hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật stbc

Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án hay công
trình đã có trước đây. Nếu vi phạm điều trên tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật từ
thầy cô và hội đồng bảo vệ.
xin chân thành cảm ơn!
Đà nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện


•
Trang 1
Phân công nhiệm vụ
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1.Sinh viên thực hiện:
Lớp : 08DT
• Nhiệm vụ : Code phần MIMO-STBC và thực hiện khảo sát hàm Polynomial
2.Sinh viên thực hiện:
Lớp : 08DT
• Nhiệm vụ : Code phần MIMO-STBC-OFDM và thực hiện khảo sát hàm
Exponential

Trang 2
Mục lục
MỤC LỤC
Trang 3
Các từ viết tắt
CÁC TỪ VIẾT TẮT
A .
ADSL Asynchronous Digital Đường dây thuê bao số bất đối
xứng

Subscriber Line
A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự-số
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng
B .
BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
C .
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CP Cycle Prefix Tiền tố lặp
CFO Carrier Frequency Offset Lệch tần số sóng mang
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền
D .
DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá
DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá
DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc
F .
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh chia theo tần số
Trang 4
Các từ viết tắt
FEC Forward Error Control Kiểm soát lỗi tiến
FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh
I .
IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử
Electronics Engineers
ICI InterCarrier Interference Nhiễu liên sóng mang
ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự
IDFT Inverse Discrete Fourier Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc
Transform
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi ngược Fourier nhanh
L .

LAN Local Area Networks Mạng máy tính cục bộ
LTE Long Term Evolution Sự phát triển lâu dài
LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
M .
MAN Metropolitan Area Networks Mạng đô thị băng rộng
MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào-đa đầu ra
MISO Multiple Input single Output Hệ thống đa đầu vào-một đầu ra
MS Mobile Station Trạm di động
ML Maximun Likelihood Khả năng tối đa
Trang 5
Các từ viết tắt
MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số tối đa
O .
OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số
Multiplexing trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần
Multiple Access số trực giao
OLOS Obstructed Line Of sight Tầm nhìn thẳng bị che chắn
S .
SCE Space-Time Encoding Mã hóa không gian-thời gian
SCD Space-Time Decoding Giải mã không gian-thời gian
STC Space-time codes Mã hóa không gian-thời gian
STBC Space Time Block Coding Mã hóa khối không gian-thời gian
STTC Space-Time Trellis Code Mã hóa lưới không gian-thời gian
SIMO Single Input Multiple Output Hệ thống một đầu vào-đa đầu ra
SISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào-một đầu ra
W .
WiMAX Worldwide Interoperability for Hay còn gọi là Wireless MAN
Microwave Access
WLAN Wireless Local Area Networks Mạng LAN không dây-Wireless

LAN
WMAN Wireless Metropolitan Area Networks Mạng đô thị không dây
Trang 6
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay sự bùng nổ nhu cầu trong thông tin di động đã thúc đẩy sự phát
triển của công nghệ truyền thông vô tuyến. Đó là sự xuất hiện của hệ thống MIMO
Kỹ thuật OFDM, kỹ thuật STBC…
Trong đó kỹ thuật mã hóa STBC là một kỹ thuật khá mới mẻ nhưng rất hiệu quả có
thể kết hợp với hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM được sử dụng rất hiệu quả trong
việc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao được chất lượng và dung lượng
của hệ thống thông tin vô tuyến mà không làm ảnh hưởng tới băng thông hệ thống
Mặt khác làm tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập.
Từ những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật STBC nói riêng và đặc biệt là sự kết hợp
của kỹ thuật STBC với hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp rất
hiệu quả hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến băng rộng tương lai như LTE, WiMAX …
Thấy được vai trò quan trọng của kỹ thuật STBC trong việc giải quyết vấn đề về
chất lượng kênh truyền trong thông tin di động cho nên đồ án này em chọn đề tài là:
“Hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật STBC”. Nội
dung đồ án này gồm 5 chương, trong đó 4 chương lý thuyết và 1 chương thực hiện
mô phỏng tín hiệu bằng phần mềm matlab.
• Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật STBC
• Chương 2 : Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
• Chương 3 : Kỹ thuật STBC-OFDM
• Chương 4 : Giới thiệu công cụ curve fitting tool trong matlab
• Chương 5 : Hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật
STBC
Trong đồ án này ta sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khối không gian thời
gian STBC, các symbol được mã hóa thành từng khối trước khi phát đi nên nguyên
tắc phát tín hiệu trong hệ thống có áp dụng kỹ thuật mã hóa STBC đặc biệt hơn ở

chổ là thực hiện truyền nhiều bản sao của một chuổi dữ liệu tới nhiều user với hy
Trang 7
Lời nói đầu
vọng là có ít nhất một user trong số đó có thể tồn tại đường dẫn vật lý giữa việc
truyền và nhận trong tình trạng tốt, đủ để cho phép giải mã đáng tin cậy. Ngoài ra
nội dung đồ án trình bày rõ về sự kết hợp 2 kỹ thuật STBC-OFDM vào hệ thống
MIMO, nhằm khai thác triệt để những ưu điểm của 2 kỹ thuật này và hệ thống
MIMO. Sự kết hợp này là rất cần thiết giải quyết vấn đề về fading đa đường, dung
lượng và chất lượng kênh truyền, băng thông hệ thống….
Để thực tế hơn trong đồ án này em đã dùng phần mềm matlab mô phỏng thành công
BER của các hệ thống MISO-STBC, SIMO-MRC, MIMO-STBC, MISO-STBC-
OFDM, SIMO-MRC-OFDM, MIMO-STBC-OFDM. Hơn nữa đó là sự so sánh để
thấy được hệ thống MIMO-STBC-OFDM hiệu quả hơn so với các hệ thống còn lại.
Điểm nổi bật của đồ án này là em đã dùng công cụ curve fitting tools trong matlab
để tìm ra mô hình toán học cụ thể cho các đường tín hiệu trong kết quả mô phỏng
điều đó thuận lợi cho việc tìm hiểu , tính toán các hệ thống này về sau.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng nội dung đồ án này không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn cô Bùi Thị Minh Tú và các thầy
cô trong khoa Điện tử Viễn thông trong thời gian qua đã tận tình giúp đỡ em rất
nhiều và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đà nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Trang 8
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT STBC
1.1 Giới thiệu chương.
Chương này sẽ đi tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian
(space time code STC) trong hệ thống thông tin không dây. Tiếp đến tìm hiểu về kỹ

thuật mã hóa khối không gian-thời gian (space time block codes STBC). Một kỹ
thuật được dùng phổ biến làm cải thiện đáng kể chất lượng kênh truyền mà không
làm tăng băng thông của hệ thống.
Cụ thể chúng ta đi sâu tìm hiểu về áp dụng kỹ thuật mã hóa khối STBC trong mô
hình 2 anten phát 1 anten thu của ông Alamouti ,chúng ta sẽ được biết rõ hơn cách
thức mã hóa tín hiệu phát ở dạng khối và nguyên tắc giải mã bằng thuật toán
ML(Maximum Likelihood).
1.2 Tổng quan kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian (STC)
Kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian (STC) là phương pháp cải thiện chất
lượng đường truyền trong hệ thống thông tin không dây bằng cách sử dụng nhiều
anten phát và thu.
Đặc điểm của kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian STC chính là thực hiện truyền
nhiều bản sao của một chuổi dữ liệu tới nhiều user với hy vọng là có ít nhất một
user trong số đó có thể tồn tại đường dẫn vật lý giữa việc truyền và nhận trong tình
trạng tốt , đủ để cho phép giải mã đáng tin cậy.
Vì vậy phương pháp này có thể làm tăng chất lượng kênh truyền mà không chiếm
băng thông của hệ thống và không làm thay đổi tốc độ dữ liệu.
Kỹ thuật Mã hóa STC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống MIMO, các anten
được thiết kế với khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu tại các anten không ảnh hưởng
lẫn nhau.
Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạ
mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập. Do đó thay vì tìm
Trang 9
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
cách chống lại hiện tượng đa đường, mã hóa STC lợi dụng tính chất này để nâng
cao dung lượng kênh truyền.
Với một chuỗi symbol vào, bộ mã hóa không gian thời gian sẽ chọn các điểm tương
ứng trên giản đồ chòm sao để truyền đồng thời tại tất cả các anten qua đó tăng độ
lợi ghép kênh và độ lợi phân tập.
Mã hóa không gian-thời gian(STC) cơ bản được chia thành 3 loại:

- Mã hóa khối không gian thời gian STBC (Space-Time Block Code)
- Mã hóa lưới không gian thời gian STTC (Space-Time Trellis Code)
- Mã hóa lớp không gian thời gian BLAST (Bell Laboratories Layered Space-
Time)
Trong các phương pháp mã hóa trên thì phương pháp Mã hóa khối không gian thời
gian STBC (Space-Time Block Code) được áp dụng rộng rãi nhất . STBC cho phép
phân tập đầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã hóa của bộ mã hóa, quá
trình giải mã đơn giản, dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (Maximun
Likelihood).
1.2.1 Kỹ thuật mã hóa alamouti STBC.
Một thuật toán mã hóa không gian-thời gian được đề xuất trong bài báo mang
tính bước ngoặt của ông Siavash M. Alamouti năm 1998 “A Simple Transmit
Diversity Technique for Wireless Communication”, tìm ra một phương pháp đơn
giản để đạt được phân tập không gian với việc dùng 2 anten phát và 1 anten thu, có
thể được xem là điển hình trong hệ thống MISO-STBC.
Trang 10
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
Hình 1.1: Mã hóa Alamouti STBC với 2 anten phát,1 anten thu
Kỹ thuật Alamouti STBC thực hiện mã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một
ma trận đầu ra với các hàng tương ứng các anten phát (không gian) và các cột tương
ứng với thứ tự phát (thời gian).
Thuật toán của Alamouti như sau:
Hình 1.2: Các ký tự phát trong Alamouti STBC
Giả sử ta có một chuổi ký tự phát {x
1
,x
2
,x
3
… ,x

n
}. Với cách phát bình thường, chúng
ta sẽ gửi x
1
trong khe thời gian thứ 1, gửi x
2
trong khe thời gian thứ 2, rồi x
3
khe thời
gian thứ 3 và cứ như vậy cho tới x
n
.
Tuy nhiên, Alamouti đề xuất rằng nhóm các ký tự thành từng nhóm 2 ký tự. Trong
khe thời gian thứ nhất phát x
1
và x
2
từ anten thứ 1 và anten thứ 2. Trong khe thời
Trang 11
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
gian thứ 2 phát
*
2
x−
và
*
1
x
từ anten thứ 1 và anten thứ 2 . Trong khe thời gian thứ 3
phát x

3
và x
4
từ anten thứ 1 và anten thứ 2. Trong khe thời gian thứ 4 phát
*
4
x−
và
*
3
x
từ anten thứ 1 và anten thứ 2, và cứ như vậy cho hết chuổi ký tự .
Mặc dù Alamouti nhóm thành 2 ký tự, chúng ta vẫn cần có 2 khe thời gian để phát 2
ký tự. Do đó, không có sự thay đổi tốc độ dữ liệu, không ảnh hưởng tới băng thông
hệ thống.
1.2.2 Sơ đồ khối mô hình Alamouti STBC
Hình 1.3: Sơ đồ mô hình Alamouti STBC cụ thể
Như trong sơ đồ hình 1.3 trên, bộ mã hóa Space-Time encoder sẽ mã hóa 2 ký tự
đấu vào liên tiếp x
1
và x
2
thành ma trận:

*
1 2
*
2 1
x x
X

x x
 
−
=
 
 
[3] (1.1)
Trang 12
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
Trong khe thời gian thứ nhất, phát x
1
và x
2
trên anten thứ 1 và anten thứ 2. Trong
khe thời gian thứ 2 phát
*
2
x
−
và

*
1
x
trên anten thứ 1 và anten thứ 2 như trên .
Kênh truyền tại thời gian t có thể được mô hình hóa bởi h
1
(t) cho anten phát thứ 1
và h
2

(t) cho anten phát thứ 2 :
1
1 0 1 1
( ) ( )
j
h t h t T h e
θ
α
= + = =
(1.2)
2
2 0 2 2
( ) ( )
j
h t h t T h e
θ
α
= + = =

(1.3)
Với α
1
, α
2
và θ
1
, θ
2
là biên độ và pha của kênh truyền từ anten phát thứ nhất và thứ
hai tới anten thu. T là chu kỳ symbol.

Tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai là:

[ ] [ ]
*
1 2
1 2 1 2
*
2 1
x x
r r h h
x x
 
−
=
 
−
 
(1.4)
Vậy tín hiệu tại anten thu thứ nhất và thứ hai tương ứng là :
1 1 1 2 2 1
r h x h x n= + +
[3] (1.5)
* *
2 1 2 2 1 2
r h x h x n= − + +
[3] (1.6)
Trong đó n
1
và n
2

là các biến phức độc lập, biểu diễn nhiễu Gauss trắng cộng tương
ứng tại khe thời gian t và t+T.
Trang 13
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
1.2.3 Phương pháp kết hợp và giải mã ML (Maximum likelihood):
Nếu hệ số kênh truyền fading h
1
và h
2
có thể khôi phục được hoàn toàn tại đầu
thu, bộ giải mã sẽ sử dụng chúng như là thông tin trạng thái kênh truyền (CSI). Giả
sử rằng tất cả các tín hiệu trong chòm sao điều chế có xác suất bằng nhau, bộ giải
mã ML (Maximum Likelihood Decoding) chọn một cặp tín hiệu (
1 2
ˆ ˆ
,x x
) từ chòm
sao điều chế để cực tiểu hóa khoảng cách:

( )
( )
2 2 * *
1 1 1 2 2 2 1 2 2 1
2
2
* *
1 1 1 2 2 2 1 2 2 1
ˆ ˆ ˆ ˆ
, ,
ˆ ˆ ˆ ˆ

d r h x h x d r h x h x
r h x h x r h x h x
+ + − + =
= − − + + −
(1.7)
Trên tất cả các giá trị có thể của
1
ˆ
x
và
2
ˆ
x
, thế r
1
và r
2
ở phương trình (1.5) ,(1.6)
vào (1.7), giải mã ML có thể được trình bày như phương trình :
( ) ( )
( ) ( )
2 2 2 2
2 2
1 2 1 2 1 2 1 1 2 2
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ
( , ) argmin 1 . , ,x x h h x x d x x d x x= + − + + +
% %
(1.8)
Trong đó
1 2

ˆ ˆ
( , )x x X∈
với X là nhóm tập hợp tất cả các cặp ký tự có thể đã được
điều chế
1 2
ˆ ˆ
( , )x x
,
1
x
%
và
2
x
%
là hai số liệu thống kê được xây dựng bởi sự kết hợp các
tín hiệu thu được với thông tin trạng thái kênh truyền. Các số liệu thống kê quyết
định được cho bởi :

* *
1 1 1 2 2
* *
2 2 1 1 2
x h r h r
x h r h r
= +
= −
%
%
[3] (1.9)

Thay r
1
và r
2
từ công thức (1.5) vào (1.9), ta được :
Trang 14
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC

( )
( )
2 2
* *
1 1 2 1 1 1 2 2
2 2
* *
2 1 2 2 1 2 2 1
x h h x h n h n
x h h x h n h n
= + + +
= + − +
%
%
(1.10)
Nguyên tắc giải mã trong (1.8) có thể tách ra thành 2 quy tắc giải mã độc lập cho x
1
và x
2
, cho bởi :

( )

( )
2 2 2
2
1 1 2 1 1 1
ˆ ˆ ˆ
argmin 1 . ,x h h x d x x= + − +
%
(1.11)
Và

( )
( )
2 2 2
2
2 1 2 2 2 2
ˆ ˆ ˆ
argmin 1 . ,x h h x d x x= + − +
%
(1.12)
Với các chòm sao tín hiệu M-PSK,
( )
2 2 2
1 2
ˆ
. , 1,2
i
h h x i+ =
là không đổi cho
tất cả các điểm tín hiệu, cho các hệ số kênh fading. Do đó, quyết định các quy tắc
trong (1.11) và (1.12) có thể tiếp tục được đơn giản hóa thành :

( )
2
1 1 1
ˆ ˆ
arg min ,x d x x=
%
(1.13)

( )
2
2 2 2
ˆ ˆ
argmin ,x d x x=
%
(1.14)
1.3 Phương pháp điều chế M_PSK (M_Phase Shift Keying)
Đây là phương pháp điều chế khóa dịch pha, sóng mang được điều chế về pha.
Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyền tốc
độ thấp, nhưng xác suất lỗi bits rất thấp.
Tín hiệu M-PSK được phát cho symbol thứ i có thể được thể hiện như sau:
Trang 15
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
,0
)1(2
2cos
2
)(
sc
s

s
Tt
M
i
tf
T
E
ts ≤≤






−
+=
π
π

i = 1,2,…, M (1.15)
Trong đó:
- E
s
là năng lượng tín hiệu trên symbol.
- f
c
là tần số sóng mang
- T
s
là thời gian symbol

Pha này của sóng mang tạo thành bởi một trong M giá trị có thể:
MiMi
i
, ,2,1,/)1(2 =−=
πθ
. (1.16)
• Một ví dụ cho điều chế B-PSK với M = 2.
Lúc này ta có pha là
( 1)
i
i
θ π
= −
với i=1, 2. thì ta có 2 giá trị của
i
θ
lần lượt là:
0 ,
π
.
• Một ví dụ cho điều chế Q-PSK với M = 4.
Lúc này ta có pha là
( 1) / 2
i
i
θ π
= −
với i=1,…4. thì ta có 4 giá trị của
i
θ

lần
lượt là: 0,
2/
π
,
π
,
3 / 2
π
.
Vậy BPSK có 2 trạng thái phụ thuộc 1 bit vào, QPSK có 4 trạng thái phụ thuộc 2 bit
(Dibit) vào , thể hiện giản đồ chòm sao:
Trang 16
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật STBC
Hình 1.4: Giản đồ chòm sao của điều chế BPSK và QPSK
1.4 Kết luận chương:
Trong chương này chúng ta đã được tìm hiểu tổng quan kỹ thuật mã hóa không
gian thời gian (space time code STC) ,qua đó cho ta thấy được đây là kỹ thuật rất
phổ biến dùng trong các hệ thống phân tập anten. Bên cạnh đó chúng ta còn được
biết rõ về kỹ thuật mã hóa khối không gian thời gian (space time block code STBC)
đây là một phương pháp mã hóa đặc trưng trong kỹ thuật STC. Kỹ thuật STBC
được xem là đơn giản nhưng rất hiệu quả làm giảm ảnh hưởng của fading, tránh hao
phí băng thông, và tăng dung lượng kênh truyền…
Trang 17
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG MIMO VÀ KỸ THUẬT STBC TRONG
MIMO
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu tổng quan về các kỹ thuật phân tập, hệ
thống MIMO trong thông tin vô tuyến. Chúng ta tìm hiểu sâu kỹ thuật mã hóa khối

không gian thời gian STBC áp dụng trong MIMO làm giảm ảnh hưởng của fading
tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập.
2.2 Các kỹ thuật phân tập (Diversity)
Một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm hiệu ứng của fading đa đường
là sử dụng kỹ thuật phân tập. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập sử
dụng hạn chế được ảnh hưởng của fading đa đường, làm tăng chất lượng tín hiệu vô
tuyến mà không cần phải tăng băng thông hay công suất phát.
Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu.
Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương
quan về fading. Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín
hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản
riêng lẽ nên sẻ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường
truyền. Khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể
không bị suy giảm.
Có nhiều cách để đạt được phân tập, có 3 kỹ thuật phân tập cơ bản là phân tập thời
gian (Time diversity), phân tập tần số (Frequency diversity) và phân tập không gian
(Space diversity) hay còn gọi là phân tập anten. Phân tập thời gian có thể thu được
qua mã hoá và xen kênh (interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênh là
chọn lọc tần số, phân tập không gian với nhiều anten phát hoặc thu đặt cách nhau
với khoảng cách đủ lớn.
Trang 18
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
Ngoài ra, kỹ thuật phân tập có thể được phân ra thành 2 nhóm là phân tập phát
(Transmitter diversity) và phân tập thu (Receiver diversity) . Trong phân tập phát,
nhiều anten được dùng tại phía phát. Các bản tin được xử lý tại bộ phát và truyền đi
bằng nhiều anten khác nhau. Phân tập phát giúp giảm công suất xử lý của bộ thu,
dẫn đến cấu trúc hệ thống thu đơn giản, giảm công suất tiêu thụ và giảm chi phí.
Phân tập phát cũng được sử dụng trong thông tin di động với nhiều anten phát tại
trạm gốc. Điều này giúp nâng cao chất lượng, cũng như giải quyết được yêu cầu
phân tập thu tại máy thu. Hơn nữa, nếu thực hiện phân tập thu tại máy đầu cuối sẽ

cần có nhiều bộ chuyển đổi RF, do đó sẽ mất nhiều năng lượng hơn để xử lý, trong
khi nguồn cung cấp của máy đầu cuối là hạn chế.
Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng tại đầu thu để thu các bản sao độc lập
nhau của tín hiệu truyền. Các bản sao tín hiệu này được kết hợp một cách hợp lý,
làm tăng tỷ số SNR tại đầu thu và hạn chế fading đa đường.
2.2.1 Phân tập thời gian (Time Diversity)
Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền nhiều bản tin giống nhau tại
các khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu sẽ thu được các tín hiệu không tương
quan về fading. Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất phát, nhưng nó
làm giảm tốc dộ dữ liệu từ dữ liệu được lặp lại trong các khe thời gian hơn là gửi dữ
liệu mới trong các khe thời gian này.
2.2.2 Phân tập tần số (Frequence Diversity)
Phân tập tần số đạt được bằng cách phát cùng một tín hiệu trên nhiều tần số sóng
mang khác nhau. Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủ lớn để ảnh hưởng
của fading lên các tần số này là độc lập nhau. Tương tự như phân tập thời gian,
phân tập tần số cũng có khái niệm băng thông liên kết (coherence bandwidth). Tuy
nhiên, thông số này sẽ thay đổi tương ứng với các môi trường truyền sóng khác
nhau.
Trang 19
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
2.2.3 Phân tập không gian (Space Diversity)
Kỹ thuật phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten (Antenna Diversity)
là kỹ thuật dùng nhiều anten ở đầu thu hoặc đầu phát hoặc cả hai để phát hay thu
cùng một tín hiệu trên đường truyền vô tuyến.
Các anten được phân cách nhau một khoảng cách vật lý để đảm bảo các tín hiệu
không tương quan nhau. Khoảng phân cách yêu cầu sẽ thay đổi theo độ cao anten,
môi trường truyền sóng và tần số thu phát. Thông thường, khoảng phân cách vài
bước sóng là đủ đảm bảo các tín hiệu không tương quan.
Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ
thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Không như phân tập thời gian và tần

số sử dụng băng thông không hiệu quả, phân tập không gian đảm bảo sử dụng hiệu
quả băng thông. Đây là một đặc tính rất hấp dẫn cho việc phát triển truyền thông vô
tuyến tốc độ cao trong tương lai.
Tùy vào việc sử dụng số anten tại đầu phát và đầu thu mà chia phân tập anten ra
thành 3 loại: hệ thống phân tập phát MISO, phân tập thu SIMO và phân tập cả hai
đầu phát - thu MIMO.
2.3 Các mô hình và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
2.3.1 Hệ thống SISO
Hệ thống SISO (Single Input Single Output) là một hệ thống đơn giản chỉ sử
dụng một anten tại đầu phát và một anten tại đầu thu. Theo dung lượng Shanon của
kênh truyền vô tuyến, cho một kênh truyền bị hỏng do nhiễu Gauss trắng cộng tại
một mức SNR, dung lượng của SISO là :
[ ]
SNRBC
SHANNON
+= 1log.
2

(2.1)
Trong đó : C là dung lượng Shannon, B là băng thông kênh truyền, SNR là tỉ số tín
hiệu trên nhiễu.
Trang 20
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
Từ công thức trên ta thấy rằng, để tăng dung lượng kênh truyền ta phải tăng băng
thông B, nhưng băng thông là tài nguyên có hạn và rất quý giá. Nên hệ thống SISO
không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông.
2.3.2 Hệ thống SIMO
Hệ thống SIMO (Single Input Multiple Output) là hệ thống có một anten phát và
nhiều anten thu. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu
từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR thông qua các giải thuật

beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết
thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu.
Dung lượng của kênh truyền SIMO là :

[ ]
SNRNBC
RSIMO
.1log.
2
+=
(2.2)
2.3.3 Hệ thống MISO
Hệ thống MISO (Multiple Input Single Output) là hệ thống có nhiều anten tại đầu
phát (N
T
anten phát) và chỉ có một anten thu. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập
phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng
Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được
thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và
có được xác định theo biểu thức sau:
[ ]
SNRNBC
TMISO
.1log.
2
+=

(2.3)
2.3.4 Hệ thống MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Input) là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi

phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát,
cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc
thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất,
triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào
Trang 21
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như STBC,
STTC. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể
cung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại.
Ta giả sử hệ thống MIMO có N
T
anten phát và N
R
anten thu. Ta phân tích dung
lượng hệ thống MIMO theo 2 trường hợp sau.
2.3.4.1 MIMO với cùng tín hiệu được phát bởi nhiều anten
Trong trường hợp này, hệ thống MIMO có thể được xem như hiệu quả của sự kết
hợp giữa kênh truyền SIMO và MISO.
.
SNRNN
noiseNN
rSignalPoweNN
SNR
RT
RT
RT

).(.

22

=≈

(2.4)
Vậy dung lượng của hệ thống MIMO trong trường hợp này là :
[ ]
)/( 1log.
2
HzbpsSNRNNBC
RTMIMO
+=

(2.5)
Do đó, chúng ta có thể thấy rằng dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO là
cao hơn so với dung lượng của hệ thống SIMO và MISO. Nhưng trong trường hợp
này dung lượng tăng ở phía trong hàm log . Điều này có nghĩa là cố gắng tăng tốc
độ dữ liệu bằng cách đơn giản tăng công suất phát là cực kỳ tốn kém.
2.3.4.2 MIMO với tín hiệu khác nhau được phát trên nhiều anten
Ý tưởng lớn trong MIMO đó là chúng ta có thể gửi các tín hiệu khác nhau sử
dụng cùng băng thông và vẫn có thể giải mã chính xác được tại đầu thu. Do đó, nó
giống như việc chúng ta đang tạo ra một kênh truyền cho mỗi bộ phát. Dung lượng
của mỗi kênh truyền này tương đương đương với :

)/(.1log.
2
HzbpsSNR
N
N
BC
T
R

MIMO






+=
(2.6)
Trang 22
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
Nhưng chúng ta có N
T
kênh truyền , vậy tổng dung lượng của hệ thống là :
)/(.1log
2
HzbpsSNR
N
N
BNC
T
R
TMIMO






+=

(2.7)
Với N
T
≥ N
R
, dung lượng kênh truyền MIMO là bằng :
[ ]
)/(1log
2
HzbpsSNRBNC
TMIMO
+=
(2.8)
Các mô hình thông tin vô tuyến :
Hình 2.1: Các mô hình thông tin vô tuyến.
2.4 Mô hình hệ thống MIMO
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một công nghệ truyền thông không
dây, trong đó cả đầu phát lẫn đầu thu tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóa
tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất
tín hiệu
Trang 23
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
Hệ thống MIMO đa anten gồm có N
T
anten phát và N
R
anten thu có thể được biểu
diễn bằng mô hình như sau:
Hình 2.2: Hệ thống MIMO
Trong hệ thống MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theo

nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ
được tập hợp lại ở đầu thu theo những định dạng đã được ấn định. MIMO cũng có
thể ghép kênh theo không gian để phân biệt những tín hiệu khác nhau trên cùng một
tần số. Ngoài ra người ta cũng sử dụng kỹ thuật mã hóa khối dữ liệu theo thời gian
và không gian (STBC) để tăng cường độ tin cậy và tăng dung lượng kênh truyền.
MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi đụng phải những chướng ngại trên đường
truyền khiến chúng có thể đến được đầu thu tín hiệu bằng nhiều con đường khác
nhau. Hệ thống MIMO có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu, giảm tỷ lệ lỗi bits (BER),
tăng vùng phủ sóng hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng
thông hệ thống.
Tín hiệu thu được biễu diễn dạng ma trận:
Trang 24
Chương 2: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO
(2.9)
Mô hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng :

y Hx n
= +
(2.10)
Với
R
N
Cy ∈
biểu diễn tín hiệu nhận được từ N
R
anten,
T
N
Cx ∈
biểu diễn tín

hiệu nhận được từ N
T
anten.
T
N
Cn ∈
Biểu diễn nhiễu Gauss trắng.
H là ma trận kênh truyền có kích thước N
T x
N
R
chứa các hệ số phức h
ij
, mỗi hệ h
ij
biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i.
2.5 Mô hình hệ thống MIMO-STC
Ở chương 1 chúng ta đã tìm hiểu cơ bản kỹ thuật mã hóa không gian thời gian
STC đây là phương pháp rất phổ biến để cải thiện chất lượng đường truyền trong hệ
thống MIMO. Phần này ta tìm hiểu rõ hơn về kỹ thuật mã hóa STC trong hệ thống
MIMO. Mô hình hệ thống MIMO-STC với N
T
anten phát và N
R
anten thu như sau:
Trang 25





















+









































=





















TTTRRR
T
T
R
NNNNNN
N
N
N
n
n
n
x

x
x
hhh
hhh
hhh
y
y
y
.
.
.
.
.
.






.
.
.
2
1
2
1
21
22221
11211

2
1