Kỹ thuật mimo-ofdm trong hệ thống thông tin vô tuyến

  • Số trang: 98 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 17 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông vô tuyến càng ngày càng tăng. Một xu hướng ñang diễn ra trong ngành truyền thông vô tuyến là sự nổi lên của kỹ thuật MIMO-OFDM ở các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới. Trên thực tế, sự hiện diện của MIMOOFDM là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc ñộ số liệu cao hơn của khách hàng mà không cần sử dụng thêm ñộ rộng băng tần kênh. OFDM là một công nghệ ñã chín muồi và ñược sử dụng nhiều trong truyền dẫn số liệu vô tuyến và hữu tuyến như WLAN, WiMAX, ADSL,..truyền hình số và Radio số. Ưu ñiểm nổi bật của OFDM là tăng hiệu suất sử dụng phổ và chống nhiễu gây ra do hiện tượng Fading ña ñường. Trong khi ñó, MIMO là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và anten thu ñể truyền dữ liệu. MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hóa…) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc ñộ dữ liệu. Sự kết hợp những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO ñể tạo thành hệ thống OFDM–MIMO ñã ñược nghiên cứu, ứng dụng và ñạt ñược những kết quả rất khả quan. Có khả năng MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là trụ cột cơ bản của các công nghệ truyên thông băng rộng trong tương lai. Do ñó với hi vọng có những hiểu biết tốt hơn vể những nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật MIMO-OFDM, em ñã chọn ñề tài nghiên cứu:”Kỹ thuật MIMOOFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến” ñể làm luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn em ñược sự giúp ñỡ tận tình của cô PGS.TS Nguyễn Việt Hương, người ñã trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này và các thầy cô trong khoa ðiện Tử - Viễn Thông ñã giúp ñỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội,ngày 20 tháng 10 năm 2011 1 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TÓM TẮT LUẬN VĂN There are 4 chapter in my thesis: Chapter1: In this chapter I will present about basic theory,including models,calculation of transmission channel and multiplexing techniques in Wireless communication system Chapter 2: In chapter 2,I focus on the basic principles of OFDM technology,analysis calculation to see the advandtage of OFDM techique in high speed transmission ,like ,efficiency bandwidth using,anti- fadin and ISI interference Chapter 3: Introducing about MIMO system,analysing and calculating capacity of system,analysing theory of STC coding to improve quality and capacity of system Chapter 4: Using the basic theory which is presended in chap 1&2 to analyse MIMOOFDM system I will present about models and establish the mathematic formula of MIMO-OFDM system Luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Trình bày phần lý thuyết cơ sở bao gồm các mô hình, tính toán kênh truyền và các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến. Chương 2: Trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuât OFDM, phân tích tính toán ñể thấy ñược những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM trong truyền tốc ñộ dữ liệu cao như sử dụng băng thông hiệu quả, chống ñược fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI,… Chương 3: Giới thiệu về hệ thống MIMO, phân tích tính toán dung lượng của hệ thống MIMO, phân tích lý thuyết về mã hoá không gian thời gian STC nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ thống. Chương 4: Sử dụng các cơ sở lý thuyết ñược phân tích trong chương 2 và chương 3 ñể phân tích hệ thống MIMO-OFDM, trình bày các mô hình và thiết lập các công thức toán học của hệ thống MIMO-OFDM 2 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MỤC LỤC LỜI NÓI ðẦU ...........................................................................................................1 TÓM TẮT LUẬN VĂN.............................................................................................2 DANH SÁCH HÌNH VẼ ...........................................................................................5 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT..........................................................................7 CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT.........................................................................10 1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến ...................................................11 1.1.1 Suy hao ñường truyền ...............................................................................11 1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading.....................................................................12 1.1.3 Hiệu ứng Doppler......................................................................................14 1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng ..............15 1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm.......................19 1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean[1] .........................................21 1.2 Các phương thức ghép kênh .............................................................................24 1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM......................................................................25 1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM .................................................................25 1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM..........................................................................25 1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM ....................................................26 1.3 Các kỹ thuật phân tập.......................................................................................26 1.3.1 Phân tập không gian ..................................................................................27 1.3.2 Phân tập tần số ..........................................................................................28 1.3.3 Phân tập thời gian......................................................................................29 1.4 Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến.....................................................30 1.4.1 Hệ thống SISO ..........................................................................................30 1.4.2 Hệ thống SIMO.........................................................................................31 1.4.3 Hệ thống MISO.........................................................................................31 1.4.4 Hệ thống MIMO........................................................................................31 1.4.5 Kết luận ………………… ………………………………………………..32 CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM .........................................................................33 2.1 Giới thiệu ....................................................................................................33 3 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.2.1 Sự phát triển của OFDM ...........................................................................33 2.1.2 Lịch sử OFDM[4] .......................................................................................35 2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM ..........................................................................36 2.1.1 Sóng mang trực giao .................................................................................36 2.1.2 Mô hình hệ thống OFDM ..........................................................................37 2.3 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của OFDM............................................................48 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO..........................................................................50 3.1 Giới thiệu.........................................................................................................50 3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO .......................................................................50 3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO............................................................................50 3.2 Mã hóa không gian-thời gian STC...............................................................51 3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO ..........................................................................52 3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO[10].................................................................52 3.2.3 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC ..................................................58 3.2.4 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC[18] .................................................67 3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST[11] .............................................69 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM ............................................................84 4.1 Giới thiệu.........................................................................................................84 4.2 Hệ thống MIMO-OFDM .............................................................................85 4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM..............................................................85 4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ..............................................88 4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST ............................................92 4.2.4 Tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình PARR...............................95 KẾT LUẬN ..............................................................................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………..97 4 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng .....................................12 Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian................................14 Hình 1.3 ðáp ứng tần số của kênh truyền...................................................................15 Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L ñường ..............................................................16 Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian............................................................20 Hình 1.6 Hàm mật ñộ xác suất Rayleigh và Ricean....................................................23 Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh ........................................................................24 Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ñộng ....................26 Hình 1.9 Các phương pháp phân tập ..........................................................................28 Hình 1.10 Phân tập theo thời gian ..............................................................................29 Hình 1.11 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến........................................................30 Hình 2.1 FDM truyền thống.......................................................................................33 Hình 2.2 Hệ thống thông tin ña sóng mang ................................................................34 Hình 2.3 Băng thông ñược sử dụng hiệu quả trong OFDM ........................................34 Hình 2.4 Ba tín hiệu sin trực giao ..............................................................................36 Hình 2.5 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM ........................................................................37 Hình 2.6 Bộ S/P và P/S..............................................................................................38 Hình2.7 Bộ Mapper và Demapper .............................................................................39 Hình 2.8 Bộ IFFT và FFT ..........................................................................................39 Hình 2.9 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal..............................41 Hình 2.10 ðáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading ........................42 Hình 2.11 Tín hiệu ñược chèn khoảng bảo vệ ...........................................................43 Hình 2.12 Bộ A/D và D/A ........................................................................................46 Hình 2.13 Bộ Up-Converter và Down-Converter .......................................................46 Hình 2.14 Bộ Equalizer miền tần số...........................................................................48 Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO.....................................................50 Hình 3.2 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song ...............................................53 Hình 3.3 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương ñương. ........................55 5 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hình 3.4 Sơ ñồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu................................55 Hình 3.5 ðịnh lý Waterfilling ....................................................................................56 Hình 3.6 Phân phối công suất khi SNR cao................................................................57 Hình 3.7 Phân phối công suất khi SNR thấp ..............................................................57 Hình 3.8 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ................................................59 Hình 3.9 Các symbol phát và thu trong sơ ñồ Alamouti .............................................60 Hình 3.10 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu .............................................63 Hình 3.11 Sơ ñồ mã lưới............................................................................................68 Hình 3.12 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 ...............................................................68 Hình 3.13 Lưới mã và sơ ñồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = ..................................69 Hình 3.14 Hệ thống V-BLAST ..................................................................................71 Hình 3.15 Máy thu V-BLAST Zero-forcing...............................................................76 Hình 3.16 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu...................................77 Hình 3.17 Máy thu V-BLAST MMSE .......................................................................82 Hình 4.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến của IEEE.......................................................85 Hình 4.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM................................................................86 Hình 4.3 Ma trận kênh truyền ....................................................................................87 Hình 4.4 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti ............................................................88 Hình 4.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST.............................................................92 Hình 4.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST ..............................................................94 Hình 4.8 ZF/MMSE Decoder.....................................................................................95 6 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Từ ñầy ñủ Nghĩa tiếng việt A/D Analog To Digital Tương tự/Số AFC Auto-Correlation Function Hàm tự tương quan ADSL Asymmetric Digital ðường dây thuê bao bất ñối xứng Subscriber Line ALEX Average Excess Delay Trễ giới hạn trung bình AWGN Additive White Gaussian Nhiễu trắng Noise BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BLAST Bell Laboratories Layered Space Time Code BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BPSK Binary Phase Shift Keying ðiều chế pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CDM Code Division Ghép kênh theo mã Multiplexing CSI Chanel Station Information Thông tin trạng thái kênh truyền D/A Digital/Analog Số/Tương tự DAB Digital Analog Phát thanh số Broadcasting D-BLAST Diagonal-Bell-Laboratories Layered Space Time DFT Discrete Fourier Transform 7 Biến ñổi Furie rời rạc KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DPSK Differential Phase Shift ðiều chế di pha vi phân Keying DVB-H Digital Video Broadcasting Quảng bá truyến hình số cầm tay –Handheld DVB-T DVB-Terrestrial Quảng bá truyền hình số mặt ñất FDM Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Furrier Transform Biến ñổi Furie nhanh FIR Finite Impluse Response Hệ ñáp ứng xung hữu hạn HDSL Hight-bit-rate Digital DSL tốc ñộ cao Subcriber Line HyperLAN2 High Performance Radio Mạng cục bộ chất lượng cao Local Arial Network Type 2 IDFT Inverse Discrete Fourier Biến ñổi Furie ngược Transform IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ sư và ñiện tử Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Phép biến ñổi Furier nhanh Transform IID Independent and Iditically Ngẫu nhiên ñộc lập và cùng phân Distributed phối ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự LAN Local Arial Network Mạng cục bộ 8 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN LOS Light Of Sight Tầm nhìn thẳng LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp MIMO Multil Input-Multil Output Nhiều ñầu vào-Nhiều ñầu ra MISO Multil Input-Single Output Nhiều ñầu vào-một ñầu ra ML Maximum Likelihood Hợp lý cực ñại MMSE Minimum Mean Square Tối thiểu hóa lỗi trung bình bình Error phương MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation NLOS Non-LOS Không trong tầm nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số trực Division Multilplexing giao P/S Parallel to Serial Song song/nối tiếp PAPR Peak To Average Power Tỉ số công suất ñỉnh trên công suất Ratio trung bình Probability Density Hàm mật ñộ xác suất PDF Function QAM Quadrature Amplitude ðiều chế biên ñộ trực giao Modulation QPSK Quadrature Phase Shift ðiều chế pha trực giao Keying RF Radio Frequency Tần số Radio SIMO Single Input-Multil Output Một ñầu vào-nhiều ñầu ra SISO Single Input-Single Output Một ñầu vào-một ñầu ra S/P Serial/Parallel Nối tiếp/song song 9 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SINR Signal to Interference Plus Tỷ số nhiễu cộng Noise Ratio STBC Space Time Block Code STMLD Space-Time Maximum Mã hóa khối không gian thời gian Likelihood Decoder TGn Task Group N V-BLAST Vertical-BLAST WSSUS Wide Sense Stationary Dừng theo nghĩa rộng và không Uncorrelated Scatter tương quan ZF Zero-Forcing Lọc ép không ZF-OIC ZF-Ordered Interference Cancellation 10 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến 1.1.1 Suy hao ñường truyền Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như : sự nở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt ñất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến ñổi rất chậm ngay cả ñối với các thuê bao di chuyển với tốc ñộ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ ñược truyền ñi theo mọi hướng (nghĩa là sóng ñược mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten ñịnh hướng ñể truyền tín hiệu, sóng cũng ñược mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật ñộ năng lượng khi ñó sẽ ñược tập trung vào một vùng nào ñó do ta thiết kế.Vì thế, mật ñộ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường ñộ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu ñược sau khi truyền qua một khoảng cách R  λ  PR = PT G T G R    4πR  2 (1.1) PR : Công suất tín hiệu thu ñược (W) PT : Công suất phát (W) G R : ðộ lợi anten thu (anten ñẳng hướng) GT : ðộ lợi anten phát λ : bước sóng của sóng mang Hoặc có thể viết lại là: 2 2 PT  4πR  1 1  4π  2 2 1 1 = =   R f PR  λ  GT G R  c  GT G R Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do : L pt (dB) = PT (dB) − PR (dB) 11 (1.2) KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN (1.3) Nói chung chúng ta có thể xây dựng ñược một mô hình khá chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc vi ba ñiểm nối ñiểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên mặt ñất như thông tin di ñộng, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do ñó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ ñối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di ñộng UHF, khi ñó ñiều kiện về không gian tự do không ñược thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao ñường truyền như sau: L pt = −10 log10 GT − 10 log10 G R − 20 log10 hBS − 20 log10 hMS − 40 log10 R (1.4) Với hBS , hMS << R là ñộ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di ñộng MS (Mobile Station). 1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên ñường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông,… gây ra các hiên tượng sau ñây _ _ a)Hiện tượng phản xạ _ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiên tượng nhiễu xạ Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng  Phản xạ (reflection): khi sóng ñập vào các bề mặt bằng phẳng (hình 1.1a). 12 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN  Tán xạ (scattering): khi sóng ñập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh ñược với chiều dài bước sóng (hình 1.1b).  Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.1c). Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các ñường dài ngắn khác nhau nên  Thời ñiểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là ñộ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau.  Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên ñộ giữa các thành phần này là khác nhau. Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên ñộ và pha của các bản sao[3]  Tín hiệu thu ñược tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao ñồng pha.  Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha. Tùy theo ñáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến ñổi nhanh (fast fading channel) hay biến ñổi chậm (slow fading channel). Tùy theo ñường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice 13 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian. Hinh 1.2 mô tả ñáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian, khi ta lần lược phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời ñiểm khác nhau, tín hiệu thu ñược có hình dạng khác xung ban ñầu và khác nhau khi thời ñiểm xung kích khác nhau. 1.1.3 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển ñộng tương ñối giữa máy phát và máy thu Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch ñi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển ñộng của máy thu là θ k , khi ñó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là: f Dk v = f 0 cos (θ k ) c (1.4) Trong ñó f 0 ,v,c lần lượt là số sóng mang của hệ thống,vận tốc chuyển ñộng tương ñối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.Nếu θ k =0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: 14 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN f D ,max = v f0 c (1.5) 1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có ñáp ứng tần số khác nhau, không bằng phẳng trong một dải tần số, do ñó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền ñi. Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu ñáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu ñáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vô tuyến ñều không thể có ñáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào ñó. Hình 1.3 ðáp ứng tần số của kênh truyền 15 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số ñối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32 MHz ñến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng. Trên ñây chúng ta ñã mô tả ñịnh tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác ñịnh lượng thông số của kênh truyền [1] . Taù n xaï 1 Phaûn xaï ï 2 3 LOS Nhieã u xaï L Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L ñường Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu ñến từ L ñường như hình 1.4 (chưa tính ñến nhiễu) có dạng y (t ) = L ∑α i x (t − τ i ) (1.5) i =1 Với α i = α i (t )∠φi (t ) hệ số suy hao biên ñộ và xoay pha τ i = τ i (t ) thời gian trễ có giá trị thực. Tổng quát tín hiệu tơi máy thu có dạng sau 16 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN +∞ y (t ) = ∫ x(t − τ ).h(t ,τ )dτ = x(t ) * h(t ,τ ) (1.6) −∞ Với h ( t , τ ) là ñáp ứng xung thay ñổi theo thời gian của kênh truyền. L h(t ,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )] (1.7) i =1 Từ (1.7) ta có ñáp ứng hàm truyền thay ñổi theo thời gian +∞ H (t , f ) = ∫ h(t ,τ )e − j 2πfτ dτ (1.8) −∞ Mỗi kênh truyền ñều có ñáp ứng xung, do ñó mỗi kênh truyền có thể ñặc trưng bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function) [ ] [ ] Rh (t1 , t 2 ,τ1 ,τ 2 ) = E h* (t1 ,τ 1 ).h(t 2 ,τ 2 ) = E h* (t1 ,τ 1 ).h(t1 + ∆t,τ1 + ∆τ ) E [ f ( x )] = (1.9) +∞ ∫ f ( x). p ( x)dx (1.10) x −∞ Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1 , t 2 ,τ 1 ,τ 2 ) nên ñể ñơn giản trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter). WSS : quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào ∆t = t 2 − t1 US: các thành phần phản xạ ñộc lập nhau Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF: Rh (t1 , t1 + ∆t , τ 1 , τ 1 + ∆τ ) = Rh (∆t , τ ) = Ph (∆t , τ 1 )δ (τ 1 − τ 2 ) (1.11)Với Ph (∆t ,τ 1 ) là mật ñộ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF) Khi ∆t = 0 , Ph (τ ) = Ph (∆t ,τ ) ñược gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình 17 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do ñó công suất ra của tín hiệu ñược tính theo công thức +∞ P= ∫P H (τ )dτ (1.12) −∞ Lấy biến ñổi Fourier (1.11) ta ñược +∞ RH (∆t , ∆f ) = ∫R H (∆t ,τ )e −2πfτ dτ (1.13) −∞ Ta sẽ dùng công thức này ñể phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền biến ñổi nhanh (Fast Fading) hay biến ñổi chậm (Slow Fading) Nếu ∆t = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa các khoảng tần số _ ∆f của kênh truyền +∞ R H ( ∆f ) = R H (0, ∆f ) = ∫R h (τ )e − j 2π∆fτ dτ (1.14) −∞ Mọi kênh truyền ñều có một khoảng tần số (∆f ) C tại ñó tỉ số RH (∆f ) xấp xỉ 1. Tức là RH (0) ñáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng (∆f ) C . Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith.  Nếu kênh truyền có (∆f ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy selective channel). Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng.  Nếu kênh truyền có (∆f ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel). 18 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường ñược dùng khi xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn trung bình TAEX ( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng τ RMS (RMS delay spread) của kênh truyền L TAEX = ∑τ k .Pk k =1 L (1.15) ∑ Pk k =1 L τ RMS = ∑ (τ k − TAEX ) 2 .Pk (1.16) k =1 L ∑P k k =1 Với Tk thời gian trễ của bản sao thứ k Pk là công suất của bản sao thứ k Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τ RMS so sánh ñược với Tsymbol 1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm Kênh truyền vô tuyến sẽ có ñáp ứng tần số không ñổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền không ñổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền ñều biến ñổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến ñổi, luôn có vật thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất ñi, xe cộ luôn thay ñổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có thể ñược xây dựng thêm hay bị phá hủy ñi… Hình 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu ñược thay ñổi theo thời gian dù tín hiệu phát ñi có công suất không ñổi tức là kênh truyền ñã thay ñổi theo thời gian. 19 KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương ñối, nếu kênh truyền không thay ñổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol , thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến ñổi chậm (slow fading channel), ngược lại nếu kênh truyền biến ñổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh truyền biến ñổi nhanh (fast fading channel). Môi trường trong nhà ít thay ñổi nên có thể xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên thay ñổi nên ñược xem là fast fading. Trong các cell di ñộng, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục làm thay ñổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian, tức là ñịa hình thay ñổi liên tục. ðiều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay ñổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số ∆f = ± f 0 Với v c (1.17) f0 là tần số tại máy phát v là vận tốc của thuê bao MS c là vận tốc ánh sáng MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại 20
- Xem thêm -