Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM trong Wimax và LTE

3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM trong Wimax và LTE

Tải bản đầy đủ - 0trang

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 thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không 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 cơng nghệ anten sử dụng trong WIMAX

Hệ thống anten thông minh

Hệ thống công nghệ anten thông 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 thơng 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



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

hẹp, ASS có thể được hỗ trợ với độ phức tạp ít hơn nhiều so với yêu cầu của các hệ

thống băng rộng không dây khác.

Công nghệ đa cổng vào ra

Công nghệ đa cổng vào ra (MIMO) miêu tả các hệ thống sử dụng nhiều hơn

1 radio và hệ thống anten tại một điểm cuối của các đường kết nối không dây. Trước

đây, chi phí để kết hợp nhiều anten và các radio trong một đầu cuối là rất cao.

Các cải tiến gần đây trong cơng nghệ tích hợp và triển khai quy mơ nhỏ cho

hệ thống vơ tuyến làm tăng tính khả thi và chi phí hiệu quả. Phối hợp nhiều tín hiệu

nhận được sẽ đạt được các lợi ích tức thời khi tăng cường độ tín hiệu nhận được,

tuy nhiên cơng nghệ MIMO cũng cho phép truyền phát các luồng dữ liệu song song

để đạt được thơng lượng lớn hơn.

Ví dụ, trong một MIMO 2x2 (tức là gồm 2 phần tử phát và thu) với hệ thống

điểm-điểm 2 phân cực, các tần số cấp cho carrier có thể được sử dụng 2 lần, làm

tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 2 lần.

Trong hệ thống điểm-đa điểm sử dụng MIMO, mỗi anten trạm gốc phát đi

luồng dữ liệu khác nhau và mỗi thiết bị đầu cuối khách nhận nhiều thành phần của

tín hiệu phát khác nhau với mỗi anten thiết bị thuê bao khách được minh họa trong

hình dưới đây.

Bằng cách sử dụng thuật tốn thích hợp, thiết bị đầu cuối khách có thể phân

chia và giải mã các luồng dữ liệu nhận được trong cùng một lúc. Chuẩn WIMAX di

động bao gồm cơng nghệ mã hóa MIMO cho tới 4 anten tại mỗi điểm cuối đường

kết nối (4x4 MIMO).



49



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti



Hình 3.10 Cơng nghệ anten MIMO

Tạo chùm tia (Beam-forming):

Việc truyền phát các tín hiệu đi từ nhiều anten ở các pha cân bằng cụ thể có thể

được sử dụng để tạo chùm tia hẹp hơn. Hiện tượng này gọi là beam-forming.

Beam-forming mang đến các cải tiến đáng kể trong ngân sách đường kết nối

theo cả 2 hướng uplink và downlink bằng cách tăng độ lợi của anten, ngoài ra để

làm giảm sự suy giảm cường độ tín hiệu do tác động bởi nhiễu.

Beam-forming yêu cầu thông tin về vị trí của thuê bao đặc biệt là đối với thuê

bao đang di chuyển với tốc độ lớn. Tuy nhiên, theo số liệu thống kê mạng Cellular,

đa số các thuê bao hoặc không di chuyển, hoặc di chuyển với tốc độ chậm, vì thế

beam-forming mang đến các lợi ích quan trọng cho hầu hết các mơ hình sử dụng.



Hình 3.11 Beam-forming

Ví dụ, cấu hình beam-forming gồm 4 anten có thể hỗ trợ tăng cường tín hiệu

có độ lợi 6dB trong khi vẫn cải tiến được tín hiệu truyền phát bị suy giảm. Kết quả

50



Chương 3 : Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

là beam-forming đem lại khả năng mở rộng hơn, thông lượng cao hơn và tăng khả

năng phủ sóng trong nhà (indoor).

Với số lượng trạm gốc ít hơn để đạt được một dung lượng cụ thể trong một hệ

thống, beam-forming là công nghệ anten thông minh thứ 3 được hợp nhất trong

thông số kĩ thuật của WIMAX để tăng dung lượng hệ thống và tính năng trong các

mạng di động băng thơng rộng.

3.4 Kết luận chương

Trong hệ thống MIMO – OFDM các tín hiệu OFDM được phát và thu đồng

thời trên nhiều anten, hệ thống đã sử dụng được lợi điểm của cả MIMO và OFDM

làm tăng độ lợi phân tập, tăng dung năng trong những kênh fading lựa chọn tần số

và thay đổi theo thời gian. Đồng thời kỹ thuật MIMO và OFDM cũng hỗ trợ lẫn

nhau, kỹ thuật OFDM chia kênh fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh phading

phẳng song song thuận tiện hơn cho việc truyền tín hiệu theo phương pháp MIMO.

Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết

hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho các hệ thống

thông tin không dây băng rộng như Wimax, LTE.



51



Chương 4 : Mơ phỏng



CHƯƠNG 4



MƠ PHỎNG



4.1 Giới thiệu chương

Để hiểu hơn những vấn đề lý thuyết được trình bày trong những chương trước.

Trong chương cuối cùng này, chúng ta giới thiệu chương trình mơ phỏng hệ thống

ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: orthogonal frequency division

multiplex). Đây là chương trình được viết bằng Matlab mô phỏng kênh truyền, so

sánh tỉ lệ lỗi bit khi chỉ có nhiễu Gauss trắng cộng và trường hợp kênh truyền chịu

ảnh hưởng của fadinh đa đường.

Phần tiếp theo là so sánh BER hệ thống Alamouti 2Tx x 1Tx với các hệ thống

phân tập thu MRRC và trường hợp không sử dụng phân tập.

Trong phần cuối chương sẽ mô phỏng hệ thống MIMO Alamouti kết hợp với

kĩ thuật điều chế OFDM. Qua đó, đánh giá được ưu điểm của hệ thống và tính thực

tiễn của nó.

4.2 Mơ phỏng đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM

Chương trình mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab để đánh giá chất lượng tín

hiệu nhận được khi sử dụng phương pháp điều chế OFDM đối với các trường hợp

kênh truyền khác nhau.

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống OFDM :



Hình 4.1 Phía phát



52



Chương 4 : Mơ phỏng



Hình 4.2 Phía thu

Tiến trình mơ phỏng :

Số lượng symbol mơ phỏng là nSym=10^4. Kích thước bộ FFT (FFT size)

nFFT=64. Số lượng các sóng mang con được sử dụng (Number of used subcarriers)

nDSC=52. Chỉ số sóng mang con được sử dụng (Used subcarrier index) {-26 to -1,

+1 to +26}. Các thông số được chọn theo chuẩn IEEE 802.11a .

Dữ liệu đầu tiên được tạo ra ngẫu nhiên, sau đó luồng dữ liệu sẽ được vào bộ

mapper BPSK để tạo ra các symbol X n. Các symbol chuyển thành 52 luồng dữ liệu

song song bằng bộ S/P. Các luồng dữ liệu song song sẽ được đưa đến bộ IFFT 64

điểm để tạo ra 64 mẫu trong 1 symbol Xn .

+ Dữ liệu được tạo ra ngẫu nhiên, sau đó các luồng dữ liệu sẽ được đưa qua

bộ ánh xạ BPSK tạo các symbol Xn.

+ Các symbol nối tiếp được chuyển thành các luồng dữ liệu song song (52

luồng ) nhờ bộ S/P.

+ Nhằm giúp quá trình D/A được thực hiện chính xác, ta sẽ lấy IFFT 64 điểm

để tạo ra 64 mẫu trong 1 symbol xn, 52 luồng dữ liệu song song sau khi qua bộ S/P

được đưa đến 52 ngõ vào của bộ IFFT tương ứng với 52 tần số trực giao từ 0 đến

(N-1)Δf0=51Δf0 và 12 ngõ còn lại ta sẽ đưa zeros vào. Bộ 64-IFFT này sẽ chuyển

tín hiệu Xn ở miền tần số sang tín hiệu xn ở miền thời gian. Sau khi thu được tín hiệu

ở miền thời gian, symbol OFDM x n sẽ được chèn khoảng bảo vệ ΔG=25% t s tạo

thành symbol sn. 16 mẫu cuối của 64 mẫu trong mỗi symbol sẽ được sao chép và

đưa lên đầu mỗi symbol tạo thành 80 mẫu trong 1 symbol.

53



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM trong Wimax và LTE

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×