Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu hệ thống mimo - ofdm và tìm hiểu về mạng wimax
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ---------- BÁO CÁO Bài tập lớn môn hệ thống viễn thông Đề tài:Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Văn Yêm Hà Nội - 12/2013 1 2 PHẦN I. LỜI GIỚI THIỆU Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động và Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng. Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hình hiển thị nhỏ. Các hệ thống 3G, đang trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về sau) và có màn hình hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện – hệ thống di động 4G. Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi băng thông lại có giới hạn. Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra MIMO (Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành công đáng kể. Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang được áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao. Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng băng hẹp và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ. Chính bởi những khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống MIMO và OFDM đem lại những tiềm năng to lớn cho hệ thống thông tin hiện nay, nên việc kết hợp chúng thành một hệ thống MIMO – OFDM là một giải pháp vô cùng quan trọng cho sự phát triển 4G. Và đó cũng là lý do nhóm chúng em lựa chọn đề tài cho bài tập lớn môn hệ thống viễn thông của mình là: “Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng Wimax” 3 PHẦN II. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Tên đề tài Đề tài của bài tập lớn môn hệ thống viễn thông mà chúng em nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện là : Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng Wimax Ở đề tài này chúng em cùng tìm hiểu lý thuyết kĩ thuật truyền dẫn OFDM, lý thuyết về hệ thống MIMO và hệ thống kết hợp cả hai kĩ thuật này MIMO-OFDM. Bên cạnh đó chúng em cũng tìm hiểu tổng quan về mạng không dây băng thông rộng WiMAX và có thể áp dụng hệ thống MIMO-OFDM cho mạng WiMAX. 2. 2.1. Các yêu cầu của đề tài Yêu cầu chức năng: Đề tài cần thực hiện bao gồm các nội dung chính cần phải tìm hiểu như: - - Hiểu về công nghệ OFDM, là một công nghệ trong kĩ thuật truyền dẫn số khá phổ biến hiện nay. Có kiến thức về hệ thống đa anten phát, đa anten thu – hệ thống MIMO, áp dụng vào các hệ thống truyền dẫn hiện nay và hiệu quả của chúng. Tìm hiểu về mạng không dây băng thông rộng WorldwideInteroperability for Microwave Access viết tắt là WiMAX, ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng người sử dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ và giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối. Hệ thống MIMO-OFDM kết hợp, và ứng dụng vào mạng không dây WiMAX. Đưa ra được các ưu nhược điểm của từng hệ thống , nhận xét đánh giá và ứng dụng cũng như hướng phát triển của lý thuyết này ở Việt Nam. 2.2. Yêu cầu phi chức năng. Bên cạnh các lý thuyết quan trọng cần tìm hiểu của đề tài, còn cần thực hiện mô phỏng nó bằng một công cụ phần mềm. Ở đây chúng em sử dụng phần mềm Matlab và ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng lần lượt nội dung liên quan đến kĩ thuật OFDM, kĩ thuật MIMO và sự kết hợp của hai kĩ thuật này thành một hệ thống hoàn 4 chình hơn, mạnh mẽ hơn, ưu điểm hơn. Muốn vậy, cần phải học sử dụng thành thạo phần mềm Matlab,về ngôn ngữ Matlab- một ngôn ngữ lập trình hệ thống mạnh mẽ và công cụ mô phỏng simulink khá hữu dụng hiện nay. CHƯƠNG II. LẬP KẾ HOẠCH CHO ĐỀ TÀI 1. Các giai đoạn thực hiện đề tài Tên giai đoạn 1. Nhận đề tài, phân tích đề tài , lập kế hoạch và thực hiện cài đặt chương trình mô phỏng 2. Triển khai tìm hiểu về kĩ thuật OFDM . Học sử dụng matlab – simulink với các chương trình nhỏ. Triển khai mô phỏng công nghệ OFDM bằng matlab 3. Tìm hiểu về hệ thống MIMO. 4. Tìm hiểu về mạng không dây băng thông rộng WiMAX 5. Tìm hiểu về hệ thống MIMOOFDM,áp dụng cho WiMAX, mô phỏng hệ thống bằng matlab 6. Đóng gói mô phỏng, viết báo cáo và bảo vệ bài tập lớn Ngày bắt đầu Ngày kết thúc 12/09/2012 26/09/2012 27/09/2012 18/10/2012 Hoàn thành 19/10/2012 29/10/2012 30/10/2012 08/11/2012 09/11/2012 23/11/2012 Hoàn thành Hoàn thành Chưa Hoàn thành Chưa hoàn thành 24/11/2012 5 Trạng thái Hoàn thành 2. Lập kế hoạch 3. Phân công công việc Thành viên Trần Công Nam Nguyễn Văn Toàn Trần Đức Thắng Nguyễn Thế Bình Công việc Phân tích đề tài, lập kế hoạch cho đề tài, tìm hiểu kiến thức chung của đề tài, tổng hợp và viết code matlab mô phỏng cho hệ thống mimo-ofdm Tìm hiểu kiến thức về công nghệ OFDM, thực hiện mô phỏng matlab cho OFDM Tìm hiểu hệ thống MIMO- đa anten phát, đa anten thu Tập trung tìm hiểu về mạng WIMAX, ứng dụng trong cuộc sống hiện tại viễn thông Việt Nam 6 Trạng thái Hoàn thành Hoàn thành Hoàn thành Hoàn thành Các thành viên trong nhóm được phân rõ công việc, và tập trung sâu vào nhiệm vụ được giao đó. Trong giai đoạn của mỗi công việc, các thành viên khác trong nhóm cũng tham gia tìm hiểu, giúp đỡ nhau về phần của mình. Kết thúc mỗi giai đoạn, có buổi họp nhóm để mỗi thành viên trình bày về tiến độ công việc được giao, giúp cả nhóm tiếp thu các kiến thức một cách nhanh nhất. Tổng kết và chuyển sang giai đoạn tiếp theo. CHƯƠNG III. OFDM 1. Giới thiệu chung về kĩ thuật 1.1. Định nghĩa và lịch sử phát điều chế OFDM triển Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn 7 phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó.Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, ngườI đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổI DFT. Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. 1.2. Ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM • Ưu điểm của kỹ thuật OFDM : Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao),do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency 8 selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiễu so với hệ thống truyền dẫn đơn song mang. Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản. • Nhược điểm của kỹ thuật OFDM” Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng.Điều này gây méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu.Cho đến nay ,nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này [Pau98]. Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền ,do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích . Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ ,hệ thống OFDM rất nhay cảm vói hiệu ứng Dopple cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ. 1.3. Ứng dụng của kĩ thuật OFDM ở Việt Nam Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường.Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. 1.4. Hướng phát triển của kĩ thuật OFDM Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống thong tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật 9 OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong tương lai. 2. Tìm hiểu về công nghệ điều 2.1. Điều chế đơn sóng mang chế Hình 3.1 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi tín hiệu có độ dài là (PT 3.1) Tsc= 1/B Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ. Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau: 10 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải thích do độ dài của 1 mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu. Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến - Gaussian Noise - Interchanel Interference - Co-channel Interference - Inter-symbol interference - Multiple access interference Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống. Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp. Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên. 2.2. Điều chế đa sóng mang FDM 11 Hình 3.2 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang Hình 3.3. Hệ thống đa sóng mang Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con vớI các sóng mang phụ cho mỗI băng tần con là khác nhau. Chi tiết của phương pháp này xem ở hình 2.2b Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tìn hiệu của hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song. Vì vậy đọ dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang : 12 Ts=1/Fs=Ts.Nc PT(3.2) Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường). Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với các phương pháp điều chế đơn sóng mang là: Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều phần ( Băng thông giảm-> B T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian). Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu. Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự dụng phổ. Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau. 2.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 13 Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống ADSL, các kỹ thuật này thường đượcc nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc 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. 3. Mô hình hệ thống OFDM 14 Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc. Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát. Theo đó trước hết, trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích tín hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu. Hình 3.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM 15 Tầng chuyển đổi nối tiếp song song Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu. Khi tín hiệu truyền trong môi trường dưới ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa đường do phadinh lựa chọn tần số làm suy giảm tín hiệu thu ở các tần số khác nhau các mức khác nhau gây ra lỗi bit tại phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận bị lỗi, kết quả là một cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu như cụm lỗi bit này không quá lớn thì bộ sửa lỗi tại phía thu vẫn có thể khôi phục được tín hiệu. Trên thực tế cụm lỗi bit này thường khá lớn nên khó khăn rất lớn trong việc sửa lỗi. Một giải pháp khả thi được đặt ra là làm cho các bit lỗi này phân tán thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp thì các bit lỗi này sẽ nằm rải rác tránh được các cụm bit lỗi lớn. Để thực hiện được điều này trong thực tế người ta sử dụng các bộ xáo trộn bit như là một phần trong quá trình chuyển đổi nối tiếp , song songthay vì truyền theo thứ tự chuỗi bit ta truyền không theo thứ tự rồi sau đó sắp xếp lại chúng ở phía thu Tầng điều chế sóng mang con Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha. Việc sắp xếp điều chế sóng mang con đối với 16-QAM được cho hình 3.5(a) , mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tương ứng với một vector IQ duy nhất.Hình 3.5(b) mô tả tín hiệu 16-QAM dưới tác động của nhiễu . 16 Hình 3.5 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray và tín hiệu 16-QAM qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB truyền Tầng chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số Hình 3.6 Bộ điều chế OFDM thực hiện bằng IFFT Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian. Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền thời gian. Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT). Hầu hết các 17 sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ liệu được đặt bằng 0. Tầng điều chế sóng mang RF Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình 3.7 và "số" được cho ở hình 3.8. Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q. Hình 3.7 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật tương tự Hình 3.8 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật số 18 Hình 3.9 mô tả dạng sóng trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM. Số lượng sóng mang = 500, kích thước FFT = 2000, khoảng thời gian bảo vệ = 500. Sóng mang điều chế cao tần có tần số fc = 10 GHz. Hình 3.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cách dùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 3.7 và hình 3.8. Bộ điều chế IQ sẽ dịch phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên vùng tần số vô tuyến, và chuyển từ tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực). Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực và nó chỉ biến đổi giá trị cường độ trường. Một tín hiệu thực sẽ tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức có tần số trung tâm là 0 Hz trộn với tần số sóng mang ở bộ điều chế IQ. fc = W + f off 2 19 (PT 3.3) Trong đó fc là tần số sóng mang để dịch tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên tín hiệu OFDM cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu và f off là tần số dịch từ DC. Trong các ứng dụng hữu tuyến như ADSL, hầu hết các sóng mang con đều có tổng độ dịch DC thấp hơn độ rộng băng tần tín hiệu. Điều này có ý nghĩa rằng có thể trực tiếp tạo tín hiệu thực bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ để chuyển dịch tần số. Hình 3.10 Tín hiệu OFDM Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng cho điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ có giá trị biên độ là liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục 4.1. Nhiễu ISI và giải pháp khắc phục 4. Nguyên nhân và ảnh hưởng của ISI • Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) truyền qua nó. • Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời 20 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI • Chèn khoảng bảo vệ Hình 3.11 Cấu trúc symbol OFDM và khoảng bảo vệ Giả thiết có một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T S , chuỗi bảo vệ là một chuỗi có độ dài TG. Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ thì khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra bằng cách sao chép phần cuối ký hiệu lên phần đầu của cùng ký hiệu. Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc sao chép phần cuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tại điểm nối .Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường. Hình 3.12 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ. Cơ chế chống nhiễu được giải thích như + Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu mới có chu kì là T=T+TS TG > (PT 3.4) τ max 21 Hình 3.12 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi symbol OFDM • Khoảng bảo vệ chống lại ISI Khoảng bảo vệ sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của ISI. Tuy nhiên trong thực tế, các thành phần đa đường có xu hướng suy giảm chậm theo thời gian, hậu quả vẫn tồn tại một chút ISI thậm trí khi sử dụng khoảng thời gian bảo vệ dài. Hình 2.19 là kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI . Băng tần kênh được giữ nguyên trong các lần mô phỏng. Mô phỏng thực hiện thay đổi giá trị chiều dài khoảng bảo vệ và kích thước FFT đối với tín hiệu OFDM, và so sánh SNR thu được ứng với mỗi lần thay đổi hai thông số này. Kết quả cho thấy SNR tăng khi chiều dài khoảng bảo vệ cùng kích thước FFT tăng. 4.2. Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM, ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của các sóng mang con. Nguyên nhân và ảnh hưởng của ICI • ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần số) mà nguyên nhân chính là hiện tượng dịch tần Doppler do sự dịch chuyển tương đối của máy phát và máy thu máy thu. 22 • Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao. Giải pháp khắc phục Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, và dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Các hoa tiêu giúp cho việc ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI . 5. 5.1. Một số hệ thống sử dụng kĩ thuật OFDM Hệ thống DRM DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh điều tần truyền thông AM.Tần số song mang cho hệ thống DRM tương đối thấp ,cụ thể là nhỏ hơn30MHz ,phù hợp cho việc truyền sóng ở khoảng cách lớn. 5.2. Hệ thống Hiper LAN/2(IEEE802.11a) Hệ thống HiperLAN/2 tương đương với tiêu chuẩn IEEE802.11a được thiết kế cho mạng máy tính không dây WLAN.Tốc độ truyền dẫn lớn nhất hệ thống có thể cung cấp vào khoảng 54Mbit/s tùy thuộc vào môi truongf truyền dẫn.Bề rộng băng tần sử dụng là 20Mhz và được khai thác ở vùng tần số khoảng 5GHz.Môi trường truyền daanxlaf ở trong nhà và giữa các tòa nhà .Khoảng cách truyền dẫn tương đối nhỏ khoảng vài một đến vài trăm mét. 5.3. Hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e) 23 WiMax [IEEE-1] ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN.Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km.Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng tế bào . Tram phát :Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 80000 km2. Trạm thu:có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính,theo cách mà Wlan vẫn dùng. 6. Kết luận chương Qua chương này, ta có thể hiểu được một số vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM như cấu trúc một hệ thống OFDM, tính trực giao của tín hiệu, cấu trúc tín hiệu OFDM... Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống thông tin tốc độ cao. Nhưng với nhu cầu thông tin hiện nay, không chỉ đòi hỏi về chất lượng thông tin mà còn đòi hỏi về cả dung lượng hệ thống. Để đáp ứng được yêu cầu này, nhất là trong điều kiện tài nguyên tần số có hạn, hệ thống MIMO ra đời để giải quyết vấn đề này sẽ được giới thiệu ở chương 2. CHƯƠNG IV. MIMO 1. Định nghĩa 24 Hình 4.1 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống thông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống. Chi phí phải trả để tăng tốc độ dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên. 2. Lịch sử phát triển - Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất, nêu ra khái niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng - cho phát thanh quảng bá. Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồng truyền trên - kênh fading nhanh. Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung - năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó. Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được - làm bởi Bell labs. Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan Wireless Inc dùng công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. 25 SDM là giải pháp hứa hẹn cho việc tăng đáng kể dung lượng truyền và hiệu suất băng thông. Thuật toán SDM khai thác hết mức kênh wireless phân tập nhờ sử dụng các anten thu phát. 3. Cơ sở lý thuyết 3.1. Kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc băng tần cần thiết. Tại phía thu sẽ có nhiều bản sao tín hiệu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận được hai hay nhiều bản sao tín hiệu một cách độc lập thì các bản sao tín hiệu này cũng bị suy giảm độc lập với nhau. Nên nếu một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền. Phân tập có thể áp dụng được cho cả phía phát và phía thu. Phân tập phía phát liên quan đến mã không gian – thời gian, bản sao tín hiệu được truyền đi từ các anten khác nhau. Còn phân tập phía thu cho phép thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một thông tin nhưng có ít sự tương quan về fading. Chúng được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu. Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể được ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số và miền thời gian. Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Phân tập thời gian Phân tập thời gian có thể hiểu một cách trực quan là ta phát tín hiệu ở các khoảng thời gian khác nhau thông qua việc mã hóa và xen kênh. Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền các tín hiệu giống nhau qua các khe thời gian khác nhau. Khoảng thời gian này ít nhất phải bằng thời gian nhất quán của kênh truyền. 26 Hình 4.2 Minh họa phân tập thời gian Theo hình vẽ trên, ta có thể dễ dàng nhận thấy ưu điểm khi ta phát xen kênh so với khi ta truyền ký hiệu liên tiếp. Khi truyền không xen kênh, từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading. Nhưng ta vẫn có thể phục hồi tín hiệu lại trong trường hợp phát xen kênh.Do tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn trong việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Phân tập không gian Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten, sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc chuỗi anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Khoảng cách giữa các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không tương quan với nhau. Yêu cầu về khoảng cách các anten phụ thuộc vào độ cao anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình là khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu được truyền từ nơi phát đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền thời gian. Không giống như trong phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao. 27 3.2. Độ lợi hệ thống MIMO Các hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi đó là: Độ lợi beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian. Độ lợi beamforming: Độ lợi beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn, giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được các nhiễu từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để thể thực hiện được Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường phải nhỏ hơn bước sóng l , thông thường là l /2. Beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ. Độ lợi phân tập không gian Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời qua các anten, nhằm tăng dung lượng hệ thống mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Thuật toán V-BLAST ( Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) thường được áp dụng để đạt được độ lợi cực đại về ghép kênh không gian. Hình 4.3 Ghép kênh tăng tốc độ truyền dẫn Độ lợi phân tập: Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu luôn luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định. Việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền chịu ảnh hưởng fading khác nhau. Bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ lỗi bit BER, chống fading… qua đó tăng độ tin cậy cho hệ thống. Để đạt độ lợi phân tập cực đại, giảm BER, chống fading, thuật toán 28 STBC ( Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng. Hình 4.4 Độ lợi không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được fading thì ta phải có sự cân đối giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong thiết kế hệ thống. 3.3. Dung lượng hệ thống MIMO Hệ thống SISO: Hệ thống SISO (Single Input Single Output ) là hệ thống truyền thông chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh, phát hình hay các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wifi, Bluetooth… Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon: C = log2(1+SNR) bit/s/Hz Hệ thống MISO: Hệ thống MISO (Multi Input Single Output) sử dụng nhiều anten phát và một anten thu. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiển chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng lên theo hàm logarit của số anten phát và có thể xác định được gần đúng theo công thức sau: C = log2(1+N.SNR) 29 Hệ thống SIMO: Hệ thống này sử dụng một anten phát và đa anten thu. Máy thu của hệ thống này có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật Beamforming hoặc MMRC (Maximal – Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo công thức sau: C = log2(1+N.SNR) Hệ thống MIMO: Hệ thống này kết hợp sử dụng đa anten ở cả phía phát và phía thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, phân tập thu nhờ đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Dung lượng hệ thống này còn được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian VBLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và nơi thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể được xác định theo công thức: C = log2(1+NT.NR.SNR) Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo công thức sau: C = min(NT,NR). log2(1+SNR) 4. Mô hình hệ thống MIMO Chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và được biết trước qua phép ước lượng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian. Một hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ ra như sau: 1 y = Hs + z trong đó: z là thành phần tạp âm; H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N anetn phát và M anten thu. Mô hình toán học được diễn tả như sau: 30 Hình 4.5 Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO Ma trận H có dạng: H= Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s= y= z= Phương trình tổng quát: =H+ Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = Hs + z với PT là tổng công suất phát từ N anten phát. 5. Các phương pháp truyền dẫn MIMO Kết quả nghiên cứu về dung lượng kênh truyền MIMO đã thúc đẩy một làn sóng nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn nhằm đạt được dung lượng lý thuyết mong muốn. Tiếp theo công trình chung với Gans , Foschini đề xuất một hệ thống truyền dẫn theo lớp kết hợp với mã hóa nhằm đạt được dung lượng kênh truyền mong muốn như kết quả ở công thức trên. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Foschini cho thấy dung lượng kênh truyền MIMO thực tế chỉ là một đường giới hạn trên có thể đạt được nhờ kết hợp các phương pháp mã hóa và thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm không có giới 31 hạn. Vì vậy, để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết. Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thành hai nhóm sau: Phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) và mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding). Hình 4.6 : Biểu diễn dung lượng kênh MIMO theo r = min(M,N) 5.1. Phân kênh theo không gian: Hình 4.7 : Sơ đồ phân kênh theo không gian 32 Ở sơ đồ phân kênh theo không gian, dòng dữ liệu phát, sau khi được ánh xạ thành các dấu (symbol) của một bộ tín hiệu (constellation) được phân (DEMUX) thành N luồng song song và truyền đồng thời qua N anten phát. Vì vậy, tốc độ truyền dẫn tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một anten thu (SISO) thông thường. Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữa các luồng tín hiệu, và vì vậy làm tăng BER. Để giảm nhỏ BER của hệ thống máy thu sử dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiện tách riêng từng luồng tín hiệu. Hình 4.8 : So sánh phẩm chất BER của các bộ tách tín hiệu khác nhau Hình 4.8 so sánh phẩm chất BER của một số bộ tách tín hiệu bằng mô phỏng sử dụng điều chế BPSK và M=N=4. Chúng ta có thể nhận thấy phẩm chất vượt trội của VBLAST so với các bộ tách tín hiệu tuyến tính hay QR. 5.2. Mã hóa không gian- thời gian Mã hóa không gian - thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập phát. Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong cả hai miền không gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu 33 ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa. Mã không gian thời gian có thể được phân loại thành hai loại: mã khối không gian - thời gian (STBC: Space-Time Block Code) và mã lưới không gian - thời gian (STTC: Space-Time Trellis Code). Mã STBC có ưu điểm thiết kế và giải mã đơn giản. Tuy nhiên, mã STBC lại chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung cấp độ lợi mã hóa. Ngược lại, mã STTC cho phép thu được cả độ lợi phân tập và mã hóa, nhưng việc thiết kế và giải mã lại phức tạp. Trong các sơ đồ mã hóa không gian - thời gian thì phương pháp STBC do Alamouti đề xuất năm 1998 được đánh giá là phương pháp hiệu quả nhất. Phương pháp của Alamouti sử dụng phương pháp mã hóa và giải mã đơn giản, tuy nhiên lại cho phép đạt được đầy đủ cả tốc độ mã và độ phân tập cho các bộ tín hiệu phức. Hình 4.9: Sơ đồ hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti Hình 4.9 mô tả cấu hình một hệ thống MIMO sử dụng mã STBC của Alamouti sử dụng hai anten phát và hai anten thu. Số lượng anten phát bị giới hạn bằng N =2 trong khi số anten phát M có thể tăng lên bất kỳ để thu được độ lợi phân tập tốt hơn. Nguyên lý, mã hóa của Alamouti như sau: tại thời điểm k, anten phát thứ nhất phát đi sk trong khi anten phát thứ hai phát đi sk+1, với dấu * biểu diễn phép toán lấy liên hợp phức. Tại thời điểm tiếp theo, anten phát thứ nhất phát đi , trong khi anten phát thứ hai phát đi Do tín hiệu phát đi từ hai anten phát trực giao với nhau nên việc giải mã được đơn giản 34 hóa nhờ sử dụng các bộ kết hợp (combiner) tuyến tính kết hợp với tách tín hiệu hợp lẽ tối đa (MLD: Maximum Likelihood Detector). Hình 4.10 Phẩm chất BER của STBC của Alamouti so với phương pháp MRC Hình 4.10 so sánh phẩm chất BER của STBC Alamouti với hệ thống không sử dụng phân tập (SISO) và hệ thống phân tập thu (SIMO) sử dụng kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC: Maximum Ratio Combining). Từ hình vẽ chúng ta có thể thấy rằng sơ đồ STBC của Alamouti cho phép cải thiện BER đáng kể so với hệ thống SISO. So với hệ thống sử dụng phân tập thu SIMO MRC, sơ đồ của Alamouti cho phép thu được cùng cấp độ phân tập (cùng độ dốc), tuy nhiên bị thiệt hại 3dB về công suất do điều kiện chuẩn hóa công suất phát sao cho tổng công suất phát từ 2 anten phát bằng với công suất phát trên một anten của hệ thống SIMO MRC. 6. Kết luận Với các ưu điểm về hiệu suất, khả năng triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng thông tin được nâng cao, hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai. Tuy nhiên, hệ thống MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số. Chính vì vậy, việc kết hợp hai hệ thống MIMO và OFDM sẽ được tìm hiểu ở chương sau nhằm đưa ra một hệ thống thông tin đảm bảo về cả chất lượng và dung lượng. 35 CHƯƠNG V. HỆ THỐNG MIMO-OFDM 1. Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM Cấu trúc hệ thống gồm có hệ thống MIMO gồm NT anten phát và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ được minh họa như hình 4.2 . Chi tiết từng khối này đã được trình bày ở các phần trước. Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống MIMO – OFDM Symbol thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể biểu diễn như sau: Với Xj (k) là các symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM Vi(k) là nhiễu Gaussian tại anten thu thứ i trong miền tần số, tức là N-FFT của 36 nhiễu trong miền thời gian vi(t). λij(k) là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ I tại sóng mang phụ thứ n. λij(k) chính là N-FFT cuả đáp ứng kênh truyền c (t) ij từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng thái kênh truyền thì λij(k) sẽ biết được chính xác ứng với mỗi symbol OFDM. Kênh truyền của hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau: Hình sau đây mô tả rõ hơn ma trận H, kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con fading phẳng. Hệ thống MIMOOFDM tương đương với hệ thống MIMO. Hình 5.2 Ma trận kênh truyền MIMO – OFDM 37 2. 2.1. Mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM Mã hóa Alamouti Sơ đồ Alamouti được áp dụng nhằm đạt được độ lợi phân tập lớn nhất trong môi trường fading chọn lọc tần số với cacsu trúc phần cứng khá đơn giản. Hình 5.3 Máy phát MIMO_OFDM Alamouti Hình 5.4 Máy thu MIMO_OFDM Alamouti 2.2. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 38 Hình 5.5 : Máy phát MIMO-OFDM V-BLAST Hình 5.6 máy thu MIMO-OFDM V-BLAST 39 3. Cải thiện chất lượng hệ thống MIMO-OFDM nhờ sử dụng mã lưới Hệ thống MIMO – OFDM Alamouti cho phép cung cấp độ lợi phân tập, nhưng không cung cấp độ lợi mã. Để thu được thông tin có chất lượng cao hơn, Người ta sử dụng hệ thống MIMO – OFDM Trellis để có thể có được cả độ lợi phân tập và độ lợi mã. Hình vẽ sau đây minh họa các khối cơ bản nhất của hệ thống. Hình 5.7 Sơ đồ khối hệ thống phát MIMO-OFDM Trellis Tại phía phát, dữ liệu nhị phân sau khi đi qua bộ điều chế QAM, sẽ được đưa qua bộ điều chế STTC. Qua bộ điều chế này, sẽ có NT dòng dữ liệu nối tiếp được đưa ra NT bộ điều chế OFDM . Ở đây, tín hiệu sẽ được biến đổi nối tiếp sang song song, điều chế sóng mang con, IFFT, chèn khoảng bảo vệ, chèn từ đồng bộ khung, điều chế sóng mang cao tần rồi đưa ra anten phát Tại phía thu, sau mỗi anten, tín hiệu được giải điều chế OFDM, tạo ra chuỗi nối tiếp các kí hiệu QAM. Tất cả các chuỗi ký hiệu nối tiếp này, được đưa vào bộ giải điều chế STTC. Trong bộ giải điều chế STTC, giải thuật Viterbi được sử dụng để tìm ra đường mã có metric tích lũy nhỏ nhất để giải điều chế QAM, thành chuỗi bít nhị phân cần thu. 40 Hình 5.8 Sơ đồ khối hệ thống thu MIMO-OFDM Trellis 4. Kết luận chương Hệ thống MIMO-OFDM thực sự là một hệ thống đem lại chất lượng tốt đem lại nhiều tiềm năng, nên trong tương lai chắc chắn sẽ được phát triển rộng rãi. CHƯƠNG VI. TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ WiMAX 1. Khái niệm WiMax ( Worldwide Interoperability for Microwave Access.) là một mạng không dây băng thông rộng WiMax ứng dụng trong thiết bị mạng Internet dành số lượng người sủ dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ. WiMax là hệ thống truy nhập vi ba có tính tương thích toàn cầu dựa trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE 802.16 WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Họ 802.16 này đưa ra những tiêu chuẩn, chỉ tiêu kỹ thuật nhằm tập trung giải quyết các vấn đề trong mạng vô tuyến băng rộng điểm – đa điểm về giao diện vô tuyến bao gồm: Lớp 41 điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY). WiMax đã giải quyết tốt nhất những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối. WiMax sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến để kết nối các máy tính trong mạngInternet thay vì dùng dây để kết nối như DSL hay cáp modem. WiMax như một tổng đài trong vùng lân cận hợp lý đến một trạm chủ mà nó được yêu cầu thiết lập một đường dữ liệu đến Internet. Người sử dụng trong phạm vi từ 3 đến 5 dặm so với trạm chủ sẽđược thiết lập một đường dẫn công nghệ NLOS (Non-Line-Of-Sight) với tốc độ truyền dữ liệu rất cao là 75Mbps. Còn nếu người sử dụng trong phạm vi lớn hơn 30 dặm so với trạm chủ thì sẽ có anten sử dụng công nghệ LOS (Line-Of- Sight) với tốc độ truyền dữ liệu gần bằng 280Mbps. WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động, phạm vi phủ sóng được mở rộng. 2. Đặc điểm WiMAX đã được thiết kếđể chú trọng vào những thách thức gắn với các loại triển khai truy nhập có dây truyền thống như: Backhaul. Sử dụng các anten điểm – điểm để nối nhiều hotspot với nhau và đến các trạm gốc qua những khoảng các dài (đường kết nối giữa điểm truy nhập WLAN và mạng băng rộng cố định). Last mile. Sử dụng các anten điểm – đa điểm để nối các thuê bao thuộc nhà riêng hoặc doanh nghiệp tới trạm gốc. 3. Mục đích WiMAX đã được phát triển với nhiều mục tiêu quan tâm như: -Cấu trúc mềm dẻo : WiMAX hỗ trợ các cấu trúc hệ thống bao gồm điểm, đa điểm, công nghệ lưới và phủ sóng khắp mọi nơi -Chất lượng dịch vụ QoS : WiMAX có thể được tối ưu động đối với hỗn hợp lưu lượng sẽ được mang. Có 4 loại dịch vụđược hỗ trợ: dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), 42 dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực (nrtPS), nỗ lực tốt nhất (BE). - Triển khai nhanh - Dịch vụ đa mức -Tính tương thích - Hoạt động NLOS: Khả năng họat động của mạng WiMAX mà không đòi hỏi tầm nhìn thắng giữa BS và MS. Khả năng này của nó giúp các sản phẩm WiMAX phân phuát dải thông rộng trong một môi trường NLOS. -Phủ sóng rộng hơn: WiMAX hỗ trợ động nhiều mức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM. Khi yêu cầu với bộ khuếch đại công suất cao và hoạt động với điều chế mức thấp (ví dụ BPSK hoặc QPSK). -Dung lượng cao: Có thểđạt được dung lượng 75 Mbit/s cho các trạm gốc với một kênh 20 MHz trong các điều kiện truyền sóng tốt nhất. -Tính mở rộng. Chuẩn 802.16 -2004 hỗ trợ các dải thông kênh tần số vô tuyến(RF) mềm dẻo và sử dụng lại các kênh tần số này như là một cách để tăng dung lượng mạng. Chuẩn đã được thiết kế để đạt tỷ lệ lên tới hàng trăm thậm chí hàng nghìn người sử dụng trong một kênh RF. - Bảo mật: Bằng cách mật hóa các liên kết vô tuyến giữa BS và MS, sử dụng chuẩn mật hóa tiên tiến AES ở chế độ CCM, đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu trao đổi qua giao diện vô tuyến. Cung cấp cho các nhà vận hành với sự bảo vệ mạnh chống lại những hành vi đánh cắp dịch vụ. 43 4. Các chuẩn của WiMAX 4.1. Chuẩn IEEE 802.16 – 2001. Chuẩn IEEE 802.16-2001 được hoàn thành vào tháng 10/2001 và được công bố vào 4/2002, định nghĩa đặc tả kỹ thuật giao diện không gian WirelessMAN™ cho các mạng vùng đô thị. Đặc điểm chính của IEEE 802.16 – 2001 :Giao diện không gian cho hệ thống truy nhập không dây băng rộng cố định họat động ở dải tần 10 – 66 GHz, cần thỏa mãn tầm nhìn thẳng. - Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-SC. - Tốc độ bit: 32 – 134 Mbps với kênh 28 MHz. - Điều chế QPSK, 16 QAM và 64 QAM. - Các dải thông kênh 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz. - Bán kính cell: 2 – 5 km. - Kết nối có định hướng, MAC TDM/TDMA, QoS, bảo mật. 4.2. Chuẩn IEEE 802.16a. Vì những khó khăn trong triển khai chuẩn IEEE 802.16, hướng vào việc sử dụng tần số từ 10 – 66 GHz, một dự án sửa đổi có tên IEEE 802.16a đã được hoàn thành vào tháng 11/2002 và được công bố vào tháng 4/2003. Chuẩn này được mở rộng hỗ trợ giao diện không gian cho những tần số trong băng tần 2–11 GHz, bao gồm cả những phổ cấp phép và không cấp phép và không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng. Đặc điểm chính của IEEE 802.16a như sau: - Bổ sung 802.16, các hiệu chỉnh MAC và các đặc điểm PHY thêm vào cho dải 2 - – 11 GHz (NLOS). Tốc độ bit : tới 75Mbps với kênh 20 MHz. Điều chế OFDMA với 2048 sóng mang, OFDM 256 sóng mang, QPSK, 16 - QAM, 64 QAM. Dải thông kênh có thể thay đổi giữa 1,25MHz và 20MHz. Bán kính cell: 6 – 9 km. Lớp vật lý PHY: WirelessMAN-OFDM, OFDMA, SCa. 44 Các chức năng MAC thêm vào: hỗ trợ PHY OFDM và OFDMA, hỗ trợ công - nghệ Mesh, ARQ. 4.3. Chuẩn IEEE 802.16 – 2004. Tháng 7/2004, chuẩn IEEE 802.16 – 2004 hay IEEE 802.16d được chấp nhận thông qua, kết hợp của các chuẩn IEEE 802.16 – 2001, IEEE 802.16a, ứng dụng LOS ở dải tần số 10- 66 GHz và NLOS ở dải 2- 11 GHz. Khả năng vô tuyến bổ sung như là “beam forming” và kênh con OFDM. 4.4. Chuẩn IEEE 802.16e. WiMAX 802.16e có hỗ trợ handoff và roaming. Sử dụng SOFDMA, một công nghệ điều chế đa sóng mang. Các nhà cung cấp dịch vụ mà triển khai 802.16e cũng có thể sử dụng mạng để cung cấp dịch vụ cố định. 802.16e hỗ trợ cho SOFDMA cho phép số sóng mang thay đổi, ngoài các mô hình OFDM và OFDMA. 5. Các băng tần của WiMAX • Băng tần 2,3-2,4GHz (2,3GHz Band) : được đề xuất sử dụng cho Mobile WiMAX. Tại Hàn Quốc băng này đã được triển khai cho WBA (WiBro). • Băng tần 2,4-2,4835GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX trong tương lai . • Băng tần 2,5-2,69GHz (2,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX di động trong giai đoạn đầu . • Băng tần 3,3-3,4GHz (3,3GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định. • Băng tần 3,4-3,6GHz (3,5GHz Band): được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong giai đoạn đầu :FWA (Fixed Wireless Access)/WBA (WideBand Access). • Băng tần 3,6-3,8GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cốđịnh (WBA) và cấp cho Châu Âu. Tuy nhiên, băng 3,7-3,8 GHz đã được dung cho vệ tinh viễn thông Châu Á, nên băng tần này không được sử dụng cho Wimax Châu Á. • Băng tần 5,725-5,850GHz: được đề xuất sử dụng cho WiMAX cố định trong giai đoạn đầu. 45 • Ngoài ra, một số băng tần khác phân bổ cho BWA cũng được một số nước xem xét cho BWA/WiMax là: băng tần 700-800MHz (< 1GHz), băng 4,9-5,1GHz. 6. Truyền sóng Trong khi nhiều công nghệ hiện đang tồn tại cho không dây băng rộng chỉ có thể cung cấp phủ sóng LOS, công nghệ WiMAX được tối ưu để cung cấp phủ sóng NLOS. Công nghệ tiên tiến của WiMAX cung cấp tốt nhất cho cả hai. Cả LOS và NLOS bị ảnh hưởng bởi các đặc tính đường truyền môi trường của chúng, tổn thất đường dẫn, và ngân quỹ kết nối vô tuyến. Công nghệ NLOS và những tính năng được nâng cao trong WiMAX tạo khả năng sử dụng thiết bị phía đầu khách hàng (CPE) trong nhà. Công nghệ WiMAX, giải quyết và giảm nhẹ các vấn đề do bởi các điều kiện NLOS bằng cách sử dụng: công nghệ OFDM, OFDMA, điều chế thích nghi, các công nghệ sửa lỗi, các công nghệ anten, điều khiển công suất, kênh con. 6.1. Công nghệ OFDM. Công nghệ OFDM (ghép kênh phân chia tần số trực giao), dựa vào FDM là công nghệ mà sử dụng nhiều tần sốđể truyền đồng thời nhiều tín hiệu song song, tăng tốc độ truyền dẫn. Mỗi tín hiệu có dải tần số riêng (sóng mang con) mà sau đó được điều chế theo dữ liệu. Mỗi sóng mang con được tách biệt bởi một dải bảo vệ để đảm bảo rằng chúng không chồng lên nhau. Những sóng mang này sau đó được giải điều chếở máy thu sử dụng các bộ lọc để tách riêng các dải. OFDM nén nhiều sóng mang được điều chế chặt chẽ cùng nhau, giảm dải không yêu cầu nhưng giữ các tín hiệu được điều chế trực giao để chúng không gây ra nhiễu lẫn nhau. Nó cung cấp các hoạt động với một phương thức hiệu quả khắc phục các trở 46 ngại của truyền sóng NLOS. Dạng sóng OFDM WiMAX cung cấp thuận lợi là có thể hoạt động với khoảng trễ lớn hơn ở môi trường NLOS. Khả năng khắc phục khoảng trễ, đa đường, và ISI theo cách hiệu quả cho phép thông lượng tốc độ dữ liệu cao. 6.2. Công nghệ OFDMA. Công nghệ OFDMA cho phép một vài sóng mang con được gán tới những người dùng khác nhau. Ví dụ các sóng mang con 1, 3 và 7 có thể được gán cho người dùng 1, và các sóng mang con 2, 5 và 9 cho người dùng 2. Những nhóm sóng mang con này được xem như các kênh con. OFDMA mở rộng được cho phép các kích thước FFT nhỏ hơn để cải thiện chất lượng đối với các kênh dải thông thấp hơn. 7. Các ứng dụng 7.1. Các mô hình ứng dụng WiMAX tích hợp hoàn toàn vào các mạng cố định và di động đang tồn tại, bổ sung chúng khi cần thiết. WiMAX là một chuẩn không dây đang phát triển rất nhanh, hứa hẹn tạo ra khả năng kết nối băng thông rộng tốc độ cao cho cả mạng cố định lẫn mạng không dây di động. Hai phiên bản của WiMAX được đưa ra như sau: Fixed WiMAX (WiMAX cố định): Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004, được thiết kế cho loại truy nhập cố định và lưu động. Trong phiên bản này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonnal Frequency Division Multiple) hoạt động trong cả môi trường nhìn thẳng – LOS (line-ofsight) và không nhìn thẳng – NLOS (Non-line-of-sight). Sản phẩm dựa trên tiêu chuẩn này hiện tai đã được cấp chứng chỉ và thương mại hóa. Mobile WiMAX (WiMAX di động): dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16e, được thiết kế cho loại truy cập xách tay và di động. về cơ bản, tiêu chuẩn 802.16e được phát triển trên cơ sở sửa đổi tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 để tối ưu cho các kênh vô tuyến di động, cung cấp khả năng chuyển vùng – handoff và chuyển 47 mạng – roaming. Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy cập ghép kênh chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonnal Frequency Division Multiple Access) – là sự phối hợp của kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính chất trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng. 7.2. Mô hình hệ thống WiMAX. Mô hình hệ thống WiMAX cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bào truyền thống : Hình 6.1 Mô hình hệ thông WiMax Hai phần chính của hề thống WiMax bao gồm : - Trạm gốc WIMAX : Đây là phần thiết bị giao tiếp với các hệ thống cung cấp dịch vụ mạng lõi bằng cáp quang, hoặc kết hợp các tuyến vi ba điểm ,điểm kết nối với các nút quang hoặc qua các đường thuê riêng từ các nhà cung cấp dịch 48 vụ hữu tuyến. Các dịch vụđược chuyển đổi qua anten trạm gốc kết nối với các thiết bị đầu cuối WiMAX CPE qua môi trường vô tuyến. - Thiết bịđầu cuối CPE WiMAX : trong hầu hết các trường hợp, một đầu cuối “plug and play” đơn giản, tương tự với modem DSL, cung cấp khả năng kết nối. Đối với những khách hàng được đặt ở vị trí vài km từ trạm gốc WiMAX, một anten bên ngoài tự cài đặt có thể được yêu cầu để cải thiện chất lượng truyền dẫn. Để phục vụ các khách hàng ở biệt lập, một anten chỉ dẫn trỏđến trạm gốc WiMAX có thểđược yêu cầu. Với các khách hàng yêu cầu thoại thêm vào các dịch vụ băng rộng, CPE cụ thể sẽ cho phép kết nối bình thường hoặc các cuộc gọi điện thoại VoIP. Cuối cùng thì chip WiMAX sẽđược nhúng trong các thiết bị trung tâm dữ liệu. 7.3. Các ứng dụng -Truy nhập băng rộng last-mile cốđịnh như một sự thay thế cho DSL có dây, cable, hoặc các kết nối T1. -Backhaul chi phí rẻ cho các vị trí cell và các hotspot WiFi -Khả năng kết nối tốc độ cao cho các doanh nghiệp -VoIP 8. Kết luận chương Qua tìm hiểu những phần trình bày ở trên giúp ta có một cái nhìn tổng quan về công nghệ Wimax, khả năng ứng dụng và tình hình triển khai của nó trong thực tế. Từ đó để bắt đầu đi sâu hơn, tìm hiểu về kiến trúc mạng truy cập WiMAX 49 CHƯƠNG VII. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 1. Giới thiệu Trong chương này, chúng em xin trình bày về kết quả thực hiện mô phỏng hệ thống OFDM bằng phần mềm matlab. Các hệ thống MIMO, hệ thống kết hợp MIMOOFDM vẫn đang tiến hành mô phỏng, do điều kiện thời gian nên nhóm chưa hoàn thiện được các hệ thống này. 2. Thuật toán mô phỏng hệ thống OFDM 50 51 Hình 7.1 Sơ đồ tổng điều chế tín hiệu Đọc dữ liệu : Dữ liệu ở đây là file ảnh: Dữ liệu đọc được từ file ảnh có dạng vectơ 3 chiều, với các phần tử dạngthập phân từ 0 -255. Không thể truyền được cả vectơ 3 chiều nên ta tiến hànhchuyển đổi vectơ 3 chiều thành vectơ 1 chiều, sau đó chuyển các phần tử từ dạng thập phân sang dạng nhị phân. Lỗi sẽ được tính từ số bít sai khác giữa các bit truyền và các bit nhận được. Điều chế M-QAM Dữ liệu nhị phân trước khi đưa đến bộ điều chế, được tiến hành mã hóa QAM. Có thể là mã hóa BPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM Điều chế OFDM Phần này thực hiện điều chế tín hiệu theo kĩ thuật OFDM. Mô hình thuật toán của điều chế và giải điều chế OFDM như hình bên dưới Phát qua kênh truyền Khi phát tín hiệu qua kênh truyền, tín hiệu bị ảnh hưởng bởi đặc tính kênh truyền (ở đây ta mô phỏng cho kênh Rayleigh), có tác động của nhiễu trắng Giải điều chế OFDM Tiến hành ngược lại phía thu để giải điều chế ra tín hiệu QAM thu. Giải điều chế QAM Dữ liệu sau khi được giải điều chế hệ thống, được hiệu chỉnh lại thành tín hiệu QAM chuẩn theo phương pháp ML (Maximum Likelihood ). Sau đó mới tiến hành giải điều chế QAM. Ghi dữ liệu Dữ liệu nhị phân sau khi được giải điều chế QAM sẽ được khôi phục lại 52 Lược đồ điều chế lược đồ giải điều chế Hình 7.2 Lược đồ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM 53 PHẦN III. KẾT LUẬN Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một công nghệ hiện đại cho truyền thông tương lai. Hiện nay việc nghiên cứu và ứng dụng OFDM không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm trong việc tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại fading chọn lọc tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp. Để đáp ứng được nhu cầu rất lớn về dung lượng và tốc độ truyền dẫn, người ta đã kết hợp hệ thống OFDM hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO ( Multi Input- Multi Output ) đã đem lại nhiều ưu điểm vượt trội. Nội dung đồ án này chỉ đề cập tới việc sử dụng các loại mã trong các hệ thống MIMO OFDM, ưu nhược điểm của các hệ thống này. Trên thực tế, vấn đề về việc sử dụng anten gì, cách bố trí anten, điều kiện về bước sóng của các sóng mang… trong hệ thống MIMO – OFDM cũng là một vấn đề rất quan trọng. Qua quá trình mô phỏng, ta nhận thấy rằng các hệ thống MIMO – OFDM mang lại chất lượng truyền thông cao hơn hẳn so với các hệ thống OFDM. Tỷ lệ lỗi bit chỉ còn chưa đến 0.1% trong khi các hệ thống OFDM là khoảng vài phần trăm. Hệ thống mô phỏng mới chỉ sử dụng được thuật toán điều chế và giải điều chế.Hệ thống MIMO-OFDM mới chỉ sử dụng được đối với điều chế 4-QAM. Cần tìm hiểu thêm về cách điều chế các mức cao hơn. Ta có thể tìm hiểu thêm về cách ước lượng kênh truyền ở phía thu. Ngoài ra, ta còn có thể kết hợp điều chế hệ thống OFDM với các cơ chế thích nghi mức điều chế, có khả nămg lựa chọn sóng mang…để chất lượng tín hiệu có thể đáp ứng được ở các mức điều chế cao hơn 16-QAM, đem lại tốc độ truyền dẫn cao hơn trong các kênh truyền tốc độ cao băng hẹp. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên , (2006), Thông tin vô tuyến , NXB Khoa học và kỹ thuật [2]. Nguyễn Văn Đức, (2006), Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM , NXB Khoa học và kỹ thuật [3]. Volker Kiihn, (2006), Wireless Communications over MIMO Channels, John Wiley & Sons, Ltd, University Rostock, Germany [4]. Steven T.Karris, Fouth Edition, Signals and Systems with MATLAB Computing and Simulink Modeling , Orchard Publications . [5] Muhammad Atif Gulzar Rashid Nawaz Devendra Thapa bài báo: Implementation of MIMO-OFDM system for WiMAX [6]. http://www.mathworks.com 55 [...]... của hệ thống SIMO MRC 6 Kết luận Với các ưu điểm về hiệu suất, khả năng triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng thông tin được nâng cao, hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai Tuy nhiên, hệ thống MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số Chính vì vậy, việc kết hợp hai hệ thống MIMO và OFDM sẽ được tìm hiểu ở chương sau nhằm đưa ra một hệ thống. .. MIMO 1 Định nghĩa 24 Hình 4.1 Hệ thống MIMO Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống thông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng thông hệ thống Chi phí phải trả để tăng... đưa ra một hệ thống thông tin đảm bảo về cả chất lượng và dung lượng 35 CHƯƠNG V HỆ THỐNG MIMO- OFDM 1 Tổng quan hệ thống MIMO- OFDM Cấu trúc hệ thống gồm có hệ thống MIMO gồm NT anten phát và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ được minh họa như hình 4.2 Chi tiết từng khối này đã được trình bày ở các phần trước Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống MIMO – OFDM Symbol thu được từ anten thu thứ... Chúng ta bắt đầu từ trường hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định (không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và được biết trước qua phép ước lượng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian Một hệ thống gồm N anten phát và M anten thường được gọi là hệ thống MIMO MxN Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ngõ vào - ngõ ra như sau: 1 y = Hs + z trong đó: z là thành phần... Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng Hình 4.4 Độ lợi không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được fading thì ta phải có sự cân đối giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong thiết kế hệ thống 3.3 Dung lượng hệ thống MIMO Hệ thống SISO: Hệ thống SISO (Single Input Single Output ) là hệ thống truyền thông... kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa N anetn phát và M anten thu Mô hình toán học được diễn tả như sau: 30 Hình 4.5 Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống MIMO Ma trận H có dạng: H= Các vecto phát, thu và tạp âm tương ứng là: s= y= z= Phương trình tổng quát: =H+ Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phương trình hệ thống: y = Hs + z với PT là... trúc tín hiệu OFDM Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống thông tin tốc độ cao Nhưng với nhu cầu thông tin hiện nay, không chỉ đòi hỏi về chất lượng thông tin mà còn đòi hỏi về cả dung lượng hệ thống Để đáp ứng được yêu cầu này, nhất là trong điều kiện tài nguyên tần số có hạn, hệ thống MIMO ra đời để giải quyết vấn đề này sẽ được giới thiệu ở chương 2 CHƯƠNG IV MIMO 1 Định nghĩa... được phát độc lập và đồng thời qua các anten, nhằm tăng dung lượng hệ thống mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống Thuật toán V-BLAST ( Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) thường được áp dụng để đạt được độ lợi cực đại về ghép kênh không gian Hình 4.3 Ghép kênh tăng tốc độ truyền dẫn... truyền MIMO thực tế chỉ là một đường giới hạn trên có thể đạt được nhờ kết hợp các phương pháp mã hóa và thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm không có giới 31 hạn Vì vậy, để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO và. .. nhỏ khoảng vài một đến vài trăm mét 5.3 Hệ thống WiMax( IEEE802.16a,e) 23 WiMax [IEEE-1] ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN .Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50km.Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng tế bào Tram phát ... OFDM, lý thuyết hệ thống MIMO hệ thống kết hợp hai kĩ thuật MIMO- OFDM Bên cạnh chúng em tìm hiểu tổng quan mạng không dây băng thông rộng WiMAX áp dụng hệ thống MIMO- OFDM cho mạng WiMAX 2.1 Các... khai tìm hiểu kĩ thuật OFDM Học sử dụng matlab – simulink với chương trình nhỏ Triển khai mô công nghệ OFDM matlab Tìm hiểu hệ thống MIMO Tìm hiểu mạng không dây băng thông rộng WiMAX Tìm hiểu hệ. .. hoạch cho đề tài, tìm hiểu kiến thức chung đề tài, tổng hợp viết code matlab mô cho hệ thống mimo- ofdm Tìm hiểu kiến thức công nghệ OFDM, thực mô matlab cho OFDM Tìm hiểu hệ thống MIMO- đa anten