Cai_thien_chat_luong_va_dung_luong_trong_hthong_thong_tin_khong_day_dung_ky_thuat_MIMO-OFDM pdf

Chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy
cô trong khoa Điện-Điện Tử, nhất là các thầy cô
trong bộ môn Viễn Thông đã cung cấp những kiến
thức nền tảng giúp chúng em hoàn thành luận văn
này.
Đặt biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy
Hoàng Đình Chiến đã tần tình chỉ bảo, giúp đỡ, tạo
điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời
gian chúng em thực hiện luận văn.
Sau cùng là lời cảm ơn đến giai đình người
thân và bạn bè đã luôn động viên giúp đỡ chúng
tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tp.HCM, 01/2008
Ngô Quốc Chính
Bùi Văn Chí
LỜI CẢM ƠN
Tóm Tắt Luận Văn
i
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
ii
Tóm Tắt Luận Văn
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ
thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng
băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền
thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các
yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa ra là
sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM.
Trong luận văn này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ thuật OFDM và tổng quan về hệ

thống MIMO. Phân tích mô hình Alamouti và mô hình V-BLAST. Dựa trên các lý
thuyết đã phân tích, chúng ta sẽ kiểm chứng lại kết quả mô phỏng trên Matlab. Từ
đó chúng ta rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMO-OFDM
Dó nhiên luận văn này không tránh khỏi những sai sót. Do đó, chúng em rất
mong được tiếp thu những ý kiến đánh giá quý báu của các thầy cô và các bạn để
chúng em có thể rút kinh nghiệm và hoàn chỉnh hơn về đề tài này
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
iii
Mục Lục
MỤC LỤC
Tóm Tắt Luận Văn iii
Mục lục iv
Danh Sách Từ Viết Tắt v
danh sách hình viii
Chương 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1
KỸ THUẬT OFDM 22
HỆ THỐNG MIMO 43
HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 97
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 122
Tài Liệu Tham Khảo 124
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
iv
Danh sách từ viết tắt
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
A/D Analog to Digital

AFC Auto-Correlation Function
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
AEX Average Excess Delay
AWGN Additive White Gaussian Noise
BER Bit Error Rate
BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
BPF Band Pass Filter
BPSK Binary Phase Shift Keying
BS Base Station
CDM Code Division Multiplexing
CSI Channel State Information
D/A Digital to Analog
DAB Digital Analog Broadcasting
D-BLAST Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
DFT Discrete Fourier Transform
DPSK Differential Phase Shift Keying
DVB -H Digital Video Broadcasting - Handheld
DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial
FDM Frequency Division Multiplexing
FEC Forward Error Correction
FFT Fast Fourier Transform
FIR Finite Impluse Response
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
v
Danh sách từ viết tắt
HDSL Hight-bir-rate Digital Subscriber Line
HiperLAN2 High Performance Radio Local Area Network Type 2
ICI InterCarrier Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
I.I.D Independent and Identically Distributed
ISI InterSymbol Interference
LAN Local Area Network
LOS Light Of Sight
LPF Low Pass Filter
MIMO Multiple Input Muliple Output
MISO Multiple Input single Output
ML Maximum Likelihood
MMSE Minimum Mean Sqare Error
MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation
MS Mobile Station
NLOS Non Light Of Sight
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P/S Parallel to Serial
PAPR Peak to Average Power Ratio
PDF Probability Density Function
QAM Quadrature Amplitute Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RF Radio Frequency
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
vi
Danh sách từ viết tắt
SIMO Single Input Multiple Output
SISO Single Input Single Output
S/P Serial to Parallel

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio
SC SingleCarrier Communication
STBC Space-Time Block Code
STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder
TGn Task Group N
V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time
WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter
ZF Zero-Forcing
ZF-OIC Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
vii
Danh sách Hình
DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 4
Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian 6
Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh truyền 7
Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L đường 8
Hình 1.5 Kênh truyền thay đổi thao thời gian 11
Hình 1.6 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 15
Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh 16
Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di động 18
Hình 1.9 Phân loại hệ thống thông tin không dây 19
Hình 2.10 FDM truyền thống 22
Hình 2.11 Hệ thống thông tin đa sóng mang 23
Hình 2.12 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM 23
Hình 2.13 Ba tín hiệu sin trực giao 26
Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 27
Hình 2.15 Bộ S/P và P/S 29

Hình 2.16 Bộ Mapper và Demapper 29
Hình 2.17 Bit và Symbol 30
Hình 2.18 Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK 31
Hình 2.19 Sơ đồ điều chế và giải điều chế DBPSK 32
Hình 2.20 Giản đồ chồm sao QAM 33
Hình 2.21 Bộ IFFT và FFT 33
Hình 2.22 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 35
Hình 2.23 Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading 36
Hình 2.24 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ 37
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
viii
Danh sách Hình
Hình 2.25 Bộ A/D và D/A 40
Hình 2.26 Bộ Up-Converter và Down-Converter 40
Hình 2.27 Bộ Equalizer miền tần số 42
Hình 3.28 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 43
Hình 3.29 Các phương pháp phân tập 45
Hình 3.30 Phân tập theo thời gian 47
Hình 3.31 Kỹ thuật Beamforming 48
Hình 3.32 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 48
Hình 3.33 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 49
Hình 3.34 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 51
Hình 3.35 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 53
Hình 3.36 Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 54
Hình 3.37 Đònh lý Waterfilling 55
Hình 3.38 Phân phối công suất khi SNR cao 55
Hình 3.39 Phân phối công suất khi SNR thấp 56
Hình 3.40 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 58

Hình 3.41 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 58
Hình 3.42 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 62
Hình 3.43 Sơ đồ mã lưới 67
Hình 3.44 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 67
Hình 3.45 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 68
Hình 3.46 Hệ thống V-BLAST 70
Hình 3.47 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 75
Hình 3.48 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu 76
Hình 3.49 Máy thu V-BLAST MMSE 82
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
ix
Danh sách Hình
Hình 4.50 Các chuẩn thông tin không dây của IEEE 85
Hình 4.51 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 86
Hình 4.52 Ma trận kênh truyền 88
Hình 4.53 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 88
Hình 4.54 Máy thu MIMO-OFDM Alamouti 88
Hình 4.55 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 92
Hình 4.56 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 95
Hình 4.57 ZF/MMSE Decoder 96
Hình 5.58 Kênh tryền mô phỏng 97
Hình 5.59 Đáp ứng Xung Của Kênh Truyền 99
Hình 5.60 Đáp ứng tần số của biên độ kênh truyền 99
Hình 5.61 Sơ đồ khối hệ thống SC 100
Hình 5.62 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải 101
Hình 5.63 Tín hiệu SC trước mạch lọc thông dải 101
Hình 5.64 Tín hiệu SC sau mạch lọc thông dải 102
Hình 5.65 Tín hiệu SC bò fading chọn lọc tần số 102

Hình 5.66 Tín hiệu SC bò fading và nhiễu Gauss 103
Hình 5.67 Tín hiệu SC thu được sau bộ lọc thông dải phía thu 103
Hình 5.68 Đồ thò BER của hệ thống đơn sóng mang 104
Hình 5.69 Hệ thống OFDM dùng để mô phỏng 105
Hình 5.70 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp 106
Hình 5.71 Tín hiệu OFDM trên kênh I trước mạch lọc thông thấp 107
Hình 5.72 Tín hiệu OFDM kênh I phát ra kênh truyền 107
Hình 5.73 Tín hiệu OFDM trên kênh I bò fading 108
Hình 5.74 Tín hiệu OFDM trên kênh I bò fading và nhiễu Gauss 108
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
x
Danh sách Hình
Hình 5.75 Tín hiệu OFDM trên kênh I sau bộ lọc thông thấp phía thu 108
Hình 5.76 Đồ thò BER của hệ thống OFDM 110
Hình 5.77 Đồ thò BER hệ thống OFDM có và không có khoảng bảo vệ 111
Hình 5.78 Đồ thò BER của hệ thống SC và OFDM 112
Hình 5.79 Đồ thò BER của hệ thống OFDM với số sóng mang khác nhau 112
Hình 5.80 Dung lượng của hệ thống 113
Hình 5.81 BER của hệ thống MIMO Alamouti với kiểu điều chế BPSK vàQPSK
114
Hình 5.82 BER của hệ thống MIMO Alamouti với kiểu điều chế 8PSK và 16PSK
114
Hình 5.83 BER của hệ thống MIMO Alamouti với kiểu điều chế QPSK 115
Hình 5.84 BER của hệ thống MIMO V-BLAST với kiểu điều chế QPSK 116
Hình 5.85 BER của hệ thống MIMO V-BLAST với kiểu điều chế 8PSK 117
Hình 5.86 BER của hệ thống MIMO V-BLAST với kiểu điều chế 16PSK 117
Hình 5.87 BER của hệ thống MIMO-OFDM Alamouti với kiểu điều chế QPSK và
8QPSK 118

Hình 5.88 BER của hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST với kiểu điều chế QPSK119
Hình 5.89 BER của hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST với kiểu điều chế 8PSK.120
Hình 5.90 BER của hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST với kiểu điều chế 16PSK
120
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
xi
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
Chương 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.1. Tình Hình Hệ Thống Thông Tin Di Động Hiện Tại
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-Generation) được tiêu chuẩn hoá bởi
IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), bắt đầu được phát
triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G đã phát triển nhanh
chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại dòch vụ đa
phương tiện. Hệ thống IMT-2000 đề xuất những dòch vụ tốc độ cao từ 64 đến 384
kbit/s và tỷ lệ lưu lượng dữ liệu trên thoại tăng lên. Những dòch vụ đang được phát
triển phổ biến hiện nay như : truy cập Internet, thương mại điện tử, e-mail, video
theo yêu cầu … 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 v.v… 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 phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell Laboratories
Layered Space-Time), mã hoá khối không gian-thời gian STBC (Space-Time
Block Coding), mã hoá Trellis không 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
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
1
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
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 Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn.
OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh
truyền fading phẳng băng hẹp và triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ có chiều dài
lớn hơn độ trễ của kênh truyền vào tín hiệu đã được điều chế. Nhờ những ưu điểm
nổi bật mà OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB (Digital
Audio Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital Video Broadcasting), mạng cục
bộ chất lượng cao HIPERLAN (High Performance Local Area Networks), mạng
cục bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network) theo chuẩn 802.11.a …
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 của hệ thống
MIMO-OFDM như về thiết kế các bộ thu, ước lượng kênh truyền, đồng bộ v.v…
1.2. Các Vấn Đề Cơ Bản Của Kênh Truyền Vô Tuyến
1.2.1.Suy hao đường truyền

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như : sự nở rộng về mọi
hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ mặt đất.
Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm
ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô
tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghóa là sóng được mở rộng theo hình
cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten đònh hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng
được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập
trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ
lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình
phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua
một khoảng cách R
µ
2
4






=
R
GGPP
RTTR
π
λ
(1.1)
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí

2
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
R
P
: Công suất tín hiệu thu được (W)
µ
T
P
: Công suất phát (W)
µ
R
G
: Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
µ
T
G
: Độ lợi anten phát
µ
λ
: bước sóng của sóng mang
Hoặc có thể viết lại là:
µ
RTRTR
T
GG
fR
cGG
R
P

P
114114
22
22






=






=
π
λ
π
(1.2)
Gọi µ
pt
L
là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do :
µ
)()()( dBPdBPdBL
RTpt
−=

µ
dBRfGG
RT
6.47log20log20log10log10
10101010
−++−−=
(1.3)
Nói chung chúng ta có thể xây dựng được một mô hình khá chính xác cho các
tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không vật cản ) như các
tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các
tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi
trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn
hơn. Ví dụ đối với nhưng kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện
về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường
truyền như sau:
µ
RhhGGL
MSBSRTpt 1010101010
log40log20log20log10log10 −−−−−=
(1.4)
Với µ
BS
h
, µ
MS
h
<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm
di động MS (Mobile Station).
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính

Bùi Văn Chí
3
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
1.2.2.Hiện tượng Multipath-Fading
Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các
vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông,…
gây ra các hiên tượng sau đây
µ µ µ
a)Hiện tượng phản xa b) Hiện tượng tán xạ c) Hiên tượng nhiễu xạ
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng
• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng(hình 1.1a).
• Tán xạ (scattering): khi sóng đập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và
các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng(hình 1.1b).
• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn
nhiều chiều dài bước sóng(hình 1.1c).
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
4
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao
này sẽ tới máy thu. Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác
nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha
giữa các thành phần này khác nhau.
• Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này
là khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao
[3]

• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bò triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.
Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số
(frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency
nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay
biến đổi chậm (slow fading channel). Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi qua
kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có
kênh truyền Rayleigh hay Rice
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
5
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian.
Hinh 1.2 mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian,
khi ta lần lược phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau,
tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm xung
kích khác nhau.
1.2.3.Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không
bằng phẳng trong một dãi tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua
kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bò xem là
chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi.
Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta
nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel),
hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của
kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh
truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi
kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dãi tần vô

GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
6
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào
đó.

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh truyền
Hình 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ la chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng
thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ
khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng.
Trên đây chúng ta đã mô tả đònh tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác đònh lượng
thông số của kênh truyền
[1]
.
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
7
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L đường
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1.4
(chưa tính đến nhiễu) có dạng
µ
∑
=
−=
L

i
ii
txty
1
)()(
τα
(1.5)
Với µ
)()( tt
iii
φαα
∠=
hệ số suy hao biên độ và xoay pha
µ
)(t
ii
ττ
=
thời gian trễ có giá trò thực.
Tổng quát tín hiệu tơi máy thu có dạng sau
µ
),(*)(),().()(
ττττ
thtxdthtxty =−=
∫
+∞
∞−
(1.6)
Với µ
),(

τ
th
là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền.
µ
[ ]
∑
=
−=
L
i
ii
ttth
1
)().(),(
ττδατ
(1.7)
Từ (1.7) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
8
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
∫
+∞
∞−
−
=
ττ
τπ

dethftH
fj2
),(),(
(1.8)
Mỗi kênh truyền đều có đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc trưng
bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function)
µ
[ ] [ ]
),().,(),().,(),,,(
1111
*
2211
*
2121
τττττττ
∆+∆+==
tththEththEttR
h
(1.9)
µ
[ ]
∫
+∞
∞−
= dxxpxfxfE
x
)().()(
(1.10)
Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến µ
2121

,,,
ττ
tt
) nên để đơn giản
trong tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghóa rộng và không
tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter).
WSS : quá trình dừng theo nghóa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào µ
12
ttt
−=∆
US: các thành phần phản xạ độc lập nhau
Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:
µ
)(),(),(),,,(
2111111
ττδτττττ
−∆=∆=∆+∆+ tPtRtttR
hhh
(1.11)
Với µ
),(
1
τ
tP
h
∆
là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)
Khi µ
),()(,0
ττ

tPPt
hh
∆==∆
được gọi là profile trễ công suất (Power Delay
Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công
suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do đó công suất ra của tín
hiệu được tính theo công thức
µ
∫
+∞
∞−
=
ττ
dPP
H
)(
(1.12)
Lấy biến đổi Fourier (1.11) ta được
µ
∫
+∞
∞−
−
∆=∆∆
ττ
τπ
detRftR
f
HH
2

),(),(
(1.13)
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
9
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
Ta sẽ dùng công thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency
Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh
truyền biến đổi nhanh (Fast Fading) hay biến đổi chậm (Slow Fading)
Nếu µ
0
=∆
t
ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan
giữa các khoảng tần số µ
f
∆
của kênh truyền
µ
∫
+∞
∞−
∆−
=∆=∆
ττ
τπ
deRfRfR
fj
hHH

2
)(),0()(
(1.14)
Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số µ
C
f )(
∆
tại đó tỉ số µ
)0(
)(
H
H
R
fR
∆
xấp xỉ 1.
Tức là đáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng µ
C
f )(∆
.
Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith.
• Nếu kênh truyền có µ
C
f )(
∆
nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu
được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số
(frequecy selective channel). Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bò méo
nghiêm trọng.
• Nếu kênh truyền có µ

C
f )(∆
lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu
được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần
số (frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel).
Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường được dùng khi
xét kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ
giới hạn trung bình T
AEX
( Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng µ
RMS
τ
(RMS delay spread) của kênh truyền
µ
∑
∑
=
=
=
L
k
k
L
k
kk
AEX
P
P
T
1

1
.
τ
(1.15)
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
10
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
∑
∑
=
=
−
=
L
k
k
L
k
kAEXk
RMS
P
PT
1
1
2
.)(
τ

τ
(1.16)
Với T
k
thời gian trễ của bản sao thứ k
P
k
là công suất của bản sao thứ k
Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu µ
RMS
τ
so sánh được với T
symbol

1.2.4. Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm
Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc
của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi
theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật
thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, công
viên, có thể được xây dựng thêm hay bò phá hủy đi… Hình 1.5 cho thấy công suất
tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi
tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian.
µ
Hình 1.5 Kênh truyền thay đổi thao thời gian
Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang
tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một
kí tự T
symbol
, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian
(time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading

channel), ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian T
symbol
, thì
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
11
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading
channel), hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel). Môi trường trong
nhà ít thay đổi nên có thể xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên
thay đổi nên được xem là fast fading. Trong các cell di động, khi thuê bao MS
(Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vò trí giữa MS và trạm gốc BS
(Base Station) theo thời gian, tức là đòa hình thay đổi liên tục. Điều này có nghóa là
kênh truyền của ta liên tục thay đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm
dòch tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số
µ
c
v
ff
0
±=∆
(1.17)
Với f
0
là tần số tại máy phát
v là vận tốc của thuê bao MS
c là vận tốc ánh sáng
MS di chuyển càng nhanh thì µ
f

∆
càng lớn và ngược lại
Sau đây ta sẽ xét kó hơn các thông số xác đònh kênh truyền là slow fading hay fast
fading
Từ (1.13) nếu µ
f
∆
=0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả
tương quan giữa các khoảng thời gian µ
t
∆
của kênh truyền
µ
∫
+∞
∞−
∆=∆
ττ
dtRtR
hH
),()(
(1.18)
Phổ công suất Doppler được đònh nghóa là biến đổi Fourier của µ
)( tR
H
∆
µ
∫ ∫
+∞
∞−

+∞
∞−
∆+∆−
=∆⇔∆∆=
dfefDtRtdetRfD
tfj
HH
tfj
HH
ππ
22
)()()()(
(1.19)
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
12
Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
Mọi kênh truyền đều có một khoảng thời gian µ
C
t)(
∆
tại đó µ
)0(
)(
H
H
R
tR ∆
xấp xỉ 1.

Tức là đáp ứng của kênh truyền được xem là biến đổi không đáng kể trong khoảng
µ
C
t)(
∆
. Khoảng thời gian đó được gọi là Coherence time
• Nếu kênh truyền có µ
C
t)(
∆
nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự
T
symbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền
chọn lọc thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast
channel).
• Nếu kênh truyền có µ
C
t)(
∆
lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự
T
symbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền
không chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm
(slow channel).
1.2.5.Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
[1]
Tùy theo đòa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc
không tồn tại đường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS là đường mà

ánh sáng có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bò cản trở). Nếu
kênh truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng
minh được đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên
kênh truyên được gọi là kênh truyên Rayleigh fading. Khi này tín hiệu nhận được
tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ. Nếu
kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các
thành phần không truyền thẳng NLOS (NonLight Of Sight) không đóng vai trò
quan trọng, tức là không có ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao
tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rice nên kênh truyền được gọi là kênh
truyền Ricean fading.
Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng
µ
∑
=
−=
L
i
ii
txty
1
)()(
τα
Các hệ số suy hao µ
i
α
là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng :
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
13

Chương1. Lý Thuyết Cơ Sở
µ
)(
)()()(
tj
ir
ettjt
φ
αααα
=+=
(1.20)
Biên độ µ
)()()(
22
ttt
ir
ααα
+=
(1.21)
Góc pha µ
)(
)(
)(
1
t
t
tgt
r
i
α

α
φ
−
=
(1.22)
Nếu có nhiều bản sao tín hiệu đến từ rất nhiều đường khác nhau tại máy thu, thì ta
có thể áp dụng thuyết giới hạn trung tâm (central limit theorem), khi này có thể
xem các hệ số µ
)(t
r
α
và µ
)(t
i
α
là các quá trình ngẫu nhiên Gauss
Nếu µ
)(t
r
α
và µ
)(t
i
α
là các quá trình Gauss có giá trò trung bình bằng 0 thì
• µ
)(t
α
sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh
µ

∞≤≤=
−
α
σ
σ
0.)(
2
2
2
2
a
e
a
ap
(1.23)
phương sai của quá trình Gauss
µ
))(var())(var(
2
tt
ir
αασ
==
. (1.24)
• µ
)(
)(
)(
1
t

t
tgt
r
i
α
α
φ
−
=
có phân bố trong khoảng [0,2µ
π
] (1.25)
ta có kênh truyền Rayleigh fading.
Nếu µ
)(t
r
α
và µ
)(t
i
α
là các quá trình Gauss có giá trò trung bình khác 0 thì
• µ
)(t
α
sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice
µ
∞≤≤







=
+
−
α
σ
α
σ
α
σ
α
0.)(
2
22
2
2
0
2
A
e
A
Iap
(1.26)
I
0
(x) là hàm Bessel loại 1 bậc 0: µ
∫

=
π
θ
θ
π
2
0
cos
0
2
1
)( dexI
x
(1.27)
A
2
là công suất của đường LOS của kênh truyền.
GVHD: TS. Hoàng Đình Chiến SVTH: Ngô Quốc
Chính
Bùi Văn Chí
14