Tìm hiểu hệ thống mimo ofdm

Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh- Đại học Khoa học tự nhiên
Khoa Điện tử viễn thơng


ĐỀ TÀI
MƠN HỌC: THƠNG TIN DI ĐỘNG

GVHD: Thầy Trương Tấn Quang

Nhóm thực hiện:
1. Nguyễn Huỳnh Thanh Thảo

0620072

2. Nguyễn Thị Thu Thủy

0620070

3. Nguyễn Thành Thoại Vân

0620116

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 naêm 2010

Mục lục


Chương 1: Hệ thống MIMO

2

1.1. Các mơ hình hệ thống thông tin không dây

2

1.2. Khái niệm về hệ thống MIMO

3

1.3. Kỹ thuật phân tập

4

1.4. Các độ lợi trong hệ thống MIMO

6

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

8

2.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM

8

2.2. Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

9

2.3. Mơ hình hệ thống OFDM

9

Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM

14

3.1. Giới thiệu

15

3.2. Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM

15

Chương 1: Hệ thống MIMO

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 1


1.1. Các mô hình hệ thống thông tin không dây:
Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn hệ thống
cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như hình 1.1

1 TX

N RX

N T TX

N R RX

SIMO
Single Input Multiple
Output

SISO
Single Input Single Output

N RX

1 TX

MIMO
Multiple Input Multiple
Output

MISO
Multiple Input Single
Output

Hình 1. Phân loại hệ thống thông tin không dây
1.1.1. Hệ thống SISO:
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten
phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải
điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền
dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín
hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon:
C = log2(1+SNR) bit/s/Hz

1.1.2. Hệ thống SIMO:
Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử
dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống
SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu
nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 2


( Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng
hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức:
C = log2(1+N.SNR)
1.1.3. Hệ thống MISO:
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO. Hệ
thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện lượng
tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát
biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát
và có thể được xác định gần đúng theo công thức :
C = log2(1+N.SNR)
1.1.4. Hệ thống MIMO:
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể
cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm
tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu
suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng
kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian_thời gian V-BLAST.
Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi
phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân
tập cức đại có thể xác định theo:

C = log2(1+NT.NR.SNR)
Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định
theo biểu thức:
C = min(NT,NR). log2(1+SNR)
Với các ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng hệ thống
MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai. Tuy nhiên
hệ thống MIMO không có khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, vì vậy kỹ thuật kết hợp
giữa MIMO và OFDM cũng đang được nghiên cứu trong các chuẩn không dây như chuẩn
IEEE 802.11n (WLAN), IEEE 802.16e (WIMAX).
1.2. Khái niệm về hệ thống MIMO:
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghóa là tuyến thông tin
điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ
thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ
thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống. Chi phí phải trả để

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 3


tăng tốc độ truyền dữ liệu chính là việc tăng chi phí triển khai hệ thống anten, không gian
cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều
cũng tăng lên.
1.3. Kỹ thuật phân tập:
Trong truyền thông không dây di dộng, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để
làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền mà không
yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết. Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều
bản sao tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất
nhỏ trong môi trường fading. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều
bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau.

Điều này có nghóa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có
thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm
ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền.
Có nhiều cách để đạt được phân tập. Phân tập thời gian có thể thu được qua mã hoá
(Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênh truyền là chọn
lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng
cách đủ lớn.
1.3.1 Phân tập không gian :
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian được sử dụng
phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều
anten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten
được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không tương quan với nhau.
Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan
truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín
hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát
được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân
tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính
này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai .
Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản
của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách
hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường.

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 4


Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai
hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều chiều (multidemnsional diversity).
1.3.2. Phân tập tần số:

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một
thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc
lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo
rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Trong truyền thông di
động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong
miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa song mang và
nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy
nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa
đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để
cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc
vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.
1.3.3. Phân tập thời gian:
Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Sau đây ta sẽ so
sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ
ht

t
Không xen kênh
Từ mã x0

Từ mã x1

Từ mã x2

Từ mã x3

Xen kênh

Hình 2. Phân tập theo thời gian
Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những

khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan với nhau. Khoảng
cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 5


1

c

tốc độ fading f  v. f . Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông
d
c
để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di
động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong
trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền
thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời
gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen
kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading
nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền fading chậm nếu
xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.
1.4. Các độ lợi trong hệ thống MIMO :
Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi là: độ lợi
Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian .
1.4.1. Độ lợi Beamforming:
Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp
tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không
mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống.

Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO
thường nhỏ hơn bước sóng  (thông thường là  / 2 ), Beamforming thường được thực hiện
trong môi trường ít tán xa. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ
lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.
1.4.2. Độ lợi ghép kênh không gian:
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu
trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten (hình 3.5)
, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông
hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong
hệ thống. Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dung lượng kênh truyền thuật toán VBlast (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) được áp dụng .
1.4.3. Độ lợi phân tập không gian:
Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fadding liên tục theo không
gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp
cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fadding khác nhau (hinh
3.6), bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 6


tốc độ sai bit BER, chống Fadding qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi
phân tập, giảm BER và chống lại fadding, thuật toán STBC ( Space-Time Block Code) và
STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng .
Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được fadding, ta phải có sự
tương nhượng giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống.

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 7

Chương 2: Kỹ thuật OFDM
2.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM:
Truyền dẫn đa sóng mang MC ( Multicarrier Communication) là một dạng FDM
nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng. MC không
được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ
liệu thành các luồng dữ liệu song song. Dạng MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành
N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền con trực giao. Sau đó, N luông này điều
chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênh truyền. Ở phía
thu thì làm ngược lại phân kênh, giải điều chế, và ghép các luồng dữ liệu song song thành
một luồng duy nhất như ban đầu. N được chon đủ lớn sao cho độ rộng một symbol lớn hơn
nhiều trải trễ của kênh truyền hoặc băng thông từng luồng nhỏ hơn coherence bandwidth
của kênh truyền, nhằm đảm bảo các luồng con không bị ISI nghiêm trọng.
MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực
giao nhau. Tính trực giao có nghóa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với
nhau. Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí null
của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn
lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với
FDM truyền thống.

Khoảng bảo vệ

Hình 1. Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 8

2.2. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM:

2.2.1. Ưu điểm:
Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được.
OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số
thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực
giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực
giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được
dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. Khi sử dụng khoảng bảo vệ có
tính chất cylic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu
liên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cylic prefix
nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản. IFFT
và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp
hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều
chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.
2.2.2. Khuyết điểm:
OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này
là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- to-Average Power Ratio) lớn.
Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng
pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu
quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA ( High-Power Amplifier). Một nhược điểm khác của
OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang
trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới
sai lỗi khi giải điều chế các symbol.
2.3. Mô hình hệ thống OFDM:

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 9

OFDM Transmitter
Serial to
Parallel
Converter

Serial
Data
input

Signal
Mapper

Parallel
To Serial
Converter

IFFT

dn

D/A &
Low pass
Filter

s (t )

sn

x nT

xn

Xn

Guard
Interval
Insertion

Channel
c(t)

n(t )
Serial
Data
Output

Parallel
To serial
Converter

~
Xn

Xˆ n

dˆ n
Signal
Demapper

Equalizer

~
xn
FFT

~
x nT
Serial to
Parallel
Converter

rn
Guard
Interval
Removal

+
r (t )

A/D

OFDM Receiver

Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống OFDM
 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Serial/Parallel và Parallel/Serial:
Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng AWGN
(không có fading):
Với

Cmax = B.log2 (1 + S/N) [ bps]
B là băng thông của kênh truyền [Hz]

(2.5)

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền.
Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn C max ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc
độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn C max bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nối
tiếp sang song song Serial/Parallel.
Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k ×b bit k≤N, với b là
số bit trong mô hình điều chế số, N số sóng mang. k, N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ
liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong
khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh
truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng.
Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N luồng dữ liệu tốc
độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.
 Bộ Mapper và Demapper:

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 10


Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper mục đích là nâng cao dung lượng kênh
truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M = 2 b trang thái hay một vị trí trong
constellation ( giản đồ chòm sao)
 BPSK sử dụng symbol 1 bit, bit 0 hoặc bit 1 sẽ xác định trạng thái pha 00 hoặc 1800 ,
tốc độ baud hay tốc độ chuỗi sẽ bằng tốc độ bit Baud = Rb .
 QPSK sử dụng symbol 2 bit (Dibit) , Baud = Rb/ 2 .
 8-PSK hay 8-QAM sử dụng symbol 3 bit (Tribit), Baud = Rb/ 3 .

 16-PSK hay 16-QAM sử dụng symbol 4 bit (Quabit), Baud = Rb/ 4 .
Số bit truyền trong một symbol tăng lên ( M tăng lên ), thì hiệu quả băng thông
Beffeciency = Rb/ BT = log2M = b [bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số BER cũng tăng lên. Nyquist
đã đưa ra công thức tính dung lương kênh truyền tối đa trong môi trường không nhiễu: C =
2Blog2M trong đó B là băng thông kênh truyền. Do đó ta không thể tăng M lên tùy ý được,
công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một
symbol.
Một số phương thức điều chế số thường dùng trong boä Mapper
 M-PSK ( Phase Shift Keying)
 M-DPSK (Differential Phase Shift Keying)
 M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)
 M-PSK(M-Phase Shift Keying):
Trong PSK Xn có biên độ không đổi và pha phụ thuộc b bit vào dn. M-PSK có M trạng
thái pha phụ thuộc vào b = log 2M bit vào, pha của Xn giá trị là 1 trong M góc pha :
2i
i 
M

i 1, 2,...., M . Một số dạng M-PSK thường gặp:

 BPSK hay PRK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào .
 QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit vào.
 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit vào.
 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit vào.

DPSK (Differential Phase Shift Keying):
Đây là một dạng của M-PSK, trước khi đi vào bộ M-PSK tín hiệu sẽ được xử lý sai
biệt, ký tự ra khỏi bộ này chứa đựng thông tin về sự khác nhau giữa hai ký tự liên tiếp. Bộ
giải điều chế sẽ so sánh sự khác biệt về pha giữa 2 kí tự liên tiếp để xác định ký tự thu được.
Thông thường nhiễu tác động lên 2 ký tự liên tiếp gần như nhau, sai biệt giữa 2 ký tự liên

tiếp sẽ giống nhau trong trường hợp có nhiễu và không có nhiễu.

M-QAM:

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 11


Trong sơ đồ M-QAM Xn có biên độ pha phụ thuộc b bit vào d n, QAM được sử dụng rất
phổ biến trong các đường truyền vô tuyến số tốc độ cao. Sau đây là biểu thức tổng quát của
tín hiệu M-QAM:
Xn = ai + jbi

i = 1, ….., M

Với ai, bi = ±a,±3a, ±5a,…., ±(log2M-1) , ai vaø bi phụ thuộc b bit vào dn .

Bộ IFFT và FFT:
Phép biến đổi IDFT ( Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu
OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách
chính xác và đơn giản. Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải
điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM. Nhờ sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta
tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phia thu. Nếu không sử dụng IDFT
và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha,
nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo

Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal[1]
Hai nguồn nhiễu giao thoa (interference) thường thấy trong các hệ thống vô tuyến số,
cũng như trong hệ thống OFDM là ISI và ICI

 ISI ( Intersymbol Interference) : nhiễu giao thoa liên ký tự, được định nghóa là xuyên
nhiễu giữa các symbol trong khoảng thời gian Tsymbol của các frame FFT liên tiếp
(trong miền thời gian).
 ICI ( Inter-carrier interference): nhiễu giao thao liên sóng mang, được định nghóa là
xuyên nhiễu giữa các kênh sóng mang phụ (subchannels) của cùng một frame FFT
(trong miền tấn số)
Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang trực giao làm tập tần số
của các kênh phụ. Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng
sóng mang N đủ lớn, khi đó băng thông của mỗi kênh đủ nhỏ so với coherence bandwith, tức
là độ rộng một symbol ts sẽ lớn hơn trãi trễ của kênh truyền.
Băng thông OFDM:
Tốc độ symbol của hệ thống OFDm sử dụng N sóng mang


R

N
Ts

Băng thông tín hiệu OFDM được xác định theo biểu thức:
BOFDM 

2
N1

Ts (1   G )Ts

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 12

Với

G 

G
: hệ số khoảng bảo vệ
Ts

Khi số sóng mang lớn N>>1 ta có
2
N1
2
N
N 2
1
BOFDM  
 
 ( 
)
Ts (1   G )Ts Ts (1   G )Ts Ts N 1   G



N
1
1
.
 R.

Ts 1   G
1 G

Bộ biến đổi D/A và A/D :

Chuỗi symbol xn sau khi được chèn khoảng bảo vệ  G cho chuỗi sn ,sẽ được đưa vào
bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp tạo ra tín hiệu liên tục s(t) để đưa
ra kênh truyền vô tuyến.
Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽlấy mẫu tín hiệu OFDM
thu được r(t), cho ra tín hiệu số rời rạc r n, sau đó rn sẽ được cho qua bộ Guard Interval
Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ  G


Bộ Up-Converter và Down-Converter:

Các bộ Up-Converter và Down-Converter chính là các bộ đổi tần số cân băng
(Balance Modulator). Sau khi qua bộ biến đổi D/A và lọc thông thấp, tín hiệu s(t) lên tần số
cao tạo thành tín hiệu s RF(t) để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian.
phía thu, tín hiệu rRF(t) thu được từ anten phát sẽ được đổi tần xuống thành tín hiệu r(t) nhờ
bộ Down-Converter.

Bộ Equalizer
Do các kênh sóng mang phụ có băng thông hẹp chỉ chịu fading phẳng, nên một bộ
Equalizer đơn giản được sử dụng nhằm tối ưu tín hiệu rời rạc trước khi cho qua bộ giải điều
chế số demoulation hay de-mapper, để giảm bớt tỉ số bit lỗi BER của hệ thống
Việc chèn CP vào mỗi symbol tại phía phát đã làm cho phép chập tuyến tính kể hợp
trở thành phép chập vòng trong khoảng thời gian ts.
Ngoài ra để cải thiện BER người ta còn sử dụng thêm các khối FEC (Forward Error
Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hoán đổi vị trí biến các bit lỗi
dạng chùm thành các bit đơn để FEC có thể sửa được.

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 13


Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM
3.1. Giới thiệu:
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng
dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống thông
tin thống chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất, dung truyền lượng hệ
thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một
mức giới hạn nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ
thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thống của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên
vì việc phân bố băng thông đã được định chuẫn sẵn.
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu
quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập
tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ
thống. Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản
nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N
luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh
truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ
hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng
ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ
phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số.
Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống
MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng
rộng tương lai.
Vùng bao phủ
WRAN

802.22

WAN

WiMobile
802.20

MAN

WiMAX
802.16
LAN

Wi-Fi
802.11

Zigbee
802.15.4
PAN

UWB
802.15.3

Bluetooth
802.15.1

0.01

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

0.1

R(Mbps)

1

10

100

1000

Trang 14


Hình 5. Các chuẩn thông tin không dây của IEEE
Hình 5 mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng tốc độ bit và vùng bao phủ,
trong đó các chuẩn màu sậm sẽ được ứng dụng hệ thống MIMO-OFDM trong tương lai, điều này
cho thấy tầm ứng dụng của hệ thống MIMO-OFDM rất rộng.

3.2. Hệ thống MIMO-OFDM:
3.2.1. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM:
Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO N T anten
phát và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ được mô tả như hình 6:
OFDM
Transmitter

Data

STC

Encoder

Signal
Mapper

OFDM
Transmitter

OFDM
Transmitter

Tx1

Rx 1

Tx 2

Rx 2

Tx N T

Rx NT

OFDM
Receiver
OFDM
Receiver

STC
Decoder

Signal
Demapper

Data

OFDM
Receiver

a) Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM

Serial to
Parallel
Converter

rRF (t )
DownConverter

x nT

xn

Xn

dn

Parallel
to serial
converter

IFFT

sn
Gard
Interval
Insertion

s(t )
D/A &
Lowpass
Filter

b) Sơ đồ khối bộ phát OFDM
~
~
~
rn
xT
X
x

r (t )

n

A/D

Gard
Interval
Removal

n

Serial to
Parallel
Converter

UpConverter

Xˆ n

n

FFT

s RF (t )

Parallel
to serial
converter

dˆ n
Parallel
to serial
converter

c) Sơ đồ khối bộ thu OFDM
Hình 6. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
Symbol thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể
biểu diễn như sau:

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 15


Y1 (k ) 11 (k ) X 1 (k )  12 (k ) X 2 (k )    1NT (k ) X NT (k )  V1 (k )
Y2 (k )  21 (k ) X 1 (k )  22 (k ) X 2 (k )    2 NT (k ) X NT (k )  V2 (k )

YN R (k )  N R 1 (k ) X 1 (k )   N R 2 (k ) X 2 (k )     N R NT (k ) X NT (k )  V N R (k )
k 1,2,3, , N
Với:



Xj (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM
Vi(k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i trong miền tần số, tức là N-FFT

của nhiễu trong miền thời gian vi(t)
ij (k ) là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i tại

sóng mang phụ thứ n. ij (k ) chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh truyền

cij (t ) từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Nếu máy thu có thể ước lượng chính
xác trạng thái kênh truyền thì ij (k ) sẽ được biết chính xác ứng với mỗi symbol
OFDM.
Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau
 11 (k )

 21 (k )

H (k )  


  N R 1 (k )

12 (k )



 22 (k )








 N R 2 (k )

1NT (k ) 

 2 NT ( k ) 



 N R NT (k )

Hình 7 mô tả rõ hơn ma trận H, kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn
lọc tần số thành N kênh truyền con fading phẳng. Hệ thống MIMO-OFDM tương đương với

hệ thống MIMO.
Ma trận kênh
truyền H

1NT ( N )

11 ( N ) 12 ( N )

11 (2)

12 (2)

22 ( N )
1NT (2)

11 (1)

12 (1)

1NT (1)
2 NT ( 2)

21 (1)

21 (1)

2 NT (1)

 N R 1 ( 2)  N R 2 ( 2 )

 N R 1 (1)  N R 2 (1)

 N R NT (N )

 N R N T ( 2)

 N R NT (1)

 2 NT ( N )

N sóng
mang
con

N T Anten phát

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 16


Hình 7. Ma trận kênh truyền
Có hai loại hệ thống MIMO-OFDM là: hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với mục
đích đạt độ lợi phân tập tối đa nhằm tối ưu chất lượng hệ thống và hệ thống MIMO-OFDM
V-BlAST với mục đích đạt độ lợi lớn nhất nhằm tăng tối đa dung lượng hệ thống thông tin
không dây trong môi trường fading chọn lọc tần số .
3.2.2. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti:
Hình 7 và 8 là sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với các khối cơ bản nhất. Sơ
đồ Alamouti được áp dụng nhằm đạt được độ lợi phân tập lớn nhất trong môi trường fading
chọn lọc tần số với cấu trúc phần cứng khá đơn giản.

X 1 (1)
X 1 (2)
X1(N )

Tx1

IFFT

(.)*

 F  1 X 2* CP

IFFT

F  1 X 1 CP

Mapper

Tx2
X 2 (1)
X 2 (2)

 (.)*

IFFT

F  1 X 1* CP

F  1 X 2 CP

IFFT

X 2 (N )

Hình 7. Maùy phaùt MIMO–OFDM Alamouti

y1 (1)
y1(2)

Tx1

[n1 n2 ]
Tx 2

S/P
CP
removal

IFFT

Y1

y1(N)
y 2 (1)
y 2 (2)
y2 ( N )

Bộ kết hợp

IFFT

Demapper

Data

Bộ ước lượng

Y2

Hình 8. Máy thu MIMO-OFDM Alamouti
3.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-Blast:

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 17


STC Coder

Data

Serial to
Parallel
Converter

OFDM
Transmitter

TX 1

X2

OFDM
Transmitter

TX 2

X NT

OFDM
Transmitter

Signal
Mapper

x nT

xn

Xn

dn

X1

sn

Parallel
to serial
converter

IFFT

Gard
Interval
Insertion

TX NT

s(t)
D/A &
Lowpass
Filter

s RF (t )
UpConverter

Hình 9. Máy phát MIMO-OFDM VBLAST
STC Decoder
Sóng mang phuï

RX 1
OFDM
Receiver

Y1

Y2
RX 2

OFDM
Receiver

YNR

f1

f0

N

2

1

N

2

1

N

2

1

fN 1

Signal

Demapper
N

2

Data

1

RX NR
ZF/MMSE ZF/MMSE ZF/MMSE ZF/MMSE
Decoder
Decoder
Decoder
Decoder

OFDM
Receiver

NT x N Symbol

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 18


Hình 10. Máy thu MIMO-OFDM VBLAST
3.2.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PARR:
Hệ thống MIMO-OFDM là hệ thống đa sóng mang, nên cũng phải đối mặt với một
vấn đề quan trọng là sự méo phi tuyến từ bộ khuyếch đại cao tần. Nguyên nhân của vấn đề

này là do tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PARR khá lớn dẫn đến tầm động
của tín hiệu khá lớn khi hệ thống đa sóng mang sử dụng số sóng mang phụ lớn.
Một số kỹ thuật nhằm mục đích giảm thiểu PARR trong hệ thống MIMO-OFDM
đã được đề nghị, chúng có thể được chia thành 2 hướng tiếp cận. Trong hướng thứ nhất, ta sẽ
chèn thêm các thông tin dư thừa nhằm giảm biên độ đỉnh trong từng symbol phát từ đó giảm
PARR của hệ thống. Hứớng thứ hai là cho tín hiệu đi qua một bộ sửa đổi nhằm loại bỏ các
đỉnh tín hiệu có biên độ lớn. Hướng tiếp cận thứ nhất có ưu điểm là không gây xuyên nhiễu
nhưng làm tăng tính phức tạp và làm giảm tốc độ truyền của hệ thống, hướng thứ hai khá
đơn giản ít làm tăng tính phức tạp của hệ thống nhưng lại gây ra xuyên nhiễu cho hệ thống.

Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM

Trang 19