Nghiên cứu kỹ thuật STBC OFDM trong thông tin di động

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT STBC-OFDM
TRONG THÔNG TIN ĐI ĐỘNG
Người thực hiện :
Lớp
:
Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Văn Tuấn


NỘI DUNG
Điện Tử Viễn Thông

GIỚI THIỆU
Kỹ thuật OFDM
Kỹ thuật STBC
STBC - OFDM
Kết quả mô phỏng


GIỚI THIỆU
Điện Tử Viễn Thông

 Trong thông tin di động: Fading lựa chọn tần số luôn
gây trở ngại lớn trong việc truyền tín hiệu vô tuyến.
- Fading làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)
và làm tăng tốc độ lỗi bit (BER).
- Kênh truyền lựa chọn tần số, trải trễ đa đường … gây ra
nhiễu liên ký tự (ISI).

 OFDM với khoảng bảo vệ đủ dài có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu
liên ký tự ISI và có khả năng hạn chế fading lựa chọn tần số.
 Kỹ thuật phân tập phát (Transmitter diversity) thực sự là hấp
dẫn, đặc biệt cho thiết bị thu di động cầm tay, nơi mà kích thước vật
lý của thiết bị phải được hạn chế.
STBC đạt được gần như tối ưu độ lợi phân tập phát.


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(ghép kênh phân chia theo tần số trực giao)
 OFDM = Orthogonal FDM
 Ý tưởng cơ bản: chia băng thông kênh truyền
thành nhiều kênh con để giảm nhiễu ISI và fading lựa
chọn tần số.
 Truyền đa sóng mang: các sóng mang con là trực
giao nhau trong miền tần số.


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Trực giao trong OFDM
 TRỰC GIAO – đỉnh của mỗi tín hiệu trùng với điểm không các tín hiệu khác.
 Về mặt toán học, công thức biểu diễn tính trực giao như sau:

1, i = j
∫0 xi (t ) x (t )dt = 0, i ≠ j

Ts

*
j

 Khoảng cách giữa các sóng mang con là n/Ts (n là số nguyên)
f2
f1
f0
Duration TS

1/TS

f0

f1

f2

f


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Sơ đồ khối hệ thống OFDM


Kỹ thuật OFDM

Điện Tử Viễn Thông

Chuyển đổi nối tiếp → song song
 Việc chia toàn bộ băng thông kênh truyền thành nhiều kênh con băng hẹp,
đáp ứng tần số trên mỗi kênh con riêng lẽ là tương đối phẳng.
=> hạn chế fading lựa chọn tần số.


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Điều chế tín hiệu
Hai loại điều chế thường được sử dụng trong OFDM :
- Khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)
- Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
M-PSK
Ta xét M-PSK với tín hiệu được thiết lập là:

s (t ) =

2Es
2π (i − 1) 

cos 2πf c t +

Ts
M



0 ≤ t ≤ Ts ,

Pha này tạo thành một trong M giá trị có thể :

θi = 2π (i −1) / M , i = 1,2,..., M
Sơ đồ cho 8-PSK


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

IFFT và FFT
 IFFT: Inverse Fast Fourier Transform – phép biến đổi ngược Fourier
nhanh
 Các thuật toán IFFT và FFT là phép biến đổi nhanh của IDFT và
DFT
 Xét dòng dữ liệu X = [ X0, X1, … , XN-2, XN-1 ] và Xk = Ak + jBk .
phép biến đổi IDFT tại khối phát thực hiện như sau:

1
xn =
N

N −1

∑ X k .e
k =0

j

2π
kn
N

1
=
N

N −1

j 2πf k t n
X
.
e
∑ k
k =0

Với fk=k/(N.Δt), tn = n.Δt và Δt là thời gian ký tự của dòng dữ liệu nối
tiếp xn.


Kỹ thuật OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Chèn khoảng bảo vệ

TS = TG + TFFT


Kỹ thuật STBC

Điện Tử Viễn Thông

STBC:

Space-Time Block Coding
(mã hóa khối không gian-thời gian)

Một thuật toán mã hóa không gianthời gian đơn giản, được đề xuất
bởi Siavash M. Alamouti trong một
bài báo mang tính bước ngoặt của
ông tháng 10 năm 1998 – “A
Simple
Transmit
Diversity
Technique
for
Wireless
Communication”, cung cấp một
phương pháp đơn giản để đạt
được phân tập không gian với việc
dùng 2 anten phát và một anten
thu.


Kỹ thuật STBC
Điện Tử Viễn Thông

Kênh truyền tại thời gian t có thể được mô hình hóa bởi h1(t) cho anten
phát thứ 1 và h2(t) cho anten phát thứ 2:

h1 (t ) = h1 (t + T ) = h1 = α 1.e jθ1
h2 (t ) = h2 (t + T ) = h2 = α 2 .e jθ 2


Kỹ thuật STBC
Điện Tử Viễn Thông

 Tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ
hai là:

r1 =h1c1 +h2 c2 +n1

r2 =−h1c2* +h2 c1* +n2
Trong đó n1 và n2 biểu diễn nhiễu Gauss trắng cộng tương ứng tại
khe thời gian t và t+T .
 Tín hiệu ước lượng được tính như sau:

(
=(h

2
~
c1 = h1 + h2

2

~
c
2

2

1

2

+ h2

)c + h n + h n
)c − h n + h n
1

2

*
1 1
1

*
2

2

*
2

*
2 1

STBC­OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Sơ đồ khối hệ thống STBC-OFDM được biểu diễn như sau:

Chúng ta đưa 2 khối có độ dài K sau đây vào bộ mã hóa không
gian-thời gian STE :
X1 =[ X1[0], X1[2], ..., X1[K - 1] ]T
X 2 =[X 2 [0], X 2 [2], ..., X 2 [K - 1] ]T


STBC­OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Sau đó STE thực hiện trong các khối như sau:

Mỗi luồng STBC trước hết được chuyển đổi nối tiếp thành K luồng
con song song hay kênh con (K sub-channels).
Nguyên tắc mã hóa trong phương trình trên có thể được biểu diễn
cho sóng mang con thứ k như sau
S1,1[k] S1,2 [k] 
E[k] = 
=
S2,1 [k] S2,2 [k] 

X1[k] - X *2 [k]


*
X

[k]
X
[k]
1
 2



STBC­OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Cấu hình khối phát Tx:
TEXT

TEXT

TEXT


STBC­OFDM
Điện Tử Viễn Thông

Sau khi loại bỏ CP tín hiệu thu được y(t) và thực hiện FFT giải điều
chế các tín hiệu trong sóng mang con thứ k được cho bởi:

Yt [k ] =

N =2

∑S

n =1

n ,t

[k ].H n ,t [k ] + Z t [k ]

Với trong đó Hn,t [k] là đáp ứng tần số kênh truyền từ anten phát n tới
anten thu trong suốt khe thời gian t và Zt[k] là nhiễu lấy mẫu trong miền
tần số.


Kết quả mô phỏng
Điện Tử Viễn Thông

 Mô phỏng tín hiệu OFDM
So sánh BER giữa tín hiệu OFDM có chèn CP và không chèn CP
So sanh BER tin hieu OFDM co CP va khong co CP

0

10

Co chen CP
Khong chen CP
-1

Bit Error Rate

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

0

5

10

15
20
Eb/No, dB

25

30

35


Kết quả mô phỏng
Điện Tử Viễn Thông

 Mô phỏng hệ thống Alamouti STBC với 2 phát ,1 thu
BER cho DieuChe BPSK voi Alamouti STBC
nTx=1,nRx=1
nTx=1,nRx=2,MRC
nTx=2,nRx=1,Alamouti

-1

Bit Error Rate

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

0

5

10

15
Eb/No, dB

20

25


Kết quả mô phỏng
Điện Tử Viễn Thông

 Mô phỏng hệ thống STBC với 2 anten thu
BER cho DieuChe BPSK voi 2Tx,2Rx Alamouti STBC
nTx=1,nRx=1
nTx=1,nRx=2,MRC
nTx=2,nRx=1,Alamouti
nTx=2,nRx=2, Alamouti

-1

Bit Error Rate

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

0

5

10

15
Eb/No, dB

20

25


Kết quả mô phỏng
Điện Tử Viễn Thông

 Mô phỏng hệ thống STBC-OFDM
BER cho DieuChe 4-QAM voi MRC va Alamouti tren kenh Rayleigh

0

10

nTx=1,nRx=1
nTx=1,nRx=2,MRC
nTx=1,nRx=4,MRC
nTx=2,nRx=1,Alamouti
nTx=2,nRx=2,Alamouti

-1

10

Bit Error Rate

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

0

5

10

15
SNR (dB)

20

25

Kết luận
Điện Tử Viễn Thông

 OFDM với những ưu điểm vượt trội như sử dụng băng thông hiệu
quả, loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI, chống lại fading lựa chọn tần
số đang chứng tỏ được vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn
vô tuyến tốc độ cao.
 Kỹ thuật mã hóa khối không gian-thời gian STBC có khả năng mở
rộng vùng phủ sóng, hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, nâng
cao độ lợi phân tập mà không cần tăng công suất phát hay băng thông.

⇒ Việc kết hợp 2 kỹ thuật STBC và OFDM là một giải
pháp hứa hẹn cho các hệ thống vô tuyến băng rộng
tương lai như WiMAX, LTE …