THIẾT KẾ HỆ THỐNG MIMOOFDM SDM TRÊN NỀN FPGA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


Họ tên HVCH:
NGUYỄN VIỆT HÀ



ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ




Tên đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG MIMO-OFDM SDM
TRÊN NỀN FPGA




Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT – hướng Viễn thông và Máy tính
Mã số: 60 52 70



Cán bộ hướng dẫn:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHƯƠNG

Tp. HCM, tháng 09 năm 2012



LỜI CẢM ƠN


Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn
Hữu Phương và ThS. Đặng Lê Khoa đã tận tình giúp đỡ, đưa ra những ý kiến rất
quý báu để giúp em hoàn thiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện tử Viễn thông nói
riêng và trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP. Hồ Chí Minh nói chung đã giảng
dạy và tạo điều kiện cho em học tập tốt nhất trong thời gian qua.
Em cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong quá
trình thực hiện luận văn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn và trân trọng kính chào.


Học viên thực hiện
Nguyễn Việt Hà
Lời mở đầu

i
LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài năm gần đây, các thiết bị di động phát triển rất mạnh mẽ với sự xuất
hiện của các điện thoại thông minh (smart-phone), máy tính bảng (tablet), các máy
tính cá nhân siêu di động (ultrabook) …, dẫn đến nhu cầu của người dùng di động
ngày càng tăng. Song song với nhu cầu sử dụng tăng thì nhu cầu về chất lượng dịch
vụ cũng tăng theo. Vì vậy, các nhà nghiên cứu cố gắng đưa ra những kỹ thuật

truyền mới với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và tầm phủ sóng xa hơn nhằm đáp
ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Kỹ thuật MIMO (Multi-Input Multi-Output) trong truyền thông là kỹ thuật sử
dụng nhiều an-ten phát, nhiều an-ten thu để truyền và nhận dữ liệu. Ưu điểm của
MIMO là tăng độ phân tập của kênh truyền fading, nên có thể giảm xác suất lỗi
(BER hay FER ) và tăng dung lượng của kênh truyền từ đó có thể tăng được tốc độ
dữ liệu.
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) là một trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ
trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn
lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ
làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật
điều chế thông thường. Ngoài ra, hệ thống OFDM còn có thể loại bỏ hoàn toàn
nhiễu phân tập đa đường (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).
Sự kết hợp của hai kỹ thuật MIMO-OFDM được xem là một giải pháp công
nghệ nổi lên với việc truyền được dữ liệu tốc độ cao, đã và đang áp dụng vào các hệ
thống hiện nay như 4G, WiMAX, và Wifi.
Chính vì tính ưu việt của kỹ thuật MIMO-OFDM nên đây là hướng nghiên
cứu rộng mở nhất trên thế giới, cũng như tại Bộ môn Viễn thông và Mạng, Khoa
Điện tử Viễn thông, Trường ĐH KHTN. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu thường
chỉ thiết kế và đánh giá hệ thống trên các phần mềm mô phỏng như Matlab
Simulink mà chưa quan tâm đến việc thực hiện trên phần cứng để phân tích kết quả
Lời mở đầu

ii
một cách khách quan hơn, chính xác hơn vì mô phỏng và thực tế cách nhau rất xa.
Chính vì vậy tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế trên nền FPGA và thực hiện
trên ngôn ngữ phần cứng hệ thống MIMO-OFDM SDM hoàn chỉnh.
Luận văn nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tiến hành mô phỏng, đánh giá hệ thống
MIMO-OFDM trên Matlab Simulink. Sau đó thiết kế hệ thống bằng ngôn ngữ phần

cứng trên nền FPGA sử dụng công cụ Synphony của hãng Synopsys. Cuối cùng
dùng phần mềm Synplify để tổng hợp và xác định board FPGA phù hợp có thể sử
dụng để thực hiện và kiểm tra.
Nội dung luận văn được chia thành 6 chương:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống MIMO-OFDM được nghiên cứu và phát
triển hiện nay và xu thế trong tương lai.
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống MIMO và hệ thống OFDM.
Chương 3: Trình bày lý thuyết và mô hình mô phỏng từng khối chức năng
trong hệ thống MIMO-OFDM SDM trên Matlab simulink cũng như đưa ra các kết
quả đánh giá hệ thống với các loại kênh truyền khác nhau.
Chương 4: Trình bày ý tưởng và nội dung thiết kế hoàn chỉnh của hệ thống
MIMO-OFDM SDM trên ngôn ngữ phần cứng.
Chương 5: Trình bày các kết quả đo đạc và kiểm tra hệ thống.
Chương 6: Tổng kết các kết quả đã thực hiện và hướng phát triển của đề tài.

Về mặt thực hiện thực tế, do hạn chế khách quan là không có thiết bị phần
cứng phù hợp nên phần thực thi trên board FPGA sẽ không được thực hiện. Tuy
nhiên, đề tài đã biên dịch thành công toàn bộ hệ thống sang ngôn ngữ máy để sẵn
sàng nạp nếu có điều kiện. Đây là một đề tài có tính nghiên cứu, ứng dụng cao. Các
kết quả có thể trực tiếp được ứng 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 hệ thống truyền thông thiết kế 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.
Mục lục

iii
Mục lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1. Giới thiệu 1
1.1.1. Lịch sử phát triển 1
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản 3
1.2. Một số ứng dụng tiêu biểu 5
1.2.1. Chuẩn 802.11n (WiFi) 5
1.2.2. Chuẩn 802.16 (WiMAX) 6
1.2.3. Công nghệ 4G 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1. Hệ thống MIMO 9
2.1.1. Khái niệm hệ thống MIMO 9
2.1.2. Các kỹ thuật phân tập 10
2.1.3. Các độ lợi trong hệ thống MIMO 11
2.2. Mã hóa không gian thời gian STC 12
2.2.1. Mô hình hệ thống 13
2.2.2. Dung lượng hệ thống 13
2.2.3. Mã hoá không gian thời gian khối STBC 15
2.2.4. Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST 19
2.3. Ghép kênh phân chia không gian (Spatial Division Multiplexing) 20
2.3.1. Ghép kênh phân chia không gian sử dụng thuật toán Zero Forcing 22
2.3.2. Thuật toán MMSE 23
2.4. Hệ thống OFDM 24
2.4.1. Nguyên lý OFDM 24
2.4.2. Tín hiệu OFDM 25
2.4.3. Thực hiện hệ thống OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT 26
2.4.4. Cyclic Prefix 27
Mục lục

iv
2.4.5. Bộ giải điều chế OFDM 29
2.4.6. Các ưu và nhược điểm 31

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM SDM 2X2 TRÊN
MATLAB SIMULINK 32
3.1. Lý thuyết các khối chức năng 34
3.1.1. Khối giả ngẫu nhiên (Khối Randomizer) 34
3.2. Khối mã hoá kênh (Khối Channel Coding) 35
3.2.1. Mã hoá Convolutional Code 35
3.2.2. Khối điều chế số (Khối Modulation) và Khối giải điều chế số 39
3.2.3. Khối phân tập và giải phân tập sử dụng thuật toán MMSE (MMSE
Decoder) 40
3.2.4. Điều chế và giải điều chế OFDM 41
3.2.5. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic Prefix 42
3.2.6. Khối ước lượng kênh truyền (bộ Estimation) 43
3.2.7. Khối giải mã SDM (bộ SDM Decoder) 45
3.3. Mô hình kênh truyền 45
3.3.1. Nhiễu AWGN 45
3.3.2. Mô hình kênh truyền SUI 46
3.3.3. Mô hình kênh truyền TGn 47
3.3.4. Đánh giá kết quả của hệ thống 48
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO-OFDM SDM 2X2 TRÊN
NỀN FPGA 55
4.1. Bộ tạo thông tin điều khiển (khối Controller_TX) 56
4.2. Bộ tạo dữ liệu (khối Data TX) 57
4.3. Bộ ngẫu nhiên hoá (khối Randomizer) và giải ngẫu nhiên hoá dữ liệu (khối
De-Randomizer) 58
4.4. Bộ mã hoá kênh và bộ giải mã kênh 60
4.4.1. Bộ mã hoá kênh (khối Channel Encoder) 60
4.4.2. Bộ giải mã kênh (khối Channel Decoder) 62
Mục lục

v

4.5. Bộ điều chế số và bộ giải điều chế số. 63
4.5.1. Bộ điều chế số (khối Modulation) 63
4.5.2. Bộ giải điều chế số (khối De-Modulation) 65
4.6. Bộ phân tập an-ten (khối De-MUX) 66
4.7. Bộ tạo symbol OFDM (khối OFDM Symbol) và bộ tách symbol OFDM (khối
OFDM Data) 66
4.7.1. Bộ tạo symbol OFDM 66
4.7.2. Bộ tách symbol OFDM 71
4.8. Bộ giả lập kênh truyền (khối Channel) 72
4.9. Bộ ước lượng kênh truyền (khối Estimation) 73
4.10. Bộ giải mã SDM (khối SDM decoder) 75
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ 79
5.1. Bộ điều khiển 79
5.1.1. Tín hiệu động bộ 79
5.1.2. Tín hiệu chỉ dẫn 80
5.2. Khối ngẫu nhiên hoá 81
5.3. Khối mã hoá kênh 82
5.4. Khối điều chế và giải điều chế số. 83
5.5. Khối phân tập an-ten 83
5.6. Ghép symbol OFDM 84
5.7. Khối tạo nhiễu: 85
5.8. Khối ước lượng kênh. 86
5.9. Khối giải mã MMSE 87
5.10. Tỉ lệ lỗi của hệ thống với nhiễu AWGN: 87
5.11. Tài nguyên phần cứng của hệ thống. 88
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89
6.1. Kết luận 89
6.2. Hướng phát triển 90

Chương 1: Tổng quan

1
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lịch sử hình thành và các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật
MIMO-OFDM. Song song đó, chương này còn trình bày một số chuẩn truyền thông
tiêu biểu ứng dụng kỹ thuật MIMO-OFDM và tiềm năng của kỹ thuật này trong
tương lai.

1.1. Giới thiệu
1.1.1. Lịch sử phát triển
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất
lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống
thông tin, chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất, tăng dung
lượng truyền khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng đến
một mức giới hạn nào đó vì khi công suất phát càng tăng thì càng gây nhiễu cho các
hệ thống thông tin xung quanh và việc phân bố băng thông đã được định chuẩn sẵn.
Hệ thống MIMO (đa đầu vào, đa đầu ra) có thể tăng dung lượng kênh truyền,
sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ
thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công
suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống. Kỹ thuật OFDM là một phương
thức truyền dẫn tốc độ cao với các cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống lại fading
chọn lọc tần số bằng cách sử dụng phân tập tần số trực giao chia luồng dữ liệu tốc
độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con. Ngoài ra
việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ cân bằng đáng kể bằng
cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số và loại bỏ được nhiễu ISI khi sử
dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ
thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa
hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai.
Chương 1: Tổng quan
2

Hình 1.1 Mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng tốc độ bit
và vùng bao phủ, trong đó các chuẩn màu đậm sẽ được ứng dụng hệ thống MIMO-
OFDM trong tương lai, điều này cho thấy tầm ứng dụng của hệ thống MIMO-
OFDM rất rộng.

Hình 1.1: Các chuẩn không dây
[4]
Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng
chế về việc sử dụng đa an-ten trong hệ thống vô tuyến. Năm 1985 đồng nghiệp của
Jack Winters là Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa trên những nghiên
cứu của Jack Winters. Từ năm 1986 đến 1995 đã có nhiều bài báo về MIMO được
đưa ra. Năm 1996, trong khi đang làm việc tại trường đại học Stanford, Greg
Raleigh và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do hệ thống vô
tuyến va chạm với các vật tạo ra nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ trong hệ thống
MIMO. Từ đó Greg Raleigh đã viết bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu
tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc
phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAST (Diagonal-Bell Laboratories
Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO. Năm
1998, P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra
kĩ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất
sử dụng phổ lần đầu tiên khoảng 20-40 bps/Hz. Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ
đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 an-ten phát và 1 an-ten thu, sơ đồ này cũng
đưa ra phương pháp áp dụng cho M an-ten thu để có độ lợi 2M. Năm 2003, Airgo
đã tung ra chip MIMO đầu tiên. Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan
3
chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp kĩ thuật OFDM. Năm 2006, TGn
đã đưa ra bản nháp đầu tiên của 802.11n để thảo luận và sửa chữa.
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản
[5]

Trong hệ thống MIMO, dòng dữ liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành
N dòng dữ liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (N là số an-ten phát). Mỗi dòng dữ liệu
này sẽ được điều chế vào các symbol của các kênh truyền. Các dòng dữ liệu lúc này
có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng dữ liệu ban đầu, được phát đồng thời. Vì vậy, về
mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được phát
đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M an-ten của hệ
thống thu. Về cơ bản, thì các hệ thống MIMO phải có kênh truyền flat fading trên
mỗi kênh con. Khi đó, kỹ thuật OFDM có thể ứng dụng tốt nhờ khả năng chia luồng
dữ liệu thành các kênh con trong một dòng dữ liệu của hệ thống MIMO. Các hệ
thống kết hợp này được gọi là hệ thống MIMO-OFDM.
Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm cả hệ thống
MIMO N
T
an-ten phát và N
R
an-ten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang con
được mô tả như Hình 1.2.

(a) Mô hình OFDM phía phát


(b) Mô hình OFDM phía thu
Hình 1.2: Mô hình MIMO-OFDM
Chương 1: Tổng quan
4
Symbol thu được từ an-ten thu thứ i, tại sóng mang con thứ k có thể biểu diễn
như sau:



(

)
= 

(

)


(

)
+

(

)


(

)
+…+


(

)




(

)
+

(

)



(

)
= 

(

)


(

)
+

(


)


(

)
+…+


(

)



(

)
+

(

)

⋮




(


)
= 



(

)


(

)
+


(

)


(

)
+…+





(

)



(

)
+



(

)

Với:
= 1,2,3,…,




(

)
là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM


(


)
là nhiễu Gauss tại an-ten thu thứ I trong miền tần số, tức là N-
FFT của nhiễu trong miền thời gian v
i
(t).
λ
ii
(k) là độ lợi kênh truyền từ an-ten phát thứ j tới an-ten thu thứ i tại
sóng mang con thứ n.
Trong đó, λ
ii
(k) chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh truyền c
ij
(t) từ an-
ten phát thứ j tới an-ten thu thứ i. Nếu máy thu có thể ước lượng chính xác trạng
thái kênh truyền thì λ
ii
(k) sẽ được biết chính xác ứng với mỗi symbol OFDM.

Hình 1.3: Ma trận kênh truyền

Chương 1: Tổng quan
5
Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như
sau:

Hình 1.3 ở trên mô tả rõ hơn ma trận H, kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh
truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con fading phẳng. Hệ thống MIMO-
OFDM tương đương với hệ thống MIMO.

1.2. Một số ứng dụng tiêu biểu
1.2.1. Chuẩn 802.11n (WiFi)
Mạng máy tính cục bộ không dây (WLAN: wireless LAN), còn gọi tắt là WiFi
(Wireless Fidelity) đầu tiên được IEEE chuẩn hóa vào năm 1997 và được gọi là
802.11. Chuẩn này hoạt động trong dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ chỉ đạt được
là 2Mbps. Tốc độ này quá thấp cho các ứng dụng. Vì vậy, IEEE đã phát triển các
chuẩn mới. Năm 1999, các chuẩn 802.11a/b được chấp thuận và sản phẩm thương
mại đầu tiên ra đời năm 2001. Các mạng WLAN đã phát triển vượt bậc nhờ giá
thành ngày càng giảm, được tích hợp sẵn trong các thiết bị xách tay và nhất là sự
tiện nghi cho người sử dụng khi truy cập mạng mà không cần dây nối.
Đến nay, mạng WLAN đã được phát triển thêm rất nhiều chuẩn, trong đó nổi
bật là 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n và gần đây là 802.11ac. Trong đó, chuẩn
802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM nên tốc độ đạt trên 100 Mbps (tối đa là
600 Mbps). Thông tin sơ lược về các chuẩn sử dụng kỹ thuật OFDM được trình bày
trong Bảng 1.1.
Wireless LAN không những hỗ trợ thiết lập mạng cục bộ mà còn cho phép
thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) giữa các thiết bị. Vì vậy,
mạng này không chỉ hiện diện trên các máy tính xách tay, các thiết bị hỗ trợ cá nhân
(PDA), mà còn xuất hiện ở nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, các thiết bị văn
phòng. Thành công của mạng wireless LAN đã thúc đẩy việc phát triển nhanh mạng
Chương 1: Tổng quan
6
máy tính với qui mô lớn hơn và có nhiều tính năng hơn. Mạng máy tính không dây
diện rộng (Wireless MAN) được nghiên cứu và thử nghiệm, chuẩn 802.16 ra đời.
Sự phát triển cực nhanh đó cho thấy mối quan tâm của thế giới dành cho mạng máy
tính không dây cục bộ và các thế hệ sau của nó là rất lớn.
Bảng 1.1: Sơ lược các chuẩn mạng cục bộ không dây

1.2.2. Chuẩn 802.16 (WiMAX)
IEEE 802.16 còn được gọi với tên WiMAX (Worldwide Interoperability for

Microwave Access) được phát triển trong những năm gần đây. Chuẩn 802.16 đầu
tiên được công bố vào tháng 12 năm 2001, dành cho hệ thống không dây dải rộng
cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint broadband wireless system) hoạt
động trong vùng phổ tần đăng ký (licensed spectrum) từ 10 đến 66 GHz.
Trên thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng
cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống
WiMAX gồm 2 phần cơ bản là trạm phát và trạm thu. Trạm phát giống như các
trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng
rộng tới 8000km
2
. Trạm thu có thể là các an-ten nhỏ như các card mạng kết nối vào
hoặc được thiết lập sẵn trên bo mạch chủ bên trong các máy tính.
Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền
tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung
Chương 1: Tổng quan
7
chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight) và chính vì vậy WiMAX có thể phủ
sóng đến những vùng rất xa. Mô hình truyền thông dùng WiMAX được mô tả ở
hình 1.4.

Hình 1.4: Mô hình truyền thông của WiMAX
Hai chuẩn phổ biến trong WiMAX là WiMAX cố định (802.16d) và WiMAX
di động (802.16e) đều có sử dụng kỹ thuật OFDM. Đặc điểm của các chuẩn được
trình bày trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2: Sơ lược các mạng diện rộng không dây
Chuẩn
802.16
(LOS)
802.16a/802.16d
(NLOS)

802.16e
(NLOS)
Hoàn thành 12/2001
802.16a: 1/2003
802.16d: 6/2004
Cuối 2005
Phổ tần (GHz) 10 – 66
<11
2,5 & 3,5 (đăng ký)
5,8 (tự do)
< 6
Tốc độ(Mbps)
32 – 134 (băng
thông 28 MHz)
74 (băng thông 20
MHz)
15 (băng thông
5MHz)
Kiểu điều biến QPSK, 16QAM, QPSK, 16QAM, Thích nghi
Chương 1: Tổng quan
8
64QAM 64QAM
Khả năng di động Cố định Cố định
Di động tốc độ
thấp
Băng thông (MHz) 20, 25, 28 1,5  20 1,5  20
Bán kính cell (km) 1,5  5 6  10 (max 45) 1,5  5
1.2.3. Công nghệ 4G
Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 là các hệ thống di động băng rộng. Với hệ
thống này, các thiết bị di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình

ảnh với chất lượng cao. Đồng thời, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các
thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không dây khác
nhau. Kỹ thuật MIMO-OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao, tránh được
cả ICI và ISI. Vì vậy, kỹ thuật MIMO-OFDM là công nghệ then chốt của truyền
thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
9
2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản trong hệ thống MIMO-OFDM,
đồng thời giới thiệu chi tiết kỹ thuật hệ thống OFDM, hệ thống MIMO nhằm cung
cấp các cơ sở lý thuyết để thiết kế hệ thống MIMO-OFDM hoàn chỉnh.

2.1. Hệ thống MIMO
[2],[3]

2.1.1. Khái niệm hệ thống MIMO
Nhu cầu về dung lượng hệ thống di động, không dây, internet tăng lên nhanh
chóng trên thế giới. Tuy nhiên phổ tần lại giới hạn, do đó việc tăng hiệu quả sử
dụng phổ tần là điều cần thiết. Việc tăng hiệu quả sử dụng phổ tần có thể cao hơn
nữa khi sử dụng nhiều an-ten ở đầu phát và đầu thu.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống truyền thông điểm-điểm
với đa an-ten ở đầu phát và đầu thu (Hình 2.1). Những nghiên cứu cho thấy hệ
thống MIMO có thể tăng tốc độ dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô
tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông. Chí phí trả cho tăng tốc độ
đường truyền chính là chi phí triển khai hệ thống an-ten, không gian hệ thống tăng
và độ phức tạp xử lý tín hiệu số cũng tăng.

Hình 2.1: Hệ thống MIMO
Chương 2: Cơ sở lý thuyết

10
2.1.2. Các kỹ thuật phân tập
2.1.2.1. Phân tập an-ten
Kĩ thuật phân tập an-ten (hay phân tập không gian) được sử dụng để làm giảm
fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của kênh truyền mà không yêu cầu tăng công
suất phát hay tăng băng tần. Kĩ thuật phân tập phải có nhiều bản sao của cùng một
tín hiệu phát tại đầu thu với độ tương quan nhỏ trong môi trường fading. Khoảng
cách an-ten khoảng vài bước sóng để các tín hiệu không tương quan nhau. Không
giống như phân tập tần số, thời gian, phân tập không gian làm giảm hiệu suất sử
dụng băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ
cao trong tương lai.

Hình 2.2: Các phương pháp phân tập
Tùy thuộc vào nhiều an-ten được phân tập mà chia làm 3 loại: MISO (Multiple
Input Single Output) - phân tập an-ten phát, SIMO (Single Input Multiple Output)
phân tập an-ten thu, MIMO (Multiple Input Multiple Output) phân tập an-ten thu và
phát.
2.1.2.2. Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, sử dụng nhiều tần số khác nhau để phát cùng một nội
dung. Các tần số phải được phân tập để đảm bảo bị ảnh hưởng fading một cách độc
lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông để đảm bảo không
có sự tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, nội dung tín hiệu được
thêm vào những thành phần dư thừa thưởng gọi là trải phổ, ví dụ trải phổ trực tiếp,
điều chế đa sóng mang, trải phổ nhảy tần.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
11
2.1.2.3. Phân tập thời gian

Hình 2.3: Phân tập thời gian được mã hóa và xen kênh
Từ hình vẽ ta thấy khi có xen kênh thì từ mã thứ 2 chỉ bị fading 1 phần. Phân

tập thời gian có thể là phát cùng nội dung ở các thời gian khác nhau. Khoảng thời
gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian trễ lớn nhất.
2.1.3. Các độ lợi trong hệ thống MIMO
Bao gồm 3 loại độ lợi trong hệ thống MIMO: độ lợi beamforming, độ lợi ghép
kênh không gian, độ lợi phân tập không gian.
2.1.3.1. Độ lợi beamforming
Độ lợi beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ, giảm được
các hướng không mong muốn, giảm can nhiễu, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh
và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện beamforming khoảng cách an-
ten của hệ thống MIMO thường phải nhỏ hơn nửa bước sóng.

Hình 2.4: Kĩ thuật beamforming
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
12
2.1.3.2. Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

Hình 2.5: Hệ thống tăng tốc độ khi sử dụng ghép kênh không gian
Các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời nhằm tăng dung lượng kênh
truyền mà không cần tăng công suất phát và băng thông. Dung lượng hệ thống sẽ
tăng tuyến tính theo số lượng kênh song song.
2.1.3.3. Độ lợi phân tập không gian

Hình 2.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Việc phân tập sẽ cung cấp cho bộ thu những bản sao tín hiệu giống nhau qua
kênh truyền fading khác nhau. Hệ thống sẽ chọn lựa hoặc kết hợp các bản sao để
giảm BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống.
Trên thực tế để tăng dung lượng và tăng độ tin cậy, giảm BER thì phải kết hợp
ghép kênh không gian và phân tập không gian.
2.2. Mã hóa không gian thời gian STC
Các an-ten trong hệ thống MIMO phải có khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu

tại các an-ten không bị ảnh hưởng nhau. Lợi dụng hiện tượng đa đường và tán xạ,
mã hóa không gian thời gian đã phát đồng thời chuỗi symbol tại tất cả các an-ten
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
13
qua đó tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập. Mã hóa không gian thời gian bao
gồm 3 loại:
o Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-Time Block Code)
o Mã hóa không gian thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code)
o Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST (Bell-Laboratories Layed
Space-Time)
2.2.1. Mô hình hệ thống
Một hệ thống bao gồm nhiều an-ten phát
T
N
và nhiều an-ten thu
R
N
được
biểu diễn như công thức (2.1), đây cũng là mô hình chung cho các kỹ thuật MIMO
khác.

Hoặc đơn giản như công thức (2.2).
y Hx n
 

Với
R
N
y C
 là tín hiệu từ

R
N
,
T
N
x C
 biểu diễn tính hiệu từ
T
N
,
R
N
n C
 kí
hiệu nhiễu trắng Gauss
2
(0, )
N

.
R T
N N
H C

 là ma trận kênh truyền chứa hệ số
phức
ij
h
, kích thước
R

N

T
N
,
ij
h
có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số
biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ phát j đến thu i.
2.2.2. Dung lượng hệ thống
Giả sử hệ thống có N kênh truyền 1 chiều song song bị các nguồn nhiễu Gauss
có phương sai
2 2
1
, ,
N
 
có tác động như Hình 2.7.Dung lượng mỗi kênh được tính
theo định lý Shannon, dung lượng của hệ các kênh song song là tổng dung lượng
của kênh đơn như công thức (2.3).


(2.1)

(2.2)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
14

Với


là hệ số nhân Lagrange được chọn sao cho tổng công suất phát là:
1
N
n
n
P P









Hình 2.7: N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song
Dung lượng kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H có thể được tính thông qua
việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song, theo phân bố Gauss,
độc lập và vô hướng.
H
H UDV


Với
R R
N N
U C



và
T T
N N
V C


là ma trận unitary (
. , .
N T
H H
R N
U U I V V I
 
),
R T
N N
D R


là ma trận đường chéo.
Ta có biểu thức
y= Hx + n =UDV
H
x +n

Nhân 2 vế của biểu thức với
H
U
ta được biểu thức
H H H H

U y U UDV x U n
 

Đặt :
, ,
H H H
y U x V n U n
  
  

Ta có biểu thức:
y Dx n
 
  

Nếu N
T
> N
R
chỉ có N
R
tín hiệu đầu tiên thuộc
x

tách được. nếu N
T
< N
R
: chỉ có
N

T
đầu tiên thuộc
x

có ích, N
R
– N
T
cuối cùng không chứ thông tin.
n

cũng có phân
bố
2 2
x x


vì vậy năng lượng của hệ được bảo toàn và hệ trở thành hệ các kênh
truyền Gauss song song như Hình 2.8
(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

15

Hình 2.8: Hệ truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương
Hệ số
n
d
có thể được loại bỏ bằng cách nhân tính hiệu thu được với
1
D

, sẽ đưa
hệ thống MIMO về hệ thống các kênh truyền song song.


2.2.3. Mã hoá không gian thời gian khối STBC
STBC thực hiện mã hoá một khối các kí tự đầu vào thành một ma trận đầu ra
với các hàng tương ứng với các an-ten phát (không gian) và cột tương ứng với thứ
tự phát (thời gian). STBC cho phép phân tập đầy đủ và có độ lợi nhỏ tuỳ thuộc vào
tốc độ của bộ mã, quá trình mã đơn giản dựa trên giải mã tương quan tối đa
(maxium Likehood).
2.2.3.1. Sơ đồ Alamouti
Trong sơ đồ Alamouti bộ mã hoá space-time sẽ mã hoá 2 kí tự liên tiếp
1 2
[ ]
CC
,
thuộc chòm sao điều chế thành ma trận:
*
1 2
*

2 1
C C
C
C C
 


 
 


Ma trận C gọi là ma trận mã, có tính chất
2 2
2
1 2
( )
CC C C I

 

(2.8)
(
2
.
9
)

(2.10)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

16

Hình 2.9: Sơ đồ Alamouti 2 an-ten phát và 1 an-ten thu
Trong chu kì thứ nhất bộ phát sẽ phát đồng thời 2 tín hiệu
1
C
và
2
C
ra 2 an-ten
1, 2, chu kì tiếp theo, bộ phát sẽ phát 2 tín hiệu
*
2
C

và
*
1
C
ra 2 an-ten 1, 2

Hình 2.10: Các symbol phát thu
Tín hiệu tại máy thu chu kì 1 và chu kì 2:
   
*
1 2
1 2 1 2 1 2
*
2
1

C C
r r h h n n
C
C



 
 


 




1 1 1 2 2 1
* *
2 1 2 2 1 2
r hC h C n
r h C h C n
   
   

Khi đó
2 2
* * * *
1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2
2 2
* * * *

2 1 1 2 1 2 2 2 1 1 2
( )
( )
h r h r h h C h n h n
h r hr h h C h n hn
    
    

SNR tại an-ten thu :
2 2
1 2
( )
C
n
P
h h
P

 

(
2.11a)

(
2.11b)

(2.12)

(2.13)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
17
Nếu có N an-ten thu ta có SNR tổng cộng:

2 2
1 2
1
( )
r
N
C
i
n
P
h h
P


 


2.2.3.2. Sơ đồ Alamouti mở rộng
Sơ đồ Alamouti có thể được mở rộng bằng cách xài 2 an-ten và M an-ten thu

Hình 2.11: Sơ đồ Alamaouti mở rộng
Khi đó :
   
*
1 2
1 2 1 2 1 2

*
2
1
M M M M M M
C C
r r h h n n
C
C



  


 




Tương ứng ta có:
2 2
* * * *
1 1 2 2 1 2 1 1 1 2 2
2 2
* * * *
2 1 1 2 1 2 2 2 1 1 2
( )
( )
i i i i i i i i i i
i i i i i i i i i i

h r h r h h C h n h n
h r h r h h C h n h n
    
    

2.2.3.3. Mã hoá không gian thời gian lưới STTC
STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập mở
rộng cho MIMO. Cấu trúc mã chập phù hợp với truyền thông vệ tinh, do chỉ sử
dụng bộ mã hoá đơn giản, đạt hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp.
(2.14)

(2.15)

(2.16)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
18
Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra 1 chuỗi các
vector mã độc lập, thì STTC xử lý chuỗi kí tự đầu vào để tạo ra chuỗi vector mã phụ
thuộc vào trạng thái mã trước đó.
Bộ mã hoá tạo các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu dịch qua K
tầng, moi64i tầng có k bit.Một bộ n phép cộng nhị phân với K tầng sẽ tạo ra vector
mã n bit. Mỗi lần dịch k bit dữ liệu sẽ cho ra vector n bit.
Tốc độ mã là
c
k
R
n


K là số tần thanh ghi dịch gọi là constraint length của bộ mã.

Hình 2.12: Sơ đồ mã lưới
Đề tài xét một ví dụ đơn giản với: k=1, K=3, n=2 như hình 2.13:


Hình 2.13: Sơ đồ lưới mã với k=1, K=3, n=2
(2.17)