KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG MIMO và OFDM dùng MATLAB (có code đầy đủ)

ĐỒ ÁN 3

KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG
MIMO-OFDM

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A/D

Analog to Digital

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BLAST

Bell-Laboratories Layered Space-Time Code

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDM

Code Division Multiplexing

CP

Cyclic Prefix

D/A

Digital to Analog

DFT

Discrete Fourier Transform

FDM

Frequency Division Multiplexing

FEC

Forward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transform

ICI

InterCarrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

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

MS

Mobile Station

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio

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

SC

Single Carrier Communication

STBC

Space-Time Block Code

V-BLAST

Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time


ĐỒ ÁN 3
Trang 6/36

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDM

1.1 Tổng quan hệ thống MIMO
1.1.1 Mô hình hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy
phát và máy thu như ở Hình 1.1. Chuỗi tín hiệu phát {b k } được mã hóa theo cả hai

miền không gian (theo hướng các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không
gian thời gian (STE: Space-Time Encoder). Tín hiệu sau khi được mã hóa không
gian-thời gian (KG-TG) {sk } được phát đi nhờ N anten phát. Máy thu sử dụng phân
tập thu với M anten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N
đầu vào và M đầu ra, và vì vậy, được gọi là kênh MIMO M × N.

{bˆ }

{bk }

k

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống MIMO điển hình

[4]

Ưu điểm của hệ thống MIMO
Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng
1.1.1.1

cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.
Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ
thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống.
Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian.
Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông.
1.1.1.2

Khuyết điểm của hệ thống MIMO

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

ĐỒ ÁN 3
Trang 7/36

Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.
Kích thước của thiết bị di động tăng lên.
Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng
tần.
Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO.
1.1.2 Sơ lược phân tập
Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu bằng cách sử dụng hai hay
nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác nhau. Phân tập có vai trò quan
trọng trong chống fading, nhiễu đồng kênh, lỗi chùm. Kỹ thuật phân tập có thể sử
dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi phân tập. Độ lợi phân tập là sự
tăng của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập hoặc có thể tính là sự rút gọn của
công suất phát khi có phân tập.
Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập
không gian.
Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Sau đây ta sẽ so
1.1.1.3

sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền
rất nhỏ.

Hình 1.2: Phân tập theo thời gian

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

[5]


ĐỒ ÁN 3
Trang 8/36

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x 2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ
xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục
hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.
Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua
những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan
với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh
truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading.

1
c
=
f d v. f c .
Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ
lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động, mã
điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong trường
hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền
thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định
bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời
gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả
trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối
với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn
đáng kể.
Phân tập tần số
Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tin. Các tần số cần

1.1.1.4

dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với các
tần số còn lại. Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo
đặc tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau. Trong thông tin
di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong
miền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng
mang, nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ.
Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ
đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol. Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 9/36

quả để tạo ra phân tập tần số. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây
ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số.
1.1.1.5 Phân tập không gian
Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp

xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập. Khoảng cách
yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần số. Khoảng cách
điển hình khoảng vài bước sóng.
Phân tập không gian không gây tổn thất trong sử dụng hiệu quả băng tần như
phân tập thời gian.

H11
H12

Y2(nT)
Y1(nT)

x(nT)

combination

x(nT)

~
x

x’(nT)

Tín hiệu vào

Hình 1.3: Mô hình phân tập không gian

[5]

Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten.
Phân tập không gian gồm có:
Phân tập phân cực
Trong phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang được phát
bằng hai anten phân cực khác nhau và cũng thu bằng 2 anten phân cực khác nhau.
Điều đó đảm bảo tạo ra 2 tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặt hai
anten cách xa nhau.
Phân tập anten phát
Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

ĐỒ ÁN 3
Trang 10/36

Trong phân tập phát, nhiều anten đựơc triển khai ở vị trí máy phát. Tin được xử
lí ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.
Phân tập anten thu
Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc
lập của tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và
giảm fading nhiều đường.
1.1.3 Các phương pháp truyền dẫn
Để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO hiệu quả có thể ứng dụng trong thực
tế, các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương
pháp truyền dẫn thỏa mãn được sự cân bằng giữa độ lợi thu được từ kênh MIMO
và độ phức tạp cần thiết. Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thành
hai nhóm sau: Phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing)
và mã hóa không gian thời gian (STC: Space-Time Coding).
1.1.1.6

Phân kênh theo không gian

Hình 1.4: Sơ đồ phân kênh theo không gian

[4]

Ở sơ đồ phân kênh theo không gian, dòng dữ liệu phát, sau khi được ánh xạ thành
các dấu (symbol) của một bộ tín hiệu (constellation) được phân (DEMUX) thành N
luồng song song và truyền đồng thời qua N anten phát. Vì vậy, tốc độ truyền dẫn
tăng N lần so với hệ thống sử dụng một anten phát, một anten thu (SISO) thông

thường. Tuy nhiên, do các luồng dữ liệu thu được tại máy thu bị nhiễu lẫn nhau nên
tăng số lượng anten phát N đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồng kênh giữa các
luồng tín hiệu, và vì vậy làm tăng BER. Để giảm nhỏ BER của hệ thống máy thu sử

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 11/36

dụng M ≥ N anten và một bộ tách tín hiệu hiệu quả để thực hiện tách riêng từng
luồng tín hiệu.
Mã hóa không gian-thời gian
Mã hóa không gian-thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập
1.1.1.7

phát. Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong cả
hai miền không gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật
tách tín hiệu ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa.
Mã không gian-thời gian có thể được phân loại thành hai loại: mã khối không gianthời gian (STBC: Space-Time Block Code) và mã lưới không gian-thời gian
(STTC: Space-Time Trellis Code). Mã STBC có ưu điểm thiết kế và giải mã đơn
giản. Tuy nhiên, mã STBC lại chỉ cung cấp độ lợi phân tập phát mà không cung
cấp độ lợi mã hóa. Ngược lại, mã STTC cho phép thu được cả độ lợi phân tập và
mã hóa, nhưng việc thiết kế và giải mã lại phức tạp.
1.2 Tổng quan kỹ thuật OFDM
1.1.4 Giới thiệu
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành
nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên một
sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau. Sau đó sóng

mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi.
Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được tách
thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các luồng tín
hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.
Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực giao
với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài
khuyết điểm cần khắc phục.
Ưu điểm của OFDM:
 Giảm nhiễu xuyên kênh.
 Giảm nhiễu xuyên kí tự.

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 12/36

 Hiệu suất sử dụng băng thông cao.
 Hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.
Khuyết điểm của OFDM:
 Kí tự symbol OFDM bị nhiễu biên độ trong một khoảng động rất lớn. Vì tỷ số
PAPR (Peak to Average Power Ratio) cao của OFDM. Dễ gây nhiễu xuyên điều
chế.
 Méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng do rút ngắn
(clipping) tín hiệu.
 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống
đơn sóng mang con khác. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng
mang con trực giao và gây ra nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động cho các bộ điều
chế một cách trầm trọng. Vì vậy đồng bộ là một vấn đề cực kì cần thiết đối với bộ
thu OFDM.

1.1.5 Kỹ thuật OFDM

Hình 1.5: Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

[6]

Khối S/P (Serial to Parallel ) và P/S (Parallel to Serial )
Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít nối tiếp đầu vào thành các luồng bít
1.1.1.8

song song. Các luồng bít song song phụ thuộc số sóng mang con và phương pháp

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 13/36

điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu một cách hợp lý. Tuy nhiên để tránh hiện
tượng lỗi chùm do nhiễu tác động người ta phân bổ luồng tín hiệu một cách ngẫu
nhiên lên các sóng mang.

Hình 1.6: Khối S/P

[6]

Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp.

Hình 1.7: Khối P/S
1.1.1.9

[6]

Khối mã hóa và sắp xếp

- Mã hóa kênh
Trong OFDM người ta thường sử dụng mã sữa lỗi FEC (Forward Error Correction).
Nguyên tắc của FEC là người ta gửi thêm thông tin trùng lặp vào trong thông điệp
gửi đi, điều đó cho phép người nhận có thể tự kiểm tra và sửa lỗi (nếu có) gây ra do

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 14/36

kênh truyền. FEC có hai loại chính: mã hóa khối và mã hóa chập. Đồng thời để
tránh hiện tượng lỗi chùm trong OFDM người ta còn sử dụng kỹ thuật xen kẽ IL
(interleaving) để chuyển các lỗi chùm thành các lỗi ngẫu nhiên đơn giản có thể sửa
lỗi. Phương pháp IL thực chất là đưa luồng bit vào theo hàng và lấy ra theo cột.
- Sắp xếp và điều chế
+ Sắp xếp
Sau khi được mã hóa các luồng bit được sắp xếp thành các nhóm bít để chuẩn bị
cho việc điều chế MPSK, MQAM...
Nhóm bít

Dạng điều chế

An,bn

1

BPSK

±1
±1

2

QPSK

4

16QAM

±1, ± 3

8

64QAM

± 1, ± 3 , ± 5 , ± 7

Bảng 1.1: Dạng điều chế

+ Điều chế
Trong OFDM người ta thường sử dụng BPSK, QPSK, 4QAM, 16QAM, 64QAM
cho việc điều chế tín hiệu.
Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) điều chế pha nhị phân, là kỹ thuật
điều chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1

tương ứng sóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại).

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 15/36

Hình 1.8: Điều chế PSK

[6]

QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa
2 bit thành 1 symbols.

Hình 1.9: Điều chế QPSK

[6]

QAM (Quadrature Amplitude Modulation ) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ
của tín hiệu. Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành
phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit. Tại phía thu, tín hiệu thu được
bị tác động của nhiễu trên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị
thay đổi và được biểu diễn trên chòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 16/36

một lượng nhất định. Máy thu sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách
đến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhất bằng một bộ so sánh.
Dựa vào việc điều chế các mức tương ứng ta có 4QAM, 8QAM, 16QAM,
64QAM...
Số mức điều chế lớn thì lượng tin được chuyển tải càng nhiều, nên việc sử dụng
băng thông hiệu quả hơn. Tuy nhiên sử dụng càng nhiều mức thì lỗi bit càng cao.

Hình 1.10: Sơ đồ chòm sao QPSK, 16QAM, 64QAM
1.1.1.10 Khối

[6]

chèn pilot

Khối chèn pilot thực hiện chèn các kí hiệu pilot vào tín hiệu trước khi truyền đi. Các
kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết được tình trạng của kênh truyền, cùng với các
tham số của máy phát. Nhờ đó mà máy thu có thể cân bằng và ước lượng kênh
truyền.

Hình 1.11: Vị trí phổ của sóng mang pilot
1.1.1.11 Khối

FFT và IFFT

- Nhiệm vụ chính

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

[6]

ĐỒ ÁN 3
Trang 17/36

Kỹ thuật đa sóng mang gặp rất nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết lập các
sóng mang khác nhau để phát đi. Và khối FFT, IFFT được xem như là giải thuật
hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi dữ liệu được
thiết lập một biên độ và pha tương ứng. Điều này cho thấy tín hiệu phát đang ở
miền tần số vì vậy khối IFFT được sử dụng để chuyển tín hiệu sang miền thời gian
để phát đi. Thông qua đó các chuổi dữ liệu được gán một tần số sóng mang sao cho
chúng trực giao nhau.
- Phương pháp tiến hành
Chuổi dữ liệu sau khi ra khỏi khối Signal Mapper được đưa vào IFFT

1
x ( n) =
N

N −1

∑ X (k ).e

j

2π
kn
N

k =0

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau
Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền thần số tương
ứng. Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để đưa vào
khối Signal Demapper
Ta có công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm :
Biến đổi IDFT:

x(t ) =

1
N

N −1

∑ X (k )W
k =0

− kn
N

N −1

Biến đổi DFT:

X (k ) = ∑ x(n)W Nkn

n = 0,1,2,..., N − 1
k = 0,1,2,..., N − 1

n=0

Hình 1.12: Bộ điều chế OFDM
1.1.1.12 Khối

chèn bảo vệ

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

[6]


ĐỒ ÁN 3
Trang 18/36

kí tự i-1

kí tự i

Hình 1.13: Chèn khoảng bảo vệ vào OFDM

kí tự i+1
[1]

Chèn bảo vệ (CP) nhằm mục đích khoảng kéo dài của mỗi OFDM lớn hơn trải trễ
cực đại của kênh đa đường, đồng thời giữ nguyên tính trực giao giữa các sóng mang
con trong ký hiệu OFDM. CP là bảng sao chép đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu
OFDM, được ghép vào đầu của nó để đảm bảo các sống mang con thành phần có
tính tuần hoàn. Điều này giúp cho hệ thống có khả năng chống ISI và ICI rất tốt.
Ngoài ra kỹ thuật này còn có tác dụng tốt trong việc thực hiện đồng bộ.

Mặc dù việc chèn CP vào chuỗi kỹ thuật OFDM truyền đi làm giảm hiệu suất tín
hiệu, song những lợi ích to lớn mà nó đem lại khiến cho việc sử dụng kỹ thuật này
rất phổ biến trong thực tế.
1.1.1.13 Khối

D/A - Up converter và khối A/D - Down converter
Chuỗi ký hiệu rời rạc sau khi được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi
từ số sang tương tự để xử lý đưa lên tần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ
tín hiệu ra ngoài không gian. Ở phía thu, tín hiệu OFDM được thu từ anten sẽ được
đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp. Và được đưa vào bộ biến đổi tương tự sang số
chuẩn bị cho việc xử lý.
1.1.1.14 Khối

ước lượng kênh truyền
Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm
truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên
phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh,
phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường. Trong phương pháp
này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và
biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 19/36

biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể
được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì
các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các

đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng.
1.3 Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM
1.1.6 Giới thiệu
Hệ thống MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin,
giảm công suất phát. Còn kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tin
trong môi trường không dây. Hệ thống MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹ
thuật MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chất
lượng thông tin trao đổi là tốt nhất.
Có nhiều loại hệ thống MIMO-OFDM, tùy vào từng kỹ thuật MIMO mà chúng ta
có các hệ thống khác nhau, như: hệ thống MIMO-OFDM mã hoá không gian_thời
gian, hệ thống MIMO-OFDM ghép kênh không gian. Mỗi hệ thống có những ưu
điểm và hạn chế riêng, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu kinh tế mà ta sử dụng
các hệ thống thích hợp.

Hình 1.14: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM

1.1.7 MIMO-OFDM Tx

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

[5]


ĐỒ ÁN 3
Trang 20/36

Hình 1.15: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM

[5]

Luồng dữ liệu được mã hoá bởi bộ mã hoá FEC.
Luồng dữ liệu mã hoá đó được ánh xạ qua bộ constellation bởi bộ điều chế và
mã hoá MIMO.
Mỗi luồng symbol đầu ra tương ứng với một anten phát Tx và chịu sự xử lí
OFDM của anten đó:
Chèn thêm chuỗi pilot vào.
Điều chế bởi bộ IFFT.
Cuối cùng luồng dữ liệu được chuyển đến IF/RF cho anten phát.
1.1.8 MIMO_OFDM Rx

Hình 1.16: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM

[5]

Đầu tiên, các luồng dữ liệu nhận được từ anten thu Rx được đồng bộ.
Sau đó Preambles và CP được tách ra từ luồng Rx nhận được. Phần tín hiệu
còn lại sau khi tách ra là một kí tự OFDM được giải điều chế bằng bộ FFT.

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 21/36

Pilot tần số được được tách ra từ symbol OFDM giải điều chế và được sử
dụng cho việc ước lượng kênh. Ma trận ước lượng kênh được thêm vào trong bộ
giải mã MIMO.
Các symbol được tổng hợp, giải điều chế và giải mã để tạo ra luồng dữ liệu
phát ban đầu.
1.4 Kết luận

Chương đã đưa ra các khái niệm cơ bản và chức năng các khối trong hệ thống
MIMO, kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO-OFDM. Kỹ thuật OFDM có rất nhiều
ưu điểm trong hệ thống ngày nay, tuy nhiên nó vẫn còn một số nhược điểm cần phải
khắc phục. Một trong những hạn chế đó là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung
bình (PAPR) cao. Trong chương sau sẽ tìm hiểu rõ hơn về các kỹ thuật giảm PAPR
trong OFDM nói riêng và hệ thống MIMO-OFDM nói chung.

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 22/36

CHƯƠNG 2.

KỸ THUẬT GIẢM PAPR TRONG MIMO-OFDM

1.5 Giới thiệu
Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR-Peak to Average Power Ratio), được gọi là
PAPR. Hệ thống OFDM sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa
các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường
bằng cách chia fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng
với các tần số sóng mang OFDM khác nhau.
Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết sự giao thoa giữa
các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các kí hiệu (ISI) do sử dụng CP. Tuy nhiên,
khi symbols OFDM được điều chế bởi sự chồng chất độc lập của nhiều tín hiệu
sóng mang phụ. Pha của mỗi sóng mang phụ khi mà giống hoặc tương tự
nhau…….dẫn đến PAPR cao, trong khi đó dải hoạt động của bộ khuyếch đại công
suất có giới hạn, do đỉnh tín hiệu OFDM lớn nên dễ dàng nằm vào vùng hoạt động
phi tuyến tính của bộ khuyếch đại công suất, điều này làm cho tín hiệu bị suy giảm

nghiêm trọng. PAPR cao là một trong vấn đề cần phải được giải quyết trong hệ
thống OFDM.
1.6 Tìm hiểu PAPR
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (peak to average power ratio) ký hiệu
là PAPR, được định nghĩa như sau:

PAPR =

Pmax
Pav

Trong đó: Pmax là công suất đỉnh được định nghĩa là công suất của một sóng sin có
biên độ bằng với giá trị đường bao lớn nhất. Định nghĩa PAPR được phát biểu trong
một chu kỳ tín hiệu. PAPR thường được tính theo đơn vị dB.

PAPRdB = 10 lg(PAPR)

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 23/36

Hình 2.1: Sự xuất hiện đỉnh vượt trội trong hệ thống đa sóng mang

[2]

Hình 2.1 minh họa sự chồng lấp các tín hiệu sóng mang điều chế tạo nên đỉnh vượt
trội. 4 sóng mang con điều có pha bằng nhau tại thời điểm t=0,23. Tín hiệu OFDM
thu được tại thời điểm này sẽ có đỉnh là 4 lần đỉnh từng tín hiệu riêng lẻ. PAPR

được tính từ tỷ số của công suất đỉnh tức thời này và công suất trung bình của tín
hiệu
Tỷ số PAPR lớn nhất của một hệ thống OFDM có N sóng mang phụ là N. Tuy
nhiên điều này xảy ra khi tất cả sóng mang con bằng nhau về pha và giá trị đỉnh ở
một thời điểm.
1.7 Các kỹ thuật giảm PAPR
Mặc dù có khá nhiều nghiên cứu về vấn để giảm PAPR, tuy nhiên có thể chia các
kỹ thuật giảm PAPR theo ba loại. Loại thứ nhất gọi là kỹ thuật làm méo tín hiệu, kỹ
thuật này làm giảm biên độ đỉnh bằng cách làm méo tại đỉnh hoặc xung quanh đỉnh.
Loại thứ hai là kỹ thuật mã, sử dụng việc đưa thêm một số thông tin hỗ thợ được sử
dụng kết hợp với mã sửa sai vào ký tự OFDM. Hướng thứ ba dựa trên việc xáo trộn
từng ký tự OFDM với các chuỗi xáo trộn khác và chọn chuỗi có PAPR nhỏ nhất.
Sau đây, em sẽ giới thiệu những nét chủ yếu và các đại diện tiêu biểu về các loại kỹ
thuật trên.

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 24/36

1.1.9 Kỹ thuật xén và lọc (Clipping and filtering)
Clipping là kỹ thuật đơn giản nhất để giảm PAPR. Đỉnh đường bao của tín hiệu vào
sẽ bị giới hạn bởi giá trị ngưỡng chỉ định trước.
Tuy nhiên kỹ thuật này gây méo tín hiệu trong băng (méo biên độ), dẫn đến giảm
phẩm chất BER trong hệ thống. Nó còn làm méo phi tuyến trong tín hiệu OFDM
làm tăng đáng kể mức độ bức xạ ngoài băng. Nhưng nếu kỹ thuật cắt được thực
hiện cho các tín hiệu OFDM có oversampling đủ lớn trong miền thời gian rời rạc
trước khi một bộ lọc thông thấp (LPF) và tín hiệu đi qua một bộ lọc dải thông
(BPF), các hiệu suất BER sẽ ít bị suy giảm.

Tín hiệu trước và sau khi xén có biểu thức:

Trong đó :

x là tín hiệu trước khi nén
g là tín hiệu sau khi nén
�(x) là pha của x

Hình 2.2: Sơ đồ khối kỹ thuật xén và lọc

[7]

Hình 2.2 cho thấy một sơ đồ khối của một chương trình giảm PAPR sử dụng kỹ
thuật xén và lọc, trong đó L là yếu tố oversampling và N là số sóng mang con.
Trong sơ đồ này, tín hiệu được tạo ra bằng kỹ thuật IFFT và sau đó được điều chế
với tần số sóng mang, thực hiện quá trình xén để mang lại một tín hiệu dải thông.
1.1.10 Kỹ thuật mã hóa
Trong kỹ thuật mã hóa sẽ chọn codewords có PAPR nhỏ để giảm PAPR cho tín
hiệu phát. Mã tốt nhất sẽ được tìm và lưu trữ trong bảng tra để thực hiện mã hóa và

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 25/36

giải mã. Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào bảng tra sẽ vô cùng phức tạp,
nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang con.
Mã hóa sữa sai có thể được sử dụng như là một phương pháp tối ưu, nó vừa có tác
dụng mã hóa sửa sai và giảm PAPR cho hệ thống.

1.1.11 Kỹ thuật Partial Trangsmit Sequence (PTS)
PTS là 1 phương pháp làm giảm PAPR không làm méo dạng tín hiệu. Ý tưởng
chính của phương pháp này là chia khối dữ liệu ban đầu vào U các khối dữ liệu phụ
Xu, u=1,2,...U. Mỗi sóng mang phụ được biễu diễn lại 1 cách chính xác vào 1 trong
những khối phụ.

Hình 2.3: Sơ đồ khối phương pháp PTS

Kỹ Thuật Giảm PAPR Trong MIMO-OFDM

[2]