CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY
Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là một loại hệ thống thông tin không dây truyền thống, sử dụng một anten phát và một anten thu, với máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần cùng bộ điều chế và giải điều chế Hệ thống này thường được áp dụng trong lĩnh vực phát thanh, phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi và Bluetooth Dung lượng của hệ thống SISO phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu, được xác định theo công thức Shannon.
Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO
Hệ thống này sử dụng kỹ thuật Alamouti để cung cấp phân tập phát, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu trong Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động Ngoài ra, việc áp dụng Beamforming giúp tăng hiệu suất phát và mở rộng vùng bao phủ Khi máy phát nắm rõ thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống có thể tăng theo hàm logarit của số anten phát, được xác định gần đúng bằng một công thức cụ thể.
Hệ thống SIMO
Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO
Trong hệ thống này, máy thu có khả năng lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu để tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu, nhờ vào các thuật toán beamforming hoặc MMRC.
(Maximal- Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, được tính theo công thức:
Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu, giúp cung cấp phân tập phát và thu, từ đó nâng cao chất lượng hệ thống Ngoài ra, MIMO còn thực hiện Beamforming để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng công suất và giảm thiểu nhiễu Kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST cũng cải thiện đáng kể dung lượng hệ thống nhờ vào độ lợi ghép kênh Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể đạt được độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh cực đại, với dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
HỆ THỐNG MIMO
Kỹ thuật phân tập
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, kỹ thuật phân tập được áp dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của Fading đa đường và nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật này dựa trên việc nhận các bản sao tín hiệu phát tại bộ thu, với các sóng mang chứa thông tin giống nhau nhưng có sự tương quan Fading thống kê rất nhỏ Nguyên lý cơ bản là khi nhiều mẫu độc lập của tín hiệu bị ảnh hưởng bởi Fading, khả năng các mẫu này đồng thời chịu ảnh hưởng dưới một mức nhất định sẽ thấp hơn so với khả năng một vài mẫu độc lập bị ảnh hưởng Do đó, việc kết hợp các mẫu khác nhau một cách hợp lý sẽ giảm thiểu tác động của Fading và tăng cường độ tin cậy của tín hiệu Các phương pháp phân tập được sử dụng để đạt chất lượng mong muốn được phân loại thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian.
1 Phân tập thời gian Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Phân tập theo thời gian được thực hiện thông qua mã hóa và xen kênh Bài viết này sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và sử dụng xen kênh trong điều kiện độ lợi kênh truyền rất nhỏ.
Từ mã x 0 Từ mã x 1 Từ mã x 2 Từ mã x 3 h t t
Hình 2.1: Phân tập theo thời gian
Hình vẽ cho thấy rằng mã x2 sẽ bị triệt tiêu bởi Fading nếu không sử dụng bộ xen kênh Tuy nhiên, khi áp dụng bộ xen kênh, mỗi từ mã chỉ mất một ký tự, cho phép phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.
Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua các khe thời gian khác nhau, tại những điểm thu tín hiệu Fading không tương quan Khoảng cách thời gian tối thiểu cần thiết phải bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading.
Mã điều khiển lỗi là công cụ quan trọng trong hệ thống truyền thông, giúp cải thiện độ lợi mã so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để tạo ra sự phân tập thời gian, cho phép các phiên bản dư thừa của tín hiệu phát được gửi đến nơi thu Thời gian lặp lại các phiên bản tín hiệu được xác định bởi thời gian xen kênh, nhằm đạt được Fading độc lập tại bộ giải mã Mặc dù kỹ thuật này có thể gây ra trì hoãn do thời gian xử lý xen kênh, nhưng nó vẫn mang lại hiệu quả cao trong môi trường Fading.
Đồ án môn học về thông tin di động nhấn mạnh tầm quan trọng của thời gian nhất quán trong các kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền có hiện tượng fading chậm, việc xen kênh quá nhiều có thể gây ra sự trì hoãn đáng kể.
Trong phân tập tần số, các thành phần tần số khác nhau được sử dụng để phát cùng một thông tin, với khoảng cách giữa các tần số lớn hơn vài lần băng thông nhất quán nhằm đảm bảo rằng fading trên các tần số không tương quan Trong truyền thông di động, tín hiệu thường được phát dưới dạng dư thừa trong miền tần số, như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ, nhưng khi băng thông này lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu, làm cho trải phổ không hiệu quả trong việc cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số cũng có thể gây ra tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông không dây sử dụng sóng viba Kỹ thuật này áp dụng nhiều anten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu, với khoảng cách giữa các anten đủ lớn để đảm bảo tín hiệu không tương quan với nhau.
Khoảng cách giữa các anten phụ thuộc vào độ cao, môi trường lan truyền và tần số hoạt động, với khoảng cách điển hình là vài bước sóng để đảm bảo tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các phiên bản tín hiệu được truyền đến nơi thu, tạo ra sự dư thừa trong miền không gian Khác với phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông, điều này rất quan trọng cho truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành ba loại:
- phân tập anten phát (hệ thống MISO) Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
- phân tập anten thu (hệ thống SIMO)
- phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO)
Trong hệ thống anten thu, việc sử dụng nhiều anten cho phép nhận các phiên bản tín hiệu phát một cách độc lập Sự kết hợp hoàn hảo của các phiên bản này giúp tăng cường tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giảm thiểu hiện tượng Fading đa đường.
Độ lợi trong hệ thống MIMO
Beamforming là công nghệ giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn, từ đó tăng hiệu quả công suất, giảm nhiễu và cải thiện chất lượng kênh truyền Để thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng và thường hoạt động hiệu quả trong môi trường ít tán xạ Trong môi trường tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập, giúp tăng cường độ bao phủ của hệ thống.
2 Độ lợi ghép kênh không gian
Hình 2.3: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
Hệ thống MIMO tận dụng các kênh truyền song song từ đa anten ở cả phía phát và thu, cho phép phát tín hiệu độc lập và đồng thời ra các anten Điều này giúp tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số lượng kênh truyền song song.
The project focuses on mobile information systems, utilizing the V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) algorithm to maximize channel gain and enhance transmission capacity.
Hình 2.4: Không gian phân tập giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu thường xuyên thay đổi và bị ảnh hưởng bởi hiện tượng Fading theo không gian, thời gian và tần số, dẫn đến sự không ổn định của tín hiệu tại nơi thu Phân tập cung cấp cho bộ thu các bản sao tín hiệu qua các kênh truyền Fading khác nhau, cho phép bộ thu lựa chọn hoặc kết hợp các bản sao này nhằm giảm thiểu tỷ lệ sai bit (BER) và tăng cường độ tin cậy của hệ thống Để tối ưu hóa độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại Fading, các thuật toán như STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.
Để thiết kế hệ thống có dung lượng cao, tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp và khả năng chống nhiễu fading, cần phải đạt được sự cân bằng giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh.
Kỹ thuật mã hóa không gian và thời gian
1 Mã khối không gian thời gian STBC Để có thể cải thiện chất lượng lỗi của truyền dẫn nhiều anten người ta có khả năng kết hợp mã hóa chống lỗi với thiết kế phân tập phát Mã chống lỗi kết hợp với các phương pháp phân tập có thể vừa đạt được độ tăng ích mã lại vừa có lợi từ việc phân tập, tuy nhiên ta sẽ gặp phải vấn đề tổn thất về băng thông do việc dư thừa của mã
Hệ thống thông tin được nghiên cứu sử dụng mã không gian thời gian trên băng gốc với N T ăng-ten phát và N R ăng-ten thu Dữ liệu được phát đi được mã hóa bởi bộ mã hóa không gian thời gian, đảm bảo hiệu suất truyền tải tốt hơn.
Hình 2.5: Mô hình hệ thống băng gốc
Tại mỗi khoảng thời gian t, một khối gồm m symbol thông tin nhị phân được biểu diễn bởi:
C được đưa vào bộ mã hóa không gian-thời gian, nơi bộ mã này sẽ ánh xạ khối dữ liệu thành nhị phân m với NT symbol điều chế từ tập tín hiệu M.
Dữ liệu được mã hóa sẽ được chuyển đến bộ biến đổi nối tiếp/song song (S/P), tạo ra một chuỗi N T ký hiệu song song, được sắp xếp vào vectơ N T x1 cột.
Trong bài viết này, T đại diện cho phép chuyển vị của ma trận, trong khi N T là số lượng anten phát sóng Các đầu ra song song N T được phát đồng thời từ N T anten khác nhau, với mỗi symbol x t i (1 ≤ i ≤ N T) được phát bởi anten i Tất cả các symbol này được phát trong cùng một khoảng thời gian T giây, tạo thành một vectơ symbol được điều chế mã, được gọi là symbol không gian-thời gian.
STBC (Mã khối không gian-thời gian) là một kỹ thuật mã hóa tín hiệu được thiết kế để tối ưu hóa lợi ích từ phân tập không gian và phân tập thời gian trong các kênh truyền vô tuyến Kỹ thuật này giúp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất truyền tải dữ liệu trong môi trường không dây.
Mã STBC được biểu diễn dưới dạng ma trận, trong đó mỗi cột đại diện cho một khe thời gian và mỗi hàng biểu thị quá trình phát tín hiệu của một anten trong toàn bộ miền thời gian.
Hình 2.6: Ma trận mã STBC
Trong đó, s ij là symbol điều chế được phát từ anten thứ j vào khe thời gian thứ i Ở đây có T khe thời gian và N T anten phát và N R anten thu
Các định nghĩa trong STBC-MIMO
Tỷ lệ mã của một mã khối không gian được xác định bằng tỷ số giữa số symbol mà bộ mã hóa nhận vào và số khe thời gian của một khối Nếu một khối mã hóa chứa k symbol, thì tỷ lệ mã sẽ là r = k.
- Hiệu suất phổ của hệ thống: sec / b s s r r mr kmbit
Khi đó, ta có ma trận
Nếu ma trận D có hạng đầy đủ cho mọi cặp từ khác nhau x và x’, chúng ta sẽ đạt được sự phân tập tối đa NTNR.
2 Mã lưới không gian thời gian STTC
STTC là mã chập mở rộng cho hệ thống MIMO, cho phép phân tập đầy đủ và đạt được độ lợi mã cao Cấu trúc mã chập này rất phù hợp cho truyền thông vũ trụ và vệ tinh, nhờ vào việc sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng hiệu quả cao thông qua phương pháp giải mã phức tạp.
STBC xử lý độc lập từng khối ký tự đầu vào để tạo ra các vector mã độc lập, trong khi STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra các vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa.
Bộ mã hóa tạo ra các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu qua thanh ghi, với K tầng mỗi tầng chứa k bit Một bộ n phép cộng nhị phân sử dụng đầu vào từ K tầng sẽ tạo ra vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào Khi k bit dữ liệu được dịch vào tầng đầu tiên, chúng sẽ được chuyển tiếp vào các tầng kế tiếp Mỗi lần dịch k bit dữ liệu vào, một vector mã n bit mới sẽ được tạo ra.
K là số tầng của thanh ghi dịch, được gọi là độ dài ràng buộc (constraint length) của bộ mã Mỗi vector mã trong mã lưới phụ thuộc vào kK bit, bao gồm k bit dữ liệu đầu vào ở tầng đầu tiên và (K-1)k bit của K-1 tầng cuối của bộ mã hóa K-1 tầng cuối này được gọi là trạng thái của bộ mã hóa, trong khi chỉ có k bit dữ liệu đầu vào trong mã khối ảnh hưởng đến vector mã.
Tới bộ điều chế k bit
Hình 2.7: Sơ đồ mã lưới Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Mã lưới được thể hiện qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đồ trạng thái, mô tả sự chuyển đổi giữa các trạng thái dựa trên k bit dữ liệu đầu vào Ví dụ, với bộ mã lưới có k = 1, K = 3 và n = 2, quá trình này cho thấy sự biến đổi từ trạng thái hiện tại sang trạng thái tiếp theo.
Hình 2.8: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2
Trạng thái hiện tại Trạng thái kế tiếp Vector mã
Lưới mã Sơ đồ trạng thái
Hình 2.9: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2
Tín hiệu tại máy thu được giải mã bởi bộ giải mã tương quan tối đa không gian-thời gian STMLD (Space-Time Maximum Likelihood Decoder) thông qua thuật toán vector Viterbi Bộ STMLD chọn chuỗi dữ liệu được giải mã dựa trên đường mã có metric tích lũy nhỏ nhất Độ phức tạp của bộ giải mã tăng theo hàm mũ với số trạng thái trên giản đồ chòm sao và số trạng thái mã lưới Đối với bộ mã STTC có bậc phân tập D và tốc độ truyền dữ liệu R bps, độ phức tạp của bộ giải mã tỉ lệ với hệ số 2 R(D-1).
Ưu ,nhược điểm hệ thống MIMO
- Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng
- Khắc phục được nhược điểm của truyền đa đường để tăng dung lượng và chất lượng truyền dẫn
- Trong các hệ thống MIMO, phađinh ngẫu nhiên và trải trễ có thể được sử dụng để tăng thông lượng
- Các hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng băng thông và công suất
- Hệ thống MIMO chứa nhiều anten dẫn đến: tăng độ phức tạp, thể tích, giá thành phần cứng so với SISO
- Vì điều kiện kênh phụ thuộc vào môi trường vô tuyến nên không phải bao giờ hệ thống MIMO cũng có lợi
Khi có đường truyền thẳng (LOS), cường độ trường LOS cao tại máy thu cải thiện hiệu năng và dung lượng của hệ thống SISO, nhưng lại làm giảm dung lượng của hệ thống MIMO Nguyên nhân là do sự đóng góp mạnh của LOS dẫn đến tương quan cao hơn giữa các anten, từ đó làm giảm lợi ích của hệ thống MIMO.
Kết Luận
- Công nghệ MIMO cho phép các hệ thông tin có thể đạt được dung năng cao hơn và kết nối tin cậy hơn các hệ hiện có
- Hệ MIMO bằng việc sử dụng nhiều anten ở cả máy phát và máy thu, đã biến nhược điểm của việc truyền đa đường thành ưu thế của nó
Hệ MIMO cho phép tăng dung năng tuyến tính tương ứng với số lượng anten mà hệ thống sử dụng, mà không cần phải gia tăng độ rộng băng thông hay công suất phát.
Hệ MIMO nổi bật với khả năng phân tập vượt trội so với các hệ không dây hiện tại Tốc độ truyền dữ liệu của hệ MIMO có thể được nâng cao khi áp dụng mã không gian-thời gian, miễn là khoảng cách giữa các anten đủ lớn và môi trường có độ fading phong phú.
KỸ THUẬT OFDM
Tính trực giao trong OFDM
Một tín hiệu được coi là trực giao khi nó độc lập với các tín hiệu khác Tính trực giao cho phép truyền tải nhiều thông tin đồng thời qua một kênh chung mà không gây nhiễu Sự mất tính trực giao là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm tín hiệu trong lĩnh vực viễn thông.
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách phân bổ cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang khác nhau Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin, với mỗi sóng mang có chu kỳ tương ứng với một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu Điều này có nghĩa là để truyền một ký hiệu, cần một số nguyên lần của chu kỳ Hình 3.1 minh họa tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.
Hình 3.1: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM
Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) thể hiện miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 tương ứng với số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Hình (1b), (2b), (3b), (4b) minh họa miền tần số thông qua biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu Hình cuối cùng trình bày tín hiệu tổng hợp từ 4 sóng mang phụ.
Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (2.1)
Các sóng mang này tương tác trực tiếp với nhau, và khi phân tích sóng của hai sóng mang bất kỳ trong khoảng thời gian T, kết quả thu được sẽ bằng không Đồ án môn học này tập trung vào lĩnh vực thông tin di động.
Mô hình hệ thống
Hình 3.2: Mô hình hệ thống OFDM.
Mã hóa kênh
- Tín hiệu qua kênh truyền sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, can nhiễu , fading, Do đó, tín hiệu ở đầu thu sẽ bị sai so với tín hiệu truyền
- Kỹ thuật mã hóa kiểm soát lỗi có thể tách và sửa lỗi xảy ra khi thông điệp được truyền trên hệ thông thong tin số
Mã hóa kênh là phương pháp bảo vệ dữ liệu khỏi sai sót bằng cách thêm các bit dư thừa Những bit dư này giúp bộ giải mã nhận diện và sửa chữa lỗi xảy ra trong quá trình truyền tải thông tin.
- Mã hóa kênh không làm giảm lỗi bit truyền mà chỉ là giảm lỗi bit dữ liệu
- Các loại mã hóa FEC(Forward errỏ control) trong hệ thống thông tin:
+ Mã hóa khối (Block Codes)
Mã hóa khối tuyến tính + Mã hóa chập (Convolutional Codes)
Hệ thống OFDM sử dụng mã hóa khối Reed-Solomon và mã hóa chập để sửa sai bit khi sóng mang bị ảnh hưởng bởi fading chọn lọc tần số và ICI do fading nhanh gây ra.
Kỹ thuật phân tán dữ liệu
Bộ xáo trộn, hay còn gọi là bộ đan xen (Interleaving), là một quy trình thực hiện hoán vị trật tự của chuỗi gốc dựa trên một mối quan hệ xác định.
Fading chọn lọc tần số trong kênh truyền vô tuyến thường gây ra chùm lỗi liên tiếp (bursty error) nhiều hơn so với lỗi phân tán ngẫu nhiên do tác động của AWGN Hầu hết các mã tiền sửa lỗi FEC không thể xử lý hiệu quả lỗi chùm, vì vậy cần sử dụng bộ đan xen để chuyển đổi lỗi chùm thành lỗi phân tán ngẫu nhiên Điều này cho phép áp dụng các bộ mã chập và mã khối để thực hiện việc sửa lỗi.
+ Đan xen khối (Block Interleaving)
+ Đan xen chồng chập / Chéo (Convolutinal or cross interleaving)
Nhìn chung thì mục đích cuối cùng của việc thực hiện Interleaving là đảm bảo cho xác suất xuất hiện bit 1 và bit 0 là đều nhau.
Chuyển đổi song song/nối tiếp, nối tiếp/song song
Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN (không có fading):
Với : - B là băng thông của kênh truyền [Hz]
- S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Để truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn C max, cần chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn C max Việc này có thể thực hiện thông qua bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song (Serial/Parallel).
Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài : k ×b Bit (k ≤ N) với : - b là số bit trong mô hình điều chế số
Để đảm bảo các luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp, cần chọn số sóng mang N và k sao cho băng thông tương ứng đủ hẹp, giúp hàm truyền trong khoảng băng thông đó trở nên phẳng Việc sử dụng bộ chuyển đổi S/P cho phép chuyển đổi kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng.
Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất
Hình 3.4: Bộ chuyển đổi P/S Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Điều chế sóng mang con
OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, cho phép truyền dữ liệu song song thông qua nhiều sóng mang phụ chứa các bit thông tin Phương pháp này giúp tối ưu hóa băng thông tín hiệu và giảm thiểu nhiễu giữa các ký tự, mang lại hiệu suất truyền tải cao hơn trong các hệ thống truyền thông.
Hình 3.5: Điều chế đa sóng mang con
Khi truyền tín hiệu bằng nhiều sóng mang thay vì chỉ một, mỗi sóng mang sẽ tải một phần dữ liệu có ích và phân bổ đều trên băng thông Điều này giúp giảm thiểu mất mát dữ liệu, vì nếu một sóng mang bị ảnh hưởng xấu, chỉ một phần dữ liệu bị mất, và dữ liệu còn lại từ các sóng mang khác có thể được sử dụng để khôi phục thông tin.
Trong hệ thống FDM truyền thống, các sóng mang được phân cách bởi khoảng trống để tín hiệu thu có thể được nhận qua các bộ lọc và giải điều chế thông thường, nhưng điều này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Ngược lại, trong OFDM, các sóng mang có thể được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng chồng lên nhau mà không gây can nhiễu, cho phép tín hiệu được thu chính xác Để đạt được điều này, các sóng mang phải có tính chất trực giao về mặt toán học.
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu vào mỗi luồng có thể được điều chế bằng các kỹ thuật như BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM Tín hiệu đầu vào là một chuỗi M bits, và tín hiệu đầu ra được biểu diễn dưới dạng số phức d n = a n + b n, bao gồm các thành phần I và Q.
64 64-QAM 1, 3, 5, 7 Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
VII Kỹ thuật IFFT và FFT
OFDM, hay 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 yêu cầu một máy phát sóng sin, bộ điều chế và bộ giải điều chế Tuy nhiên, khi số lượng kênh phụ tăng lên đáng kể, phương pháp này trở nên kém hiệu quả và thậm chí có thể không khả thi.
Để giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được sử dụng thay thế cho các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế và giải điều chế trong từng kênh phụ Thuật toán FFT/IFFT giúp thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn, giảm thiểu số phép nhân phức cần thiết trong quá trình thực hiện.
Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là: ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f k = f 0 + k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:
Là tín hiệu băng gốc Ở băng gốc:
+ Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s /N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín hiệu, phương trình (2.2) được viết lại như sau:
N s n a a e s k X T x t x Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
+ Nếu thỏa mãn điều kiện:
Thì các sóng mang sẽ trực giao với nhau, lúc này phương trình trên 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 (k ) Ở đây, hàm ( m k ) là hàm delta, được định nghĩa là:
Mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T S được bổ sung bằng một chuỗi bảo vệ dài T G, được sao chép từ phía sau lên phía trước Việc sao chép này giúp giảm thiểu nhiễu ISI (nhiễu liên ký tự) do hiệu ứng đa đường gây ra.
Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Máy phát phát ra tín hiệu hình sin có chu kỳ T = TS + TG, và do hiệu ứng đa đường, tín hiệu đến máy thu qua nhiều tuyến đường với độ trễ khác nhau Trong trường hợp đơn giản, chỉ có hai tuyến truyền dẫn được xem xét: một tuyến không có trễ và một tuyến có trễ τmax Tín hiệu thứ (k-1) trên tuyến đầu tiên không bị chồng lấn với tín hiệu thứ k, trong khi trên tuyến thứ hai, tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang tín hiệu thứ k do trễ truyền dẫn Tín hiệu thu được là tổng của tất cả các tín hiệu từ các tuyến Mặc dù trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu ISI trong các phương pháp điều chế thông thường, hệ thống OFDM sử dụng chuỗi bảo vệ để loại bỏ nhiễu này Nếu TG ≥ τmax, phần chồng lấn gây nhiễu ISI chỉ nằm trong chuỗi bảo vệ, đảm bảo khoảng tín hiệu có ích TS không bị chồng lấn Chuỗi bảo vệ sẽ được loại bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM, và điều kiện quan trọng để hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI là việc sử dụng chuỗi bảo vệ hiệu quả.
Hình 3.6: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI
Việc áp dụng chuỗi bảo vệ giúp duy trì tính trực giao của sóng mang phụ, từ đó đơn giản hóa cấu trúc bộ ước lượng kênh truyền và bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên, chuỗi bảo vệ không chứa thông tin hữu ích, dẫn đến việc phổ tín hiệu của hệ thống bị giảm đi một hệ số nhất định.
Hình 3.7: Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI
Hình 3.8a Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Hình 3.8: Thành phần của ký tự OFDM thu được khi truyền qua kênh Multipath,
(a) không có khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ
Hình 3.9a Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Hình 3.9: Những ký tự OFDM thu được sau khi truyền qua kênh truyền Multipath, (a) không khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ
Hình 3.8 minh họa khái niệm chèn khoảng thời gian bảo vệ trong hệ thống OFDM, trong khi hình 3.9 thể hiện cách khoảng bảo vệ giúp loại bỏ ISI giữa các ký tự OFDM Ở hình 3.9 (a), ký tự OFDM bị can nhiễu bởi ký tự trước đó, nhưng ở hình 3.9 (b), ký tự OFDM không còn bị ảnh hưởng Khoảng thời gian bảo vệ không mang dữ liệu có ích, vì máy thu bỏ qua tất cả tín hiệu trong khoảng này Việc chọn khoảng bảo vệ liên quan đến thời gian trễ của echo và số lượng sóng mang, thường được tạo ra bằng cách lặp lại một tỷ lệ của dòng bit tích cực từ chu kỳ trước đó, như 1/4, 1/8, 1/16 hoặc 1/32 thời gian của symbol tích cực Ý tưởng này đã xuất hiện từ giữa những năm 1980, nhưng do hạn chế công nghệ thời đó, phương pháp này chỉ được áp dụng thực tiễn gần đây nhờ vào sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp.
Chuỗi symbol rời rạc s[n] sau khi được chèn khoảng bảo vệ ΔG sẽ được chuyển đổi qua bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A, kết hợp với bộ lọc thông thấp, nhằm tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để truyền qua kênh vô tuyến.
Bộ chuyển đổi A/D thực hiện quá trình ngược lại với bộ D/A bằng cách lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được s’(t), sau đó lượng tử hóa và mã hóa để tạo ra tín hiệu số rời rạc Tín hiệu này sẽ tiếp tục được xử lý qua bộ Guard Interval Removal nhằm loại bỏ khoảng bảo vệ.
X Up converter và Down converter
Các bộ Up-Converter và Down-Converter là thiết bị quan trọng trong việc đổi tần số cân băng Sau khi tín hiệu được chuyển đổi từ D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) được nâng lên tần số cao thành sRF(t) để anten phát có thể bức xạ tín hiệu ra không gian Tại phía thu, tín hiệu rRF(t) từ anten phát sẽ được hạ tần số xuống thành tín hiệu r(t) thông qua bộ Down-Converter.
Hình 3.11: Bộ up-converter và down-converter
Hình 3.12: Ý tưởng về bộ cân bằng
Mong muốn ngõ ra là dữ liệu gửi đi ( ) nên:
⟺ ( ) ( ) = 1 Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
⟺ ( ) ( ) Tuy nhiên, đáp ứng kênh truyền thay đổi theo thời gian
Bộ cân bằng là một bộ lọc có đáp ứng nghịch đảo với kênh truyền, và nó cần phải có khả năng điều chỉnh theo sự thay đổi của kênh truyền Điều này dẫn đến việc sử dụng bộ cân bằng thích nghi để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
XII Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con
Các hệ thống OFDM có khả năng chống chịu fading tốt hơn so với các hệ thống sóng mang đơn nhờ vào việc phân chia kênh thông tin thành nhiều kênh con phẳng, băng hẹp.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol
Khoảng bảo vệ
Một tín hiệu OFDM có độ dài T S thường sử dụng chuỗi bảo vệ dài T G, được sao chép từ phần cuối và thêm vào phía trước của tín hiệu Việc sao chép này giúp giảm thiểu nhiễu ISI (nhiễu liên ký tự) do hiệu ứng đa đường gây ra.
Nguyên tắc này được giải thích như sau:
Máy phát phát đi tín hiệu hình sin với chiều dài T S, sau khi chèn chuỗi bảo vệ có chu kỳ T = TS + TG Do hiệu ứng đa đường, tín hiệu đến máy thu qua nhiều tuyến đường với trễ truyền dẫn khác nhau Hình minh họa chỉ ra tín hiệu thu được từ hai tuyến truyền dẫn: một không có trễ và một có trễ τmax Tín hiệu thứ (k-1) trên tuyến đầu tiên không chồng lấn lên tín hiệu thứ k, trong khi trên tuyến thứ hai, tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang tín hiệu thứ k do trễ Tín hiệu thu tại máy thu là tổng của tất cả các tín hiệu từ các tuyến Sự dịch chuyển tín hiệu này gây ra nhiễu ISI trong các phương pháp điều chế thông thường, nhưng hệ thống OFDM với chuỗi bảo vệ có khả năng loại bỏ nhiễu này Nếu TG ≥ τmax, phần chồng lấn gây nhiễu ISI chỉ nằm trong chuỗi bảo vệ, trong khi tín hiệu có ích dài T S không bị chồng lấn Chuỗi bảo vệ sẽ bị loại bỏ trước khi gửi đến bộ giải điều chế OFDM, đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI.
Hình 3.6: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI
Việc áp dụng chuỗi bảo vệ giúp duy trì tính trực giao của các sóng mang phụ, từ đó đơn giản hóa cấu trúc bộ ước lượng kênh truyền và bộ cân bằng tín hiệu ở phía máy thu Tuy nhiên, chuỗi bảo vệ không chứa thông tin có ích, dẫn đến việc phổ tín hiệu của hệ thống bị giảm đi một hệ số nhất định.
Hình 3.7: Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI
Hình 3.8a Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Hình 3.8: Thành phần của ký tự OFDM thu được khi truyền qua kênh Multipath,
(a) không có khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ
Hình 3.9a Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Hình 3.9: Những ký tự OFDM thu được sau khi truyền qua kênh truyền Multipath, (a) không khoảng bảo vệ, (b) có khoảng bảo vệ
Khoảng thời gian bảo vệ trong hệ thống OFDM giúp loại bỏ hiện tượng ISI giữa các ký tự OFDM, như minh họa trong hình 3.8 và 3.9 Hình 3.9 (a) cho thấy ký tự OFDM bị can nhiễu, trong khi hình 3.9 (b) thể hiện ký tự không còn bị ảnh hưởng Khoảng bảo vệ này không mang dữ liệu hữu ích và được thiết kế dựa trên thời gian trễ của echo cũng như số lượng sóng mang Thực tế, khoảng thời gian bảo vệ được tạo ra bằng cách lặp lại một tỷ lệ của dòng bit tích cực từ chu kỳ trước đó, với các tỷ lệ như 1/4, 1/8, 1/16, hoặc 1/32 thời gian ký hiệu tích cực Ý tưởng này đã xuất hiện từ giữa những năm 1980, nhưng do hạn chế công nghệ lúc bấy giờ, phương pháp này chỉ được áp dụng thực tiễn gần đây nhờ vào sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp.
Biến đổi D/A, A/D
Sau khi chèn khoảng bảo vệ ΔG, chuỗi symbol rời rạc s[n] sẽ được chuyển đổi bằng bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và qua bộ lọc thông thấp, tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để truyền qua kênh vô tuyến.
Bộ chuyển đổi A/D thực hiện quá trình ngược lại với bộ D/A, lấy mẫu tín hiệu OFDM thu được s’(t), sau đó lượng tử và mã hóa để tạo ra tín hiệu số rời rạc Tín hiệu này sẽ được xử lý qua bộ Guard Interval Removal nhằm loại bỏ khoảng bảo vệ.
Up converter và Down converter
Các bộ Up-Converter và Down-Converter là những thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi tần số cân băng Sau khi tín hiệu s(t) được biến đổi qua bộ D/A và lọc thông thấp, nó sẽ được nâng lên tần số cao để tạo thành tín hiệu sRF(t), giúp anten phát dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian Tại phía thu, tín hiệu rRF(t) nhận được từ anten phát sẽ được chuyển đổi xuống thành tín hiệu r(t) thông qua bộ Down-Converter.
Hình 3.11: Bộ up-converter và down-converter.
Bộ cân bằng
Hình 3.12: Ý tưởng về bộ cân bằng
Mong muốn ngõ ra là dữ liệu gửi đi ( ) nên:
⟺ ( ) ( ) = 1 Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
⟺ ( ) ( ) Tuy nhiên, đáp ứng kênh truyền thay đổi theo thời gian
Bộ cân bằng là một bộ lọc có đáp ứng ngược lại với kênh truyền, và nó cần phải có khả năng thay đổi linh hoạt theo từng kênh truyền cụ thể, được gọi là bộ cân bằng thích nghi.
Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con
Hệ thống OFDM có khả năng chống lại hiện tượng fading tốt hơn so với các hệ thống sóng mang đơn nhờ vào việc chia kênh thông tin thành nhiều kênh con phẳng và hẹp.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol
Hệ thống OFDM có khả năng khôi phục các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh bằng cách sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp
Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế
OFDM có khả năng bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn, gây ra vấn đề nghiêm trọng do tỷ số PARR cao khi sử dụng bộ khuếch đại công suất ở miền bão hòa Nếu tỷ số PARR của tín hiệu OFDM lớn hơn mức cho phép, nó sẽ dẫn đến nhiễu xuyên điều chế, làm tăng độ phức tạp của các bộ chuyển đổi analog sang digital và ngược lại Hơn nữa, việc rút ngắn tín hiệu sẽ tạo ra méo nhiễu trong băng và bức xạ ngoài băng, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng tín hiệu.
Hệ thống OFDM nhạy cảm hơn với tần số offset và sự trượt của sóng mang so với các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong OFDM phức tạp hơn, vì tần số offset của sóng mang gây ra nhiễu cho các sóng mang con trực giao Điều này dẫn đến hiện tượng nhiễu liên kênh, làm giảm hiệu suất hoạt động của các bộ giải điều chế một cách nghiêm trọng.
Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM
KẾT HỢP KỸ THUẬT OFDM VỚI HỆ THỐNG MIMO
Tổng quan
Các hệ thống thông tin không dây đang được nghiên cứu để nâng cao chất lượng và dung lượng, đồng thời cải thiện khả năng chống lại hiện tượng đa đường Chất lượng tín hiệu có thể được cải thiện thông qua việc tăng công suất, trong khi dung lượng hệ thống có thể tăng khi băng thông được mở rộng Tuy nhiên, công suất phát chỉ có thể tăng đến một mức giới hạn nhất định, vì việc tăng công suất sẽ tạo ra nhiễu cho các hệ thống thông tin lân cận Bên cạnh đó, băng thông cũng không thể tăng mãi do đã có quy chuẩn phân bổ sẵn.
Hệ thống MIMO có khả năng tăng dung lượng kênh truyền và cải thiện chất lượng hệ thống thông qua ghép kênh không gian (V-BLAST) và phân tập tại phát và thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất hay băng thông Kỹ thuật OFDM cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao một cách hiệu quả bằng cách chia thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp, giúp chống fading chọn lọc tần số Khi N kênh truyền con đủ lớn, chúng sẽ chịu fading phẳng, đồng thời OFDM cũng loại bỏ hiệu ứng ISI với khoảng bảo vệ lớn Việc áp dụng OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer, cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số Sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM hứa hẹn sẽ tạo ra giải pháp tối ưu cho hệ thống thông tin không dây băng rộng trong tương lai.
Hình 4.1: Các chuẩn thông tin không dây của IEEE
Chuẩn thông tin không dây của IEEE, như được mô tả trong Hình 4.1, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ bit và vùng bao phủ Các chuẩn có màu sậm dự kiến sẽ tích hợp hệ thống MIMO-OFDM trong tương lai, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này.
Hệ thống MIMO OFDM
Hệ thống MIMO-OFDM bao gồm N T anten phát và N R anten thu, với kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ Cấu trúc chi tiết của từng khối trong hệ thống được trình bày rõ ràng trong chương II và chương III.
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM
Hình 4.3: Sơ đồ khối bộ phát OFDM
Hình 4.4: Sơ đồ khối bộ thu OFDM
Symbol thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau:
Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Với: X j (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM
V i (k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i trong miền tần số, tức là N-FFT của nhiễu trong miền thời gian v i (t)
Độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i tại sóng mang phụ thứ n được ký hiệu là ij(k), và nó chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh truyền Cij(t) Nếu máy thu có khả năng ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền, thì ij(k) sẽ được xác định chính xác cho mỗi symbol OFDM Để hiểu rõ hơn về bản chất của hệ thống MIMO-OFDM, chúng ta sẽ thiết lập công thức chi tiết ở phần sau.
Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau
Hình 4.5 minh họa ma trận H, cho thấy kỹ thuật OFDM chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con với fading phẳng Hệ thống MIMO-OFDM có thể được xem như là một hệ thống MIMO.
Ma trận kênh truyeàn H Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Hình 4.5: Ma trận kênh truyền
Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích hệ thống MIMO-OFDM Alamouti nhằm đạt được độ lợi phân tập tối đa, qua đó tối ưu hóa chất lượng hệ thống Đồng thời, chúng ta cũng sẽ xem xét hệ thống MIMO-OFDM V-BlAST với mục tiêu đạt được độ lợi lớn nhất, nhằm tăng cường dung lượng hệ thống thông tin không dây trong môi trường fading chọn lọc tần số.
Giới thiệu mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti, như được thể hiện trong Hình 4.6, bao gồm các khối cơ bản nhằm tối ưu hóa độ lợi phân tập trong môi trường fading chọn lọc tần số Sơ đồ Alamouti nổi bật nhờ vào cấu trúc phần cứng đơn giản nhưng hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu.
Hình 4.6: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti
Hình 4.7: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti
Tại phía phát dữ liệu sau khi được bộ mapper điều chế sẽ được đưa qua biến đổi nối tiếp sang song song và đưa vào 2 vector N symbol X1 và X2
Ta kí hiệu F -1 là ma trận biến đổi IFFT và F là ma trận biến đổi FFT
Trong chu kỳ symbol k, X1 được xử lý qua bộ biến đổi IFFT để tạo ra khối N symbol, với công thức s1 = F -1 X1 Sau khi s1 được chèn khoảng bảo vệ CP, vector dữ liệu sẽ được phát từ anten thứ nhất Tương tự, trong cùng chu kỳ symbol k, X2 cũng được đưa qua bộ IFFT để tạo ra khối N symbol, với công thức s2 = F -1 X2, và sau khi chèn khoảng bảo vệ CP, vector dữ liệu sẽ được phát từ anten thứ hai.
Trong chu kỳ symbol thứ k+1, X 1 sẽ được cho qua bộ đảo và lấy liên hiệp phức khi cho qua IFFT để tạo ra khối N symbol
2 F X s Với ký hiệu X 1 * cho liên hợp của X
Sau khi chèn khoảng bảo vệ CP cho tín hiệu thứ hai, dữ liệu sẽ được chuyển đến anten thứ hai Trong chu kỳ symbol k+1, tín hiệu X2 sẽ được xử lý qua bộ đảo và lấy liên hiệp phức, trước khi được đưa vào IFFT để tạo ra khối N symbol.
Sau khi chèn khoảng bảo vệ CP, vector dữ liệu sẽ được truyền đến anten đầu tiên Quá trình phát sóng sẽ lặp lại quá trình trình bày trong các chu kỳ symbol k và k+1.
Tại phía thu, vector thu sau khi được loại bỏ khoảng bảo vệ có dạng sau:
Ma trận vòng của kênh truyền từ anten phát thứ nhất tới anten thu được xác định qua H1, trong khi H2 đại diện cho ma trận vòng của kênh truyền từ anten phát thứ hai tới anten thu.
Sau khi qua bộ FFT vector thu sẽ có biểu thức sau:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các FFT tương ứng của các tín hiệu y 1, y 2, x 1 và x 2, được ký hiệu lần lượt là Y 1 = Fy 1, Y 2 = Fy 2, X 1 = Fx 1 và X 2 = Fx 2 Đồng thời, các ma trận 1 và 2 được tính toán theo một biểu thức cụ thể Đây là phần quan trọng trong Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động.
Do tính chất của phép biến đổi FFT và IFFT đối với ma trận vòng H 1 và H 2 1 , và
2 là các ma trận đường chéo
Các giá trị 1 (k) với k = 1, 2…N đại diện cho N-FFT của đáp ứng kênh truyền từ anten phát thứ nhất tới anten thu Tương tự, các giá trị 2 (k) với k = 1, 2…N là N-FFT của đáp ứng kênh truyền từ anten thứ hai tới anten thu.
Sau khi Y1 và Y2 được đưa qua bộ ước lượng 1 và 2, kênh truyền sẽ được ước lượng dựa trên chuỗi huấn luyện đã biết trước Do đó, vector thu Y1 và Y2 có thể được biểu diễn theo một dạng cụ thể.
Với 1 và 2 là các ma trận đường chéo, có đường chéo là X1 và X2
Vector huấn luyện đã được quy ước trước tại máy thu và có tính chất sau:
1, và 2 được ước lượng theo biểu thức sau:
Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
Ta ước lượng được 1 , và 2 theo biểu thức sau:
Sau khi ước lượng được các giá trị 1 và 2, các vector Y 1 và Y 2 sẽ được sử dụng theo chuỗi vector huấn luyện để đưa vào bộ kết hợp nhằm khôi phục lại các vector X 1 và X 2 Biểu thức này có thể được viết lại như sau:
Sắp xếp lại thứ tự vector thu ta được biểu thức:
Kỹ thuật OFDM đã chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành N kênh truyền nhỏ chỉ chịu fading phẳng, giúp hệ thống MIMO-OFDM chống lại fading chọn lọc tần số và đạt được sự phân tập tối ưu thông qua sơ đồ Alamouti Sau đó, bộ kết hợp sẽ kết hợp các symbol Y1(k) và Y2(k) trước khi đưa vào bộ giải mã.
ML Đồ Án Môn Học: Thông Tin Di Động
