kỹ thuật MIMO OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


1



LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông vô tuyến càng ngày càng tăng. Một xu hướng ñang
diễn ra trong ngành truyền thông vô tuyến là sự nổi lên của kỹ thuật MIMO-OFDM ở
các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới. Trên thực tế, sự hiện diện của MIMO-
OFDM là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc ñộ số liệu cao hơn của khách hàng mà không
cần sử dụng thêm ñộ rộng băng tần kênh.
OFDM là một công nghệ ñã chín muồi và ñược sử dụng nhiều trong truyền dẫn số
liệu vô tuyến và hữu tuyến như WLAN, WiMAX, ADSL, truyền hình số và Radio số.
Ưu ñiểm nổi bật của OFDM là tăng hiệu suất sử dụng phổ và chống nhiễu gây ra do
hiện tượng Fading ña ñường. Trong khi ñó, MIMO là một kỹ thuật sử dụng nhiều anten
phát và anten thu ñể truyền dữ liệu. MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian,
mã hóa…) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và tốc ñộ dữ liệu. Sự kết hợp những ưu
ñiểm của kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO ñể tạo thành hệ thống OFDM–MIMO ñã
ñược nghiên cứu, ứng dụng và ñạt ñược những kết quả rất khả quan. Có khả năng
MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là trụ cột cơ bản của các công nghệ truyên thông băng rộng
trong tương lai. Do ñó với hi vọng có những hiểu biết tốt hơn vể những nguyên tắc cơ
bản của kỹ thuật MIMO-OFDM, em ñã chọn ñề tài nghiên cứu:”Kỹ thuật MIMO-
OFDM trong hệ thống thông tin vô tuyến” ñể làm luận văn tốt nghiệp.
Trong quá trình làm luận văn em ñược sự giúp ñỡ tận tình của cô PGS.TS Nguyễn
Việt Hương, người ñã trực tiếp hướng dẫn em làm luận văn này và các thầy cô trong
khoa ðiện Tử - Viễn Thông ñã giúp ñỡ em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội,ngày 20 tháng 10 năm 2011



KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


2


TÓM TẮT LUẬN VĂN

There are 4 chapter in my thesis:
Chapter1: In this chapter I will present about basic theory,including models,calculation
of transmission channel and multiplexing techniques in Wireless communication
system
Chapter 2: In chapter 2,I focus on the basic principles of OFDM technology,analysis
calculation to see the advandtage of OFDM techique in high speed transmission ,like
,efficiency bandwidth using,anti- fadin and ISI interference
Chapter 3: Introducing about MIMO system,analysing and calculating capacity of
system,analysing theory of STC coding to improve quality and capacity of system
Chapter 4: Using the basic theory which is presended in chap 1&2 to analyse MIMO-
OFDM system I will present about models and establish the mathematic formula of
MIMO-OFDM system

Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Trình bày phần lý thuyết cơ sở bao gồm các mô hình, tính toán kênh truyền
và các kỹ thuật ghép kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến.
Chương 2: Trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuât OFDM, phân tích tính toán ñể
thấy ñược những ưu ñiểm của kỹ thuật OFDM trong truyền tốc ñộ dữ liệu cao như sử

dụng băng thông hiệu quả, chống ñược fading chọn lọc tần số, chống nhiễu ISI,…
Chương 3: Giới thiệu về hệ thống MIMO, phân tích tính toán dung lượng của hệ thống
MIMO, phân tích lý thuyết về mã hoá không gian thời gian STC nhằm nâng cao chất
lượng và dung lượng của hệ thống.
Chương 4: Sử dụng các cơ sở lý thuyết ñược phân tích trong chương 2 và chương 3 ñể
phân tích hệ thống MIMO-OFDM, trình bày các mô hình và thiết lập các công thức toán
học của hệ thống MIMO-OFDM


KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


3

MỤC LỤC


LỜI NÓI ðẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến 11

1.1.1 Suy hao ñường truyền 11

1.1.2 Hiện tượng Multipath-fading 12

1.1.3 Hiệu ứng Doppler 14

1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng 15

1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm 19

1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
[1]
21

1.2 Các phương thức ghép kênh 24

1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM 25

1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM 25

1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM 25

1.2.4 Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 26

1.3 Các kỹ thuật phân tập 26

1.3.1 Phân tập không gian 27

1.3.2 Phân tập tần số 28

1.3.3 Phân tập thời gian 29

1.4

Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 30

1.4.1 Hệ thống SISO 30

1.4.2 Hệ thống SIMO 31

1.4.3 Hệ thống MISO 31

1.4.4 Hệ thống MIMO 31
1.4.5 Kết luận ………………… ……………………………………………… 32
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM 33

2.1

Giới thiệu 33

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


4

2.2.1 Sự phát triển của OFDM 33

2.1.2 Lịch sử OFDM
[4]
35

2.2

Nguyên lý kỹ thuật OFDM 36

2.1.1 Sóng mang trực giao 36

2.1.2 Mô hình hệ thống OFDM 37

2.3

Ưu ñiểm và nhược ñiểm của OFDM 48

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO 50

3.1 Giới thiệu 50

3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO 50

3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO 50

3.2

Mã hóa không gian-thời gian STC 51

3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO 52

3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO
[10]
52

3.2.3 Mã hóa không gian thời-gian khối STBC 58

3.2.4 Mã hóa không gian-thời gian lới STTC
[18]
67

3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST
[11]
69

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG MIMO-OFDM 84

4.1 Giới thiệu 84

4.2

Hệ thống MIMO-OFDM 85

4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 85

4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti 88

4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST 92

4.2.4 Tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình PARR 95
KẾT LUẬN 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………… 97

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


5

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 12

Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian 14

Hình 1.3 ðáp ứng tần số của kênh truyền 15

Hình 1.4 Tín hiệu tới phía thu theo L ñường 16

Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian 20

Hình 1.6 Hàm mật ñộ xác suất Rayleigh và Ricean 23

Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh 24

Hình 1.8 Các phương thức ghép kênh trong hệ thống thông tin di ñộng 26

Hình 1.9 Các phương pháp phân tập 28

Hình 1.10 Phân tập theo thời gian 29

Hình 1.11 Phân loại hệ thống thông tin vô tuyến 30

Hình 2.1 FDM truyền thống 33

Hình 2.2 Hệ thống thông tin ña sóng mang 34

Hình 2.3 Băng thông ñược sử dụng hiệu quả trong OFDM 34

Hình 2.4 Ba tín hiệu sin trực giao 36

Hình 2.5 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM 37

Hình 2.6 Bộ S/P và P/S 38

Hình2.7 Bộ Mapper và Demapper 39

Hình 2.8 Bộ IFFT và FFT 39

Hình 2.9 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal 41

Hình 2.10 ðáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading 42

Hình 2.11 Tín hiệu ñược chèn khoảng bảo vệ 43

Hình 2.12 Bộ A/D và D/A 46

Hình 2.13 Bộ Up-Converter và Down-Converter 46

Hình 2.14 Bộ Equalizer miền tần số 48

Hình 3.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO 50

Hình 3.2 N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 53

Hình 3.3 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương ñương. 55

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


6

Hình 3.4 Sơ ñồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 55

Hình 3.5 ðịnh lý Waterfilling 56

Hình 3.6 Phân phối công suất khi SNR cao 57

Hình 3.7 Phân phối công suất khi SNR thấp 57

Hình 3.8 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 59

Hình 3.9 Các symbol phát và thu trong sơ ñồ Alamouti 60

Hình 3.10 Sơ ñồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 63

Hình 3.11 Sơ ñồ mã lưới 68

Hình 3.12 Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 68

Hình 3.13 Lưới mã và sơ ñồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 69

Hình 3.14 Hệ thống V-BLAST 71

Hình 3.15 Máy thu V-BLAST Zero-forcing 76

Hình 3.16 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu 77

Hình 3.17 Máy thu V-BLAST MMSE 82

Hình 4.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến của IEEE 85

Hình 4.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 86

Hình 4.3 Ma trận kênh truyền 87

Hình 4.4 Máy phát MIMO–OFDM Alamouti 88

Hình 4.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST 92

Hình 4.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST 94

Hình 4.8 ZF/MMSE Decoder 95

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


7

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Từ ñầy ñủ Nghĩa tiếng việt
A/D Analog To Digital Tương tự/Số
AFC Auto-Correlation Function Hàm tự tương quan
ADSL Asymmetric Digital
Subscriber Line
ðường dây thuê bao bất ñối xứng
ALEX Average Excess Delay Trễ giới hạn trung bình
AWGN Additive White Gaussian
Noise
Nhiễu trắng
BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít
BLAST Bell Laboratories Layered
Space Time Code

BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải
BPSK Binary Phase Shift Keying ðiều chế pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
CDM Code Division
Multiplexing
Ghép kênh theo mã
CSI Chanel Station Information Thông tin trạng thái kênh truyền
D/A Digital/Analog Số/Tương tự

DAB Digital Analog
Broadcasting
Phát thanh số
D-BLAST Diagonal-Bell-Laboratories
Layered Space Time

DFT Discrete Fourier Transform Biến ñổi Furie rời rạc
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


8

DPSK Differential Phase Shift
Keying
ðiều chế di pha vi phân
DVB-H Digital Video Broadcasting
–Handheld
Quảng bá truyến hình số cầm tay
DVB-T DVB-Terrestrial Quảng bá truyền hình số mặt ñất
FDM Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước
FFT Fast Furrier Transform Biến ñổi Furie nhanh
FIR Finite Impluse Response Hệ ñáp ứng xung hữu hạn
HDSL Hight-bit-rate Digital
Subcriber Line
DSL tốc ñộ cao
HyperLAN2

High Performance Radio
Local Arial Network Type
2
Mạng cục bộ chất lượng cao
IDFT Inverse Discrete Fourier
Transform
Biến ñổi Furie ngược
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện kỹ sư và ñiện tử
IFFT Inverse Fast Fourier
Transform
Phép biến ñổi Furier nhanh
IID Independent and Iditically
Distributed
Ngẫu nhiên ñộc lập và cùng phân
phối
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự
LAN Local Arial Network Mạng cục bộ
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


9

LOS Light Of Sight Tầm nhìn thẳng
LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp
MIMO Multil Input-Multil Output Nhiều ñầu vào-Nhiều ñầu ra
MISO Multil Input-Single Output Nhiều ñầu vào-một ñầu ra
ML Maximum Likelihood Hợp lý cực ñại
MMSE Minimum Mean Square

Error
Tối thiểu hóa lỗi trung bình bình
phương
MMSE-IC MMSE-Interference
Cancellation

NLOS Non-LOS Không trong tầm nhìn thẳng
OFDM Orthogonal Frequency
Division Multilplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
P/S Parallel to Serial Song song/nối tiếp
PAPR Peak To Average Power
Ratio
Tỉ số công suất ñỉnh trên công suất
trung bình
PDF Probability Density
Function
Hàm mật ñộ xác suất
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
ðiều chế biên ñộ trực giao
QPSK Quadrature Phase Shift
Keying
ðiều chế pha trực giao
RF Radio Frequency Tần số Radio
SIMO Single Input-Multil Output Một ñầu vào-nhiều ñầu ra
SISO Single Input-Single Output Một ñầu vào-một ñầu ra
S/P Serial/Parallel Nối tiếp/song song
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

10

SINR Signal to Interference Plus
Noise Ratio
Tỷ số nhiễu cộng
STBC Space Time Block Code Mã hóa khối không gian thời gian
STMLD Space-Time Maximum
Likelihood Decoder

TGn Task Group N
V-BLAST Vertical-BLAST
WSSUS Wide Sense Stationary
Uncorrelated Scatter
Dừng theo nghĩa rộng và không
tương quan
ZF Zero-Forcing Lọc ép không
ZF-OIC ZF-Ordered Interference
Cancellation

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


11

CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Các vấn ñề cơ bản của truyền sóng vô tuyến
1.1.1
Suy hao ñường 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 ñất.
Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến ñổi rất chậm ngay cả
ñối với các thuê bao di chuyển với tốc ñộ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ ñược
truyền ñi theo mọi hướng (nghĩa là sóng ñược mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi
chúng ta dùng anten ñịnh hướng ñể truyền tín hiệu, sóng cũng ñược mở rộng dưới dạng
hình cầu nhưng mật ñộ năng lượng khi ñó sẽ ñược tập trung vào một vùng nào ñó do ta
thiết kế.Vì thế, mật ñộ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách
khác là cường ñộ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính
công suất thu ñược sau khi truyền qua một khoảng cách R

2
4







=
R
GGPP
RTTR
π
λ
(1.1)

R
P
: Công suất tín hiệu thu ñược (W)

T
P
: Công suất phát (W)

R
G
: ðộ lợi anten thu (anten ñẳng hướng)

T
G
: ðộ lợi anten phát

λ
: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:

RTRTR
T
GG
fR
cGG
R
P
P
114114
22
22






=






=
π
λ
π

(1.2)
Gọi
pt
L
là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do :
)()()( dBPdBPdBL
RTpt
−
=

KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


12

(1.3)
Nói chung chúng ta có thể xây dựng ñược 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 ñiểm nối ñiểm trong phạm vi ngắn. Tuy nhiên do hầu hết các tuyến thông tin trên
mặt ñất như thông tin di ñộng, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp
hơn nhiều do ñó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ ñối với nhưng kênh
truyền dẫn vô tuyến di ñộng UHF, khi ñó ñiều kiện về không gian tự do không ñược
thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao ñường truyền như sau:

RhhGGL
MSBSRTpt
1010101010
log40log20log20log10log10
−
−

−
−
−
=
(1.4)
Với
BS
h
,
MS
h
<< R là ñộ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di
ñộng MS (Mobile Station).
1.1.2 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 ñường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông,… gây ra các
hiên tượng sau ñây

_ _ _
a)Hiện tượng phản xạ 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 ñập vào các bề mặt bằng phẳng (hình 1.1a).
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


13

 Tán xạ (scattering): khi sóng ñập vào vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật
này có chiều dài so sánh ñược 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).
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
ñường dài ngắn khác nhau nên
 Thời ñiểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là ñộ trễ pha giữa các
thành phần này khác nhau.
 Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên ñộ 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 ñộ và pha của
các bản sao
[3]

 Tín hiệu thu ñược tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao ñồng pha.
 Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha.
Tùy theo ñáp 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 ñổi nhanh (fast fading channel) hay biến ñổi chậm
(slow fading channel). Tùy theo ñường 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
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


14


Hình 1.2 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian.
Hinh 1.2 mô tả ñáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến ñổi theo thời gian, khi
ta lần lược phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời ñiểm khác nhau, tín hiệu

thu ñược có hình dạng khác xung ban ñầu và khác nhau khi thời ñiểm xung kích khác
nhau.
1.1.3 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển ñộng tương ñối giữa máy phát và máy thu
Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch ñi so với tần số trung tâm
một khoảng gọi là tần số Doppler
Giả thiết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển ñộng của máy thu là
k
θ
, khi ñó tần số
Doppler tương ứng của tuyến này là:
( )
0
os
k
D k
v
f f c
c
θ
=
(1.4)

Trong ñó
0
f
,v,c lần lượt là số sóng mang của hệ thống,vận tốc chuyển ñộng tương ñối
của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.Nếu

k

θ
=0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


15

, ax 0
D m
v
f f
c
=
(1.5)

1.1.4 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có ñáp ứng tần số khác nhau, không bằng
phẳng trong một dải tần số, do ñó 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 bị xem là chọn lọc tần số hay
không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền ñi. Nếu trong toàn khoảng băng
thông của tín hiệu ñáp 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 ñáp 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 ñều không thể có ñáp ứng bằng
phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một
khoảng nhỏ tần số nào ñó.

Hình 1.3 ðáp ứng tần số của kênh truyền
K THUT MIMO-OFDM TRONG H THNG THễNG TIN Vễ TUYN

16

Hỡnh 1.3 cho thy kờnh truyn s l chn lc tn s ủi vi tớn hiu truyn cú bng
thụng ln nm t 32 MHz ủn 96 MHz, tuy nhiờn nu tớn hiu cú bng thụng nh
khong 2 MHz thỡ kờnh truyn s l kờnh truyn fading phng.
Trờn ủõy chỳng ta ủó mụ t ủnh tớnh kờnh truyn, bõy gi ta s xỏc ủnh lng thụng s
ca kờnh truyn
[1]
.


Taựn xaù 1
Phaỷn xaùù 2
3
LOS
Nhieóu
xaù
L

Hỡnh 1.4 Tớn hiu ti phớa thu theo L ủng
Tớn hiu ti mỏy thu l tng cỏc thnh phn tớn hiu ủn t L ủng nh hỡnh 1.4 (cha
tớnh ủn nhiu) cú dng


=
=
L
i

ii
txty
1
)()(

(1.5)
Vi
)()( tt
iii




=
h s suy hao biờn ủ v xoay pha

)(t
ii

=
thi gian tr cú giỏ tr thc.
Tng quỏt tớn hiu ti mỏy thu cú dng sau
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


17


),(*)(),().()(
ττττ

thtxdthtxty =−=
∫
+∞
∞−
(1.6)
Với
),(
τ
th
là ñáp ứng xung thay ñổi theo thời gian của kênh truyền.

[ ]
∑
=
−=
L
i
ii
ttth
1
)().(),(
ττδατ
(1.7)
Từ (1.7) ta có ñáp ứng hàm truyền thay ñổi theo thời gian

∫
+∞
∞−
−
=

ττ
τπ
dethftH
fj2
),(),(
(1.8)
Mỗi kênh truyền ñều có ñáp ứng xung, do ñó mỗi kênh truyền có thể ñặc trưng bằng
hàm tự tương quan ACF (AutoCorreclation Function)
[
]
[
]
),().,(),().,(),,,(
1111
*
2211
*
2121
τττττττ
∆+∆+== tththEththEttR
h
(1.9)
[ ]
∫
+∞
∞−
= dxxpxfxfE
x
)().()(
(1.10)

Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến
2121
,,,
τ
τ
tt
) nên ñể ñơn giản trong
tích phân ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không tương
quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter).
WSS : quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào
12
ttt
−
=
∆

US: các thành phần phản xạ ñộc lập nhau
Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:
)(),(),(),,,(
2111111
ττδτττττ
−∆=∆=∆+∆+ tPtRtttR
hhh
(1.11)Với
),(
1
τ
tP
h
∆

là mật ñộ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)
Khi
),()(,0
τ
τ
tPPt
hh
∆
=
=
∆
ñược gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile
hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


18

của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do ñó công suất ra của tín hiệu ñược tính theo
công thức

∫
+∞
∞−
=
ττ
dPP
H
)(
(1.12)

Lấy biến ñổi Fourier (1.11) ta ñược

∫
+∞
∞−
−
∆=∆∆
ττ
τπ
detRftR
f
HH
2
),(),(
(1.13)
Ta sẽ dùng công thức này ñể phân loại kênh truyền chọn lọc tần số (Fenquency
Selective Fading) hay kênh truyền phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền
biến ñổi nhanh (Fast Fading) hay biến ñổi chậm (Slow Fading)
Nếu
0
=
∆
t
ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa
các khoảng tần số _
f
∆
của kênh truyền

∫

+∞
∞−
∆−
=∆=∆
ττ
τπ
deRfRfR
fj
hHH
2
)(),0()(
(1.14)
Mọi kênh truyền ñều có một khoảng tần số
C
f )(
∆
tại ñó tỉ số
)0(
)(
H
H
R
fR ∆
xấp xỉ 1. Tức là
ñáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng
C
f )(
∆
.
Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith.



Nếu kênh truyền có
C
f )(
∆
nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược
truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy
selective channel). Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng.


Nếu kênh truyền có
C
f )(
∆
lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu ñược
truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số
(frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel).
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


19

Tương tự như Coherence Bandwith, hai thông số quan trọng thường ñược 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
RMS
τ

(RMS
delay spread) của kênh truyền

∑
∑
=
=
=
L
k
k
L
k
kk
AEX
P
P
T
1
1
.
τ
(1.15)

∑
∑
=
=
−
=

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
RMS
τ
so sánh ñược với T
symbol

1.1.5 Kênh truyền biến ñổi nhanh và kênh truyền biến ñổi chậm
Kênh truyền vô tuyến sẽ có ñáp ứng tần số không ñổi theo thời gian nếu cấu trúc của

kênh truyền không ñổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền ñều biến ñổi theo thời
gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến ñổi, luôn có vật thể mới xuất
hiện và vật thể cũ mất ñi, xe cộ luôn thay ñổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có thể ñược
xây dựng thêm hay bị phá hủy ñi… Hình 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu ñược thay
ñổi theo thời gian dù tín hiệu phát ñi có công suất không ñổi tức là kênh truyền ñã thay
ñổi theo thời gian.
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


20


Hình 1.5 Kênh truyền thay ñổi theo thời gian
Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính
tương ñối, nếu kênh truyền không thay ñổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự
T
symbol
, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time
nonselective fading channel) hay kênh truyền biến ñổi chậm (slow fading channel),
ngược lại nếu kênh truyền biến ñổi trong khoảng thời gian T
symbol
, thì kênh truyền ñó
ñược gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh
truyền biến ñổi nhanh (fast fading channel). Môi trường trong nhà ít thay ñổi nên có thể
xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên thay ñổi nên ñược xem là fast
fading. Trong các cell di ñộng, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục
làm thay ñổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian, tức là ñịa hình
thay ñổi liên tục. ðiều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay ñổi theo thời gian
gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng
tần số

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
f
∆
càng lớn và ngược lại
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


21

Sau ñây ta sẽ xét kĩ hơn các thông số xác ñịnh kênh truyền là slow fading hay fast
fading
Từ (1.13) nếu
f
∆
=0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả tương
quan giữa các khoảng thời gian
t
∆
của kênh truyền

∫
+∞
∞−
∆=∆
ττ
dtRtR
hH
),()(
(1.18)
Phổ công suất Doppler ñược ñịnh nghĩa là biến ñổi Fourier của
)( tR
H
∆

∫ ∫
+∞
∞−
+∞
∞−
∆+∆−
=∆⇔∆∆= dfefDtRtdetRfD
tfj
HH
tfj
HH
ππ
22
)()()()(
(1.19)

Mọi kênh truyền ñều có một khoảng thời gian
C
t
)(
∆
tại ñó
)0(
)(
H
H
R
tR ∆
xấp xỉ 1. Tức là
ñáp ứng của kênh truyền ñược xem là biến ñổi không ñáng kể trong khoảng
C
t
)(
∆
.
Khoảng thời gian ñó ñược gọi là Coherence time


Nếu kênh truyền có
C
t
)(
∆
nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự T
symbol

của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền chọn lọc
thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel).


Nếu kênh truyền có
C
t
)(
∆
lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự T
symbol

của tín hiệu ñược truyền, thì kênh truyền ñó ñược gọi là kênh truyền không chọn
lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel).

1.1.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
[1]

Tùy theo ñịa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc
không tồn tại ñường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, ñường LOS là ñường mà ánh
sáng có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bị cản trở). Nếu kênh
truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh ñược
ñường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyên ñược
gọi là kênh truyên Rayleigh fading. Khi này tín hiệu nhận ñược tại máy thu chỉ là tổng
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


22

hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ. Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì

ñây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng
NLOS (NonLight Of Sight) không ñóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng
quá xấu ñến tín hiệu thu, khi này ñường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố
Rice nên kênh truyền ñược gọi là kênh truyền Ricean fading.
Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng

∑
=
−=
L
i
ii
txty
1
)()(
τα

Các hệ số suy hao _
i
α
là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng
:

)(
)()()(
tj
ir
ettjt
φ
αααα

=+=

(1.20)


Biên ñộ
)()()(
22
ttt
ir
ααα
+=
(1.21)
Góc pha
)(
)(
)(
1
t
t
tgt
r
i
α
α
φ
−
=
(1.22)
Nếu có nhiều bản sao tín hiệu ñến từ rất nhiều ñường 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
)(t
r
α
và
)(t
i
α
là các quá trình ngẫu nhiên Gauss
Nếu
)(t
r
α
và
)(t
i
α
là các quá trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì


)(t
α

sẽ có ñặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh

∞≤≤=
−
α
σ

σ
0.)(
2
2
2
2
a
e
a
ap
(1.23)
phương sai của quá trình Gauss
))(var())(var(
2
tt
ir
αασ
==
. (1.24)

)(
)(
)(
1
t
t
tgt
r
i
α

α
φ
−
=
có phân bố trong khoảng [0,2_
π
] (1.25)
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


23

ta có kênh truyền Rayleigh fading.
Nếu
)(t
r
α
và
)(t
i
α
là các quá trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì


)(t
α

sẽ có ñặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice
∞≤≤







=
+
−
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: _

∫
=
π
θ
θ
π
2
0
cos
0
2
1
)( dexI
x
(1.27)
A
2
là công suất của ñường LOS của kênh truyền.
ðặt
2
2
2
σ
A
K =
, K gọi là hệ số Ricean. K = 0 tương ứng A = 0 hàm phân bố Ricean trở
thành hàm phân bố Rayleigh. Hình 1.6 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh
(K = 0 hay K =_
∞
−

[dB]) và Ricean với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB]

Hình 1.6 Hàm mật ñộ xác suất Rayleigh và Ricean
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN


24

1.2 Các phương thức ghép kênh
Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do ñó nó cần sử dụng thật hiệu
quả. Dãi tần số này ñược quy ñịnh chặt chẻ và ñược phân bố một cách giới hạn cho từng
mục ñích cụ thể như thông tin di ñộng, phát thanh, truyền hình … Vì vậy các phương
thức ghép kênh không ngừng ñược nghiên cứu và phát triển ñể có thể sử dụng thật hiệu
quả kênh truyền vô tuyến. Có bốn phương thức ghép kênh là FDM, TDM, CDM, và
OFDM.

_

a) FDM

b) TDM

_

c) CDM

d) OFDM

Hình 1.7 Các phương thức ghép kênh
KỸ THUẬT MIMO-OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

25


1.2.1 Ghép kênh theo tần số FDM
Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra ñời ñầu tiên, với ý tưởng là
một băng thông lớn sẽ ñược chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn không chồng lấn,
giữa các khoảng tần này cần có một khoảng bảo vệ ñể có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy
khoảng tần mong muốn (hình 1.7a) . Mỗi kênh dữ liệu sẽ chiếm một tần số với băng
thông nhỏ này toàn trục thời gian dù có sử dụng hay không sử dụng, ñiều này dẫn ñến
lãng phí băng thông. ðây là phương thức sử dụng sớm nhất, lâu nhất và kém hiệu quả
nhất. FDM ñược sử dụng khá phổ biến trong các hệ thống mircowave, phát thanh quảng
bá AM, FM. Hệ thống thông tin vệ tinh, thông tin di ñộng thế hệ thứ nhất

1.2.2 Ghép kênh theo thời gian TDM
Kỹ thuật TDM ( Time Division Multiplexing) ra ñời với hiệu suất sử dụng kênh
truyền cao hơn. Với TDM trục tần số ñược chia thành nhiều khe thời gian ( time slot).
Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng thời gian nhất
ñịnh (hình 1.7b). Luồng bit tốc ñộ thấp của mỗi kênh sẽ ñược ghép lại thành một luồng
bit tốc ñộ cao duy nhất, và ñưa lên kênh truyền. Do ñó TDM cần sự ñồng bộ chính xác
ñể có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu. TDM ñược sử dụng khá phổ biến
trong các hệ thống thông tin số.
Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz ñược chia thành 125 kênh với băng
thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kĩ thuật FDM. Mỗi kênh 200KHz này ñược chia
thành 8 khe thời gian sử dụng kĩ thuật TDM. Mỗi user sẽ chiếm giữ một khe thời gian,
do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyền tăng lên ñáng kể.

1.2.3 Ghép kênh theo mã CDM
Trong kỹ thuật CDM ( Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sử dụng

ñồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực giao.
Mỗi kênh sẽ ñược gán một mã nhất ñịnh (hình 1.7c). Dữ liệu của các kênh trước khi
phát ñi sẽ ñược nhân với một mã trải phổ ñể giãn phổ tín hiệu ra toàn băng thông, ở phía
thu dữ liệu sẽ ñược khôi phục bằng cách nhân lai với mã trải phổ tương ứng. CDM là
một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp ñòi hỏi sự ñồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật ñiều
khiển công suất chính xác.