(Đồ Án Tốt Nghiệp) Tìm Hiểu Về Kỹ Thuật Mimo – Ofdm Trong Hệ Thống Thông Tin Di Động.pdf

Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tại trường được sự quan tâm và giúp đỡ tận tình của các
thầy cơ trường Cao Đẳng Cơng Nghệ Thông Tin hữu nghị Việt – Hàn; đặc biệt là các
thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin Ứng Dụng, em đã hồn thành khố học của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong trường nói chung và các thầy
cơ khoa Cơng Nghệ Thơng Tin Ứng Dụng nói riêng đã tận tình chỉ bảo, dạy dỗ em
trong suốt quá trình học tập tại trường.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến cơ Nguyễn Thị
Huyền Trang đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án
tốt nghiệp này.
Trong quá trình tìm hiểu và hoàn thành bài đồ án tốt nghiệp kiến thức của em
vẫn cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của q thầy cơ để đồ án được hồn thiện hơn.
Cuối cùng em xin kính chúc q thầy cô giáo sức khỏe dồi dào và thành công
trong công việc giảng dạy của mình; để tiếp tục chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức
cũng như kinh nghiệm cho các bạn khóa học tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
VÕ THỊ THÁI HỊA TRINH

SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A

i


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i

MỤC LỤC ......................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... v
CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................................vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lí do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ................................................................................ 3
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3
1.2. MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG ................... 7
1.3. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO - OFDM ............................................ 8
1.3.1. Khái niệm ....................................................................................................... 8
1.3.2. Kỹ thuật MIMO - OFDM ............................................................................ 10
1.3.3. Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thơng tin di động ............. 10
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT OFDM .................................................. 12
2.1. TỔNG QUAN VỀ OFDM ................................................................................ 12
2.2. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG............................................................................. 13
2.2.1. Hệ thống đơn sóng mang ............................................................................ 13
2.2.2. Hệ thống đa sóng mang ............................................................................... 13
2.2.3. Tín hiệu trực giao ........................................................................................ 14
2.3 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM ............................................................................. 15
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

ii


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

2.4. CÁC KĨ THUẬT CƠ BẢN TRONG OFDM .................................................. 16
2.4.1. Điều chế/giải điều chế ................................................................................. 16
2.4.2. Mã hóa kênh ................................................................................................ 18
2.4.3. Chuyển đổi Serial/Parallel và Parallel/Serial ............................................ 19
2.4.4. Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM .............................................................. 20
2.4.5. Tiền tố lặp CP .............................................................................................. 22
2.4.6. Ước lượng kênh ........................................................................................... 24
2.5. SO SÁNH ĐỘ PHỨC TẠP GIỮA KỸ THUẬT OFDM VỚI ĐIỀU CHẾ
ĐƠN SÓNG MANG ................................................................................................. 26
2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 27
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO .................................................. 28
3.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MIMO ........................................................ 28
3.1.1. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO ...................................................................... 28
3.1.2. Nhược điểm của hệ thống MIMO ............................................................... 29
3.2. ĐỘ LỢI TRONG HỆ THỐNG MIMO ........................................................... 29
3.3. CÁC KĨ THUẬT PHÂN TẬP .......................................................................... 31
3.3.1. Phân tập thời gian ....................................................................................... 32
3.3.2. Phân tập không gian.................................................................................... 33
3.3.3. Phân tập tần số ............................................................................................ 34
3.3.4. Các phương pháp kết hợp phân tập ............................................................ 34
3.4. MÃ HĨA KHƠNG GIAN - THỜI GIAN ....................................................... 36
3.4.1. Mã hóa khối khơng gian thời gian (Space time block Codes) ................... 37
3.4.2. Mã lưới không gian thời gian STTC .......................................................... 39
3.5. Kết luận chương ................................................................................................ 41
CHƯƠNG 4: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT MIMO – OFDM .................................. 42
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................................... 42
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

iii

Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thơng tin di động

4.2. MƠ TẢ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO - OFDM............................ 43
4.2.1. MIMO-OFDM Tx ........................................................................................ 44
4.2.2. MIMO_OFDM Rx ....................................................................................... 44
4.2.3. Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM ....................... 45
4.3. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG MIMO-OFDM ..................................................... 45
4.3.1. Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM .............................................................. 45
4.3.2. Space-Time Block-Coded OFDM ............................................................... 47
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 51
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 53
ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN...................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 54

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

iv


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thơng tin di động

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G ..................................................................... 6
Hình 1.2: Mơ hình tổng quát hệ thống MIMO - OFDM ............................................... 10
Hình 2.1: Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM ......................................... 15
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM .......................................................................... 15
Hình 2.3: Chùm tín hiệu M_QAM ................................................................................ 17
Hình 2.4: Bộ chuyển đổi S/P ......................................................................................... 20

Hình 2.5: Bộ chuyển đổi P/S ......................................................................................... 20
Hình 2.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM ....................................................................... 22
Hình 2.7: Đáp ứng xung của kênh truyền trong mơi trường truyền đa đường .............. 23
Hình 2.8: Tín hiệu Pilot trong miền thời gian và tần số ................................................ 25
Hình 2.9: Tín hiệu pilot trong miền tần số .................................................................... 25
Hình 3.1: Hình ảnh trực quan của một hệ thống MIMO ............................................... 28
Hình 3.2: Mơ hình một hệ thống MIMO tổng qt ....................................................... 28
Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming .................................................................................. 30
Hình 3.4: Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền ............................................ 30
Hình 3.5: Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR....................................................... 30
Hình 3.6: Sơ đồ phân tập theo thời gian ........................................................................ 32
Hình 3.7: Mơ hình phân tập khơng gian ........................................................................ 33
Hình 3.8: Mơ hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn .................................................................. 34
Hình 3.9: Bộ tổ hợp kiểu quét ....................................................................................... 35
Hình 3.10: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại .............................................................. 36
Hình 3.11: Sơ đồ giải mã của hệ thống STBC .............................................................. 38
Hình 3.12: Sơ đồ mã lưới .............................................................................................. 40
Hình 3.13: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 ............................................ 40

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

v


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thơng tin di động

Hình 3.14: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 ................................ 40
Hình 4.1: Các chuẩn thơng tin khơng dây của IEEE ..................................................... 43
Hình 4.2: Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM ............................................ 43
Hình 4.3: Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO_OFDM ................................... 44

Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO_OFDM .................................... 44
Hình 4.5: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM ......................................................... 45
Hình 4.6: Mơ hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 ........................................................... 47

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

vi


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

CÁC TỪ VIẾT TẮT
MIMO

OFDM

SC

QAM

Multi Input Multi Output

Kỹ thuật dùng nhiều anten phát và
thu

Orthogonal Frequency

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

tần số trực giao

Single Carrier
Communication
Quadrature Amplitude
Modulation

Truyền dẫn đơn sóng mang

Điều chế biên độ cầu phương

PDC

Personal Digital Cell

Mạng tế bào cá nhân

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế di pha

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu xuyên sóng mang

ITU

International Telecom Union

GSM

FDMA

Global System For Mobile
Communication
Frequency Division Multiple
Access

Liên mạng viễn thông quốc tế
Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Đa truy nhập phân chia theo tần số

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

CSI

Channel State Information

Bộ nhập điều khiển

CDMA

AMPS

TDMA

TACS

Code Division Multiple
Access
Advance Mobile Phone
Service
Time Division Multiple
Access
Total Access
Communication System

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

Đa truy nhập phân chia theo mã

Hệ thống điện thoại tiên tiến

Đa truy cập phân chia theo thời gian

Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ

vii

Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

NMT

Nordic Mobile Telephone

IS-95

Interim Standard 95

PAPR

Peak to Average Power
Ratio

Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu
Tiêu chuẩn thơng tin di động
Tỉ số cơng suất đỉnh trung bình

WCDMA

Wideband CDMA

Mã băng rộng CDMA

FDM

Frequency Division Multiple

Đa phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correcing

Sửa sai lỗi hướng đi

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

IFFT

AWGN

IDFT

Inversion Fast Fourier
Transform
Addition White Gaussian
Noise
Inversion Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

Nhiễu Gauss trắng cộng

Biến đổi ngược Fourier rời rạc
Biến đổi Fourier nhanh

FFT

Fast Fourier Transform

STTC

Space Time Trellic Coding

Mã hóa lưới khơng gian thời gian

SBTC

Space Time Block Coding

Mã hóa khối khơng gian thời gian

ISI

Inter Symbol Interference

IEEE
NGN
QPSK
RF
BPSK

Nhiễu xuyên kí tự

Institute of Electrical and

Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử thế

Electronics Engineers

giới

Next Generation Network
Quadrature Phase Shift
Keying
Radio Frequency
Binary Phase Shift Keying

SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A

Mạng thế hệ sau
Điều chế khóa dịch pha cầu phương
Tần số cao tần
Điều chế khóa dịch pha nhị phân

viii


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

ML

Maximum Likelihood

Khả năng tối ưu

MSB

Most significant bit

Bit có giá trị cao nhất

EGC

Gain Combinations

Bộ tổ hợp cùng độ lợi

Maximum Ratio
MRC

PSAM

Combinations

Pilot signal assisted
Modulation

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa

Điều khiển tín hiệu Pilot hỗ trợ

ix


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thơng tin di động

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
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 không 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 (Wireless Fidelity), WIMAX (World
Interoperability Microwave Access). 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, tăng chất
lượng dịch vụ…
Trong đó OFDM và MIMO là hai kỹ thuật được kết hợp với nhau và đưa vào sử
dụng. 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 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. Bên cạnh đó, MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và
802.11n của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic
Engineers – IEEE), thường được dùng chung với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM). Các nhà
cung cấp dịch vụ truyền thông hiện đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng
trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Và
với sự kết hợp hai kỹ thuật MIMO và OFDM vào một số mơ hình như WiMax,
VoWifi trong các tiêu chuẩn 802.16, 802.11n đã đem lại các kết quả cao trong thực tế.
Vì thế, em đã chọn đề tài “Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO - OFDM trong hệ thống

thông tin di động” để làm bài đồ án tốt nghiệp của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu về kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO để kết hợp giữa kỹ thuật
MIMO và kỹ thuật OFDM nhằm tăng dung lượng và chất lượng cho hệ thống thông
tin di động không dây.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

1


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu về MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Thu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến đề tài
 Nghiên cứu, tìm tài liệu qua các phương tiện truyền thông (sách, báo,
internet…).
 Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên và cán bộ hướng dẫn đồ án tốt
nghiệp.
 Nghiên cứu lý thuyết nhằm có một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MIMO cũng
như hệ kỹ thuật OFDM từ đó kết hợp lại để tạo ra những mơ hình ứng dụng cho
hệ thống thơng tin không dây.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kỹ thuật MIMO_OFDM đã được ứng dụng vào chuẩn IEEE 802.11n trong hệ
thống WIFI và IEEE 802.16 trong hệ thống WIMAX. Mặc dù bước đầu còn trong giai
đoạn ứng dụng thử nghiệm với qui mơ nhỏ nhưng nó đã mang lại những bước tiến
vượt bậc trong lĩnh vực thông tin di động như sự mở rộng băng thông, nâng cao chất
lượng tín hiệu trao đổi. Mạng WIFI sử dụng 802.11n đã trao đổi được các dữ liệu dung

lượng lớn như âm thanh, hình ảnh mà các mạng WIFI trước đó khơng thực hiện được.
Đề tài đã giới thiệu kỹ thuật OFDM, kỹ thuật này cho thấy sự cải thiện đáng kể
về chất lượng tín hiệu. Phát triển đề tài này, có thể nghiên cứu thêm các hệ thống
MIMO_OFDM với số anten phát và thu lớn hơn; như hệ thống 3x4, 4x4, 8x8…
Nhưng số anten tăng cũng nảy sinh vấn đề cần giải quyết đó là: sự phức tạp trong bộ
thu tín hiệu, làm cho các phép tính có độ khó cao, thiết bị thì cồng kềnh, giá thành cao.
Tuy nhiên gần đây, với các phát minh bộ xử lí tín hiệu số giá rẻ, các bộ xử lí đa năng,
các thuật tốn xử lí tín hiệu mới, điều này sẽ giúp thiết bị MIMO_OFDM gọn gàng
hơn và sẽ được đưa vào áp dụng rộng rãi trong thực tế. Với những ưu điểm về mặt kỹ
thuật và sự hỗ trợ của các phát minh mới, kỹ thuật MIMO_OFDM sẽ là một trong
những kỹ thuật hàng đầu được áp dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ mới
như NGN, 4G.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

2


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO-OFDM
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
 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
 TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập
toàn 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 900 MHz
 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 thông tin di động
tồn cầu
 IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thơng 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
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

3


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

Đây là các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông 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, các yêu cầu về chất lượng cuộc gọi… đã đòi hỏi
các nhà thiết kế phải đưa ra các hệ thống thơng tin di động mới.

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 IMT-2000 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 điều sử
dụng công nghệ CDMA và cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện
vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 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. Ngồi ra cần
đảm bảo đường truyền vơ tuyến khơng đối xứng: tốc độ bit cao ở đường xuống
và tốc độ bit thấp ở đường lên.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

4

Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong 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 thông tin di động như: 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…
Tuy nhiên đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày
càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin
di động thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Generation).
4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng
thông cho phép lại không được mở rộng. Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu về
hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được nhiều
thành công đáng kể. Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy
hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler … đã gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận
dạng tín hiệu tại đầu thu. Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể trong trong việc
giảm fading đa đường. MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng
kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ
mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu trúc MIMO đã được đề
xuất và đạt được nhiều hiệu quả to lớn như cấu trúc không gian - thời gian lớp dọc của
phịng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time),
mã hố khối khơng gian - thời gian STBC (Space-Time Block Coding), mã hố Trellis
khơng gian - thời gian STTC (Space-Time Trellis Coding)…
Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặt biệt là các

kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter - Symbol Interference) xuất hiện do
độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một cách đáng kể.
Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên ghép kênh
phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

5


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn. Nguyên lý cơ bản của
OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và
phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol
tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây
ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu liên ký tự ISI được hạn chế hầu
như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh
nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, các nhà thiết kế đã
kết hợp cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểm của chúng. Thành
công rực rỡ đã đặt MIMO - OFDM làm nền tảng cho sự phát triển 4G. Trong tương
lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ
thống MIMO - OFDM.

Hình 1.1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G
 Wi-Fi (Wireless Fidelity)
 Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
 HSPA (High Speed Packet Access): Truy nhập gói tốc độ cao
 LTE (Long Term Evolution): Phát triển bền vững

 Những khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thơng tin di động
SVTH: Võ Thị Thái Hịa Trinh – Lớp: CCVT05A

6


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống 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, 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
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, các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được dùng cho di
động thông thường.
Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO_OFDM.
1.2. MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Trong một kênh vơ tuyến lí tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu
đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hồn 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 khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ của
tín hiệu khác. Quan trọng là kênh truyền có thể cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây
ra sự dịch tần sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu ứng Doppler).
Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh truyền. Do đó, hiểu

biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu điều 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 ngồi và nhiễu giao thoa
là rất lớn. Kênh truyền vơ tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu ảnh hưởng
đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

7


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

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) có cường độ nhiễu xạ và
thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.
Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua mơi trường mà độ dài của các vật
thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích môi 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 là các tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện tượng tán xạ
trong thơng tin di động.
Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng

thông gốc thành nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh
hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh fading
không 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. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT MIMO - OFDM
Với sự phát triển dịch vụ di động, ngày càng yêu cầu tốc độ cao (băng thơng
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 tốt nhất.
1.3.1. Khái niệm
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

8


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

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 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 dịng dữ liệu này, sử dụng các thuật tốn
thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu.
MIMO - OFDM là sự kết hợp cả hai kỹ thuật OFDM và MIMO trên. Nó là kỹ
thuật sử dụng nhiều anten phát và thu, chia dòng dữ liệu ban đầu thành nhiều dịng dữ
liệu con theo một thuật tốn cho trước, các dòng dữ liệu này được thực hiện ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao, trước khi được đưa đến các anten tương ứng và truyền
đi. Phía thu sẽ cũng nhận các dòng dữ liệu này từ nhiều anten và sử dụng các thuật
tốn thích hợp để tổng hợp lại dòng dữ liệu ban đầu.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

9


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

1.3.2. Kỹ thuật MIMO - OFDM
Khối phát MIMO - OFDM

.

Bits
input

Khối
phát

MIMO

Khối phát
OFDM 1

TX1

Khối phát
OFDM n

TXn

Anten 1

.
.

Anten n

Khối nhận MIMO - OFDM
Anten 1
RX1

Khối thu
OFDM 1

Anten m

.
.

RXm

Khối thu
OFDM m

.

Khối thu
MIMO

Bits
output

Hình 1.2: Mơ hình tổng qt 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.
1.3.3. Hiệu quả của kỹ thuật MIMO – OFDM trong thông tin di động
 Đối với công nghệ :
 Hiệu quả trong việc sử dụng phổ, chống fading nhiều tia
 Tối ưu hóa cơng suất phát
 Chống nhiễu xun kí tự, nhiễu xun kênh
SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

10


Tìm hiểu về kỹ thuật MIMO – OFDM trong hệ thống thông tin di động

 Nâng cao tốc độ truyền tín hiệu
 Thích ứng hầu hết với các chuẩn vơ tuyến
 Thích ứng việc truyền dẫn đa đường, chất lượng tín hiệu nâng cao nhờ phân tập
khơng gian
 Tăng phạm vi bao phủ
 Nâng cao chất lượng mạng, giảm chi phí hệ thống
 Có thể áp dụng hầu hết các hệ thống thông tin di động
 Đối với người dùng :
 Chất lượng dịch vụ cao
 Độ tin cậy được đảm bảo
 Nhiều dịch vụ mới được tích hợp
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Kỹ thuật MIMO – OFDM ra đời đã tạo ra rất nhiều ưu điểm cho hệ thống thông
tin di động. Đó là cho hiệu năng phổ cao, thích ứng với truyền dẫn đa đường trong hệ
thống truyền dẫn không dây, tận dụng được sự phân tập anten từ đó cải thiện chất
lượng tín hiệu tại đầu thu, chống được hiện tượng Fading ảnh hưởng đến hệ thống
băng rộng.

SVTH: Võ Thị Thái Hòa Trinh – Lớp: CCVT05A

11