KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Giới thiệu
Các hệ thống thông tin tổng quát, gồm có ba kh u chính: nguồn tin information source , kênh tin channel và nhận tin information destination :
Nguồn tin Kênh truyền Nhận tin
Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát
Nguồn tin là nơi sản sinh hoặc chứa các thông tin cần truyền đi Khi thiết lập một đường truyền tin từ nguồn đến người nhận, một dãy các tin từ nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xác suất nhất định, được gọi là bản tin (message) Do đó, nguồn tin có thể được định nghĩa là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin sử dụng để tạo ra các bản tin khác nhau Số lượng tin trong nguồn có thể là hữu hạn hoặc vô hạn, tương ứng với nguồn tin rời rạc hoặc liên tục.
Kênh truyền là môi trường để truyền tải thông tin, nơi thông tin được chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp với môi trường vật lý Kênh truyền không chỉ hình thành và truyền tín hiệu mà còn sinh ra nhiễu (noise) có thể làm hỏng thông tin Có hai loại kênh truyền chính: kênh truyền hữu tuyến và kênh truyền vô tuyến Nhận tin là quá trình khôi phục thông tin gốc từ tín hiệu đầu ra của kênh truyền Chương này sẽ tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến, các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản.
Hệ thống thông tin vô tuyến số
Hệ thống thông tin vô tuyến số bao gồm các thành phần cơ bản như được thể hiện trong Hình 1.2 Tuy nhiên, không phải tất cả các hệ thống thông tin số đều sở hữu đầy đủ các thành phần này.
Hệ thống thông tin số thường nhận tín hiệu đầu vào như tiếng nói, hình ảnh và âm thanh dưới dạng tín hiệu tương tự Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành dãy từ mã số, khối định dạng thực hiện quá trình này, trong đó các từ mã được biểu diễn bằng bit nhị phân Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các bit hoặc nhóm bit sẽ được thể hiện ở dạng thức phù hợp Phương pháp phổ biến để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là điều xung mã (PCM - Pulse Code Modulation) Ngược lại, khối giải định dạng sẽ thực hiện việc chuyển đổi từ dạng số về dạng tương tự.
Việc chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự và ngược lại giúp tăng băng thông truyền dẫn và cho phép bộ thu hoạt động hiệu quả hơn ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp Sự chuyển đổi này sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, giúp mã hóa tín hiệu trước khi truyền và giải mã khi đến nơi nhận, mặc dù có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu, méo và giao thoa Mặc dù điều này làm cho bộ thu phát trở nên phức tạp hơn, nhưng nó đảm bảo truyền dẫn chính xác và không có lỗi.
Khối mã hóa nguồn giúp giảm số bit nhị phân cần thiết để truyền tải bản tin, tương tự như việc loại bỏ các bit thừa không cần thiết Điều này tối ưu hóa băng thông truyền tải, sử dụng hiệu quả hơn tài nguyên mạng.
Khối mật mã hóa làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh
Nội dung đảm bảo tính riêng tư bằng cách chỉ cho phép người phát có quyền nhận tin đang truyền, đồng thời xác thực chỉ những người thu mà người phát yêu cầu mới được phép nhận thông tin.
Ghép kênh Điều chế Đa truy cập
Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ
Khối mã hóa kênh thêm các bit dư vào tín hiệu số theo quy luật nhất định, giúp bên thu phát hiện và sửa lỗi xảy ra trong quá trình truyền Đây là quá trình mã hóa điều khiển lỗi, nhằm nâng cao độ dư cho tín hiệu.
Mã hóa điều khiển lỗi và mã hóa nguồn là hai quá trình trái ngược nhau trong cùng một hệ thống, với mã hóa điều khiển lỗi nhằm thêm độ dƣ, trong khi mã hóa nguồn lại loại bỏ độ dƣ Kiểu dƣ tự nhiên xuất hiện trong tin truyền không cần thiết và không phải là kiểu dƣ phù hợp để bên thu có thể phát hiện và sửa lỗi.
Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện tại bộ thu, và các quá trình này ngược lại với các quá trình mã hóa diễn ra ở bộ phát.
Khối ghép kênh cho phép nhiều tuyến thông tin chia sẻ một đường truyền vật lý chung như cáp hoặc đường truyền vô tuyến Trong thông tin số, kiểu ghép kênh phổ biến là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), nơi các từ mã PCM được sắp xếp một cách hiệu quả.
Trong một khung TDM, có 3 nhánh tín hiệu PCM được ghép kênh, với tốc độ bit của tín hiệu ghép kênh gấp N lần tốc độ bit của tín hiệu PCM nhánh N là số tín hiệu PCM nhánh được ghép vào khung TDM, dẫn đến việc băng thông yêu cầu tăng lên Khối tách kênh ở phía thu sẽ phân chia dòng bit thu thành các tín hiệu PCM nhánh.
Khối điều chế cho phép tín hiệu số truyền qua phương tiện vật lý với tốc độ xác định và độ méo chấp nhận được, yêu cầu băng thông tần số nhất định Nó có khả năng thay đổi dạng xung và dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến băng thông phù hợp Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc, trong khi đầu ra là tín hiệu thông dải Khối giải điều chế tại bên thu sẽ chuyển đổi dạng sóng nhận được trở lại thành tín hiệu băng gốc.
Khối đa truy cập là các kỹ thuật cho phép nhiều cặp thu phát chia sẻ một phương tiện vật lý chung như sợi quang hoặc bộ phát đáp vệ tinh Đây là biện pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Mỗi kiểu đa truy cập có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Các nguồn gây suy hao và méo
Tín hiệu khi truyền qua bất kỳ môi trường nào đều bị ảnh hưởng, dẫn đến suy giảm chất lượng khi thu nhận Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm suy hao, hạn chế băng thông, méo do trễ và nhiễu.
Suy hao là hiện tượng giảm biên độ tín hiệu khi truyền qua môi trường dẫn, thường yêu cầu giới hạn chiều dài tuyến truyền để đảm bảo tín hiệu nằm trong phạm vi cho phép Suy hao gia tăng theo tần số, dẫn đến méo tín hiệu do sự tồn tại của nhiều thành phần tần số Để khắc phục, mạch khuếch đại cần được thiết kế với hệ số khuếch đại thay đổi cho các tần số khác nhau, hoặc sử dụng bộ cân bằng (equalizer) để giảm méo Để đo suy hao và hệ số khuếch đại, đơn vị decibel (dB) được sử dụng, với công suất phát tín hiệu là P1 và công suất thu là P2.
Cả hai đơn vị P1 và P2 đều là watt, do đó d là một đại lượng vô hướng, đơn giản đo lường mối quan hệ biên độ giữa hai mức công suất Việc áp dụng logarit trong trường hợp này mang ý nghĩa quan trọng.
4 nghĩa là có thể tính suy hao tổng trên một kênh truyền dẫn nhiều đoạn bằng cách cộng tất cả các suy hao của các đoạn riêng biệt
Công suất thu đƣợc sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R [5]:
P R : Công suất tín hiệu thu đƣợc W
G R : Độ lợi anten thu anten đẳng hướng
: ƣớc 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 - 10log G10 R +20logf +20logR- 47.6dB (1.4)
1.3.2 Sự hạn chế băng thông ất kỳ môi trường truyền dẫn nào cũng đều có một băng thông xác định ăng thông này là dải các thành phần tần số sin có thể truyền qua kênh mà không bị méo Tín hiệu số truyền bao gồm nhiều thành phần tần số nên chỉ những tần số nào nằm trong băng thông của kênh mới có thể thu đƣợc mà không bị méo ăng thông của kênh càng lớn thì tín hiệu thu càng gần với tín hiệu gốc Định lý Nyquist xác định tốc độ truyền tin cực đại qua một kênh không nhiễu - là C - đƣợc tính nhƣ sau [3]:
Công thức C = 2 (1.5) cho thấy W là băng thông của kênh tính bằng Hz và M là số mức tín hiệu Khi thêm các bit vào tín hiệu thông tin cho các mục đích khác, tốc độ dữ liệu có ích sẽ thấp hơn tốc độ bit thực tế Khi truyền thông tin qua một kênh, có ba tốc độ cần lưu ý: tốc độ ký hiệu (signaling rate), tốc độ bit (bit rate) và tốc độ dữ liệu (data rate), mà ba tốc độ này có thể bằng nhau hoặc khác nhau Ví dụ, trong tín hiệu điều chế 4 mức, hai bit được nhóm lại thành một ký hiệu, dẫn đến tốc độ bit lớn hơn.
5 đôi tốc độ ký hiệu; hoặc tín hiệu đƣợc mã hóa parity có tốc độ dữ liệu bằng bảy phần tám tốc độ bit
Tốc độ lan truyền của tín hiệu sin dọc theo đường truyền phụ thuộc vào tần số, dẫn đến việc các thành phần tần số khác nhau trong tín hiệu số đến nơi với thời gian trễ khác nhau, gây ra méo do trễ Mức độ méo này gia tăng khi tốc độ bit tăng, vì một số thành phần tần số trong một bit bị trễ và giao thoa với các tần số trong bit tiếp theo, hiện tượng này được gọi là giao thoa liên ký tự (ISI) ISI làm thay đổi thời điểm chuyển tiếp bit của tín hiệu thu, dẫn đến việc khôi phục tín hiệu không chính xác khi tốc độ bit tăng Để khắc phục vấn đề méo do trễ, ta sử dụng bộ cân bằng, tạo ra thời gian trễ cân bằng với đặc tuyến trễ của kênh truyền, giúp tất cả các thành phần tần số trong tín hiệu đến mạch thu cùng một thời gian trễ.
Khi kênh truyền không có tín hiệu, mức điện trên kênh sẽ là 0, nhưng thực tế vẫn có sự tồn tại của nhiễu đường gọi là mức nhiễu d y line noise level Khi tín hiệu bị suy hao, biên độ tín hiệu có thể giảm xuống dưới mức nhiễu nền Do đó, tỷ số công suất trung bình của tín hiệu thu là một thông số quan trọng liên quan đến môi trường truyền.
S, trên công suất của mức nhiễu, N Tỷ số này đƣợc gọi là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Signal to Noise Ratio và thường được biểu diễn bằng decibel Ta có [5]:
Tỷ số SNR cao cho thấy công suất tín hiệu vượt trội so với mức nhiễu, dẫn đến chất lượng tín hiệu tốt Ngược lại, tỷ số SNR thấp đồng nghĩa với chất lượng tín hiệu kém.
Tốc độ thông tin lớn nhất của kênh truyền có liên quan đến tỷ số SNR và có thể xác định bằng công thức Shannon và Hartley nhƣ sau [5]:
Có nhiều nguyên nh n g y ra nhiễu Một trong các nguyên nh n đó là xuyên âm (crosstalk) trong dây song hành và d y xoắn đôi Xuyên m g y ra do sự ảnh
6 hưởng điện không mong muốn giữa các d y cạnh nhau trong cùng một cáp, làm cho tín hiệu truyền trong d y này lọt vào d y bên cạnh g y nhiễu
Có nhiều loại nhiễu xuyên m, nhưng nguy hiểm nhất là nhiễu xuyên m đầu gần (Near-End crosstalk) Đây là loại nhiễu xảy ra do ảnh hưởng điện của tín hiệu từ máy phát đến tín hiệu vào một máy thu gần đó Tín hiệu mới phát ra từ máy phát thường mạnh, trong khi tín hiệu đến máy thu đã bị suy hao và méo, dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu.
Tín hiệu vào máy thu gặp phải sự suy giảm chất lượng nghiêm trọng Để khắc phục tình trạng này, người ta áp dụng mạch loại bỏ NEXT, cụ thể là bộ hủy NEXT thích nghi (adaptive NEXT canceler).
Nhiễu xung, hay còn gọi là impulse noise, là một dạng nhiễu gây ra bởi các xung điện từ từ các hoạt động hoặc thiết bị, ảnh hưởng đến đường truyền tín hiệu.
Sự phóng điện từ tia chớp và hoạt động chuyển mạch trong các tổng đài cũ có thể gây ra nhiễu xung Mặc dù trong điện thoại, ảnh hưởng này không quá nghiêm trọng và chỉ tạo ra tiếng click lớn, nhưng trong truyền số liệu, nhiễu xung có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.
Nhiễu nhiệt (thermal noise) là dạng thứ ba của nhiễu, tồn tại trong mọi thiết bị điện tử và môi trường truyền, không phụ thuộc vào các ảnh hưởng bên ngoài Nhiễu này phát sinh từ chuyển động nhiệt của các điện tử trong từng nguyên tử của vật liệu chế tạo thiết bị hoặc đường truyền Từ nhiệt độ trên 0 K, tất cả các môi trường truyền dẫn và thiết bị đều có nhiễu nhiệt, tạo ra các thành phần tần số ngẫu nhiên với biên độ biến thiên liên tục, do đó còn được gọi là nhiễu trắng (white noise).
Nhiễu nhiệt là dạng nhiễu đặc trưng cho nhiễu Gaussian trắng tác động lên kênh truyền dẫn Trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ tăng cao, nhiều thành phần nhiễu khác cũng có thể được xem như nhiễu Gaussian trắng tác động lên từng kênh con Điều này là do các đặc điểm của các loại nhiễu này trên từng kênh con riêng lẻ đều thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng.
Hiện tượng đa đường
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, sóng bức xạ điện từ không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu do sự cản trở của các vật thể giữa nơi phát và nơi thu Sóng nhận được là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, nhờ vào hiện tượng phản xạ, khúc xạ và tán xạ từ các toà nhà, cây cối và vật thể khác Hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường (Multipath propagation).
Hình 1.3 Truyền dẫn đa đường
Hiện tượng đa đường trong truyền tín hiệu dẫn đến việc tín hiệu thu được là tổng hợp của các bản sao tín hiệu phát, nhưng các bản sao này bị suy hao, trễ và dịch pha, ảnh hưởng lẫn nhau Tùy thuộc vào pha của từng thành phần, tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục hoặc triệt tiêu Khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo do kênh truyền đa đường, dẫn đến việc thu nhận các đáp ứng xung độc lập khác nhau, hiện tượng này được gọi là sự phân tán đáp ứng xung Sự méo do kênh truyền đa đường có tính chất tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.
Hiện tƣợng Doppler
Hiện tượng Doppler xảy ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, dẫn đến sự lệch tần số của tín hiệu thu được so với tần số trung tâm Khoảng lệch này được gọi là tần số Doppler.
Khi có sự chuyển động tương đối giữa phía phát và phía thu, tần số sóng mang nhận sẽ khác với tần số sóng mang gốc fC Cụ thể, khi máy phát di chuyển với vận tốc không đổi v và tạo một góc θ so với tín hiệu đến, hiện tượng này sẽ ảnh hưởng đến tần số sóng mang mà máy thu nhận được.
Hình 1.4 Mô hình hiện tượng Doppler
Tín hiệu nhận đƣợc là:
Trong đó là biên độ, f C là tần số phát, f D là khoảng dịch Dopper os( )= c cos( )
Nhƣ vậy tần số nhận là: r C D f = f - f (1.11)
Dịch Dopper cực đại: f m vf c
Tần số dịch Doppler có thể là dương hoặc âm, tùy thuộc vào việc đầu thu di chuyển về phía phát tín hiệu hay cách xa nó Trong thực tế, tín hiệu đến từ nhiều đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc tới khác nhau Đối với một nguồn phát tín hiệu dạng sin, chúng ta không chỉ nhận được một độ dịch Doppler đơn giản mà còn thấy một đoạn phổ trải rộng từ f c (1−v c/) đến f c (1+v c/), thể hiện sự trải phổ Doppler.
Mật độ phổ công suất của tín hiệu nhận được từ 9 thiết bị di động, giả sử có xác suất bằng nhau theo phân phối đều, được tính toán dựa trên một công thức cụ thể.
Với K là hằng số Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là: c 0
J 0 là hàm Bessel bậc không
Dịch Doppler có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng đối với các kỹ thuật truyền dẫn nhạy cảm với sự lệch tần số của sóng mang, điển hình như kỹ thuật OFDM.
Các mô hình kênh cơ bản
Trạm di động (MS) không chỉ tiếp nhận tín hiệu phát mà còn 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 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 mật độ xác suất (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 Hàm mật độ xác suất (pdf) của biên độ r(t) tuân theo phân bố Rayleigh.
2 là phương sai (công suất trung bình theo thời gian)
Phân bố Rayleigh sử dụng trong trường hợp không tồn tại tia trực tiếp LOS giữa
Tín hiệu trong các kênh khác nhau thường được giả định là ngẫu nhiên và sẽ mờ dần theo sự phân bố Mô hình Rayleigh thường được áp dụng trong các khu vực đông dân cư với nhiều tòa nhà cao tầng.
Hình 1.5 Hàm pdf theo phân bố Rayleigh
Trong fading Rayleigh, khi có thành phần tín hiệu light-of-sight mạnh mẽ đến máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ, phân bố tín hiệu sẽ là Ricean Các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với các góc khác nhau sẽ chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này tương tự như việc cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Khi tín hiệu light-of-sight mạnh mẽ, nó làm cho phân bố Ricean trở nên rõ rệt hơn Tuy nhiên, nếu thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp sẽ giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh, dẫn đến việc phân bố trở thành Rayleigh khi thành phần light-of-sight biến mất.
Hàm mật độ xác suất pdf của tín hiệu nhận đƣợc có phân bố Rician:
Với I 0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1
Gọi K là tỉ số năng lƣợng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ khác:
Khi không có thành phần trội A=0, hàm mật độ xác suất (pdf) Rician chuyển thành pdf của fading Rayleigh Nếu A lớn so với độ lệch chuẩn , phân bố trở nên gần giống với phân bố Gaussian Do đó, kênh fading Rician được coi là trường hợp chung nhất trong các kênh fading.
11 trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading Về mặt BER fading Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh [3]
Hình 1.6 Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K.
Các tham số cơ bản đánh giá chất lƣợng của hệ thống thông tin
Các tham số chất lượng chính của hệ thống thông tin bao gồm độ chính xác và tốc độ truyền tin Hai yêu cầu cơ bản này thường mâu thuẫn với nhau: để đạt được độ chính xác cao, tốc độ truyền phải giảm, trong khi truyền tin nhanh thì tỷ lệ lỗi sẽ gia tăng Đối với thông tin số, độ chính xác thường được đo qua tỷ lệ lỗi bít (BER), phản ánh tỷ lệ giữa số bít bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian nhất định.
Trong nhiều trường hợp, các tham số về độ chính xác truyền tin như giây bị lỗi trầm trọng (SES), giây bị lỗi (ES) và phút suy giảm chất lượng (DM) được xem xét cho các loại dịch vụ nhất định Đối với các hệ thống thông tin số, đặc biệt là trong các dịch vụ điện thoại di động sử dụng mã hóa hiệu quả tiếng nói, độ chính xác truyền tin còn được đánh giá qua chất lượng dịch vụ của âm thanh.
Khả năng truyền tin nhanh chóng của hệ thống thông tin số được đánh giá qua dung lượng tổng cộng C, thể hiện tốc độ truyền thông tin (đơn vị b/s) của toàn bộ hệ thống với độ chính xác nhất định Dung lượng này phản ánh hiệu suất và khả năng xử lý thông tin của hệ thống.
12 lƣợng của một hệ thống tuỳ thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu
Các hệ thống thông tin số không chỉ cần đáp ứng các yêu cầu và tham số nguyên tắc mà còn phải đảm bảo tính bảo mật và độ tin cậy, tức là khả năng hoạt động của hệ thống với ER không vượt quá giá trị xác định Bên cạnh đó, yếu tố giá thành và tốc độ thu hồi vốn đầu tư, được gọi chung là yêu cầu về tính kinh tế, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của hệ thống.
HỆ THỐNG MIMO - OFDM
Giới thiệu
Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO Bên cạnh đó, chúng ta sẽ đi sâu vào sự kết hợp giữa MIMO và OFDM, đặc biệt là kỹ thuật cân bằng kênh trong hệ thống MIMO-OFDM.
Kỹ thuật OFDM
OFDM, hay còn gọi là Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Kỹ thuật này chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn, với mỗi dòng được điều chế bằng một sóng mang con trực giao Các sóng mang con này sau đó được tổng hợp và chuyển lên tần số cao để truyền tải Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở thông qua bộ trộn, sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con và chuyển đổi về các tín hiệu gốc Cuối cùng, các luồng dữ liệu này được tổng hợp lại thành dòng dữ liệu ban đầu.
2.2.1 Nguyên tắc cơ bản của OFDM
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu đầu vào với tốc độ cao R được phân chia thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi có tốc độ thấp hơn là R/N.
Chuỗi con này được tạo ra từ N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng lại và phát lên kênh truyền đồng thời Quá trình thu tin diễn ra ngược lại.
Hình 2.1 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
Bản chất trực giao của sóng mang phụ OFDM cho phép các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn giữ được khả năng tách biệt tại phía thu Điều này giúp tăng hiệu quả sử dụng băng tần đáng kể và giảm thiểu hiện tượng nhiễu.
Nhiễu giữa các sóng mang lân cận, hay còn gọi là ICI (Inter-carrier Interference), là một hiện tượng quan trọng trong tín hiệu OFDM và FDM Điều này có thể được quan sát rõ ràng qua phổ tín hiệu được thể hiện trong hình 2.1.
Chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con với tốc độ thấp, dẫn đến tốc độ ký hiệu của các chuỗi con giảm đáng kể so với chuỗi ban đầu Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI và hiệu ứng trễ, từ đó giảm độ phức tạp của các bộ thu.
Hình 2.2 Tác động của nhiễu lên sóng mang
Kỹ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật trong việc chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp Trong hệ thống đơn sóng mang, nhiễu nhỏ có thể làm ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu Ngược lại, ở hệ thống đa sóng mang, chỉ một phần nhỏ các sóng mang con bị ảnh hưởng bởi nhiễu, cho phép khắc phục hiệu quả thông qua các phương pháp mã hóa sửa sai.
Các tín hiệu được coi là trực giao khi chúng độc lập với nhau, cho phép truyền và thu nhận nhiều tín hiệu thông tin trên cùng một kênh mà không bị nhiễu Nếu tính trực giao bị mất, các tín hiệu sẽ gây ra sự nhiễu lẫn nhau, làm cho đầu thu gặp khó khăn trong việc khôi phục thông tin ban đầu một cách chính xác.
Trong OFDM, các sóng mang con chồng lắp nhưng vẫn cho phép khôi phục tín hiệu mà không bị nhiễu giữa các sóng mang kế cận nhờ tính trực giao của chúng Một tập hợp các tín hiệu được coi là trực giao từng đôi khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa mãn điều kiện trực giao.
Với: S * t là ký hiệu của liên hợp phức S t
T s là chu kỳ ký hiệu
Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: k S sin(2 k ) 0 f (t) T
Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng
F 1 và trực giao từng đôi một do thỏa điều kiện 2.1) Ta xét hai sóng mang
Ví dụ: giả sử 4 tín hiệu trực giao đƣợc điều chế bởi 4 sóng mang con hình sine sau:
Hình 2.3a Bốn sóng mang trực giao nhau
Hình 2.3b Phổ của 4 sóng mang trực giao
Các sóng mang thuộc tập 2.2 là độc lập tuyến tính, tức là chúng trực giao từng đôi một Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx, với mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bởi một xung chữ nhật Mỗi sóng mang phụ có đỉnh tại tần số trung t m và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung t m một khoảng bằng bội số của F S Do đó, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ trùng với vị trí null của các sóng mang còn lại, dẫn đến việc các sóng mang không gây nhiễu cho nhau.
2.2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM
Tín hiệu vào nối tiếp
Tín hiệu ra nối tiếp
Hình 2.4 Sơ đồ một hệ thống OFDM
Sơ đồ hệ thống OFDM được minh họa trong hình 2.5 Tại máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp được chuyển đổi qua bộ S/P thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này được điều chế qua các bộ điều chế riêng biệt Tại ngõ ra của các bộ điều chế, ta thu được chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk Chuỗi số phức này sau đó được đưa vào bộ IFFT.
N k là ký hiệu với Ts là chu kỳ và f k là tần số của các sóng mang Ngõ ra của bộ IFFT tạo ra các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
Các mẫu y n này đƣợc chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/ để
17 trở thành tín hiệu liên tục y t , đƣợc khuếch đại, đƣa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền
Trong quá trình truyền tín hiệu, các kênh có thể gặp phải nhiễu như nhiễu Gaussian trắng (WGN) Tại máy thu, tín hiệu OFDM sẽ được chuyển đổi tần số, thực hiện biến đổi ngược, loại bỏ khoảng bảo vệ và đưa vào bộ FFT Cuối cùng, tín hiệu sẽ được giải điều chế và chuyển đổi từ dạng song song sang dạng nối tiếp để phục hồi chuỗi dữ liệu ban đầu.
Trong hệ thống truyền dữ liệu nối tiếp, các ký tự được truyền theo thứ tự và chiếm toàn bộ băng thông Khi tốc độ dữ liệu cao, một số ký tự gần nhau có thể bị bóp méo do kênh truyền fading hoặc kênh trải trễ đa đường Phổ của một thành phần dữ liệu thông thường chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông có sẵn, vì băng thông kênh được chia thành nhiều băng hẹp với tần số tương đối phẳng trên mỗi kênh con.
Theo Shannon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễu trắng cộng AWGN (không có fading) là [3]: max log (1 2 S )
Trong đó: là băng thông của kênh truyền [Hz]
S/N là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền
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 bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) Điều này có nghĩa là chia luồng dữ liệu thành các frame nhỏ có chiều dài k x b bit, trong đó k ≤ N, b là số bit trong mô hình điều chế số, và N là số sóng mang con Việc lựa chọn N và k sẽ đảm bảo các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, giúp băng thông tương ứng đủ hẹp để hàm truyền trong khoảng băng thông đó được xem là phẳng Sử dụng S/P cho phép tối ưu hóa kênh truyền.
18 từ kênh truyền fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng
Ngƣợc lại với phía phát, phía thu sẽ dung bộ P/S để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất [7]
Hệ thống MIMO
MIMO, viết tắt của Multi Input Multi Output, là một kỹ thuật tiên tiến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và thu Kỹ thuật này chia dòng dữ liệu ban đầu thành các dòng dữ liệu con theo một thuật toán cụ thể, sau đó truyền từng dòng đến các anten tương ứng Tại phía thu, các dòng dữ liệu này được tổng hợp lại để phục hồi dòng dữ liệu gốc MIMO giúp nâng cao hiệu suất hệ thống bằng cách tăng dung lượng, cải thiện chất lượng vùng phủ và cung cấp dịch vụ với tốc độ dữ liệu cao hơn cho người dùng.
2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO
Hệ thống bao gồm N anten phát và M anten thu, như được minh họa trong hình 2.13 Phương trình mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu có thể được biểu diễn theo cách sau [3]:
M M h h h x y n h h h x y n h h h x y n é ùé ù é ù é ù ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú= ê úê ú+ ê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê ú ê ú ê úê ú ê ú ở ỷ ở ỷở ỷ ở ỷ
Mô hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng: y= Hx+ n (2.20)
Với tín hiệu thu được tại anten M được ký hiệu là x ẻ C M và tín hiệu phát từ anten N được ký hiệu là x ẻ C N, trong đó n ẻ C N đại diện cho nhiễu Gaus trắng Ma trận kênh truyền H có kích thước NxM, với các phần tử hij là hệ số đặc tính của kênh truyền, thể hiện sự truyền tải từ anten j đến anten i.
Hình 2.13 Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu
Hệ thống MIMO sử dụng nhiều kỹ thuật quan trọng như 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 để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn.
2.3.2 Dung lƣợng 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 nhƣ Hình 2.13 [3]:
2 , P là công suất phát, W là băng thông, n R , n T lần lƣợt là số anten thu, phát, h i 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:
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 khác nhau Kỹ thuật này giúp cải thiện khả năng truyền tải tín hiệu trong các điều kiện khác nhau, từ đó đảm bảo thông tin được truyền đi một cách chính xác và hiệu quả hơn.
Bộ giải chuyển đổi MIMO
* dữ liệu vào dữ liệu ra
Anten phát Anten thu h ij n1 n M x 1 xN
Kỹ thuật phân tập đóng vai trò quan trọng trong việc chống fading, nhiễu đồng kênh và lỗi chùm, đặc biệt trong truyền đa đường Phân tập mang lại độ lợi phân tập, thể hiện qua việc tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu hoặc giảm công suất phát.
Do tính chất ngẫu nhiên của fading, biên độ tín hiệu bị ảnh hưởng không tương quan tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau Truyền tín hiệu tại các thời điểm khác nhau tương đương với việc phát tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, dẫn đến sự phân tập về thời gian.
Khoảng thời gian cần thiết để thu được các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu tối thiểu bằng thời gian đồng bộ của kênh truyền Đối với thông tin di động, thời gian đồng bộ được tính là T c = c/(2vf c ), với c = 3.10^8 m/s là tốc độ ánh sáng, v là tốc độ di chuyển của máy di động, và f c là tần số sóng mang Để tạo ra M nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền đi tại M khe thời gian.
Hình 2.14 Mô hình phân tập thời gian
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 ƣớc lƣợng của tín hiệu truyền
29 y(n 2 T) = h(n 2 T)*(n 2 T) + b(n 2 T) (2.26) Tín hiệu ƣớc lƣợng thu đƣợc: x(n 1 T) = y(n 1 T)h(n 1 T) * + y(n 2 T)h(n 2 T) *
- Độ lợi phân tập tăng lên
- Tác động của kênh truyền lên tín hiệu đƣợc cải thiện
- Tuy nhiên, phân tập thời gian làm giảm tốc độ dữ liệu
- Làm giảm hiệu suất băng tần do có sự dƣ thừa trong miền thời gian
Phương pháp phân tập tần số cho phép truyền tín hiệu bằng cách sử dụng một tập hợp các tần số, với yêu cầu các tần số này phải có khoảng cách đủ lớn để đảm bảo sự độc lập trong ảnh hưởng của fading Để các đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau không bị ảnh hưởng lẫn nhau, khoảng tần số cần thiết phải đạt mức vài lần băng tần đồng bộ Trong lĩnh vực thông tin di động, băng tần đồng bộ khoảng 500KHz, do đó, khoảng cách tối thiểu giữa các nhánh phân tập tần số nên là 1-2 MHz.
Trong thông tin di động hiện đại, phân tập tần số có thể đạt được thông qua kỹ thuật điều chế đa sóng mang hoặc phương pháp nhảy tần Tuy nhiên, giống như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số.
Phương pháp phân tập tần số có nhược điểm là tiêu tốn phổ tần số, và do các nhánh phân tập hoạt động ở tần số khác nhau, mỗi nhánh cần phải sử dụng một máy thu phát cao tần riêng biệt.
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten hoặc các mảng anten được bố trí với khoảng cách phù hợp để 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 và tần số tín hiệu Để đảm bảo hiệu quả, khoảng cách tối thiểu giữa các anten phải đạt ít nhất một nửa bước sóng.
Phân tập không gian, với khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng, mang lại nhiều ưu điểm như không làm suy giảm hiệu suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần số và dễ sử dụng Theo lý thuyết, không có giới hạn về số lượng các nhánh phân tập Phân tập không gian bao gồm phân tập anten phát và phân tập anten thu.
Hình 2.15 Mô hình phân tập không gian
Trong phân tập phát, nhiều anten đựơc triển khai ở vị trí máy phát Tin đƣợc xử lí ở máy phát và sau đó đƣợc 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 Sự kết hợp các bản sao này không chỉ nâng cao tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) mà còn giảm thiểu hiện tượng fading nhiều đường.
2.3.5 Mã hóa không gian thời gian
Mã hóa không gian thời gian (STC) là một phương pháp nâng cao độ tin cậy của tín hiệu trong hệ thống liên lạc không dây thông qua việc sử dụng đa anten Bằng cách sử dụng nhiều đường truyền và phiên bản tín hiệu khác nhau, STC gửi tín hiệu đến bộ thu với mục tiêu đảm bảo ít nhất một trong các tín hiệu thu được có chất lượng tốt để có thể giải mã chính xác với độ tin cậy cao.
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)
2.3.5.1 Mã hóa khối không gian thời gian STBC
Kỹ thuật MIMO-OFDM
MIMO-OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO
Khối phát MIMO-OFDM nhận một chuỗi tín hiệu đầu vào và thực hiện mã hóa MIMO để tách biệt chúng thành các dãy tín hiệu riêng lẻ Mỗi dãy tín hiệu này sau đó sẽ được xử lý tiếp.
Khối phát OFDM gồm 46 khối, chuyển đổi thành các tín hiệu OFDM, sau đó được gửi đến khối TX để chuyển đổi thành tín hiệu cao tần và truyền đi qua các anten.
Khối thu MIMO-OFDM là hệ thống thu nhận tín hiệu cao tần qua các anten, với bộ RX chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu tần số thấp Tiếp theo, khối thu OFDM xử lý tín hiệu OFDM để biến đổi thành các tín hiệu thông thường Cuối cùng, khối thu MIMO thực hiện giải mã và tổng hợp các dãy tín hiệu từ khối thu OFDM, phục hồi lại chuỗi tín hiệu ban đầu.
Hình 2.25 Mô hình tổng quát hệ thống MIMO-OFDM
Tín hiệu thu đƣợc từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn nhƣ sau:
Với x j (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM n i (k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i
47 h ij là hệ số kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i
Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H nhƣ sau
Ma trận kênh truyền H đƣợc ƣớc lƣợng tại máy thu [7].