Kỹ thuật mimo-ofdm (đầy đủ,chi tiết nhất có code mô phỏng kèm theo)

CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN 1.3 Các phương pháp tối ưu kênh truyền 1.3.1 Kỹ thuật phân tập Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi cải thiện chất lượng của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các bản sao khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện chất lượng của đường truyền. - Phân tập không gian Phân tập không gian sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu trên các anten khác nhau trong miền không gian. Hình1.6 Các phương pháp phân tập Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại: phân tập anten phát ( hệ thống MISO), phân tập anten thu ( hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO). Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường. Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, ta có kết hợp hai hay nhiều hệ thống phân tập để có một hệ thống phân tập tốt hơn như phân tập theo không gian thời gian(STC), phân tập theo không gian tần số (SFC)... LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN -Phân tâp tần số Phân tập theo tần số là kỹthuật thu hoặc phát tín hiệu trên hai kênh (hoặc nhiều hơn hai kênh)tần số sóng vô tuyến. Tức là cùng một tín hiệu được phát trên hai tần số khác nhau đến anten thu, thì tín hiệu nào tốt hơn thì lấy tín hiệu đó. Các hệ thống vô tuyến sử dụng kỹthuật phân tập tần số sẽ cải thiện chất lượng tốt hơn, nhưng việc sử dụng phổ tần không đạt được hiệu quả cao. Hình 1.7 Phân tập theo tần số - Phân tập thời gian Kỹthuật phân tập theo thời gian là kỹ thuật thu phát tín hiệu trên hai khe hay khe thời gian khác nhau. Tức là các tín hiệu giống nhau được truyền trên các khe thời gian, như vậy ở đầu thu sẽ nhận được tín hiệu trên các khe thời gian. Từ đó máy thu sẽ so sánh kết quả và chọn giá trị tốt nhất. Hệ thống thông tin nếu sử dụng kỹ thuật phân tập thời gian sẽ cải thiện chất lượng hệ thống, tuy nhiện việc truyền như vậy sẽ gây lãng phí khe thời gian làm giảm tốc độ truyền. Hình 1.8 Phân tập theo thời gian 1.3.2 Kỹ thuật ghép kênh -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 LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN 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 1.9 Ghép kênh theo tần sô FDM -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 . 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. TDM được sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số. Hình 1.9 Ghép kênh theo thời gian TDM -Ghép kênh theo mã CDM Trong kỹ thuật CDM ( Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sử dụng đồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực giao. Mỗi kênh sẽ được gán một mã nhất định. Dữ liệu của các kênh trước khi phát đi sẽ được nhân với một mã trải phổ để giãn phổ tín hiệu ra toàn băng thông, ở phía thu dữ liệu sẽ được khôi phục bằng cách nhân lại với mã trải phổ tương ứng. LANGTUDONCOI CHƯƠNG 1:CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN Hình 1.10 Ghép kênh theo từ mã CDM -Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh ra đời khá lâu, tương tự kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn. Trong FDM giữa các băng thông nhỏ này phải có một khoảng tần bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thông vô ích do các dãi bảo vệ này hoàn toàn không chứa đựng tin tức. OFDM ra đời đã giải quyết vấn đề này, bằng các sử dụng tập tần số trực giao các băng thông nhỏ này có thể chộng lấn lên nhau , do đó nó sử dụng hiệu quả và tiết kiêm băng thông hơn FDM. Hình 1.11 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 1.4 Kết luận chương Đây là chương giúp ta hiểu thêm về các vấn đề của một kênh truyền vô tuyến thường gặp đó là các loại nhiễu, fading, hạn chế băng thông... Từ đó giúp ta hiểu thêm các phương pháp ghép kênh để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, cùng với việc phân tập để nâng cao chất lượng của kênh truyên vô tuyến tốt hơn. Trong đó một phương pháp ghép kênh có hiệu quả đã và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi ngày nay là kỹthuật OFDM, cùng với hệ thống MIMO. Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nó ở các chương sau. LANGTUDONCOI CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM Chương 2: Kỹ thuật OFDM 2.1 Giới thiệu chương Đây là chương nói về kỹ thuật OFDM, ở chương này ta sẽ đi tìm hiều kỹ thuật OFDM là gì? Qua các khái niêm cơ bản và sơ đồ khối, cũng như các chức năng của nó, sẽ giúp ta hiểu rõ hơn về OFDM. 2.2 Sơ lược về OFDM 2.2.1 Khái niệm về OFDM Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Hình 2.1: OFDM Kỹ thuật này phân chia dải tần thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tổng các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Đồng thời các sóng mang được sử dụng là các sóng mang trực giao với nhau, điều này cho phép phổ của chúng chồng lên nhau mà không bị nhiễu. Vì vậy việc sử dụng băng thông trở nên hiệu quả hơn. LANGTUDONCOI CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT OFDM Hình 2.2 Phân biệt FDM và OFDM 2.2.2 Tính chất trực giao của sóng mang Tín hiệu được gọi là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Tín hiệu sóng mang là một sóng sine sao cho mỗi một sóng sine có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu . Như vậy trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau, mặc dù phổ tần của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng không gây nhiễu cho nhau. Hình 2.3 Các sóng mang con Việc giải mã tín hiệu sóng mang dựa vào việc máy thu sẽ dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là LANGTUDONCOI