Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1 1.1Giới thiệu chương 1 1.3So sánh FDM và OFDM 2 1.4 Tính trực giao: 2 CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 11 2.1Giới thiệu chương 11 2.2Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 11 2.2.1Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 11 2.2.2Hiệu ứng đa đường 11 2.2.2.1 Rayleigh fading 11 2.2.2.2 Fading lựa chọn tần số 13 2.2.2.3 Trải trễ (Delay Spread) 14 2.2.3Hiệu ứng Doppler 15 2.2.4Nhiễu AWGN 15 2.2.5Nhiễu liên ký tự ISI 16 2.2.6Nhiễu liên sóng mang ICI 16 2.2.7Tiền tố lặp CP 18 2.3Khoảng bảo vệ (GI) 19 2.4 Giới hạn băng thông của OFDM 22 2.4.1Lọc băng thông 22 2.4.2Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR 23 2.4.3Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 24 2.5Kết luận chương 24 Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 26 3.1 Giới thiệu chương : 26 3.2 Các kỹ thuật phân tập : 26 3.2.1Phân tập thời gian : 26 3.2.3Phân tập không gian : 27 3.3 Tổng quan hệ thống MIMO : 28 3.3.1Khái niệm, lịch sử hệ thống MIMO : 28 3.3.2Các mô hình của hệ thống MIMO : 29 3.3.2.1 SIMO – Single input multiple output 29 3.3.2.2 MISO – Multiple input single output 29 3.3.2.3 MIMO – Multiple input multiple output 30 3.4 Các phương pháp phân tập thu : 30 3.4.1Maximum ratio combining (MRC) : 31 3.4.2Equal-gain combining (EGC) : 32 3.4.3Selection combining (SC) : 33 3.4.4Threshold combining (TC) : 33 3.5 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) : 34 3.5.1Mô hình Alamouti : 35 3.5.2Mã hóa 35 3.5.3Kết hợp và giải mã 36 3.6 STBC mở rộng với M anten thu: 38 3.7 Kỹ thuật STBC trong hệ thống MIMO – OFDM 40 3.7.1Mô hình kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM 40 3.7.2STBC trong MIMO – OFDM (STBC – OFDM) 41 Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 45 4.1 Giới thiệu chương: 45 4.2Lưu đồ thuật toán: 46 4.3Mô phỏng: 49 4.3.1Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế: 49 4.3.2Mô phỏng BER của hệ thống MIMO không có OFDM: 50 4.3.3Mô phỏng các hệ thống kết hợp OFDM: 51 4.3.4Mô phỏng STBC trong hệ thống MIMO-OFDM: 52 4.3.5Mô phỏng toàn bộ hệ thống: 53 4.4 Kết luận chương: 54 DACH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Nhiễu Gauss trắng cộng Additive White Gaussian Noise BER FFT IFFT Tỷ số lỗi bit Biến đổi Fourier nhanh Biến đổi ngược Fourier nhanh Bit Error Rate Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform PSK QAM Điều chế dịch pha Điều chế biên độ cầu phương Phase Shift Keying Quadrature amplitude modulation CP Tiền tố lặp Cyclic Prefix DVB Hệ thống phát hình số Digital Video Broadcasting FDM Ghép kênh phân tần Frequency Division Multiplexing ICI ISI Nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên ký tự Inter-channel interference Inter-symbol interference MIMO Đa anten phát - Đa anten thu Multi-Input Multi-Output ML Bộ kết hợp khả năng cực đại Maximum Likelihook OFDM Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Peak to Average Power Ratio SIMO Đơn anten phát - Đa anten thu Single-Input Multioutput SNR Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Signal to Noise Ratio STBC Mã hóa không gian-thời gian khối Space-time block code LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba với công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thể hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trỡ thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE ( Long Term Evolution ). Các cuộc thử nghiệm cho thấy năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE trong tương lai. Với LTE, người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch vụ thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu vv… với một tốc độ cực nhanh. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ 3 ( 3G ) và mạng di động thế hệ thứ tư ( 4G ). Xuất phát từ những mục tiêu muốn cải thiện chất lượng tín hiệu truyền tải, cải thiện hiệu suất sử dụng, dung lượng đường xuống của hệ thống, vì vậy chúng em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là “Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM”. Đề tài của chúng em bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về OFDM Chương này của đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế, giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các khối. Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM. Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô tuyến. Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điều quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền. Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lên tín hiệu. Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hình Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi thực thi hệ thống. Chương 4: Lưu đồ thuật toán và mô phỏng Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học và để kiểm chứng lý thuyết, chương 4 thực hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằng chương trình MATLAB. Từ đó rút ra một số nhận xét. Do những giới hạn về kiến thức của mình nên đồ án này vẫn chưa đề cập hết các vấn đề và không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương OFDM (viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) hay ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, chống nhiễu giao thoa ký tự ISI và giải quyết được các vấn đề đa đường. OFDM ngày này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông kỹ thuật số băng rộng, như ADSL, VDSL, Wi-fi, Wi-max, 3G, LTE Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó là các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM . 1.2 Khái niệm OFDM Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM. OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), trong kỹ thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và N kênh được ghép phân chia theo tần số. Để tránh giao thoa giữa các kênh, một băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau. Điều này gây lãng phí băng tần tổng. Để khắc phục nhược điểm này của FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn, nhưng trực giao với nhau. Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ là tần số của mỗi sóng mang phụ này bằng tần số nguyên lần của chu trình (T) ký hiệu, đây là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM. 1 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM 1.3So sánh FDM và OFDM OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Hình 1.1 : So sánh kỹ thuật FDM với OFDM 1.4 Tính trực giao: Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao 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 của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ. Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức: 2 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM 0 ( ) ( ) * ( ) 0 T i j c i j s t s t dt C i j i j δ ⇔ = = − = ⇔ ≠ ∫ (1.1) Ta sẽ xét hàm S i (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: s i = sin(mωt) và s j = sin(nωt) 2 2 0 0 1 sin( ).sin( ) [cos( ) cos( ) ] 2 mwt nwt dt m n wt m n wt dt π π = − − + ∫ ∫ = 2 2 0 0 1 1 cos( ) cos( ) 0 0 0 2 2 m n wtdt m n wtdt π π − + + = + = ∫ ∫ (1.2) Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không. 1.5Cấu trúc OFDM Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con : Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu. Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ. Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC. Hình 1.2: Cấu trúc OFDM trong miền tần số Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng. 3 Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM Hình 1.3: Cấu trúc kênh con OFDM Hình 1.4: Cấu trúc lát OFDM Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.3). Trong kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3 1.6 Sơ đồ khối OFDM: 4 x(n) x f (n ))) h(n ) y f (n ) y(n) Y(k ) AWGN w(n) Sắp xếp S/P P/S IDFT DFT Chèn pilot Ước lượng kênh Chèn dải bảo vệ Loại bỏ dải bảo vệ Sắp xếp lại Kênh + P/S S/P Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra [...]... Multiple Output) là một kỹ thuật truyền dẫn mang lại hiệu suất sử dụng băng thông cao, tốc độ truyền tải lớn và đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay trong các hệ thống Wifi, Wimax, 3.5G, LTE … Chương này sẽ tìm hiểu tổng qua về hệ thống MIMO, các kỹ thuật phân tập, độ lợi… Sau đó là nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian khối và ứng dụng nó trong hệ thống MIMO-OFDM 3.2 Các kỹ thuật phân tập :... truyền đi trong không gian Đồng thời các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM cũng được đề cập đến Để hạn chế nhiễu và 24 Đồ án tốt nghiệp tuyến Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô ảnh hưởng của kênh truyền đa đường thì ở chương sau đề cập đến một số kỹ thuật được úng dụng trong OFDM 25 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM. .. 1.9 Ứng dụng của OFDM Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệ thống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đáp ứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã… Mãi đến 20 năm sau, với sự ra đời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đã được hiện một cách dễ dàng với chi phí rẻ và ứng dụng rộng rãi Ứng dụng. .. của OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong thông tin di động Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nó cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần... hai thuật toán nhân và tích lũy MAC như các kết quả mẫu phức Và như vậy đối với tần số lấy mẫu 20 MHz số phép tính sẽ là 20 x 106 x 24 x 2 = 960 triệu MAC Trong các ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dùng FFT có thể hiệu quả hơn 2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng. .. trên các tần số khác nhau 3.2.3 Phân tập không gian : Kỹ thuật phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, sử dụng nhiều anten phát hoặc thu hoặc cả hai để đạt được sự phân tập Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa 27 Đồ án tốt nghiệp Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM trong miền không gian Nếu các anten có khoảng cách... tốt nghiệp Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM hợp kỹ thuật OFDM và đưa ra bản nháp đầu tiên vào năm 2006 Từ đó đến nay, hệ thống MIMO ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong các hệ thống truyền thông không dây, góp phần giải quyết thiết kế công suất hệ thống và băng thông tín hiệu ngày càng bị thu hẹp dần 3.3.2 Các mô hình của hệ thống MIMO : Hệ thống MIMO được sử dụng dưới nhiều dạng cấu... sử dụng tiền tố lặp CP Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) 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 Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong. .. 1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng mang phụ 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... trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹ thuật OFDM Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế cho mạng di động thế hệ thứ tư (4G) 1.10 Kết luận chương: Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền Chương tiếp theo . tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 24 2.5Kết luận chương 24 Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 26 3.1 Giới thiệu chương : 26 3.2 Các kỹ thuật phân. suất sử dụng, dung lượng đường xuống của hệ thống, vì vậy chúng em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM . Đề