Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

Hình 3.12: Sơ đồ mã lưới

Mã lưới được biểu diễn thông qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đồ trạng thái (state diagram) mô tả sự biến đổi từ trạng thái hiện tại sang trạng thái kế tiếp tuỳ thuộc k bit dữ liệu đầu vào ví dụ: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2.

2 bit

1 bit

Hình 3.13: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2

T rạng thái hiện tại

T rạng thái

kếtiếp V ector mã 1

00 = 0

01 = 1

1 0 = 2

1 1 = 3

00 = 0

01 = 1

1 0 = 2

1 1 = 3

00, 1 1

1 1

1 0

1 1

1 1 , 00

00 1 0

1 0, 01

01 , 1 0

Lưới mã Sơ đồtrạng thái

Ngõvào

1 1 0 1 1 1

T X 1	1	1	1 0	1	0
T X 2	1	0	0 0	0	1

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

Bit vào 1

Bit vào 0

Hình 3.14: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2

Tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ được bộ giải mã tương quan tối đa không gian-thời gian STMLD (Space-Time Maximum Likelihood Decoder) giải mã. Bộ STMLD sẽ được thực hiện thành giải thuật vector Viterbi, đường mã nào có metric tích luỹ nhỏ nhất sẽ được chọn là chuỗi dữ liệu được giải mã. 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,

một bộ mã STTC có bậc phân tập là D truyền dữ liệu với tốc độ R bps thì độ phức tạp của bộ giải mã tỉ lệ với hệ số 2R(D-1).

STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng số trạng thái của lưới mã. Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ

phức tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC.

 Kết luận:

 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 Space-Time Block Code Alamouti, tốc độ dữ liệu không bị suy giảm (full rate) nhưng ta vẫn đạt được độ lợi phân cực tương đương với trường hợp 2 anten thu (phân cực 2 anten phát < phân cực 2 anten thu).

 Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như trên, sau đó sẽ được tổng hợp lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu).

3.5. Kết luận chương

Kỹ thuật MIMO trong thông tin di động có nhiều ưu điểm như hiệu suất phổ và độ tin cậy của kênh truyền. Kỹ thuật MIMO có những ưu điểm và khuyết điểm riêng nên các nhà khoa học thường kết hợp kỹ thuật MIMO với các kỹ thuật khác để tạo ra hệ thống MIMO hoàn chỉnh nhất, có nhiều ưu điểm nhất. Như sự kết hợp STBC với bộ mã ngoài (TCM hay Turbo) để có độ lợi mã hoá, hay sự kết hợp kỹ thuật MIMO với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM).

CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM

4.1. GIỚI THIỆU CHUNG

MIMO-OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên. Nó là kĩ 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.

Trong các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống thông tin chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất, dung lượng hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên vì việc phân bố băng thông đã được định chuẫn sẵn.

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống. Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số. Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai.

WRAN 802.22

WiMobile 802.20

WiMAX 802.16

Zigbee 802.15.4

Wi-Fi 802.11

Bluetooth UWB

802.15.1 802.15.3

R(Mbps)

V ùng bao phuû

WAN

MAN

LAN

PAN

0.01 0.1 1 10 100 1000

Hình 4.1: Các chuẩn thông tin không dây của IEEE

Hình 4.1 mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng tốc độ bit và vùng bao phủ, trong đó các chuẩn màu sậm sẽ được ứng dụng hệ thống MIMO- OFDM trong tương lai, điều này cho thấy tầm ứng dụng của hệ thống MIMO-OFDM rất rộng.

4.2. MÔ TẢ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO - OFDM

Hình 4.2: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM

Chúng ta xét hệ thống STC-OFDM với K sóng mang con, nT anten phát và nR anten thu. Tổng băng thông của hệ thống là W Hz. Nó được chia thành K băng con trùng lên nhau.

4.2.1. MIMO-OFDM Tx

Hình 4.3: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM

 Luồng dữ liệu được mã hoá bởi bộ mã hoá FEC

 Luồng dữ liệu mã hoá đó được ánh xạ qua bộ constellation bởi bộ điều chế và mã hoá MIMO.

 Mỗi luồng symbol đầu ra tương ứng với một anten phát Tx và chịu sự xử lí OFDM của anten đó:

 Chèn thêm chuỗi pilot vào

 Điều chế bởi bộ IFFT

 Cuối cùng luồng dữ liệu được chuyển đến IF/RF cho anten phát

4.2.2. MIMO_OFDM Rx

Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM

 Đầu tiên, các luồng dữ liệu nhận được từ anten thu Rx được đồng bộ

 Sau đó Preambles và CP được tách ra từ luồng Rx nhận được. Phần tín hiệu còn lại sau khi tách ra là một kí tự OFDM được giải điều chế bằng bộ FFT.

 Pilot tần số được được tách ra từ symbol OFDM giải điều chế và được sử dụng cho việc ước lượng kênh. Ma trận ước lượng kênh được thêm vào trong bộ giải mã MIMO.

 Các symbol được tổng hợp, giải điều chế và giải mã để tạo ra luồng dữ liệu phát ban đầu

4.2.3. Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM

Hình 4.5: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM

Trong môi trường thời gian thực, frame là đơn vị vận chuyển nhỏ nhất bao gồm 10 khe. Mỗi khe bao gồm 1 khe preamble và 8 symbols OFDM. Preamble được sử dụng cho mục đích đồng bộ thời gian. Mỗi OFDM symbol được gắn thêm 1 CP. CP được sử dụng để giảm nhiễu symbol ISI và cân bằng kênh một cách đơn giản hơn. Mỗi frame được vận chuyển qua sóng mang phụ (định thời pha, định thời tần số và ước lượng tần số offset).

4.3. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MIMO-OFDM

4.3.1. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM

Đương lượng băng tần cơ sở phức của một đáp ứng xung kênh fadinh được viết dưới dạng:

h(t,) l(t)(l)

Trong đó l (t)

là qui trình Gaussian phức băng tần hẹp tĩnh wide_sense và

được giả sử là độc lập giữa các kênh khác nhau. Hơn nữa chúng ta giả sử rằng hàm tương quan trong miền thời gian là giống nhau cho tất cả các đường truyền, đó là:





2 r t ,l m



E l t

t * (t)

l t

 0,l m

Không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử rằng tổng công suất trung bình của đáp ứng xung kênh là một đơn vị:



2 2  1

Cho hệ thống MIMO-OFDM với Nt anten phát và Nr anten thu (Nr Nt), tín hiệu nhận tại anten thu thứ j trên sóng mang con k và khối thứ n có dạng như sau:

x jn, kHij n, kbin, kwjn, k

i1

Cho j=1,…, Nr và k=0,…, K-1

Trong đó: bi [n, k] là kí tự được truyền từ anten phát thứ i trên sóng mang thứ k của khối thứ n.

Hij [n, k] là đáp ứng tần số của kênh truyền từ anten phát thứ i đến anten thu thứ j tại sóng mang thứ k của khối n.

K là tổng số sóng mang

wj [n, k] là nhiễu Gaussian với sự thay đổi 

Bỏ qua sự tổn hao, đáp ứng tần số kênh có thể được viết như sau:

0

kl

Hij n, k H nTf , k f

l 0

hij n,l WK

Trong đó hij[n,l] = hij(nTf,lts), K0=[td/ts], Wk=

j 2

e K , Tf và f

là chiều dài kí tự

cộng khoảng bảo vệ và khoảng cách giữa các sóng mang con, ts là chu kì lấy mẫu, nó

bằng với

1 , t

là độ trải trễ tối đa.

Kf d

Phương trình

trận như sau:

x jn, kHij n, kbin, kwjn, kcó thể viết lại dưới dạng ma

i1

xn,kHn,kbn,kw[n,k]

x n, k

t 

Trong đó:

H11[n, k]

H12[n, k]

... H1N [n, k] 





H 21[n, k]

, H[n, k]  .



H 22[n, k]

... H 2 N [n, k] 

. . 

x1 n, k

 ... ;

x [n, k]

 . . . . 



Nr 



Nr 1

n, k 

H Nr 2

[n, k]

...

H Nr Nt

[n, k]

b1[n, k ] w1[n, k] 

bn, k ... , wn, k ... .



b [n, k]w [n, k]

Nt Nr 

4.3.2. Space-Time Block-Coded OFDM

4.3.2.1. Hệ thống STBC-OFDM

Chúng ta xét hệ thống STBC-OFDM với K sóng mang con, 2 anten phát và 2 anten thu. Tổng băng thông của hệ thống là W Hz. Nó được chia thành K băng con trùng lên nhau. Giản đồ khối của hệ thống được cho như hình 4.6.

Hình 4.6: Mô hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 TC: Turbo convolutional code

RS: Reed-Solomon code STT: Space Time Trellis STB: Space Time Block