ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM
MỤC LỤC Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM
CÁC TỪ VIẾT TẮT..
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 KĨ THUẬT OFDM... 1
1.1 Giới thiệu chương. 1
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM... 1
1.2.1 Khái niệm.. 1
1.2.2 Sự trực giao (Orthogonal). 2
1.3 Cấu trúc OFDM... 3
1.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM... 5
1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp. 6
1.4.2 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ. 7
1.4.3 Bộ IFFT và FFT.. 7
1.4.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM (CP). 9
1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM... 10
1.5 Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM... 15
1.5.1 Sự suy hao. 15
1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian. 16
1.5.3 Fading Rayleigh. 16
1.5.4 Fading lựa chọn tần số. 17
1.5.5 Trải trễ. 17
1.5.6 Dịch Doppler. 17
1.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM... 18
1.6.1 Ưu điểm.. 18
1.6.2 Nhược điểm.. 18
1.7 Kết luận chương. 19
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO Alamouti. 20
2.1 Giới thiệu chương. 20
2.2 Các mô hình hệ thống thông tin không dây. 20
2.2.1 Hệ thống SISO.. 21
2.2.2 Hệ thống SIMO.. 21
2.2.3 Hệ thống MISO.. 21
2.2.4 Hệ thống MIMO.. 21
2.3 Kỹ thuật phân tập. 22
2.3.1 Phân tập thời gian. 22
2.3.2 Phân tập tần số. 23
2.3.3 Phân tập không gian (phân tập anten). 23
2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu. 25
2.4.1 Kết hợp lựa chọn. 25
2.4.2 Kết hợp chuyển nhánh (SC). 25
2.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC). 26
2.4.4 Kết hợp đồng độ lợi (EGC). 27
2.5 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát27
2.6 Mã hóa không gian-thời gian khối STBC.. 29
2.6.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu. 29
2.6.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu. 33
2.7 Phân tập thu với kết hợp thu tỉ lệ cực đại (MRRC). 37
2.8 Kết luận chương. 38
CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI. 39
3.1 Giới thiệu chương. 39
3.2 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM... 40
3.2.1 Kết hợp kỹ thuật OFDM và MIMO Alamouti40
3.2.2 Ảnh hưởng của PAPR trong hệ thống MIMO-OFDM... 44
3.3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM trong thông tin di động. 45
3.3.1 Ứng dụng MIMO-OFDM trong mạng vô tuyến của LTE.. 46
3.3.2 Ứng dụng MIMO-OFDM trong WIMAX.. 49
3.4 Kết luận chương. 52
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG.. 53
4.1 Giới thiệu chương. 53
4.2 Mô phỏng đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM... 53
4.3 Mô phỏng đánh giá BER hệ thống Alamouti 2x1. 56
4.4 Mô phỏng hệ thống Alamouti OFDM... 57
4.5 Kết luận chương. 57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 61
PHỤ LỤC…… 62
CÁC TỪ VIẾT TẮT
|
OFDM |
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao |
Orthogonal Frequency Division Multiplexing |
|
AWGN |
Nhiễu Gauss trắng cộng |
Additive White Gaussian Noise |
|
BER |
Tỷ số lỗi bit |
Bit Error Rate |
|
BPSK |
Điều chế pha nhị phân |
Binary Phase Shift Keying |
|
CP |
Tiền tố lặp |
Cyclic Prefix |
|
DAB |
Hệ thống phát thanh số |
Digital Audio Broadcasting |
|
DFT |
Biến đổi Fourier rời rạc |
Discrete Fourier Transform |
|
DVB |
Hệ thống phát hình số |
Digital Video Broadcasting |
|
EGC |
Equal Gain Combining |
Kết hợp theo cùng độ lợi |
|
FDM |
Ghép kênh phân tần |
Frequency Division Multiplexing |
|
FFT |
Fast Fourier Transform |
Biến đổi Fourier nhanh |
|
HPA |
High Power Amplifier |
Bộ khuếch đại công suất lớn |
|
ICI |
Nhiễu xuyên kênh |
Inter-channel interference |
|
LOS |
Tầm nhìn thẳng |
Light of Sight |
|
IFFT |
Inverse Fast Fourier Trasform |
Biến đổi Fourier ngược nhanh |
|
ISI |
Inter Symbol Interference |
Nhiễu giao thoa liên kí tự |
|
MC |
Đa sóng mang |
Multi-carrier |
|
MIMO |
Đa anten phát - Đa anten thu |
Multi-Input Multi-Output |
|
ML |
Bộ kết hợp khả giống cực đại |
Maximum Likelihook |
|
MRC |
Kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất |
Maximum Ratio Combining |
|
NLOS |
Không phải tầm nhìn thẳng |
Non Light Of Sight |
|
PAPR |
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình |
Peak to Average Power Ratio |
|
QAM |
Quadrature Amplitude Modualtion |
Điều chế biên độ cầu phương |
|
SC |
Kết hợp lựa chọn |
Selection combining |
|
SIMO |
Đơn anten phát - Đa anten thu |
Single-Input Multioutput |
|
SNR |
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu |
Signal to Noise Ratio |
|
STBC |
Mã hóa không gian-thời gian khối |
Space-time Block Code |
|
STTC |
Mã khối không gian thời gian |
Space –Time Block Code |
|
WIMAX |
Khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập viba |
Worldwide Interoperability for Microwave Access |
LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM, anten thông minh, giúp nâng cao hơn nữa dung lượng của hệ thống.
Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,… và gây hiện tượng fading đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông. Các fading khá phổ biến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean .
Những nghiên cứu gần đây cho thấy, sự kết hợp phương pháp điều chế OFDM vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể những ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và dung lượng truyền thông.
Trên định hướng đó, đồ án được chia thành bốn chương như sau:
Chương 1: Kĩ thuật OFDM
Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của hệ thống OFDM và ưu, nhược điểm của kĩ thuật này.
Chương 2: Hệ thống MIMO Alamouti
Trong chương này ngoài những ưu điểm của kỹ thuật MIMO, chúng ta sẽ tập trung xét mô hình Alamouti và phương pháp phân tập thu kết hợp thu tỉ lệ cực đại (MRRC).
Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Chương 3 sẽ đưa ra thuật toán kết hợp OFDM vào hệ thống MIMO-Alamouti để tối ưu chất lượng hệ thống, đồng thời, tìm hiểu ứng dụng của mô hình MIMO-OFDM trong LTE và Wimax.
Chương 4: Mô phỏng
CHƯƠNG 1 KĨ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
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. OFDM được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN không dây…Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số và sử dụng băng thông có hiệu quả. Ngoài ra quá trình điều chế và giải điều chế đa sóng mang có thể được thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi Fourier thuận và nghịch.Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM : khái niệm, điều chế đa sóng mang OFDM, hệ thống OFDM băng cơ sở, kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM …
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
1.2.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.
Hình 1.1 Phổ của sóng mang con OFDM
Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu.
Hình 1.2 Phổ của tín hiệu OFDM trên MATLAB
1.2.2 Sự trực giao (Orthogonal)
Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa : (1.1)
Trong đó : g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là chu kì của tín hiệu, k là một hằng số .
Trong hệ thống đa sóng mang (MC) , nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử dụng N tần số có dạng những sóng mang này có tần số fk = kΔf , k = 0,1,2..m..n..N-1 cách đều nhau một khoảng . Hình 1.3 a) cho ta thấy dạng sóng của tín hiệu sin trực giao.
a) b)
Hình 1.3 Bốn tín hiệu sin trực giao
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạng .
Xét biểu thức (1.1) trong chu kì T của tín hiệu :
với n≠m
(1.2)
Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m.
Từ hình 1.3 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian T có dạng hàm Sinc(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là null (điểm không) của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không xuyên nhiễu (interfer) lẫn nhau.
Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất :
fN = NΔf (1.3) Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng .
1.3 Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệucho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các
băng bảo vệ và các sóng mang DC.
Hình 1.4 Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng.
Hình 1.5 Cấu trúc kênh con OFDM
Hình 1.6 Cấu trúc lát OFDM
Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình 1.5. Trong kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3.
1.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang con. Sau đó được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ (CP) được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp
Hình 1.8 Bộ S/P và P/S
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp - song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu.
1.4.1 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ
Hình 1.9 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ
Sau khi được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Dòng symbol b bit trên mỗi nhánh sẽ được đưa vào bộ ánh xạ để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M = 2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao.
1.4.3 Bộ IFFT và FFT
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
, (1.4)
=
trong đó:
là tín hiệu băng gốc.
Ở băng gốc :
+ Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình xa(t) được viết lại như sau :
(1.5)
+ Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ
trực giao với nhau, lúc này, phương trình (1.5) được viết lại :
(1.6)
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu .
Thật vậy, ta có :
= = (1.7)
Ở đây, hàm là hàm xung delta, được định nghĩa là :
1.4.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM (CP)
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.
Hình 1.10 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, TG độ dài của khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:
Ts = TFFT + TG (1.8)
Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu.
1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM
Sau khi đã được mã hóa và xáo trộn bit, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra .
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bnở ngõ ra. Các kí tự an, bncó thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
|
M |
Dạng điều chế |
an, bn |
|
2 |
BPSK |
|
|
4 |
QPSK |
|
|
16 |
16-QAM |
, |
|
64 |
64-QAM |
,,, |
Bảng 1.1 Các kỹ thuật điều chế tín hiệu
Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
1.4.5.1 Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau :
(1.9)
Hay:
(1.10)
Trong đó, Tb : Độ rộng của 1 bit
Eb : Năng lượng của 1 bit
θ (t) : góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế
θ : góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không
ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0
i = 1 : tương ứng với symbol 0
i = 2 : tương ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu đối cực.
Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
Khi đó,
(1.11)
Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với hai điểm bản tin (M=2) : S1 = , S2 = -như hình sau:
Hình 1.11 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK
Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công thức sau:
(1.12)
Trong đó :
Eb : Năng lượng bit
N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng
1.4.5.2 Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
(1.13)
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
(1.14)
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Khai triển s(t) ta được:
(1.15)
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
(1.16a)
(1.16b)
Khi đó,
(1.17)
Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:
(1.18)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:
|
Cặp bit vào |
Pha của tín hiệu QPSK |
Điểm tín hiệu Si |
Tọa độ các điểm bản tin |
|
|
1Ф |
2Ф |
|||
|
00 |
S1 |
|||
|
01 |
S2 |
|||
|
11 |
S3 |
|||
|
10 |
S4 |
|||
Bảng 1.2 Các giá trị trong mã hóa QPSK
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Hình 1.12 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào , còn logic '0' thì biến đổi vào . Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai mức tương ứng và được biến đổi mức rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
1.4.5.3 Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau:
(1.19)
Trong đó,
E0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
ai , bi : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc".
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở :
(1.20)
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q :
|
b0 b1 b2 |
I |
b3 b4 b5 |
Q |
|
000 |
-7 |
000 |
-7 |
|
001 |
-5 |
001 |
-5 |
|
011 |
-3 |
011 |
-3 |
|
010 |
-1 |
010 |
-1 |
|
110 |
1 |
110 |
1 |
|
111 |
3 |
111 |
3 |
|
101 |
5 |
101 |
5 |
|
100 |
7 |
100 |
7 |
Bảng 1.3 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM
Hình 1.13 Giản đồ chòm sao cho tín hiệu 64-QAM
1.5 Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM
1.5.1 Sự suy hao
Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Nó là kết quả ảnh hưởng chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường. Để giải quyết vấn đề này phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Phương trình tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách R :
(1.21)
Trong đó :
PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang
1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian
Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra – là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn, hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con riêng lẻ vì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.5.3 Fading Rayleigh
Fading Rayleigh là loại Fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trong khoảng cách ngắn (tại các bước sóng): 10 – 30 dB.
Trong môi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sự thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau dẫn đến trễ lan truyền) .
Hình 1.14 Các tín hiệu đa đường
Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của các sóng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy hao công suất tín hiệu thu được.
1.5.4 Fading lựa chọn tần số
Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng. Điều này sẽ tạo ra các điểm “0” (null) trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa.
1.5.5 Trải 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 xuyên kí tự ISI. 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.
1.5.6 Dịch Doppler
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 hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu sẽ giảm 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 MS (Mobile Station) so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường. Dịch Doppler f có thể được biểu diễn như sau :
(1.22)
Trong đó : v là tốc độ của MS, λ là bước sóng, α là góc giữa phương chuyển động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và fc là tần số sóng mang.
là tần số Doppler cực đại.
1.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM
1.6.1 Ưu điểm
ü Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
ü Bền vững với fading chọn lọc tần số do các kí hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng.
ü Chống được ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.
ü Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT.
1.6.2 Nhược điểm
ü 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.
ü Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI.
ü Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) 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.
1.7 Kết luận chương
Chương này đề cập đến những vấn đề cơ bản về kĩ thuật OFDM. Hiện nay kỹ thuật OFDM được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE.802.16a và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thứ tư, kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM.
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI
2.1 Giới thiệu chương
Trong truyền thông nói chung thì hai vấn đề cần phải quan tâm đó là : tốc độ dữ liệu và độ tin cậy truyền tin. Với truyền thông không dây thì hai vấn đề này là quan trọng hơn cả và mọi thiết kế đều phải dựa trên hai thông số này làm sao cho tốc độ dữ liệu ngày càng tăng và độ tin cậy ngày càng cao. Tốc độ dữ liệu thể hiện cách thức mà dữ liệu được truyền đi nhanh chóng hay không. Hiệu quả băng tần của truyền thông được thể hiện qua tốc độ dữ liệu trên dải tần đó. Độ tin cậy truyền tin được đo đạc bằng xác suất mà thông tin được truyền có thể phục hồi một cách chính xác. Trong truyền thông không dây thì có hai hiện tượng gây trở ngại cho hệ thống của chúng ta, đó là : fading và giao thoa giữa các ký hiệu. Do đó vấn đề đặt ra khi thiết kế hệ thống không dây đó là làm sao để đối phó với fading và giao thoa tín hiệu. Xuất phát từ thách thức trên, một nhóm nghiên cứu từ đại học Stanford đã giới thiệu mô hình MIMO năm 1996. Thành công đầu tiên của công nghệ trong phòng thí nghiệm được công bố bởi trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersey tháng 9/1988. Sau đó là thành công trong việc chứng minh mô hình ngoài trời được giới thiệu bởi Gigabit Wireless, Inc và đại học Stanford tháng 6/1999.
2.2 Các mô hình hệ thống thông tin không dây
Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO.
Hình 2.1 Các mô hình hệ thống không dây cơ bản
2.2.1 Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế.
Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như WIFI hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống tùy thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu xác định theo công thức Shanon :
C = log2(1+SNR) bit/s/Hezt (2.1)
2.2.2 Hệ thống SIMO
Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, xấp xỉ theo biểu thức :
C = log2(1+N.SNR) bit/s/Hezt (2.2)
2.2.3 Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công thức:
C = log2(1+N.SNR) bit/s/Hezt (2.3)
2.2.4 Hệ thống MIMO
MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát .
Khi thông tin kênh truyền được biết ở cả hai nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phận tập cao và độ ghép kênh cực đại, dung lượng của hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo biểu thức :
C = log2(1+NTNR .SNR) bit/s/Hezt (2.4)
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO
2.3 Kỹ thuật phân tập
Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần phải tăng công suất phát hay băng thông.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten). Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.
Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu là sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau, chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ.
2.3.1 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể được thực hiện bằng cách phát các tin giống nhau trong các khe thời gian khác nhau, điều này tạo ra các tín hiệu bị fading không tương quan ở máy thu. Thời gian kết hợp là phép đo thống kê của chu kỳ quá trình kênh fading tương đương. Mã hóa điều khiển lỗi được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin số. Trong thông tin di động mã hóa điều khiển lỗi kết hợp với hoán vị để thực hiện phân tập thời gian. Trong trường hợp này các bản sao của tín hiệu phát được truyền tới máy thu ở dạng thông tin dư do mã hóa điều khiển lỗi. Khoảng thời gian giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng cách hoán vị thời gian để thu được fading độc lập ở đầu ra của bộ giải mã. Do hoán vị thời gian nên tạo ra trễ giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả với môi trường fading nhanh hay thời gian kết hợp kênh nhỏ. Với kênh fading chậm một bộ hoán vị lớn có thể tạo ra trễ đáng kể, điều này không thích hợp với các ứng dụng nhạy cảm với trễ như truyền thoại. Ràng buộc này loại trừ phân tập thời gian cho một vài hệ thống di động. Ví dụ khi máy vô tuyến di động đứng yên thì phân tập thời gian không thể giảm fading . Một trong các hạn chế của phương pháp này là do dư thừa trong miền thời gian nên tạo ra thất thoát trong hiệu quả băng tần.
2.3.2 Phân tập tần số
Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để phát cùng một tin. Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với các tần số còn lại. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số.
2.3.3 Phân tập không gian (phân tập anten)
Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong thông tin siêu cao tần không dây. Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten. Đó là một kỹ thuật điển hình sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp xếp với khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập. Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số. Khoảng cách điển hình thường khoảng vài bước sóng là đủ để đảm bảo các tín hiệu không tương quan. Trong phân tập không gian các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền không gian. Không như phân tập tần số và phân tập thời gian, phân tập không gian không gây tổn thất trong hiệu quả băng tần. Đặc tính này rất thích hợp với thông tin không dây trong tương lai.
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.
Trong thực tế các hệ thống thông tin để đảm bảo nhu cầu thì 2 hoặc nhiều sơ đồ phân tập thường được kết hợp lại tạo ra phân tập nhiều chiều. Ví dụ trong hệ thống di động tế bào GSM nhiều anten thu ở trạm gốc được dùng kết hợp với hoán vị và mã hóa điều khiển lỗi để tận dụng cả phân tập thời gian và không gian (mã hóa không gian-thời gian STC).
Có 3 loại mã hóa không gian - thời gian là :
- Mã hóa không gian – thời gian khối STBC (Space-time Block Code)
- Mã hóa không gian – thời gian lưới STTC (Space-time Trellis Code)
- Mã hóa không gian – thời gian lớp BLAST (Bell-Lab Layered Space -Time).
Trong chương này ta sẽ tập trung vào mã hóa không gian – thời gian khối STBC vì STBC được mã hóa và giải mã một cách đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, vì vậy phù hợp với các ứng dụng thực tế.
2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu
Đặc điểm then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất để tất cả các phiên bản của tín hiệu bị nhiều fading (deep fading) là rất thấp. Tổng quát, BER của hệ thống dùng kỹ thật phân tập phụ thuộc vào cách mà các phiên bản của tín hiệu kết hợp lại tại nơi thu để làm tăng SNR. Vì thế, các dạng phân tập có thể phân loại theo phương pháp kết hợp được sử dụng tại nơi thu. Tùy thuộc vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh truyền CSI yêu cầu bởi phương pháp kết hợp tại nơi thu, có bốn loại chính là : kết hợp lựa chọn (Selection combining), kết hợp chuyển nhánh SC (Switching combining), kết hợp theo cùng độ lợi EGC (Equal Gain Combining) và kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất MRC (Maximum Ratio Combining).
2.4.1 Kết hợp lựa chọn
Kết hợp lựa chọn là một phương pháp kết hợp phân tập đơn giản. Xét một hệ thống phân tập thu với nRăng-ten thu. Sơ đồ khối của phương pháp kết hợp lựa chọn được cho trong hình 2.3. Trong một hệ thống như thế này, tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tức thời lớn nhất tại mỗi khoảng thời gian tồn tại symbol được chọn ở đầu ra, vì thế SNR đầu ra bằng với SNR tốt nhất của tín hiệu đầu vào. Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất tín hiệu và tập âm S+N lớn nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR.
Hình 2.3 Phương pháp kết hợp lựa chọn
2.4.2 Kết hợp chuyển nhánh (SC)
Trong một hệ thống phân tập kết hợp chuyển mạch (được cho trong hình 2.4), máy thu quét tất cả các nhánh phân tập và chọn một nhánh có SNR lớn hơn một ngưỡng định trước.Tín hiệu này được chọn như là đầu ra, tới khi SNR của nó bị rớt xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, máy thu bắt đầu quét lại và chuyển tới nhánh khác. Phương pháp này còn được gọi là phân tập quét.
So sánh với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó không liên tục chọn tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên nó thực hiện đơn giản hơn vì nó không yêu cầu phải theo dõi liên tục và tức thời các nhánh phân tập. Với cả hai phương pháp phân tập lựa chọn và chuyển mạch, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong những nhánh phân tập. Hơn nữa, chúng không yêu cầu phải biết bất kỳ trạng thái thông tin kênh nào. Vì vậy, hai phương pháp này có thể được sử dụng tốt với cả hai phương pháp điều chế kết hợp và không kết hợp.
Hình 2.4 Phương pháp kết hợp chuyển mạch
2.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC)
Kết hợp tỉ lệ tối đa là một phương pháp kết hợp tuyến tính. Trong xử lý kết hợp tuyến tính tổng quát, các tín hiệu vào khác nhau được nhân các trọng số khác nhau và được cộng lại với nhau và cho ra một tín hiệu đầu ra. Các hệ số trọng số có thể được chọn theo vài cách.
Hình 2.5 cho ta sơ đồ khối của một phương pháp phân tập kết hợp tỉ lệ tối đa. Tín hiệu đầu ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao của tất cả các tín hiệu thu đã nhân trọng số.
Phương pháp này được gọi là phương pháp kết hợp tối ưu vì nó có thể tối đa hóa được SNR đầu ra. Nó cũng chỉ ra rằng SNR đầu ra lớn nhất bằng tổng các SNR tức thời của các tín hiệu riêng biệt.Trong phương pháp này, mỗi tín hiệu riêng biệt phải được đồng pha, nhân trọng số với biên độ tương ứng của nó sau đó được tổng hợp lại.
Hình 2.5 Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa
2.4.4 Kết hợp đồng độ lợi (EGC)
Kết hợp đồng độ lợi là một phương pháp gần tối ưu nhưng là phương pháp kết hợp tuyến tính đơn giản. Nó không yêu cầu ước lượng biên độ pha đinh cho mỗi nhánh riêng biệt.
Trong cách này, tất cả các tín hiệu thu được đồng pha và sau đó được cộng với nhau với cùng một độ lợi. Phương pháp kết hợp đồng độ lợi chỉ kém hơn một chút so với phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa. Độ phức tạp của phương pháp kết hợp đồng độ lợi giảm đi đáng kể so với phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa.
2.5 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát
Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa trong hình 2.6.
Hình 2.6 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu
Ma trận kênh H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau :
(2.5)
Trong đó :
hnm là đáp ứng kênh truyền giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m.
Giả sử : là dữ liệu phát
là dữ liệu thu
là tạp âm Gauss trắng phức của Nr máy thu
T là ký hiệu phép toán chuyển vị.
Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau :
(2.6)
Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận Nr x Nt trong phương trình (2.6) như sau:
y= Hx+η
Trong chương này ta sẽ xét sơ đồ MIMO điển hình : sơ đồ phân tập Alamouti (hay MIMO Alamouti).
2.6 Mã hóa không gian-thời gian khối STBC
STBC thực hiện mã hóa một khối kí tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với các hàng tương ứng với các anten phát (không gian) và cột tương ứng với thứ tự phát (thời gian).
2.6.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu
...................................................
+ Tính chập mỗi symbol OFDM cùng với 3-tap kênh truyền fading Rayleigh. Fading trên mỗi symbol là độc lập.
+ Nối các symbol để tạo thành một chuỗi truyền dài
+ Cộng nhiễu trắng Gaussian
+ Nhóm các vector thu được vào các symbol khác nhau, gỡ bỏ tiền tố vòng.
+ Chuyển các symbol nhận được từ miền thời gian sang miền tần số.
+ Chia các symbol nhận được cùng với đáp ứng tần số của kênh truyền đã biết.
+ Lấy các sóng mang mong muốn.
+ Giải điều chế và chuyển đổi bit
+ Tính toán số bit lỗi
+ Lặp lại với các giá trị khác nhau của Eb/No
Kết quả mô phỏng :
Hình 4.3 Tỉ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM
Nhận xét :
Tín hiệu OFDM sử dụng nhiều sóng mang phụ, băng thông của mỗi kênh phụ khá hẹp. Từ đồ thị ta nhận thấy khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu tăng thì tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống giảm mạnh.
Trường hợp chỉ có nhiễu Gauss trắng tác động, hệ thống có tỉ lệ lỗi bit thấp hơn trường hợp fadinh đa đường. Trên thực tế tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,… và gây hiện tượng fading đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông .
4.3 Mô phỏng đánh giá BER hệ thống Alamouti 2x1
Chương trình mô phỏng nhằm đánh giá và so sánh tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống phân tập phát Alamouti với SIMO MRRC và trường hợp không thực hiện phân tập anten.
Kết quả mô phỏng :
Hình 4.4 Đồ thị so sánh tỉ lệ lỗi bit của mô hình Alamouti và các mô hình khác
Nhận xét :
- Từ đồ thị ta nhận thấy phương pháp phân tập phát Alamouti cải thiện rõ rệt tỉ lệ lỗi bit BER so với khi không sử dụng phân tập.
- Phương pháp MRRC cho tỉ lệ BER tốt hơn Alamouti 2x1(khoảng 3dB) với cùng mức công suất tín hiệu do công suất trên mỗi anten trong Alamouti 2x1 chỉ bằng một nửa MRRC ( Điều này có ưu điểm trong việc sản xuất thiết bị viễn thông : bộ HPA) .
- Hệ thống phân tập phát Alamouti có khả năng mở rộng dung lượng tốt hơn SIMO MRRC khi tăng số anten đầu thu, nhờ đó có thể cải thiện BER.
4.4 Mô phỏng hệ thống Alamouti OFDM
Phần này ta sẽ mô phỏng hệ thống MIMO Alamouti 2Tx x 1Rx và 2Tx x 2Tx theo mô hình Alamouti sử dụng kiểu điều chế BPSK. Đồng thời ta cũng mô phỏng sơ đồ không phân tập 1Tx x 1Rx, sơ đồ MRRC 1Tx x 2Rx và 1Tx x 4Rx để so sánh và rút ra kết quả nhận xét. Ta sẽ mô phỏng truyền sau đó tìm BER tương ứng với các mức SNR khác nhau.
Tiến trình mô phỏng :
Kết quả mô phỏng :
Hình 4.5 So sánh BER của hệ thống
Nhận xét :
Quan sát hình ta thấy :
BER tốt dần lên theo thứ tự sơ đồ 1Tx x 1Rx, Alamouti 2Tx x 1Rx, MRRC 1Tx x 1Rx, Alamouti 2Tx x 2Rx và MRRC 1Tx x 4 Rx.
BER của sơ đồ Alamouti tốt hơn hẳn sơ đồ truyền thống chỉ dùng 1Tx và 1Rx. Khi tăng số anten thu thì BER của sơ đồ Alamouti cũng giảm theo. Hơn nữa, công suất phát của từng anten trong sơ đồ Alamouti chỉ bằng một nữa công suất phát của sơ đồ truyền thống. Việc giảm công suất dẫn đến giảm giá thành của bộ khuếch đại công suất giúp cho bộ phát có khả năng thực hiện hơn.
4.3 Kết luận chương Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM
Qua các chương trình mô phỏng đã phần nào kiểm chứng được những nội dung được đề cập trong các chương trước. Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng phương pháp Alamouti cho chất lượng tín hiệu được cải thiện rõ rệt so với phương pháp phân tập truyền thống .
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM
MIMO là vấn đề phức tạp đang không ngừng phát triển trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Kỹ thuật Mimo đem lại những lợi ích rõ rệt so với hệ SISO truyền thống, nó giúp cải thiện tốc độ cũng như độ tin cậy truyền thông, mở rộng vùng hoạt động của mạng không dây và nó là nền tảng cho công nghệ không dây hiện nay và sau này.
Đồ án đã tìm hiểu khái quát phương pháp phân tập MIMO sử dụng mã khối Alamouti kết hợp kĩ thuật OFDM, đây là phương pháp được áp dụng nhiều trong thực tế bởi tính chất không quá phức tạp của nó. Nhưng để cải thiện hơn nữa chất lượng tín hiệu và dung lượng hệ thống thì cần tìm hiểu thêm các phương pháp phân tập khác như STTC hay Blast .
Dựa trên những phân tích đồ án, có thể phát triển theo hướng :
ü Nghiên cứu các kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM.
ü Nghiên cứu các phương pháp giảm PAPR trong hệ thống MIMO-OFDM.
ü Nghiên cứu thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế FFT bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống dối với dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. DAVID TSE, Fundamentals of Wireless Communication, University of California, Berkeley& Pramod Viswanath, University of Illinois, Urbana-Champaign, September 10, 2004.
[2].Siavash M.Alamouti, A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications.
[3]. Erik G.Larsson, Space-time Block Coding for Wireless Communications, Cambridge University, 2003.
[4]. Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006
[5]. Học viện Bưu chính viễn thông, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến.
[6]. Matlab Simulink
[7]. www.dsplog.com
[8]. Nguyễn Thúy Trinh-Nguyễn Thành Thảo, So sánh tỷ số công suất đỉnh trung bình của hệ thống Fourier OFDM và Wavelet OFDM, Đại học Đà Nẵng, 2008.
[9]. Ts. Đinh Đức Anh Vũ, Biến đổi Fourier rời rạc (DFT), Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.
[10]. Ts. Phan Hồng Phương, Ts. Lâm Chi Thương, Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO.
[11]. Ks. Mai Hồng Anh, Phân tập phát sử dụng mã khối không gian thời gian cấu trúc trực giao.
[12]. Tran Xuan Nam, Simulation of STBC – OFDM systems under frequency selective fading channel
PHỤ LỤC
** ** Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của fadinh đến chất lượng tín hiệu OFDM *****
nFFT = 64; % fft size
nDSC = 52; % number of data subcarriers
nBitPerSym = 52; % number of bits per OFDM symbol (same as the number of subcarriers for BPSK)
nSym = 10^4; % number of symbols
CP = 16; % num
EbN0dB = [0:2:30]; % bit to noise ratio
nTap = 10;
EsN0dB = EbN0dB + 10*log10(nDSC/nFFT) + 10*log10(nFFT/(nFFT+CP)); % converting to symbol to noise ratio
nErr = [];
for ii = 1:length(EbN0dB)
% Transmitter
ipBit = rand(1,nBitPerSym*nSym) > 0.5; % random 1's and 0's
ipMod = 2*ipBit-1; % BPSK modulation 0 --> -1, 1 --> +1
ipMod = reshape(ipMod,nBitPerSym,nSym).'; % grouping into multiple symbolsa
% Assigning modulated symbols to subcarriers from [-26 to -1, +1 to +26]
xF = [zeros(nSym,6) ipMod(:,[1:nBitPerSym/2]) zeros(nSym,1) ipMod(:,[nBitPerSym/2+1:nBitPerSym]) zeros(nSym,5)] ;
% Taking FFT, the term (nFFT/sqrt(nDSC)) is for normalizing the power of transmit symbol to 1
xt = (nFFT/sqrt(nDSC))*ifft(fftshift(xF.')).';
% Appending cylic prefix
xt = [xt(:,[(nFFT-CP+1):nFFT]) xt];
