Đề tài Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh- Đại học Khoa học tự nhiên Khoa Điện tử viễn thông —&– ĐỀ TÀI MÔN HỌC: THÔNG TIN DI ĐỘNG GVHD: Thầy Trương Tấn Quang Nhoùm thöïc hieän: Nguyeãn Huyønh Thanh Thaûo 0620072 Nguyeãn Thò Thu Thuûy 0620070 Nguyeãn Thaønh Thoaïi Vaân 0620116 Thaønh phoá Hoà Chí Minh, ngaøy 10 thaùng 01 naêm 2010 Mục lục Chương 1: Hệ thống MIMO 2 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 2 Khái niệm về hệ thống MIMO 3 Kỹ thuật phân tập 4 Các độ lợi trong hệ thống MIMO 6 Chương 2: Kỹ thuật OFDM 8 2.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM 8 2.2. Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 9 2.3. Mô hình hệ thống OFDM 9 Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM 14 3.1. Giới thiệu 15 3.2. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 15 Chöông 1: Hệ thống MIMO 1.1. Caùc moâ hình heä thoáng thoâng tin khoâng daây: Caùc moâ hình heä thoáng thoâng tin khoâng daây coù theå ñöôïc phaân loaïi thaønh boán heä thoáng cô baûn laø SISO, SIMO, MISO, vaø MIMO nhö hình 1.1 Hình 1. Phaân loaïi heä thoáng thoâng tin khoâng daây Heä thoáng SISO: Heä thoáng SISO laø heä thoáng thoâng tin khoâng daây truyeàn thoáng chæ söû duïng moät anten phaùt vaø moät anten thu. Maùy phaùt vaø maùy thu chæ coù moät boä cao taàn vaø moät boä ñieàu cheá, giaûi ñieàu cheá. Heä thoáng SISO thöôøng duøng trong phaùt thanh vaø phaùt hình, vaø caùc kyõ thuaät truyeàn daãn voâ tuyeán caù nhaân nhö Wi-Fi hay Bluetooth. Dung löôïng heä thoáng phuï thuoäc vaøo tæ soá tín hieäu treân nhieãu ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc Shanon: C = log2(1+SNR) bit/s/Hz Heä thoáng SIMO: Nhaèm caûi thieän chaát löôïng heä thoáng, moät phía söû duïng moät anten, phía coøn laïi söû duïng ña anten. Heä thoáng söû duïng moät anten phaùt vaø nhieàu anten thu ñöôïc goïi laø heä thoáng SIMO. Trong heä thoáng naøy maùy thu coù theå löïa choïn hoaëc keát hôïp tín hieäu töø caùc anten thu nhaèm toái ña tyû soá tín hieäu treân nhieãu thoâng qua caùc giaûi thuaät beamforming hoaëc MMRC ( Maximal- Ratio Receive Combining). Khi maùy thu bieát thoâng tin keânh truyeàn, dung löôïng heä thoáng taêng theo haøm logarit cuûa soá anten thu, coù theå xaáp xæ theo bieåu thöùc: C = log2(1+N.SNR) Heä thoáng MISO: Heä thoáng söû duïng nhieàu anten phaùt vaø moät anten thu ñöôïc goïi laø heä thoáng MISO. Heä thoáng naøy coù theå cung caáp phaân taäp phaùt thoâng qua kyõ thuaät Alamouti töø ñoù caûi thieän löôïng tín hieäu hoaëc söû duïng Beamforming ñeå taêng hieäu suaát phaùt vaø vuøng bao phuû. Khi maùy phaùt bieát ñöôïc thoâng ti keânh truyeàn, dung löôïng heä thoáng taêng theo haøm logarit cuûa soá anten phaùt vaø coù theå ñöôïc xaùc ñònh gaàn ñuùng theo coâng thöùc : C = log2(1+N.SNR) Heä thoáng MIMO: Heä thoáng MIMO laø heä thoáng söû duïng ña anten caû nôi phaùt vaø nôi thu. Heä thoáng coù theå cung caáp phaân taäp phaùt nhôø ña anten phaùt, cung caáp phaân taäp thu nhôø vaøo ña anten thu nhaèm taêng chaát löôïng heä thoáng hoaëc thöïc hieän Beamforming taïi nôi phaùt vaø nôi thu ñeå taêng hieäu suaát söû duïng coâng suaát, trieät can nhieãu. Ngoaøi ra dung löôïng heä thoáng coù theå caûi thieän ñaùng keå nhôø vaøo ñoä lôïi gheùp keânh cung caáp bôûi kyõ thuaät maõ hoaù khoâng gian_thôøi gian V-BLAST. Khi thoâng tin keânh truyeàn ñöôïc bieát taïi caû nôi phaùt vaø thu, heä thoáng coù theå cung caáp ñoä lôïi phaân taäp cöïc cao vaø ñoä lôïi gheùp keânh cöïc ñaïi, dung löôïng heä thoáng trong tröôøng hôïp phaân taäp cöùc ñaïi coù theå xaùc ñònh theo: C = log2(1+NT.NR.SNR) Dung löôïng heä thoáng trong tröôøng hôïp ñaït ñoä lôïi gheùp keânh cöïc ñaïi coù theå xaùc ñònh theo bieåu thöùc: C = min(NT,NR). log2(1+SNR) Vôùi caùc öu ñieåm veà hieäu suaát, trieät can nhieãu, dung löôïng vaø chaát löôïng heä thoáng MIMO ñang ñöôïc nghieân cöùu ñeå öùng duïng vaøo caùc heä thoáng thoâng tin töông lai. Tuy nhieân heä thoáng MIMO khoâng coù khaû naêng choáng laïi fading choïn loïc taàn soá, vì vaäy kyõ thuaät keát hôïp giöõa MIMO vaø OFDM cuõng ñang ñöôïc nghieân cöùu trong caùc chuaån khoâng daây nhö chuaån IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX). 1.2. Khaùi nieäm veà heä thoáng MIMO: Heä thoáng MIMO (Multiple Input Multiple Output) ñöôïc ñònh nghóa laø tuyeán thoâng tin ñieåm-ñieåm vôùi ña anten taïi phía phaùt vaø phía thu. Nhöõng nghieân cöùu gaàn ñaây cho thaáy heä thoáng MIMO coù theå taêng ñaùng keå toác ñoä truyeàn döõ lieäu, giaûm BER, taêng vuøng bao phuû heä thoáng voâ tuyeán maø khoâng caàn taêng coâng suaát hay baêng thoâng heä thoáng. Chi phí phaûi traû ñeå taêng toác ñoä truyeàn döõ lieäu chính laø vieäc taêng chi phí trieån khai heä thoáng anten, khoâng gian caàn thieát cho heä thoáng cuõng taêng leân, ñoä phöùc taïp cuûa heä thoáng xöû lyù soá tín hieäu nhieàu chieàu cuõng taêng leân. 1.3. Kyõ thuaät phaân taäp: Trong truyeàn thoâng khoâng daây di doäng, kyõ thuaät phaân taäp ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå laøm giaûm aûnh höôûng cuûa fading ña ñöôøng vaø caûi tieán ñoä tin caäy cuûa keânh truyeàn maø khoâng yeâu caàu taêng coâng suaát phaùt hoaëc taêng baêng taàn caàn thieát. Kyõ thuaät phaân taäp yeâu caàu nhieàu baûn sao tín hieäu phaùt taïi nôi thu, taát caû mang cuøng moät thoâng tin nhöng coù söï töông quan raát nhoû trong moâi tröôøng fading. YÙ töôûng cô baûn cuûa phaân taäp laø neáu nôi thu nhaän hai hay nhieàu baûn sao cuûa tín hieäu moät caùch ñoäc laäp thì nhöõng maãu naøy bò suy giaûm cuõng ñoäc laäp vôùi nhau. Ñieàu naøy coù nghóa laø khi moät ñöôøng tín hieäu cuï theå bò suy giaûm thì ñöôøng tín hieäu khaùc coù theå khoâng bò suy giaûm. Vì vaäy, söï keát hôïp hôïp lyù cuûa caùc phieân baûn khaùc nhau seõ laøm giaûm aûnh höôûng cuûa fading vaø caûi thieän ñoä tin caäy cuûa ñöôøng truyeàn. Coù nhieàu caùch ñeå ñaït ñöôïc phaân taäp. Phaân taäp thôøi gian coù theå thu ñöôïc qua maõ hoaù (Coding) vaø xen keânh (Interleaving), phaân taäp taàn soá neáu ñaëc tính cuûa keânh truyeàn laø choïn loïc taàn soá, phaân taäp khoâng gian söû duïng nhieàu anten phaùt hoaëc thu ñaët caùch nhau vôùi khoaûng caùch ñuû lôùn. 1.3.1 Phaân taäp khoâng gian : Phaân taäp khoâng gian coøn goïi laø phaân taäp anten. Phaân taäp khoâng gian ñöôïc söû duïng phoå bieán trong truyeàn thoâng khoâng daây duøng soùng viba. Phaân taäp khoâng gian söû duïng nhieàu anten hoaëc chuoãi array ñöôïc saép xeáp trong khoâng gian taïi phía phaùt hoaëc phía thu. Caùc anten ñöôïc phaân chia ôû nhöõng khoaûng caùch ñuû lôùn sao cho tín hieäu khoâng töông quan vôùi nhau. Yeâu caàu veà khoaûng caùch giöõa caùc anten tuøy thuoäc vaøo ñoä cao cuûa anten, moâi tröôøng lan truyeàn vaø taàn soá laøm vieäc. Khoaûng caùch ñieån hình khoaûng vaøi böôùc soùng laø ñuû ñeå caùc tín hieäu khoâng töông quan vôùi nhau. Trong phaân taäp khoâng gian, caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt ñöôïc truyeàn ñeán nôi thu taïo neân söï dö thöøa trong mieàn khoâng gian. Khoâng gioáng nhö phaân taäp thôûi gian vaø taàn soá, phaân taäp khoâng gian khoâng laøm giaûm hieäu suaát baêng thoâng. Ñaëc tính naøy raát quan troïng trong truyeàn thoâng khoâng daây toác ñoä cao trong töông lai. Trong phaân taäp anten thu, nhieàu anten ñöôïc söû duïng ôû nôi thu ñeå nhaän caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt moät caùch ñoäc laäp. Caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt ñöôïc keát hôïp moät caùch hoaøn haûo ñeå taêng SNR cuûa tín hieäu thu vaø laøm giaûm bôùt fading ña ñöôøng. Trong heä thoáng thöïc teá, ñeå ñaït ñöôïc BER cuûa heä thoáng theo yeâu caàu, ta keát hôïp hai hay nhieàu heä thoáng phaân taäp thoâng thöôøng ñeå cung caáp söï phaân taäp nhieàu chieàu (multi-demnsional diversity). 1.3.2. Phaân taäp taàn soá: Trong phaân taäp taàn soá, söû duïng caùc thaønh phaàn taàn soá khaùc nhau ñeå phaùt cuøng moät thoâng tin. Caùc taàn soá caàn ñöôïc phaân chia ñeå ñaûm baûo bò aûnh höôûng cuûa fading moät caùch ñoäc laäp. Khoaûng caùch giöõa caùc taàn soá phaûi lôùn hôn vaøi laàn baêng thoâng nhaát quaùn ñeå ñaûm baûo raèng fading treân caùc taàn soá khaùc nhau laø khoâng töông quan vôùi nhau. Trong truyeàn thoâng di ñoäng, caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt thöôøng ñöôïc cung caáp cho nôi thu ôû daïng dö thöøa trong mieàn taàn soá coøn ñöôïc goïi laø traûi phoå, ví duï nhö traûi phoå tröïc tieáp, ñieàu cheá ña song mang vaø nhaûy taàn. Kyõ thuaät traûi phoå raát hieäu quaû khi baêng thoâng nhaát quaùn cuûa keânh truyeàn nhoû. Tuy nhieân, khi baêng thoâng nhaát quaùn cuûa keânh truyeàn lôùn hôn baêng thoâng traûi phoå, traûi treã ña ñöôøng seõ nhoû hôn chu kyø cuûa tín hieäu. Trong tröôøng hôïp naøy, traûi phoå laø khoâng hieäu quaû ñeå cung caáp phaân taäp taàn soá. Phaân taäp taàn soá gaây ra söï toån hao hieäu suaát baêng thoâng tuøy thuoäc vaøo söï dö thöøa thoâng tin trong cuøng baêng taàn soá. 1.3.3. Phaân taäp thôøi gian: Phaân taäp theo thôøi gian coù theå thu ñöôïc qua maõ hoùa vaø xen keânh. Sau ñaây ta seõ so saùnh hai tröôøng hôïp: truyeàn kyù töï lieân tieáp vaø duøng xen keânh khi ñoä lôïi keânh truyeàn raát nhoû Hình 2. Phaân taäp theo thôøi gian Phaân taäp thôøi gian coù theå ñaït ñöôïc baèng caùch truyeàn döõ lieäu gioáng nhau qua nhöõng khe thôøi gian khaùc nhau, taïi nôi thu caùc tín hieäu fading khoâng töông quan vôùi nhau. Khoaûng caùch thôøi gian yeâu caàu ít nhaát baèng thôøi gian nhaát quaùn cuûa keânh truyeàn hoaëc nghòch ñaûo cuûa toác ñoä fading . Maõ ñieàu khieån loãi thöôøng ñöôïc söû duïng trong heä thoáng truyeàn thoâng ñeå cung caáp ñoä lôïi maõ (coding gain) so vôùi heä thoáng khoâng maõ hoùa. Trong truyeàn thoâng di ñoäng, maõ ñieàu khieån loãi keát hôïp vôùi xen keânh ñeå ñaït ñöôïc söï phaân taäp thôøi gian. Trong tröôøng hôïp naøy, caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt ñeán nôi thu döôùi daïng dö thöøa trong mieàn thôøi gian. Khoaûng thôøi gian laëp laïi caùc phieân baûn cuûa tín hieäu phaùt ñöôïc quy ñònh bôûi thôøi gian xen keânh ñeå thu ñöôïc fading ñoäc laäp ôû ngoõ vaøo boä giaûi maõ. Vì toán thôøi gian cho boä xen keânh daãn ñeán trì hoaõn vieäc giaûi maõ, kyõ thuaät naøy thöôøng hieäu quaû trong moâi tröôøng fading nhanh, ôû ñoù thôøi gian nhaát quaùn cuûa keânh truyeàn nhoû. Ñoái vôùi keânh truyeàn fading chaäm neáu xen keânh quaù nhieàu thì coù theå daãn ñeán trì hoaõn ñaùng keå. 1.4. Caùc ñoä lôïi trong heä thoáng MIMO : Heä thoáng MIMO söû duïng ña anten phaùt vaø thu coù theå cung caáp 3 ñoä lôïi laø: ñoä lôïi Beamforming, ñoä lôïi gheùp keânh khoâng gian vaø ñoä lôïi phaân taäp khoâng gian . 1.4.1. Ñoä lôïi Beamforming: Beamforming giuùp heä thoáng taäp trung naêng löôïng böùc xaï theo höôùng mong muoán giuùp taêng hieäu quaû coâng suaát, giaûm can nhieãu vaø traùnh ñöôïc can nhieãu tôùi töø caùc höôùng khoâng mong muoán, töø ñoù giuùp caûi thieän chaát löôïng keânh truyeàn vaø taêng ñoä bao phuû cuûa heä thoáng. Ñeå coù theå thöïc hieän Beamforming, khoaûng caùch giöõa caùc anten trong heä thoáng MIMO thöôøng nhoû hôn böôùc soùng (thoâng thöôøng laø ), Beamforming thöôøng ñöôïc thöïc hieän trong moâi tröôøng ít taùn xa. Khi moâi tröôøng taùn xaï maïnh heä thoáng MIMO coù theå cung caáp ñoä lôïi gheùp keânh khoâng gian vaø ñoä lôïi phaân taäp. 1.4.2. Ñoä lôïi gheùp keânh khoâng gian: Taän duïng caùc keânh truyeàn song song coù ñöôïc töø ña anten taïi phía phaùt vaø phía thu trong heä thoáng MIMO, caùc tín hieäu seõ ñöôïc phaùt ñoäc laäp vaø ñoàng thôøi ra caùc anten (hình 3.5) , nhaèm taêng dung löôïng keânh truyeàn maø khoâng caàn taêng coâng suaát phaùt hay taêng baêng thoâng heä thoáng. Dung löôïng heä thoáng seõ taêng tuyeán tính theo soá caùc keânh truyeàn song song trong heä thoáng. Ñeå cöïc ñaïi ñoä lôïi gheùp keânh qua ñoù cöïc ñaïi dung löôïng keânh truyeàn thuaät toaùn V-Blast (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) ñöôïc aùp duïng . 1.4.3. Ñoä lôïi phaân taäp khoâng gian: Trong truyeàn daãn voâ tuyeán, möùc tín hieäu luoân thay ñoåi, bò fadding lieân tuïc theo khoâng gian thôøi gian vaø taàn soá, khieán cho tín hieäu taïi nôi thu khoâng oån ñònh, vieäc phaân taäp cung caáp cho caùc boä thu caùc baûn sao tín hieäu gioáng nhau qua caùc keânh truyeàn fadding khaùc nhau (hinh 3.6), boä thu coù theå löïa choïn hay keát hôïp hay keát hôïp caùc baûn sao tín hieäu naøy ñeå giaûm thieåu toác ñoä sai bit BER, choáng Fadding qua ñoù taêng ñoä tin caäy cuûa heä thoáng. Ñeå cöïc ñaïi ñoä lôïi phaân taäp, giaûm BER vaø choáng laïi fadding, thuaät toaùn STBC ( Space-Time Block Code) vaø STTC (Space-Time Trellis Code) ñöôïc aùp duïng . Thöïc teá, ñeå heä thoáng coù dung löôïng cao, BER thaáp, choáng ñöôïc fadding, ta phaûi coù söï töông nhöôïng giöõa ñoä lôïi phaân taäp vaø ñoä lôïi gheùp keânh trong vieäc thieát keá heä thoáng. Chöông 2: Kyõ thuaät OFDM 2.1. Toång quan veà kyõ thuaät OFDM: Truyeàn daãn ña soùng mang MC ( Multicarrier Communication) laø moät daïng FDM nhöng ñöôïc duøng cho moät luoàng döõ lieäu phaùt vaø moät luoàng döõ lieäu thu töông öùng. MC khoâng ñöôïc duøng ñeå gheùp keânh caùc tín hieäu khaùc nhau nhö FDM, maø duøng ñeå chia nhoû luoàng döõ lieäu thaønh caùc luoàng döõ lieäu song song. Daïng MC ñôn giaûn nhaát chia luoàng döõ lieäu vaøo thaønh N luoàng tín hieäu nhoû ñeå truyeàn qua N keânh truyeàn con tröïc giao. Sau ñoù, N luoâng naøy ñieàu cheá taïi N taàn soá soùng mang khaùc nhau roài ñöôïc gheùp keânh roài ñöa leân keânh truyeàn. ÔÛ phía thu thì laøm ngöôïc laïi phaân keânh, giaûi ñieàu cheá, vaø gheùp caùc luoàng döõ lieäu song song thaønh moät luoàng duy nhaát nhö ban ñaàu. N ñöôïc chon ñuû lôùn sao cho ñoä roäng moät symbol lôùn hôn nhieàu traûi treã cuûa keânh truyeàn hoaëc baêng thoâng töøng luoàng nhoû hôn coherence bandwidth cuûa keânh truyeàn, nhaèm ñaûm baûo caùc luoàng con khoâng bò ISI nghieâm troïng. MC laø cô sôû cuûa OFDM, ñieåm khaùc bieät ñoù laø OFDM söû duïng taäp caùc soùng mang tröïc giao nhau. Tính tröïc giao coù nghóa laø caùc tín hieäu ñöôïc ñieàu cheá seõ hoaøn toaøn ñoäc laäp vôùi nhau. Tính tröïc giao nhau ñaït ñöôïc do caùc soùng mang ñöôïc ñaët chính xaùc taïi caùc vò trí null cuûa caùc phoå tín hieäu ñaõ ñieàu cheá, ñieàu naøy cho pheùp phoå cuûa caùc tín hieäu coù theå choàng laán leân nhau töùc laø hoaøn toaøn khoâng caàn daûi baûo veä, neân tieát kieäm baêng thoâng ñaùng keå so vôùi FDM truyeàn thoáng. Hình 3. Baêng thoâng ñöôïc söû duïng hieäu quaû trong OFDM 2.2. Öu ñieåm vaø nhöôïc ñieåm cuûa OFDM: 2.2.1. Öu ñieåm: Kyõ thuaät OFDM coù nhieàu öu ñieåm maø caùc kyõ thuaät gheùp keânh khaùc khoâng coù ñöôïc. OFDM cho pheùp thoâng tin toác ñoä cao baèng caùch chia keânh truyeàn fading chon loïc taàn soá thaønh caùc keânh truyeàn con chæ chòu fading phaúng. Nhôø vieäc söû duïng taàn soá soùng mang tröïc giao neân hieän töôïng nhieãu lieân soùng mang ICI coù theå loaïi boû, do caùc soùng mang phuï tröïc giao neân caùc soùng mang naøy coù theå choàng laán leân nhau maø phía thu vaãn coù theå taùch ra ñöôïc daãn ñeán hieäu quaû söû duïng baêng thoâng heä thoáng raát hieäu quaû. Khi söû duïng khoaûng baûo veä coù tính chaát cylic prefix lôùn hôn traûi treã lôùn nhaát cuûa keânh truyeàn ña ñöôøng thì hieän töôïng nhieãu lieân kyù töï ISI seõ ñöôïc loaïi boû hoaøn toaøn. Nhôø vaøo khoaûng baûo veä coù tính chaát cylic prefix neân heä thoáng söû duïng kyõ thuaät OFDM chæ caàn boä caân baèng mieàn taàn soá khaù ñôn giaûn. IFFT vaø FFT giuùp giaûm thieåu soá boä dao ñoäng cuõng nhö giaûm soá boä ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá giuùp heä thoáng giaûm ñoä phöùc taïp vaø chi phí thöïc hieän, hôn nöõa tín hieäu ñöôïc ñieàu cheá vaø giaûi ñieàu cheá ñôn giaûn, hieäu quaû nhôø vaøo IFFT vaø FFT. 2.2.2. Khuyeát ñieåm: OFDM laø moät kyõ thuaät truyeàn ña soùng mang neân nhöôïc ñieåm chính cuûa kyõ thuaät naøy laø tyû soá coâng suaát ñænh treân coâng suaát trung bình PAPR ( Peak- to-Average Power Ratio) lôùn. Tín hieäu OFDM laø toång hôïp tín hieäu töø caùc soùng mang phuï, neân khi caùc soùng mang phuï ñoàng pha, tín hieäu OFDM seõ xuaát hieän ñænh raát lôùn. Ñieàu naøy khieán cho vieäc söû duïng khoâng hieäu quaû boä khuyeách ñaïi coâng suaát lôùn HPA ( High-Power Amplifier). Moät nhöôïc ñieåm khaùc cuûa OFDM laø raát nhaïy vôùi leäch taàn soá, khi hieäu öùng dòch taàn Doppler xaûy ra taàn soá soùng mang trung taâm seõ bò leäch, daãn ñeán boä FFT khoâng laáy maãu ñuùng taïi ñænh caùc soùng mang, daãn tôùi sai loãi khi giaûi ñieàu cheá caùc symbol. 2.3. Moâ hình heä thoáng OFDM: Hình 4. Sô ñoà khoái heä thoáng OFDM Boä chuyeån ñoåi noái tieáp-song song Serial/Parallel vaø Parallel/Serial: Theo Shanon toác ñoä döõ lieäu cao nhaát cho keânh truyeàn chæ coù nhieãu traéng AWGN (khoâng coù fading): Cmax = B.log2 (1 + S/N) [ bps] (2.5) Vôùi B laø baêng thoâng cuûa keânh truyeàn [Hz] S/N laø tæ soá tín hieäu treân nhieãu cuûa keânh truyeàn. Vì vaäy muoán truyeàn döõ lieäu vôùi toác ñoä cao hôn Cmax ta phaûi chia nhoû luoàng döõ lieäu toác ñoä cao thaønh caùc luoàng döõ lieäu toác ñoä thaáp hôn Cmax baèng caùch söû duïng boä chuyeån ñoåi noái tieáp sang song song Serial/Parallel. Töùc laø chia luoàng döõ lieäu vaøo thaønh töøng frame nhoû coù chieàu daøi k ×b bit k≤N, vôùi b laø soá bit trong moâ hình ñieàu cheá soá, N soá soùng mang. k, N seõ ñöôïc choïn sao cho caùc luoàng döõ lieäu song song coù toác ñoä ñuû thaáp, ñeå baêng thoâng töông öùng ñuû heïp, sao cho haøm truyeàn trong khoaûng baêng thoâng ñoù coù theå xem laø phaúng. Baèng caùch söû duïng boä S/P ta ñaõ chuyeån keânh truyeàn fading choïn loïc taàn soá thaønh keânh truyeàn fading phaúng. Ngöôïc laïi phía phaùt, phía thu seõ duøng boä Parallel/Serial ñeå gheùp N luoàng döõ lieäu toác ñoä thaáp thaønh moät luoàng döõ lieäu toác ñoä cao duy nhaát. Boä Mapper vaø Demapper: Töøng symbol b bit seõ ñöôïc ñöa vaøo boä mapper muïc ñích laø naâng cao dung löôïng keânh truyeàn. Moät symbol b bit seõ töông öùng moät trong M = 2b trang thaùi hay moät vò trí trong constellation ( giaûn ñoà choøm sao) BPSK söû duïng symbol 1 bit, bit 0 hoaëc bit 1 seõ xaùc ñònh traïng thaùi pha 00 hoaëc 1800 , toác ñoä baud hay toác ñoä chuoãi seõ baèng toác ñoä bit Baud = Rb . QPSK söû duïng symbol 2 bit (Dibit) , Baud = Rb/ 2 . 8-PSK hay 8-QAM söû duïng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3 . 16-PSK hay 16-QAM söû duïng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4 . Soá bit truyeàn trong moät symbol taêng leân ( M taêng leân ), thì hieäu quaû baêng thoâng Beffeciency = Rb/ BT = log2M = b [bps/Hz] taêng leân, tuy nhieân sai soá BER cuõng taêng leân. Nyquist ñaõ ñöa ra coâng thöùc tính dung löông keânh truyeàn toái ña trong moâi tröôøng khoâng nhieãu: C = 2Blog2M trong ñoù B laø baêng thoâng keânh truyeàn. Do ñoù ta khoâng theå taêng M leân tuøy yù ñöôïc, coâng thöùc treân cho pheùp ta xaùc ñònh M lôùn nhaát, soá bit lôùn nhaát coù theå truyeàn trong moät symbol. Moät soá phöông thöùc ñieàu cheá soá thöôøng duøng trong boä Mapper M-PSK ( Phase Shift Keying) M-DPSK (Differential Phase Shift Keying) M-QAM (Quarature Amplitude Modulation) M-PSK(M-Phase Shift Keying): Trong PSK Xn coù bieân ñoä khoâng ñoåi vaø pha phuï thuoäc b bit vaøo dn. M-PSK coù M traïng thaùi pha phuï thuoäc vaøo b = log2M bit vaøo, pha cuûa Xn giaù trò laø 1 trong M goùc pha : . Moät soá daïng M-PSK thöờng gaëp: BPSK hay PRK coù 2 traïng thaùi pha phuï thuoäc 1 bit vaøo . QPSK coù 4 traïng thaùi pha phuï thuoäc 2 bit vaøo. 8-PSK coù 8 traïng thaùi pha phuï thuoäc 3 bit vaøo. 16-PSK coù 16 traïng thaùi pha phuï thuoäc 4 bit vaøo. DPSK (Differential Phase Shift Keying): Ñaây laø moät daïng cuûa M-PSK, tröôùc khi ñi vaøo boä M-PSK tín hieäu seõ ñöôïc xöû lyù sai bieät, kyù töï ra khoûi boä naøy chöùa ñöïng thoâng tin veà söï khaùc nhau giöõa hai kyù töï lieân tieáp. Boä giaûi ñieàu cheá seõ so saùnh söï khaùc bieät veà pha giöõa 2 kí töï lieân tieáp ñeå xaùc ñònh kyù töï thu ñöôïc. Thoâng thöôøng nhieãu taùc ñoäng leân 2 kyù töï lieân tieáp gaàn nhö nhau, sai bieät giöõa 2 kyù töï lieân tieáp seõ gioáng nhau trong tröôøng hôïp coù nhieãu vaø khoâng coù nhieãu. M-QAM: Trong sô ñoà M-QAM Xn coù bieân ñoä pha phuï thuoäc b bit vaøo dn, QAM ñöôïc söû duïng raát phoå bieán trong caùc ñöôøng truyeàn voâ tuyeán soá toác ñoä cao. Sau ñaây laø bieåu thöùc toång quaùt cuûa tín hieäu M-QAM: Xn = ai + jbi i = 1, ….., M Vôùi ai, bi = ±a,±3a, ±5a,…., ±(log2M-1) , ai vaø bi phuï thuoäc b bit vaøo dn . Boä IFFT vaø FFT: Pheùp bieán ñoåi IDFT ( Inverse Discrete Fourier Transform) cho pheùp ta taïo tín hieäu OFDM deã daøng, töùc laø ñieàu cheá N luoàng tín hieäu song song leân N taàn soá tröïc giao moät caùch chính xaùc vaø ñôn giaûn. Pheùp bieán ñoåi DFT (Discrete Fourier Transform) cho pheùp ta giaûi ñieàu cheá laáy laïi thoâng tin töø tín hieäu OFDM. Nhôø söû duïng pheùp bieán ñoåi IDFT vaø DFT maø ta tinh giaûn ñöôïc boä toång hôïp taàn soá phöùc taïp ôû phía phaùt vaø phia thu. Neáu khoâng söû duïng IDFT vaø DFT boä toång hôïp taàn soá phaûi taïo ra taäp taàn soá caùch ñeàu nhau chính xaùc vaø ñoàng pha, nhaèm taïo ra taäp taàn soá tröïc giao hoaøn haûo Boä Guard Interval Insertion vaø Guard Interval Removal[1] Hai nguoàn nhieãu giao thoa (interference) thöôøng thaáy trong caùc heä thoáng voâ tuyeán soá, cuõng nhö trong heä thoáng OFDM laø ISI vaø ICI ISI ( Intersymbol Interference) : nhieãu giao thoa lieân kyù töï, ñöôïc ñònh nghóa laø xuyeân nhieãu giöõa caùc symbol trong khoaûng thôøi gian Tsymbol cuûa caùc frame FFT lieân tieáp (trong mieàn thôøi gian). ICI ( Inter-carrier interference): nhieãu giao thao lieân soùng mang, ñöôïc ñònh nghóa laø xuyeân nhieãu giöõa caùc keânh soùng mang phuï (subchannels) cuûa cuøng moät frame FFT (trong mieàn taán soá) Nhieãu ICI ñöôïc loaïi boû hoaøn toaøn nhôø söû duïng taäp soùng mang tröïc giao laøm taäp taàn soá cuûa caùc keânh phuï. Nhieãu ISI seõ gaàn nhö ñöôïc loaïi boû hoaøn toaøn neáu ta söû duïng soá löôïng soùng mang N ñuû lôùn, khi ñoù baêng thoâng cuûa moãi keânh ñuû nhoû so vôùi coherence bandwith, töùc laø ñoä roäng moät symbol ts seõ lôùn hôn traõi treã cuûa keânh truyeàn. Baêng thoâng OFDM: Toác ñoä symbol cuûa heä thoáng OFDm söû duïng N soùng mang Baêng thoâng tín hieäu OFDM ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc: Vôùi : heä soá khoaûng baûo veä Khi soá soùng mang lôùn N>>1 ta coù Boä bieán ñoåi D/A vaø A/D : Chuoãi symbol xn sau khi ñöôïc cheøn khoaûng baûo veä cho chuoãi sn ,seõ ñöôïc ñöa vaøo boä bieán ñoåi töø soá sang töông töï D/A vaø boä loïc thoâng thaáp taïo ra tín hieäu lieân tuïc s(t) ñeå ñöa ra keânh truyeàn voâ tuyeán. ÔÛ phía thu, boä A/D laøm ñoäng taùc ngöôïc laïi boä D/A, boä A/D seõlaáy maãu tín hieäu OFDM thu ñöôïc r(t), cho ra tín hieäu soá rôøi raïc rn, sau ñoù rn seõ ñöôïc cho qua boä Guard Interval Removal ñeå loaïi boû khoaûng baûo veä Boä Up-Converter vaø Down-Converter: Caùc boä Up-Converter vaø Down-Converter chính laø caùc boä ñoåi taàn soá caân baêng (Balance Modulator). Sau khi qua boä bieán ñoåi D/A vaø loïc thoâng thaáp, tín hieäu s(t) leân taàn soá cao taïo thaønh tín hieäu sRF(t) ñeå anten phaùt coù theå deã daøng böùc xaï tín hieäu ra khoâng gian. Ôû phía thu, tín hieäu rRF(t) thu ñöôïc töø anten phaùt seõ ñöôïc ñoåi taàn xuoáng thaønh tín hieäu r(t) nhôø boä Down-Converter. Boä Equalizer Do caùc keânh soùng mang phuï coù baêng thoâng heïp chæ chòu fading phaúng, neân moät boä Equalizer ñôn giaûn ñöôïc söû duïng nhaèm toái öu tín hieäu rôøi raïc tröôùc khi cho qua boä giaûi ñieàu cheá soá demoulation hay de-mapper, ñeå giaûm bôùt tæ soá bit loãi BER cuûa heä thoáng Vieäc cheøn CP vaøo moãi symbol taïi phía phaùt ñaõ laøm cho pheùp chaäp tuyeán tính keå hôïp trôû thaønh pheùp chaäp voøng trong khoaûng thôøi gian ts. Ngoaøi ra ñeå caûi thieän BER ngöôøi ta coøn söû duïng theâm caùc khoái FEC (Forward Error Correction) ñeå söûa loãi ñôn, söû duïng theâm khoái Interleavers ñeå hoaùn ñoåi vò trí bieán caùc bit loãi daïng chuøm thaønh caùc bit ñôn ñeå FEC coù theå söûa ñöôïc. Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM 3.1. Giới thiệu: Caùc heä thoáng thoâng tin khoâng daây luoân ñöôïc nghieân cöùu nhaèm caûi thieän chaát löôïng dung löôïng cuõng nhö khaû naêng choáng laïi hieän töôïng ña ñöôøng. Ñoái vôùi caùc heä thoáng thoâng tin thoáng chaát löôïng tín hieäu coù theå caûi thieän baèng caùch taêng coâng suaát, dung truyeàn löôïng heä thoáng coù theå taêng khi taêng baêng thoâng. Tuy nhieân coâng suaát cuõng chæ coù theå taêng tôùi moät möùc giôùi haïn naøo ñoù vì coâng suaát phaùt caøng taêng thì heä thoáng caøng gaây nhieãu cho caùc heä thoáng thoâng tin xung quanh, baêng thoâng heä thoáng cuûa heä thoáng cuõng khoâng theå taêng maõi leân vì vieäc phaân boá baêng thoâng ñaõ ñöôïc ñònh chuaãn saün. Heä thoáng MIMO coù theå taêng dung löôïng keânh truyeàn, söû duïng baêng thoâng raát hieäu quaû nhôø gheùp keânh khoâng gian, caûi thieän chaát löôïng cuûa heä thoáng ñaùng keå nhôø vaøo phaân taäp taïi phía phaùt vaø phía thu maø khoâng caàn taêng coâng suaát phaùt cuõng nhö taêng baêng thoâng cuûa heä thoáng. Kyõ thuaät OFDM laø moät phöông thöùc truyeàn daãn toác ñoä cao vôùi caáu truùc ñôn giaûn nhöng coù theå choáng fading choïn loïc taàn soá, baèng caùch chia luoâng döõ lieäu toác ñoä cao thaønh N luoàng döõ lieäu toác ñoä thaáp truyeàn qua N keânh truyeàn con söû duïng taäp taàn soá tröïc giao. Keânh truyeàn chòu fading choïn loïc taàn soá ñöôïc chia thaønh N keânh truyeàn con coù baêng thoâng nhoû hôn, khi N ñuû lôùn caùc keânh truyeàn con chòu fading phaúng. OFDM coøn loaïi boû ñöôïc hieäu öùng ISI khi söû duïng khoaûng baûo veä ñuû lôùn. Ngoaøi ra vieäc söû duïng kyõ thuaät OFDM coøn giaûm ñoä phöùc taïp cuûa boä Equalizer ñaùng keå baèng caùch cho pheùp caân baèng tín hieäu trong mieàn taàn soá. Töø nhöõng öu ñieåm noåi baät cuûa heä thoáng MIMO vaø kyõ thuaät OFDM, vieäc keát hôïp heä thoáng MIMO vaø kyõ thuaät OFDM laø moät giaûi phaùp höùa heïn cho heä thoáng thoâng tin khoâng daây baêng roäng töông lai. Hình 5. Caùc chuaån thoâng tin khoâng daây cuûa IEEE Hình 5 moâ taû caùc chuaån thoâng tin khoâng daây cuûa IEEE töông öùng toác ñoä bit vaø vuøng bao phuû, trong ñoù caùc chuaån maøu saäm seõ ñöôïc öùng duïng heä thoáng MIMO-OFDM trong töông lai, ñieàu naøy cho thaáy taàm öùng duïng cuûa heä thoáng MIMO-OFDM raát roäng. 3.2. Heä thoáng MIMO-OFDM: 3.2.1. Moâ hình heä thoáng MIMO-OFDM: Caáu truùc maùy thu vaø phaùt cuûa heä thoáng MIMO-OFDM bao goàm heä MIMO NT anten phaùt vaø NR anten thu, kyõ thuaät OFDM söû duïng N soùng mang phuï ñöôïc moâ taû nhö hình 6: Sô ñoà khoái heä thoáng MIMO-OFDM Sô ñoà khoái boä phaùt OFDM Sô ñoà khoái boä thu OFDM Hình 6. Moâ hình heä thoáng MIMO-OFDM Symbol thu ñöôïc töø anten thu thöù i, taïi soùng mang phuï thöù k cuûa symbol OFDM coù theå bieåu dieãn nhö sau: Vôùi: Xj (k) laø symbol phaùt treân soùng mang thöù k trong symbol OFDM Vi(k) laø nhieãu Gauss taïi anten thu thöù i trong mieàn taàn soá, töùc laø N-FFT cuûa nhieãu trong mieàn thôøi gian vi(t) laø ñoä lôïi keânh truyeàn töø anten phaùt thöù j tôùi anten thu thöù i taïi soùng mang phuï thöù n. chính laø N-FFT cuûa ñaùp öùng xung cuûa keânh truyeàn töø anten phaùt thöù j tôùi anten thu thöù i. Neáu maùy thu coù theå öôùc löôïng chính xaùc traïng thaùi keânh truyeàn thì seõ ñöôïc bieát chính xaùc öùng vôùi moãi symbol OFDM. Keânh truyeàn heä thoáng MIMO-OFDM coù theå moâ taû thoâng qua ma traän H nhö sau Hình 7 moâ taû roõ hôn ma traän H, kyõ thuaät OFDM coù taùc duïng chia keânh truyeàn choïn loïc taàn soá thaønh N keânh truyeàn con fading phaúng. Heä thoáng MIMO-OFDM töông ñöông vôùi heä thoáng MIMO. Hình 7. Ma traän keânh truyeàn Coù hai loaïi heä thoáng MIMO-OFDM laø: heä thoáng MIMO-OFDM Alamouti vôùi muïc ñích ñaït ñoä lôïi phaân taäp toái ña nhaèm toái öu chaát löôïng heä thoáng vaø heä thoáng MIMO-OFDM V-BlAST vôùi muïc ñích ñaït ñoä lôïi lôùn nhaát nhaèm taêng toái ña dung löôïng heä thoáng thoâng tin khoâng daây trong moâi tröôøng fading choïn loïc taàn soá . 3.2.2. Moâ hình heä thoáng MIMO-OFDM Alamouti: Hình 7 vaø 8 laø sô ñoà heä thoáng MIMO-OFDM Alamouti vôùi caùc khoái cô baûn nhaát. Sô ñoà Alamouti ñöôïc aùp duïng nhaèm ñaït ñöôïc ñoä lôïi phaân taäp lôùn nhaát trong moâi tröôøng fading choïn loïc taàn soá vôùi caáu truùc phaàn cöùng khaù ñôn giaûn. Hình 7. Maùy phaùt MIMO–OFDM Alamouti Hình 8. Maùy thu MIMO-OFDM Alamouti 3.2.3 Moâ hình heä thoáng MIMO-OFDM V-Blast: Hình 9. Maùy phaùt MIMO-OFDM VBLAST Hình 10. Maùy thu MIMO-OFDM VBLAST 3.2.4. Tyû soá coâng suaát ñænh treân coâng suaát trung bình PARR: Heä thoáng MIMO-OFDM laø heä thoáng ña soùng mang, neân cuõng phaûi ñoái maët vôùi moät vaán ñeà quan troïng laø söï meùo phi tuyeán töø boä khuyeách ñaïi cao taàn. Nguyeân nhaân cuûa vaán ñeà naøy laø do tyû soá coâng suaát ñænh treân coâng suaát trung bình PARR khaù lôùn daãn ñeán taàm ñoäng cuûa tín hieäu khaù lôùn khi heä thoáng ña soùng mang söû duïng soá soùng mang phuï lôùn. Moät soá kyõ thuaät nhaèm muïc ñích giaûm thieåu PARR trong heä thoáng MIMO-OFDM ñaõ ñöôïc ñeà nghò, chuùng coù theå ñöôïc chia thaønh 2 höôùng tieáp caän. Trong höôùng thöù nhaát, ta seõ cheøn theâm caùc thoâng tin dö thöøa nhaèm giaûm bieân ñoä ñænh trong töøng symbol phaùt töø ñoù giaûm PARR cuûa heä thoáng. Höùôùng thöù hai laø cho tín hieäu ñi qua moät boä söûa ñoåi nhaèm loaïi boû caùc ñænh tín hieäu coù bieân ñoä lôùn. Höôùng tieáp caän thöù nhaát coù öu ñieåm laø khoâng gaây xuyeân nhieãu nhöng laøm taêng tính phöùc taïp vaø laøm giaûm toác ñoä truyeàn cuûa heä thoáng, höôùng thöù hai khaù ñôn giaûn ít laøm taêng tính phöùc taïp cuûa heä thoáng nhöng laïi gaây ra xuyeân nhieãu cho heä thoáng.