Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI

Tải bản đầy đủ - 0trang

Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

3.2



Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM



Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM

Trên sơ đồ ta thấy được hệ thống sử dụng N T anten phát và NR anten thu, kỹ

thuật OFDM được sử dụng tại máy phát và máy thu như trình bày trong chương 1 .

Kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh

truyền con fadinh phẳng. Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mơ tả thông

qua ma trận H như sau :

(3.1)

Với là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i tại sóng

mang phụ thứ k. Tiếp theo, ta sẽ xét hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với mục

đích đạt độ lợi phân tập tối đa nhằm tối ưu chất lượng hệ thống.

3.2.1 Kết hợp kỹ thuật OFDM và MIMO Alamouti



Hình 3.2 Máy phát MIMO-OFDM Alamouti



38



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti



Hình 3.3 Máy thu MIMO-OFDM Alamouti

Xét hệ thống 2x1 Alamouti như hình trên :

Đầu tiên dữ liệu phát được mã hố khơng gian - thời gian sử dụng mã khối

khơng gian thời gian Alamouti. Mỗi luồng mã hố tương ứng với một anten phát

được điều chế bởi OFDM K sóng mang con. Kí hiệu khoảng thời gian symbol của

dữ liệu phát là T, do đó khoảng thời gian symbol của số symbol sóng mang con là T s

= T . K. Việc mã hố khơng gian thời gian được thực hiện trên mỗi sóng mang con

k ⋲ {0,1,…,K}, STBC Alamouti được thực hiện trên 2 khối ( 2 symbols) liên tiếp

như hệ thống STBC đơn sóng mang. Điều này có nghĩa là nếu dữ liệu đầu vào là 2

khối với độ dài K .



X 1 [X 1[0], X 1[1],..., X 1[K  1]]T

X 2 [X 2 [0], X 2 [1],..., X 2 [K  1]]T



(3.2)



Q trình mã khơng gian thời gian được thực hiện trong khối như sau :



X 1 X 2* �

E�

�space



X 2  X 1* �





 ���

time �



(3.3)



Mỗi luồng STBC được đưa đến bộ chuyển đổi nối tiếp-song song để vào K

luồng phụ ( sóng mang con). Theo cơng thức (3.3) ta có sóng mang phụ thứ k :

S1,1[k ]S1,2 [k ] � �



X 1[k ] X 2*[k ] �



�space



� �

*

S

[

k

]



S

[

k

]

X

[

k

]



X

[

k

]





2,1

2,2





2

1

 ���

time �



E�



(3.4)



Điều này có nghĩa rằng tại khe thời gian t=1, anten thứ nhất phát X 1[k] và

anten thứ hai phát X2[k] thơng qua sóng mang phụ thứ k. Tại khe thời gian kế tiếp

39



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

*

*

t=2, anten thứ nhất phát  X 2 [k ] và anten thứ hai phát X 1 [k ] thơng qua sóng mang



phụ thứ k.

Tín hiệu được đưa qua bộ IFFT trở thành tín hiệu ở miền tần số. Qua bộ CP,

chèn C mẫu tín hiệu, độ dài của symbol OFDM trở thành (K+C)T s. Tín hiệu

Alamouti-OFDM được gửi từ anten thứ i tại khe thời gian t ⋲ {1,2} được biểu diễn

theo công thức :



xn ,t [l ]=

Với



S n , t [k ]



K  C 1



� Sn,t [k ]e



j 2



( l C )

K



k 0



(3.5)



từ mã Alamouti truyền từ anten i trong khe thời gian t thơng qua



sóng mang phụ thứ k.

Kênh truyền đa đường giữa anten phát và thu có thể được mơ tả bởi P-tap.

Kênh truyền có thể biểu diễn theo cơng thức:

P 1



hn ,t [n]  �hi(,lp ) [n] [n  p ]

p 0



(3.6)



] là kí hiệu bởi hàm đáp ứng xung Dirac. Tại máy thu, tín hiệu thu

Với  [�



của từ mã Alamouti sử dụng mơ hình kênh truyền P-tap:

N 2



yt [l ]  �hn,t [n] �xn,t [l ]  zl [l ]

n 1



N  2 P 1



 ��hi(,lp ) [n]xn,t [l  p ]  zt [l ]

n 1 p  0



(3.7)



Với � kí hiệu cho tích phân chập và zl [n] là nhiễu trắng Gaussian phức, N

là số anten phát. Nếu độ dài CP được chọn lớn hơn trải trễ lớn nhất  max  ( P  1) ,

sau khi loại bỏ CP của tín hiệu thu yt [l ] và thực hiện FFT để giải điều chế tín hiệu ở

sóng mang phụ thứ k được cho bởi cơng thức:

N 2



Yt [k ]  �Sn ,t [k ]H n ,t [k ]  Z t [k ]

n 1



(3.8)

40



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

Với :

P 1



H n,t [k ]  �hnp,t [l ]e



j



2 kp

N



p 0



(3.9)



Là đáp ứng tần số kênh truyền từ anten phát n đến anten thu trong khe thời

gian thứ t và Z t [k ] là mẫu nhiễu ở miền tần số.

K 1



Z t [k ]  �zt [l ]e



j



2 kl

K



(3.10)



l 0



Đáp ứng kênh truyền tần số có thể được tính tốn bởi:



H n ,t [k ]  hnH,t w kK, p



(3.11)



Với:

H



hn ,t  �

hn ,t [l , 0], hn ,t [l ,1],..., hn ,t [l , K  1]�





T



w kK, p  �

1, e  j 2 k1/ K ,..., e  j 2 k ( P 1)/ K �







(3.12)



(�

)T  ,(�

) H kí hiệu của chuyển vị và chuyển vị phức, tương ứng.



Sử dụng ma trận, chúng ta có thể viết lại tín hiệu thu ở (3.8) như sau:

Y [ k ]  H [k ] X [ k ]  Z [k ]



(3.13)



Với :



(3.14)



Cho rằng kênh truyền fading biến đổi chậm :

41



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti





, chúng ta có :



(3.15)

Cho ma trận kênh truyền H[k] ước lượng một cách hoàn hảo, ta có:



(3.16)

Với :

(3.17)

Dựa vào bộ giải mã ML, ta có:



, t{1,2}



(3.18)



Với :

(3.19)

Với



là chòm sao tín hiệu .



3.2.2 Ảnh hưởng của PAPR trong hệ thống MIMO-OFDM

- Tỉ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình là một trong những hạn chế

cơ bản của kĩ thuật OFDM trong các hệ thống MIMO-OFDM. Khi tỉ số này cao,

việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất (HA) sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải

dành dự trữ cơng suất để tránh nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PAPR là yêu cầu

quan trọng của hệ thống MIMO-OFDM.

42



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

- PAPR được định nghĩa là tỉ số công suất đỉnh tức thời trên cơng suất trung

bình. Được biểu diễn bởi cơng thức tốn học sau :

(3.20)



Hình 3.4 Sự xuất hiện đỉnh cao trong hệ thống đa sóng mang

Với s(t) là kí tự đa sóng mang trong khoảng thời gian 0 < t < Ts. Điều đó có

nghĩa là PAPR được đánh giá trên mỗi kí tự OFDM.

- PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu

OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong khơng

gian tín hiệu.

- Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do các ký tự trong khơng gian

tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1.

- Có hai phương pháp giảm PAPR chính :

 Đưa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.

 Sử dụng các xử lý khơng gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu

miền thời gian sau bộ IFFT có PAPR thấp.

3.3



Ứng dụng cơng nghệ MIMO-OFDM trong Wimax và LTE

MIMO-OFDM được sử dụng trong lớp vật lý của các giao thức như là



Wimax, 3GPP LTE, và IEEE 802.11n. Chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về 2 cơng

nghệ Wimax và 3GPP LTE cũng như ứng dụng của các kĩ thuật MIMO và OFDM

trong 2 công nghệ mới này.

43



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti



Hình 3.5 Lộ trình phát triển của thông tin di động

Sơ đồ trên cho thấy được sự phát triển của thông tin di động trải qua nhiều

giai đoạn và Wimax cùng với 3GPP LTE đang là các công nghệ mới nhất được sử

dụng tại các nhà mạng. Tại Việt Nam, LTE cũng đang được triển khai thử nghiệm ở

một vài thành phố lớn.

3.3.1 Ứng dụng MIMO-OFDM trong mạng vô tuyến của LTE

LTE là thế hệ thứ tư (4G) tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển.

3GPP đặt yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thơng tin, cung

cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn

giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở

các thiết bị đầu cuối.

Các mục tiêu của công nghệ này là:

-



-



Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz





Tải xuống : 100 Mbps







Tải lên : 50 Mbps



Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1



MHz so với mạng HSDPA :



-







Tải xuống : gấp 3 đến 4 lần







Tải lên : gấp 2 đến 3 lần



Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15 km/h. Vẫn



hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi

44



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120-350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng

tần).



Hình 3.6 Kiến trúc của mạng LTE

-



Độ rộng băng thơng linh hoạt : có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz,



1.6 MHz, 2.5 MHz, 5MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và

chiều xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng

nhau hoặc không. Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật được áp

dụng , trong đó nổi bật là kỹ thuật vơ tuyến OFDMA, kỹ thuật MIMO. Ngồi

ra hệ thống chạy hoàn toàn trên nền IP (all-IP Network), và hỗ trợ cả 2 chế

độ FDD và TDD.

Trong kiến trúc mạng LTE tổng quát chủ yếu dựa trên sự cải tiến kiến trúc

mạng 3G, thì giao tiếp vơ tuyến và mạng vơ tuyến của LTE được thiết kế lại hồn

tồn từ đầu. Trong đó, truyền dữ liệu hướng xuống sử dụng phương thức truyền

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (viết tắt là OFDMA). OFDMA là

một cơng nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM. Trong

OFDMA, một số các sóng mang con, khơng nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp

lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ

được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu lượng cụ

thể.

OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thơng lượng và

tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc

truyền nhận từ một số th bao có thể xảy ra đồng thời mà khơng cần sự can thiệp

45



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access

Interfearence- MAI).



Hình 3.7 OFDM và OFDMA



Hình 3.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink

Cấu trúc cụm bao gồm 1 kênh con trong miền tần số và n kí hiệu OFDM

trong miền thời gian, chứa N sóng mang. Mỗi sóng mang có thể được điều chế khác

nhau.

Phát huy thêm chức năng của MIMO :

46



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

-



Downlink :





Sử dụng kỹ thuật MIMO ghép kênh không gian.

 Tăng số luồng tối đa lên 8

 Sử dụng SVD-MIMO với số luồng thích ứng với mơi

trường

 Đạt hiệu quả tần số 30bps/Hz – 3Gbps với băng tần 100

MHz







Ứng dụng MIMO-MU

 Chuyển đổi giữa MIMO và MIMO-MU tùy môi trường.



-



Uplink : Sử dụng kỹ thuật MIMO ghép kênh không gian 4 luồng



Như vậy :

-



Downlink tối đa 8 luồng / một người sử dụng



-



Uplink tối đa 4 luồng / một người sử dụng



-



Ứng dụng MIMO-MU để tận dụng phân tập người dùng.



Hình 3.9 MIMO trong LTE-A (Rel 10)

3.3.2 Ứng dụng MIMO-OFDM trong WIMAX

3.3.2.1 Công nghệ SOFDMA

Việc mở rộng OFDMA (SOFDMA) hỗ trợ khả năng điều chỉnh OFDMA cho

phù hợp với độ rộng kênh đang được sử dụng. Theo nguyên tắc khi ấn định số

lượng dải phổ dành cho các nhà cung cấp dịch vụ khác, các thông số công nghệ

OFDMA có thể được tối ưu hóa sao cho tỷ lệ với dải băng tần cấp cho một nhà cung

cấp dịch vụ cụ thể.

Với S-OFDMA, kích cỡ FFT khác với độ rộng kênh dựa trên các thông số theo

chuẩn 802.16e-2005. Trong kênh tần số 5Ghz một FFT kích cỡ 512 sóng mang con

47



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

được xác định còn một kênh 10Mhz, một FFT kích cỡ 1024 được xác định. Điều đó

đảm bảo rằng cả 2 hệ thống 5Mhz và 10Mhz có cùng khoảng thời gian của kí tự và

do đó có cùng khả năng chống méo đa đường kể cả khi 2 hệ thống khác nhau về

kích cỡ.

3.3.2.1 Các công nghệ anten sử dụng trong WIMAX

Hệ thống anten thơng minh

Hệ thống cơng nghệ anten thơng minh có liên quan đến loại anten được thiết

kế để tăng cường độ tín hiệu nhận được trong mạng truy cập khơng dây. Mục đích

để làm tăng CINR (Carrier-to-interference plus noise radio).

Sử dụng cơng nghệ anten thơng minh có thể vừa làm tăng cường độ tín hiệu

nhận được và làm giảm mức độ nhiễu để tăng phần lớn công dụng của một mạng

giao tiếp di động.

Cường độ tín hiệu nhận được dao động khi các thuê bao di động trong vùng

phủ sóng và việc sử dụng nhiều anten hoặc anten thông minh để tăng chất lượng

đường truyền đã được nghiên cứu ngay từ khi các hệ thống di động đầu tiên mới ra

đời. Bước đầu tiên là sử dụng nhiều anten để cung cấp độ phân tập thu “receiver

diversity ”.

Hệ thống này hoặc lựa chọn một anten với cường độ tín hiệu mạnh nhất hoặc

tối ưu phối hợp các tín hiệu nhận được từ tất cả các anten. Chuẩn WIMAX hỗ trợ

nhiều loại công nghệ anten thông minh, bao gồm đa cổng vào ra ( MIMO ) và hệ

thống anten thông minh cải tiến (hoặc thích nghi) (ASS) trên cả hai loại thiết bị đầu

cuối khách và trạm gốc.

Trong khi MIMO đề cập đến việc sử dụng nhiều anten và kết quả q trình

u cầu các tín hiệu bổ sung, ASS tùy thuộc hoặc vào cơng nghệ “ mã hóa khơng

gian-thời gian ” (Space-time coding) hoặc tạo chùm tia “ beam-forming ”.

Với beam-forming, tín hiệu với năng lượng phát đi, sẽ định hình theo dạng

vật lý và truyền phát trực tiếp đến một thuê bao cụ thể dẫn đến độ lợi cao hơn,

thông lượng cao hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Do công nghệ OFDMA

chuyển một kênh dài tần rộng thành nhiều sóng mang con phẳng và độ rộng kênh

48



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×