(Luận văn thạc sĩ hcmute) đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống mimo ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ VĂN QUANG

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN
TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 3 6 1 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
VŨ VĂN QUANG

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG
MÃ KHỐI KHÔNG GIAN-THỜI GIAN
TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012

Luan van


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: VŨ VĂN QUANG

Giới tính: Nam,

Ngày, tháng, năm sinh: 29/07/1972

Nơi sinh: Hậu Giang

Quê quán: Thanh Hóa

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: F3 Đƣờng Mậu Thân, Q.Ninh Kiều, TPCT
Điện thoại : 0913.135.333

Điện thoại cơ quan:

E-mail:

Fax:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 09/1991 đến 09/1996

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Cần Thơ
Ngành học: Điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 5/1996 tại trƣờng Đại
học Cần Thơ
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 10/2010 đến 10/2012
Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật điện tử.
Tên luận văn: Đánh giá chất lƣợng mã khối không gian-thời gian trong hệ
thống MIMO-OFDM
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 10 năm 2012, Trƣờng Đại học Sƣ phạm
Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Phạm Hồng Liên
3. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh - mức độ: B1

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

ii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Bƣu Điện Tỉnh Cần Thơ

Kỹ thuật tổng đài

Từ 2001 đến 2010

CH- ĐTDĐ T & Q Cần Thơ

Kỹ thuật viên

Từ 2010 đến nay

TT. Đại học tại chức Cần Thơ

Giảng viên

Thời gian
Từ 10/1996 đến
08/2001

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

iii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn này là do bản thân tôi tự nghiên cứu và thực hiện theo
sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Phạm Hồng Liên.
Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng tài liệu từ các bài báo khoa học
trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các ebook về
mã khối không gian-thời gian (STBC) và ứng dụng trong truyền thông không dây,
các tƣ liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo của luận văn.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Vũ Văn Quang

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

iv

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của PGS-TS. Phạm
Hồng Liên. Tôi xin đƣợc phép gửi đến Cơ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện
nghiêm túc giúp tôi hồn chỉnh luận văn này.
Tơi xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử -Viễn Thông, quý
thầy cơ cơng tác ở phịng Sau Đại Học trƣờng Sƣ Phạm Kỹ Thuật-TP Hồ Chí Minh
đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học cao học .
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn khóa trƣớc, các bạn cùng khóa, các
bạn đồng nghiệp … đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt q trình học tập, nghiên
cứu.
Sau cùng tơi xin chân thành cảm ơn gia đình-Những ngƣời đã làm tất cả để
cho tơi có đƣợc ngày hơm nay.

TP Hồ Chí Minh , ngày tháng 10 năm 2012

Vũ Văn Quang

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

v

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

TÓM TẮT
OFDM đem lại những lợi ích nhƣ hiệu quả sử dụng phổ và thích hợp cho truyền
dẫn tốc độ cao trên kênh fading đa đƣờng. Hệ thống MIMO có thể tăng độ lợi phân
tập, hoặc độ lợi dung lƣợng trên các kênh truyền fading phẳng. Đối với truyền dẫn
tốc độ cao, kênh MIMO chọn lọc tần số (fading khơng phẳng) có thể chuyển sang
một tập các kênh con fading phẳng bằng cách kết hợp giữa MIMO và kỹ thuật
OFDM, điều này có thể giảm độ phức tạp của bộ thu và có thể giải quyết đƣợc vấn
đề fading đa đƣờng một cách hiệu quả.
Hệ thống MIMO-OFDM hiện nay đã đƣợc chấp nhận nhƣ là một tiêu chuẩn
truyền dẫn tốc độ cao, mang lại hiệu quả và chất lƣợng dịch vụ tốt cho các hệ thống
vô tuyến băng rộng ở các thế hệ tƣơng lai. Hệ thống MIMO-OFDM với mã hóa
khối khơng gian-thời gian (STBC) có khả năng chống lại ảnh hƣởng của các hiện
tƣợng nhƣ đa đƣờng, fading chọn lọc tần số một cách hết sức hiệu quả. Hơn thế, tỉ

số SER đạt đƣợc là nhỏ và độ phức tạp mã hóa thấp.
Luận văn này tập trung nghiên cứu việc mã hóa, giải mã khối không gian-thời
gian (STBC), mã không gian-tần số (SFC), mã khơng gian-thời gian-tần số (STF),
mơ hình hệ thống MIMO-OFDM. Sau cùng việc mơ phỏng các mơ hình hệ thống
MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF sẽ đƣợc xây dựng và
phân tích chất lƣợng dƣới mơi trƣờng truyền dẫn fading Rayleigh.
Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC đã đạt
đƣợc hiệu quả BER tốt hơn hệ thống MIMO-OFDM khi không sử dụng mã hóa
STBC. Kết quả mơ phỏng đã chứng mình đƣợc khả năng kiểm sốt lỗi của hệ thống
khi sử dụng mã STF đƣợc cải thiện hơn so với mã STBC và SFC.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

vi

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

ABSTRACT
The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for
high-data-rate transmission over a multi-path fading channel. MIMO systems may
be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a
capacity gain in flat fading channels. For high-data-rate transmission, the
frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed

into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and
OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the
multi-path fading efficiently.
MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official
standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next
generation broadband wireless communication systems. MIMO-OFDM system with
space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects
and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is
low.
The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes,
MIMO, and MIMO-OFDM system models. Finally, simulation model of MIMO,
MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances
under Rayleigh fading channel is analyzed. The simulation results show that the
MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system
without STBC in BER performance. By the simulation results, we have
demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes
was improved more than the system which used STBC and SFC codes.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

vii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

MỤC LỤC
QUYếT ĐịNH GIAO Đề TÀI………………………………………..…………… i
LÝ LịCH KHOA HọC………………………………………………..…………... ii
LờI CAM ĐOAN………………………………………………………………… iii
CảM ƠN ...................................................................................................................... v
TÓM TắT LUẬN VĂN .............................................................................................vi
ABSTRACT ............................................................................................................. vii
MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................xiv
DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................xvi
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................. xviii
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ............................................................ 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngoài nƣớc đã
công bố ........................................................................................................................ 1
1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................................3
1.3 Mục đích của đề tài ............................................................................................. 4
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ................................................................ 5
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu..................................................................................... 5
CHƢƠNG 2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ......................................................... 6
2.1 Khái niệm kênh vô tuyến [3][10] ........................................................................6
2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10] ....................................................................6
2.3 Fading diện hẹp [2][10]...................................................................................... 6
2.3.1

Hiện tƣợng đa đƣờng (multipath) ..................................................................7

2.3.2

Hiệu ứng dịch Doppler ..................................................................................7

2.3.3

Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)...................................................................8

2.3.4

Phân loại Fading diện hẹp ..............................................................................8

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

viii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

2.4 Các mô hình kênh fading ....................................................................................9
2.4.1

Mơ hình kênh fading Rayleigh ......................................................................9

2.4.2

Mơ hình kênh fading Ricean .......................................................................10

2.4.3

Mơ hình fading chọn lọc tần số ...................................................................10

2.5 Kết luận ............................................................................................................11
CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG TRỰC GIAO
OFDM ....................................................................................................................... 12
3.1 Giới thiệu...........................................................................................................12
3.2 Mơ hình hệ thống ............................................................................................. 13
3.3 Một số ƣu khuyết điểm chính của kỹ thuật OFDM..........................................18
3.3.1

Ƣu điểm .......................................................................................................18

3.3.2

Khuyết điểm ................................................................................................ 18

3.4 Kết luận ............................................................................................................19
CHƢƠNG 4 HỆ THỐNG NHIỀU ANTEN MIMO ..........................................20
4.1 Giới thiệu..........................................................................................................20
4.2 Các kỹ thuật Phân tập ....................................................................................... 20
4.3 Mơ hình hệ thống MIMO .................................................................................22
4.4 Dung lƣợng hệ thống........................................................................................ 23
4.5 Kết luận ............................................................................................................25
CHƢƠNG 5 MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ........................ 26
5.1 Giới thiệu [3] ....................................................................................................26
5.2 Mã khối không gian thời gian (STBC) ............................................................ 26
5.2.1

Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian-thời gian ...................................27

5.2.2

Sơ đồ Alamouti ............................................................................................ 28

5.3 Giải mã STBC ..................................................................................................29
5.4 Mã Khối không gian –thời gian trực giao (OSTBC) .......................................32
5.4.1

Một số mã OSTBC cho chịm sao tín hiệu thực ..........................................32

5.4.2

Một số mã OSTBC cho chịm sao tín hiệu phức .........................................34

5.5 Mã không gian-tần số SFC ...............................................................................35
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

ix

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

5.5.1

Giới thiệu ....................................................................................................35

5.5.2

Thiết kế mã SF tốc độ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] ..................................... 36

5.6 MÃ KHÔNG GIAN-THỜI GIAN-TẦN SỐ STFC [14],[16] ......................... 37
5.6.1

Giới thiệu..................................................................................................... 38

5.6.2

Thiết kế mã STF tốc độ 1 (STF-rate ) ......................................................... 38

5.7 Kết luận ............................................................................................................39
CHƢƠNG 6 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG STBC-MIMO-OFDM .................................41
6.1 Mơ hình hệ thống MIMO mã hóa STBC .......................................................... 41
6.1.1

Hệ thống hai Anten phát, một anten thu ...................................................... 41

6.1.2

Hệ thống hai Anten phát, hai anten thu ....................................................... 43

6.2 Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC .......................................................... 44

6.2.1

Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM ............................................................... 44

6.2.2

Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC ........................................47

6.2.3

Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC...........................................54

6.2.4

Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STFC ........................................55

CHƢƠNG 7 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB ..................................58
7.1 Sơ đồ mơ phỏng ................................................................................................54
7.2 Các kết quả mô phỏng dung lƣợng ...................................................................54
7.3 Các kết quả mô phỏng hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO ........................57
7.4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM ..................................................................62
7.5 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC .......................................................68
7.6 Mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC ..........................................74
7.7 Mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF ................................................76
7.7.1

SF-rate 1 .......................................................................................................76

7.7.2

SF-rate N .. ...................................................................................................81

7.8 Mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF .............................................83
7.8.1

STF-rate1...................................................................................................... 91

7.8.2

STF-rate N .................................................................................................... 91

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

x

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

7.8.3 Mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa với mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và
STFC-rate 1&2 .......................................................................................................... 92
Chƣơng 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 93
8.1 Kết luận .......................................................................................................... 103
8.2 Các kiến nghị ................................................................................................ 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 105

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xi

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu trắng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ bit lỗi

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp (Khoảng bảo vệ)

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu liên kênh

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi ngƣợc fourier rời rạc

IDFT

Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi ngƣợc fourier nhanh

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

LP

Linear Precoded

Tiền mã hóa tuyến tính

LOS

Light Of sight

Tầm nhìn thẳng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

MISO

Multiple Input Single Output

Nhiều ngõ vào một ngõ ra

ML

Maximum Likelihood

Tƣơng đồng tối đa

MMSE

Minimum Mean Square Error

Lỗi bình phƣơng trung bình nhỏ nhất

MRC

Maximum Ratio combination

Kết hợp tỉ số cực đại

NLOS

Non Light Of Sight

Khơng có tầm nhìn thẳng

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing

giao

P/S

Parallel to Serial

Chuyển đổi song song sang nối tiếp

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

QAM

Quadrature Amplitute

Điều chế biên độ vuông

OFDM

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha vuông

SER

Symbol Error Rate

Tốc độ lỗi ký tự

SFC

Space Frequency Code

Mã không- gian tần số

SIMO

Single Input Multiple Output

Một ngõ vào nhiều ngõ ra

SISO

Single Input Single Output

Một ngõ vào một ngõ ra

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

S/P

Serial to Parallel

Chuyển nối tiếp sang song song

STBC

Space-Time Block Code

Mã khối không gian-thời gian

STFC

Space-Time-Frequency Code

Mã khối không gian-thời gian-tần số

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã xoắn không gian-thời gian

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xiii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Mơ hình kênh truyền đa đƣờng[18]............................................................7
Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler ...............................................................................7
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản .........................................................13
Hình 3.2: Khái niệm CP ...........................................................................................15
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống MIMO [17] ..............................................23
Hình 4.2: Mơ hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO ............................................24
Hình 5.1: Ma trận mã STBC. ...................................................................................27
Hình 5.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti ..............................................................28
Hình 5.3: Bộ thu cho sơ đồ Alamouti ......................................................................29
Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] ...............................................................................36
Hình 5.5: Cơ chế truyền mã STF .............................................................................38
Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N...................................................................................38

Hình 6.1: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] .....................................42
Hình 6.2: Sơ đồ mã STBC với hai anten phát và hai anten thu [19]......................43
Hình 6.3: Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM ............................................................45
Hình 6.4: Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC ....................................48
Hình 6.4: Mơ hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu ..........................................53
Hình 7.1: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM ...............................................59
Hình 7.2: Mơ phỏng dung lƣợng hệ thống ...............................................................60
Hình 7.3: Mơ phỏng dung lƣợng Ergodic ................................................................60
Hình 7.4: SER của các hệ thống SISO, SIMO, MISO, MIMO ...............................63
Hình 7.5: SER của các hệ thống SISO, MISO (thay đổi số anten phát) ..................64
Hình 7.6: SER của các hệ thống MISO, MIMO (thay đổi số anten thu) .................64
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xiv

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Hình 7.7: SER của các hệ thống có cùng mức phân tập (khơng mã hóa) ................65
Hình 7.8: SER của hệ thống MIMO-OFDM thay đổi số anten phát .......................67
Hình 7.10: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi L.....................................................69
...................................................................................................................................69
Hình 7.11: MIMO-OFDM – SER cung mức phân tập (khơng mã hóa) ..................69
Hình 7.12: SER của hệ thống MIMO-STBC tăng số anten phát .............................71

Hình 7.13: SER của hệ thống MIMO-STBC khi thay đổi số anten thu ...................72
Hình 7.14: SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G2 .....................73
Hình 7.15 : SER của hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC-G4 .....................73
Hình 7.16a: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập phát .....................75
Hình 7.16b: BER của hệ thống MIMO-OFDM-STBC phân tập thu .......................75
Hình 7.17: BER của hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC, ................................76
MIMO -OFDM-STBC ..............................................................................................76
Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát .........................79
Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu ...........................79
Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 –tăng đƣờng phân tập. ....................................80
Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu ...........................82
Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 – Phân tập tần số ............................................83
Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 – cùng mức phân tập. .....................................83
Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát ....................................85
Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu .....................................86
Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian.............................86
Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số .................................87
Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 –cùng mức phân tập ....................................87
Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu ......................................89
Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian.............................89
Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số .................................90
Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập ...........................90
Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 ...............................................91
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xv

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang

Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 ...............................................92

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xvi

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thiết kế tồn tốc [10] ...........................33
Bảng 7.1: Các thơng số mô phỏng hệ thống SIMO, MISO, MIMO ........................59
Bảng 7.2: So sánh dung lƣợng của các hệ thống MIMO .........................................61

Bảng 7.4: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO ...............................................62
Bảng 7.5: So sánh BER giữa hệ thống anten SISO và MIMO .................................63
Bảng 7.6: So sánh hệ thống MIMO phân tập thu tại SER= 103 dB ..........................65
Bảng 7.7: So sánh hệ thống MIMO cùng mức phân tập tại SER= 103 dB ...............66
Bảng 7.9: So sánh hệ thống MIMO-OFDM phân tập thu tại BER= 103 3dB ...........68
Bảng 7.10: So sánh hệ thống MIMO-OFDM cùng mức phân tập tại BER= 103 dB 70
Bảng 7.12: So hệ thống MIMO-STBC phân tập phát tại BER= 103 dB ...................71
Bảng 7.13: So sánh hệ thống MIMO-STBC phân tập thu tại BER= 103 dB ............72
Bảng 7.14: So sánh hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G2) .....................74
tại BER= 103 dB ........................................................................................................74
Bảng 7.15: So hệ thống MIMO-OFDM với MIMO-STBC(G4) ..............................74
tại BER= 103 dB .......................................................................................................74
Bảng 7.16: So hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STBC tại BER= 103 dB ................76
Bảng 7.17: So sánh hệ thống MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã
hóa STBC tại BER= 103 dB.......................................................................................77
Bảng 7.18: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 .........78
Bảng 7.19: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 103 dB ...........................80
Bảng 7.20: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 103 dB ...........................80
Bảng 7.21: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N.........81
Bảng 7.22: So sánh hệ thống MIMO-OFDM -SFC BER= 103 dB ...........................82

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xvii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang

Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Bảng 7.24: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ 1 .........84
Bảng 7.25: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO_OFDM-SFC tốc độ N.........88
Bảng 7.26: Các thông số mô phỏng hệ thống MIMO mã hóa STBC, SFC, STF ....91

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

xviii

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Chƣơng 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả trong và ngồi nƣớc
đã cơng bố
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bƣớc tiến
triển vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và các ứng dụng đa
phƣơng tiện trên Internet, điện thoại di động hiện đã có mặt ở khắp mọi nơi, nhu
cầu về truyền thông đa phƣơng tiện di động đã và đang phát triển rầm rộ, địi hỏi

u cầu về băng thơng cũng nhƣ dung lƣợng ngày càng trở nên cấp bách hơn bao
giờ hết. Việc nghiên cứu để tìm ra các phƣơng pháp mới, các thiết bị mới đã và
đang diễn ra khắp nơi trên toàn thế giới nhằm cho ra đời các sản phẩm thế hệ kế tiếp
chất lƣợng hơn, phù hợp hơn, và tin cậy hơn nhằm thỏa mãn nhu cầu vô tận của con
ngƣời cả về chất lƣợng lẫn đa dạng dịch vụ mạng.
Các hệ thống thông tin không dây luôn đƣợc nghiên cứu nhằm cải thiện chất
lƣợng dung lƣợng cũng nhƣ khả năng chống lại hiện tƣợng đa đƣờng. Đối với các
hệ thống thơng tin truyền thống chất lƣợng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng
cơng suất phát; tƣơng tự dung lƣợng kênh truyền cũng có thể tăng khi tăng băng
thơng. Tuy nhiên cơng suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì
cơng suất phát càng tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin
xung quanh, băng thông của hệ thống cũng khơng thể tăng mãi lên đƣợc vì việc
phân bố băng thông đã đƣợc định chuẩn sẵn. Các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng
rộng rãi nhằm giảm ảnh hƣởng của fading đa đƣờng và cải thiện độ tin cậy của
truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông [2][11].
Với sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật nhƣ kỹ thuật xử lý số tín hiệu (DSP),
đặc biệt là cơng nghệ VLSI, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) đã và đang đƣợc quan tâm nhiều hơn, ứng dụng nhiều hơn trong việc cải

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 1

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

thiện hiệu quả băng thông cho hệ thống vô tuyến. Ở băng hẹp (narrowband), kênh
fading là kênh fading phẳng (flat fading), phƣơng pháp mã hóa khơng gian-thời
gian (ST) đã đƣợc đề xuất để khai thác phân tập không gian và thời gian [8]. Cịn ở
băng thơng rộng (ở broadband), kênh fading là kênh lựa chọn tần số (selection
frequency fading). Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) chuyển
các kênh fading đa đƣờng lựa chọn tần số thành các kênh fading phẳng song song,
vì vậy nó có thể làm giảm ảnh hƣởng của fading. Với một khoảng bảo vệ đủ lớn, kỹ
thuật OFDM cịn loại bỏ đƣợc hiệu ứng ISI. Ngồi ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM
còn giảm độ phức tạp của bộ cân bằng và tăng hiệu quả sử dụng phổ [2].
Bài báo năm 1996 và 1999, các tác giả Foschini và Telatar [20], [22] đã chứng
minh rằng hệ thống thơng tin có nhiều anten (MIMO-Multiple-Input MultipleOutput) có dung lƣợng cao hơn nhiều so với các hệ thống chỉ có một anten (SISO).
Bài báo đã chỉ ra rằng việc cải thiện dung lƣợng gần nhƣ tăng tuyến tính với số
lƣợng anten phát hoặc anten thu. Kết quả này cho thấy tính ƣu việt của hệ thống
nhiều anten và ngày càng có nhiều sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực này, nhiều
cơng trình nghiên cứu đã đƣợc thực hiện nhằm cải tiến cũng nhƣ khái quát hóa các
kết quả của họ.
Bài báo của các tác giả V.Tarokh, N.Seshadri, and A. R. Calderbank (1998), đã
sử dụng mã không gian-thời gian (Space-time codes) cho các hệ thống vô tuyến tốc
độ cao [4]. Kết quả là các symbols đã đƣợc mã hóa và đƣợc truyền đồng thời trên
tất cả các anten, sau đó đƣợc giải mã bằng giải thuật phát hiện tƣơng đồng tối đa
(ML - maximum likelihood decoder). Cách làm này rất hiệu quả vì nó kết hợp giữa
việc sửa lỗi với phân tập đƣờng truyền để tăng dung lƣợng hệ thống.
Cũng trong năm 1998, bài báo của tác giả Alamouti [5] đã đề cử mã khối không
gian-thời gian (STBC) đơn giản hơn, hấp dẫn hơn nhờ có độ phức tạp mã thấp, cho
độ phân tập đầy và tồn tốc thích hợp cho mơi trƣờng fading chậm. STBC có thể
tăng dung lƣợng bằng cách khai thác độ phân tập không gian. Điều này đặc biệt hữu
ích trong trƣờng hợp trải phổ (delay spread) thấp (ít bị phân tán tần số). Với việc
dùng nhiều hơn một anten phát hay thu, hình thành một kênh nhiều đầu vào nhiều

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 2

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

đầu ra (MIMO), ta có đƣợc các phƣơng pháp phân tập, ví dụ nhƣ phân tập không
gian, phân tập thời gian hay phân tập tần số. Đây là một trong những đột phá quan
trọng nhất trong kỹ thuật truyền thông hiện đại.
Một đặc điểm cực kỳ quan trọng của hệ thống nhiều anten MIMO đó là khả
năng biến ảnh hƣởng của truyền dẫn đa đƣờng, theo truyền thống trƣớc đây đƣợc
coi là một điểm bất lợi cho các kênh truyền vô tuyến, thành một lợi điểm. Việc tăng
tính phân tập MIMO sẽ giúp giảm xác suất sai và tăng khả năng sử dụng kênh
truyền [3].
Bài báo năm 2011 của các tác giả Muhammad Sana Ullah, Mohammed Jashim
Uddin đã phân tích chất lƣợng hệ thống MIMO dựa trên sơ đồ mã hóa của Alamouti
và phƣơng pháp kết hợp tỉ số cực đại (MRC). Kết quả mô phỏng đã đạt đƣợc với tỉ
số BER rất tốt, ngay cả khi SNR thấp [11].
Từ những ƣu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết
hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM hiện đang là một giải pháp đầy hứa hẹn và
đã đƣợc chấp nhận nhƣ là sơ đồ truyền dẫn cho các hệ thống không dây băng thông
rộng trong tƣơng lai. Hiện tại MIMO-OFDM đang đƣợc ứng dụng trong WiMAX
theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 [2],[3].

Tại hội nghị khoa học IEEE năm 2011, các tác giả ZHANG jie, LIU liang, LI
jin [1] đã nghiên cứu và đƣa ra các kết quả cho thấy rằng các sơ đồ mã Alamouti
(STBC) kết hợp với hệ thống MIMO-OFDM chính là một sự kết hợp hồn hảo cho
việc cải thiện nhằm tăng dung lƣợng kênh đồng thời giảm tỉ số BER một cách đáng
kể.
1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lƣợng kênh truyền, sử dụng băng thông rất
hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lƣợng của hệ thống
đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà khơng cần
tăng cơng suất phát cũng nhƣ tăng băng thông của hệ thống. Điều này làm thỏa mãn
các yêu cầu bức thiết về dịch vụ đang đƣợc phát triển phổ biến hiện nay nhƣ: mạng
truy cập Internet, ADSL, thƣơng mại điện tử, e-mail, video theo yêu cầu …
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 3

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Với những ƣu điểm nổi bật của mình, hiện nay OFDM đã đƣợc ứng dụng rộng
rãi cả trong vô tuyến và hữu tuyến nhƣ: trong phát thanh số DAB (Digital Audio
Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital Video Broadcasting), Mạng ADSL,
mạng cục bộ chất lƣợng cao HIPERLAN (High Performance Local Area
Networks), mạng cục bộ vơ tuyến WLAN (Wireless Local Area Network) theo

chuẩn 802.11.a …[2],[3].
Ngồi việc cải tiến tốc độ dữ liệu, hệ thống OFDM/MIMO cung cấp cả hai phân
tập không gian và tần số. Để khai thác những lợi thế này, một loạt các mã STBC
(Space Time Block Code), STF/SF (Space Time Frequency/Space Frequency) đƣợc
đề xuất [13 – 20]. Các ƣu điểm của hệ thống MIMO và điều chế OFDM đã đƣợc kết
hợp lại cho ra đời hệ thống MIMO-OFDM. Việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ
thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho các thế hệ thông tin không dây băng
rộng trong tƣơng lai. Hiện tại, hệ thống MIMO-OFDM đã đƣợc chọn làm nền tảng
cho sự phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ - 4G[3].
Nghiên cứu các phƣơng pháp mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM để đạt
đƣợc độ lợi phân tập tối đa nhằm tối ƣu hóa chất lƣợng hệ thống thơng tin vơ tuyến
trong mơi trƣờng fading chọn lọc tần số là vấn đề hết sức cần thiết. Chính vì lẽ đó
tơi quyết định chọn đề tài “ đánh giá chất lƣợng mã STBC cho hệ thống MIMOOFDM ”.
1.3 Mục đích của đề tài
- Khảo sát mã khối không gian-thời gian STBC, SFC, STFC trong hệ thống
MIMO, MIMO-OFDM.
- Mô phỏng kết quả bằng phần mềm Matlab ứng với từng trƣờng hợp: hệ thống
MIMO, MIMO-OFDM, MIMO-STBC, MIMO-OFDM-STBC/SFC/STFC. Vẽ đồ
thị tỷ số lỗi ký tự (Symbol Error Rate-SER) tƣơng ứng với các mức cơng suất tín
hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) khác nhau.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 4

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang

Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu về mã khối không gian-thời gian (STBC), về các hệ
thống kết hợp MIMO-OFDM và hệ thống kết hợp MIMO-OFDM dựa trên cơ sở mã
hóa STBC.
- Tập trung mơ phỏng, phân tích và so sánh các kết quả đạt đƣợc về dung lƣợng
và SER trong từng trƣờng hợp để làm cơ sở cho việc đánh giá.
- Các trƣờng hợp mô phỏng đã đƣợc giới hạn trong phạm vi thông tin về trạng
thái kênh truyền (channel state information: CSI) đƣợc biết trƣớc, trong môi trƣờng
truyền giả tĩnh (quasi-static) và chịu tác động bởi fading Rayleigh.
- Tuy nhiên trong quá trình thực hiện, tơi đã mở rộng, nghiên cứu thêm các loại
mã không gian-tần số (SFC) và mã không gian-thời gian-tần số (STFC) để có thêm
nhiều dữ liệu so sánh. Từ cơ sở lý thuyết và các kết quả mô phỏng đạt đƣợc cho
thấy những ƣu khuyết điểm của mã STBC cũng nhƣ khả năng ứng dụng của các loại
mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM.
Nội dung luận văn gồm có 08 chƣơng nhƣ sau:
- Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan
- Chƣơng 2: Kênh truyền vô tuyến
- Chƣơng 3: Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
- Chƣơng 4: Hệ thống nhiều Anten MIMO
- Chƣơng 5: Mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
- Chƣơng 6: Sơ đồ hệ thống STBC/SFC/STFC-MIMO-OFDM
- Chƣơng 7: Các kết quả mô phỏng trên Matlab
- Chƣơng 8: Kết luận và hƣớng nghiên cứu
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Dựa trên bài báo IEEE, các tạp chí khoa học, các luận văn, cơng trình nghiên
cứu khoa học về lĩnh vực có liên quan của các tác giả trong và ngồi nƣớc. Từ đó

tổng hợp, phân tích lý thuyết và mơ phỏng kết quả tính tốn bằng phần mềm
Matlab.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 5

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang


Luận văn thạc sỹ

Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

Chƣơng 2

KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN
2.1 Khái niệm kênh vơ tuyến [3][10]
Khi truyền trên kênh vơ tuyến di động, ngồi các ảnh hƣởng bởi suy hao, can
nhiễu, tín hiệu nhận cịn chịu ảnh hƣởng bởi các hiện tƣợng phản xạ, khúc xạ, nhiễu
xạ, tán xạ, hiệu ứng dịch Dopler…, các hiện tƣợng này đƣợc gọi chung là hiện
tƣợng fading. Kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên bản khác nhau của
tín hiệu. Các phiên bản thu đƣợc này cũng sẽ rất khác nhau cả về biên độ và về pha
so với tín hiệu ban đầu. Điều này đã làm ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng kênh
truyền. Có 02 loại fading cơ bản đó là fading suy giảm diện rộng (Large-Scale Path
Loss) và fading suy giảm diện hẹp (Small-Scale Fading and Multipath).
2.2 Fading suy giảm diện rộng [2][10]
Là sƣ̣ suy giảm công suấ t trung bin

̀ h của tin
́ hiê ̣u khi truyề

n tƣ̀ máy phát đến

máy thu do hiê ̣n tƣơ ̣ng che chắ n , hấp thụ và suy hao do anten,…
Trong khơng gian tự do, sóng ln đƣợc lan truyền ra theo dạng hình cầu và do
đó mật độ công suất sẽ giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình cầu này. Cơng suất
tại phía thu trong không gian tự do đƣợc cho bởi phƣơng trình Friis:
 λ 
Pr  Pt G t G t 

 4 πR 

2

(2.1)

Trong đó Pt là cơng suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu đƣợc, Gt là độ lợi
anten phát và Gr là độ lợi anten thu, 𝝀 là khoảng cách bƣớc sóng (m).
2.3 Fading diện hẹp [2][10]
Fading là sự thay đổi nhanh về biên độ, pha hoặc trễ đa đƣờng của tín hiệu phát
trong một khoảng thời gian hoặc một khoảng cách tƣơng đối nhỏ. Fading là do có
sự giao thoa của một hoặc nhiều phiên bản của tín hiệu đã đƣợc phát đến máy thu

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

Trang 6

Luan van

HVTH: Vũ Văn Quang