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

Tại mỗi thời điểm t, một khối bit thông tin được mã hoá để phát ra một từ mã không gian thời gian mà nó bao gồm 2*M kí tự được điều chế. Từ mã không gian-thời gian được cho bởi:

x1

x1 ...

x1 

Xt 



t ,1

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 68 trang tài liệu này.

t ,1

t ,2

...

t ,M 

t ,M 

Trong đó hàng thứ i xti = xit,1, xit,2, …,xit,M, i= 1,2 là dãy dữ liệu cho anten phát thứ i. Để đơn giản chúng ta xét độ dài từ mã bằng số sóng mang con OFDM, M=K. Các tín hiệu xit,1, xit,2,…,xit,M là OFDM được điều chế trên K sóng mang con OFDM khác nhau và được truyền từ anten phát thứ i đồng thời trong một khung OFDM, trong đó xit,k được truyền trên sóng mang con OFDM thứ k.

Trong phân tích hoạt động, chúng ta giả sử khung và kí tự đồng bộ giữa truyền và nhận là lí tưởng. Một kênh con được lấy mẫu bởi fading Rayleigh. Tiến trình fading xem như không đổi trong khung OFDM. Giả sử rằng kênh giữa các anten khác nhau là không tương quan với nhau.

4.3.2.2. Bộ phát STBC-OFDM

Sơ đồ khối STBC-OFDM được cho trong Hình 4.6. Dòng tín hiệu nhị phân được điều chế và ánh xạ thành chuỗi kí tự phức. Bộ chuyển đổi Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) M điểm thực hiện trên từng dòng dữ liệu nối tiếp. Ngõ ra của khối IDFT là M mẫu tín hiệu trong miền thời gian, tương ứng với một khung OFDM.

Để tránh tác động của nhiễu xuyên kí tự, một cyclic prefix (CP) với chiều dài v được thêm vào các mẫu ở ngõ ra, kết quả là tạo ra một khung có chiều dài M+v.

Các khung OFDM được truyền đồng thời từ anten thứ nhất và anten thứ hai, như sau:

 Khung OFDM thứ n: Anten 1:

IDFT CP

n n n,0

X 1(0)...X 1(M 1)x1

...x1

x1

...x1

, x1

...x1 

n,M 1

n,M v n,M 1

n,0

n,M 1

Anten 2:

IDFT CP

n n n,0

n,M 1

n,M v n,M 1

X 2(0)...X 2(M 1)x2

...x2

x2

...x2

, x2

...x2 

 Khung OFDM thứ (n + 1): Anten 1:

IDFT CP

n n n1,0

X 2* (0)... X 2* (M 1)x1

...x1

x1

...x1

, x1

n,0

n,M 1

...x1 

n1,M 1

Anten 2:

IDFT CP

n n n1,0

X 1* (0)...X 1* (M 1)x2

...x2

n1,M v n1,M 1

x2

...x2

, x2

n1,0

n1,M 1

...x2 

n1,M 1

n1,M v n1,M 1

n1,0

n1,M 1

Trong đó (.)* là chỉ đại lượng liên hợp phức và n = 2u-1, u=1, 2…

Trong mô hình, chúng ta cho từng kênh từ hai anten phát đến anten nhận bằng bộ lọc đáp ứng xung giới hạn với hệ số nhớ v.

4.3.2.3. Bộ thu STBC-OFDM

Tại bộ thu, sau khi lọc các tín hiệu tại mỗi anten thu được, tiền tố được loại bỏ trong mỗi khung. Sau đó các mẫu được đưa đến bộ giải điều chế OFDM. Tín hiệu ra của bộ giải điều chế cho sóng mang con thứ k, k=1,2,…,K, tại anten nhận được cho bởi:

R j H ij X i

N j

n,k n,k n,k n,k i1

n ,k

Trong đó H ij là đáp ứng tần số kênh cho đường truyền từ anten phát thứ i đến

n ,k

anten thu j trên kênh con OFDM thứ k thuộc khung thứ n và N j là ngõ ra giải điều

chế của nhiễu tại anten nhận của kênh con thứ k với năng lượng phổ cường độ N0; j=1,2.

Tín hiệu thu của từng cặp ( R j , R j

) sẽ được xử lí giống như trong hệ thống

n,k n1,k

MIMO để thu được tín hiệu X 1 (k) và X 2 (k) . Đó là ( R j

, R j ) sẽ được đưa qua bộ

kết hợp để thu được tín hiệu ước lượng

X 1 (k) ,

n,k n1,k

X 2 (k) , sau đó đưa qua bộ tách tối ưu

để tách ra tín hiệu

X 1 (k) và

X 2 (k) .

Tín hiệu nhận được tại anten thu:

R j =

H 1 j X 1

+ H 2 j X 2

+ N j

n,k

n,k n ,k

n,k

R j H 1 j X 1

H 2 j X 2

N j

H 1 j

X 2*

H 2 j

X 1*

N j

n1,k n1,k n1,k n1,k n1,k n1,k n1,k n,k n1,k n,k n1,k

Để thuận tiện tính toán, ta đặt:

j n,k

R j ;

n1,k = 2 ;

H ij

H ij

H ;

n,k n1,k ij

X j X ;

n,k j

j n,k

N j

; n1,k

N j

N

Biểu thức trên ta có thể viết lại như sau:

1 1 j

R j H X

1 H2 j X 2 1

R j H X * H X * N j

2 1 j 2 2 j 1 2

Tín hiệu trên qua bộ kết hợp ta được:

X 

H * R j H R j* H H

2 X

H * N j H N j* 

1 1 j

j1

1 2 j 2

j1

1 j

2 j 1 1 j

1 2 j

2 

X 

H R j H R j* H H

2 X

H N j H N j* 

2 2 j

j1

1 1 j 2

j1

1 j

2 j 2 2 j

1 1 j

2 

2 2

Bộ tách tối ưu sẽ cực tiểu độ thông suốt quyết định:

R jH X

H X

R j H X * H X * 

1 1 j

j2

1 2 j

2 2 1 j 2 2 j 1

Thông qua tất cả các giá trị của X1, X2 trong chòm sao X.

Ta mở rộng biểu thức trên, bỏ các thành phần độc lập với các từ mã, sắp xếp lại thì cực tiểu biểu thức trên tương đương với cực tiểu biểu thức sau:

R j H * X *  (R j )* H X

R j H * X *  (R j )* H X

R j H * X

 (R j )* H X *

1 1 j 1 1 1 j

j1

1 1 2 j 2 1 2 j

2 2 1 j

2 2 1 j 2

R j H * X

 (R j )* H X * ] ( X

2 2

2 X 2 ) H

2 2 j

1 2 2 j 1

1 2 ij j1 i1

Sắp xếp biểu thức cực tiểu độ thông suốt trên thành hai phần:

[R j H * X *  (R j )* H X

R j H * X

 (R j )* H X * ] X

2 H 2

1 1 j 1 1 1 j

j1

1 2 2 j

1 2 2 j 1

1 ij

j1 i1

Công thức trên là biểu thức chỉ theo biến X1.

[R j H * X *  (R j )* H X

R j H * X

 (R j )* H X * ] X

2 H 2

2 2 j 2 1 2 j

j1

2 2 1 j

2 2 1 j 2

2 ij

j1 i1

2 2

Công thức trên là biểu thức theo biến X2.

Vì vậyncực tiểu biểu thức

R jH X

H X

R jH X *H X *là

1 1 j

j2

1 2 j

2 2 1 j 2 2 j 1

tương đương với cực tiểu riêng rẽ hai biểu thức trên. Ta lần lượt thực hiện cực tiểu “độ thông suốt quyết định” như sau:

2 j *

j * 

2 2 2 

2 để giải mã X

R1 H1 j  (R2 )H2 j X1

1Hij

X11

j 1 j 1 i1 

2 j *

j * 

2 2 2 

2 để giải mã X

R1 H2 j  (R2 )H1 j X 2

1Hij

X 22

j 1 j 1 i1 

Gọi

d 2 (x, y)  (x y)(x* y* ) 

x y 2 , qui tắc quyết định cho mỗi tín hiệu tổ

hợp

X j , j=1, 2 trở thành: Chọn Xi nếu và chỉ nếu:

12 2

H 2 X 2 d 2 ( X , X )

 12 2 H 2 X

2 d 2 ( X , X

) ; i k

ij i j i ij 

k j k

j 1 i1 j 1 i1 

Trong đó Xi và Xk là 2 kí tự thuộc chòm sao kí tự mà phần mã hoá đã thực

hiện.

n ,k

Như vậy là ta đã thu được tín hiệu X 1

= X1; X 2

= X2

n ,k

Kết luận:

Mô hình hệ thống STBC_OFDM với tác động là kênh fading lựa chọn tần số. Bộ thu thực hiện một số tiến trình xử lí được hỗ trợ bởi thuật toán Viterbi, mỗi phần được gán cho một tần số riêng trong mô hình OFDM.

4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã trình bày kỹ thuật MIMO-OFDM. Đây là kỹ thuật đang được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin di động vì nó mở rộng băng thông và

tăng tốc độ dữ liệu lên nhiều lần, nâng cao chất lượng tín hiệu. MIMO-OFDM là cơ sở cho chuẩn IEEE 802.11n, đây là chuẩn mới cho hệ thống WIFI vừa hỗ trợ các chuẩn cũ vừa có tính năng ưu việt hơn hẳn, như hỗ trợ liên lạc giọng nói, trao đổi hình ảnh, video với chất lượng cao.

MIMO-OFDM còn được áp dụng trong hệ thống WIMAX và kỹ thuật này sẽ được áp dụng rộng rãi và đem lại các tiến bộ vượt bậc trong thông tin liên lạc không dây của nhân loại.

KẾT LUẬN‌

Kỹ thuật MIMO_OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mô nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động, như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó không thực hiện được.

Đề tài đã giới thiệu kỹ thuật OFDM, kỹ thuật này cải thiện đáng kể về chất lượng tín hiệu. Phát triển đề tài này, có thể nghiên cứu thêm các hệ thống MIMO_OFDM với số anten phát và thu lớn hơn; như hệ thống 3x4, 4x4, 8x8,… Nhưng số anten tăng cũng nảy sinh vấn đề cần giải quyết đó là: sự phức tạp trong bộ thu tín hiệu, làm cho các phép tính có độ khó cao, thiết bị thì cồng kềnh, giá thành cao. Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng, các thuật toán xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM sẽ là một trong những kỹ thuật hàng đầu sẽ được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới như NGN, 4G.

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

...............................................................................................................

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] TS.Phan Hồng Phương, KS.Lâm Chi Thương, “Kỹ thuật phân tập anten trong cải thiện dung lượng hệ thống MIMO”.

[2] TS.Nguyễn Anh Tuấn, “Phương pháp mã hóa không gian – thời gian trong các hệ thống MIMO và một số hướng nghiên cứu”, bài báo trình tại hội nghị khoa học lần thứ VI.

[3] TS.Nguyễn Ngọc Tiến, “Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM”, Tạp chí bưu chính Viễn thông và Công nghệ thông tin, 29/09/2003.

Tiếng Anh

[4] John R.Barry, “Boardband MIOMO – OFDM wireless communications”, 2004

[5] Lisa Meilhac, Alian Chiodini, Clement Boudesocque, Crislin Lele, Anil Gercekei, “MIMO - OFDM modem for WLAN”, Newlogic Technology S.A.R.L, 07 -

2004.

Trang web

[6] http://www.scribd.com/doc/93447515/K%E1%BB%B8-THU%E1%BA%ACT MIMO

[7] http://kiemtailieu.com/ky-thuat-cong-nghe/tai-lieu/ky-thuat-mimo-ofdm.html