ phát triển thêm sử dụng kênh truyền biến đổi theo thời gian và có ước lượng kênh truyền tại đầu thu, đưa về trạm phát các thông tin trạng thái kênh truyền có giới hạn, nghiên cứu thêm các kỹ thuật tiền mã hóa MMSE, THS.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Lê Hùng, “Thông tin di động”, khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng.
[2] Nguyễn Văn Tuấn, “Thông tin vi ba- vệ tinh”, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 2011.
[3] Dorra Ben Cheikh, Jean-Marc Kelif, Marceau Coupechoux and Philippe Godlewski, “Multicellular Zero Forcing Precoding Performance in Rayleigh and Shadow Fading”, TELECOM Paris Tech & CNRS LTCI Paris, France.
[4] Young Soo Chi, Jaek Won Kim, “MIMO-OFDM wireless communications”, Willey and Sons Pte Ltd, 2 Clementi Loop, # 02-01,Singapore 129809, 2010.
[5] Jingon Joung, Member, IEEE, “User Selection Methods for Multiuser Two-Way Relay Communications Using Space Division Multiple Access”, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 9, NO. 7, JULY 2010.
[6] Francesco Verde, Donatella Darsena, Member, IEEE, “Cooperative Randomized MIMO-OFDM Downlinkfor Multicell Networks: Design and Analysis”, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 58, NO. 1, JANUARY 2010.
PHỤ LỤC
Code chương trình khảo sát BER các phương pháp ZF, BD, DPC
clear all; clf
N_frame=10; % So khung
N_packet=4000; % So goi tin
b=2; % Muc dieu che BPSK
%---------------- ZF ---------------
NT=4; N_user=4; N_act_user=4;
%---------------- BD ---------------
%NT=4;
NR_BD=2; N_user_BD=2;
%---------------- PDC --------------
NT=4; N_user=4; N_act_user=4;
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
N_pbits = N_frame*NT*b; % so bit mot goi tin
N_tbits = N_pbits*N_packet; % tong so bit phat
SNRdBs = [0:2:30]; sq2=sqrt(2);
for i_SNR=1:length(SNRdBs)
SNRdB=SNRdBs(i_SNR);
N_ebits_ZF = 0; N_ebits_BD = 0; N_ebits_DPC = 0; N_ebits_without = 0; % khoi tao dem so bit loi
rand('seed',1);randn('seed',1);
sigma2 = NT*signal_power_computation(b)*0.5*10^(-SNRdB/10); sigma = sqrt(sigma2);
for i_packet=1:N_packet
msg_bit = rand(1,N_pbits)>0.5; % Tao bit phat
%% Dieu che %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
symbol = MQAM_modulator(reshape(msg_bit,b,N_frame*NT)).';
x = reshape(symbol,NT,N_frame);
for i_user=1:N_user
H(i_user,:) = (randn(1,NT)+j*randn(1,NT))/sq2;
Channel_norm(i_user)=norm(H(i_user,:));
end
[Ch_norm,Index]=sort(Channel_norm,'descend');
H_used = H(Index(1:N_act_user),:);
%%%%%%%%%% Dan qua kenh truyen va cong nhieu %%%%%%%%%%%%%
Rx_signal = H_used*x + ...
sigma*(randn(NT,N_frame)+j*randn(NT,N_frame));
%%%%%%%%%%%%% ZF %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
W = inv(H_used'*H_used)*H_used';
Rx_data = W*Rx_signal;
%%%%%%%%%%%%%% Thu và khoi phuc du lieu %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
symbol_hat = reshape(Rx_data,NT*N_frame,1);
reco_bit = MQAM_demo(symbol_hat,b);
