Tài liệu Mã không gian tần số thích nghi trong hệ mimo - ofdm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TRỌNG TẤN MÃ KHÔNG GIAN TẦN SỐ THÍCH NGHI TRONG HỆ MIMO-OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN TRỌNG TẤN MÃ KHÔNG GIAN TẦN SỐ THÍCH NGHI TRONG HỆ MIMO-OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS-TS. Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................. 1 MỤC LỤC HÌNH VẼ ............................................................... 3 DANH SÁCH THUẬT NGỮ ..................................................... 5 LỜI CẢM ƠN ...................................................................... 10 LỜI CAM ĐOAN .................................................................. 11 GIỚI THIỆU ........................................................................ 12 Chƣơng I ............................................................................. 15 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ...................................... 15 1 . 1 N g u yê n l ý O F D M [ 2 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1.1.1 Trực giao „Orthogonal‟ ............................................ 15 1.1.2 Cấu trúc chung. ....................................................... 17 1.1.3 Kỹ thuật điều chế .................................................... 18 1.1.4 Khoảng bảo vệ và tiền tố lặp. .................................... 21 1.1.5 Tạo của sổ .............................................................. 21 1.1.6 Ghép xen................................................................ 21 1.1.7 Tác dụng của chèn CP .............................................. 22 1.2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm[8] ............................................. 24 1.2.1 Ƣu điểm ................................................................. 25 1.2.2 Nhƣợc điểm ............................................................ 25 Chƣơng II ........................................................................... 26 TỔNG QUAN VỀ MIMO VÀ KỸ THUẬT THÍCH NGHI ............. 26 2.1 Các kỹ thuật phân tập .................................................... 26 2 . 2 C á c h ệ t h ố n g t r u yề n t h ô n g d ù n g a n t e n v à d u n g n ă n g c ủ a chúng[3] ........................................................................... 28 2.2.1 Hệ thống SISO. ....................................................... 29 2.2.2 Hệ thống SIMO. ...................................................... 29 2.2.3 Hệ thống MISO. ...................................................... 29 2.3 Các độ lợi trong hệ thống MIMO .................................... 35 2.3.1 Độ lợi tạo chùm. ..................................................... 35 2.3.2 Độ lợi ghép kênh không gian .................................... 36 2.3.3 Độ lợi phân tập ....................................................... 36 2.4 Kỹ thuật thích nghi[1]. .................................................. 36 2.4.1 Xử lý tín hiệu thích nghi. ......................................... 36 Chƣơng III .......................................................................... 42 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-TẦN SỐ SFBC(SPACE-FREQUENCY BLOCK CODE) TRONG HỆ MIMO-OFDM ............................... 42 3.1 Tổng quan về mã khối không thời gian STBC[6]. .............. 42 3.1.1 Kỹ thuật phân tập Alamo uti[1]. ................................. 42 3.1.2 Mã khối không thời gian cho trƣờng hợp nhiều anten phát, nhiều anten thu[1]. .......................................................... 46 1 3.2 Mã khối không gian tần số (SFBC) ................................. 48 3.2.1 Phía phát. ............................................................... 49 3.2.2 Phần thu ................................................................ 50 3.3 Mã không gian tần số thích nghi ASFBC(Adaptivity Space Frequency Block Coding) trong hệ MIMO -OFDM[1]. .............. 52 3.3.1 Mã SFB và phân bố bit. ............................................ 52 3.3.2 Mã không gian tần số và phân tập chọn lọc phát T S D ( T r a n m i t S e l e c t i o n D i v e r s i t y) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 Chƣơng IV .......................................................................... 61 MÔ PHỎNG ......................................................................... 61 4.1 Mục đích mô phỏng....................................................... 61 4.2 Sơ đồ mô phỏng[7]. ...................................................... 61 4.3 Thông số mô phỏng: ...................................................... 63 4.4 Kết quả mô phỏng. ........................................................ 64 4.4.1 Chòm sao tín hiệu ứng với thông số của hiệu ứng doppler khác nhau ....................................................................... 64 4.4.2 Đồ thị tỷ lệ lỗi bit với hiệu ứng Doppler khác nhau trong trƣờng hợp sử dụng phƣơng pháp ƣớc đoán kênh MMSE ........ 72 4.4.3 Đồ thị so sánh tỷ lệ lỗi bit giữa h ai phƣơng pháp ƣớc đoán kênh LS và MMSE. .................................................. 76 KẾT LUẬN.......................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................... 82 2 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.2: Phổ của tín hiệu OFDM ........................................... Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...................................... H ì n h 2 . 1 : K ê n h t r u yề n n h i ễ u G a u s s t r ắ n g s o n g s o n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . H ì n h 2 . 2 : H ệ k ê n h t r u yề n n h i ễ u G a u s s t r ắ n g s o n g s o n g t ƣ ơ n g đƣơng. ................................................................................ Hình 3.1: Sơ đồ mã hóa Alamouti 2 anten phát một anten thu. .... 17 20 31 33 44 H ì n h 3 . 2 : S ơ đ ồ A l a m o u t i c h o t r ƣ ờ n g h ợ p 2 a n t e n p h á t v à nR a n t e n thu ..................................................................................... 45 Hình 3.4: Mã khối không gian tần số trong bộ phát OFDM ......... 49 Hình 3.5: Bộ giải mã SFBC .................................................... 51 Hình 3.6.Xác suất lỗi ký hiệu trung bình theo SNR trung bình trong trƣờng hợp M-QAM. ............................................................. 54 Hình 4.1. Phần phát .............................................................. 62 H ì n h 4 . 2 . K ê n h T r u yề n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Hình 4.3. Phần Thu ............................................................... 63 Hình 4.4: Giản đồ chòm sao LS(không có doppler) .................... 64 fd = 1 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 f = Giản đồ chòm sao LS( d 20) .................................. 65 f = Giản đồ chòm sao LS( d 30) .................................. 66 f = Giản đồ chòm sao LS( d 40) .................................. 66 f = Giản đồ chòm sao LS( d 60) .................................. 67 Hình 4.5: Giản đồ chòm sao LS( Hình 4.6: Hình 4.7: Hình 4.8: Hình 4.9: f = Hình 4.10: Giản đồ chòm sao LS( d 80) ................................ 68 Hình 4.11: Giản đồ chòm sao MMSE(không có doppler) ............. 68 fd = 1 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9 f = Giản đồ chòm sao MMSE( d 20) ........................... 69 f = Giản đồ chòm sao MMSE( d 30) ........................... 70 f = Giản đồ chòm sao MMSE( d 40) ........................... 70 f = Giản đồ chòm sao MMSE( d 60) ........................... 71 Hình 4.12: Giản đồ chòm sao MMSE( Hình 4.13: Hình 4.14: Hình 4.15: Hình 4.16: f = Hình 4.17: Giản đồ chòm sao MMSE( d 80) ........................... 71 Hình 4.18: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE(không có Doppler) ............................................................................. 72 fd = 1 0 ) 7 3 f = Hình 4.20: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( d 20 . 73 Hình 4.19: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( 3 fd = 3 0 ) 7 4 f = Hình 4.22: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( d 40) 74 f = Hình 4.23: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( d 60) 75 f = Hình 4.24: Đồ thị t ỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( d 80) 75 Hình 4.21: Đồ thị tỷ lệ lỗi bit dùng phƣơng pháp MMSE( Hình 4.25: Đồ thị so sánh BER (không có doppler) ................... 76 fd = 1 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 f = Đồ thị so sánh BER ( d 20) .................................. 78 f = Đồ thị so sánh BER ( d 30) .................................. 78 f = Đồ thị so sánh BER ( d 40) .................................. 79 f = Đồ thị so sánh BER ( d 60) .................................. 79 Hình 4.26: Đồ thị so sánh BER ( Hình 4.27: Hình 4.28: Hình 4.29: Hình 4.30: Hình 4.31: Đồ thị so sánh BER ( fd = 8 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 4 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- DANH SÁCH THUẬT NGỮ 3G 3rd Generation Mobile T e l e c o m m u n i c a t i o n S ys t e m Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 4G 4rd Generation Mobile T e l e c o m m u n i c a t i o n S ys t e m Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 AWGN Additive While Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BL Bit Loading Phân phối bit B i n a r y P h a s e S h i f t K e yi n g CP C yc l i c P r e f i x Khóa dịch pha hai trạng thái Tiền tố lặp CRS Code Rate Selection Chọn lọc tỷ lệ mã Channel State Information Thông tin trạng thái kênh Diagonal Bell Laboratories L a ye r e d S p a c e - T i m e Không gian-Thời gian phân lớp dọc Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Dicrete Multi-Tone Đa tần rời rạc Equal-Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng European Standards Institude Broadband Radio Access Networks Các mạng truy nhập không dây băng rộng-viện tiêu chuẩn châu âu Fast Fourier Tranform Biến đổi Fourier BPSK CSI D-BLAST DFT DMT EGC ETSI BRAN FFT 5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- nhanh FWA Fix Wireless Access HIPERLAN/2 HIgh PERformance Local Area Networks type 2 HIPERMAN HIgh PERformance Metropolitan Area Networks Truy nhập không dây cố định Mạng cục bộ băng rộng 2 Mạng cục bộ băng rộng ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Tranform Biến đổi Fourier ngƣợc rời rạc IEEE Instute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử Inverse Fourier Transform Biến đổi Fourier ngƣợc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc LS Least Square ISM Industrial, Scientific and Medical Bình phƣơng trung bình lớn nhất Tổ chức y tế khoa học và công nghiệp IST Information Society Technology Công nghệ xã hội thông tin LDPC Low-Density Parity Check LST L a ye r - S p a c e T i m e MAC Medium Access Control MAE Multiple Array Element Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp Lớp không gian-thời gian Điều khiển truy nhập môi trƣờng Phần tử nhiều mảng MIMO Multilpe-Input MultilpeOutput Nhiều đầu vào-Nhiều đầu ra IFT 6 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- MISO Multilpe-Input SingleOutput Nhiều đầu vào-một đầu ra ML Maximum Likelihood Tƣơng quan tối đa Multimedia Mobile Access Communication Truy nhập viễn thông di động đa phƣơng tiện Minimun Mean Square Error Bình phƣơng lỗi trung bình cực tiểu M e d i a P l a ye r Phƣơng tiện trình diễn MMAC MMSE MP MPEG Moving Pictures Experts Group Hội phim ảnh thế giới Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại Non-Light Of Sight Môi trƣờng bị che khuất OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số trực giao PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PHN Phase Noise Ồn pha PHY P h ys i c a l Vật lý PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PSK P h a s e S h i f t K e yi n g Khóa dịch pha QAM Quadrature Ampliotude Modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng QPSK Quadrature Phase Shift K e yi n g Khóa dịch pha cầu phƣơng MRC NLOS 7 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- RFO Residual Frequency Offset Trội tần dƣ SAD Selection Antenna Diversity Phân tập chọn lọc anten SBLA Simple Blockwise Loading Algorithm Thuật toán tải khối đơn giản SF Space-Frequency Không gian-Tần số SFB Space-Frequency Block SIMO Single-Input MultipleOutput Mã khối không gianTần số Một đầu vào-nhiều đầu ra SISO SM Single-Input Single-Output Một đầu vào-một đầu ra Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian SNR Signal-to-Noise Ratio SSD Swich Selection Diversity ST Space-Time STB Space-Time Block STF Space-Time Frequency SVD Singular Value Decomposition TSD UMTS Transmit Selection Diversity V-BLAST Universal Mobile Telecommunicational S ys t e m Vertical Bell Laboratories VNS Variable Number of State 8 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Phân tập chọn lọc c h u yể n m ạ c h Không gian-Thời gian Khối không gian-thời gian Không gian-thời gian tần số Phân tách giá trị đơn Phân tập chọn lọc phát Hệ thống thông tin di động toàn cầu Các phòng thí nghiệm Bell Số khả biến của ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- VoIP W-LAN Voice over Internet Protocol Wireless Local Area Networks 9 trạng thái Giao thức thoại trên nền tảng Internet Mạng cục bộ không dây ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Điện tử viễn thông, các bạn học viên khóa K13Đ2 - Trƣờng Đại Học Công Nghệ - ĐHQG HN đã giúp đỡ em trong những năm học vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các cán bộ t r o n g b ộ m ô n T h ô n g t i n v ô t u yế n đ ã t ạ o đ i ề u k i ệ n c h o e m h o à n thành luận văn này, đặc biệt là thầy Nguyễn Viết Kính đã tận tình hƣớng dẫn gúp đỡ, giúp em vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành l u ậ n v ă n n à y. Hà Nội, tháng 04/2011 Học viên Nguyễn Trọng Tấn 10 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả của riêng tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có tham k hảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn. Học viên N g u yễ n T r ọ n g T ấ n 11 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- GIỚI THIỆU Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển bùng nổ của thị trƣờng viễn thông từ cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, và đang bắt đ ầ u k ỷ n g u y ê n t r u yề n s ố l i ệ u . S ự p h á t t r i ể n c ủ a v i x ử l ý g ó p p h ầ n chính vào sự bùng nổ của ng ành viễn thông. Tuy nhiên, sự p hát triển đó là nguồn gốc cho hai lĩnh vực mà sau đó chúng phát triển tách rời nhau: Thứ nhất, lĩnh vực máy tính và công nghệ phần mềm đã hỗ trợ và làm lên sự phát triển thàn h công nhanh chóng và đặc b i ệ t c ủ a i n t e r n e t . T h ứ h a i , t r o n g l ĩ n h v ự c k ỹ t h u ậ t t r u yề n t h ô n g v à xử lý tín hiệu tập trung vào giải pháp thông tin di động đã đƣợc khách hàng đón nhận nhiệt tình. Các hệ thống di động và internet làm tăng thêm sự mong đợi của ngƣời sử dụng về dung lƣợng và dịch vụ. Ngƣời sử dụng các t h i ế t b ị d i đ ộ n g c ó k h ả n ă n g t r u yề n c á c b ả n t i n t ừ t h i ế t b ị c ủ a h ọ . V ớ i i n t e r n e t , c á c ứ n g d ụ n g đ a t r u yề n t h ô n g n h ƣ w e b c a m x u ấ t h i ệ n , các dịch vụ thời gian thực sẽ rất đƣợc mong đợi trong tƣợng lai. Để đáp ứng đầy đủ và nhanh chóng nhu cầu của ngƣời sử dụng, các công nghệ nén đa dịch vụ nhƣ MPEG(Moving Pictures Expert G r o u p ) v à M P ( M e d i a P l a ye r ) . V o I P ( V o i c e o v e r t h e I n t e r n e t Protocol) là dịch vụ thời gian thực đầu tiên phát triển cho phép hợp nhất internet và chuẩn mạng điện thoại. H i ể n n h i ê n l à c á c h đ ể đ ạ t đ ƣ ợ c t ố c đ ộ t r u yề n d ẫ n i n t e r n e t c a o là nâng cao sự hỗ trợ viễn thông. Internet bùng nổ và thành công một phần là vì nó dựa vào nền tảng sẵn có c ủa mạng điện thoại. T u y n h i ê n , m ạ n g đ i ệ n t h o ạ i k h ô n g t h i ế t k ế đ ể t r u yề n t ố c đ ộ c a o . Cáp điện thoại chỉ đạt đƣợc tốc độ thấp mà các modem internet đã đ ạ t đ ƣ ợ c . D o đ ó p h ả i t ì m r a m ộ t c á c h t r u yề n d ẫ n k h á c đ ể t h a y t h ế cáp điện thoại. Cáp quang là một giải pháp khả thi song nó rất đắt và triển khai tƣơng đối phức tạp và cồng kềnh. Một trong những đặc tính của internet là sử dụng môi trƣờng băng rộng nhƣ đƣờng dây điện thoại. Cải thiên sự hỗ trợ của internet sẽ là m đa dạng tốc đ ộ t r u yề n d ẫ n t ớ i n g ƣ ờ i s ử d ụ n g . Đ i ề u đ ó c ó t h ể ả n h h ƣ ở n g t r ự c tiếp tới số lƣợng thuê bao. Một giải pháp thực tế hơn là internet b ă n g r ộ n g k h ô n g d â y. Ƣ u đ i ể m c ủ a m ạ n g v ô t u yế n s o v ớ i m ạ n g h ữ u t u y ế n l à k h á nhiều. Ví dụ, các hệ thống không dây dễ dàng nâng cấp với c ác sản phẩm có phiên bản mới hiệu quả hơn. Hơn nữa, các hệ thống không dây mềm dẻo hơn cả về lĩnh vực công nghệ và khả năng triển khai mạng. Ngƣợc lại, để có đƣợc băng thông để khai thác và sử dụng rất đắt, một hạn chế khác là sự phát triển của các hệ thống không dây mới khó và mất nhiều thời gian. 12 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Dựa vào sự thành công của thị t rƣờng di động, các tổ chức viễn thông của châu âu và mỹ cố gắng tập trung phát triển thống nhất một chuẩn cho các hệ thống 3G. H ệ thống thông tin di động t o à n c ầ u U M T S ( U n i v e r s a l M o b i l e T e l e c o m m u n i c a t i o n S ys t e m ) l à một trong các chuẩn đó, đang trong giai đo ạn chuẩn hóa và phát t r i ể n . N h ữ n g m o n g đ ợ i b a n đ ầ u v ề t ố c đ ộ t r u yề n c ó t h ể c u n g c ấ p trong khoảng 2Mbps của UMTS tại thời điểm đó dƣờng nhƣ không khả thi. Vào thời điểm đó tổ chức chuẩn hóa đã tổ chức các hệ thống di động trong tƣơng lai mà tốc độ thông tin đạt đƣợc vƣợt 2Mbps. Các hệ thống đó phải hƣớng tới các hệ thống 3G, 4G. T rong các công nghệ ứng dụng cho các hệ di động băng rộng 4G thì công nghệ ghép kênh trực giao OFDM mang lại nhiều hứa hẹn. Cho dù OFDM dƣờng nhƣ làm thỏa mãn sự mong đợi cho t r u yề n d ẫ n d u n g l ƣ ợ n g c a o , s o n g n ó c h ỉ c ó k h ả n ă n g c ả i t h i ệ n d u n g l ƣ ợ n g t r u yề n d ẫ n . M ộ t x u h ƣ ớ n g c ô n g n g h ệ m ớ i t r o n g t r u yề n t h ô n g không dây đòi hỏi cần khai thác mảng nhiều phần tử (MEA) cả nơi p h á t v à n ơ i t h u . C á c k ế t q u ả l ý t h u yế t c h ỉ r a M E A c ó k h ả n ă n g c ả i thiện hiệu quả dung lƣợng của hệ thống. Những tiến bộ gần đây về xử lý tín hiệu và phần cứng mang lại sự hấp dẫn cho công nghệ MEA. Hiển nhiên là khả năng tăng dung lƣợng của hệ MEA thúc đẩy các tổ chức chuẩn hóa lựa chọn MEA là một chuẩn. Sự phát triển của các hệ thống 4G đang đƣợc các tổ chức chuẩn hóa rất quan tâm, trong đó có các ứng dụng của công nghệ MEA trong môi trƣờng truy cập không dây cố định. Mục đích đáp ứng nhu cầu về dung lƣợng cao của ngƣời sử dụng băng cách tạo ra m ộ t m ạ n g n ộ i b ộ k h ô n g d â y( W _ L A N ) đ ể k ế t n ố i t r o n g n h à , t ò a n h à l ớ n t h ậ m c h í l à k ế t n ố i c á c m á y t ì n h t r o n g c ô n g t y. T ấ t n h i ê n k h ô n g có khả năng di động (hoặc di động cực kỳ chậm) ở cả nơi thu và phát làm đơn giản hóa th iết kế của hệ thống. Trong hệ F WA môi trƣờng kênh biến đổi rất chậm có thể khảo sát nhƣ hệ tĩnh. Từ đó c ó t h ể d à n h m ộ t p h ầ n c ủ a b ă n g t h ô n g đ ể t r u yề n l ạ i n ơ i p h á t m ộ t s ố thông tin ngắn diễn tả chất lƣợng của nơi nhận. Thông tin đó có thể đƣợc sử dụng để nâng cao các tham số của hệ thống. Trong trƣờng hợp đặc biệt, trạng thái kênh nơi nhận biết đƣợc nơi thu, và thích ứ n g v ớ i t í n h i ệ u t r u yề n đ ể c ả i t h i ệ n t í n h i ệ u n h ậ n đ ƣ ợ c đ ó l à t í n hiệu thích nghi. Tính chất đó của hệ thống gọi là thích nghi. Nội dung của luận nghi cho hệ đa anten sử có thể xử lý hết do có thích nghi, vì vậy ta chỉ văn này là tìm hiểu về phƣơng pháp thích dụng công nghệ OFDM. Tuy nhiên, rất khó nhiều các thông số trong quá trình xử lý khảo sát một vài thông số chính. Luận văn này đƣợc xắp xếp nhƣ sau: Chƣơng I giới thiệu về OFDM. Chƣơng II giới thiệu các hệ nhiều anten, làm rõ một số khái 13 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- niêm cần thiết cho sự phát triển của luận văn, giải thích chi tiết quá trình xử lý tín hiệu thích nghi. Giải thích các đặc tính của kênh, các thông số chính của hệ thống và đƣa ra một số nhƣợc điểm. Chƣơng III giới thiệu về mã khối không gian thời gian, không gian tần số và một số kỹ thuật thích nghi khác dựa vào các mã đó. Chƣơng IV giới thiệu các kết quả mô phỏng hệ MIMO OFDM sử dụng mã SFBC và so sánh các kết quả thu đƣợc. 14 Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM Hệ thống OFDM thuộc vào lớp các hệ thống đa tần rời rạc ( D M T ) , t ƣ ơ n g ứ n g v ớ i c á c h ệ t h ố n g t r u yề n d ẫ n đ a s ó n g m a n g . N g u yê n l ý c h í n h c ủ a t r u yề n d ẫ n đ a s ó n g m a n g l à p h â n l u ồ n g dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và đƣ ợc t r u yề n đ i b ằ n g c á c s ó n g m a n g c o n t r o n g c ù n g m ộ t k h o ả n g t h ờ i g i a n . OFDM có thể là kỹ thuật ghép kênh hoặc kỹ thuật điều chế. Thuật ngữ “trực giao” trong OFDM để chỉ mối quan hệ xác định giữa các sóng mang con của các ký hiệu OFDM. Trực giao giữa các sóng mang con là tiết kiệm băng tần do các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau trong khi đó ISI gần nhƣ đƣợc loại bỏ hoàn toàn. Bên cạnh tính trực giao, OFDM cũng yêu cầu xử lý quan hệ cân bằng đơn giản. Điều đó làm cho kỹ thuật OFDM trở lên rất hấp d ẫn với các hệ thống 4G. Khái niệm chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ l i ệ u t ố c đ ộ t h ấ p h ơ n đ ể s ử d ụ n g t r u yề n d ẫ n s o n g s o n g b ằ n g c á c h ghép kênh theo tần số xuất hiên lần đầu tiên vào những năm 1960. Tuy nhiên, do sự hạn chế về mặt công nghệ n ên nó ít đƣợc chú ý tới. Hiện nay do sự phát triển của phần cứng và nhu cầu của thị trƣờng viễn thông, OFDM phát triển trở lại và đƣợc ngành công nghiệp viễn thông thế giới rất quan tâm. Có ba tổ chức chính chịu t r á c h n h i ệ m c h u ẩ n h ó a c á c h ệ t h ố n g v i ễ n t h ô n g b ă n g r ộ n g . Ở M ỹ, viện kỹ thuật điện v à điện tử (IEEE) đƣa ra các chuẩ n IEEE802.11 và IEEE802.16a. Tại châu âu, “viện chuẩn hóa mạng truy nhập vô t u yế n b ă n g r ộ n g ” đ ƣ a r a h a i c h u ẩ n l à H I P E R L A N / 2 v à H I P E R M A N . Tại Nhật Bản, “tổ chức chuẩn hóa băng rộng ” đƣa ra chuẩn MMAC. Nhìn chung, hầu hết các chuẩn đều tập chung ở dải tần 2.4 Ghz và 5Ghz. Sau đây chúng ta sẽ khảo sát những nét chính về kỹ thuật OFDM. 1.1 Nguyên lý OFDM[2] 1.1.1 Trực giao ‘Orthogonal’ 15 Sự trực giao „Orthogonal‟ chỉ ra mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ OFDM. Trong các hệ thống FDM thông thƣờng, nhiều sóng mang đƣợc cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu có thể thu đƣợc bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thƣờng. Nhƣ vậy phải cần một khoảng t ần số bảo vệ giữa các sóng mang, điều này làm cho hiệu xuất phổ của hệ thống giảm đi. Trong các hệ thống OFDM nhờ sử dụng trực giao nên độ rộng băng tần có thể tiết kiệm đƣợc đến 50%. Khái niệm trực giao đòi hỏi mối liên hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang. Hình 1.1 dƣới đây minh họa hiệu suất phổ tần số của hệ OFDM so với hệ FDM thông thƣờng. Hình 1.1 So sánh giữa OFDM và FDM Gọi  i và k là tập hợp tín hiệu xác định và là tín hiệu thứ i và thứ k trong tập hợp các tín hiệu trực giao nếu: b  (t ) i a k K (t )dt   0 ik ik (1.1) 16 Trong kỹ thuật OFDM phép biến đổi Fourier rời rạc DFT (Discrete Fourier Transform) đƣợc sử dụng để điều chế và giải điều chế tín hiệu nhằm đảm bảo sự trực giao nói trên. Tại nơi phát các sóng mang đƣợc thực hiện bởi phép biến đổi Fourie ngƣợc rời rạc IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) tại nơi thu sử dụng phép biến đổi DFT và tính toán các giá trị tƣơng quan với tần số trung tâm của mỗi sóng mang con để mỗi sóng mang đƣợc giả i điều chế chính xác, khôi phục lại dữ liệu truyền mà không có nhiễu giữa các sóng mang. Hình 1.2 dƣới đây minh họa phổ của tín hiệu OFDM. Hình 1.2: Phổ của tín hiệu OFDM 1.1.2 Cấu trúc chung. M ộ t v ấ n đ ề c ầ n g i ả i q u yế t đ ố i v ớ i h ệ đ a s ó n g m a n g n ó i c h u n g và OFDM nói riêng là nhiễu giữa các ký hiệu ISI(Inters ymbol Interference). OFDM loại trừ gần nhƣ hoàn toàn ISI nhờ việc tạo ra khoảng bảo vệ trong các ký hiệu. Một tín hiệu OFDM là tổng của các sóng mang thƣờng đƣợc điều chế bằng khóa dịch pha PSK hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM. Mỗi ký hiệu OFDM có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: 17   N s 1  i  0.5     2  t ts Re   d i  N s exp  j 2  f c  s(t )   i  N s T    2   2 0        ts  t  ts  T t  ts & t  ts  T (1.2) Trong đó: Ns : l à s ố l ƣ ợn g c á c s ó n g m a n g . di : l à k ý h i ệ u Q A M h a y P S K p h ứ c t h ứ i . T : là độ rộng của ký hiệu. fc : l à t ầ n s ố s ó n g m a n g . Biểu diễn băng gốc phức tƣơng đƣơng  N2s 1 i      d i  N s exp  j 2 t  t s  s(t )  i  N s T   2  2 0   ts  t  ts  T t  ts & t  ts  T (1.3) Trong trƣờng hợp này phần thực và phần ảo tƣơng đƣơng với thành phần đồng pha và thành phần vuông pha trong tín hiệu OFDM. Tín hiệu OFDM phức trong hình phƣơ ng trình (1.2) là biến đổi Fourier ngƣợc của ký hiệu QAM hay PSK lối vào. Trong hệ rời rạc thì đó là phép biến đổi Fouri er rời rạc. Thực tế phép biến đổ i này có thể đƣợc thực hiện rất nhanh và hiệu quả nhờ phép biến đổi ngƣợc Fourier nhanh IF FT. 1.1.3 Kỹ thuật điều chế Về mặt toán học mỗi sóng mang đƣợc miêu tả là một sóng mang phức: Sc (t )  Ac (t )e j (ct c (t )) (1.4) 18