HỆ THỐNG MIMO-OFDM

Giáo viên hướng dẫn : Đào Ngọc Chiến

Sinh viên thực hiện : Tô Hoàng Hiệp

Lớp : ĐT8-K48

OFDM Do các vấn đề về nhiễu (interference) và các vấn đề về đa

đường (multi path), một số công nghệ trước đây cũng đã đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS (non line of sight) nhưng cũng chưa mang lại hiệu quả cao.

Sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : là một bước đột phá trong thị trường truy cập vô tuyến băng rộng.

OFDMCông nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng

mang (FDM) trong thông tin vô tuyến

Điều chế đa song mang (ghép kênh phân chia theo tần số FDM):

Ưu điểm (so với ĐC đơn mang):

+giảm ảnh huởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (inter synbol interference)

+độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu giảm

Nhược điểm :

+giảm hiệu quả sử dụng phổ do các kênh phụ được phân cách nhau ở một khoảng nhất định

Để tăng hiệu quả sử dụng phổ và kế thừa ưu điểm của điều chế đa

sóng mang phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ra đời:

• Chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau.

• Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.

Khái nệm về sự trực giao của 2 tín hiệu

)(*)( tqtpa

b

)(tp)(* tq

OFDM

k , p = q

0 , p q

là liên hợp phức của a, b là chu kì của tín hiệuk : const

OFDMMật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM :

Bộ điều chế OFDMNguyên tắc : Phổ tín hiệu được dịch vào sóng mang phụ thứ p thông qua

phép nhân với hàm phức

e với ws = 2 fs = 2 1/Ts : khoảng cách tần số giữa 2 sóng mangTa có :

jpwst e

jqwst * ( e ) dt =

j(p – q)wst e dt

1

j(p – q)ws

j(p – q)wst e

t = (k+1)Ts

t = kTs =0 , p q

Ts, p = q

Tsk

kTs

)1(

Tsk

kTs

)1(

=

Theo định nghĩa, 2 sóng mang phụ p , q trực giao với nhau

jpwst

Bộ điều chế OFDM● Băng tần của hệ thống được chia làm Nc kênh con với chỉ số của

các kênh con là n : n {1,2,3,…,Nc} ● Đầu vào của bộ điều chế là dòng dữ liệu {a} được chia thành Nc dòng

dữ liệu song song thông qua bộ phân chia nối tiếp/song song● Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n} lại được điều chế thành

mẫu tín hiệu đa mức {dk,n} với : +i: chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua

bộ biến đổi nối tiếp/song song +k: chỉ số khe thời gian tương ứng với mẫu tín hiệu phức

Xung cơ bản (basic impulse)• Trong bất kì hệ thống vô tuyến nào, tín hiệu trước khi phát đi đều

được nhân với xung cơ bản.• Mục đích : Nếu bề rộng phổ của tín hiệu phát lớn hơn bề rộng

kênh truyền cho phép thì tín hiệu phát sẽ gây ra nhiễu xuyên kênh đối với hệ thống khác

giới hạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng của kênh truyền.

• Dạng xung cơ bản thường gặp là xung vuông :

Xung cơ sở (basic impulse) S’(t) : xung cơ bản bề rộng bằng bề rông một mẫu tín hiệu OFDM

S(t) : xung cơ bản sau khi được chèn chuỗi bảo vệ

: bề rộng bằng Ts+TG với TG : độ dài chuỗi bảo vệ

Ts : độ dài mẫu tín hiệu OFDM

S(t)

So

-TG

S’(t)

TS0

T

Bộ điều chế OFDM ●Tín hiệu m’k(t) sau khi được nhân với xung cơ sở và dịch tần

được cộng lại qua bộ tổng ●Mẫu tín hiệu OFDM thứ k :

m’k(t) = dk,n S’(t - kTs) e

●Tín hiệu OFDM tổng quát là : m’(t) = m’k(t) = dk,n S’(t - kTs) e

k

Nc

n 1

Nc

n 1

k

jnwst

jnwst

• Luồng tín hiệu được lấy mẫu với tần số : ta = 1/B = 1/NC fs với B là bề rộng băng tần của hệ thống

• Ở thời điểm lấy mẫu t=kTs+ lta thì S’(t - kTs)=So

(*)

Nc

n 1

m’k(kTs + lta) = So dk,n e jnws(kTs + lta)

= So dk,n e ejnwskTs jnws lta

Nc

n 1

Bộ điều chế OFDM

Bộ điều chế OFDM

wskTs =2 fs k 1 = 2k e = 1

fs

jnwskTs

e = e = e jnws lta jn2 fs. 1 j2 nl

fsNc Nc

m’k(kTs + lta) = So dk,n e

Nc

n 1

j2 nlNc

Phép biến đổi trên trùng hợp với phép biến đổi ngược Fourier IDFT

Bộ điều chế OFDMBộ điều chế dùng thuật toán biến đổi ngược Fourier :

Chuyển đổi

Nối

Tiếp

/song

song

Mã hóa

IDFT

Chuyển đổi

song

song

/ nối

tiếp

Chèn

khoảng

bảo vệ

Biến đổi

số

/tương tự

{a}

ai,Nc

ai,n

ai,1

dk,Nc

dk,n

dk,1

m’(lta) m(lta) m(t)

Mã hóa (M-QAM, QPSK)Sơ đồ điều chế đồng pha, vuông pha I (Inphase) ,Q (Quadrature):• Sơ đồ QPSK :

• Sơ đồ 16-QAM :

11

00 01

10

11101111

11001101

1001 1000

1011 10100010

00010000

0111

0100

0110

0011

0101

I

I

Q

Q

Mã hóa (M-QAM, QPSK)

chòm sao(constellation) điều chế IQ,16 – QAM ,với

mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí

Chuỗi bảo vệ (gurad interval)Nguyên nhân: ●Trong môi trường không có đường dẫn thẳng (NLOS), tín hiệu đa

đường dẫn là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu.

● Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng một lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau so với tín hiệu gốc (là tín hiệu đi thẳng).

● Do không đến cùng một thời điểm các tín hiệu phản xạ gây ra hiện tượng nhiễu.

Chuỗi bảo vệ (gurad interval)Nguyên nhân (tiếp) : Tác động của hiện tượng đa đường dẫn đến trên hệ thống kết

nối vô tuyến có ảnh hưởng giữa các symbol ISI (Inter Symbol Interference)

Khắc phục : Công nghệ OFDM đã khắc phục được vấn đề ISI bằng cách sử

dụng khoảng thời gian bảo vệ (Guard Interval) tại đoạn bắt đầu của symbol :bằng cách sao chép ở phần phía trước của symbol

Chuỗi bảo vệ (gurad interval)Khoảng thời gian bảo vệ chính là phần symbol bị ảnh hưởng bởi ISI

còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo vệ chính là khoảng tải tin

Giải điều chế OFDMKênh truyền dẫn phân tập đa đường biểu diễn thông qua : + đáp ứng xung h( ,t) với là trễ truyền dẫn của kênh t là thời điểm quan sát kênh + hàm truyền đạt H(jw, t) quan hệ : H(jw, t) = h( ,t)e d

Ở miền thời gian ,tín hiệu thu u(t) là tích chập của tín hiệu phát m(t) và đáp ứng xung của kênh h( ,t):

u(t) = m(t) * h( ,t) = h( ,t)m(t - )d

-jw

max

0

Giải điều chế OFDMCác bước thực hiện ở bộ giải điều chế :• Tách khoảng bảo vệ ở tín hiệu thu

• Nhân với hàm số phức e với mục đích dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc trước khi điều chế

• Giải điều chế ở các sóng mang phụ• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit• Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp

-jnwst

Bộ giải điều chế OFDMSơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM dùng DFT :

Biến đổi

tương tự/

số

Tách

khoảng

bảo

vệ

Biến đổi

nối tiếp/

song song

DFT

Giải

mã

Biến đổi

song song

/ nối tiếp

u (t) u (lta) u’(lta)

dk,1

dk,Nc

dk,n

ak,1

ak,Nc

ak,n {a}

Tách khoảng bảo vệ• u(t) : luồng tín hiệu vào bộ giải điều chế• u’(t): luồng tín hiệu nhận được

u(t)

u’(t)

t

t

(k-1)T

(k-1)Ts

kT (k+1)T

(k+1)TskTs

u’(kTs + t) = u(kT + t) với 0 <= t<= Ts , k

Quá trình tách khoảng bảo vệ phụ thuộc :

+độ dài chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

+điều kiện kênh truyền (phụ thuộc hay không phụ thuộc thời gian)

Ts : độ dài mẫu tín hiệu

TG : độ dài chuỗi bảo vệT = Ts +TG

Tổng quan hệ thống OFDMĐiều chế ở băng tần cơ sở

Chèn mẫu tin dẫn đường

IDFT Chèn chuỗi bảo vệ

Biến đổi sô/tương tự

Kênh vô tuyến

Biến đổi tương tự/số

Tách chuỗi bảo vệ

DFT

Tách mẫu tin dẫn đường

Khôi phục kênh truyền

Cân bằng kênh

Giải điều chế ở bằng tần cơ sở

Nhiễu trắng (AWGN)

Dòng bit

Dòng bit

Phổ của tín hiệu OFDMBiểu diễn toán học của phổ : Phổ tín hiệu OFDM là tổng phổ trên từng sóng mang phụ :

Phổ của tín hiệu OFDM Do các sóng mang phụ là trực giao với nhau nên cho kết quả hiện

trên máy phân tích phổ tín hiệu như sau :

2 sườn phổ tín hiệu có độ dốc lớn làm giảm nhiễu giữa các kênh khác nhau trong hệ thống

Mẩu tin dẫn đường• Mẫu tin dẫn đường chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền

thời gian• Khoảng cách giữa 2 mẫu tin liên tiếp nhau phải tuân theo qui luật lấy mẫu cả

ở miền tần số và miền thời gian• Ở miền tần số sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ

truyền dẫn lớn nhất của kênh • Rf là tỉ số lấy mẫu 1 ở miền tần số thì Rf = >= 1 Df fs

• Ở miền thời gian sự biến đổi của hàm truyền phụ thuộc vào tần số Doppler• Rt là tỉ số lấy mẫu 1 ở miền thời gian thì Rt = >=1 • 2 fD,max Dt(Ts + TG)

Trong trường hợp các điều kiện không được thỏa mãn thì tín hiệu không thể khôi phục hoàn toàn ở máy thu

max

Mẩu tin dẫn đường• Nguyên tắc :

Dt

Df

Miền thời gian

Miền

tần số

Mẫu tin có ích

Mẫu tin dẫn đường

Doppler

TDt= Dt.TT = Ts + TG

CIR : đáp ứng xung của kênh truyền

fd

-fd BDf = DfBo

Bo=1/Tsf

t

Mẩu tin dẫn đườngMẫu tin dẫn đường (pilot sub-carries) trong miền tần số :

Hệ thống MIMO• MIMO(Multiple Input Multiple Output ) : hệ thống với nhiều anten

phát và nhiều anten thu

• Cải thiện hiệu quả sử dụng tần số cũng như dung lượng của hệ thống thông tin hơn so với hệ thống 1 anten phát 1 anten thu SISO

• Việc nâng cao hiệu quả thu phát phụ thuộc vào số lượng anten thu phát và độ tán xạ của môi trường truyền dẫn

Hệ thống MIMO-OFDMKết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và hệ thống OFDM

• Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM :

Mã không gian /thời gian

(space/time coding) Điều chế ở

băng tần cơ sở

Điều chế ở băng tần cơ sở

IDFT

IDFT

Chèn chuỗi bảo vệ

Chèn chuỗi bảo vệ

Dòng bit

●

●

●

Các bộ phát tín hiệu OFDM được kết hợp với nhau thông qua bộ mã hóa thời gian/ không gian

Bộ mã hóa này nhằm tạo tạo ra các luồng bit khác nhau cho anten phát, tận dụng sự phân tập về không gian của các tín hiệu phát qua các anten khác nhau để sửa lỗi đường truyền

Sự phân tập (diversity)• Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để

hạn chế ảnh hưởng của fading.• Trong thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế

ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

• Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập

anten) Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào

hệ thống MIMO nhờ : + khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng

cao chất lượng và dung lượng hệ thống + giảm ảnh hưởng của fading + tránh được hao phí băng thông tần số –yếu tố rất được quan

tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

Sự phân tập (diversity)• Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản

sao của cùng một tín hiệu truyền.• Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít

có sự tương quan về fading. • Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín

hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ.

Các phương pháp kết hợp thường gặp: • Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (Scanning and Selection

Combiners: SC) quét và lựa chọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất• Bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain Combiners: EGC)• Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners:MRC): tổ hợp

tất cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k.

Sự phân tập (diversity)

Quét lựa chọn

(SC)

Bộ tổ hợp cùng độ lợi

(EGC)

Bộ tổ hợp tỉ số tối đa

(MRC)

Sự phân tập (diversity)

Khảo sát trong trường hợp 1 anten phát và nhiều anten thu : SER (symbol error rate) : tỉ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SER trong 3 trường hợp khi số anten là 2 và điều chế QAM

SER phương pháp MRC khi tăng số anten từ 1 đến 4 và điều chế QPSK

Mã hóa không gian- thời gian Mã không gian-thời gian (Space-Time Codes-STC) do Tarokh và

các đồng sự phát minh năm 1998 tại AT&T : là một phương pháp mang lại hiệu quả truyền tin trong việc phân tập phát trong môi trường fading sử dụng nhiều anten

Mã hóa không gian- thời gian• Giả sử có N anten phát và M anten thu• Với mỗi kí hiệu sl đầu vào, bộ mã hóa tạo ra N kí hiệu mã được

phát đồng thời từ N anten phát : cl,1; cl,2; cl,3,…,cl,N

• Vecto mã cl= [cl,1; cl,2; cl,3,…,cl,N] • Phát dãy vecto mã C = {C1, C2,…, CL}• Lỗi xảy ra khi bộ giải mã quyết định sai rằng ta đã phát 1 dãy vecto

mã khác C’ = {C’1, C’2,…, C’L} • Xét khung dữ liệu có đầu vào là L• Ma trận lỗi A : A(C, C’) = (Cl – C’l)(Cl – C’l)* với * là kí hiệu liên hợp phức

T

L

l 1

• Xác suất lỗi cặp PEP (Pairwise Error Probability) có giới hạn trên :

P(CC’) ≤ ( Es / 4No )

r

n

n1

)(

-M -rM

Năng lượng kí hiệu

Mật độ phổ công suất tạp âm

Hạng của ma trận lỗi A

Trị riêng khác không của ma trận lỗi A

r

n

n1

)(

( Es / 4No )

-M

-rM

: độ tăng ích mã hóa của hệ thống

: độ tăng ích phân tập của hệ thống

≤ MN (do r ≤ N)

MH =

PT =

Mã hóa không gian- thời gian

Mã hóa không gian- thời gian Dựa vào các thông số trên người ta phân loại các bộ mã hóa ra làm

2 loại chính :

Mã khối không gian – thời gian STBC (Space-Time Block Coding)

+Có PT

+Không có MH

+ Bộ giải mã đơn giản

Mã lưới không gian – thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)

(tạo ra sự tương quan giữa các tín hiệu phát)

+Có PT

+Có MH

+Bộ giải mã phức tạp

Mã STTC

(10)2 3(11)

(00)0 1(10)

00

01

10

11

00

01

10

11

00 00

01

10

11

01

00

01

10

11

10

11

10

11

00

10Các kí hiệu trong chòm sao tín hiệu QPSK

Kí hiệu 11 và 00 được phát đồng thời trên 2 anten tương ứng

Mã STTC với 4 và 8 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2 anten phát

1 mã 4 trạng thái

1 mã 8 trạng thái

Hình 1 Hình 2

Mã STTC• Mã STTC được thiết kế sao cho ở bộ giải mã, thuật toán Viterbi – thuật

toán giải mã hợp lí cực đại (Maximum Likelihood) được sử dụng để tính đường hợp lí nhất chạy qua lưới có số đo tích lũy nhỏ nhất

• Số đo tích lũy được xác định :

│ rt,m - s1 - s2│m,1 m,2

M

m 1

2

Độ tăng ích đường truyền từ anten phát 1 đến anten thu m

Độ tăng ích đường truyền từ anten phát 2 đến anten thu m

Tín hiệu thu được ở anten m tại thời điểm t

Mã STTC đã được tìm bằng hệ thống máy tính cho chất lượng tốt hơn hẳn các mã STTC trên (được thiết kế bằng phương pháp tính toán thủ công)

Mã STTC Mã STTC đã được tìm bằng hệ thống máy tính cho chất lượng

tốt hơn hẳn các mã STTC trên (được thiết kế bằng phương pháp tính toán thủ công) :

Mã 4 trạng thái QPSK

Hình 3 Hình 4

Mã STTC

4 trạng thái

2 anten phát,1 anten thu

Chất lượng gần như nhau ở các hình

4 trạng thái

2 anten phát, 2 anten thu

Chất lượng mã đã thay đổi (hình 5 và 6 có chất lượng tốt hơn hình 3)

4, 8 trạng thái

2 anten phát, 1 anten thu

Kết quả mô phỏng chất lượng mã STTC dựa trên tỉ lệ lỗi khung FER (Frame Error Rate) và SNR (dùng các hình 1,2,3,4 trên)

Tăng số trạng thái thì xác suất lỗi khung giảm

Hệ thống MIMO-OFDM• Nhờ có sự phân tập mà chất lượng tín hiệu được cải thiện • Bộ thu OFDM có chức năng ngược lại so với bộ phát

Tách chuỗi bảo vệ

FFT

Giải điều chế ở băng tần cơ sở Giải mã

không gian/ thời gian (space/time coding)Giải điều chế ở

băng tần cơ sở

Tách chuỗi bảo vệ

FFT Dòng bit