Nghiên cứu hệ thống mimo - ofdm và tìm hiểu về mạng wimax

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
----------

BÁO CÁO
Bài tập lớn môn hệ thống viễn thông
Đề tài:Tìm hiểu hệ thống MIMO-OFDM
Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Văn Yêm

Hà Nội - 12/2013
1


2


PHẦN I. LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của
thông tin di động và Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương
tiện băng rộng. Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy
đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng
rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng
có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hình hiển thị nhỏ. Các hệ thống 3G, đang
trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về
sau) và có màn hình hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet
sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu
nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo.
Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày
càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải có một
hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa
phương tiện – hệ thống di động 4G.

Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi
băng thông lại có giới hạn. Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra
MIMO (Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành
công đáng kể. Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ
thuật phân tập và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ
mà không phải tăng công suất phát hay băng thông.
Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi
bit BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự
ISI (Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng
không vì thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng
mang được áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các
dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao. Nhờ vậy,
OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền
fading phẳng băng hẹp và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ.
Chính bởi những khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống MIMO và OFDM
đem lại những tiềm năng to lớn cho hệ thống thông tin hiện nay, nên việc kết hợp
chúng thành một hệ thống MIMO – OFDM là một giải pháp vô cùng quan trọng
cho sự phát triển 4G.
Và đó cũng là lý do nhóm chúng em lựa chọn đề tài cho bài tập lớn môn hệ thống
viễn thông của mình là: “Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng
Wimax”

3


PHẦN II. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.

Tên đề tài

Đề tài của bài tập lớn môn hệ thống viễn thông mà chúng em nghiên cứu, tìm hiểu
và thực hiện là : Nghiên cứu hệ thống MIMO – OFDM và tìm hiểu về mạng Wimax
Ở đề tài này chúng em cùng tìm hiểu lý thuyết kĩ thuật truyền dẫn OFDM, lý thuyết
về hệ thống MIMO và hệ thống kết hợp cả hai kĩ thuật này MIMO-OFDM. Bên cạnh
đó chúng em cũng tìm hiểu tổng quan về mạng không dây băng thông rộng WiMAX và
có thể áp dụng hệ thống MIMO-OFDM cho mạng WiMAX.
2.
2.1.

Các yêu cầu của đề tài
Yêu cầu chức năng:

Đề tài cần thực hiện bao gồm các nội dung chính cần phải tìm hiểu như:
-

-

Hiểu về công nghệ OFDM, là một công nghệ trong kĩ thuật truyền dẫn số khá
phổ biến hiện nay.
Có kiến thức về hệ thống đa anten phát, đa anten thu – hệ thống MIMO, áp dụng
vào các hệ thống truyền dẫn hiện nay và hiệu quả của chúng.
Tìm hiểu về mạng không dây băng thông rộng WorldwideInteroperability for
Microwave Access viết tắt là WiMAX, ứng dụng trong thiết bị mạng Internet
dành số lượng người sử dụng lớn thêm vào đó giá thành rẻ và giải quyết tốt nhất
những vấn đề khó khăn trong việc quản lý đầu cuối.
Hệ thống MIMO-OFDM kết hợp, và ứng dụng vào mạng không dây WiMAX.

Đưa ra được các ưu nhược điểm của từng hệ thống , nhận xét đánh giá và ứng dụng

cũng như hướng phát triển của lý thuyết này ở Việt Nam.
2.2.

Yêu cầu phi chức năng.

Bên cạnh các lý thuyết quan trọng cần tìm hiểu của đề tài, còn cần thực hiện mô
phỏng nó bằng một công cụ phần mềm. Ở đây chúng em sử dụng phần mềm Matlab và
ngôn ngữ lập trình Matlab để mô phỏng lần lượt nội dung liên quan đến kĩ thuật
OFDM, kĩ thuật MIMO và sự kết hợp của hai kĩ thuật này thành một hệ thống hoàn
4


chình hơn, mạnh mẽ hơn, ưu điểm hơn. Muốn vậy, cần phải học sử dụng thành thạo
phần mềm Matlab,về ngôn ngữ Matlab- một ngôn ngữ lập trình hệ thống mạnh mẽ và
công cụ mô phỏng simulink khá hữu dụng hiện nay.

CHƯƠNG II. LẬP KẾ HOẠCH CHO ĐỀ TÀI
1.

Các giai đoạn thực hiện đề tài

Tên giai đoạn
1. Nhận đề tài, phân tích đề tài , lập kế

hoạch và thực hiện cài đặt chương
trình mô phỏng
2. Triển khai tìm hiểu về kĩ thuật
OFDM . Học sử dụng matlab –
simulink với các chương trình nhỏ.
Triển khai mô phỏng công nghệ

OFDM bằng matlab
3. Tìm hiểu về hệ thống MIMO.
4. Tìm hiểu về mạng không dây băng

thông rộng WiMAX
5. Tìm hiểu về hệ thống MIMOOFDM,áp dụng cho WiMAX, mô
phỏng hệ thống bằng matlab
6. Đóng gói mô phỏng, viết báo cáo và
bảo vệ bài tập lớn

Ngày bắt đầu

Ngày kết thúc

12/09/2012

26/09/2012

27/09/2012

18/10/2012

Hoàn
thành

19/10/2012

29/10/2012

30/10/2012

08/11/2012

09/11/2012

23/11/2012

Hoàn
thành
Hoàn
thành
Chưa
Hoàn
thành
Chưa
hoàn
thành

24/11/2012

5

Trạng
thái
Hoàn
thành


2.

Lập kế hoạch

3.

Phân công công việc

Thành viên
Trần Công Nam

Nguyễn Văn Toàn
Trần Đức Thắng
Nguyễn Thế Bình

Công việc
Phân tích đề tài, lập kế hoạch cho
đề tài, tìm hiểu kiến thức chung
của đề tài, tổng hợp và viết code
matlab mô phỏng cho hệ thống
mimo-ofdm
Tìm hiểu kiến thức về công nghệ
OFDM, thực hiện mô phỏng
matlab cho OFDM
Tìm hiểu hệ thống MIMO- đa
anten phát, đa anten thu
Tập trung tìm hiểu về mạng
WIMAX, ứng dụng trong cuộc
sống hiện tại viễn thông Việt
Nam
6

Trạng thái
Hoàn thành

Hoàn thành
Hoàn thành
Hoàn thành


Các thành viên trong nhóm được phân rõ công việc, và tập trung sâu vào nhiệm vụ
được giao đó. Trong giai đoạn của mỗi công việc, các thành viên khác trong nhóm
cũng tham gia tìm hiểu, giúp đỡ nhau về phần của mình. Kết thúc mỗi giai đoạn, có
buổi họp nhóm để mỗi thành viên trình bày về tiến độ công việc được giao, giúp cả
nhóm tiếp thu các kiến thức một cách nhanh nhất. Tổng kết và chuyển sang giai đoạn
tiếp theo.

CHƯƠNG III. OFDM
1. Giới thiệu chung về kĩ thuật
1.1.
Định nghĩa và lịch sử phát

điều chế OFDM
triển

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) là
một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng
mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép
chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn

7

phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật điều chế thông thường.
Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên
cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần
và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.Kỹ
thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng
mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng
mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu
ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ
lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng
dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số
các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng
kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang
tuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó.Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát
minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa
học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công
trình của Weistein và Ebert, ngườI đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể
thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổI DFT.
Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM
được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến
đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
1.2.
Ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM
• Ưu điểm của kỹ thuật OFDM :
 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI)

nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn
nhất của kênh.

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống có tốc

độ truyền dẫn cao),do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency
8


selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiễu so với hệ thống
truyền dẫn đơn song mang.
 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
• Nhược điểm của kỹ thuật OFDM”
 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng.Điều này gây
méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu.Cho đến
nay ,nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm
này [Pau98].
 Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại
làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền ,do bản thân chuỗi bảo vệ
không mang tin có ích .
 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ ,hệ thống
OFDM rất nhay cảm vói hiệu ứng Dopple cũng như là sự dịch tần
(frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
1.3.

Ứng dụng của kĩ thuật OFDM ở Việt Nam
Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber

Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường
truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa
sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong
hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet
thông thường.Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng

rãi ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt
đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và
DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về
thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai
thác một cách rộng rãi ở Việt Nam.
1.4.

Hướng phát triển của kĩ thuật OFDM
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong

mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống
thong tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật
9


OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu
(MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công
nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu
với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi
Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất
đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy
nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa
trong tương lai.

2. Tìm hiểu về công nghệ điều
2.1.
Điều chế đơn sóng mang

chế

Hình 3.1 Biểu diễn phổ tín hiệu trong miền thời gian
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn
bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗi
tín hiệu có độ dài là

(PT 3.1)

Tsc= 1/B

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số
(frequency selective channel). Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó
chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ. Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có những
nhược điểm sau:

10


 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường

đối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải thích do độ dài của 1 mẫu tín
hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng
của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu.
Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến
- Gaussian Noise
- Interchanel Interference
- Co-channel Interference
- Inter-symbol interference
- Multiple access interference
 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ thống. Do
băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số

 Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là
phức tạp.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thông
tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong thông tin băng rộng,
phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên.

2.2.

Điều chế đa sóng mang FDM

11


Hình 3.2 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang

Hình 3.3. Hệ thống đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được
chia ra làm nhiều băng con vớI các sóng mang phụ cho mỗI băng tần con là khác
nhau. Chi tiết của phương pháp này xem ở hình 2.2b Phương pháp điều chế đa sóng
mang còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của
tìn hiệu của hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song. Vì vậy đọ dài của mẫu
tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :
12


Ts=1/Fs=Ts.Nc

PT(3.2)

Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều

chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây
ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường). Từ đó chúng ta
có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so với các phương
pháp điều chế đơn sóng mang là:
 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm
 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm nhiều

phần
( Băng thông giảm-> BTừ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống
cũng giảm.Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau
 Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time

selectivity). Điều này được biết đến là do đọ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên
( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian). Dẫn đến sự biến đổi
về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu.
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu quả sử dụng băng tần của hệ
thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng
cách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự dụng phổ. Để vừa tận dụng hết băng tần và
có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều
chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau.

2.3.

Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

13


Công nghệ OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông

tin vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như trong hệ thống
ADSL, các kỹ thuật này thường đượcc nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Ý tưởng
chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N
luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng
mang con khác nhau.

3.

Mô hình hệ thống OFDM

14


 Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con.

Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm
rời rạc. Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của
các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy nhiên các hệ thống
trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Tín hiệu OFDM trong
miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến.
 Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát. Theo đó trước hết, trộn

hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích
tín hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các
sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ
liệu số ban đầu.

Hình 3.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

15

 Tầng chuyển đổi nối tiếp song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát
trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc phân bổ dữ
liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số
lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng
mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì
số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược
lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối
tiếp ban đầu.
Khi tín hiệu truyền trong môi trường dưới ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa
đường do phadinh lựa chọn tần số làm suy giảm tín hiệu thu ở các tần số khác nhau các
mức khác nhau gây ra lỗi bit tại phía thu. Các điểm trũng trong đáp ứng tần số của kênh
truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận bị lỗi, kết quả là một
cụm các bit liền nhau bị lỗi. Nếu như cụm lỗi bit này không quá lớn thì bộ sửa lỗi tại
phía thu vẫn có thể khôi phục được tín hiệu. Trên thực tế cụm lỗi bit này thường khá
lớn nên khó khăn rất lớn trong việc sửa lỗi. Một giải pháp khả thi được đặt ra là làm
cho các bit lỗi này phân tán thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp thì các bit lỗi
này sẽ nằm rải rác tránh được các cụm bit lỗi lớn. Để thực hiện được điều này trong
thực tế người ta sử dụng các bộ xáo trộn bit như là một phần trong quá trình chuyển đổi
nối tiếp , song songthay vì truyền theo thứ tự chuỗi bit ta truyền không theo thứ tự rồi
sau đó sắp xếp lại chúng ở phía thu
 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên
các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha. Việc sắp xếp
điều chế sóng mang con đối với 16-QAM được cho hình 3.5(a) , mỗi ký hiệu 16-QAM
sẽ chứa 4 bit dữ liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tương ứng với một vector IQ duy

nhất.Hình 3.5(b) mô tả tín hiệu 16-QAM dưới tác động của nhiễu .

16


Hình 3.5 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray và tín hiệu 16-QAM
qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB

truyền

 Tầng chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số

Hình 3.6 Bộ điều chế OFDM thực hiện bằng IFFT
Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệu
OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian. Phép biến đổi
Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang miền
thời gian. Tương ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi đầu ra
của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT). Hầu hết các

17


sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng ngoài không mang
dữ liệu được đặt bằng 0.


Tầng điều chế sóng mang RF

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được
trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ

thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình 3.7 và "số"
được cho ở hình 3.8. Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ
pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.

Hình 3.7 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật tương tự

Hình 3.8 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật số
18


Hình 3.9 mô tả dạng sóng trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM. Số lượng sóng
mang = 500, kích thước FFT = 2000, khoảng thời gian bảo vệ = 500. Sóng mang điều
chế cao tần có tần số fc = 10 GHz.

Hình 3.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Hầu hết các ứng dụng vô tuyến, thì tín hiệu OFDM được tạo ra tại băng tần cơ sở sử
dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF bằng cách
dùng một bộ điều chế IQ, như được cho ở hình 3.7 và hình 3.8. Bộ điều chế IQ sẽ dịch
phổ tần tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên vùng tần số vô tuyến, và chuyển từ
tín hiệu phức sang tín hiệu thực (lấy phần thực). Tín hiệu RF phát luôn là tín hiệu thực
và nó chỉ biến đổi giá trị cường độ trường.
Một tín hiệu thực sẽ tương đương với một tín hiệu băng tần cơ sở phức có tần số trung
tâm là 0 Hz trộn với tần số sóng mang ở bộ điều chế IQ.
fc =

W
+ f off
2

19

(PT 3.3)


Trong đó

fc

là tần số sóng mang để dịch tín hiệu OFDM từ băng tần cơ sở phức lên tín

hiệu OFDM cao tần thực, W là độ rộng băng tần tín hiệu và

f off

là tần số dịch từ DC.

Trong các ứng dụng hữu tuyến như ADSL, hầu hết các sóng mang con đều có tổng độ
dịch DC thấp hơn độ rộng băng tần tín hiệu. Điều này có ý nghĩa rằng có thể trực tiếp
tạo tín hiệu thực bằng cách sử dụng tầng IFFT thay vì phải dùng bộ điều chế IQ để
chuyển dịch tần số.

Hình 3.10 Tín hiệu OFDM
Để tạo ra một tín hiệu OFDM thực chỉ cần một nửa các sóng mang con sử dụng cho
điều chế dữ liệu, mặt khác nửa gồm các lát tần số cao của IFFT sẽ có giá trị biên độ là
liên hợp phức của nửa còn lại gồm các lát có tần số thấp hơn.

Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống
truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục
4.1.
Nhiễu ISI và giải pháp khắc phục

4.

 Nguyên nhân và ảnh hưởng của ISI
•

Nguyên nhân do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời gian, tính phụ
thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra giao thoa
giữa các ký hiệu (ISI) truyền qua nó.

•

Hậu quả ISI: làm cho máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi
phục định thời
20


 Giải pháp khắc phục ảnh hưởng của ISI
•

Chèn khoảng bảo vệ

Hình 3.11 Cấu trúc symbol OFDM và khoảng bảo vệ
Giả thiết có một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T S , chuỗi bảo vệ là một chuỗi có độ
dài TG. Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ thì khoảng bảo
vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra bằng cách sao chép phần cuối ký hiệu lên
phần đầu của cùng ký hiệu. Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệu
OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc sao chép phần
cuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn tại
điểm nối .Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễu xuyên kí hiệu gây ra bởi hiệu
ứng phân tập đa đường. Hình 3.12 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ. Cơ chế chống

nhiễu được giải thích như + Sau khi chèn chuỗi bảo vệ tín hiệu mới có chu kì là
T=T+TS

TG >

(PT 3.4)

τ max

21


Hình 3.12 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi symbol OFDM

•

Khoảng bảo vệ chống lại ISI

Khoảng bảo vệ sẽ loại bỏ hầu hết ảnh hưởng của ISI. Tuy nhiên trong thực tế, các thành
phần đa đường có xu hướng suy giảm chậm theo thời gian, hậu quả vẫn tồn tại một chút
ISI thậm trí khi sử dụng khoảng thời gian bảo vệ dài. Hình 2.19 là kết quả mô phỏng
thể hiện hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI . Băng tần kênh được giữ nguyên
trong các lần mô phỏng. Mô phỏng thực hiện thay đổi giá trị chiều dài khoảng bảo vệ
và kích thước FFT đối với tín hiệu OFDM, và so sánh SNR thu được ứng với mỗi lần
thay đổi hai thông số này. Kết quả cho thấy SNR tăng khi chiều dài khoảng bảo vệ
cùng kích thước FFT tăng.
4.2.

Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục

ICI là hiện tượng phổ biến trong các hệ thống đa sóng mang. Trong hệ thống OFDM,
ICI còn được gọi là nhiễu giao thoa giữa các sóng mang con, là hiện tượng năng lượng
phổ của các sóng mang con chồng lấn quá mức lên nhau làm phá vỡ tính trực giao của
các sóng mang con.
 Nguyên nhân và ảnh hưởng của ICI
•

ICI xảy ra do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (kênh pha đinh chọn lọc tần
số) mà nguyên nhân chính là hiện tượng dịch tần Doppler do sự dịch chuyển
tương đối của máy phát và máy thu máy thu.

22


•

Hậu quả là sẽ không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các
sóng mang con, dẫn đến phía thu sẽ quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao.

 Giải pháp khắc phục

Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, và
dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu (PSAM). Các hoa tiêu giúp cho việc
ước tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI .

5.

5.1.

Một số hệ thống sử dụng kĩ thuật OFDM

Hệ thống DRM

DRM là hệ thống phát thanh số thay thế cho hệ thống phát thanh điều tần truyền thông
AM.Tần số song mang cho hệ thống DRM tương đối thấp ,cụ thể là nhỏ hơn30MHz
,phù hợp cho việc truyền sóng ở khoảng cách lớn.
5.2.

Hệ thống Hiper LAN/2(IEEE802.11a)

Hệ thống HiperLAN/2 tương đương với tiêu chuẩn IEEE802.11a được thiết kế cho
mạng máy tính không dây WLAN.Tốc độ truyền dẫn lớn nhất hệ thống có thể cung cấp
vào khoảng 54Mbit/s tùy thuộc vào môi truongf truyền dẫn.Bề rộng băng tần sử dụng
là 20Mhz và được khai thác ở vùng tần số khoảng 5GHz.Môi trường truyền daanxlaf ở
trong nhà và giữa các tòa nhà .Khoảng cách truyền dẫn tương đối nhỏ khoảng vài một
đến vài trăm mét.
5.3.

Hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e)

23


WiMax [IEEE-1] ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây
tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN.Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp
đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten
phát lên đến 50km.Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng tế bào .
 Tram phát :Giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất

lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 80000 km2.

 Trạm thu:có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết
lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính,theo cách mà Wlan vẫn dùng.
6.

Kết luận chương

Qua chương này, ta có thể hiểu được một số vấn đề cơ bản của hệ thống
OFDM như cấu trúc một hệ thống OFDM, tính trực giao của tín hiệu, cấu trúc tín
hiệu OFDM... Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống thông
tin tốc độ cao. Nhưng với nhu cầu thông tin hiện nay, không chỉ đòi hỏi về chất
lượng thông tin mà còn đòi hỏi về cả dung lượng hệ thống. Để đáp ứng được yêu
cầu này, nhất là trong điều kiện tài nguyên tần số có hạn, hệ thống MIMO ra đời để
giải quyết vấn đề này sẽ được giới thiệu ở chương 2.

CHƯƠNG IV. MIMO
1.

Định nghĩa

24


Hình 4.1 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống
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 phát hay băng
thông hệ thống. Chi phí phải trả để tăng tốc độ dữ liệu chính là việc tăng chi phí
triển khai hệ thống, 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.

2.

Lịch sử phát triển

-

Năm 1994: Paulrai & Kaailath giới thiệu kỹ thuật phân chia mặt đất, nêu ra khái
niệm hợp kênh không gian với Patent US năm 1994 nhấn mạnh việc ứng dụng

-

cho phát thanh quảng bá.
Năm 1996: Foschini giới thiệu kỹ thuật BLAST nhằm hợp các luồng truyền trên

-

kênh fading nhanh.
Năm 1997: Winter trình bày các kết quả nghiên cứu tổng quát đầu tiên về dung

-

năng kênh MIMO, chứng minh tiềm năng phát triển của nó.
Năm 1998, sản phẩm mẫu hợp kênh đầu tiên cho tốc độ truyền dẫn cao được

-

làm bởi Bell labs.
Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên của hãng Jospan Wireless Inc dùng
công nghệ MIMO-OFDMA hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian.

25