Phân tích các loại kênh truyền mimo và thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền mimo trên nền fpga

Trang i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



TRẦN THỊ THẢO NGUYÊN


PHÂN TÍCH CÁC LOẠI KÊNH TRUYỀN MIMO VÀ THIẾT KẾ BỘ MÔ
PHỎNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRÊN NỀN FPGA
Chuyên ngành: Điện Tử Kỹ Thuật (Hướng Viễn Thông – Máy Tính)
Mã số chuyên ngành: 60 52 70


LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHƯƠNG




Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2012

Trang i
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, em luôn nhận được sự quan tâm, giúp
đỡ tận tình và góp ý của quý thầy cô trường Đại học Khoa học tự nhiên Thành phố
Hồ Chí Minh.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.Nguyễn Hữu Phương, người
dành nhiều thời gian, tâm huyết giúp em hoàn thành đề tài này. Em cũng xin chân
thành cám ơn giáo sư Hiroshi Ochi cùng các thành viên tại Kyushu Technology
Institute đã giúp em có nhiều tài liệu, định hướng thiết kế cũng như các kinh
nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện đề tài.
Nhân đây, em cũng xin cảm ơn Ban Giám Hiệu trường đại học Khoa học tự
nhiên Thành phố Hồ Chí Minh cùng quý thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông đã
tạo điều kiện cho em học tập và hoàn thành khóa học.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên chia sẻ,
giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến để em hoàn thành khóa luận.
Dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài nhưng không thể tránh khỏi những thiết sót,
rất mong nhận được sự nhận xét quý báu của Thầy Cô và các bạn.
Tp Hồ Chí Minh, Tháng 9 năm 2012
Học viên thực hiện


Trần Thị Thảo Nguyên







Trang ii
MỤC LỤC

Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh sách các hình vii
Danh sách các bảng x
Lời nói đầu 1
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kênh truyền không dây 3
1.1 Giới thiệu kênh truyền không dây 3
1.2 Giới thiệu kênh truyền mimo 4
Chương 2: Phân tích các loại kênh truyền mimo 6
2.1 Phân loại mô hình kênh truyền 802.11n 6
2.2 Phân loại fading 8
2.2.1 Fading tầm rộng 9
2.2.2 Fading tầm hẹp 11
2.2.3 Phân loại các dạng kênh truyền trong fading tầm hẹp 14
2.1.3.1.Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 15
2.1.3.2.Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số 16
2.3 Các hiện tượng ảnh hưởng chất lượng kênh truyền 18
2.3.1 Hiện tượng nhiễu nhiệt (AWGN) 18
2.3.2 Hiện tượng đa đường 18
2.3.3 Hiệu ứng doppler 19
2.3.4 Suy hao trên đường truyền 21
2.3.5 Hiệu ứng bóng râm 21
2.4 Kênh truyền phân bố rayleigh 21
2.5 Phổ doppler 22
2.5.1 Thành phần doppler cơ sở theo thời gian: 22
2.5.2 Các thành phần phổ doppler do sự di chuyển 24
2.5.3 Các thành phần phổ doppler do ánh sáng quang gây ra 26

Trang iii
2.6 Sự tương quan không gian 27

2.6.1 Các mô hình kênh truyền 802.11n: 27
2.6.2 Xây dựng ma trận hệ số kênh truyền MIMO với sự tương quan trong không
gian: 30
2.6.3 Số cluster 32
2.6.4 Góc AoA (AoD) trung bình của mỗi cluster: 34
2.7 Phân bố rician 35
Chương 3: Mô phỏng mô hình kênh truyền mimo TGn bằng Matlab
Simulink 37
3.1. Mô hình hóa kênh truyền MIMO TGn 37
3.2. Thành phần tạo hệ số kênh truyền 40
3.2.1. Bộ sinh phân bố Rayleigh 43
3.2.2. Bộ tạo kênh truyền biến đổi theo thời gian 45
3.2.3. Bộ tạo sự tương quan trong không gian 45
3.2.4. Bộ tạo Rician K-factor 47
3.2.5. Bộ power delay profile và interpolation 49
3.3. Bộ lọc fir ghép tín hiệu phát và hệ số kênh truyền 51
Chương 4: Thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền MIMO TGn trên nền FPGA 53
4.1 Công cụ thiết kế 53
4.2 Thiết kế hệ thống kênh truyền MIMO TGn trên nền FPGA 55
4.2.1 Bộ tạo phân bố Rayleigh 55
4.2.2 Bộ tạo Doppler 57
4.2.3 Bộ tạo sự tương quan trong không gian 58
4.2.4 Bộ mô phỏng ảnh hưởng Rician 60
4.2.5 Bộ interpolation 61
4.2.6 Bộ ghép tín hiệu phát và hệ số kênh truyền 63
4.2.7 Mô hình mô phỏng kênh truyền MIMO hoàn chỉnh 66
Chương 5: Kết quả mô phỏng 67
5.1 Đáp ứng xung của kênh truyền 67

Trang iv

5.2 Độ trễ công suất của các tap 69
5.3 Kiểm tra Rayleigh dùng CDF 70
5.4 Kiểm tra sự dịch chuyển Doppler của kênh truyền 74
5.5 Kết quả tổng hợp bộ mô phỏng kênh truyền 77
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 78
6.1. Kết luận 78
6.2. Hướng phát triển 79
Danh mục công trình của tác giả 81
Tài liệu tham khảo 82
Phụ lục - Thông số các mô hình 802.11n 84




Trang v
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT
Chữ viết tắt
Viết đầy đủ
1
ALUT
Adaptive Look-Up Table
2
ALM
Adaptive Logic Module
3
AoA
Angle-of-Arrival
4

AoD
Angle of Departure
5
AS
Angular Spread
6
AWGN
Additive white Gaussian noise
7
CDF
Cumulative Distribution Function
8
DS
Delay Spread
9
DSP
Digital Signal Processing
10
FIR
Finite Impulse Response
11
FPGA
Field Programmable Gate Array
12
HLS
High-Level Synthesis
13
HSPA+
High Speed Packet Access Plus
14

IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
15
i.i.d
independent, identically distributed
16
IIR
Infinite Impulse Response
17
LOS
Line-Of-Sight
18
LPF
Low Pass Filter
19
LFSR
Linear Feedback Shift Register
20
MIMO
Multiple-Input Multiple-Output
21
NLOS
Non-Line-Of-Sight
22
PAS
Power Angular Spectrum
23
PDP
Power Delay profile
24

PMF
Probability Mass Function
25
SIMO
Single-Input Multiple-Output

Trang vi
26
SISO
Single-Input Multiple-Output
27
3GPP
The 3rd Generation Partnership Project
28
TGn
Task Group n
29
ULA
Uniform Linear Array
30
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
31
WLAN
Wireless Local Area Network
32
XPD
Cross-Polarization Discrimination

Trang vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Kênh truyền MIMO với 2 anten phát, 2 anten thu 5
Hình 2.1: Mô tả môi trường truyền không dây bao gồm nhiều thành phần. 6
Hình 2.2: Khái niệm PAS đối với mô hình băng rộng[12]. 7
Hình 2.3: Phân loại kênh truyền fading 9
Hình 2.4: Minh họa về suy hao trên đường truyền [9] 10
Hình 2.5: Ví dụ kênh truyền MIMO 11
Hình 2.6: Ảnh hưởng trải Doppler và bước sóng 12
Hình 2.7: Ví dụ về độ trải trễ lớn nhất 13
Hình 2.8: Ví dụ flat fading: dùng khoảng sympol lớn 13
Hình 2.9: Kênh truyền multipath với hai tần số khác nhau 14
Hình 2.10: Phân loại các dạng fading tầm hẹp 15
Hình 2.12: Kênh truyền chọn lọc tần số (f
0
<W) 16
Hình 2.11: Kênh truyền không chọn lọc tần số(f
0
>W) 15
Hình 2.13: Phân loại kênh truyền [2] 18
Hình 2.14: Hiện tượng truyền sóng đa đường 19
Hình 2.15: Hàm truyền đạt của kênh [1] 20
Hình 2.16: Mật độ phổ của tín hiệu thu [1] 20
Hình 2.17: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 22
Hình 2.18: Phổ công suất Doppler hình chuông [10]. 23
Hình 2.19: Phổ công suất Doppler được đo đạc cho một tap delay đơn cùng với hàm
chuẩn hóa “Bell” shape 24
Hình 2.20: Ví dụ vể phổ Doppler hình chuông với một thành phần Doppler gây ra

do di chuyển. 25
Hình 2.21: Đáp ứng xung băng hẹp của kênh MIMO 2x2 sử dụng mô hình F [10].26
Hình 2.22: Ví dụ về mô hình của một cluster 27
Hình 2.23:Các thông số của mô hình cluster: AoA, AoD, AS. [4] 28
Hình 2.24: Cấu hình mảng anten tuyến tính đều ULA. 28

Trang viii
Hình 2.25: Minh họa mô hình kênh truyền MIMO 29
Hình 2.26: Tín hiệu đối với 2 anten đẳng hướng 29
Hình 2.27:Cluster trong miền góc và thời gian. [4] 31
Hình 2.28: Sự suy giảm biên độ tín hiệu trong cluster [14]. 32
Hình 2.29: Delay profile của mô hình D với cluster mở rộng (chồng cluster) 33
Hình 2.30: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician 36
Hình 3.1: Mô hình tổng quát kênh truyền MIMO TGn 4x4 model B. 39
Hình 3.2: Hệ thống MIMO 40
Hình 3.3: Mô hình tổng quát Tap1 kênh truyền MIMO TGn 4x4. 41
Hình 3.4: Mô hình Tap 1 kênh truyền TGn model B trong simulink mathlab. 42
Hình 3.5: Quá trình tạo phân bố Rayleigh trong Matlab 43
Hình 3.6: Mô hình cách tạo ra phân bố Gauss 44
Hình 3.7: Kết quả hàm xác suất khối AWGN 44
Hình 3.8: Mô hình khối LPF. 45
Hình 3.9: Khối mô hình tương quan không gian 46
Hình 3.10: Mô hình khối tương quan không gian. 47
Hình 3.11: Khối Ant. Spacing 47
Hình 3.12: Khối Rician K-factor. 49
Hình 3.13: Mô hình cách tạo bộ interpolation 50
Hình 3.14: Bộ interpolation 50
Hình 3.15: mô hình khối Power delay profile và interpolation. 51
Hình 3.16: Mô hình thành phần ghép giữa hệ số kênh truyền và tín hiệu 51
Hình 3.17: Bộ lọc các Tap của kênh truyền. 52

Hình 4.1: Quy trình thiết kế của Synphony [4] 54
Hình 4.2: Bộ tạo AWGN 55
Hình 4.3: Bộ chia sẻ AWGN với 9 tap 56
Hình 4.4: Bộ chia sẻ AWGN với 8 giá trị AWGN khác nhau 57
Hình 4.5: Bộ mô phỏng ảnh hưởng Doppler 58
Hình 4.6: Sự tương quan trong không gian 58

Trang ix
Hình 4.7: Mô hình tương quan trong không gian 59
Hình 4.8: Tính toán nhân ma trận trong Synphony 60
Hình 4.9: Mô hình thiết kế mô phỏng Rician. 61
Hình 4.10: Tốc độ lấy mẫu của hệ số kênh truyền. 62
Hình 4.11: Interpolation trong mô hình kênh truyền TGn. 62
Hình 4.12: Thiết kế bộ Interpolation 63
Hình 4.13: Sơ đồ khối của bộ lọc kênh truyền. 64
Hình 4.14: Khối bộ lọc kênh truyền. 64
Hình 4.15: Bộ lọc FIR 64
Hình 4.16: Bộ lọc FIR thiết kế bằng Synphony 65
Hình 4.17: Kiến trúc của bộ nhân số phức 65
Hình 4.18: Bộ lọc FIR nhân số phức 66
Hình 4.19: Mô hình mô phỏng kênh truyền MIMO 66
Hình 5.1:Đáp ứng xung kênh truyền trên 1 tap 68
Hình 5.2: Hình đáp ứng xung kênh truyền trên 1 anten 9 tap 68
Hình 5.3: Đáp ứng xung của kênh truyền trên 2 anten 9 tap 69
Hình 5.4: PDP trên cả 2 anten 70
Hình 5.5: Kiểm tra Rayleigh dùng hàm khối xác suất PMF 71
Hình 5.6: So sánh CDF của giá trị các tap và lý thuyết 73
Hình 5.7: Kiểm tra Rayleigh dùng hàm phân bố tích lũy CDF 73
Hình 5.8: Phổ Doppler ở 1 giá trị H 74
Hình 5.9: Phổ Doppler trong khoảng -1 đến 1 Hz 75

Hình 5.10: Phổ tần Doppler trong 6 tap đầu tiên 76
Hình 5.11: Phổ tần Doppler trong 3 tap cuối 76



Trang x
DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số của các mô hình [9] 10
Bảng 2.1: Thành phần phổ Doppler của các cluster 26
Bảng 2.2: Tóm tắt các thông số kênh truyền cho điều kiện LOS/NLOS. 33
Bảng 5.1: Kết quả tổng hợp bộ mô phỏng kênh truyền MIMO trên nền FPGA 77


Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU

Luận văn này được gợi ý từ đề tài của giáo sư người Nhật Hiroshi Ochi của
đại học Kyushu Technology Institute, Nhật Bản. Tác giả đã kế thừa và phát triển từ
nhiều tài liệu do giáo sư và tiến sĩ Yuhei Nagao cung cấp. Đây là đề tài có tính ứng
dụng cao và là một phần rất quan trọng trong dự án lớn của phòng thí nghiệm DSP
tại trường đại học Kyushu. Được sự hợp tác, giúp đỡ và hỗ trợ từ trường Đại Học
Kyushu và giáo sư Ochi, tác giả đã có thời gian ngắn nghiên cứu và thử nghiệm kết
quả đề tài tại Nhật Bản.
Kênh truyền là thành phần cơ bản nhất quyết định đến chất lượng của hệ
thống không dây, đặc biệt trong hệ thống đa anten phát đa anten thu MIMO (Multi
Input Multi Output), kênh truyền chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và nhạy cảm hơn
các loại kênh truyền trong môi trường khác. Vì vậy, trước khi thiết kế một hệ thống
không dây, việc nghiên cứu các đặc tính kênh truyền là nhiệm vụ đầu tiên. Dựa trên
các đặc tính kênh truyền để lựa chọn các kỹ thuật mã hóa kênh, kỹ thuật điều chếtín

hiệu, cũng như các phương pháp cân bằng kênh, lọc nhiễu và các kỹ thuật khác.
Thông thường, khi thiết kế hệ thống viễn thông, những nhà nghiên cứu không
thử nghiệm hệ thống trên môi trường truyền dẫn thực tế mà thử nghiệm hệ thống
trên môi trường truyền dẫn mô phỏng. Việc thử nghiệm hệ thống với kênh truyền
mô phỏng giúp giảm đi nhiều giá thành và độ phức tạp của việc thiết kế, tuy nhiên
hệ thống khi áp dụng thực tế sẽ không đạt kết quả cao. Chính vì lý do đó, luận văn
mô phỏng hệ thống kênh truyền sao cho có các tính chất gần giống với môi trường
truyền dẫn thực tế nhất. Các ảnh hưởng của kênh truyền như phân bố Rayleigh,
dịch tần Doppler, sự tương quan trong không gian giữa các anten, ảnh hưởng Rician
với các giá trị đã được đo đạc theo chuẩn TGn của IEEE.
Nội dung chính của luận văn là phân tích các mô hình kênh truyền, đặc biệt
là mô hình MIMO và thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền 802.11n trên nền FPGA.
Việc thiết kế trên nền FPGA sẽ hướng đến triển khai thử nghiệm hệ thống trên

Trang 2
FPGA board và khả năng tích hợp hệ thống trên một chip đơn (SoC) nhằm đảm bảo
tốc độ của hệ thống.
Nội dung luận văn được chia thành 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu về mục tiêu thực hiện đề tài, tổng quan kênh truyền
không dây và kênh truyền MIMO.
Chương 2: Tìm hiểu về mô hình kênh truyền IEEE 802.11 TGn, phân loại
kênh truyền, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền và cơ sở lý thuyết
phân bố Rayleigh, dịch chuyển Doppler, các khái niệm về cluster, sự tương quan
không gian, ảnh hưởng Rician.
Chương 3: Trình bày cơ sở lý luận để thiết kế hệ thống kênh truyền MIMO
và mô phỏng kênh truyền MIMO TGn bằng Matlab simulink.
Chương 4: Giới thiệu chương trình thiết kế Synphony HLS của hãng
Synopsys và trình bày các bước để thiết kế bộ mô phỏng kênh truyền MIMO theo
mô hình TGn trên nền FPGA.
Chương 5: Trình bày các kết quả đo đạc và kiểm tra, tổng hợp hệ thống bằng

chương trình Synplify Premier của Synopsys.
Chương 6: Tổng kết các nội dung chính đã hoàn thành và hướng phát triển
của đề tài.
Về mặt thực hiện thực tế, do một số hạn chế về kỹ thuật và thiết bị phần
cứng phù hợp nên phần thực thi trên board FPGA sẽ không được thực hiện. Tuy
nhiên, đây là một đề tài có tính nghiên cứu, ứng dụng cao, và nhiều thử thách. Các
kết quả có thể trực tiếp được sử dụng trong giảng dạy các môn học viễn thông ở cấp
bậc đại học hoặc cao hơn. Quan trọng hơn, đề tài có thể phục vụ cho mục đích kiểm
tra, thử nghiệm các thiết kế hệ thống truyền thông và mở ra khả năng phát triển hệ
thống ở dạng phần cứng nhằm cho ra các kết quả có ý nghĩa thực tiễn. Tác giả
mong nhận được các ý kiến đánh giá, trao đổi nhằm góp phần hoàn thiện đề tài.


Trang 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN
KHÔNG DÂY

So với kênh truyền có dây thì kênh truyền không dây là loại kênh truyền
phức tạp và chịu tác động lớn của các yếu tố môi trường bên ngoài. Trong chương 1
luận văn giới thiệu tổng quan về kênh truyền không dây và kênh truyền MIMO.

1.1 GIỚI THIỆU KÊNH TRUYỀN KHÔNG DÂY
Các hệ thống truyền thông không dây ngày nay như IEEE 802.11n (Wifi),
3GPP Long Term Evolution, WiMAX và HSPA+ đều khuyến khích sử dụng công
nghệ MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) trên hệ thống. Chất lượng của hệ
thống MIMO phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi tín hiệu được truyền từ máy
phát đến máy thu. Kênh truyền có tính chất khá phức tạp và phát sinh các tín hiệu
nhiễu không mong muốn. Tín hiệu được truyền từ phía phát, qua kênh truyền bị cản
trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Kết quả là ở phía

thu, tín hiệu phía phát tạo thành nhiều bản sao khác nhau. Nếu ảnh hưởng kênh
truyền quá lớn, tín hiệu phía phát có thể không phục hồi được.
Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền là yêu cầu cơ bản để có
thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc hệ thống, kích thước của các thành
phần và các thông số tối ưu hệ thống.
Hiện nay, hướng nghiên cứu về mô phỏng kênh truyền vẫn đang tiếp tục phát
triển, nhiều nhóm nghiên cứu gồm các giáo sư, tiến sĩ tại các trường đại học ở Mỹ,
Pháp, Đức, Nhật (Kyushu Institute), các hãng sản xuất phát triển viễn thông lớn đều
đưa ra các bộ mô phỏng kênh truyền để kiểm tra chất lượng hệ thống như
Octoscope, Azimuth (đưa ra sản phẩm vào tháng 7 năm 2012). Ngoài ra, các bài
báo [1], hội nghị, và một số tài liệu chuyên ngành [2] về thiết kế bộ mô phỏng kênh
truyền với các kỹ thuật khác nhau được đăng trên các tạp chí, hội nghị khoa học lớn
được tìm thấy dưới đây:

Trang 4
[1] Delangre, O.; De Doncker, P.; Lienard, M.; Gaillot, D.P.; Degauque, P.;
Dept. OPERA, Univ. Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium, “MIMO channel
emulator based on reverberation chambers” Intelligent Transport Systems
Telecommunications (ITST), 2009 9th International Conference.
[2] Chin, Kean Khoong (Ipoh, MY) Shaw, Jiann Der (Tao Yuen, TW) NG,
Yin Khai (Penang, MY), “MIMO Channel Simulator”, 2008.

1.2 GIỚI THIỆU KÊNH TRUYỀN MIMO
Kĩ thuật MIMO - đa anten phát, đa anten thu đang được xem là một giải pháp
cho thế hệ di động tiếp theo và mạng LAN không dây. Kĩ thuật này đòi hỏi một dải
băng tần rộng hơn, đáng tin cậy hơn so với hệ thống đơn anten thông thường. Hệ
thống đa anten có thể được chia thành 2 nhóm: hệ thống dựa trên anten thông minh,
và hệ thống đa ngõ ra đa ngõ vào dựa trên việc đa ghép không gian.
Hệ thống dựa trên anten thông minh lợi dụng đa anten nhận hoặc phát để
cung cấp độ lợi phân tập trong môi trường fading, độ lợi anten và triệt nhiễu ISI.

Những độ lợi này làm tăng hiệu suất phổ, dải phổ và sự tin cậy trong mạng không
dây. Các hệ thống này có thể có một mảng đa anten tại một đầu của liên kết truyền
thông (ví dụ: tại phía phát, có hệ thống đa đầu ra đơn đầu vào (MISO) hoặc tại phía
thu, có hệ thống đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO)). Trong hệ thống MIMO, mỗi anten
truyền có thể quảng bá một luồng tín hiệu độc lập cùng lúc trên cùng băng thông.
Điều này ám chỉ hệ thống thứ hai trong MIMO, hệ thống đa ngõ ra đa ngõ vào dựa
trên đa ghép không gian. Sử dụng kĩ thuật này với n anten nhận, n anten phát, tốc độ
dữ liệu có thể tăng n lần so với một hệ thống anten đơn. Sự đột phá công nghệ này
hứa hẹn sẽ thỏa mãn nhu cầu tốc độ cao trong tương lai của hệ thống PAN, WLAN,
WAN, LTE, WiMAX.
Trong hệ thống WLAN, năng lượng tín hiệu bị tán xạ và phản xạ từ các đối
tượng trong môi trường, các thành phần của tín hiệu đến phía nhận đã bị trải qua
trong một khoảng thời gian lâu hơn mong muốn. Điều này gây ra sự chậm trễ không
đồng đều trong thời gian đến ở mỗi tín hiệu.

Trang 5
Trong môi trường của các hệ thống WLAN, luôn luôn có một số can nhiễu
tác động lên các tín hiệu. Do đó, những thách thức của hệ thống MIMO là phải cung
cấp một hiệu suất cao, sự liên kết dữ liệu đáng tin cậy để có thể hoạt động trong
điều kiện mức công suất nhận hạn chế và chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của fading
kênh truyền do phản xạ đa đường và can nhiễu năng lượng từ các thiết bị khác gần
đó.
Hình 1.1 minh họa kênh truyền trong hệ thống MIMO 2 anten phát, 2 anten
thu chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tác động.

Hình 1.1: Kênh truyền MIMO với 2 anten phát, 2 anten thu
Luận văn giới thiệu các khái niệm phân loại kênh truyền và cách thiết kế mô
hình kênh truyền áp dụng cho hệ thống MIMO WLAN IEEE 802.11n. Một số trong
các mô hình kênh truyền là do sự mở rộng của mô hình (SISO) WLAN được đề
xuất bởi Medbo.

Trang 6

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC LOẠI KÊNH TRUYỀN MIMO

Chương 2 trình bày về phân loại các mô hình kênh truyền MIMO, giới thiệu
mô hình kênh truyền MIMO trong chuẩn IEEE 802.11 TGn gồm các loại như kênh
truyền phân bố Rayleigh, phổ công suất Doppler, các khái niệm về cluster, sự tương
quan trong không gian và phân bố Rician.

2.1 PHÂN LOẠI MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN 802.11N
Mô hình kênh truyền MIMO có thể được chia thành Mô hình băng rộng
(Wideband models) và Mô hình băng hẹp (Narrowband models) dựa trên băng
thông của hệ thống.
Ngoài ra, các mô hình kênh truyền MIMO còn được chia thành mô hình
physical và mô hình non-physical. Các mô hình non-physical mô tả kênh truyền
MIMO thông qua các đặc điểm thống kê dựa trên các dữ liệu được đo đạc thực tế.
Trong khi đó các mô hình physical dựa trên các thông số cấu hình và kết quả lý
thuyết. Nhìn chung các mô hình này sử dụng các thông số physical chủ yếu là AoA
(Angleof Arrival), AoD (Angle of Departure), tần số sóng mang, khoảng cách giữa
các anten [12].

Hình 2.1: Mô tả môi trường truyền không dây bao gồm nhiều thành phần.

Trang 7
Trong đó, tín hiệu truyền từ phía phát đến phía thu có nhiều đường đến khác
nhau. Tuy nhiên, trong thiết kế và thử nghiệm, mô hình kênh truyền không dây
thường giới hạn số đường từ 4 đến 24.
Băng thông không dây quyết định số đường cần thiết để tạo ra một mô hình
thích hợp. Mỗi đường được tạo thành từ các đường con (sub-paths) đại diện cho các

sóng nhận được từ phản xạ xung quanh. Nhiều đường con kết hợp với nhau tạo
thành một đường đơn. Trong thực tế, mỗi đường con đến phía thu với độ trễ và góc
AoA khác nhau. Các đường con này gây ra các đặc điểm về độ trải trễ (DS) và trải
góc (AS). Vì sự giới hạn băng thông, nên độ trải trễ được xem như bằng 0, tức là
các đường con đến phía thu cùng lúc. Đối với các kênh truyền băng hẹp (như FM có
băng thông 25-30 KHz), phía thu không thể phân giải các đường khác nhau. Phía
thu xem tín hiệu như là một đa hợp, tức là một vector tổng của tất cả các đường.
Đối với kênh truyền băng rộng, các kết quả đo đạc cho thấy mỗi đường có
khuynh hướng được thu theo một hướng riêng biệt và với một góc AS giới hạn.
Hình 2.2 mô tả tín hiệu nhận được trên kênh truyền băng rộng. Công suất của năm
thành phần đa đường được thể hiện với đỉnh được chuẩn hóa bằng 0 dB. Các đường
được thể hiện bằng các màu: đỏ, xanh dương, đen, tím, và xanh lá. Các màu này
được sử dụng để đánh dấu công suất nhận được tại mỗi độ trễ. Mỗi đường có một
phân phối công suất trên góc (PAS) tại một độ trễ cho trước.








Hình 2.2: Khái niệm PAS đối với mô hình băng rộng[12].

Trang 8
Năm đường được thể hiện trong hình 2.2 tạo thành từ những đường con riêng
biệt và được thu với các góc AoA khác nhau (giả sử tất cả các đường con của một
đường cho trước được thu như là cluster, và đến phía thu cùng lúc).
Khi tín hiệu được nhận bởi một phía thu băng hẹp, tất cả các thành phần đa
đường không thể phân biệt được và được tổng hợp lại với nhau tại anten thu. PAS

trong trường hợp này gần như là đều, và tạo thành Rayleigh Fading.
Tóm lại, khi băng thông tăng, khả năng của phía thu có thể phân giải các
đường khác nhau tăng, vì vậy một mô hình kênh truyền chính xác cũng yêu cầu
nhiều đường hơn. Do đó, khi số đường có thể quan sát tăng thì các đặc điểm thống
kê fading sẽ thay đổi.
Kết luận, mô hình băng hẹp xem đa đường là một đường đơn, thì mô hình
băng rộng xem là đa đường đúng nghĩa.
2.2 PHÂN LOẠI FADING
Medbo đưa ra 5 loại mô hình A-D từ mô hình trong môi trường văn phòng
đến mô hình trong môi trường có không gian mở rộng lớn.
IEEE sử dụng 3 loại mô hình A-C của Medbo và thêm 3 loại nữa đại diện
cho các môi trường nhỏ hơn (từ văn phòng nhỏ đến không gian mở rộng lớn). Mỗi
môi trường có các độ trải trễ (Delay Spread - DS) tương ứng.
Mô hình TGn bao gồm 6 mô hình từ A đến F đại diện cho các loại môi
trường trong nhà khác nhau. Trong đó, mô hình từ A đến C đại diện cho các môi
trường nhỏ như nhà ở với độ trãi trễ từ 0 đến 30ns, mô hình từ D đến F đại diện cho
các môi trường rộng lớn hơn như các không gian mở và văn phòng với độ trãi trễ từ
50 đến 150ns [4].
Trong mô hình kênh truyền không dây MIMO, mô hình truyền tín hiệu được
chia thành 2 loại là Fading tầm rộng và Fading tầm hẹp như hình 2.3.

Trang 9

Hình 2.3: Phân loại kênh truyền fading
2.2.1 Fading tầm rộng
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê
về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ước lượng độ suy hao kênh truyền theo

hàm của khoảng cách.
Tín hiệu truyền trên đường truyền đều bị suy hao trên đường truyền (L
FS
).
Ngoài ra, mỗi mô hình đều có các khoảng cách giới hạn về địa lý (breakpoint
distance_d
BP
) khác nhau.
Nếu khoảng cách phía phát và phía thu nhỏ hơn hoặc bằng khoảng cách giới
hạn thì IEEE cho rằng suy hao trên đường truyền có slope bằng 2.
L(d) = L
FS
(d), d<=d
BP.
(2.1)
Nếu khoảng cách phía phát và phía thu lớn hơn khoảng cách giới hạn thì
IEEE cho suy hao trên đường truyền có slope bằng 3.5.
L(d) = L
FS
(d
BP
) + 35 log10 (d/ d
BP
), d > d
BP
(2.2)
Ngoài ra IEEE còn quy định các độ lệch phương sai chuẩn của hiệu ứng bóng
râm như bảng 1.1.

Trang 10
Bảng 2.1: Các thông số của các mô hình [9]
Mô
hình
d
BP
(m)
Slope
before
d
BP

Slope
after
d
BP

Shadow
fading std.
dev.(dB)
before d
BP
(LOS)
Shadow fading
std. dev.(dB)
after d
BP
(LOS)

Số tap

A
5
2
3.5
3
4
1
B
5
2
3.5
3
4
9
C
5
2
3.5
3
5
14
D
10
2
3.5
3
5
18
E
20

2
3.5
3
6
18
F
30
2
3.5
3
6
18

Hình 2.4 minh họa về suy hao trên đường truyền với khoảng cách phía phát
và phía thu nhỏ hơn hoặc lớn hơn khoảng cách giới hạn d
BP









Hình 2.4: Minh họa về suy hao trên đường truyền [9]
Hàm phân phối xác suất zero-mean Gaussian:

(2.3)

Trang 11
2.2.2 Fading tầm hẹp
Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước
sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian
(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của
kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì
sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng [4].
Fading tầm hẹp sinh ra bởi nhiều bản sao các tín hiệu truyền với các độ trễ
khác nhau kết hợp ở phía nhận. Mô hình fading tầm hẹp ảnh hưởng trên hệ thống
MIMO như hình 2.5 có hai tính chất sau:
1) Đáp ứng kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu là tổng hợp các
đường phản xạ. Vì các đường có độ trễ khác nhau tại thời điểm đến nên đáp ứng
xung trải rộng trong miền thời gian.
2) Tín hiệu tổng hợp nhận được ở mỗi anten thu là tổng các tín hiệu từ tất cả
các anten phát.

Hình 2.5: Ví dụ kênh truyền MIMO
Ảnh hưởng của fading tầm hẹp trên thực tế là đáp ứng kênh truyền trải rộng
trong miền thời gian. Điều này biểu diễn qua công thức:

(2.4)

Trang 12
Từ công thức 2.4, chúng ta có thể thấy rằng sự trải rộng của đáp ứng kênh
truyền (được biết đến như độ trải trễ RMS) dựa trên độ trễ τn khác nhau của mỗi
đường.
Lưu ý rằng độ trải trễ RMS thực sự phải được đo bằng phương sai của PDP
(Power Delay Profile), độ trải trễ này nhỏ hơn sự chênh lệch giữa độ trễ đường

truyền tối đa và tối thiểu. Hình 2.6 thể hiện ảnh hưởng trải Doppler với tần số tín
hiệu.

Hình 2.6: Ảnh hưởng trải Doppler
Nếu độ trễ được lan truyền rộng (gọi là phân tán thời gian) thì các symbol
truyền trở nên chồng khít nhau sau khi áp dụng nhân chập với kênh (thường được
gọi là nhiễu liên ký tự). Điều này dẫn đến một đáp ứng tần số phụ thuộc vào các
symbol trước đó được biết đến như fading chọn lọc tần số.
Để xác định các trường hợp xấu nhất có thể cho độ trải trễ, ta xét trong môi
trường văn phòng, trong nhà (khoảng cách khoảng 100 mét).
Ví dụ trong hình 2.7, ta thấy rằng đường ngắn nhất (LOS) là 20 m, trong khi
đường truyền khác có chiều dài 151.3m.

Trang 13

Hình 2.7: Ví dụ về độ trải trễ lớn nhất
Độ trễ tính bằng công thức:
(2.5)

(2.6)
Như vậy, theo hình 1.10, độ trải trễ nên được bé hơn: τ
ds
= (504,3 ns - 66,7
ns) = 437,7 ns.
Với độ trải trễ trên, độ trải trễ kênh truyền tạo ra nhiễu liên ký tự (ISI) sau
khi nhân chập với kênh. Tuy nhiên, với một thời gian symbol lớn hơn, đáng kể hơn
so với độ trải trễ này thì kết quả là flat fading được mô tả trong hình 2.8.

Hình 2.8: Ví dụ flat fading: dùng khoảng sympol lớn
Mối quan hệ giữa độ trải trễ và flat fading cũng làm phát sinh các khái niệm

về coherence bandwidth.
Tương tự như các thông số độ trải trễ trong miền thời gian, coherence
bandwidth được sử dụng để mô tả các kênh trong miền tần số. Coherence
bandwidth là một thông số thống kê dải tần số mà kênh truyền có thể được coi là
phẳng.

Trang 14
Hai tín hiệu sin với hai tần số phân biệt lớn hơn Bc sẽ bị ảnh hưởng khác
nhau trong kênh truyền. Hình 2.9 trình bày kênh truyền đa đường với hai tần số
khác nhau.




Hình 2.9: Kênh truyền multipath với hai tần số khác nhau
Coherence bandwidth (B
c
) là dải tần số mà hai thành phần tần số có khả
năng tương quan biên độ lớn.
Độ tương quan tần số giữa hai tín hiệu nằm trong đoạn [0,1]:
Độ tương quan lớn hơn 0,9 thì B
c
= (1/50 στ)
Độ tương quan lớn hơn 0,5 thì B
c
= (1/5 στ)
Với στ là RMS delay spread.
2.2.3 Phân loại các dạng kênh truyền trong fading tầm hẹp
Theo định nghĩa fading tầm hẹp trên, đề tài tóm tắt lại về phân loại các dạng
kênh truyền trong fading tầm hẹp. Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng

thông của tín hiệu phát, độ trải trễ hoặc Coherence time và chu kỳ symbol mà ta có
các loại kênh truyền như hình 2.10 gồm:
+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
+ Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm.