HỆ THỐNG MIMO-OFDM

1. HỆ THỐNG MIMO-OFDM Giáo viên hướng dẫn : Đào Ngọc Chiến Sinh viên thực hiện : Tô Hoàng Hiệp Lớp : ĐT8-K48

2. 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.

3. OFDM Công 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

4. OFDM 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 k , p = q 0 , p q là liên hợp phức của a, b là chu kì của tín hiệu k : const

5. OFDM Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM :

6. Bộ điều chế OFDM Nguyên 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 mang Ta có : jpwst jpwst e jqwst * ( e ) dt = j(p – q)wst e dt 1 j(p – q)wst e t = (k+1)Ts 0 , p q = t = kTs = j(p – q)ws Ts,p = q Theo định nghĩa, 2 sóng mang phụ p , qtrực giao với nhau

7. 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

8. 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 :

9. 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 S’(t) -TG 0 TS T

10. 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 jnwst jnwst

11. Bộ điều chế OFDM • 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 (*)  jnws(kTs + lta) m’k(kTs + lta) = So dk,n e jnwskTs jnws lta = So dk,n e e

12. Bộ điều chế OFDM jnwskTs wskTs =2 fs k 1 = 2k  e = 1 fs jnws lta jn2 fs. 1 j2 nl fsNc Nc e = e = e j2nl Nc m’k(kTs + lta) = So dk,n e Phép biến đổi trên trùng hợp với phép biến đổi ngược Fourier IDFT

13. Bộ điều chế OFDM Bộ điều chế dùng thuật toán biến đổi ngược Fourier : ai,1 dk,1 Chuyển đổi Nối Tiếp /song song Chuyển đổi song song / nối tiếp Chèn khoảng bảo vệ Biến đổi số /tương tự {a} ai,n dk,n m’(lta) m(lta) m(t) Mã hóa IDFT ai,Nc dk,Nc

14. Mã hóa (M-QAM, QPSK) Sơ đồ điều chế đồng pha, vuông pha I (Inphase) ,Q (Quadrature): • Sơ đồ QPSK : • Sơ đồ 16-QAM : I 10 11 Q 00 01 I 1101 1100 0100 0101 0110 0111 1111 1110 Q 0010 0011 1011 1010 0000 0001 1001 1000

15. Mã hóa (M-QAM, QPSK) chòm sao(constellation) điều chế IQ,16 – QAM ,với mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí

16. 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.

17. 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 symbolISI (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

18. 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

19. Giải điều chế OFDM Kênh 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

20. Giải điều chế OFDM Các 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

21. Bộ giải điều chế OFDM Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM dùng DFT : dk,1 ak,1 Biến đổi nối tiếp/ song song DFT Giải mã Biến đổi tương tự/ số Tách khoảng bảo vệ Biến đổi song song / nối tiếp u (t) u (lta) u’(lta) {a} dk,n ak,n dk,Nc ak,Nc

22. Tách khoảng bảo vệ • u(t) : luồng tín hiệu vào bộ giải điều chế • u’(t): luồng tín hiệu nhận được u(t) kT (k+1)T (k-1)T t u’(t) (k-1)Ts kTs (k+1)Ts t u’(kTs + t) = u(kT + t) với 0 <= t<= Ts , k Ts : độ dài mẫu tín hiệu T = Ts +TG TG : độ dài chuỗi bảo vệ 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)

23. Tổng quan hệ thống OFDM Dòng bit Chèn mẫu tin dẫn đường Chèn chuỗi bảo vệ Biến đổi sô/tương tự Điều chế ở băng tần cơ sở IDFT Kênh vô tuyến Nhiễu trắng (AWGN) Dòng bit Biến đổi tương tự/số Tách chuỗi bảo vệ Giải điều chế ở bằng tần cơ sở Cân bằng kênh DFT Tách mẫu tin dẫn đường Khôi phục kênh truyền

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

25. 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

26. 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 giansự 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

27. Mẩu tin dẫn đường • Nguyên tắc : Miền thời gian Mẫu tin có ích Mẫu tin dẫn đường Df Miền tần số CIR : đáp ứng xung của kênh truyền Doppler Dt t fd -fd BDf = DfBo Bo=1/Ts f TDt= Dt.T T = Ts + TG

28. Mẩu tin dẫn đường Mẫu tin dẫn đường (pilot sub-carries) trong miền tần số :

29. 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

30. Hệ thống MIMO-OFDM Kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và hệ thống OFDM • Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM : Chèn chuỗi bảo vệ Điều chế ở băng tần cơ sở Mã không gian /thời gian (space/time coding) IDFT Dòng bit ● ● ● Điều chế ở băng tần cơ sở IDFT Chèn chuỗi bảo vệ 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

31. 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

32. 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.

33. Sự phân tập (diversity) Quét lựa chọn (SC) Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC)

34. 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

35. 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

36. Mã hóa không gian- thời gian • Giả sử có N anten phát và M anten thu • Với mỗi kí hiệu slđầu 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

37. Mã hóa không gian- thời gian • Xác suất lỗi cặp PEP (Pairwise Error Probability) có giới hạn trên : P(CC’)≤ ( Es / 4No ) Hạng của ma trận lỗi A Trị riêng khác không của ma trận lỗi A -M -rM Năng lượng kí hiệu Mật độ phổ công suất tạp âm -M MH = : độ tăng ích mã hóa của hệ thống -rM : độ tăng ích phân tập của hệ thống ≤ MN (do r ≤ N) PT = ( Es / 4No )

38. 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

39. Mã STTC Mã STTC với 4 và 8 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2 anten phát 1 mã 8 trạng thái 00 00 (10)2 3(11) 01 01 (00)0 1(10) 10 10 1 mã 4 trạng thái 00 00 11 11 Kí hiệu 11 và 00 được phát đồng thời trên 2 anten tương ứng 01 01 10 00 11 01 10 10 00 10 11 11 Các kí hiệu trong chòm sao tín hiệu QPSK 10 11 Hình 1 Hình 2

40. 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 lũynhỏ nhất • Số đo tích lũy được xác định : │rt,m - s1 - s2│ 2 Độ tăng ích đường truyền từ anten phát 1 đến anten thu m Tín hiệu thu được ở anten m tại thời điểm t Độ tăng ích đường truyền từ anten phát 2 đến anten thu m 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)

41. 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) : Hình 3 Hình 4 Mã 4 trạng thái QPSK

42. Mã STTC 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) 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 Tăng số trạng thái thì xác suất lỗi khung giảm

43. 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) Dòng bit Giải điều chế ở băng tần cơ sở Tách chuỗi bảo vệ FFT