Nghiên cứu kỹ thuật Mimo OFDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu kỹ thuật Mimo-OFDM

NGUYỄN THỊ KIỀU OANH
Ngành Điện tử viễn thông

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Đặng Quang Hiếu

Viện:

Điện tử viễn thông

HÀ NỘI, 2020


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 9
CHƯƠNG I: OFDM ...................................................................................................... 11
1.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 11
1.2 Cơ sở lý thuyết OFDM ......................................................................................... 11
1.2.1 Sóng mang trực giao ..................................................................................... 11

1.2.2 Cấu trúc tín hiệu OFDM ............................................................................... 17
1.3 Thu phát tín hiệu OFDM ...................................................................................... 18
1.4 Các thơng số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM .................................. 19
1.4.1 Các thông số trong miền thời gian ................................................................ 19
1.4.2 Các thông số trong miền tần số ..................................................................... 20
1.4.3 Thông lượng kênh ......................................................................................... 20
1.5 Ưu nhược điểm của OFDM ................................................................................. 22
1.6 Kết Luận ............................................................................................................... 23
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO ................................................................................ 24
2.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 24
2.1.1 Khái niệm ...................................................................................................... 24
2.1.2 Mơ hình hệ thống MIMO .............................................................................. 25
2.2 Phân tập không gian ............................................................................................. 27
2.2.1 Tăng ích phân tập .......................................................................................... 27

Page 1


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

2.2.2 Phân tập anten thu ......................................................................................... 28
2.2.3 Phân tập anten phát ....................................................................................... 29
2.2.3.1 Xét hệ MIMO, trường hợp đầu phát không biết kênh truyền .................... 29
2.2.3.2 Xét hệ MIMO, trường hợp đầu phát biết đầy đủ thông tin kênh truyền .... 31
2.3 Độ lợi hệ thống MIMO ........................................................................................ 32
2.4 Mã hóa khơng gian thời gian và các hệ thống nhiều tầng .................................... 33
2.4.1 Mã hóa khơng gian thời gian STC ................................................................ 33
2.4.2 Hệ thống nhiều tầng ...................................................................................... 34
2.5 Ưu nhược điểm hệ thống MIMO ......................................................................... 35

2.6 Kết Luận ............................................................................................................... 36
CHƯƠNG III: HỆ THỐNG MIMO-OFDM .................................................................. 37
3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 37
3.2 Sơ đồ khối bộ thu phát MIMO-OFDM ................................................................ 37
3.3 Mơ hình tín hiệu MIMO đa sóng mang ............................................................... 39
3.4 Ước lượng kênh truyền ........................................................................................ 47
3.5 Dung lượng........................................................................................................... 49
3.6 Một số mơ hình hệ thống MIMO OFDM ............................................................ 49
3.6.1 Mơ hình hệ thống Alamouti .......................................................................... 49
3.6.2 Mơ hình hệ thống MIMO OFDM V-BLAST ............................................... 54
CHƯƠNG IV: GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 59
4.1 Ghép kênh không gian SDM (Space Division Multiplexing) .............................. 59
4.1.1 Giới thiệu....................................................................................................... 59
4.1.2 SDM Turbo ................................................................................................... 62

Page 2


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

4.1.2.1 Bộ giải ánh xạ SDM MAP ......................................................................... 65
4.1.2.2 Các đặc tính EXIT của bộ giải ánh xạ SDM .............................................. 68
4.2 Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM và theo khơng gian mã hóa ......... 73
4.2.1 Mã hóa theo kết nối ....................................................................................... 74
4.2.2 Mã hóa theo anten ......................................................................................... 75
4.3 Sự tách sóng đa luồng cho các hệ thống SDM-OFDM........................................ 78
4.3.1 Các phương pháp tách sóng truyến tính ........................................................ 78
4.3.1.1 Phương pháp tách sóng MMSE ................................................................. 80
4.3.2 Các phương pháp tách sóng phi tuyến .......................................................... 83

4.3.2.1 Phương pháp tách sóng ML ....................................................................... 83
4.3.2.2 Phương pháp tách sóng SIC ....................................................................... 86
4.5 Kết luận ................................................................................................................ 90
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 92

Page 3


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tích phân hai sóng hình sin ........................................................................... 13
Hình 1.2: Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số .................................................. 13
Hình 1.3: Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số ................................................. 14
Hình 1.4: Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số .................... 15
Hình 1.5: Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu
FDM ............................................................................................................................... 16
Hình 1.6: Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con ............................... 16
Hình 1.7:Cấu trúc tín hiệu OFDM ................................................................................. 17
Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ thu phát OFDM ....................................................................... 18
Hình 1.9: Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng sóng mang con......................... 20
Hình 2.1: Hình trực quan của một hệ thống MIMO ...................................................... 24
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống MIMO ............................................................................... 26
Hình 2.3: Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn ......................................................... 32
Hình 2.4: Phân tập khơng gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống ............................... 33
Hình 2.5: Bố cục mã hóa các từ tại phía phát ................................................................ 35
Hình 3.1: Sơ đồ khối máy phát MIMO OFDM ............................................................. 38
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ thu MIMO OFDM .................................................................. 39

Hình 3.3: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti .............................................................. 50
Hình 3.4: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti ................................................................. 50
Hình 3.5: Máy phát MIMO-OFDM VBLAST............................................................... 55

Page 4


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Hình 3.6: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST ................................................................ 57
Hình 3.7: ZF/MMSE Decoder........................................................................................ 58
Hình 4.1: Cấu hình hệ thống SDM Turbo ...................................................................... 63
Hình 4.2: Sơ đồ khối của một bộ ánh xạ và giải ánh xạ SDM ....................................... 64
Hình 4.3: Các đặc tính của bộ giải ánh xạ SDM QPSK hoạt động trong điều kiện
AWGN với các ánh xạ khác nhau, các SRN trên mỗi anten thu, các cấu hình anten
(NtxNr) ........................................................................................................................... 71
Hình 4.4: Các đặc tính của bộ giải ánh xạ SDM QPSK hoạt động trong điều kiện
fading phẳng Rayleigh với các thể hiện khác nhau trên mỗi vecto MIMO, cho các ánh
xạ khác nhau, các SRN trên mỗi anten thu, các cấu hình anten (NtxNr)....................... 72
Hình 4.5: Sơ đồ khối máy phát SDM OFDM mã hóa theo kết nối JC .......................... 74
Hình 4.6: Sơ đồ khối máy thu cho một kiến trúc JC tại bộ phát .................................... 75
Hình 4.7: Sơ đồ khối máy phát SDM OFDM sử dụng phương pháp mã hóa PAC ....... 75
Hình 4.8: Sơ đồ khối máy thu SDM OFDM cho kiến trúc máy thu PAC ..................... 76
Hình 4.9: Máy thu nhiều anten với SIC PAC và OFDM ............................................... 76

Page 5


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM

Nguyễn Thị Kiều Oanh

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog Digital Converter

Biến đổi tương tự - số

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gaussian trắng cộng sinh

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

DAC

Digital Analog Converter

Biến đổi số - tương tự

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

FDM

Frequency Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

HPA

High-Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất lớn

ICI

InterChannel Interference

Nhiễu liên kênh

ISI

Inter- Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

IFFT

Inverse Fast Fourier transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

JC

Joint-Coding

Mã hóa theo kết nối

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

ML

Maximum Likelihood

Khả năng xảy ra tối đa

MLD

Maximum Likelihood Detection

Tách sóng với khả năng xảy ra tối đa

MMSE

Minimum Mean Squared Error

Tối thiểu hóa lỗi trung bình
bình phương

MSE

Mean Square Error

Lỗi trung bình bình phương

MV

Minimum Variance

Phương pháp phương sai tối thiểu

LLR

Log-Likelihood Ratio

Phương pháp tính tốn tỷ lệ

Page 6

Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

khả năng xảy ra
LS

Least Squares

Phương pháp bình phương tối thiểu

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia

Division Multiplexing

theo tần số trực giao

Peak- to-Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

PAPR

trung bình
PAC

Per Antenna Coding

Mã hóa theo ăngten

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ

Modulation

cầu phương

QoS

Quality Of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Radio Frequency

Tần số sóng vơ tuyến

SDM

Space Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo không gian

SDMA

Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không

gian
SIC

Successive Interference Cancellation
Loại bỏ nhiễu liên tục

SIR

Signal-to-Interference Ratio

Tỷ số tín hiệu – nhiễu

SISO

Single Input Single Output

Một đầu vào – Một đầu ra

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STBC

Space-Time Block Code

Mã khối không gian – thời gian

STC

Space Time Codes

Mã không gian thời gian
Page 7


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã lưới không gian thời gian

ZF

Zero-Forcing

Cân bằng không

Page 8


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông
tin di động và Internet, dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng
cao, trong khi băng thơng lại có giới hạn. u cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành công đáng kể. Hệ thống
MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập và mã hóa nhằm
tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất
phát hay băng thông.
Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit
BER, ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI… Nhưng nhu cầu về
chất lượng dịch vụ cũng khơng vì thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật
điều chế đa sóng mang được áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao OFDM. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành
các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao. Nhờ vậy,
OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading
phẳng băng hẹp và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ.
Chính bởi những khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống MIMO và OFDM đem lại
những tiềm năng to lớn cho hệ thống thông tin hiện nay, nên việc kết hợp chúng thành

một hệ thống MIMO – OFDM là một giải pháp vô cùng quan trọng cho sự phát triển
4G. Và đó cũng là lý do em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM”
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tìm hiểu lý thuyết tổng quan về hệ thống OFDM và các thông số đặc
trưng trong hệ thống OFDM.
Chương 2: Nghiên cứu vệ hệ thống MIMO, nguyên lý phân tập không gian, độ lợi,
và mã hóa khơng gian – thời gian cho các hệ thống MIMO.

Page 9


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Chương 3: Tìm hiểu về hệ thống MIMO-OFDM, sơ đồ khối bộ thu phát, mơ hình tín
hiệu MIMO đa sóng mang, và các vấn đề về ước lượng kênh truyền cũng như dung
lượng kênh.
Chương 4: Nghiên cứu về các kỹ thuật ghép kênh không gian trong hệ thống
MIMO-OFDM.
Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn chu đáo và tận tình của
TS. Đặng Quang Hiếu. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ em hồn thành luận
văn này. Do kiến thức cịn nhiều hạn chế, nên báo cáo này không tránh khỏi những sai
sót, em rất mong nhận được sự đánh giá phê bình của các thầy cơ.
Hà Nội, ngày 27 tháng 09 năm 2012
HV Nguyễn Thị Kiều Oanh

Page 10


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM

Nguyễn Thị Kiều Oanh

CHƯƠNG I: OFDM
1.1 Giới thiệu
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, là một phương pháp
điều chế phân chia theo tần số FDM được sử dụng như một phương pháp điều chế đa
sóng mang số.
Trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên Nn sóng mang con (Nn có thể
điều chỉnh được tùy theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ
thuật FDM. Khái niệm sóng mang con hồn tồn giống với khái niệm sóng mang mà ta
đã đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thơng nhỏ hơn
nhiều so với các sóng mang được sử dụng trong FDM. Nn sóng mang này tạo thành
một nhóm, ta gọi là tín hiệu OFDM. Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ
cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất
chặt chẽ. Chúng có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà khơng gây ra ICI, do
tính trực giao giữa chúng được đảm bảo. Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu
quả sử dụng dải tần.

1.2 Cơ sở lý thuyết OFDM
1.2.1 Sóng mang trực giao
Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng
một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Việc xếp chồng lấn các băng tần con này
không chỉ đem lại hiệu quả sử dụng phổ tần mà cịn có tác dụng phân tán được lỗi cụm
khi truyền qua kênh. Nhưng làm thế nào để có thể chồng lấn các băng con để truyền đi
mà sau đó vẫn có thể tách chúng ra được? Điều này có thể làm được là nhờ đảm bảo
tính trực giao của các sóng mang con.
❖ Điều kiện trực giao và nguyên tắc phép giải điều chế OFDM:

Page 11

Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Để đảm bảo trực giao chuẩn cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thoả
mãn điều kiện sau:
1 ;
1 ts +T
si (t ).s*j (t )dt = 

T ts
0 ;

i= j
i j

(1.1)

Trong đó: si (t), sj (t) là các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM.

 e j 2 f ft
sk (t ) = 
0

; k = 1;2;3;...N

;

(1.2)

Δf: khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con
T: thời gian ký hiệu
N: số sóng mang con
ts : dịch thời gian
Theo phương trình trên, ta thấy nếu hai sóng mang phụ i và j (chúng là hai sóng mang
khác biệt i ≠ j ) trực giao với nhau thì tích phân của một sóng mang với liên hợp phức
của sóng mang cịn lại bằng 0. Trong trường hợp tích phân với chính nó, thì kết quả sẽ
là hằng số khác 0 (trường hợp trực giao chuẩn thì hằng số này bằng 1). Đó chính là
ngun tắc phép giải điều chế OFDM. Để trực quan hơn, ta có thể xem xét q trình
tích phân qua diện tích đường cong như dưới đây.
Diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
2 k

 sin(t )dt

=0

(1.3)

0

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì q
trình này cũng bằng 0. Đó chính là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng

Page 12


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

miễn là hai dạng sóng sin khơng cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng khơng.
Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Hình 1.1: Tích phân hai sóng hình sin

Hình 1.2: Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành ln dương, giá trị
trung bình của nó ln khác khơng. Điều này rất quan trọng trong q trình giải điều
chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kĩ
thuật xử lý tín hiệu số FFT.

Page 13


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Hình 1.3: Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng cách nhân
một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được tạo ra trong
máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện tích phân tất cả các sóng
mang cịn lại về khơng. Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định
được giá trị symbol của nó. Tồn bộ q trình này được thực hiện nhanh chóng cho
mỗi sóng mang, cho đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế.
❖ Minh họa tính trực giao:
OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thơng
tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ
tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang. Tần số băng tần cơ sở của mỗi
sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn bộ
các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu. Do đó các sóng

mang con là trực giao với nhau.

Page 14


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Hình 1.4 dưới đây là kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con. Các
hình 1, 2, 3, 4 thể hiện các sóng mang con riêng lẻ tương ứng 10, 20, 30, và 40 Hz.
Hình a biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian, hình b biểu diễn tín hiệu trên miền tần số
. Pha ban đầu của tồn bộ các sóng mang con này là 0. Hình 5 thể hiện tín hiệu OFDM
tổng hợp của 4 sóng mang con trên trong miền thời gian và miền tần số.
Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách tường
minh ở hình 1.5. Trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần
số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm khi
biên độ của tần số cách xa trung tâm. Tính trực giao được thể hiện là đỉnh của mỗi
sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của tồn bộ các sóng mang con khác. Hình 1.5
cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống thì hiệu quả sử dụng phổ
tần của OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM truyền thống.

Hình 1.4: Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số

Page 15


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Hình 1.5: Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu

FDM
Đáp ứng tổng hợp 5 sóng mang con của một tín hiệu OFDM được minh hoạ ở
đường màu đen đậm trên hình 1.6.

Hình 1.6: Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con

Page 16


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

1.2.2 Cấu trúc tín hiệu OFDM
Hình 1.7 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian.

Hình 1.7:Cấu trúc tín hiệu OFDM
Quan hệ giữa các thơng số là:

Ts = TFFT + TG + Twin

(1.4)

TFFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả.
TG là thời gian bảo vệ.
Twin là thời gian cửa sổ.
Ts là thời gian một chu kỳ ký hiệu OFDM.
Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu và
để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại cửa sổ
cosine tăng được định nghĩa như sau:

Page 17


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh



t 
0.5 + 0.5cos   +

 ; 0  t   Tsym


T

sym 


w(t ) = 
1 ;  Tsym  t  Tsym

0.5 + 0.5cos  ( t − T )   ;T  t  1 +  T
sym
sym

 sym


T

sym




(1.5)

Trong đó β là hệ số dốc của cosine tăng (hay còn gọi là hàm cosine nâng )

1.3 Thu phát tín hiệu OFDM
Sơ đồ khối của q trình xử lý tín hiệu trong một bộ thu phát OFDM được minh họa
trong hình 1.8.

RFTX

DAC

Tín hiệu
nhị phân
Mã
hóa

Xếp
chồng

Điều
chế

Chèn
Pilot

Thêm ký tự
có tính chu kỳ

Song song
/ nối tiếp

Nối tiếp /
song song
IFFT(TX)
FFT(RX)

Tín hiệu
nhị phân

Giải
mã

Giải
xếp
chồng

Giải
điều
chế

Tương
quan
kênh

RFRX

Song song
/ nối tiếp
Song song
/ nối tiếp

ADC

Đồng bộ thời
gian – tần số

Loại bỏ ký tự
có tính chu kỳ

Hình 1.8: Sơ đồ khối bộ thu phát OFDM
Trên các dữ liệu đầu vào nhị phân, máy phát thực hiện mã hóa, đan xen, điều chế
QAM, biến đổi IFFT Nc điểm, và chèn thêm một phần mở rộng có tính chu kỳ trước

Page 18


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

khi các tín hiệu chuyển sang bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC), và cuối cùng là chuyển
đổi tần số vô tuyến (RF) rồi truyền đi trên anten. Lưu ý rằng, để đạt được phổ tín hiệu
dầu ra với tương quan thấp bức xạ ngồi băng tần, kích thước của IFFT có thể được
chọn lớn hơn số các sóng mang con thực tế được sử dụng để truyền đi.
Để phát hiện đáng tin cậy, nói chung, phía thu biết trước kênh truyền không dây và

bám theo sự chuyển dịch pha và biên độ. Để kích hoạt tính năng ước lượng kênh truyền
thông không dây, thỉnh thoảng máy phát gửi các ký tự training biết trước. Hơn
nữa, để theo dõi dịch pha, các ký tự pilot được chèn vào mỗi ký tự dữ liệu OFDM trên
các sóng mang con được xác định trước.
Bộ thu OFDM, về cơ bản, thực hiện các hoạt động ngược lại so với máy phát.
Các tín hiệu RF thu được được chuyển đổi xuống tín hiệu băng tần cơ sở,
và sau đó được chuyển đổi từ tương tự sang số bởi bộ ADC. Sau đó, máy thu phải ước
lượng và xác định chính xác cho tần số bù và thời gian của ký tự, ví dụ, bằng cách sử
dụng chuỗi training.Tiếp theo, loại bỏ phần có tính chu kì được thêm vào ở phía
phát, và biến đổi FFT Nc điểm được thực hiện. Các tín hiệu kết quả được hiệu
chỉnh cho những ảnh hưởng kênh, và cuối cùng là giải điều chế, giâi đan xen, và giải
mã được thực hiện để có được các dữ liệu đầu ra nhị phân.

1.4 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM
1.4.1 Các thông số trong miền thời gian
Các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký hiệu TS, thời gian FFT TFFT,
thời gian bảo vệ TG, thời gian cửa sổ Twin. Nếu khơng tính đến thời gian cửa sổ, thì ta
có theo cơng thức (1.6):
Ts = TG + TFFT

Page 19

(1.6)


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Ngồi ra, xác định một thơng số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời gian ký
hiệu) được định nghĩa bởi.

FSR =

TFFT
Ts

(1.7)

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có thể
được dùng để tính tốn thơng lượng
1.4.2 Các thơng số trong miền tần số
Hình 1.9 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thơng số chính là: tồn bộ độ rộng
băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con f và số
sóng mang con N sub . Quan hệ giữa chúng là: B = Nsub  f

Hình 1.9: Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng sóng mang con
Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế hệ
thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thơng số OFDM trong miền tần số có thể
được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con N sub .
1.4.3 Thơng lượng kênh
Thơng lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền được qua
kênh mà khơng bị lỗi. Do đó, thơng lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng băng tần của
kênh và tác động của các loại nhiễu.
• Thơng lượng kênh theo Shannon.
Page 20


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Thơng lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng băng
thông của tín hiệu B được xác định bằng cơng thức sau:

C = B.log2 (1 + SNR) [ bps]

(1.8)

trong đó C là dung lượng kênh cịn B là băng thơng.
Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo
trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà khơng làm
ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính tốn dung lượng kênh
theo các thơng số điều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới đây ta sẽ
xét công thức để tính tốn dung lượng kênh này.
• Thơng lượng kênh cho các hệ thống OFDM.
Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các sóng
mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thơng, cơng suất…). Khi
này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

Rtb =

(so_bit/song_mang_con/ ky_hieu) . so_song_mang_con
thoi_gian_ky_hieu

(1.9)

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Ts là thời gian ký
hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời gian FFT,
khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và thời gian ký
hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

Rtb = ( Rc log 2 ( M ) ) N sub T sym = ( Rc log 2 ( M ) ) ( B f ) Tsym

= ( Rc log 2 ( M ) ) B (TFFT Tsym ) = ( Rc log 2 ( M ) ) B.FSR,

Page 21

(1.10)


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

Từ công thức (1.10) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng
mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: tỷ lệ mã, mức điều chế, độ
rộng băng và FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để
đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể của kênh.

1.5 Ưu nhược điểm của OFDM
Hệ thống OFDM có những ưu điểm nổi bật như sau:
-

Sử dụng OFDM giúp đạt hiệu quả phổ tần cao bằng cách cho phép các sóng
mang con có thể chồng lấn lên nhau do tính trực giao giữa chúng.

-

Các hệ thống OFDM có khả năng chịu đựng fading chọn lọc tần số tốt hơn
những hệ thống sóng mang đơn dựa vào việc chia tồn bộ băng thơng kênh
thành nhiều kênh con fading phẳng. Do vậy, OFDM phù hợp với hệ thống
truyền dẫn băng rộng.

-

OFDM loại trừ nhiễu liên ký tự ISI và xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI nhờ
việc chèn khoảng bảo vệ có tính chất CP ( cycle prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất
của kênh truyền đa đường.

-

Cũng nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cycle prefix mà hệ thống OFDM sử
dụng bộ cân bằng kênh khá đơn giản.
IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và

-

giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiên, hơn nữa tín
hiệu được điều chế lại đơn giản và hiệu quả.
Tuy nhiên, bên cạnh đó OFDM vẫn có những nhược điểm cần lưu ý. Đó là:
-

Nhạy cảm với dịch tần Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội phát
và thu

Page 22


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

-

Vấn đề về đồng bộ thời gian , máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký
hiệu FFT

-

Vấn đề đồng bộ về tần số phức tạp hơn trong hệ thống đơn sóng mang. Tần số
lệch của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên
nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm
trọng.

OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này
là tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình PAPR (Peak- to-Average Power
Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM được tổng hợp từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng
mang phụ đồng pha, tín hiệu sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng
không hiệu quả bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High-Power Amplifier).

1.6 Kết Luận
Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và những ảnh hưởng thường gặp
nhất của kênh truyền vơ tuyến trong q trình truyền dẫn tín hiệu. Ở chương 2 ta sẽ đi
tìm hiểu về hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) để hiểu được khả năng
hạn chế ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số, fading đa đường của hệ thống OFDM và
khả năng tăng được chất lượng và dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO.

Page 23


Luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO - OFDM
Nguyễn Thị Kiều Oanh

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MIMO
2.1 Giới thiệu
Thách thức chính phải đối mặt của các hệ thống thông tin không dây ngày nay
và trong tương lai là tốc độ truy cập dữ liệu, và chất lượng dịch vụ (QoS) ngày càng
cao. Khơng chỉ vậy mà cịn có sự khan hiếm của quang phổ, ảnh hưởng của fading, của
đa đường và sự can thiệp từ những người dùng khác. Các yếu tố này dẫn đến một bài
toán là làm sao để tăng hiệu quả quang phổ và cải thiện độ tin cậy liên kết. Công nghệ
không dây MIMO được sinh ra dường như để giải bài toán này bằng cách tăng hiệu
quả sử dụng phổ tần thông qua không gian đã được ghép kênh, và cải thiện độ tin
cậy liên kết.
2.1.1 Khái niệm
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thơng
tin điểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu.

Hình 2.1: Hình trực quan của một hệ thống MIMO

Page 24