Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO OFDM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.62 MB, 117 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGÔ MINH QUANG
NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU QUẢ SỬ DỤNG BĂNG THÔNG CỦA HỆ THỐNG
MIMO, MIMO-OFDM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG
Hà Nội – Năm 2013
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... 8
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 10
1.
Tính cấp thiết của đề tài. ...................................................................... 10
2.
Lịch sử nghiên cứu ............................................................................... 10
3.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ...................................... 10
4.
Tóm tắt các điểm cơ bản của luận văn. ................................................ 10
5.
Phương pháp nghiên cứu. ..................................................................... 11
CHƯƠNG 1Đặc điểm môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến và mô hình kênh
truyền ................................................................................................................... 12
1.1. Đặc điểm của môi trường truyền sóng vô tuyến .................................. 12
1.1.1.
Suy hao đường truyền ....................................................................... 12
1.1.2.
Hiện tượng Multipath-Fading ........................................................... 13
1.1.3.
Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng ... 15
1.1.4.
Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm ............. 19
1.1.5.
Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean .................................. 21
1.2. Các phương thức ghép kênh ................................................................. 23
1.2.1.
Ghép kênh theo tần số FDM ............................................................. 24
1.2.2.
Ghép kênh theo thời gian TDM ........................................................ 24
1.2.3.
Ghép kênh theo mã CDM ................................................................. 25
1.2.4.
Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM .......................................... 25
1.3. Các mô hình kênh vô tuyến .................................................................. 25
1.3.1.
Hệ thống SISO .................................................................................. 26
1.3.2.
Hệ thống SIMO ................................................................................ 27
1.3.3.
Hệ thống MISO ................................................................................ 27
1.3.4.
Hệ thống MIMO ............................................................................... 27
1
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
CHƯƠNG 2 Kỹ thuật OFDM .......................................................................... 29
2.1. Nguyên lý kỹ thuật OFDM................................................................... 29
2.1.1.
Sóng mang trực giao ......................................................................... 29
2.1.2.
Mô hình hệ thống OFDM ................................................................. 30
2.2. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM .................................................... 44
2.2.1.
Ưu điểm ............................................................................................ 44
2.2.2.
Nhược điểm ...................................................................................... 45
CHƯƠNG 3 Mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO.................. 46
3.1. Hệ thống MIMO ................................................................................... 46
3.1.1.
Mô hình hệ thống MIMO ................................................................. 46
3.1.2.
Dung lượng hệ thống MIMO............................................................ 47
3.2. Mã hóa không gian-Thời gian STC...................................................... 53
3.2.1.
Mã hóa không gian thời-gian khối STBC ........................................ 53
3.2.2.
Mã hóa không gian-thời gian lới STTC ........................................... 61
3.2.3.
Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST........................................ 64
CHƯƠNG 4
Mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM ......... 80
4.1. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM ........................................................ 80
4.2. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ........................................ 82
4.3. Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST ...................................... 86
CHƯƠNG 5 Xây dựng hệ thống truyền thông giữa hai máy tính sử dụng công
nghệ MIMO-OFDM ............................................................................................ 91
5.1. Mô tả hệ thống...................................................................................... 91
5.2. Giao diện hệ thống ............................................................................... 91
5.2.1.
Giao diện phía phát ........................................................................... 91
5.2.2.
Giao diện thu .................................................................................... 93
5.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 94
Kết luận và hướng phát triển đề tài ..................................................................... 98
Tài Liệu Tham Khảo ......................................................................................... 101
2
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài luận văn “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng
thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM” là đề tài do tôi độc lập nghiên cứu.
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà nội, tháng 9 năm 2013
NGÔ MINH QUANG
3
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS. Nguyễn Quốc Khương đã tận
tình hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ em trong suốt quá trình, nghiên cứu để hoàn thành
bản luận văn này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện Điện tử Viễn thông,
Viện Sau Đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho em trong quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn.
Đồng thời em cũng xin được gửi lời cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã
tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn.
Tuy đã rất cố gắng, nhưng luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự
góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 27 tháng 9 năm 2013
Người viết
Ngô Minh Quang
4
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A/D
Analog to Digital
AFC
Auto-Correlation Function
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
AEX
Average Excess Delay
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BER
Bit Error Rate
BLAST
Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
BPF
Band Pass Filter
BPSK
Binary Phase Shift Keying
BS
Base Station
CDM
Code Division Multiplexing
CSI
Channel State Information
D/A
Digital to Analog
DAB
Digital Analog Broadcasting
D-BLAST
Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
DFT
Discrete Fourier Transform
DPSK
Differential Phase Shift Keying
DVB -H
Digital Video Broadcasting - Handheld
DVB -T
Digital Video Broadcasting – Terrestrial
FDM
Frequency Division Multiplexing
FEC
Forward Error Correction
FFT
Fast Fourier Transform
FIR
Finite Impluse Response
HDSL
Hight-bir-rate Digital Subscriber Line
HiperLAN2
High Performance Radio Local Area Network Type 2
ICI
InterCarrier Interference
5
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
I.I.D
Independent and Identically Distributed
ISI
InterSymbol Interference
LAN
Local Area Network
LOS
Light Of Sight
LPF
Low Pass Filter
MIMO
Multiple Input Muliple Output
MISO
Multiple Input single Output
ML
Maximum Likelihood
MMSE
Minimum Mean Sqare Error
MMSE-IC
MMSE-Interference Cancellation
MS
Mobile Station
NLOS
Non Light Of Sight
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P/S
Parallel to Serial
PAPR
Peak to Average Power Ratio
Probability Density Function
QAM
Quadrature Amplitute Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RF
Radio Frequency
SIMO
Single Input Multiple Output
SISO
Single Input Single Output
S/P
Serial to Parallel
SINR
Signal to Interference plus Noise Ratio
SC
SingleCarrier Communication
6
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
STBC
Space-Time Block Code
STMLD
Space-Time Maximum Likelihood Decoder
TGn
Task Group N
V-BLAST
Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time
WSSUS
Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter
ZF
Zero-Forcing
ZF-OIC
Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation
7
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng ........................................13
Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian. ................................14
Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh truyền .....................................................................15
Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L đường.................................................................16
Hình 1.5 Kênh truyền thay đổi thao thời gian ...............................................................19
Hình 1.6 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean ......................................................23
Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh ...........................................................................24
Hình 1.8 Phân loại hệ thống thông tin không dây .........................................................26
Hình 2.1 Ba tín hiệu sin trực giao..................................................................................29
Hình 2.1 cho ta thấy phổ của tín hiệu xsymbol(t) .............................................................30
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...........................................................................30
Hình 2.3 Bộ S/P và P/S..................................................................................................31
Hình 2.4 Bộ Mapper và Demapper................................................................................32
Hình 2.5 Bit và Symbol .................................................................................................33
Hình 2.6 Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK .............................................................34
Hình 2.7 Sơ đồ điều chế và giải điều chế DBPSK ........................................................35
Hình 2.8 Giản đồ chồm sao QAM ................................................................................35
Hình 2.9 Bộ IFFT và FFT..............................................................................................36
Hình 2.10 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal .............................37
Hình 2.11 Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading .........................38
Hình 2.12 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ ...............................................................39
Hình 2.13 Bộ A/D và D/A ............................................................................................41
Hình 2.14 Bộ Up-Converter và Down-Converter .........................................................42
Hình 2.15 Bộ Equalizer miền tần số..............................................................................44
Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO .......................................................46
Hình 3.2 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song .................................................47
Hình 3.3 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương...........................49
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu .................................50
Hình 3.5 Định lý Waterfilling .......................................................................................51
8
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Hình 3.6 Phân phối công suất khi SNR cao ..................................................................51
Hình 3.7 Phân phối công suất khi SNR thấp .................................................................52
Hình 3.8 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ..................................................54
Hình 3.9 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti ...............................................54
Hình 3.8 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu .................................................58
Hình 3.9 Sơ đồ mã lưới .................................................................................................62
Hình 3.10 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2..................................................................63
Hình 3.11 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 .................................63
Hình 3.12 Hệ thống V-BLAST .....................................................................................65
Hình 3.13 Máy thu V-BLAST Zero-forcing .................................................................71
Hình 3.14 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu ...................................72
Hình 3.15 Máy thu V-BLAST MMSE ..........................................................................78
Hình 4.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM ..................................................................80
Hình 4.2 Ma trận kênh truyền.......................................................................................82
Hình 4.3 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti ...............................................................82
Hình 4.4 Máy thu MIMO-OFDM Alamouti ................................................................83
Hình 4.5 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST ...............................................................87
Hình 4.6 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST .................................................................89
Hình 4.7 ZF/MMSE Decoder ........................................................................................90
Hình 5.1 Giao diện hệ thống phát .................................................................................92
Hình 5.2 Giao diện hệ thống thu ..................................................................................93
Hình 5.3 Hệ thống hoạt động tại phía phát....................................................................95
Hình 5.4 Kết quả tại phía thu với SNR = 30dB.............................................................96
Hình 5.5 Kết quả tại phía thu với SNR = 10dB.............................................................97
9
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, mạng thông tin vô tuyến ngày
càng phát triển. Bên cạnh đó là nhu cầu sử dụng thông tin vô tuyến băng rộng của con
người ngày càng tăng đồi hỏi phải có các kỹ thuật mới đưa vào ứng dụng để đáp ứng
nhu cầu ngày càng tăng của con người. Kỹ thuật MIMO hiện nay là kỹ thuật phổ biến
được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến mạng băng rộng như hệ thống
WIMAX, Wifi, công nghệ LTE... Do tài nguyên vô tuyến là hữu hạn, vì thế việc
nghiên các giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông trong hệ thống MIMO,
MIMO-OFDM là cần thiết và cấp bách.
2. Lịch sử nghiên cứu
Đến thời điểm hiện tại đã có nhiều tổ chức nghiên cứu trong nước và nước
ngoài thực hiện nghiên cứu về đối tượng này
Đã có những tài liệu được xuất bản hay các cộng cộng khoa học chia sẽ ý tưởng
và phương pháp ứng dụng mã hóa không gian thời gian vào trong hệ thống MINO,
MIMO-OFDM. Mặc dù vậy để tài này vẫn đang tiếp túc được nghiên cứu để tìm ra các
giải pháp và thuật toán hiệu quả nhất
Đề tài luận văn này hoàn toàn độc lập với các công trình nghiên cứu nêu trên,
tác giả chỉ sử dụng các công trình nghiêm cứu đó như tư liệu tham khảo trong quá
trình hoàn thiện luận văn của mình.
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
-
Nghiên cứu các đặc điểm hệ thống MIMO và các giải pháp thuật toán nhằm
nâng cao dung lượng hệ thống.
-
Xây dựng hệ thống truyền thông giữa hai máy tính sử dụng công nghệ MINOOFDM
4. Tóm tắt các điểm cơ bản của luận văn.
-
Nghiên cứu đặc điểm các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyền dẫn vô
tuyến
10
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
-
Nghiên cứu các đặc điểm kênh MIMO, mô hình kênh và các yếu tố tác động
lên kênh MIMO
-
Chỉ ra ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM
-
Nghiên cứu các thuật toán mã hóa không gian thời gian nhằm nâng cao hiệu
quả sử dụng băng thông và ứng dụng trong kỹ thuật MIMO, MIMO-OFDM
-
Xây dựng chương trình truyền thông giữa hai máy tính để kiểm nghiệm lý
thuyết
5. Phương pháp nghiên cứu.
-
Thu thập tài liệu phục vụ mục đích nghiên cứu thông qua các báo cáo khoa học,
các bài viết cả các tác giả khác nhau trên các diễn đàn khoa học công nghệ
-
Kế thừa kết quả nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trước
-
Phân tích, tổng hợp đánh giá ưu nhược điểm các hệ thống và giải thuật để đưa
ra giải pháp ứng dụng mã hóa không gian thời gian cho hệ thống MIMO,
MIMO-OFDM
-
Xây dựng hệ thống truyền dẫn thực tế sử dụng lý thuyết đã nghiêm cứu để kiểm
tra khả năng áp dụng thực tế và tính thực tiễn của đề tài luận văn
11
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
CHƯƠNG 1
Đặc điểm môi trường truyền dẫn sóng vô tuyến và mô
hình kênh truyền
1.1.
Đặc điểm của môi trường truyền sóng vô tuyến
1.1.1. Suy hao đường truyền
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi
hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất.
Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay
cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ
được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Khi
chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới
dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó
do ta thiết kế.Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay
nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình
(1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R
⎛ λ ⎞
PR = PT G T G R ⎜
⎟
⎝ 4πR ⎠
2
(1.1)
PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
G R : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát
λ : bước sóng của sóng mang
Hoặc có thể viết lại là:
2
2
PT ⎛ 4πR ⎞ 1 1
⎛ 4π ⎞ 2 2 1 1
=⎜
=⎜
⎟
⎟ R f
PR ⎝ λ ⎠ GT G R ⎝ c ⎠
GT G R
(1.2)
Gọi L pt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do :
L pt (dB ) = PT (dB) − PR (dB )
= −10 log10 GT − 10 log10 G R + 20 log10 f + 20 log10 R − 47.6dB
(1.3)
12
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Nói chung ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các tuyến
thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các tuyến liên lạc
vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên
mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp
hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh
truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được
thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:
L pt = −10 log10 GT − 10 log10 G R − 20 log10 hBS − 20 log10 hMS − 40 log10 R (1.4)
Với hBS , hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di
động MS (Mobile Station).
1.1.2. Hiện tượng Multipath-Fading
Tín hiệu truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm
vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên,
sông,… gây ra các hiên tượng sau đây
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng
Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng (hình 1.1a).
• Tán xạ (scattering): khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các
vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (hình 1.1b).
• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn
nhiều chiều dài bước sóng (hình 1.1c).
13
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao
này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và
theo các đường dài ngắn khác nhau nên
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa
các thành phần này khác nhau.
• Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là
khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao
• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số
(frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective
fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm
(slow fading channel). Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có
phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh
hay Rice
Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian.
14
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Hinh 1.2 mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời
gian, khi ta lần lược phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác
nhau, tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm
xung kích khác nhau.
1.1.3. Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không
bằng phẳng trong một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh
truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc
tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu trong toàn
khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền
không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng
(flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng,
không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn
lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vô tuyến đều không
thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần số vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể
xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó
Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh truyền
15
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có
băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ
khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng.
Trên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định lượng thông
số của kênh truyền.
Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L đường
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình
1.4 (chưa tính đến nhiễu) có dạng
y (t ) =
L
∑α
i =1
Với
i
x (t − τ i )
(1.5)
α i = α i (t )∠φi (t ) hệ số suy hao biên độ và xoay pha
τ i = τ i (t )
thời gian trễ có giá trị thực.
Tổng quát tín hiệu tới máy thu có dạng sau
+∞
y (t ) =
∫ x(t − τ ).h(t ,τ )dτ = x(t ) * h(t ,τ )
(1.6)
−∞
16
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Với h (t , τ ) là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền.
L
h(t ,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )]
(1.7)
i =1
Từ (1.7) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian
+∞
H (t , f ) = ∫ h(t ,τ )e − j 2πfτ dτ
(1.8)
−∞
Mỗi kênh truyền đều có đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc trưng
bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function)
[
] [
]
Rh (t1 , t2 ,τ 1 ,τ 2 ) = E h* (t1 ,τ 1 ).h(t2 ,τ 2 ) = E h* (t1 ,τ 1 ).h(t1 + ∆t,τ 1 + ∆τ )
E [ f ( x)] =
(1.9)
+∞
∫ f ( x). p ( x)dx
x
(1.10)
−∞
Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1 , t 2 ,τ 1 ,τ 2 ) nên để đơn
giản trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và
không tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter).
WSS : quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào ∆t = t 2 − t1
US: các thành phần phản xạ độc lập nhau
Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:
Rh (t1 , t1 + ∆t , τ 1 , τ 1 + ∆τ ) = Rh (∆t , τ ) = Ph (∆t , τ 1 )δ (τ 1 − τ 2 )
(1.11)
Với Ph (∆t ,τ 1 ) là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)
Khi ∆t = 0 , Ph (τ ) = Ph (∆t ,τ ) được gọi là profile trễ công suất (Power Delay
Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất
trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do đó công suất ra của tín hiệu được
tính theo công thức
+∞
P=
∫P
H
(τ )dτ
(1.12)
−∞
Lấy biến đổi Fourier (1.11) ta được
17
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
+∞
RH (∆t , ∆f ) =
∫R
H
(∆t ,τ )e − 2πfτ dτ
(1.13)
−∞
Ta sẽ dùng công thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency
Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh
truyền biến đổi nhanh (Fast Fading) hay biến đổi chậm (Slow Fading)
Nếu
∆t = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa
các khoảng tần số ∆f của kênh truyền
+∞
R H ( ∆f ) = R H (0, ∆f ) =
∫R
h
(τ )e − j 2π∆fτ dτ
(1.14)
−∞
Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số (∆f ) C tại đó tỉ số
RH (∆f )
xấp xỉ 1. Tức
RH (0)
là đáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng (∆f ) C .
Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith.
• Nếu kênh truyền có (∆f ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được
truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy
selective channel). Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm
trọng.
• Nếu kênh truyền có (∆f ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được
truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số
(frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel).
Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường được dùng khi
xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới
hạn trung bình TAEX ( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng
τ RMS
(RMS delay spread) của kênh truyền
L
TAEX =
∑τ
k =1
L
k
.Pk
∑ Pk
(1.15)
k =1
18
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
L
τ RMS =
∑ (τ
k =1
k
− TAEX ) 2 .Pk
L
∑P
k =1
Với
(1.16)
k
Tk thời gian trễ của bản sao thứ k
Pk là công suất của bản sao thứ k
Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τ RMS so sánh được với Tsymbol
1.1.4. Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm
Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu
trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi
theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật thể
mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có
thể được xây dựng thêm hay bị phá hủy đi… Hình 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu
được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi tức là kênh
truyền đã thay đổi theo thời gian.
Hình 1.5 Kênh truyền thay đổi thao thời gian
Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ
mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền
một kí tự Tsymbol , thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian
(time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading
channel), ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh
truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel),
19
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel). Môi trường trong nhà ít thay đổi
nên có thể xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên thay đổi nên được
xem là fast fading. Trong các cell di động, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển
sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian,
tức là địa hình thay đổi liên tục. Điều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay
đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại
máy thu một lượng tần số
∆f = ± f 0
Với
v
c
(1.17)
f0 là tần số tại máy phát
v là vận tốc của thuê bao MS
c là vận tốc ánh sáng
MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại
Sau đây ta sẽ xét kĩ hơn các thông số xác định kênh truyền là slow fading hay
fast fading
Từ (1.13) nếu
∆f =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả
tương quan giữa các khoảng thời gian ∆t của kênh truyền
+∞
R H ( ∆t ) =
∫ R ( ∆t , τ ) dτ
(1.18)
h
−∞
Phổ công suất Doppler được định nghĩa là biến đổi Fourier của RH (∆t )
+∞
DH ( f ) =
− j 2πf∆t
∫ R H ( ∆ t ) e d∆ t
+∞
⇔
−∞
R H ( ∆t ) =
∫D
H
( f )e + j 2πf∆t df (1.19)
−∞
Mọi kênh truyền đều có một khoảng thời gian (∆t) C tại đó
R H (∆t )
xấp xỉ 1. Tức
R H ( 0)
là đáp ứng của kênh truyền được xem là biến đổi không đáng kể trong khoảng (∆t) C .
Khoảng thời gian đó được gọi là Coherence time
20
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
• Nếu kênh truyền có (∆t) C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc
thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel).
• Nếu kênh truyền có (∆t) C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự Tsymbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không
chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow
channel).
1.1.5. Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
Tùy theo địa hình giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại
đường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS là đường mà ánh sáng có thể
truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bị cản trở). Nếu kênh truyền không
tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh được đường bao tín
hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh
truyền Rayleigh fading. Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các
thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ. Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là
thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng NLOS
(NonLight Of Sight) không đóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng quá
xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố
Rice nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Ricean fading.
Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng
y (t ) =
L
∑α
i =1
i
x (t − τ i )
Các hệ số suy hao α i là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng :
α = α r (t ) + jα i (t ) = α (t )e jφ (t )
Biên độ
α (t ) = α r2 (t ) + α i2 (t )
Góc pha
φ (t ) = tg −1
α i (t )
α r (t )
(1.20)
(1.21)
(1.22)
21
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Nếu có nhiều bản sao tín hiệu đến từ rất nhiều đường khác nhau tại máy thu, thì
ta có thể áp dụng thuyết giới hạn trung tâm (central limit theorem), khi này có thể xem
các hệ số α r (t ) và α i (t ) là các quá trình ngẫu nhiên Gauss
Nếu α r (t ) và α i (t ) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì
•
α (t )
sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh
p(a) =
a
σ
2
.e
−
a2
2σ 2
0≤α ≤ ∞
(1.23)
phương sai của quá trình Gauss
σ 2 = var(α r (t )) = var(α i (t )) .
•
φ (t ) = tg −1
(1.24)
α i (t )
có phân bố trong khoảng [0,2 π ]
α r (t )
(1.25)
ta có kênh truyền Rayleigh fading.
Nếu α r (t ) và α i (t ) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì
•
α (t )
sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice
α
⎛ αA ⎞ −
p(a) = 2 .I 0 ⎜ 2 ⎟e
σ
⎝σ ⎠
α 2 + A2
2σ 2
0≤α ≤ ∞
I0(x) là hàm Bessel loại 1 bậc 0: I 0 ( x) =
(1.26)
1
2π
2π
∫e
x cos θ
dθ
(1.27)
0
A2 là công suất của đường LOS của kênh truyền.
Đặt K =
A2
, K gọi là hệ số Ricean. K = 0 tương ứng A = 0 hàm phân bố
2σ 2
Ricean trở thành hàm phân bố Rayleigh. Hình 1.6 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF
Rayleigh (K = 0 hay K = − ∞ [dB]) và Ricean với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB].
22
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Hình 1.6 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean
1.2.
Các phương thức ghép kênh
Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do đó nó cần sử dụng thật
hiệu quả. Dải tần số này được quy định chặt chẽ và được phân bố một cách giới hạn
cho từng mục đích cụ thể như thông tin di động, phát thanh, truyền hình … Vì vậy các
phương thức ghép kênh không ngừng được nghiên cứu và phát triển để có thể sử dụng
hiệu quả kênh truyền vô tuyến. Có bốn phương thức ghép kênh là FDM, TDM, CDM,
và OFDM.
a) FDM
b) TDM
23
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống MIMO, MIMO-OFDM
Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh
1.2.1. Ghép kênh theo tần số FDM
Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra đời đầu tiên, với ý tưởng
là một băng thông lớn sẽ được chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn không chồng
lấn, giữa các khoảng tần này cần có một khoảng bảo vệ để có thể sử dụng bộ lọc lọc
lấy khoảng tần mong muốn (hình 1.7a) . Mỗi kênh dữ liệu sẽ chiếm một tần số với
băng thông nhỏ này và toàn trục thời gian dù có sử dụng hay không sử dụng, điều này
dẫn đến lãng phí băng thông. Đây là phương thức sử dụng sớm nhất, lâu nhất và kém
hiệu quả nhất. FDM được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống mircowave, phát
thanh quảng bá AM, FM. Hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin di động thế hệ thứ nhất
1.2.2. Ghép kênh theo thời gian TDM
Kỹ thuật TDM ( Time Division Multiplexing) ra đời với hiệu suất sử dụng kênh
truyền cao hơn. Với TDM trục tần số được chia thành nhiều khe thời gian ( time slot).
Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng thời gian nhất
định (hình 1.7b). Luồng bit tốc độ thấp của mỗi kênh sẽ được ghép lại thành một luồng
bit tốc độ cao duy nhất, và đưa lên kênh truyền. Do đó TDM cần sự đồng bộ chính xác
để có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu. TDM được sử dụng khá phổ biến
trong các hệ thống thông tin số.
Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz được chia thành 125 kênh với băng
thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM. Mỗi kênh 200KHz này được chia
24
