Hiệu Quả Của Kỹ Thuật Mimo – Ofdm Trong Thông Tin Di Động

Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật có chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ. Phản xạ xuất hiện từ mặt đất, các tòa cao ốc…

Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra ở khắp nơi.

Ở tần số cao, nhiễu xạ cũng như phản xạ phụ thuộc vào dạng hình học của vật thể, biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Mặc dù cường độ trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối) có cường độ nhiễu xạ và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.

Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các vật thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi trường là rất lớn. Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh truyền tạo ra sóng tán xạ. Thực tế là các tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện tượng tán xạ trong thông tin di động.

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp CP, kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.

1.3. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO - OFDM

Với sự phát triển dịch vụ di động, ngày càng yêu cầu tốc độ cao (băng thông rộng) và chất lượng thông tin tốt.

Trong đó kỹ thuật OFDM và MIMO đã được sử dụng để đáp ứng yêu cầu trên. Kỹ thuật MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin, giảm công suất phát. Và kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tin trong môi trường không dây. Kỹ thuật MIMO - OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chất lượng thông tin trao đổi tốt nhất.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

1.3.1. Khái niệm

OFDM viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi. Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp. Loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệu gốc. Cuối cùng được tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.

MIMO viết tắt của Multi Input Multi Output, là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát hoặc nhiều anten thu nhằm đạt được độ tin cậy của tín hiệu truyền dẫn và tốc độ dữ liệu cao. Kỹ thuật MIMO là chia dòng dữ liệu ban đầu thành các dòng dữ liệu con theo một thuận toán cho trước, sau đó đưa từng dòng dữ liệu này đến các anten tương ứng và truyền đi. Phía thu sẽ nhận được các dòng dữ liệu này, sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu.

MIMO - OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên. Nó là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu, chia dòng dữ liệu ban đầu thành nhiều dòng dữ liệu con theo một thuật toán cho trước, các dòng dữ liệu này được thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, trước khi được đưa đến các anten tương ứng và truyền đi. Phía thu sẽ cũng nhận các dòng dữ liệu này từ nhiều anten và sử dụng các thuật toán thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu.

1.3.2. Kỹ thuật MIMO - OFDM

Khối phát MIMO - OFDM

Khối phát OFDM 1

TX1

Anten 1

Bits

input

Khối phát

MIMO

Khối phát

OFDM n

Anten n

Khối nhận MIMO - OFDM

Anten 1

RX1

Khối thu

OFDM 1

Anten m

Bits

output

RXm

Khối thu

OFDM m

Khối thu

. MIMO

Hình 1.2: Mô hình tổng quát hệ thống MIMO - OFDM

Khối phát MIMO-OFDM: Một chuỗi tín hiệu đầu vào sẽ được khối MIMO mã hoá và tách ra thành các dãy tín hiệu riêng biệt. Từng dãy tín hiệu này sẽ được đưa vào khối phát OFDM tương ứng để chuyển thành các tín hiệu OFDM. Sau đó được đưa đến khối TX để chuyển thành tín hiệu cao tần và truyền đi qua các anten.

Khối thu MIMO-OFDM: Tín hiệu cao tần được thu nhận bởi các anten ở khối thu. Bộ RX sẽ chuyển tín hiệu cao tần thành các tín hiệu tần số thấp. Khối thu OFDM sẽ chuyển tín hiệu OFDM thành các tín hiệu thông thường. Khối thu MIMO sẽ giải mã và tổng hợp các dãy tín hiệu sau khối thu OFDM thành một chuỗi tín hiệu ban đầu.

1.3.3. Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thông tin di động

 Đối với công nghệ :

 Hiệu quả trong việc sử dụng phổ, chống fading nhiều tia

 Tối ưu hóa công suất phát

 Chống nhiễu xuyên kí tự, nhiễu xuyên kênh

 Nâng cao tốc độ truyền tín hiệu

 Thích ứng hầu hết với các chuẩn vô tuyến

 Thích ứng việc truyền dẫn đa đường, chất lượng tín hiệu nâng cao nhờ phân tập không gian

 Tăng phạm vi bao phủ

 Nâng cao chất lượng mạng, giảm chi phí hệ thống

 Có thể áp dụng hầu hết các hệ thống thông tin di động

 Đối với người dùng :

 Chất lượng dịch vụ cao

 Độ tin cậy được đảm bảo

 Nhiều dịch vụ mới được tích hợp

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Kỹ thuật MIMO – OFDM ra đời đã tạo ra rất nhiều ưu điểm cho hệ thống thông tin di động. Đó là cho hiệu năng phổ cao, thích ứng với truyền dẫn đa đường trong hệ thống truyền dẫn không dây, tận dụng được sự phân tập anten từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu, chống được hiện tượng Fading ảnh hưởng đến hệ thống băng rộng.

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi.

Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài khuyết điểm cần khắc phục.

 Ưu điểm của OFDM:

Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được, OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang – ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng các khoảng bảo vệ có tính chất CP lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu liên kí tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất CP nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.

 Nhược điểm của OFDM:

OFDM là môt kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là

tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại các đỉnh sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol.

2.2. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

2.2.1. Hệ thống đơn sóng mang

Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang. Dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, toàn bộ hệ thống được điều chế trên một sóng mang duy nhất f0. Tần số lấy mẫu của tín hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi tín hiệu có độ dài là: Tsc(s) = 1/ B (Hz)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc vào tần số. Tần số lấy mẫu rất lớn nên chu kì lấy mẫu (độ dài một mẫu tín hiệu) sẽ rất bé.

Nhược điểm của phương pháp này là:

Ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI gây ra là rất lớn do độ dài của mẫu tín hiệu nhỏ nên nhiễu gây liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín hiệu.

Ảnh hưởng sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn.

Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với điều chế đa sóng mang.

2.2.2. Hệ thống đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau. Cụ thể hơn, hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầu thành các luồng tín hiệu khác nhau và điều chế mỗi dòng tín hiệu với các sóng mang khác nhau. Các tín hiệu được truyền trên các kênh tần số khác nhau, sau đó ghép những kênh này lại theo kiểu FDM. Ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộ thu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra tín hiệu gốc ban đầu.

Trong phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM) toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau.

Hệ thống chia thành N kênh phụ, mỗi kênh có bề rộng: Bn = B/N Với B là bề rộng cả băng tần hệ thống (Hz)

Bn là bề rộng mỗi kênh phụ (Hz) N là số kênh phụ

 Phương pháp này khắc phục được một số hạn chế của điều chế đơn sóng mang:

 Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng của hệ thống giảm đáng kể

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số giảm đáng kể

 Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng giảm

Bên cạnh đó vẫn còn một số nhược điểm: độ dài một mẫu tín hiệu tăng lên do hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh; giảm hiệu quả sử dụng phổ so với điều chế đơn sóng mang.

2.2.3. Tín hiệu trực giao

Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Tín hiệu trực giao có tính chất cho phép truyền và thu tốt nhiều tín hiệu trên cùng một kênh truyền mà không gây ra nhiễu xuyên kí tự giữa các tín hiệu này.

Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần số. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số là sin hay sin(x)/x. Biên độ hàm sin có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm. Mỗi sóng mang của tín hiệu có biên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Do đó ta gọi các tín hiệu trực giao nhau. Tính trực giao đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vi trí null của phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM.

Hình 2.1: Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM

2.3 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM

 Khối sắp xếp và mã hoá: mã hoá dòng dữ liệu bằng thuật toán FEC (Forward error correcing) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.

 Khối S/P (Serial to paralled): chuyển dòng dữ liệu nhị phân tốc độ cao ban đầu thành các dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn.

X (k)

X (n)

Dữ liệu nhị phân

vào

Sắp xếp và mã

hoá

Chèn

pilot

xf (n)

Chèn dải bảo vệ

IDFT

P/S

Y (k)

Y (n)

yf (n)

Dữ liệu nhị phân

Giải mã và sắp

xếp lại

Ước lượng

kênh

Loại bỏ dải bảo

vệ

W (n)

DFT

S/P

AWGN

P/S

Kênh

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM

 Khối chèn pilot: chèn các chuỗi giả nhiễu, giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra.

 Khối IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform): dùng thuật toán IFFT, tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.

 Khối chèn dải bảo vệ: chèn các khoảng bảo vệ để giảm nhiễu xuyên kí tự

 AWGN: Nhiễu Gause trắng cộng, do tác động trong quá trình truyền dữ liệu

 Khối ước lượng kênh: ước lượng kênh (Channel Estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện