Đồ án kỹ thuật MIMO OFDM và đánh giá chất lượng hệ thống 50

MỤC LỤC.

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.
DANH MỤC HÌNH VẼ.
LỜI NĨI ĐẦU.
Chương 1..................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG.................................................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu...........................................................................................................1
1.2. Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động.....................................1
1.2.1. Giới thiệu chung.........................................................................................1
1.2.2. Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động...3
1.3. Môi trường vô tuyến trong thơng tin di động..................................................4
1.3.1. Méo biên độ.................................................................................................5
1.3.1.1. Mơ hình fading Rayleigh.......................................................................5
1.3.1.2. Mơ hình fading Rician...........................................................................6
1.3.1.3. Thống kê của fading..............................................................................7
1.3.2. Suy hao đường truyền................................................................................8
1.3.3. Trải trễ trong hiện tượng đa đường........................................................10
1.3.4. Tạp âm trắng Gauss.................................................................................10
1.3.5. Hiện tượng Doppler..................................................................................11
1.4. Tổng quan về kỹ thuật MIMO-OFDM..........................................................12
1.4.1. Định nghĩa và khái niệm..........................................................................12
1.4.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM..........................................................................13
1.5. Kết luận chương..............................................................................................14

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


Chương 2................................................................................................................. 15
KỸ THUẬT OFDM...............................................................................................15

2.1. Giới thiệu.........................................................................................................15
2.2. Khái niệm chung.............................................................................................16
2.2.1. Hệ thống đơn sóng mang.........................................................................16
2.2.2. Hệ thống đa sóng mang............................................................................16
2.2.3. Tín hiệu trực giao.....................................................................................17
2.3. Sơ đồ hệ thống OFDM băng cơ sở.................................................................19
2.4. Cơ sở toán học.................................................................................................20
2.4.1. Trực giao...................................................................................................20
2.4.2. IFFT/FFT..................................................................................................20
2.5. Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM.................................................................21
2.5.1. Sơ đồ điều chế/ Giải điều chế...................................................................21
2.5.2. Mã hoá kênh.............................................................................................23
2.5.3. Sắp xếp......................................................................................................24
2.5.4. Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM...........................................................25
2.5.5. Tiền tố lặp CP............................................................................................26
2.5.6. Ước lượng kênh........................................................................................28
2.5.6.1. Khái niệm............................................................................................28
2.5.6.2. Ước lượng kênh trong miền tần số......................................................31
2.5.6.3. Ước lượng kênh trong miền thời gian..................................................31
2.6. So sánh độ phức tạp giữa kỹ thuật OFDM với điều chế đơn sóng mang....33
2.7. Kết luận chương..............................................................................................35
Chương 3................................................................................................................. 36
KỸ THUẬT MIMO...............................................................................................36
3.1. Giới thiệu.........................................................................................................36

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


3.1.1. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO..................................................................36
3.1.2. Khuyết điểm của hệ thống MIMO..........................................................37

3.2. Dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO.............................................37
3.3. Sơ lược phân tập..............................................................................................37
3.3.1. Phân tập thời gian....................................................................................38
3.3.2. Phân tập tần số.........................................................................................39
3.3.3. Phân tập không gian.................................................................................39
3.3.4. Các phương pháp kết hợp phân tập........................................................40
3.3.4.1. Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (SC)..........................................40
3.3.4.2. Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC)...............................................................41
3.3.4.3. Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC).........................................................42
3.4. Mã hóa khơng gian_thời gian.........................................................................44
3.4.1. Mã hóa khối khơng gian thời gian (Space time block Codes)...............45
3.4.1.1. Mã hóa Alamouti.................................................................................46
3.4.1.2 Orthogonal STBC Tarokh cho số anten phát bất kỳ..............................47
3.5. Kết luận chương..............................................................................................50
Chương 4................................................................................................................. 51
KỸ THUẬT MIMO-OFDM..................................................................................51
4.1. Giới thiệu.........................................................................................................51
4.2. Mô tả tổng quan về hệ thống MIMO_OFDM...............................................51
4.2.1. MIMO-OFDM Tx.....................................................................................52
4.2.2. MIMO_OFDM Rx....................................................................................52
4.2.3. Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM...................53
4.3. Phân tích hệ thống MIMO-OFDM................................................................54
4.3.1. Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM...........................................................54
4.3.2. Space-Time Block-Coded OFDM............................................................55
4.3.2.1. Hệ thống STBC-OFDM......................................................................55

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


4.3.2.2. Bộ phát STBC-OFDM.........................................................................56

4.3.2.3. Bộ thu STBC-OFDM..........................................................................57
4.4. Kết luận chương..............................................................................................60
Chương 5................................................................................................................. 61
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM & ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG................................................................................................................... 61
5.1. Giới thiệu nội dung mô phỏng........................................................................61
5.2. Các thông số mô phỏng...................................................................................61
5.2.1. Hệ thống OFDM.......................................................................................61
5.2.2. Hệ thống MIMO-OFDM..........................................................................62
5.2.3. Thông số kênh truyền...............................................................................62
5.3. Lưu đồ và sơ đồ thuật tốn của chương trình mơ phỏng.............................63
5.3.1. Truyền tín hiệu..........................................................................................63
5.3.2. Kênh truyền..............................................................................................63
5.3.3. Nhận tín hiệu............................................................................................64
5.3.4. Thuật tốn tính BER................................................................................65
5.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá.......................................................................66
5.5. Kết luận chương..............................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI..............................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................71
PHỤ LỤC.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.
A
AMPS

Advance Mobile Phone Service

AWGN

Addition White Gaussian Noise
B

BER

Bit Error Rate

BLAST

Bell labs Layered Space Time
C

CDMA

Code Division Multiple Access

CP

Cyclic Prefix

CNR

Carrier Noise Rate

CSI

Channel State Information
D

DFT

Discrete Fourier Transform
E

EGC

Equal Gain Combiner
F

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FEC

Forward Error Correcting

FFT

Fast Fourier Transform
G

GSM

Global System For Mobile Communication
I

IS-95

Interim Standard 95

IS-136

Interim Standard 136

ISI

InterSymbol Interference

ITU

International Telecom Union

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

ICI

InterChannel Interference
M

MS

Mobile Station

MIMO

Multi Input Multi Output

MMSE

Minimum Mean Square Error

MRC

Maximum Ratio Combiner

ML

Maximum Likelihood
N

NMT450

Nordic Mobile Telephone 450

NTT

Nipon Telegraph and Telephone
O

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P

PDC

Personal Digital Cell

PSK

Phase Shift Keying

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PSAM

Pilot Signal Assisted Modulation

PLL

Phase Lock Loop

pdf

Power Density Function
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation
R

RS

Reed-Solomon code
S

SC

Selection Combiner

STC

Space Time Coding

STBC

Space Time Block Coding

STTC

Space Time Trellis Coding

SNR

Signal to Noise Ratio

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

T
TACS

Total Access Communication System

TDMA

Time Division Multiple Access

TC

Turbo convolutional code
W

WCDMA

Wideband CDMA

WIFI

Wireless Fidelity

WIMAX

World Interoperability Microwave Access

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


DANH MỤC HÌNH VẼ.

DANH MỤC HÌNH VẼ.

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh.................................................................6
Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K...............................7
Hình 1.3: Mơ hình hiện tượng Doppler..................................................................11
Hình 1.4: Mơ hình tổng qt hệ thống MIMO-OFDM........................................13
Hình 2.1: Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang............................................16
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống đa sóng mang................................................................17
Hình 2.3a: Bốn sóng mang trực giao nhau............................................................18
Hình 2.3b: Phổ của 4 sóng mang trực giao............................................................18
Hình 2.4a: Kỹ thuật đa sóng mang.........................................................................18
Hình 2.4b: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao...........................18
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống OFDM...........................................................................19
Hình 2.6: Chùm tín hiệu M_QAM........................................................................22
Hình 2.7: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM................................................................27
Hình 2.8: Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường.. . .28
Hình 2.9: Tín hiệu Pilot trong miền thời gian và tần số........................................30
Hình 2.10: Tín hiệu pilot trong miền tần số...........................................................30
Hình 3.1: Mơ hình một hệ thống MIMO tiêu biểu................................................36

Hình 3.2: Mơ hình phân tập khơng gian................................................................39
Hình 3.3: Mơ hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn...........................................................41
Hình 3.4: Bộ tổ hợp kiểu quét.................................................................................41
Hình 3.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại.........................................................42

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


DANH MỤC HÌNH VẼ.

Hình 3.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx và 2Rx............................................43
Hình 3.7: Sơ đồ mã hố Alamouti..........................................................................46
Hình 3.8: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC.........................................................48
Hình 4.1: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM....................................51
Hình 4.2: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM...........................52
Hình 4.3: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM............................52
Hình 4.4: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM.................................................53
Hình 4.5: Mơ hình hệ thống STBC-OFDM 2x2........................................................55

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


LỜI NĨI ĐẦU.

LỜI NĨI ĐẦU
Mạng thơng tin di động có những ưu điểm mà mạng có dây khơng có được
như: tính lưu động, những nơi có địa hình phức tạp, trong khơng gian..v..v. Vì vậy
con người khơng ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động từng ngày, từ mạng
2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng các mơ hình mạng WIFI, WIMAX. Song song với
từng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM,

MIMO…Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng đều
được phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tín
hiệu, mở rộng băng thơng, chất lượng dịch vụ…
Trong đó OFDM và MIMO là hai kỹ thuật mới nhất đang được đưa vào thử
nghiệm và tiếp tục nghiên cứu trong hiện tại và tương lai. OFDM là kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để
truyền và nhận dữ liệu. OFDM thì đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế như:
truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh và đã đem lại những hiệu quả
đáng kể. Còn MIMO là một kỹ thuật mới nên vẫn còn đang trong quá trình thử
nghiệm và nghiên cứu.
Tuy nhiên, hiện nay người ta đã kết hợp hai kỹ thuật MIMO và OFDM vào
một số mơ hình như là WiMax, VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.16, 802.11n, đã
đem lại các kết quả cao trong thực tế.
Nội dung đồ án này trình bày tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM, trong đó sẽ tập
trung vào mơ hình STBC-OFDM.
Nội dung đồ án chia làm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật MIMO-OFDM và hệ thống thông tin di động.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM.
Chương 3: Kỹ thuật MIMO.
Chương 4: Kỹ thuật MIMO-OFDM.
Chương 5: Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM và đánh giá chất lượng hệ thống.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


LỜI NÓI ĐẦU.

Để đánh giá chất lượng của các hệ thống, trong đồ án đã đi sâu phân tích
từng thành phần của các kỹ thuật, tổng hợp các lí thuyết và các bài báo cáo khoa
học về đề tài liên quan. Sau cùng là thực hiện mô phỏng với các thông số về hệ

thống, môi trường truyền gần thực tế nhất để kiểm định lại phần lí thuyết cũng như
so sánh chất lượng giữa các hệ thống.
Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng cũng khơng thể
tránh được sai sót, em mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Minh Hưng, người trực tiếp hướng dẫn
em hoàn thành đề tài này.
Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cơ trong khoa, anh chị khóa trên, bạn bè đã hỗ
trợ tài liệu, động viên để em thực hiện tốt đồ án này.
Sinh viên thực hiện
Tống Xuân Nghĩa

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM
VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.
1.1. Giới thiệu.
Chương này giới thiệu khái quát về kỹ thuật MIMO-OFDM và thông tin di
động.
1.2. Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động.
1.2.1. Giới thiệu chung.
Thông tin di động thế hệ thứ nhất được phát triển vào những năm cuối thập
niên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency
Division Multiplex Access). Điển hình cho thế hệ này là một số hệ thống như:
AMPS (Advance Mobile Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên
tiến.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
0


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thơng tin truy nhập
tồn bộ.
NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc
Âu băng tần 450 Mhz.
NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900Mhz.
NTT (Nipon Telegraph and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sử dụng.
Một số đặc điểm của thế hệ này là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không
nhiều, chất lượng kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại …
Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cập
phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo
mã CDMA (Code Division Multiple Access). Hai thông số quan trọng đặc trưng cho
các hệ thống thông tin di động số là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính
di động. Một số hệ thống thơng tin di động thế hệ hai điển hình như:
GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống thơng tin di
động tồn cầu.
IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do
Qualcomm đề xuất.
IS-136 (Interim Standard 136): Tiêu chuẩn thông tin di dộng TDMA cải tiến
của Mĩ do AT&T đề xuất.
PDC (Personal Digital Cell ): Hệ thống tổ ong cá nhân của Nhật Bản.
Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thơng tin của
người sử dụng là 8-13Kbps. Chúng có những phát triển rất mạnh vào những năm

1990. Tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụ
mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, roaming, các yêu cầu về chất lượng cuộc
gọi …đã đòi hỏi các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thông tin di động mới.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
1


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

Trong bối cảnh đó ITU đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thơng tin di động thế hệ
thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại
hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thơng tin di động hiện có để
đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động. Nhiều tiêu chuẩn cho IMT2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được
ITU chấp nhận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thập kỉ 2000. Các hệ
thống này đều sử dụng công nghệ CDMA. Điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn
toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3.
WCDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ
thứ hai sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, PDC, IS-136. CDMA-2000 sẽ là sự
phát triển tiếp theo của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ
CDMA IS-95.
Nhưng không dễ để phát triển từ thế hệ hai sang thế hệ ba do các vấn đề kỹ
thuật giữa hai thế hệ có những điểm khác nhau. Thế giới có xu hướng quá độ lên thế
hệ 2.5 trước khi triển khai thế hệ 3. Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ
liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạch
kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng và số liệu 144 Kbps.
Thơng tin di động thế hệ thứ ba là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ
truyền thông cá nhân đa phương tiện. Một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông
tin di động thế hệ thứ 3:

 Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thơng đa phương tiện.
Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến
2Mbps.
 Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần theo yêu cầu. Điều
này xuất phát từ việc thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau.
Ngoài ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng: tốc độ
bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
2


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

 Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu. Nghĩa là phải
đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các
khả năng số hóa các dịch vụ số liệu.
 Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố
định nhất là đối với thoại.
 Mạng phải có khả năng sử dụng tồn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông
tin vệ tinh.
Để đạt được những yêu cầu này phải kể đến những kỹ thuật đã góp phần giải
quyết những vấn đề đó trong lĩnh vực thơng tin di động: sự hạn chế về dung lượng
hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu của người dùng, chất lượng dịch vụ, tuổi thọ của pin
trong các thiết bị di động…
1.2.2. Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động.
Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế
nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ
thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời gian

hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống. Nhưng phổ tần dành
cho thơng tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng
kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật
độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống khơng
cao.
Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và
nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển. Các hệ thống thông tin di
động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số
liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền
thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz. Nhưng tốc độ cực đại
này chỉ có trong các ơ pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14.4Kbps sẽ được
đảm bảo cho di động thông thường ở các ô macro.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
3


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.Trong
đồ án này sẽ tập trung trình bày kỹ thuật này.
1.3. Mơi trường vơ tuyến trong thông tin di động.
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên,
trong một kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt q trình truyền, tín hiệu nhận
được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc
xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín
hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc thu di chuyển
(hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vơ tuyến phụ thuộc vào các đặc tính

kênh truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn
đề rất quan trọng.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là mơi trường truyền sóng điện từ giữa máy
phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading
nhiều tia…Trong kênh truyền vơ tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu
giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu
ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.
Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật có
chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ. Phản xạ xuất hiện từ mặt đất,
các tòa cao ốc…
Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị
một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra ở khắp nơi.
Ở tần số cao, nhiễu xạ cũng như phản xạ phụ thuộc vào dạng hình học của
vật thể, biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Mặc dù cường
độ trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối), cường độ nhiễu xạ
cũng có và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
4


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua môi trường mà độ dài của các
vật thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích mơi trường là rất
lớn. Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh
truyền tạo ra sóng tán xạ. Thực tế thì tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện
tượng tán xạ trong thông tin di động.

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng
thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục
được ảnh hưởng của fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các
kênh fading khơng lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật
OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự
và đồng bộ sóng mang.
1.3.1. Méo biên độ.
1.3.1.1. Mơ hình fading Rayleigh.
Mobile Station (MS) khơng chỉ nhận tín hiệu phát mà cịn nhận nhiều phiên
bản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.
Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu nhiên
trong khoảng [0, 2  ]. Từ lí thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận được có
đặc tính nhiễu Gaussian thơng dải. Vì vậy hàm pdf của các thành phần đồng pha và
vng pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình khơng và phương sai
đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm. Hình bao pdf của chúng theo phân bố
Rayleigh:
P (r ) 

r  r 2 / 2 2
e
, r �0
2

(1.1)

 2 là phương sai

Và phân bố của  là:
p ( ) 

1
, 0 �  2
2

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
5

(1.2)


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh.

1.3.1.2. Mơ hình fading Rician.
Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trội
như đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vuông pha khơng cịn có
trung bình khơng dù phương sai của chúng vẫn giống nhau. Khi đó hàm pdf của tín
hiệu nhận được có phân bố Rician:
�r  ( A 2r ) Ar
� 2 e 2 I 0 ( 2 ) r �0
p(r )  �


�
0
r �0
�
2

2

(1.3)

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ
khác:
K

A2
2 2

(1.4)

Nếu khơng có thành phần trội A=0, I 0 = 1, hàm pdf Rician suy giảm thành
hàm pdf Rayleigh. Khi A khá lớn so với  , phân bố là xấp xỉ Gaussian. Vì vậy có
thể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading. Về mặt BER fading
Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
6


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K.

1.3.1.3. Thống kê của fading.
a) Fast fading.
Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của
kênh sẽ quyết định một kênh là slow fading hay fast fading. Trong một kênh fast
fading, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kì symbol. Và thường
do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như nhà cửa hoặc rừng
cây…Người ta thường xét fading trong từng 1/2 bước sóng. Hình bao của tín hiệu
nhận được có fast fading thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician.
Hai thông số quan trọng của fast fading là tốc độ vượt mức và thời gian
fading trung bình. Tốc độ vượt mức định nghĩa là tổng số lần bị fading trong một
khoảng thời gian chia cho chính khoảng thời gian đó. Nếu biết được thời gian
fading trung bình ta có thể chọn kỹ thuật mã hóa kiểm sốt lỗi thích hợp trong
truyền dẫn số. Cịn thời gian fading trung bình là tổng thời gian của từng fading chia
cho tổng số lần xảy ra fading. Giá trị này dùng để ước đoán số bit bị lỗi trong một
lần fading. Điều này lại được sử dụng để chọn phương thức mã hóa kênh thích hợp
trong hệ thống. Trong thực tế fast fading chỉ xuất hiện với tốc độ dữ liệu rất thấp.
b) Slow fading.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
7


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

Slow fading là sự thay đổi của suy hao được lấy trung bình trong khoảng vài
mét và chủ yếu là do phân bố địa hình và mơi trường xây dựng giữa MS và BS.
Thông thường Slow fading phân bố theo hàm lognomal, vì vậy hình bao của tín
hiệu nhận được tính theo đơn vị dB tuân theo phân bố Gaussian. Slow fading còn
được gọi là hiện tượng bóng mờ.

Một kênh đựơc gọi là fast fading hay slow fading khơng hẳn nó là kênh
fading phẳng hay kênh fading lựa chọn tần số. Fast fading chỉ đề cập đến tốc độ
thay đổi của kênh do sự chuyển động. Một số người thường nhầm lẫn giữa thuật
ngữ fast fading và slow fading với thuật ngữ fading diện rộng và fading diện hẹp.
Cần nhấn mạnh rằng fast fading và slow fading liên quan đến mối quan hệ giữa tỉ lệ
thời gian thay đổi trong kênh và tín hiệu phát, mà khơng liên quan đến mơ hình suy
hao đường truyền.
1.3.2. Suy hao đường truyền.
Tại anten phát, các sóng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để
truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng
lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ
cơng suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ
sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.
Cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:
  
PR PT GT G R 

 4R 

2

PR : Cơng suất tín hiệu thu được (W).
PT : Công suất phát (W).
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng).
Gp : Độ lợi anten phát.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
8

(1.5)


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

 : Bước sóng của sóng mang.
R: Khoảng cách truyền.
Hoặc ta có thể viết lại là:
2

2

PT  4R  1 1  4  2 2 1 1



 R f
PR    GT GR  c 
GT GR

(1.6)

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong khơng gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
=-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB

(1.7)

Nói chung truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể

xây dựng mơ hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc
trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm
vi ngắn. Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di
động, mạng LAN không dây, mơi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc
tạo ra các mơ hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô
tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về khơng gian tự do khơng được thỏa, chúng ta
có cơng thức tính suy hao đường truyền như sau:
L pl  10 log GT  10 log G R  20 log hBS  20 log10 hMS  40 log R

(1.8)

Với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.
1.3.3. Trải trễ trong hiện tượng đa đường.
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản
xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng
dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng
trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu
thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải
trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống khơng có cách khắc phục.
1.3.4. Tạp âm trắng Gauss.
Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
9


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng thơng và
có phân bố Gaussian về biên độ. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là

nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu
Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt
mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất
lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian
trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc
điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thơng tin vơ tuyến có thể được mơ
hình hố chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng (AWGN).
Như vậy tín hiệu khi truyền qua kênh truyền AWGN phải thêm vào một tín
hiệu ngẫu nhiên khơng mong muốn phân bố theo hàm Gauss:
p ( x) 

1
 2

e



( x   )2
2 2

(1.9)

1.3.5. Hiện tượng Doppler.
S

Vl
X

θ

θ

Di động

v

Y

Hình 1.3: Mơ hình hiện tượng Doppler.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
10


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóng
mang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền f C. Xét trường hợp khi MS
di chuyển với vận tốc khơng đổi v với góc  so với tín hiệu đến. Tín hiệu nhận
được là:
S (t )  Re  A exp  j 2 ( f C  f D )t  

(1.10)

Trong đó A là biên độ, fC là tần số phát, fD là dịch Dopper.
fD 

vf
v
cos( )= c cos( )

c

(1.11)

Như vậy tần số nhận là:
fr = fC - fD

(1.12)

Dịch Dopper cực đại:
fm=

vf c
c

(1.13)

Tần số dịch Doppler có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào đầu thu di chuyển
về phía đầu phát hay đi cách xa đầu phát. Trong mơi trường thực tế, tín hiệu đến
theo các đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc đến khác nhau. Xét một
sóng phát dạng sin, thay vì là một độ dịch Doppler đơn giản ta nhận được đoạn phổ
trải rộng từ f c (1  v / c) đến f c (1  v / c) để chỉ sự trải phổ Doppler. Khi mọi hướng
của trạm di động hoặc mọi góc đến giả sử có xác suất bằng nhau (phân phối đều ),
mật độ phổ công suất của tín hiệu nhận được tính theo cơng thức:
S( f ) 

K
2 f M

1
f  fc 2
1 (
)
fm

(1.14)

Với K là hằng số.
Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:
Rs ( )  K .cos(2 f c ) J 0 (2 f m )

(1.15)

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
11


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THƠNG TIN DI ĐỘNG.

J0 là hàm Bessel bậc khơng.
Dịch Doppler có thể gây ra các vấn đề quan trọng nếu kỹ thuật truyền dẫn
nhạy cảm với lệch tần số sóng mang chẳng hạn như kỹ thuật OFDM.
1.4. Tổng quan về kỹ thuật MIMO-OFDM.
Với sự phát triển dịch vụ di động, ngày càng yêu cầu tốc độ cao (băng thông

rộng) và chất lượng thơng tin tốt.
Trong đó kỹ thuật OFDM và MIMO đã được sử dụng để đáp ứng yêu cầu
trên. Kỹ thuật MIMO giúp tăng tốc độ dữ liệu và vẫn giữ được độ tin cậy thông tin,
giảm công suất phát. Và kỹ thuật OFDM giúp chống nhiễu, tăng cự li truyền tin
trong môi trường không dây. Kỹ thuật MIMO-OFDM là sự kết hợp của hai kỹ thuật
MIMO và OFDM để tận dụng cả hai ưu điểm của các kỹ thuật, mang lại chất lượng
thông tin trao đổi là tốt nhất.
1.4.1. Định nghĩa và khái niệm.
OFDM viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing, là kỹ thuật
ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban
đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ
được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao
với nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số
cao để truyền đi. Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau
đó được tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp. Loại bỏ sóng mang con, chuyển
về các luồng tín hiệu gốc. Cuối cùng được tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.
MIMO viết tắt của Multi Input Multi Output, là kỹ thuật sử dụng nhiều anten
phát hoặc nhiều anten phát và thu nhằm đạt được độ tin cậy của tín hiệu truyền dẫn
và tốc độ dữ liệu cao. Kỹ thuật MIMO là chia dòng dữ liệu ban đầu thành các dịng
dữ liệu con theo một thuận tốn cho trước, sau đó đưa từng dịng dữ liệu này đến
các anten tương ứng và truyền đi. Phía thu sẽ nhận được các dòng dữ liệu này, sử
dụng các thuật tốn thích hợp để tổng hợp lại dịng dữ liệu ban đầu.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
12


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM VÀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG.

MIMO-OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên.
1.4.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM.
Anten 1

Khối phát MIMO-OFDM

Bits
input

.
.
.
.

Khối
phát
MIMO

Khối phát
OFDM 1

TX1
Anten n

Khối phát
OFDM n

TXn

Khối nhận MIMO-OFDM

Anten 1
RX1

Khối thu
OFDM 1

RXm

Khối thu
OFDM m

Anten m

.
.
.
.

Khối thu
MIMO

Bits
output

Hình 1.4: Mơ hình tổng quát hệ thống MIMO-OFDM.

Khối phát MIMO-OFDM: Một chuỗi tín hiệu đầu vào sẽ được khối MIMO
mã hoá và tách ra thành các dãy tín hiệu riêng biệt. Từng dãy tín hiệu này sẽ được
đưa vào khối phát OFDM tương ứng để chuyển thành các tín hiệu OFDM. Sau đó
được đưa đến khối TX để chuyển thành tín hiệu cao tần và truyền đi qua các anten.

Khối thu MIMO-OFDM: Tín hiệu cao tần được thu nhận bởi các anten ở
khối thu. Bộ RX sẽ chuyển tín hiệu cao tần thành các tín hiệu tần số thấp. Khối thu
OFDM sẽ chuyển tín hiệu OFDM thành các tín hiệu thơng thường. Khối thu MIMO
sẽ giải mã và tổng hợp các dãy tín hiệu sau khối thu OFDM thành một chuỗi tín
hiệu ban đầu.
1.5. Kết luận chương.

Ketnooi.com diễn đàn chia sẻ kiến thức, công nghệ
13