Đề tài Kỹ thuật Mã hóa không gian - Thời gian khối ứng dụng trong Đa anten phát - Đa anten thu - Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

n nhất của ký tự. Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu. Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax < Tx < Tg. Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM. Biến đổi cao tần RF Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần số cao. Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF. Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở, đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần. Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT. Các dạng điều chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log2M và số phức dn= an + jbn ở ngõ ra. M Dạng điều chế an, bn 2 BPSK 4 QPSK 16 16-QAM , 64 64-QAM ,,, Bảng 1.1: Các phương thức điều chế số Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ. Hạn 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. Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP. Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) 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. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần. Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả. Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn. Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là: Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn. Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần. Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler. CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu. Ứng dụng của OFDM Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệ thống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đáp ứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã… Mãi đến 20 năm sau, với sự ra đời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đã được hiện một cách dễ dàng với chi phí rẻ và ứng dụng rộng rãi. Ứng dụng đầu tiên của OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong thông tin di động. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay. OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nó cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 5GHz ISM (dùng cho công nghiệp, khoa học kỹ thuật và y học). Chuẩn 802.11g vừa mới thông qua cũng sử dụng OFDM trong băng tần 2.4GHz ISM. Ngoài ra OFDM còn được sử dụng cho WiMAX và cũng là sự lựa chọn cho hệ thống thông tin di động tế bào bao gồm 4G LTE và UMB (Ultra Mobile Broadband). OFDM còn được sử dụng cho truyền hình số mặt đất như là DVB (Digital Video Broadcasting). Một hình thức mới mới của truyền thông gọi là Digital Radio Mondiale dùng cho băng tần sóng trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹ thuật OFDM. Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế cho mạng di động thế hệ thứ tư (4G). Kết luận chương: Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM. Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh truyền. CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Giới thiệu chương Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này. Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu. Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến Hiệu ứng đa đường Rayleigh fading Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra Hình 2.2 Tín hiệu đa đường Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading. . Khoảng cách di chuyển Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh. Mức tín hiệu (dB) Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh Fading lựa chọn tần số Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể khắc phục bằng hai cách : Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao. Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC . Trải trễ (Delay Spread) Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu. Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA. Hình 2.4: Trải trễ đa đường Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time). Bảng 2.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20μs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps. Môi trường Trải trễ Chênh lệch quãng đường đi lớn nhất của tín hiệu Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m Bên ngoài 1μs – 20μs 300m – 6km Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách: Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM). Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA. Hiệu ứng Doppler Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler. Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức: (2.1) Trong đó Δf là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu. ν là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát. f o là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng. Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo thấp. Nhiễu AWGN Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn. Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải 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 thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễunày thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu liên ký tự ISI Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM. Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó. Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP. Nhiễu liên sóng mang ICI Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh như ở hình 2.5. ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM Tiền tố lặp CP Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự). Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp Ta có Ts = Tg + TFFT (2.2) Ký tự OFDM lúc này có dạng : (2.3) Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác nhau. Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax (the maximum delay spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect), tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua đường phản xạ. Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM. Ngoài khái niệm tiền tố lặp CP còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix. Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền. Khoảng bảo vệ (GI) Thành phần ISI của việc truyền tín hiệu OFDM có thể bị sai do điều kiện của quá trình xử lý tín hiệu, bởi vì máy thu không thu nhận được thông tin của symbol được truyền tiếp theo. Điều này có nghĩa là máy thu cần một khoảng thời gian có độ dài xác định bằng thời gian symbol có ích để có thể xác định được symbol OFDM. Khoảng thời gian này gọi là Orthogonality Interval. Một trong những lý do quan trọng nhất để sử dụng kỹ thuật OFDM là kỹ thuật này có khả năng giải quyết một cách hiệu quả vấn đề trải trễ đa đường (multipath delay spread). Bằng cách chia luồng dữ liệu thành Ns luồng song song điều chế sóng mang phụ, chu kỳ một symbol được tăng lên Ns lần, do đó sẽ làm giảm tỉ lệ giữa trải trễ đa đường với chu kỳ symbol xuống Ns lần. Để loại bỏ ISI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM. Khoảng thời gian được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận. Khoảng thời gian có thể không chứa một tín hiệu nào cả. Tuy nhiên, trong trường hợp đó thì ICI xuất hiện gây nhiễu giữa các sóng mang phụ làm các sóng mang phụ không còn trực giao nữa. Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên, OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường (pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra, đối với các kênh phụ suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó. Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ. Việc sử dụng GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Ngoài ra, OFDM chịu ảnh hưởng của nhiễu xung. Tức là một xung tín hiệu nhiễu có thể tác động xấu đến một chùm tín hiệu thay vì một số ký tự như trong CDMA và điều này làm tăng tỷ lệ lỗi bit của OFDM so với CDMA. Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn. Ví dụ đối với tín hiệu điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên, đối với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ, tạo thành tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chịu đựng được tốt các can nhiễu giữa can nhiễu ISI gây ra bởi truyền lan nhiều đường. Hình 2.7: OFDM symbol có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ. Có thể giảm ảnh hưởng ISI tới OFDM bằng cách thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi symbol. Khoảng bảo vệ này là bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng symbol. Symbol của OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằn kích thước IFFT (được sử dụng tạo tín hiệu) có một số nguyên lần các chu kỳ. Việc đưa vào các bản sao của symbol 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 symbol và đặt nó để đầu vào tạo ra một khoảng thời gian dài hơn. Giới hạn băng thông của OFDM Trong miền thời gian, OFDM là tương đương với tổng các sóng mang hình sine điều chế. Mỗi symbol nằm trong thời gian xác định với hàm cửa sổ hình chữ nhật. Cửa sổ này xác định biên của mỗi symbol OFDM và xác định đáp tuyến được tạo ra. Thời gian truyền OFDM khi dùng khóa dịch pha PSK, biên độ tải phụ là cố định và pha thay đổi từ symbol này sang symbol khác để truyền dữ liệu. Pha tải phụ thì không đổi đối với toàn bộ symbol, dẫn đến nhảy bậc pha giữa các symbol. Những thay đổi đột biến giữa các symbol dẫn đến sự mở rộng trong miền tần số. Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông Lọc băng thông Lọc băng thông được sử dụng khi tín hiệu được biến đổi từ miền tần số thành dạng sóng tương tự và ngược lại để ngăn ngừa sự chồng phổ. Trong OFDM, lọc băng thông để loại bỏ hiệu quả một số búp sóng trên OFDM. Giá trị loại bỏ búp sóng bên phụ thuộc vào dạng bộ lọc được sử dụng. Nhìn chung bộ lọc số cung cấp độ linh hoạt, độ chính xác và tỉ lệ cắt lớn hơn nhiều lọc tương tự, do đó chúng hữu ích trong việc hạn chế băng thông của tín hiệu OFDM. Đáp tuyến tần số OFDM không lọc. Tín hiệu OFDM được lọc băng thông. Các tín hiệu này được lọc bằng đáp tuyến xung hữu hạn FIR được phát triển khi dùng phương pháp cửa sổ. Do số tải phụ được dùng trong các hình là nhỏ có thể thấy roll off của bộ lọc FIR. Trong thực tế, loại bỏ tất cả các búp sóng bên, nhưng tính toán bộ lọc phức tạp và giá thành cao và nó làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng SNR của kênh OFDM. Bộ lọc cũng ảnh hưởng đến một phần năng lượng của các tải phụ phía bên ngoài, làm méo dạng tín hiệu, và gây can nhiễu giữa các sóng mang ICI. Bộ lọc có dạng dốc đứng cho phép tách biệt các khối OFDM để đặt chúng rất gần nhau trong miền tần số cải thiện hiệu quả phổ, tuy nhiên nó cũng làm giảm tỉ số SNR hiệu dụng. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR Việc dùng bộ lọc băng thông số là phương pháp rất hiệu quả để loại bỏ các búp sóng bên do tín hiệu OFDM tạo ra. Để thực hiện bộ lọc băng thông FIR số tap cần thiết tương ứng với: (2.4) Trong đó, Ntaps : số tạp trong bộ lọc FIR Wt : độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được dùng để tạo bộ lọc FIR. IFFT : là kích thước FFT được sử dụng để tạo tín hiệu. Ft : độ rộng quá độ của bộ lọc chuNn hóa cho khoảng cách tải phụ. Ceil : phép làm tròn về phía lớn hơn. Ví dụ: (1.1) = 2 Ví dụ để tạo tín hiệu cần lọc với bộ lọc 24 tap. Điều này có thể tính từ đặc điểm kỹ thuật tín hiệu. Tín hiệu được tạo ra khi dùng kích thước IFFT là 64, do vậy IFFT = 64. Hàm cửa sổ Kaiser với độ rộng quá độ 3 được sử dụng, dẫn đến suy giải chặn (stop band) là 89 dB. Công suất búp sóng bên của tín hiệu OFDM không được lọc là – 20 dBc và sau khi lọc là –109 dBc. Độ rộng quá độ của hàm cửa sổ được sử dụng là 3.0 nên số tap cần thiết là: Ntaps = ceil.=24 (2.5) Mỗi tap của bộ lọc FIR yêu cầu hai thuật toán nhân và tích lũy MAC như các kết quả mẫu phức. Và như vậy đối với tần số lấy mẫu 20 MHz số phép tính sẽ là 20 x 106 x 24 x 2 = 960 triệu MAC. Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn. Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sine trong miền tần số. Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng trong miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol. Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật. Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo vệ có độ dài. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ. Kết luận chương Chương này đã giới thiệu một vài đặc tính của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến tín hiệu khi truyền đi trong không gian. Đồng thời các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM cũng được đề cập đến. Để hạn chế nhiễu và ảnh hưởng của kênh truyền đa đường thì ở chương sau đề cập đến một số kỹ thuật được úng dụng trong OFDM. Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM Giới thiệu chương : MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một kỹ thuật truyền dẫn mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao, tốc độ truyền tải lớn và đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay trong các hệ thống Wifi, Wimax, 3.5G, LTE … Chương này sẽ tìm hiểu tổng qua về hệ thống MIMO, các kỹ thuật phân tập, độ lợi… Sau đó là nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian khối và ứng dụng nó trong hệ thống MIMO-OFDM. Các kỹ thuật phân tập : Không giống như kênh truyền Gaussian, kênh truyền fading chịu ảnh hưởng rất lớn của hiện tượng đa đường, sự cộng hưởng và triệt tiêu của tín hiệu đa đường làm cho tín hiệu thu được biến thiên một khoảng rất lớn, thính thoảng có thể lên đến 20-30 dB. Do đó SNR tại máy thu có thể bị suy hao lớn và thay đổi rất đột ngột. Khi SNR tại phía thu thấp hơn một ngưỡng nào đó, sự phục hồi tín hiệu phát sẽ không thể thực hiện được. Xác suất tín hiệu bị mất đi phụ có thể tín toán được dựa vào đặc tính thống kê của kênh truyền. Một ý tưởng được gọi là phân tập hệ thống, tức là cung cấp nhiều bản sao khác của tín hiệu để phát đi đến máy thu. Những bản sao này chứ thông tin giống nhau nhưng ít tương quan về fading. Tín hiệu được sẽ được lựa chọn từ các phiên bản tín hiệu thu được hoặc kết hợp tín các bản sao để có được SNR tốt nhất. Có hai vấn đề quan trọng trong kỹ thuật phân tập. Thứ nhất là làm sao để cung cấp các bản sao tín hiệu phát đến phía thu với sự tối ưu về năng lượng, băng thông, độ phức tạp giải mã. Thứ hai là làm sao để sử dụng những bản sao tín hiệu này ở phía thu để xác suất lỗi là nhỏ nhất. Chúng ta sẽ nghiên cứu một số phương pháp sau. Phân tập thời gian : Khi các bản sao tín hiệu được truyền trên những khe thời gian khác nhau, nó được gọi là phân tập thời gian, bên thu sẽ thu được các tín hiệu không tương quan về fading. Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất phát, nhưng có một nhược điểm lớn là sử dụng băng thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian. Phân tập thời gian có thể thu được thông qua mã hóa (coding) và xen kênh (Interleaving). Mã hóa điều khiển lỗi được sử dụng để giảm một lượng lớn độ dư thừa về mặt thời gian, cung cấp độ lợi mã cho tín hiệu truyền. Xen kênh sẽ tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bản sao của tín hiệu truyền, do đó sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã. Trong hình 3.1 mô tả quá trình xen kênh, ta thấy rằng việc sử dụng bộ xen kênh đã giúp hệ thống giảm được lỗi chùm lên ký tự khi truyền qua kênh fading Hình 3.1 : Xen kênh sử dụng trong phân tập thời gian Nếu kênh truyền là fading chậm, tức là khoảng thời gian kết hợp lớn, thời gian phân cách giữa các khe thời gian sử dụng cho phân tập thời gian sẽ lớn. Trong trường hợp này, máy thu sẽ chịu một khoảng trễ lớn trước khi nó có thể bắt đầu quá trình giải mã, không thể sử dụng cho các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ. Do đó xen kênh chỉ phù hợp với các môi trường có fading nhanh khi khoảng thời gian liên kết của kênh truyền nhỏ. Phân tập tần số : Phân tập tần số sử dụng các tần số sóng mang khác nhau để phát đi cùng một thông tin. Để đạt được sự phân tập, khoảng cách các tần số sóng mang phải lớn hơn dải thông phù hợp của kênh truyền, lúc này các bản sao tín hiệu sẽ độc lập fading với nhau. Phân tập tần số hiện nay cũng không hiệu quả khi băng tần ngày càng khan hiếm, đồng thời cần một công suất phát lớn để phát đi tín hiệu trên các tần số khác nhau. Phân tập không gian : Kỹ thuật phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, sử dụng nhiều anten phát hoặc thu hoặc cả hai để đạt được sự phân tập. Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Nếu các anten có khoảng cách đủ lớn, thường là lớn hơn một nữa bước sóng, tín hiệu tương ứng với mỗi anten sẽ không tương quan với nhau. Phân tập không gian đảm bảo việc sử dụng hiệu quả băng thông tín hiệu nhờ sử dụng nhiều anten thu phát. Tuy nhiên có một hạn chế lớn là không thể sử dụng nhiều anten thu ở các thiết bị cầm tay do giới hạn về kích thước cùng như công suất. Tổng quan hệ thống MIMO : Khái niệm, lịch sử hệ thống MIMO : Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một hệ thống thông tin điểm – điểm sử dụng hai hay nhiều anten ở cả phía phát và thu. Hệ thống MIMO ra đời nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng phủ song của hệ thống thông tin vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông của hệ thống. Hình 3.2 : Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO ra đời trong những năm 1984 khi Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell xin cấp bằng sáng chế và việc sử dụng đa anten trong vô tuyến. Từ đó đến năm 1995, nhiều bài báo về MIMO được đưa ra. Năm 1996, Grey Raleigh và VK Jones khám phá ra hiện tượng đa đường do ảnh hưởng của các vật cản trong môi trường truyền, Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là một yếu tố giúp tăng dung lượng của kênh truyền. Năm 1998, P.W.Wolniansky thuộc phòng thí nghiệm Bell đưa ra kỹ thuật V-BLAST với hiệu suất sử dụng băng thông lên đến 20-40 bps/Hz. Những nghiên cứu ban đầu chủ yếu tập trung vào phân tập thu để đạt hiệu quả phổ cao. Đến những năm 2000, hệ thống MIMO với việc sử dụng cả phân tập phát và thu bắt đầu phát triển khi Alamouti đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản với 2 anten phát. Năm 2003, Airgo tung ra chip MIMO đầu tiên. Sau đó năm 2004, IEEE bắt đầu nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp kỹ thuật OFDM và đưa ra bản nháp đầu tiên vào năm 2006. Từ đó đến nay, hệ thống MIMO ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong các hệ thống truyền thông không dây, góp phần giải quyết thiết kế công suất hệ thống và băng thông tín hiệu ngày càng bị thu hẹp dần. Các mô hình của hệ thống MIMO : Hệ thống MIMO được sử dụng dưới nhiều dạng cấu hình khác nhau phù hợp với các đặc điểm về thiết bị, ứng dụng khác nhau. SIMO – Single input multiple output Hệ thống SIMO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu hay còn gọi là phân tập thu. Máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu để đạt được tỉ số SNR tốt nhất. Ưu điểm lớn nhất của hệ thống SIMO là đơn giản và có thể thực hiện tương đối dễ dàng, tuy nhiên yêu cầu máy thu có kích thước phải lớn, cũng như vấn đề về công suất máy thu nên thường không phù hợp với các thiệt bị di động. Hình 3.3: Mô hình hệ thống SIMO MISO – Multiple input single output Hệ thống MISO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu hay còn gọi là phân tập phát. Thông thường hệ thống MISO sử dụng kỹ thuật phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti. Nhờ sử dụng đa anten ở phía phát, hệ thống vẫn đạt được sự phân tập àm không yêu cầu xử lý phức tạp cũng như cồng kênh ở máy thu, nên nó rất thích hợp với các thiết bị di động có công suất nhỏ cũng như bộ xử lí yếu. Hình 3.4: Mô hình hệ thống MISO MIMO – Multiple input multiple output Đây là mô hình tổng quát của hệ thống MIMO, sử dụng đa anten phát và thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Hình 3.5: Mô hình hệ thống MIMO 2 anten phát và 2 anten thu Với ưu điểm cũng như sự đa dạng trong các phương pháp phân tập, hệ thống MIMO đang được sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên, MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì vậy kỹ thuật MIMO-OFDM được áp dụng để khắc phục nhược điểm này. Các phương pháp phân tập thu : Phần này đưa ra các phương pháp phân tập thu thường được sử dụng, qua đó có thể so sánh được với hệ thống mã hóa không gian thời gian để phân tích những ưu điểm nhược điểm của hai hệ thống. Có 4 phương pháp phân tập thu tường được sử dụng . Maximum ratio combining (MRC) : Giả sử một hệ thống đa anten thu nhận được M bản sao tín hiệu qua M đường độc lập nhau. Tín hiệu thu được tại anten thu thứ i sẽ là : (3.1) Với và . tại các anten tín hiệu thu được sẽ được nhân với các trọng số , tín hiệu kết hợp thu được sẽ là : (3.2) Sau khi kết hợp tín hiệu, SNR thu được sẽ là : (3.3) Sử dụng bất đẳng thức Chauchy-Swart để maximum phương trình (), kết quả ta được Kết quả, ta sẽ có SNR sau khi kết hợp là : (3.4) Trong đó, là SNR tại mỗi đầu thu của anten. Nói cách khác, SNR tại máy thu bằng tổng SNR của mỗi kênh truyền độc lập. Hình 3.6 : Sơ đồ phương pháp MRC Equal-gain combining (EGC) : Đây là một trường hợp đặc biệt của phương pháp MRC với các trọng số có độ lớn như nhau. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình giải mã vì nó khong cần đo SNR trên mỗi kênh truyền độc lâp . Hình 3.7 : Sơ đồ phương pháp EGC Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại máy thu sẽ là : (3.5) Selection combining (SC) : Trong phương pháp này, người ta sẽ đặt tại mỗi anten thu một máy đo SNR để lấy tín hiệu có SNR lớn nhất. SNR trung bình ở máy thu sẽ là : (3.6) Ta thấy SNR hệ thống tăng theo số lượng anten thu M, tuy nhiên không tăng tuyến tính. Ưu điểm của phương pháp này là việc xử lí đơn giản. Hình 3.5 : Sơ đồ phương pháp SC Threshold combining (TC) : Trong phương pháp này, máy thu sử dụng một máy đo SNR để quét các đầu vào, nếu cho trước thì tín hiệu đó sẽ được sử dụng. Có một vài tiêu chí để máy thu xác định xem sẽ quét ở anten nào trước, tuy nhiên tiêu chí đơn giản nhất là quét ngẫu nhiên các anten. Hình 3.6 : Sơ đồ phương pháp TC Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) : Mã hóa không gian thời gian STC (space-time coding) là một kỹ thuật mã hóa được áp dụng phổ biến trong các hệ thống MIMO hiện nay. Môi trường truyền tín hiệu thông thường luôn tồn tại hiện tượng đa đường,nếu khoảng cách giữa các anten đủ lớn,các tín hiệu truyền trên các đường truyền khác nhau này sẽ độc lập nhau. Mã hóa không gian thời gian lợi dụng tính chất này để nâng đạt được sự phân tập tối đa cho hệ thống MIMO, độ lợi mã cao cũng như dung lượng truyền dẫn lớn nhất. STC có thể sử dụng để tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập, tùy loại mã hóa được sử dụng. Có ba loại mã hóa không gian thời gian : Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Spcae-time block code) Mã hóa không gian thời gian lưới STTC (Space-time Trellis code) Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST (Bell-Labaratories layered space-time) Trong đó, mã hóa không gian thời gian khối STBC ra đời đã mang lại những lợi ích thiết thực trong các hệ thống thông tin di động, nơi mà sự phức tạp trong giải mã là vấn đề rất được quan tâm. STBC dựa trên mô hình Alamouti, nó cung cấp độ lợi phân tập đầy đủ cho hệ thống đa anten cũng như giảm tối đa sự phức tạp tính toán tại các trạm thu. Đồ án sẽ tập trung vào nghiên cứu và mô phỏng hệ thống sử dụng STBC. Mô hình Alamouti : Mô hình Alamouti được Siavash M.Alamouti đưa ra trong một bài báo của mình năm 1998. Mô hình cũng cấp phương pháp đơn giản để đạt được phân tập pháp với việc sử dụng hai anten phát và một anten thu. Mã hóa Ý tưởng của phương pháp này là hệ thống sẽ lấy hai symbol s1,s2 dài b bit trong chòm sao các sơ đồ điều chế điểm, nhóm thành khối 2b bit để truyền trên hai anten trong hai khe thời gian. Khe thời gian thứ nhất, anten 1 phát symbol s1, anten 2 phát symbol s2. Khe thời gian thứ hai, anten một phát symbol , anten 2 phát symbol . Sơ đồ phát được minh họa như trong hình 3.7 Hình 3.7 : Sơ đồ phát của mô hình Alamouti Ta có ma trận phát lúc này sẽ là : (3.7) Trong ma trận trên, cột đầu tiên tương ứng khe thời gian thứ nhất và cột thứ 2 tương ứng với khe thời gian thứ 2. Hàng đầu tiên tương ứng với các symbol được phát ở anten 1, hàng thứ 2 tương ứng với các symbol được phát ở anten 2. Ma trận cho thấy tín hiệu được phát đi cả về không gian (trên 2 anten) và thời gian (trong 2 khe thời gian) nên nó được gọi là mã không gian - thời gian. Tín hiệu truyền đi trên 2 anten sẽ chịu ảnh hưởng bởi hai kênh truyền độc lập nhau. Giả sử h1(t) và h2(t) lần lượt là hai đáp ứng kênh tương ứng với hai tín hiệu phát trên 2 anten. Với mô hình Alamouti, kênh truyền phải là tĩnh trong suốt 2 khe thời gian truyền symbol: (3.8a) (3.8b) Trong đó T là chu kỳ truyền của một symbol, và lần lượt là độ lợi kênh truyền của đáp ứng kênh và . Hình 3.8 : Sơ đồ khối giải mã Alamouti sử dụng một anten thu Gọi tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và thứ hai lần lượt là r1 và r2, ta có : (3.9) Trong đó n1 và n2 là các nhiễu trắng cộng Gaussian tương ứng với mỗi khe thời gian, có trung bình bằng 0 và phương sai N0. Kết hợp và giải mã Tại máy thu, bộ giải mã sẽ sử dụng thông tin trạng thái kênh truyền được ước lượng để thực hiện quá trình giải mã. Từ phương trình (), bộ kết hợp tạo ra tín hiệu : (3.10) Gọi ma trận , ma trận này ta hoàn toàn biết được nhờ CSI đã ước lượng ở phía thu. Ta nhân ma trận với ma trận tín hiệu thu được trong 2 khe thời gian : (3.11) Trong đó (3.12) Phương trình () có thể viết lại : (3.13) Trong đó và được xem như là các nhiễu đã được khuếch đại, nó là các biến Gaussian phức có trung bình bằng 0 và có phương sai : Mỗi thành phần của ma trận tương ứng với một symbol đã phát đi : (3.14) SNR tại máy thu tương ứng với mỗi được cho bởi : (3.15) Trong đó hệ số 2 ở mẫu là do được truyền chỉ sử dụng một nữa năng lượng của Es. SNR tại máy thu bằng tổng SNR trên mỗi nhanh , tức là mô hình Alamouti đã đạt được độ lợi phân tập gấp đôi so với trường hợp dùng một anten phát. Sau khi xử lý tín hiệu với CSI, bộ giải mã đưa tín hiệu đến bộ Maximum Likelihood Detector để tìm tín hiệu phát . Bộ ML lần lượt chọn một cặp symbol của bộ mapper sao cho cặp symbol này khi truyền qua kênh truyền sẽ giống với r1, r2 nhất. Cặp symbol sẽ được chọn sao cho khoảng cách giữa nó và tín hiệu r thu được trong chòm sao là nhỏ nhất. Tức là : (3.16) Sau khi khai triển và loại bỏ các thành phần độc lập, ta có 2 định thức định thức: để tìm s1 để tìm s2 Đối với tín hiệu PSK thì năng lượng của các điểm trong chòm sao là như nhau nên . Do đó mục đích cuối cùng của ML trở thành tìm cặp : (3.17) STBC mở rộng với M anten thu: Trong các ứng dụng cần có phân tập cao hơn và chia điều xử lý cho hai bên thu phát thì người ta sử dụng thêm phân tập thu cho các thuê bao di động. Hệ thống 2 anten phát và M anten thu có thể cung cấp phân tập bậc 2M. Tín hiệu từ 2 anten phát đến các anten thu sẽ đi theo các đường khác nhau và chịu ảnh hưởng với các kênh truyền khác nhau. Gọi là đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ i (i = 1, 2) đến anten thu thứ j (j = 1, 2,…, M). Ta có tín hiệu thu được tại các anten thu tại anten thu thứ j thời điểm thời điểm t và t+T là : (3.18a) (3.18b) và là nhiễu trên các đường truyền, là biến ngẫu nhiên Gaussian phức có trung bình bằng 0 và phương sai N0. Bộ kết hợp sẽ sử dụng CSI để xử lý tín hiệu thu được trên mỗi anten thứ j : (3.19) Sau đó hệ thống sẽ kết hợp các tín hiệu đã xử lý với nhau : (3.20) Với hệ số , ta thấy hệ thống đã đạt được phân tập bậc 2M như mong muốn. Sau đó tín hiệu kết hợp được đưa đến bộ ML, ML tìm một cặp s1, s2 trong chòm sao cho định thức sau nhỏ nhất : Nếu điều chế PSK thì năng lượng các mẫu đều bằng nhau nên cuối cùng cặp s1, s2 sẽ là : (3.21) Ta thấy khả năng phân tập của hệ thống STBC 2 anten phát, M anten thu tương đương với khả năng phân tập của hệ thống MRRC 2M anten thu. Kỹ thuật STBC trong hệ thống MIMO – OFDM Với những ưu điểm của hệ thống MIMO nhưng cung cấp độ lợi phân tập cao để nâng cao chất lượng truyền dẫn, cung cấp độ lợi ghép kênh lớn để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu. Và kỹ thuật OFDM với các đặc điểm ưu việt như khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, khử ISI do hiện tượng đa đường… Do đó, kết hợp 2 kỹ thuật này đang là một xu hướng mới của các hệ thống thong tin di động chất lượng cao trong tương lai. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật STBC kết hợp với OFDM để nâng cao chất lượng hệ thống. Mô hình kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM Xét hệ thống MIMO - OFDM với N song mang con, Nt anten phát và Nr anten thu như hình (3.9). Hình 3.9 : Mô hình hệ thống MIMO – OFDM Gọi là đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ i đến anten thu thứ j tại song mang phụ thứ k. Mô hình kênh truyền của hệ thống MIMO – OFDM tại song mang phụ thứ k có thể mô tả bằng ma trận H(k) : Tại anten thứ j, mẫu phức phát ở sóng mang phụ thứ k thu được có thể biểu diễn : (3.22) Trong đó là mẫu phức được phát trên sóng mang phụ thứ k của các OFDM symbol phát trên Nt anten phát STBC trong MIMO – OFDM (STBC – OFDM) Xét sơ đồ khối hệ thống Alamouti STBC kết hợp với kỹ thuật điều chế OFDM được biểu diễn như hình 3.9. Hình 3.10: Mô hình của STBC - OFDM Dữ liệu phát trước tiên được mã hóa bằng bộ STC encoder sử dụng mã hóa khối không gian thời gian của Alamouti. Mỗi dòng dữ liệu được mã hóa tương ứng tới một anten phát, mỗi anten phát sử dụng một bộ điều chế OFDM với N song mang phụ. Mã hóa không gian-thời gian được thực hiện cho mỗi kênh truyền con k ϵ {0, 1, …, N-1}. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta đưa vào 2 khối có độ dài N : (3.23a) (3.23b) vào trong bộ STC encoder, nó sẽ tạo ra khối như sau : (3.24) Mỗi luồng tín hiệu STBC đầu tiên được chuyển sang song song để đưa vào N kênh con. Do đó quy tắc mã hóa ở ma trận () có thể biểu diễn cho song mang phụ thứ k (3.25) Tức là tại khe thời gian t=1, anten thứ nhất phát X1[k] và anten thứ 2 phát X2[k] cùng lúc trên sóng mang con thứ k. Tại khe thời gian tiếp theo t=2, anten thứ nhất phát , anten thứ 2 phát cùng lúc trên cùng sóng mang con thứ k. Bộ IFFT biến đổi mỗi khối có chiều dài N mẫu phức từ STC encoder qua miền thời gian rồi chèn Ng mẫu lên trước khối, tức là thực hiện chèn CP. Chiều dài của ký tự OFDM lúc này trở thành N+Ng . Các tín hiệu STBC-OFDM của anten phát thứ i tại khe thời gian sau khi biến đổi IFFT : (3.26) Với trong đó [k] là một từ mã Alamouti được phát từ anten thứ i trên sóng mang con thứ k, trong các khe thời gian . Tín hiệu thu được trong miền thời gian ở máy thu tại sóng mang phụ thứ n, trong khe thời gian là : (3.27) Trong đó là một nhiễu Gauss trắng phức có trung binh bằng 0, biểu thị anten phát. Nếu độ dài CP được chọn là dài hơn trễ đa đường tối đa τmax=(L-1), sau khi loại bỏ CP và biến đổi FFT thì ta có tín hiệu thu được trong miền tần số tại mẫu phức thứ k ,, khe thời gian là : (3.28a) (3.28b) Trong đó : là đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ i đến anten thu trong khe thời gian t. Với kênh truyền block fading thì ta có : Và là nhiễu tại mẫu phức thứ k. Ta có thể viết lại công thức () (3.29) Trong đó ; Sau đó tín hiệu Y[k] sẽ được xử lý với CSI : (3.30) Bộ ML sẽ thực hiện việc giải mã tín hiệu bằng cách chọn tín hiệu trong chòm sao sao cho : (3.31) Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG Giới thiệu chương: Qua các chương trước, chúng ta đã thấy được những ưu điểm nổi bật mà hệ thống MIMO-OFDM mang lại trong việc nâng cao chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Ở chương này, chúng ta sẽ có cái nhìn trực quan hơn thông qua việc mô phỏng hệ thống trên kênh truyền block fading qua đó kiểm chứng lại tính chính xác về mặt lý thuyết. Hệ thống mô phỏng bằng MATLAB, chương trình được viết để tính và so sánh BER giữa các hệ thống: Các kiểu điều chế Không có OFDM Kết hợp OFDM STBC 2xM (m=1,2,4) So sánh mô hình Alamouti và MRRC Kênh truyền được sử dụng để mô phỏng là kênh truyền bị ảnh hưởng bởi block fading, có nghĩa đáp ứng tần số của kênh truyền trong các khoảng thời gian khối T được xem như phẳng. Để việc mô phỏng bớt phức tạp, ta giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền được biết chính xác tại máy thu (hoặc có thể hiểu bộ ước lượng tại máy thu hoạt động rất chính xác). Lưu đồ thuật toán: Nhập các thông số đầu vào: SNR, chiều dài FFT, CP, số packet, kiểu điều ché PSK error = 0 Gọi hàm con mô hình Alamouti ở máy thu Tạo ma trận h, chuỗi dữ liệu Gọi hàm con mô hình Alamouti ở máy phát Điều chế PSK, chèn pilot Bắt đầu Kết thúc i<=length(SNR) a<=NumPackets a++ i++ Tính BER F F T T Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính Tính IFFT b++ Chèn CP Tạo các ma trận IFFT và tx_almt Khởi tạo tín hiệu s1,s2, -s2*,s1* … Bắt đầu CT Kết thúc b<=loopt F T Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán mô hình Alamouti ở máy phát Biến đổi FFT ở đầu thu Giải mã STBC Đồng bộ Pilot Tách CP Tính nhiễu AWGN Bắt đầu CT nhận tín hiệu Kết thúc Tính số bit lỗi Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán mô hình Alamouti ở máy thu Mô phỏng: Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế: Hình 4.4 Các kiểu điều chế Nhận xét: Số mức điều chế tăng lên thì số bit lỗi sẽ tăng càng nhiều. Như vậy để tăng tốc độ đường truyền bằng cách tăng số mức điều chế thì chất lượng của đường truyền sẽ giảm tương ứng. Ta thấy khi M=4, tín hiệu MPSK cho tỉ lệ lỗi bit nhỏ hơn MQAM, nhưng với M=16 thì kết quả lại ngược lại. Lý do là với M8 thì MQAM lại lợi hơn về mặt năng lượng. Mô phỏng BER của hệ thống MIMO không có OFDM: Hình 4.5 Các mô hình phân tập không có OFDM Nhận xét: Eb/No càng tẳng thì tỉ lệ bit lỗi càng giảm. Với mô hình Alamouti tỉ lệ lỗi bit được cải thiện rõ rệt so với khi không phân tập Kỹ thuật phân tập thu MRRC(1Tx 2 Rx) cho kết quả BER tốt hơn so với Alamouti (2Tx 1Rx) do công suất phát trên mỗi anten của hệ thống Alamouti2x1 = 1/2 so với MRRC 1x2, nếu công suất phát như nhau thì hệ thống Alamouti2x1 sẽ cho chất lượng tốt hơn Mô phỏng các hệ thống kết hợp OFDM: Hình 4.6 Các mô hình phân tập kết hợp OFDM Nhận xét: Công suất tín hiệu trên nhiễu SNR cang lớn thì tỉ lệ lỗi bit BER càng giảm. Nguyên nhân là công suất tín hiệu cang lớn so với nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu càng không đáng kể, chất lượng tín hiệu được nâng cao hơn. Ta thấy khi kết hợp với OFDM, tỉ lệ lỗi bit được cải thiện đáng kể, nhờ kỹ thuật tối ưu mà OFDM mang lại, hầu hết các nhiễu được loại bỏ như nhiễu xuyên ký tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI, khả năng hạn chế và sửa lỗi bởi các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Mô phỏng STBC trong hệ thống MIMO-OFDM: Hình 4.7 STBC 2xM Nhận xét: Với cùng số anten phát, khi ta tăng số lượng anten thu thì tỉ lệ lỗi bit BER giảm. Càng sử dụng nhiều anten thu thì việc giải mã và chọn lọc tín hiệu càng tốt. Mô phỏng toàn bộ hệ thống: Hình 4.8 So sánh BER của các mô hình phân tập Nhận xét: Qua đồ thị 4.7, ta thấy hệ thống phân tập có tỉ lệ lỗi bit thấp hơn nhiều so với hệ thống không phân tập, và với bậc phân tập càng cao thì BER càng được cải thiện. Cùng một bậc phân tập, mô hình MRRC cho kết quả tố hơn so với Alamouti, do công suất tín hiệu trong mô hình Alamouti bị chia ra như đề cập ở trên. Mặc dù vậy, trong thực tế người ta ít sử dụng mô hình phân tập thu do hạn chế trong việc tích hợp anten vào thiết bị di động như kích thước giá thành. Ngược lại, với phân tập phát việc sử dụng nhiều anten ở đầu vào là khả thi, không bị giới hạn về không gian và công suất phát ở trạm gốc. Kết luận chương: Dựa trên những lý luận đã trình bày trong phần lý thuyết, ở chương này ta đã tiến hành xây dựng lưu đồ, mô phỏng và phân tich. Các kết quả mô phỏng tương đối chính xác với phần lý thuyết đã trình bày trước đó. Từ đó cho thấy việc áp dụng kỹ thuật STBC vào thực tế mang lại những hiệu quả kinh tế hết sức lớn lao. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Kỹ thuật phân tập anten là một cải tiến quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của kênh truyền, nó làm giảm bớt ảnh hưởng của fading đa đường trong hệ thống vô tuyến. Trong quá trình nghiên cứu và phát triển đề tài, đồ án đã tập trung vào các kỹ thuật phân tập phát và thu ưu điểm hiện nay. Mặt khác, đồ án cũng đã tìm hiểu những vấn đề cơ bản về kỹ thuật OFDM và kênh truyền vô tuyến tiến tới việc kết hợp các kỹ thuật phân tập với kỹ thuật OFDM đem lại hiệu quả rõ rệt về chất lượng kênh truyền. Từ những vấn đề lý thuyết được trình bày ở 3 chương đầu đến kết quả mô phỏng ở chương cuối, có thể thấy rằng sự kết hợp giữa kỹ thuật phân tập và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao đã mang lại cho hệ thống nhiều ưu điểm đáng kể. Đó là khả năng loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường nhờ tiền tố lặp CP, khả năng đáp ứng được tốc độ truyền dẫn cao với tỉ lệ lỗi bit BER cho phép và SNR hợp lí nhờ kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gian thời gian trên nhiều anten phát và thu. Đồ án còn rút ra một số nhận xét khi so sánh kỹ thuật phân tập phát và thu. Mặc dù kỹ thuật phân tập thu cho tỉ lệ BER tốt hơn nhưng tính thực tiễn của kỹ thuật phân tập phát lại lớn hơn. Việc tích hợp nhiều anten vào thiết bị di động gặp nhiều hạn chế, trong khi đó việc lắp đặt nhiều an ten ở trạm phát không bị giới hạn về không gian và công suất phát. Dù vậy, với sự phát triển của công nghệ, hiện nay việc tích hợp nhiều anten vào thiết bị di độn không còn nhiều trở ngại. Và vì vậy, kỹ thuật phân tập phát theo mã khối không gian thời gian càng có ý nghĩa và được ứng dụng nhiều vì nó có khả năng mở rộng cho nhiều anten thu để chất lượng kênh truyền càng tốt hơn nữa. Như vậy, dựa trên công trình nghiên cứu phân tập phát của Siavash M. Alamouti cho hệ thống đơn sóng mang trên kênh fading phẳng (không phụ thuộc tần số). Đồ án đã ứng dụng công trình toán học này vào hệ thống thu phát OFDM đa sóng mang trực giao trên kênh truyền đa đường lựa chọn tần số. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Do thời gian có hạn nên đồ án chỉ khảo sát hệ thống MIMO có 2 anten phát và M anten thu. Vì vậy hướng phát triển tiếp theo của đồ án là mở rộng số lượng anten phát. Ngoài ra đồ án mới chỉ giới hạn ở kênh truyền slow fading, mục tiêu phát triển của đồ án là tiếp tục khảo sát cho kênh truyền fast fading. Đồng thời chúng em sẽ tìm hiểu thêm về các loại mã hóa không gian-thời gian khác như mã hóa lưới STTC, mã hóa lớp BLAST. Từ đó sẽ có cái nhìn tổng quát hơn về hệ thống thông tin di động hiện nay. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đinh Đức Anh Vũ, “ Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) ”, Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. [2]. Nguyễn Lê Hùng , “Mobile Communications”, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng 2011. [3]. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến”, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông 2006. [4]. Branka Vucetic – Jihong Yuan, “ Space Time Coding ”, Willey and Sons 2010. [5]. Hamid Jafarkhani, “ Space Ttime Coding ”, Cambridge University 2001 [6]. Vinay K.Ingle, John G. Proakis “ Digital Signal Processing ”, Northeastern University, PWS Publishing Company 2006. [7]. Young Soo Chi, Jaek Won Kim, “MIMO-OFDM wireless communications”, Willey and Sons 2010. [8]. www.dsplog.com [9]. www.mathworks.com