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 -