Giới thiệu
Chương này giới thiệu khái quát về kỹ thuật MIMO-OFDM và thông tin di động.
Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động
Di động thế hệ thứ nhất, phát triển vào cuối những năm 70, sử dụng công nghệ FDMA (Frequency Division Multiplex Access) Một số hệ thống tiêu biểu cho thế hệ này bao gồm
AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ.
NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 Mhz.
NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900Mhz.
NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sử dụng.
Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại …
Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ kỹ thuật số với các phương pháp đa truy cập như TDMA (Phân chia theo thời gian) và CDMA (Phân chia theo mã) Hai chỉ số quan trọng của các hệ thống này là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và khả năng di động Một số hệ thống thông tin di động thế hệ hai tiêu biểu bao gồm:
GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thông tin di động toàn cầu.
IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do Qualcomm đề xuất.
IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiến của Mĩ do AT&T đề xuất.
PDC (Personal Digital Cell) là hệ thống thông tin di động băng hẹp của Nhật Bản, cho phép người dùng truy cập dữ liệu với tốc độ từ 8-13 Kbps Hệ thống này đã có sự phát triển mạnh mẽ trong những năm qua, góp phần vào việc cải thiện khả năng kết nối và truyền tải thông tin cá nhân.
Kể từ năm 1990, số lượng thuê bao di động đã tăng liên tục, kéo theo nhu cầu về các dịch vụ mới như truyền số liệu, roaming và yêu cầu chất lượng cuộc gọi ngày càng cao Điều này đã thúc đẩy các nhà thiết kế phát triển các hệ thống thông tin di động tiên tiến.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Trong bối cảnh phát triển công nghệ, ITU đã giới thiệu tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba mang tên IMT-2000, nhằm cải thiện tốc độ truy cập và mở rộng các loại hình dịch vụ Đề án này cũng đảm bảo tính tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, góp phần vào sự phát triển liên tục của lĩnh vực thông tin di động.
Vào đầu thập kỷ 2000, hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động Cả hai hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, giúp thiết lập tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba.
WCDMA là bước tiến mới trong công nghệ thông tin di động, phát triển từ các hệ thống thế hệ thứ hai như GSM, PDC và IS-136 sử dụng công nghệ TDMA Đồng thời, CDMA-2000 cũng là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống di động thế hệ 2 dựa trên công nghệ CDMA IS-95.
Việc chuyển đổi từ thế hệ hai sang thế hệ ba gặp nhiều khó khăn do sự khác biệt kỹ thuật giữa hai thế hệ Hiện nay, thế giới có xu hướng phát triển lên thế hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3 Các dịch vụ mạng mới và cải tiến, bao gồm nén dữ liệu người dùng, chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và tốc độ dữ liệu 144 Kbps, đang được chú trọng phát triển.
Thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) cung cấp dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng Các yêu cầu chung đối với hệ thống 3G bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng, chất lượng âm thanh và hình ảnh tốt, cũng như khả năng kết nối ổn định trong mọi điều kiện Việc phát triển hệ thống này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin.
Mạng cần phải có băng thông rộng và khả năng truyền tải đa phương tiện, đảm bảo tốc độ bit tối thiểu cho người sử dụng đạt 2Mbps.
Mạng cần cung cấp băng thông linh hoạt để đáp ứng yêu cầu tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau Đồng thời, cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, với tốc độ bit cao cho đường xuống và thấp cho đường lên.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Mạng cần đảm bảo thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, điều này có nghĩa là phải cung cấp kết nối chuyển mạch cho thoại, hỗ trợ dịch vụ video và khả năng số hóa các dịch vụ dữ liệu.
Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định nhất là đối với thoại.
Mạng di động cần có khả năng sử dụng toàn cầu, bao gồm cả thông tin vệ tinh, để đáp ứng các yêu cầu hiện đại Để giải quyết những thách thức trong lĩnh vực này, các kỹ thuật tiên tiến đã được phát triển nhằm cải thiện dung lượng hệ thống, tăng tốc độ truyền dữ liệu, nâng cao chất lượng dịch vụ và kéo dài tuổi thọ pin cho các thiết bị di động.
1.2.2 Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động.
Dung lượng của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị giới hạn do việc sử dụng các kỹ thuật đa truy cập như FDMA, TDMA và CDMA Những kỹ thuật này xác định người dùng thông qua việc cấp phát tần số, khe thời gian hoặc mã trải phổ duy nhất Tuy nhiên, phổ tần dành cho thông tin di động là có hạn Mặc dù CDMA có thể tăng dung lượng hệ thống, nhưng nó cũng gây ra sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ người dùng cao trong một cell, dẫn đến dung lượng hệ thống không được tối ưu.
Chất lượng dịch vụ di động giảm do fading và nhiễu khi người dùng di chuyển Hệ thống thông tin di động thế hệ ba cung cấp đa dạng dịch vụ, từ thoại và số liệu tốc độ thấp đến dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ tối đa có thể đạt tới 2MHz, nhưng chỉ khả thi trong các ô pico trong nhà, trong khi dịch vụ tốc độ 14.4Kbps sẽ được đảm bảo cho di động thông thường ở các ô macro.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.Trong đồ án này sẽ tập trung trình bày kỹ thuật này.
Môi trường vô tuyến trong thông tin di động
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp và phản ánh hoàn hảo tín hiệu gốc Tuy nhiên, trong thực tế, tín hiệu bị biến đổi trong quá trình truyền, dẫn đến tín hiệu nhận được là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ từ tín hiệu khác Điều quan trọng là kênh truyền có thể gây ra nhiễu và ảnh hưởng đến tần số sóng mang, đặc biệt khi máy phát hoặc thu di chuyển, tạo ra hiệu ứng Doppler Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính của kênh truyền, vì vậy việc hiểu rõ ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là rất cần thiết.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu, chịu ảnh hưởng từ nhiều loại nhiễu như nhiễu Gauss trắng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số và Fading nhiều tia Trong kênh truyền vô tuyến, tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa rất lớn, dẫn đến sự ảnh hưởng đáng kể từ Fading nhiều tia và Fading lựa chọn tần số.
Sự phản xạ xảy ra khi sóng điện từ được truyền đi và va chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng của chúng, như mặt đất và các tòa nhà cao tầng.
Sự nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị cản trở bởi một bề mặt có cạnh nhọn, dẫn đến việc hình thành các sóng phụ xung quanh vật cản Ở tần số cao, hiện tượng nhiễu xạ và phản xạ phụ thuộc vào hình dạng, biên độ, pha và sự phân cực của sóng đến tại điểm nhiễu xạ Mặc dù cường độ trường giảm nhanh khi bộ thu vào vùng chắn, nhưng cường độ nhiễu xạ vẫn tồn tại và có thể tạo ra tín hiệu có ích.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Sự tán xạ xảy ra khi sóng di chuyển qua môi trường có các vật thể nhỏ hơn bước sóng và mật độ vật cản cao Những bề mặt không đều, vật thể nhỏ và biến đổi bất thường trong kênh truyền đều góp phần tạo ra hiện tượng tán xạ Thực tế, các yếu tố như tán lá dày, bảng hiệu đường và cột điện đều ảnh hưởng đến tán xạ trong hệ thống thông tin di động.
Kỹ thuật OFDM, với khả năng truyền tín hiệu qua các sóng mang trực giao và phân chia băng thông thành nhiều băng con đều nhau, đã hiệu quả trong việc khắc phục ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số Các kênh con trong OFDM được xem như các kênh fading không lựa chọn tần số Bên cạnh đó, việc sử dụng tiền tố lặp (CP) giúp giảm thiểu tác động của fading nhiều tia, đồng thời đảm bảo sự đồng bộ ký tự và sóng mang.
Trạm di động (Mobile Station - MS) không chỉ tiếp nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều phiên bản của tín hiệu đó do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác Pha của tín hiệu nhận được là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng [0, 2] Theo lý thuyết giới hạn trung tâm, dạng sóng nhận được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải Do đó, hàm pdf của các thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình bằng không và phương sai đồng nhất theo định lý giới hạn trung tâm Hình bao pdf của chúng tuân theo phân bố Rayleigh.
Và phân bố của là:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh
Khi tín hiệu nhận được có một thành phần trội, như đường truyền trực tuyến, các thành phần đồng pha và vuông pha sẽ không còn có giá trị trung bình bằng không, mặc dù phương sai của chúng vẫn giữ nguyên Điều này dẫn đến hàm pdf của tín hiệu nhận được có phân bố Rician.
Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ khác:
Khi thành phần trội A bằng 0 và I0 bằng 1, hàm pdf Rician chuyển thành hàm pdf Rayleigh Nếu A lớn hơn nhiều so với σ, phân bố sẽ gần giống với phân bố Gaussian Do đó, kênh fading Rician được coi là trường hợp tổng quát nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading Về mặt BER fadingRician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K
1.3.1.3 Thống kê của fading. a) Fast fading.
Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh chóng so với tốc độ thay đổi của kênh sẽ xác định kênh đó là slow fading hay fast fading Trong kênh fast fading, đáp ứng xung thay đổi nhanh trong một chu kỳ symbol, thường do hiện tượng phản xạ nhiều tia từ các vật thể như nhà cửa hoặc rừng cây Fading thường được phân tích trong từng 1/2 bước sóng, và hình bao của tín hiệu nhận được trong fast fading thường tuân theo phân bố Rayleigh hoặc Rician.
Hai thông số quan trọng của fast fading là tốc độ vượt mức và thời gian fading trung bình Tốc độ vượt mức được định nghĩa là tổng số lần bị fading trong một khoảng thời gian chia cho khoảng thời gian đó Thời gian fading trung bình, tính bằng tổng thời gian của từng fading chia cho tổng số lần xảy ra fading, giúp ước đoán số bit bị lỗi trong một lần fading và từ đó lựa chọn phương thức mã hóa kênh phù hợp trong hệ thống Trong thực tế, fast fading chỉ xuất hiện với tốc độ dữ liệu rất thấp.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
Slow fading là hiện tượng thay đổi suy hao tín hiệu trung bình trong khoảng vài mét, chủ yếu do ảnh hưởng của địa hình và môi trường xây dựng giữa MS (Mobile Station) và BS (Base Station) Hiện tượng này thường tuân theo phân bố lognormal, dẫn đến việc hình bao của tín hiệu nhận được theo đơn vị dB tuân theo phân bố Gaussian Slow fading còn được gọi là hiện tượng bóng mờ trong truyền thông không dây.
Kênh truyền được phân loại thành fast fading và slow fading dựa trên tốc độ thay đổi của kênh do chuyển động, không phải dựa trên việc kênh đó là fading phẳng hay fading lựa chọn tần số Nhiều người thường nhầm lẫn fast fading và slow fading với fading diện rộng và fading diện hẹp Điều quan trọng là fast fading và slow fading liên quan đến tỉ lệ thời gian thay đổi của kênh so với tín hiệu phát, không liên quan đến mô hình suy hao đường truyền.
Tại anten phát, sóng vô tuyến được truyền đi theo mọi hướng dưới dạng hình cầu Dù sử dụng anten định hướng, sóng vẫn mở rộng hình cầu nhưng mật độ năng lượng được tập trung vào một khu vực cụ thể Do đó, mật độ công suất của sóng giảm theo tỷ lệ với diện tích mặt cầu, tức là cường độ sóng giảm theo bình phương khoảng cách.
Công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:
P R : Công suất tín hiệu thu được (W).
G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng).
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
: Bước sóng của sóng mang.
Hoặc ta có thể viết lại là:
Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
=-10logG T -10log10G R +20logf+20logR-47.6dB (1.7)
Truyền dẫn trong không gian tự do thường đơn giản, cho phép xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và liên lạc trực tiếp Tuy nhiên, với các tuyến thông tin trên mặt đất như di động và mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn trở nên phức tạp hơn, gây khó khăn trong việc tạo ra mô hình Đặc biệt, đối với các kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện không gian tự do không được thỏa mãn, cần áp dụng công thức tính suy hao đường truyền để đảm bảo hiệu suất truyền tải.
L pl 10log T 10log R 20log BS 20log 10 MS 40log (1.8) Với h BS , h MS k) Một số ví dụ về mã hóa khối bao gồm mã khối tuyến tính, mã Hamming và mã Reed Solomon.
Mã chập được xác định bởi ba thông số chính: n (số bit ra), k (số bit vào) và m (số bit trước đó) Trong đó, n bit đầu ra không chỉ phụ thuộc vào k bit đầu vào mà còn vào (m-1)k bit thông tin trước đó, được gọi là các bit trạng thái Đầu ra n bit được tạo ra bằng cách chập k bit đầu vào với một đáp ứng xung nhị phân Mã chập được xây dựng thông qua mạch dãy, với tỷ số mã R=k/n và tổng số ô ghi dịch là (k.m) ô.
Mã Trellis là một loại mã chập được cải tiến với tính năng mã hóa, mang lại hiệu quả tối ưu khi kết hợp với mã hóa M-QAM trên các sóng mang nhánh khác nhau Để giải mã, bên thu có thể áp dụng thuật toán Viterbi, một phương pháp giải mã hiệu quả.
Trong OFDM, việc kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ trên giản đồ thời gian – tần số là một giải pháp hiệu quả để khắc phục lỗi chùm thường gặp do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm này không thể sửa chữa bằng các loại mã hóa kênh thông thường Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, lỗi chùm được chuyển đổi thành các lỗi ngẫu nhiên, từ đó dễ dàng khắc phục bằng các phương pháp mã hóa kênh.
Sau khi mã hóa và xen kẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế bằng các phương pháp như BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Mỗi dòng bit được tổ chức thành các nhóm với số lượng bit khác nhau (1, 2, 4, 6) tương ứng với từng phương pháp điều chế Điều này có nghĩa là dạng điều chế phụ thuộc vào số bit đầu vào và cặp giá trị (I, Q) ở đầu ra.
Khi sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM, 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng với một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế này Trong số 6 bit, 3 bit LSB (b0, b1, b2) đại diện cho giá trị của I, trong khi 3 bit MSB (b3, b4, b5) biểu thị cho giá trị của Q.
2.5.4 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang cho phép truyền dữ liệu song song qua nhiều sóng mang phụ Để thực hiện điều này, mỗi kênh phụ cần có một máy phát sóng sin, cùng với một bộ điều chế và một bộ giải điều chế tương ứng.
Chương 2: KỸ THUẬT OFDM. 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.
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số 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 (2.15) giả sử f0 = 0, suy ra: fk = n∆f (2.16)
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:
Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.17) được viết lại như sau :
Nếu thỏa mãn điều kiện fT s 1, ( 1 )
, thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.18) được viết lại :
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
X = X (k ) (2.20) Ở đây, hàm ( m k )là hàm delta, được định nghĩa là :
So sánh độ phức tạp giữa kỹ thuật OFDM với điều chế đơn sóng mang
Một trong những lý do chính để sử dụng OFDM là khả năng giải quyết vấn đề delay spread với độ phức tạp hợp lý Trong hệ thống đơn sóng mang, độ phức tạp phụ thuộc vào bộ cân bằng, và cần phải lắp đặt khi delay spread lớn hơn 10% chu kỳ symbol Ngược lại, OFDM không yêu cầu bộ cân bằng, mà độ phức tạp chủ yếu đến từ bộ biến đổi FFT để giải điều chế các subcarrier Các ví dụ cho thấy modem OFDM có độ phức tạp thấp hơn đáng kể so với modem trong hệ thống đơn sóng mang khi cả hai cùng xử lý một lượng delay spread tương tự Chúng ta không sử dụng thuật ngữ "single-tap equalizer" vì nó không phản ánh đúng bản chất của hệ thống OFDM.
"Equalization" đề cập đến nỗ lực đảo ngược kênh truyền bằng cách tìm bộ lọc nghịch đảo để bù cho hiện tượng ISI, nhằm đảm bảo các tín hiệu đa đường đến đúng thời điểm thay vì bị trải ra Trong khi đó, bộ thu OFDM không khuếch đại các subcarrier bị suy yếu để cân bằng kênh truyền, mà để chúng mang ít thông tin hơn Cách tiếp cận này giúp OFDM hoạt động hiệu quả hơn trong việc xử lý tín hiệu.
Chương 2: KỸ THUẬT OFDM. tránh được vấn đề thường mắc phải trong kỹ thuật cân bằng tuyến tính là nhiễu tăng lên.
OFDM tỏ ra vượt trội hơn so với hệ thống đơn sóng mang khi xử lý các tín hiệu có độ trễ dải thông lớn Sự khác biệt về độ phức tạp giữa FFT và bộ cân bằng sẽ giảm khi cân bằng được thực hiện trong miền tần số, tuy nhiên, độ phức tạp sẽ tăng gấp đôi do cần sử dụng cả FFT và IFFT Một lợi thế của OFDM là FFT không yêu cầu các phép nhân đầy đủ mà chỉ cần các phép xoay pha, điều này có thể thực hiện hiệu quả bằng thuật toán CORDIC Việc xoay pha không làm thay đổi biên độ, giúp đơn giản hóa thiết kế điểm làm việc.
OFDM không chỉ giải quyết vấn đề phức tạp mà còn mang lại lợi ích vượt trội so với hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng Trong hệ thống đơn sóng mang, chất lượng hệ thống giảm nhanh chóng khi độ trễ vượt quá giới hạn cho phép, dẫn đến tăng xác suất lỗi bit mà không có cải thiện đáng kể từ các phương pháp mã hóa hoặc kích thước chòm sao thấp hơn Ngược lại, OFDM không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến khi xảy ra lỗi truyền dẫn, cho phép áp dụng các phương pháp mã hóa và chòm sao nhỏ hơn để nâng cao chất lượng hệ thống Điều này rất quan trọng vì nó mở rộng diện tích hoạt động của hệ thống và giúp người dùng ở vị trí kém kết nối vẫn có khả năng truy cập.
Kết luận chương
Kỹ thuật OFDM giúp hạn chế nhiễu và tiết kiệm băng thông trong truyền thông di động Mặc dù có một số khuyết điểm, nhưng những vấn đề này đã được khắc phục Chính vì vậy, công nghệ OFDM được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống như Wimax.
Vowifi, theo các tiêu chuẩn IEEE, là một kỹ thuật quan trọng sẽ hỗ trợ cho sự phát triển của các thế hệ di động thứ 3, thứ 4 và các thế hệ kế tiếp trong tương lai.
Giới thiệu
Kỹ thuật MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu.
Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i.
Hình 3.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu
Các kỹ thuật MIMO phổ biến bao gồm phân tập theo không gian, phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số, mã hóa khối không gian-thời gian, mã hóa lưới không gian-thời gian và ghép kênh không gian Những kỹ thuật này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và tăng cường độ tin cậy của hệ thống thông tin không dây.
3.1.1 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO.
Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.
Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống.
Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian.
Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
Bộ chuyển đổi MIMO Bộ giải chuyển đổi MIMO
* dữ liệu * vào dữ liệu ra
3.1.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO.
Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.
Kích thước của thiết bị di động tăng lên.
Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần.
Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO.
Dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO
Xét dung lượng kênh MIMO có Fading Rayleigh chậm trong trường hợp kết hợp cả phân tập thu và phát như Hình (3.1):
2 , P là công suất phát, W là băng thông, nR, nT lần lượt là số anten thu, phát, hi là hệ số của ma trận truyền H.
Ta thấy rằng, dung lượng hệ thống MIMO được cải thiện đáng kể so với trường hợp chỉ có một cặp anten thu phát truyền thống
Sơ lược phân tập
Phân tập là một kỹ thuật quan trọng nhằm nâng cao độ tin cậy của tín hiệu, bằng cách sử dụng nhiều kênh thông tin liên lạc với các đặc tính khác nhau Kỹ thuật này đóng vai trò thiết yếu trong việc chống lại fading, nhiễu đồng kênh và lỗi chùm Đặc biệt, phân tập rất hiệu quả trong truyền đa đường, mang lại độ lợi phân tập cao Độ lợi phân tập giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và khả năng truyền tải thông tin.
Chương 3: KỸ THUẬT MIMO. sự tăng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập hoặc có thể tính là sự rút gọn của công suất phát khi có phân tập.
Là sự truyền cùng một tín hiệu ở hai thời điểm khác nhau.
T: chu kì truyền tín hiệu. nT là thời điểm truyền tín hiệu; n� N.
Gọi x(nT), y(nT), h(nT), x %(nT) là tín hiệu truyền, nhận, tham số kênh truyền, tín hiệu ước lượng của tín hiệu truyền.
Tín hiệu nhận được: y(n1T) = h(n1T)*(n1T) + b(n1T) (3.3) y(n2T) = h(n2T)*(n2T) + b(n2T) (3.4) Tín hiệu ước lượng thu được: x%(n1T) = y(n1T)h(n1T) * + y(n2T)h(n2T) *
- Độ lợi phân tập tăng lên.
- Tác động của kênh truyền lên tín hiệu được cải thiện.
- Tuy nhiên, phân tập thời gian làm giảm tốc độ dữ liệu.
3.3.2 Phân tập tần số. Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát 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 Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau Trong thông tin di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang, nhảy tần Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu quả để tạo ra phân tập tần số 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.
Phân tập không gian là một kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực truyền thông, sử dụng nhiều anten hoặc các mảng anten được bố trí với khoảng cách phù hợp để đảm bảo tín hiệu trên các anten hoạt động độc lập Khoảng cách giữa các anten cần được điều chỉnh tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường truyền dẫn và tần số sử dụng Thông thường, khoảng cách này dao động trong khoảng vài bước sóng.
Phân tập không gian không gây tổn thất trong sử dụng hiệu quả băng tần như phân tập thời gian.
Hình 3.2: Mô hình phân tập không gian
Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten.
Tín hiệu vào x(nT) x(nT) x’(nT) combination (nT)
Phân tập không gian gồm có:
Trong hệ thống phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và ngang được phát và thu bằng hai anten phân cực khác nhau Điều này giúp tạo ra hai tín hiệu không tương quan mà không cần phải đặt hai anten cách xa nhau.
Trong phân tập phát, nhiều anten đựơc triển khai ở vị trí máy phát Tin được xử lí ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.
Trong hệ thống thu tín hiệu, việc sử dụng nhiều anten giúp thu nhận các bản sao độc lập của tín hiệu phát Những bản sao này được kết hợp nhằm nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm hiện tượng fading do nhiều đường truyền gây ra.
3.3.4 Các phương pháp kết hợp phân tập.
3.3.4.1 Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (SC). a) Bộ tổ hợp lựa chọn.
Trong bộ tổ hợp lựa chọn, anten có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao nhất sẽ được chọn và kết nối trực tiếp với máy thu Số lượng anten hoặc số phần tử của anten mảng càng nhiều thì khả năng đạt được tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu càng cao Thực tế, tín hiệu có năng lượng lớn nhất, bao gồm cả tín hiệu và nhiễu, sẽ được ưu tiên chọn Nhờ đó, dữ liệu đầu ra sẽ đạt chất lượng tốt nhất.
Hình 3.3: Mô hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn b)Bộ tổ hợp kiểu quét
Trong bộ tổ hợp kiểu quét, bộ quét sẽ kiểm tra tất cả các nhánh nhận được từ anten và chọn nhánh có tỷ số SNR cao hơn ngưỡng đã định Khi nhánh được chọn có SNR giảm xuống dưới ngưỡng, bộ quét sẽ tiến hành quét lại để tìm nhánh mới có SNR lớn hơn ngưỡng đã cho.
Hình 3.4: Bộ tổ hợp kiểu quét
3.3.4.2 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC).
Kỹ thuật này chuyển đổi tất cả các giá trị độ lợi của các nhánh thành các giá trị bằng nhau và giữ cho chúng không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động Kết quả đầu ra là tổng hợp của các tín hiệu đồng.
Chương 3: KỸ THUẬT MIMO. pha của tất cả các nhánh Là một trường hợp của phương pháp tổ hợp với tỉ số tối đa.
3.3.4.3 Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC).
Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa tối ưu hóa khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống bằng cách nhân trọng số tất cả M nhánh với các tỉ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng Sau đó, tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi tổng hợp, nhằm đảm bảo rằng tất cả các nhánh gộp lại theo pha, từ đó tạo ra tín hiệu đầu ra với tăng ích phân tập lớn nhất Tín hiệu tổng thu được chính là tín hiệu ra.
Phương pháp tổ hợp tỉ số tối đa mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp phân tập lựa chọn, tuy nhiên, nó có độ phức tạp cao hơn Điều này là do yêu cầu tín hiệu từ các nhánh phải hoàn toàn đồng pha và các trọng số cần được cập nhật một cách chính xác.
Hình 3.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại
Gọi ri, r, i là tín hiệu ngõ vào nhánh i, tín hiệu ngõ ra cuối cùng ở bộ nhận tín hiệu, hệ số đối trọng của tín hiệu vào nhánh i.
Gọi Ai và i là pha của tín hiệu nhánh i (ri).
Lúc đó giá trị i là: j i i i Ae
Suy ra, giá trị của r là:
Trong kết hợp tỉ số cực đại (MRC), tín hiệu từ các nhánh được trọng số và kết hợp để tối ưu hóa CNR tức thời Các kỹ thuật kết hợp tuyến tính được áp dụng nhằm đạt được hiệu suất cao nhất trong việc xử lý tín hiệu.
* Minh hoạ trường hợp đơn giản
“Qui tắc MRC cho 1 anten phát và 2 anten thu”
Hình 3.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx và 2Rx
Trong trường hợp tổ hợp tỉ số cực đại như hình trên, các tín hiệu tại máy thu sẽ là: r1 = h1 c0 + n1 (3.4) r2 = h2 c0 + n2 (3.5) ước lượng kênh ước lượng kênh
Tín hiệu thu tổ hợp sẽ là: c%0 = h1 * r1 + h2 * r2 = (1 2 2 2 )c 0h n 1 1 * h n 2 2 * (3.6)
Bộ tách hợp lệ tối ưu (ML) quyết định bằng thuật toán sau:
Bộ ML sẽ cực tiểu ma trận quyết định:
Triển khai biểu thức trên và loại bỏ các thành phần độc lập với các từ mã, thì việc tối giản ở trên sẽ là:
Qui tắc quyết định cho mỗi tín hiệu tổ hợp, ci được chọn là c0 khi và chỉ khi:
Trong đó ci , ck là 2 kí tự thuộc chòm sao kí tự mã hoá cho trước, ví dụ: 16QAM Như vậy ta đã thu được kí tự ‘c0’
Mã hóa không gian_thời gian
Mã hóa không gian-thời gian (STC) là một phương pháp cải thiện độ tin cậy của tín hiệu trong hệ thống liên lạc không dây bằng cách sử dụng đa anten STC sử dụng nhiều đường truyền và phiên bản của tín hiệu để gửi đến bộ thu, nhằm đảm bảo rằng ít nhất một tín hiệu thu được sẽ đủ chất lượng để giải mã với độ tin cậy cao, ngay cả khi tín hiệu phải truyền qua kênh không gian vật lý.
Mã hoá không gian thời gian có 2 loại chính:
Mã hoá khối không gian-thời gian.Tiếng Anh là Space Time Block Code (STBC).
Mã hoá lưới không gian-thời gian Tiếng Anh là Space Time Trellis Code(STTC).
Trong đề tài này em chỉ trình bày về mã hoá khối không gian-thời gian.
3.4.1 Mã hóa khối không gian thời gian (Space time block Codes).
STBC (Space-Time Block Coding) là một kỹ thuật trong truyền thông không dây, cho phép truyền nhiều phiên bản của dòng dữ liệu qua nhiều anten Kỹ thuật này tận dụng các phiên bản dữ liệu khác nhau để cải thiện chất lượng tín hiệu nhận Trong quá trình truyền, tín hiệu có thể bị thay đổi do các yếu tố như tán xạ, nhiễu xạ, khúc xạ và nhiễu nhiệt tại bộ thu, dẫn đến một số phiên bản dữ liệu có chất lượng tốt hơn so với những phiên bản khác.
STBC thì dữ liệu sẽ được truyền trong các khối đã được mã hoá và chúng được phân phối qua các anten không gian theo thời gian.
STBC được biểu diễn dưới dạng ma trận Mỗi hàng là một khe thời gian, mỗi cột là các tín hiệu truyền của một anten theo thời gian.
Sij là kí tự trên khe thời gian i, được truyền từ anten j.
T là số khe thời gian, nT là số anten truyền.
Tỉ lệ mã hoá (R) của STBC được tính bằng số kí tự được mã hoá trong một khối (k) trên số khe thời gian (T):
Rk (3.13) s 11 s 12 … s 1nT s 21 s 22 …….s 2nT s T1 s T2 ……s TnT Các anten truyền
STBC áp dụng kỹ thuật sắp xếp trực giao để điều chỉnh thứ tự tín hiệu tại các anten phát Điều này có nghĩa là hai vectơ từ hai cột bất kỳ trong ma trận sẽ có tính trực giao với nhau.
3.4.1.1 Mã hóa Alamouti. Đây là mã hoá khối không gian-thời gian với 2 anten phát.
Hình 3.7: Sơ đồ mã hoá Alamouti
Block Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau).
Tín hiệu tại anten thu:
Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian từ tín hiệu y1 và y2:
Thông tin nguồn Điều chế Mã hoá
- Sau khi tổng hợp trực giao không gian-thời gian, năng lượng nhiễu không thay đổi nhưng năng lượng tín hiệu tăng (Space Time diversity gain).
Với mã hóa khối không gian-thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu được duy trì ở mức tối đa (full rate) trong khi vẫn đạt được độ lợi phân cực tương đương với trường hợp sử dụng hai anten thu Điều này cho thấy rằng độ lợi phân cực của hai anten phát thấp hơn so với hai anten thu.
Với việc sử dụng nhiều anten thu, tín hiệu từ mỗi anten sẽ được tổng hợp, tạo ra độ lợi phân cực thu, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu tổng thể.
3.4.1.2 Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ a) Mã hoá
Tarokh đã tổng quát hóa ma trận STBC cho số anten phát bất kỳ (Tx 3, 4, 5, 6, 8 ) với tín hiệu thực như BPSK và PAM Tuy nhiên, đối với tín hiệu phức như QPSK, M-PSK và M-QAM, để đảm bảo tính đa dạng đầy đủ (full-diversity), Tarokh chứng minh rằng không tồn tại ma trận phát cho trường hợp số anten phát lớn hơn 4 Đối với số anten phát 3 và 4, cũng không tồn tại ma trận full-rate, với tỷ lệ tối đa đạt được là 3/4 Ma trận tín hiệu trực giao cho 3 và 4 anten phát đã được xác định cho cả tín hiệu thực và phức.
Full-rate matrix cho 3 anten phát (3 Tx)
Full-rate matrix cho 4 anten phát (4 Tx)
Rate 3/4 matrix for complex symbol:
4 anten Tx b) Giải mã STBC trong máy thu
Bộ giải mã trực giao STBC là giải mã tối ưu (maximum likelihood decoding) được thực hiện tại bộ thu với quá trình xử lí tuyến tính
Hình 3.8: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC
Nhằm làm rõ phương pháp mã hoá này, một hệ thống liên lạc không dây mẫu được xây dựng như sau:
Tại thời điểm t, tín hiệu r t j , nhận tại anten j, được cho bởi: j n i j r � c (3.18)
Trong đó ij là độ lợi đường từ anten truyền đến anten nhận j, ct i là tín hiệu được truyền tại anten i và nt j là nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN).
Giả sử rằng thông tin trạng thái kênh là hoàn hảo, bộ thu sẽ tính độ thông suốt quyết định:
Thông qua tất cả các từ mã : c c 1 1 1 2 c c c 1 2 2 n 1 2 c 2 n c c 1 2 l l c l n
Và quyết định chọn từ mã thích hợp sao cho tổng trên là nhỏ nhất.
Ví dụ: Giải mã với ma trận khối trong miền số thực.
Trong ma trận mã hoá, tín hiệu ở các hàng sau là hoán vị của hàng đầu tiên với sự thay đổi dấu Do các cột của ma trận trực giao với nhau từng đôi một, tổng số nhánh được rút gọn đến mức tối thiểu.
là liên hợp phức của t ( i ) j
Giá trị Si chỉ phụ thuộc vào ký tự mã si, ký tự nhận {r t j}, hệ số đường {α i, j} và cấu trúc trực giao của ma trận Số anten phát được ký hiệu là n = nT, trong khi số anten thu là m = nR Điều này cho phép tổng trong công thức (3.19) đạt giá trị nhỏ nhất trong (3.20) với điều kiện 1 ≤ i ≤ n.
Vì vậy định luật tách sóng tối ưu là để tạo một biến nhất định:
Trong ma trận mã hoá, k (i ) thể hiện dấu của si tại hàng thứ k, trong khi k xác định sự hoán vị tương ứng giữa các hàng Xác định ε k (p) = q cho thấy sp là hoán vị có thể khác dấu của thành phần (k, q) trong ma trận mã hoá Đối với i = 1, 2,…nT, việc chọn kí tự si trong “chòm sao” s (tập hợp các kí tự trong giản đồ số phức) phụ thuộc vào kiểu điều chế, dẫn đến các giản đồ khác nhau.
(3.22) với A là chòm sao Alphabet (Constellation Alphabet) Dù sự có mặt của nó, điều này thật đơn giản, mã hoá tuyến tính sẽ cung cấp phân tập tối ưu.
Kết luận chương
Kỹ thuật MIMO trong thông tin di động mang lại nhiều lợi ích, bao gồm hiệu suất phổ cao và độ tin cậy kênh truyền tốt Trong chương 3, các kỹ thuật MIMO phổ biến đã được trình bày, mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm riêng Do đó, các nhà khoa học thường kết hợp MIMO với các kỹ thuật khác để phát triển hệ thống MIMO hoàn chỉnh và tối ưu hơn, chẳng hạn như kết hợp STBC với mã ngoài (TCM hoặc Turbo) để tăng cường độ lợi mã hóa, cũng như tích hợp MIMO với kỹ thuật OFDM Chương tiếp theo sẽ đi sâu vào chi tiết về kỹ thuật và hệ thống MIMO-OFDM.