Ứng dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMO OFDM

MỤC LỤC

MỤC LỤC

1


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DÁNH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Addition White Gaussian Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

ADC

Analog-to-Digital Converter

Chuyển đổi tương tự sang số

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

BD

Block Diagonalization

BS

Base Staion

Trạm gốc

CFO

Carrier frequency offsets

Độ lệch tần số sóng mang

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

DAC

Digital-to-Analog

Chuyển đổi số sang tương tự

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

DPC

Dirty Paper Coding

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

ICI

Inter- Carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc đảo

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier đảo

ISI

Inter- Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

IUI

Inter- User Interference

Nhiễu giao thoa liên thuê bao

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

M-QAM

M Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương M điểm

MMSE

Minimum Mean Squared Error

OFDM
PAPR

Orthogonal
Frequency
Multiplexing
Peak to Average Power Ratio

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Tối thiểu bình phương trung bình sai
lệch
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình
Điều chế biên độ cầu phương

Division

2


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không gian

SINR

Signal Interference to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

ZF

Zero forcing

3


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu thông tin của con người là cực kỳ lớn và diễn ra mọi lúc
mọi nơi. Các thiết bị di động không dây tốc độ cao, băng rộng ngày càng phổ biến
với số lượng thuê bao rất lớn và ngày càng tăng. Do đó, yêu cầu đặt ra cho hệ thống
viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi hệ thống phải cung cấp các dịch vụ có chất lượng
tốt và tốc độ cao. Để đáp ứng các yêu cầu về băng rộng, tính di động cao của các
dịch vụ cung cấp cho người dùng, kỹ thuật truyền dẫn đa truy cập phân chia theo
tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát và
thu (MIMO) đã được chọn làm giải pháp truyền dẫn chính của mạng băng rộng hiện

nay. Tuy nhiên, với số lượng thuê bao rất lớn thì hiệu quả của hệ thống MIMOOFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh truyền và bị
suy giảm rất nhiều do ảnh hưởng của nhiễu giao thoa liên thuê bao.
Để đạt được những chỉ tiêu về chất lượng, tốc độ đề ra, hệ thống MIMOOFDM không ngừng bổ sung các kỹ thuật hỗ trợ. Một trong số các phương pháp
đưa ra là kỹ thuật tiền mã hóa. Với kỹ thuật này, hệ thống sẽ tiết kiệm được băng
tần, thời gian, tăng hiệu suất tần số và loại bỏ được thành phần nhiễu giao thoa liên
thuê bao.
Từ những ưu điểm của kỹ thuật tiền mã hóa, cùng với mong muốn tìm hiểu
kỹ hơn về kỹ thuật này, em chọn đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ứng
dụng kỹ thuật tiền mã hóa vào việc nâng cao chất lượng hệ thống MIMOOFDM”.
Đồ án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM
Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM
Chương 3: Kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Chương 4: Mô phỏng kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Đồ án này sẽ tìm hiểu và giải quyết các vấn đề liên quan đến tiền mã hóa và
đưa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềm Mathlab.

4


LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều nhưng với kiến
thức còn hạn chế của mình thì không khỏi mắc những sai sót, kính mong quý thầy
cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là
thầy Tăng Tấn Chiến đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên giúp đỡ
em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.

5

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. Kỹ thuật này cho phép truyền
dữ liệu với tốc độ cao và sử dụng băng thông một cách hiệu quả. Đặc biệt nhiều
chuẩn mạng không dây như Wifi, DVB, LTE… đã ứng dụng kỹ thuật OFDM như
một phương tiện để phát triển mạnh mẽ mạng thông tin di động tốc độ cao trong
thời gian tới.
OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn mới và có nhiều ưu điểm so với các kỹ
thuật truyền thống. Trong hệ thống thông tin di động, yếu tố kênh truyền ảnh hưởng
rất lớn đến chất lượng hệ thống cho dù sử dụng kỹ thuật truyền dẫn nào đi chăng
nữa. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về OFDM và các đặc tính kênh
truyền để thấy được các ưu, nhược điểm của nó cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến
chất lượng của hệ thống.
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
1.2.1 Khái niệm
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó các
ký tự dữ liệu được điều chế song song cách đều nhau trên các sóng mang phụ. Các
sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực
giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với
các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số. Sự chồng lấn phổ tín
hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn nhiều so với các kỹ
thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có đặc điểm nổi bật là khả năng
chống lại fading lựa chọn tần số cao bằng cách sử dụng kênh truyền fading phẳng

và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên
các kênh băng hẹp. Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất
6


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

hiệu quả để khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) trong việc trải trễ fading đa
đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ tại vị trí bắt đầu của mỗi ký tự.
Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng tần rất
gần nhau, do đó chúng sẽ chồng lấn lên nhau khi điêu chế các tín hiệu. Vì vậy các
máy thu phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều chế chúng chính xác. Với các
kỹ thuật trước đây như FDM, các tín hiệu phải tách biệt nhau khi truyền đi để máy
thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên
với những cải tiến của kỹ thuật OFDM thì máy thu vẫn thu được tín hiệu mà không
bị nhiễu mặc dù phổ của sóng mang chồng lấn lên nhau nhờ vào tính trực giao các
sóng mang.

Hình 1.1: So sánh hiệu quả sử dụng phổ của FDM và OFDM
Một yêu cầu quan trọng đối với hệ thống thu và phát OFDM là chúng phải
tuyến tính. Các sóng mang sẽ bị nhiễu do méo xuyên điều chế nếu hệ thống có bất
kỳ sự phi tuyến nào. Khi méo phi tuyến xảy ra sẽ xuất hiến những tín hiệu không
mong muốn và tính trực giao ban đầu cũng mất đi.
Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệu
của hệ thống đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của
bộ RF ở đầu ra máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh trong khi công suất đỉnh
trung bình rất thấp. Hạn chế công suất đỉnh là một phương pháp để khắc phục trong
7

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

một số hệ thống. Tuy nhiên việc hạn chế này gây méo tín hiệu và làm cho lỗi cao
hơn. Để giảm lỗi, hệ thống phải sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi để nâng cao chất
lượng. Việc sử dụng phép biến đổi IDFT trong điều chế và phép biến đổi DFT trong
giải điều chế của kỹ thuật OFDM cũng làm tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và
máy thu. Ngày nay, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng IFFT/FFT
để giảm bớt độ phức tạp của hệ thống.
1.2.2 Sự trực giao
Orthogonal là thuật ngữ đề cập mối quan hệ chính xác về mặt toán học giữa
các tần số sóng mang của hệ thống OFDM. Trong FDM, các sóng mang thường
được đặt cách nhau một khoảng dải tần để các tín hiệu không bị can nhiễu và có thể
thu chúng bằng các bộ giải điều chế và bộ lọc thông thường. Vì vậy các khoảng bảo
vệ giữa các sóng mang cần được dự liệu trước và việc sử dụng khoảng bảo vệ này
làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Trong kỹ thuật OFDM, các sóng
mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà máy thu
vẫn có thể thu được chính xác các tín hiệu không có can nhiễu giữa các sóng mang.
Muốn đạt được điều này thì các sóng mang phải trực giao nhau về mặt toán học.
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số
sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tất cả sóng sin này.
Mỗi sóng mang có một chu kỳ sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết
để truyền một ký hiệu.
Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức toán học sau:
T
c ⇔ i = j
∫ si (t ) s j (t )dt = C * δ (i − j ) = 0 ⇔ i ≠ j
0
(1.1)
Xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.
Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng 0 và thỏa mãn

tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chế
tín hiệu. Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:
Si(t) = sin(mωt) và Sj(t) = sin(nωt)

8


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

2π

2π

0

0

∫ sin(mwt ).sin(nwt )dt = ∫

=

2π

∫
0

1
cos(m − n) wtdt +
2

2π

∫
0

1
[cos( m − n) wt − cos(m + n) wt ]dt
2

1
cos(m + n) wtdt = 0 + 0 = 0
2
(1.2)

Nếu hai sóng sin có cùng tần số thì dạng sóng hợp thành luôn dương và giá
trị trung bình luôn khác 0.
Tính trực giao của các sóng mang con thể hiện ở chổ: tại mỗi đỉnh của mỗi
sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0.

Hình

1.2: Phổ sóng

mang

con OFDM

1.3 Sơ đồ khối OFDM
Xét hệ thống OFDM sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M-QAM

Hình 1.3: Sơ đồ khối máy phát OFDM

9


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu OFDM
Dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được mã hóa (thông qua bộ Conv.
Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaving).
Sau đó các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số bằng bộ QAM mapping.Có
thể chèn pilot để phục vụ ước lượng kênh. Dòng dữ liệu tiếp tục được đưa vào bộ
chuyển đổi nối tiếp thành song song (S/P) sau đó đưa vào bộ IFFT để chuyển đổi dữ
liệu từ miền tần số sang miền thời gian. Chèn tiền tố lặp (CP) để giảm nhiễu liên ký
tự (ISI) và nhiễu xuyên kênh. Dữ liệu tiếp tục được chuyển đổi từ song song thành
nối tiếp thông qua bộ P/S, dữ liệu được điều chế cao tần, khuếch đại công suất và
phát đi thông qua anten.
Tại máy thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và được đưa qua bộ
ADC thành tín hiệu rời rạc. Tiền tố lặp được loại bỏ và tín hiệu được chuyển đổi từ
miền thời gian sang miền tần số thông qua bộ FFT. Tín hiệu tiếp tục được giải điều
chế bằng phương pháp tương ứng với bên phát sau đó được sắp xếp lại và giải mã.
Thông qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp ta sẽ thu lại được tín hiệu ban
đầu.
1.3.1 Mã hóa kênh
Bộ mã hóa kênh sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi để cải thiện
BER của tuyến truyền dẫn nhằm đáp ứng các yêu cầu dịch vụ. Mã hóa kênh được
sử dụng để phát hiện lỗi và sửa các ký tự hay các bít thu bị lỗi, bao gồm mã phát
hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát,
trong đó độ dư thêm của mã sửa lỗi nhiều hơn mã phát hiện lỗi để bên thu có thể
10

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

phát hiên và sửa lỗi mà không phải truyền lại. Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là
mã khối và mã chập.
1.3.2 Khối xen rẽ
Trong OFDM, để khắc phục lỗi chùm thường xuất hiện trong thông tin đa
sóng mang do fading, người ta kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ. Kỹ thuật xen rẽ
chuyển đổi lỗi chùm thành lỗi ngẫu nhiên để bộ mã hóa kênh có thể khắc phục dễ

dàng.
Hình 1.5: Kỹ thuật xen rẽ
1.3.3 Khối MQAM-mapping
Tín hiệu sau khi đã được mã hóa và xen rẽ sẽ được điều chế số ở máy phát
và giải điều chế số ở máy thu. Việc điều chế số cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao
hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn, chống được ảnh hưởng của suy hao kênh truyền
và có tính bảo mật tốt hơn. Với kỹ thuật điều chế nhiều mức như M-QAM trong
điều chế số cho tốc độ bit cao hơn nhiều so với điều chế tương tự ở cùng băng
thông. Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ
truyền
và

chất

dẫn
lượng

truyền dẫn.

11


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1.6: 4-QAM

Hình 1.7: 16-QAM

Khi sử dụng điều chế QAM, sẽ có lần lượt log2M bit được đưa đến đầu vào
và sau khi ánh xạ thì sẽ là một trong M vị trí trong mặt phẳng phức. Khi giải điều
chế, ta chỉ cần biết vị trí tọa độ trong mặt phẳng phức thì ta sẽ biết được bit đó là bit
nào.
1.3.4 Khối IFFT/FFT
Trong kỹ thuật OFDM, dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang con. Cụ thể là mỗi kênh con cần một bộ điều chế và giải điều chế, một máy
phát sóng sin. Vì vậy khi số lượng kênh con khá lớn thì cách làm trên không hiệu
quả. Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng khối biến đổi IDFT/DFT để tạo
sóng sin, điều chế và giải điều chế trên mỗi kênh con. Để giảm độ phức tạp, cồng
kềnh của hệ thống, thuật toán IFFT/FFT được sử dụng làm cho phép biến đổi nhanh
hơn.
1.3.5 Tiền tố lặp (CP)
Tiền tố lặp là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến
mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự, nhiễu liên kênh đến tín hiệu
OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để thực hiện
kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần
lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian

12

Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời
gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và
thời gian truyền thông tin có ích TFFT (cũng chính là khoảng thời gian bộ
IFFT/FFT phát đi một ký tự).

Hình 1.8: Tiền tố lặp CP
Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn
chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại
hình ứng dụng khác nhau. Nếu tỉ lệ đó lớn tức là Tg tăng làm giảm hiệu suất hệ
thống. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại τmax nhằm
duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các nhiễu ICI,
ISI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền
trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, tức là tín hiệu thu

13


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến từ các đường phản
xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau. Giá
trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn nhất giữa
thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được qua
đường phản xạ.
Ngoài khái niệm tiền tố lặp còn có khái niệm hậu tố lặp cyclic postfix.
Hậu tố cũng tương tự như tiền tố, một khoảng bắt đầu của tín hiệu lấy IFFT
được sao chép và đưa ra phía sau của tín hiệu. Thêm vào hậu tố cũng có thể

chống được nhiễu ISI và ICI nhưng thường chỉ cần sử dụng tiền tố là được vì nó
làm giảm hiệu suất băng thông. Nếu chỉ sử dụng tiền tố lặp thì chiều dài của nó
phải lớn hơn trải trễ lớn nhất. Còn nếu sử dụng cả tiền tố và hậu tố lặp thì tổng
chiều dài của chúng phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền.
1.4 Cấu trúc tín hiệu OFDM
Xét một ký tự OFDM gồm N sóng mang phụ, với N là kích thước của phép
biến đổi FFT và IFFT.

Hình 1.9: Cấu trúc của ký tự OFDM
N sóng mang phụ sau khi được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song được
đưa vào khối IFFT để chuyển từ miền tần số sang miền thời gian.
14


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1.10: Biến đổi IFFT và chèn CP

Sau khi chèn CP, cấu trúc của tín hiệu OFDM được truyền đi như sau:

Hình 1.11: Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi

xn ,m

1
=
N

N −1

∑X
k =0

k ,m

e

j 2π kn
N

Tín hiệu OFDM phát được biểu diễn dạng toán

học như sau:

(1.3)
với n ∈ {-Ng,…, 0 ,…, N-1} và Ng là chiều dài của tiền tố lặp.
L −1

yn ,m = ∑ hl ,n ,m xn −l ,m + zn ,m
l =0

Tín hiệu thu của mẫu thứ n trong ký tự OFDM
thứ m sau khi qua kênh truyền fading và nhiễu:

15


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

(1.4)

n ∈ {0,…,N-1}
hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền

Trong đó:

zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian với công suất nhiễu N0
Nếu chiều dài Ng của tiền tố lặp thỏa mãn Ng ≥ L-1 thì không xảy ra nhiễu
liên ký tự. Sau khi loại bỏ CP và thực hiện FFT, mẫu tín hiệu nhận được trong miền
tần số được biểu diễn như sau:

Yk ,m

1
=
N

N −1

∑y
n =0

n,m

e

− j 2π kn
N

= H k , m X k ,m + ρ k , m + zk , m
(1.5)

Đối với kênh truyền fading không đổi theo thời gian thì ρ k,m bằng 0. Ký tự
QAM truyền đi được khôi phục lại trong miền tần số:

Xˆ k ,m = arg min Yk ,m − H k ,m X k ,m

2

(1.6)
1.5 Các đặc tính của OFDM
1.5.1 Ưu điểm
 Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang con có tính chất trực giao nên các

sóng mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm
tăng hiệu quả sử dụng phổ.
 Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường
bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con
phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.
 Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang và nhiễu liên ký tự bằng cách
chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM.
 Nhờ sử dụng các biện pháp chèn kênh và mã hoá kênh thích hợp nên hệ

thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu
ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra.
 Thích hợp cho các hệ thống không dây tốc độ cao và hiệu quả trong các môi
trường truyền dẫn đa đường.
16


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

1.5.2 Nhược điểm
 Rất nhạy với dịch tần số
 Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các

sóng mang phụ.
 Các sóng mang phụ chỉ thực sự trực giao khi máy phát và máy thu sử
dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh
offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được.
 Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để
giảm ảnh hưởng của ICI, ISI.
 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) là lớn vì tín hiệu

OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau.
Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên
độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho
ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất
lớn.
1.6 Các đặc tính kênh truyền
1.6.1 Fading
Kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu trong hệ
thống thông tin, có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống. Đặc biệt đối với
kênh truyền vô tuyến, nó không ổn định và không thể dự đoán chính xác được. Nó
hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Qua kênh truyền vô
tuyến, tín hiệu phát đi bị cản bởi các vật cản, bị phản xạ, tán xạ,… và kết quả là
máy thu sẽ thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu đã phát. Vấn đề này
được hiểu là fading. Tín hiệu sẽ bị thay đổi thất thường và nhanh chóng suy giảm về
chất lượng khi có hiện tượng fading. Điều này gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng
hệ thống thông tin di động. Vì vậy, nắm vững các đặc tính kênh truyền trong thông
tin di động sẽ giúp chúng ta có lựa chọn thích hợp cho cấu trúc của hệ thống cũng

như các thông số để giúp nâng cao chất lượng.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai
loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

17


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình giữa máy phát và máy thu. Người ta nói phía
thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm
rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.
Fading tầm nhìn rộng thì được sinh ra bởi hai yếu tố chính suy hao đường truyền
(path loss) và che chắn (shadowing). Path loss của tín hiệu như là một hàm của
khoảng cách. Trong khi đó shadowing như là các vật cản lớn như tòa nhà, đồi núi...
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến
đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi
đường truyền sóng.
Ảnh hưởng của fading là đáng kể khi khoảng cách truyền tăng, lúc này
cường độ tín hiệu thu sẽ bị suy giảm, méo đáng kể vì thay đổi đáng kể. Tính di
chuyển của các thuê bao trên khoảng cách lớn (>>λ) và sự thay đổi đặc điểm địa
hình, sẽ ảnh hưởng đến suy hao và công suất thu thay đổi chậm. Có rất nhiều các kỹ
thuật khác nhau được sử dụng để khắc phục fading nhưng cách phổ biến nhất và
thường được dùng nhất là phân tập không gian.Trong thông tin di dộng tốc độ
cao,sự phân tập khắc phục tốt được hiện tượng fading.
1.6.2 Hiệu ứng đa đường

Trong hệ thống thông tin di động, các bức xạ điện từ phát ra từ anten máy
phát gần như không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu do luôn có sự tồn
tại của các vật cản giữa chúng. Vì vậy tín hiệu nhận được là sự chồng chập của các
sóng đến từ các hướng khác nhau do hiện tượng phản xạ, tán xạ, khúc xạ… từ các
vật cản. Hiện tượng này gọi là sự truyền sóng đa đường.
18


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1.12: Hiệu ứng đa đường trong thông tin di động
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu
phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc
vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc
bị hư hỏng hoàn toàn. Một trong những hệ quả của hiện tượng đa đường mà chúng
ta không mong muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ
thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ không có sự
phối hợp về pha. Điều này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ
tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha.
Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu ngược pha

180 0

thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu. Một

hệ quả nữa của hiện tượng multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều
tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây
ra hiện tượng giao thoa liên ký tự.
Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh
truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện

tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo
19


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng
các bộ cân bằng.
1.6.3 Hiệ ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
gây ra. Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu
tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là : khi nguồn phát và
nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu sẽ giảm đi, khi nguồn phát và
nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát
đi. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler.
Dịch tần số Doppler tỉ lệ với tốc độ chuyển động và phương chuyển động
của máy thu so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường. Dịch
Doppler fD có thể được biểu diễn như sau :
fD =

Trong đó:

v
f C cosα
c

(1.7)

fc là tần số sóng mang
v là vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy

phát
c là vận tốc ánh sáng
α là góc giữa phương chuyển động của máy thu và sóng tới

f R = fC ± f D

Khi đó tần số tín hiệu thu được là:
(1.8)

20


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hình 1.13: Hiệu ứng Doppler
1.6.4 Suy giảm tín hiệu
Suy hao là do suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm
khác. Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng
đa đường. Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Phương trình tính công suất thu
được sau khi truyền qua khoảng cách d :
2

 λ 
PR = PT GT GR 
÷
 4π d 

Trong đó:

(1.9)

PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang

1.6.5 Trãi trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực
tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đa đường.
Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu liên kí tự. Trong kỹ thuật
OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó
làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
1.6.6 Nhiễu AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ
yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô
(inter-cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự,
nhiễu liên sóng

mang và

nhiễu

liên

điều

chế (IMD: Inter-Modulation

Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu, giảm hiệu quả phổ của
hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả
phổ của hệ thống phải được lựa chọn.

21


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một
cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian
là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ
phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố
Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng
kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra)
là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền
dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu
hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng
tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các
loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.6.7 Nhiễu liên ký tự
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của
kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu ISI gây ra do trải trễ đa
đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện
nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể
thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế
là chèn tiền tố lặp vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động
không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất
quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng
thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ
ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có
nhiễu liên ký tự. Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự
OFDM với ký tự trước đó. Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI,
phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp.

22


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

1.6.8 Nhiễu liên sóng mang
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao
với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng
mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự
dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh
nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận
được xem là nhiễu xuyên kênh.

Hình
1.14:
Lỗi
dịch tần
số gây
ra
nhiễu
ICI
trong
OFDM

xảy
ra
khi
kênh
đa
đường
thay
đổi
trên
thời
gian
ký
tự
OFDM.
Dịch
ICI
Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang,
kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị
nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu
ICI trong hệ thống OFDM.
1.7 Kết luận chương
Kỹ thuật OFDM là một trong những kỹ thuật tiên tiến, mang lại hiệu quả và
nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin di động. Qua chương này, chúng ta thấy

23


Chương 1: Tổng quan về hệ thống OFDM

được những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu tốt,

hiệu quả sử dụng phổ cao, hạn chế được ảnh hưởng của fading, nhiễu xuyên kênh
kết hợp… Kỹ thuật này thích hợp cho những hệ thống vô tuyến yêu cầu tốc độ cao
và truyền dẫn trong môi trường đa đường. Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có những
hạn chế nhất định như rất nhạy với dịch tần số, tỉ số PAPR lớn cần được khắc phục.
Chương này cũng đã trình bày về các đặc tính kênh truyền trong hệ thống thông tin
di động. Kênh truyền trong thực tế rất phức tạp, gây nhiều ảnh hưởng đến hệ thống
như fading, hiệu ứng đa đường,… làm suy giảm tín hiệu, nhiễu, biến đổi tín hiệu tại
đầu thu dẫn đến suy giảm chất lượng của hệ thống.

24


Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM

CHƯƠNG 2:

HỆ THỐNG MIMO-OFDM

2.1 Giới thiệu chương
MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật
OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước
của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống. Đây là một giải
pháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến. Trong chương này chúng ta sẽ đi
vào tìm hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, các kỹ thuật phân tập của nó,
hệ thống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó.
2.2 Hệ thống MIMO
2.2.1 Giới thiệu hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống thông tin điểm
điểm sử dụng đa anten phát và thu. Nhờ vậy hệ thống có thể cung cấp phân tập phát
và thu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như tang tốc độ truyền, giảm BER,

tăng vùng phủ sóng mà không cần tang công suất hay tăng băng thông.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO ra đời vào khoảng năm 1984 do Jack Winters của phòng thí
nghiệm Bell xin cấp bằng sáng chế với việc sử dụng đa anten trong vô tuyến. Từ đó
đến nay có rất nhiều nghiên cứu về hệ thống này. Đến năm 2004, IEEE bắt đầu
25