CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG MIMO-OFDM (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT OFDM) Sự tích hợp của mạng Internet và các ứng dụng đa phương tiện trong thông tin vô tuyến thế hệ kế tiếp gần đây làm gia tăng nhu cầu tốc độ dữ liệu cao của các dịch vụ thông tin băng rộng. Do băng tần phổ cho phép bị giới hạn, nên việc có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao nhờ vào việc nâng cấp các thiết kế về kỹ thuật báo hiệu. Kết hợp kỹ thuật không dây đa antenna phát và antenna thu MIMO với OFDM là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các mạng WLAN, WMAN thế hệ tiếp theo, cũng như các hệ di động tế bào vô tuyến 4G. Tỉ lệ lỗi bit BER đối với tỉ số tín hiệu trên nhiễu Eb/No (dB) trong các hệ thống đa anten phát và đa anten thu Căn cứ vào hình trên ta thấy, đường cong BER (hình ngôi sao) đối với hệ 1 anten phát và 1 anten thu là cao nhất (1Tx, 1Rx).
Các đường còn lại là biểu diễn BER của hệ thống đa anten ở phía phát hay phía thu MIMO (kỹ thuật phân tập). Ưu điểm của hệ thống MIMO là có được sự phân tập không gian nhờ các antenna đặt cách nhau trong không gian của môi trường có nhiều tán xạ đa đường. HV: Hồ Bảo Minh Triết GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên, TS. Đặng Thành Tín 14 Ứng dụng mã Dual-Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM Lower rate parallel data streams Tx Rx Data stream Single data Tx Complex Signal Rx output stream input scattering Signal encode environment and split estimation Tx and decode Rx Tx Rx Hình 1.
Hệ thống MIMO Có nhiều cách khác nhau để thực hiện hệ thống MIMO với mức độ phân tập nào đó nhằm loại bỏ tín hiệu fading hay mở rộng dung lượng. Nhìn chung, có 3 kỹ thuật MIMO. Thứ nhất là kỹ thuật phân tập không gian tối đa để cải thiện hiệu suất công suất chẳng hạn như phân tập độ trễ, mã hóa không gian-thời gian. Thứ hai là kỹ thuật phân lớp để tăng dung lượng do Foschini et al đề nghị trong hệ thống V-BLAST, tuy nhiên kỹ thuật này thường không có được độ phân tập không gian đầy đủ.
Kỹ thuật thứ ba là khai thác thông tin kênh truyền ở bộ phát để có được dung lượng mong muốn. OFDM là một trường hợp đặc biệt của ghép kênh phân chia tần số FDM (Frequency Division Multiplexing). OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến, là kỹ thuật điều biên và ghép kênh số, trong đó một tín hiệu được tách ra làm nhiều kênh băng hẹp tại những tần số khác nhau, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, truyền đi trên những sóng mang con trực giao. Nó có ưu điểm chống lại fading phụ thuộc tần số.GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.
Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử và bây giờ được kết hợp rộng rãi vào trong các hệ thống khác nhau như MIMO-OFDM, OFDM-CDMA, MC-CDMA (MultiCode - CDMA),. Thập niên 80, OFDM được nghiên cứu cho thông tin di động số, truyền dữ liệu tốc độ cao (high speed modems). Những năm 90, OFDM được khai thác ứng dụng cho truyền thông dữ liệu băng rộng (wideband data communications), đường truyền thuê bao số tốc độ cao HDSL 1.6 Mbps, đường truyền thuê bao số bất đối xứng ADSL, VDSL 100Mbps, DAB.
Trong các hệ thống thông tin hữu HV: Hồ Bảo Minh Triết GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên, TS. Đặng Thành Tín 15 Ứng dụng mã Dual-Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM tuyến (ví dụ hệ thống ASDL,…), kỹ thuật OFDM này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần DMT (Discrete MultiTone). Trong các hệ thống đơn sóng mang, toàn bộ dải tần số tín hiệu được chia thành kênh không chồng lấn lẫn nhau. Mỗi kênh được điều chế với một symbol riêng biệt và rồi N kênh này được trộn tần với nhau.
Như thế ta tránh được chồng phổ nhằm loại bỏ giao thoa xuyên kênh nhưng lại sử dụng nhiều băng thông. Để giải quyết vấn đề này, OFDM sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh phụ chồng lấn lẫn nhau. Trong đó mỗi kênh phụ mang một tốc độ dữ liệu, được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (High-Speed Equalization), chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng hoàn toàn dải thông có sẵn.3: So sánh độ lợi băng thông giữa kỹ thuật đa sóng mang FDM và kỹ thuật OFDM. ĐẶC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT OFDM a) Ưu điểm So với các kỹ thuật điều chế đơn sóng mang, kỹ thuật OFDM có các ưu điểm như sau: _Tiết kiệm băng thông sử dụng vì cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.
_Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang ICI và giao thoa giữa các ký hiệu ISI do sử dụng khoảng bảo vệ tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix). _Bền vững đối với fading phụ thuộc tần số và trải trễ đa đường. Do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng. Ngoài ra do khoảng ký hiệu dài nên lượng phân tán do trải trễ đa đường giảm.
Sử dụng các biện pháp xen và mã hóa kênh thích hợp sẽ khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. _Khả năng kháng nhiễu rất tốt vì can nhiễu chỉ ảnh hưởng đến tỉ lệ nhỏ các sóng mang phụ. HV: Hồ Bảo Minh Triết GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên, TS. Đặng Thành Tín 16 Ứng dụng mã Dual-Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM _Độ phức tạp giảm nhờ thực hiện FFT và IFFT trên luồng dữ liệu nhị phân thay cho các bộ điều chế sóng mang phụ.
_Có thể tạo ra các mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network), mà các mạng này được đặc biệt chú ý đối với các hệ thống truyền thông. Ví dụ như ứng dụng trong mạng đơn tần trong truyền thanh số quảng bá. _Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần. _Trong những kênh thời gian thay đổi tương đối chậm, có thể tăng dung lượng đáng kể bằng cách dung hòa giữa tốc độ dữ liệu đối với một sóng mang phụ theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu của riêng sóng mang phụ này.
_Truyền dữ liệu tốc độ cao. b) Nhược điểm Ngoài ra, kỹ thuật OFDM cũng có những hạn chế so với kỹ thuật điều chế đơn sóng mang, đó là: _OFDM nhạy hơn với sự chênh lệch tần số và nhiễu phase. _Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu là tập hợp của tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên công suất đỉnh trên trung bình PAPR tương đối lớn, mà tỉ số này có khuynh hướng làm giảm hiệu suất của khuếch đại công suất âm tần. Đồng thời dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang.
Vì vậy, phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM Hình 1. Sơ đồ khối một bộ thu phát OFDM băng gốc HV: Hồ Bảo Minh Triết GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên, TS. Đặng Thành Tín 17 Ứng dụng mã Dual-Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM Hình 1.
Phổ của một kênh con OFDM (a) và tín hiệu OFDM 05 sóng mang con (b) 1. BIỂU DIỄN TÍN HIỆU OFDM Theo hình 1.4 ta thấy, dữ liệu vào nối tiếp nhị phân trước tiên được bộ ngẫu nhiên hóa xử lý sau đó được đưa đến bộ mã hóa kênh truyền để cải thiện hiệu suất hệ thống BER. Tùy theo các điều kiện fading khác nhau của kênh truyền mà kiểu điều chế băng gốc riêng chẳng hạn BPSK, QPSK, QAM được lựa chọn nhằm tăng tốc độ dữ liệu. Thậm chí kiểu điều chế có thể thay đổi trong quá trình truyền các frame dữ liệu.
Những tín hiệu phức kết quả sẽ được nhóm thành nhiều vector cột có cùng kích thước FFT, N. Nhằm đơn giản việc biểu diễn, ta dùng ma trận và vector để mô tả mô hình toán học.1) ( + − 1) Trong đó là chỉ số của các ký tự OFDM. Ta giả sử các thành phần giá trị phức { ( ), ( + 1), … , ( + − 1)} của ⃑( ) là các biến ngẫu nhiên có trung bình là 0 và không tương quan với khoảng cách lấy mẫu của chúng là nhóm tín hiệu trong kiểu điều chế. Để công suất trung bình của các ánh xạ khác nhau này được chuẩn hóa bằng 1, người ta nhân 1 hệ số chuẩn hóa với mỗi thành phần của ⃑( ).
Việc lấy mẫu trong miền thời gian được thực hiện thông qua khối biến đổi ngược rời rạc Fourier IDFT (Inverse Fast Fourier Transform) biểu diễn nó là một phép nhân ma trận. Các mẫu kết quả trong miền thời gian ⃑( ) có thể được biểu diễn bởi: ( ) ⃑( ) = ⋮ = ⃑( ) (1.2) ( + − 1) HV: Hồ Bảo Minh Triết GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên, TS. Đặng Thành Tín 18 Ứng dụng mã Dual-Turbo trong hệ thống MIMO-OFDM So với việc điều chế & ghép kênh tốn kém cũng như phức tạp của những hệ thống FDM thông thường, các hệ thống OFDM dễ dàng thực hiện nhờ áp dụng thuật toán FFT trong xử lý băng gốc. Để triệt trãi trễ đa đường trong nhiều kênh truyền vô tuyến, các mẫu trong miền thời gian ⃑( ) được mở rộng lặp vòng thông qua việc sao chép các mẫu cuối và chèn chúng vào trước dữ liệu, như được chỉ ra dưới đây: Hình 1.
a) Khái niệm về tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix); b) Ký tự OFDM với CP Đặt ⃑( ) là ký tự OFDM khi có thêm CP, ta được: ( ) ⃑( ) = ⋮ = (1. Việc chèn CP có thể được biểu diễn như tích số ma trận của ⃑( ) và một ma trận có chiều. Bằng tính toán trực tiếp, ta có: ⃑( ) = ⃑( ) 0 trong đó: = 0 (1.4) 0 ( ) Một trong những vấn đề khó chịu của kênh truyền vô tuyến là trãi trễ đa đường. Nếu trãi trễ tương đối lớn so với khoảng thời gian ký tự, thì 1 bản trễ của tín hiệu trước sẽ chồng lên tín hiệu hiện tại gây ra hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI (InterSymbol Interference) nghiêm trọng.
Để loại bỏ hoàn toàn ISI, người ta phải tạo cho mỗi ký tự OFDM và chiều dài của , phải được chọn lớn hơn trãi trễ đo được, , vì vậy > .
