ứng dụng mã turbo trong hệ thống ăng ten mimo

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




NGUYỄN QUANG ANH


ỨNG DỤNG MÃ TURBO
TRONG HỆ THỐNG ĂNG-TEN MIMO

CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÝ ĐIỆN TỬ-HƯỚNG KỸ THUẬT
MÃ SỐ : 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. HOÀNG THU HÀ



TP HỒ CHÍ MINH - THÁNG 09/2009



LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Thu

Hà, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện việc nghiên cứu để
hoàn thành luận văn này.
Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quí thầy cô của
khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,
những người đã cung cấp kiến thức cho tôi suố
t những năm Đại Học
và Cao Học. Cảm ơn nhà trường đã tạo môi trường học tập tốt cho thế
hệ sinh viên chúng tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn
Hữu Phương, thầy đã trực tiếp chọn đề tài này cho tôi và đã hướng
dẫn tôi trong giai đoạn đầu thực hiện.
Dù cố gắng hết sức nhưng cũng không thể tránh khỏi sai sót
trong luận văn, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí
thầy cô và các bạn.



Tp HCM , 09/2009
Nguyễn Quang Anh

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 1 HVTH: Nguyễn Quang Anh

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC…………… 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8
MỞ ĐẦU………… 13
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 15
1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ. 15
1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 16
CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG
MIMO………… 18
2.1 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN. 18
2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH. 18
2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở
ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU 19
2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 21
2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO 21
2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO 21
2.5 CÁC KIỂU KÊNH TRUYỀN 24
2.5.1 KÊNH NHIỄU TRẮNG PHÂN BỐ GAUSSIAN. 24
2.5.2 KÊNH TRUYỀN NHIỄU RAYLEIGH 24
2.6 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN MIMO 28
2.6.1 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG
TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH CHẬM 35
2.6.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG KÊNH TRUYỀN
GIẢM RAYLEIGH NHANH VÀ FADING KHỐI 36
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 2 HVTH: Nguyễn Quang Anh

2.7 KỸ THUẬT PHÂN TẬP…………………………………………………… 37
2.7.1 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN. 38
2.7.2 PHÂN TẬP THỜI GIAN 41
2.7.3 PHÂN TẬP TẦN SỐ. 42
2.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP THU 42
2.9 KẾT LUẬN. 44
CHƯƠNG 3 - MÃ HÓA TURBO 45
3.1 GIỚI THIỆU 45
3.2 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA TURBO CODES. 45
3.3 MÃ HÓA. 47
3.3.1 BỘ MÃ XOẮN TRUY HỒI RSC 48
3.3.2 BỘ TRỘN INTERLEAVER 49
3.3.3 BỘ LƯỢC BIT 51
3.3.4 BỘ KẾT THÚC 53
3.4. BỘ GIẢI MÃ TURBO. 54
3.5 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG BỘ GIẢI MÃ TURBO 62
3.5.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TOÁN SOFT IN/SOFT OUT 62
3.5.2 THU
ẬT TOÁN MAP. 63
3.5.3 THUẬT TOÁN MAX LOG-MAP 68
3.5.4 THUẬT TOÁN LOG –MAP 71
3.6 BỘ TRỘN TRONG TURBO CODES 74
3.6.1 BỘ TRỘN KHỐI (BLOCK INTERLEAVER) 76
3.6.2 BỘ TRỘN BERROU-GLAVIEUX 77
3.6.3 BỘ TRỘN BÁN NGẪU NHIÊN 78
3.6.4 BỘ TRỘN GIẢ NGẪU NHIÊN 79
3.6.5 BỘ TRỘN UMTS. 80
3.6.6 BỘ TRỘN BIT TỐI ƯU 81
3.7 KẾT LUẬN.

82
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 3 HVTH: Nguyễn Quang Anh

CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG KẾT HỢP GIỮA MÃ CHỐNG LỖI
TURBO VÀ ĂNG-TEN MIMO.
83
4.1 GIỚI THIỆU 83
4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83
4.2.1 MÔ PHỎNG DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO. 84
4.2.2 MÔ PHỎNG PHÂN TẬP THU – PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĂNG-
TEN MIMO 86
4.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP TURBO-MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ
PHỎNG. 90
4.3.1 MÔ PHỎNG SO SÁNH HỆ THỐNG TURBO-MIMO VỚI HỆ
THỐNG TURBO ĐƠN THUẦN 94
4.3.2 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ TRONG HỆ
THỐNG TURBO-MIMO 98
4.3.3 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC BỘ TRỘN BIT KHÁC
NHAU 100
4.3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC TỐC ĐỘ MÃ HÓA KHÁC NHAU. 101
4.3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG
FADING RAYLEIGH CHẬM 102
4.4 KẾT LUẬN. 105
CHƯƠNG 5 - TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU MULTIMEDIA SỬ DỤNG HỆ
THỐNG TURBO-MIMO 107

5.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 107
5.2 MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 107
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 110
5.3.1 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG TEXT 110
5.3.2 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG HÌNH ẢNH TĨNH 115
5.4 KẾT LUẬN. 120
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 4 HVTH: Nguyễn Quang Anh

CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ
TÀI…………………… 121
6.1 KẾT LUẬN CHUNG. 121
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 5 HVTH: Nguyễn Quang Anh

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
3G Third-Generation wireless communication system
4G Fourth-Generation wireless communication system
AD Average Difference
ARQ Automatic Repeat Request
ASPIC Adaptive soft parallel interference canceller
AWGN Additive White Gaussian Noise
BER Bit Error Rate
BS Base Station
CDF Cumulative Distribution Function
CCDF Complementary Cumulative Distribution Function
CSI Channel State Information
DAB Digital Audio Broadcasting
DVB Digital Video Broadcasting
DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial
EGC Equal-Gain Combining
FDMA Frequency Division Multiple Access

ICI Inter-Carrier Interference
IFI Inter-Frame Interference
IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000
ISI Inter-Symbol Interference
LAN Local Area Network
LOS Line-Of-Sight
MAP Maximum A Posterior Probability
MD Maximum Difference
MIMO Multi Input Multi Output
MISO Multi Input Single Output
MLD Maximum Likelihood Detection
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 6 HVTH: Nguyễn Quang Anh

MLSTBC Multi-Layer Space-Time Block Coding
MRRC Maximal Ratio Receiver Combining
MMSE Minimum Mean Square Error
MRC Maximum Ratio Combining
MS Mobile Station
MSE Mean Squared Error
NLOS Non Line-of-sight
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PAPR Peak to Average Power Ratio
PDP Power Delay Profile
PIC Parallel Group Interference Cancellation
PSNR Peak Signal to Noise Rate

RA Rural Area
SC Switch Combining
SDMA Space Division Multiple Access
SFN Single Frequency Network
SGINC Serial Group Interference Nulling Cancellation
SIC Serial Interference Cancellation
SIMO Single Input Multi Output
SISO Single Input Single Output
SLC Selection Combining
SNR Signal to Noise Ratio
SOVA Soft output Viterbi algorithm
STBC Space-Time Block Coding
SVD Singular Value Diagonal
TDMA Time Division Multiple Access
WLAN Wireless Local Area Network


Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 7 HVTH: Nguyễn Quang Anh

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kết quả các từ mã với các trọng số được tạo ra từ bộ chèn 75
Bảng 4.1 : Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số ăng-ten thu
& phát………………… 85

Bảng 4.2 : Bảng kết quả mô phỏng các phương pháp phân tập thu. 88

Bảng 4.3 : Bảng kết quả mô phỏng so sánh các phương pháp phân tập thu
phát…………………… 89

Bảng 4.4: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 94
Bảng 4.5: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO(a). 95
Bảng 4.6: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 98
Bảng 4.7: Bảng so sánh thời gian đáp ứng của các thuật toán giải mã 99
Bảng 4.8 : Thời gian thực hiện mô phỏng đối với kích thước bộ chèn khác nhau
trong hệ thống Turbo-MIMO (2x2). 101

Bảng 4.9: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO trong môi
trường Rayleigh chậm. 103

Bảng 5.1: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 1 vòng lặp. 112
Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 2 vòng lặp. 113
Bảng 5.3 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 3 vòng lặp. 114
Bảng 5.4 : Các thông số kênh truyền mô phỏng truyền hình ảnh 117
Bảng 5.5 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở
các vòng lặp khác nhau 119




Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 8 HVTH: Nguyễn Quang Anh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền thông số 16
Hình 2.1: Hệ thống ăng-ten MIMO 4 đầu thu phát 19
Hình 2.2 : Hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-ten ở đầu phát và thu 20
Hình 2.3: Hệ thống kênh truyền giảm chậm 21
Hình 2.4 : Quan hệ giữa ngõ ra & ngõ vào của hệ thống MIMO 22
Hình 2.5 : Biễu diễn của hệ số ma trận kênh 22
Hình 2.6 : Mô hình của kênh truyền giảm đa đường. 26
Hình 2.7 : Kênh truyền đa đường suy hao Rayleigh 27
Hình 2.8 : Mô phỏng đặc tính đa đường trong hệ thống truyền thông MIMO 29
Hình 2.9 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành các kênh truyền song song. 30
Hình 2.10 : Mô hình kênh truyền MIMO khi nT>Nr. 31
Hình 2.11: Mô hình tương đương MIMO khi n
R
>n
T.
32
Hình 2.12 : Cấu trúc SVD của kênh truyền MIMO 32
Hình 2.13 : Dung lượng kênh MIMO thay đổi theo số lượng ăng-ten ở đầu phát
lẫn đầu thu…………… 34

Hình 2.14 : Ý tưởng phân tập không gian 39
Hình 2.15 : Mô hình phân tập cực 40
Hình 2.16 : Mô hình phân tập mẫu. 40
Hình 2.17 : Truyền từ mã qua kênh truyền fading. 41
Hình 2.18 : Kết quả mô phỏng các bộ phân tập thu 44
Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mã hóa turbo (tốc độ mã hóa 1/3) 47
Hình 3.2 : Hệ thống mã hóa xoắn truy hồi (RSC). 48
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO

CBHD:TS Hoàng Thu Hà 9 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Hình 3.3 : Bộ chèn giả ngẫu nhiên trong một bộ giải mã Turbo. 51
Hình 3.4 : Quá trình lược bit thu được tốc độ mã hóa khác nhau 52
Hình 3.5a : Kết quả mô phỏng BER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng
với tốc độ mã hóa khác nhau 52

Hình 3.5b : Kết quả mô phỏng FER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng
với tốc độ mã hóa khác nhau 53

Hình 3.6 : Sơ đồ khối của bộ giải mã Turbo. 55
Hình 3.7 : Lưới mắt cáo với 4 trạng thái. 58
Hình 3.8 : Đường biễu diễn của Turbo code trong kênh truyền AWGN 60
Hình 3.9 : Sự biến đổi chất lượng giải mã của mã Turbo khi thay đổi số vòng lặp
trong quá trình giải mã. Các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo (7,5) với
tốc độ mã 1/3, số bit trong một khung N = 1000 bit, điều chế BPSK, kênh
AWGN………… 61

Hình 3.10 : Thuật toán Viterbi mô tả bởi Bahl. 63
Hình 3.11 : Tính toán các xác suất trạng thái trong thuật toán Viterbi. 65
Hình 3.12 : Sự tính toán Log Likelihood Ratio (LLR) cho mỗi khoảng thời gian
k……………… 68
Hình 3.13 : Kết quả thể hiện BER khi sử dụng các thuật toán giải mã khác nhau.
Các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo (7,5) với tốc độ mã 1/2, số bit
trong một khung N = 1000 bit, bộ chèn ngẫu nhiên L= 1000 bit, điều chế BPSK,
kênh AWGN…………… 73

Hình 3.14 : Ảnh hưởng của độ dài khung từ mã, Các thông số của hệ thống bao
gồm: mã Turbo ( 7,5 ) với tốc độ mã 1/3, số bit trong một khung N = 1000 bit, bộ
chèn khối với L=169, điều chế BPSK, kênh AWGN. 74

Hình 3.15: Bộ chèn nâng trọng số các từ mã hóa trong RSC2 khi so sánh với
RSC1…………………… 74

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 10 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Hình 3.16 : Mô tả dung lượng của một bộ chèn. 75
Hình 3.17 : Cấu trúc bộ chèn khối với chiều dài
L
π
=
12
77
Hình 3.18 : Một bộ chèn bán ngẫu nhiên với L=16 và S=2 79
Hình 3.19: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với L=8. 80
Hình 3.20 : Ảnh hưởng của các bộ chèn khác nhau, các thông số của hệ thống
bao gồm: mã Turbo (7,5) với tốc độ mã 1/2, số bit trong một khung N = 961 bit,
điều chế BPSK, kênh AWGN 81

Hình 4.1 : Giao diện chương trình mô phỏng luận văn. 84
Hình 4.2 : Giao diện mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số lượng ăng-
ten thu & phát…………… 84

Hình 4.3 : Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số ăng-ten thu &
phát……………………… 85

Hình 4.4 : Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống MIMO phân tập thu MRC. 86
Hình 4.5: Giao diện mô phỏng phân tập thu phát MIMO 87
Hình 4.6 : Kết quả mô phỏng các p/p phân tập thu SC, EGC,MRC, thông số mô
phỏng gồm 10
6
bit dữ liệu, kênh truyền AWGN, Rayleigh fading, hệ thống MIMO
2x2 kết hợp với các loại phân tập thu. 87

Hình 4.7 : Kết quả mô phỏng so sánh các p/p phân tập thu phát gồm phân tập
phát STBC, phân tập thu MRC và phân tập phát chọn 1 ăng-ten tối ưu. Thông số
mô phỏng gồm 10
6
bit dữ liệu, kênh truyền AWGN, Rayleigh fading, hệ thống
MIMO 2x2 kết hợp với các loại phân tập thu 89

Hình 4.8: Mô hình hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO 90
Hình 4.9 : Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO phân tập thu MRC 92
Hình 4.10 : Giao diện chương trình mô phỏng Turbo-MIMO 93
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 11 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Hình 4.11: Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO. Các thông số hệ

thống như bảng 4. 2, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu
(2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 . Hệ thống sửa
sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp 96

Hình 4.12: Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(a). Các thông số hệ
thống như bảng 4. 1, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu
(2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 97

Hình 4.13 : Kết quả mô phỏng so sánh các thuật toán giải mã trong hệ thống
Turbo-MIMO(2x2) 99

Hình 4.14 : Kết quả mô phỏng so sánh kết quả giải mã của hệ thống Turbo-
MIMO (2x2) với kích thước bộ chèn khác nhau 100

Hình 4.15 : Kết quả mô phỏng của hệ thống Turbo-MIMO (2x2) so sánh ảnh
hưởng của các tốc độ mã hóa khác nhau. Các thông số mô phỏng theo bảng
4.4………………………… 102

Hình 4.16 : Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b) trong môi trường
Rayleigh chậm. Các thông số hệ thống còn lại như bảng 4. 3. Hệ thống MIMO
bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu
MRC, tốc độ mã hóa 1/3 . Hệ thống sửa sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp 104

Hình 4.17 : Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b). Các thông số hệ
thống như bảng 4.4, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu
(2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 105

Hình 5.1 : Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn multimedia Turbo-MIMO 108
Hình 5.2 : Giải thuật mô phỏng hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo-
MIMO……………… 109

Hình 5.3 : Giao diện chương trình truyền dẫn file dạng text trong hệ thống
Turbo-MIMO……………… 110

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 12 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Hình 5.4 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 1 vòng lặp 112
Hình 5.5 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 2 vòng lặp 113
Hình 5.6 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 3 vòng lặp 114
Hình 5.7: Giao diện mô phỏng truyền hình ảnh tĩnh. 115
Hình 5.8 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 1
vòng lặp………………… 117

Hình 5.9 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 2
vòng lặp…………… 118

Hình 5.10 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 3
vòng lặp…………… 118

Hình 5.11 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 4
vòng lặp………………… 119

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 13 HVTH: Nguyễn Quang Anh

MỞ ĐẦU
Ngày nay, 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). Có thể nói cấu trúc kết hợp kỹ thuật sửa sai mã Turbo
và MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là một trong những đề xuất làm nền
tảng kỹ thuật có thể được áp dụng để triển khai cho thế hệ
thông tin di động hiện tại
và tương lai. Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau cũng được triển
khai như FDMA, TDMA, SDMA, CDMA ( Frequency, Time, Space, Code
Division Multiple Access). Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, nhu cầu
truyền dẫn dữ liệu không ngừng tăng lên và yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày
càng cao.
Tuy nhiên trong một số điều kiện thực tế, với các hạn chế về năng lượ
ng,

băng thông…, nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật ứng dụng mới đã được triển khai để
khắc phục những khó khăn này. Một trong số đó là kỹ thuật phân tập MIMO với
nhiều ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu kết hợp với mã chống lỗi Turbo. Khả năng kết
hợp cả hai trong một hệ thống hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Luận văn
nhằm mục đích đánh giá khả năng phối hợp giữa hai kỹ thuật này để nâng cao chất
lượng truyền dẫn dữ liệu.
Dịch vụ truyền thông đa phương tiện như truy cập Web, video theo yêu cầu,
điện thoại IP đang ngày càng trở nên phổ biến. Hệ thống đa ăng-ten thu - phát
MIMO đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trong các hệ thống liên lạ
c
không dây trong thế hệ thông tin di động thứ 3 (3G). Hệ thống này áp dụng kỹ thuật
phân tập, kết hợp kỹ thuật mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu
quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Để giải quyết tốt các
ảnh hưởng đặc trưng của môi trường truyền dẫn không dây và di động, ngoài việc
tận dụng ưu thế của hệ thống MIMO, lu
ận văn nghiên cứu kết hợp mã chống lỗi
Turbo vào trong hệ thống này. Kết quả nghiên cứu đã xác định được các đặc trưng
cơ bản đem lại kết quả tốt cho hệ thống kết hợp.
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 14 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Cấu trúc luận văn bao gồm các phần sau:
 Chương I : Giới thiệu và nêu tổng quan vấn đề.
 Chương II : Tóm lược các đặc trưng của hệ thống MIMO.
 Chương III : Trình bày các vấn đề liên quan đến mã chống lỗi Turbo.
 Chương IV : Xây dựng hệ thống kết hợp giữa mã Turbo và MIMO.

 Chương V : Trình bày về việc truyền dẫn dữ liệu multimedia sử dụng
hệ thống Turbo-MIMO.
 Chương VI : Nêu các kết luận chính và hướng phát triển của đề tài.
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 15 HVTH: Nguyễn Quang Anh

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN.
1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ.
Một hệ thống truyền thông số được thiết kế để gởi và nhận những tín hiệu số
rời rạc. Hình 1.1 thể hiện cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông số để
truyền tiếng nói.
Ở đầu phát, tín hiệu tương tự được chuyển đổi qua dạng số thông qua bộ
chuyển đổi từ tín hi
ệu tương tự sang tín hiệu số ADC (Analog to Digital Converter).
Một bộ mã hóa nguồn được dùng để loại bỏ thành phần dư thừa trong tín hiệu
nguồn, nén tín hiệu truyền nhằm nâng cao hiệu quả đường truyền. Sau đó, một bộ
mã hóa kênh truyền được dùng để mã hóa tín hiệu nguồn bằng một cách nào đó để
nơi nhận có thể điều khiển và sửa sai hiệu quả. Một bộ điều biến được dùng để ánh
xạ các bit nguồn vào một chuỗi tín hiệu để truyền đi. Sau đó chuỗi tín hiệu đã điều
biến sẽ được truyền từ bộ phát đến bộ thu thông qua kênh truyền. Nhiễu xen vào tín
hiệu trong quá trình truyền là điều không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi.
Nói chung, kênh truyền có thể là vô tuyến hay hữu tuyến và nó đều tạo ra nhiều loại
nhiễu khác nhau.
Ở đầu thu, quá trình xử
lý tín hiệu là ngược lại. Đầu tiên, tín hiệu thu được sẽ
được đồng bộ hóa để đi qua bộ giải điều biến. Bộ giải mã kênh và giải mã nguồn sẽ

giải mã dòng dữ liệu nhận tùy theo thuật toán được dùng trong quá trình truyền để
kết quả giải mã có ít sai sót nhất. Cuối cùng các bit đã được giải mã được gởi đến
bộ chuyển đổi ngược từ dạng số sang dạng tương tự DAC (Digital to Analog
Converter) để chuyển đổi tín hiệu nhận được thành nguyên dạng ban đầu.



Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 16 HVTH: Nguyễn Quang Anh



Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền thông số.

1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN.
Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng phối hợp giữa bộ mã hóa chống lỗi
sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo và bộ thu – phát tín hiệu sử dụng kỹ thuật MIMO
nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu. Luận văn sẽ tìm cách giải quyết các
vấn đề trong việc lựa chọn cách thức phối hợp tối
ưu giữa hai kỹ thuật này.
Kỹ thuật đa ăng-ten sẽ đóng một vai trò quan trọng trong hiện tại cũng như
tương lai. Hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân tập không-thời gian. Khi một
hoặc nhiều kênh bị giảm sâu, các kênh khác vẫn có thể ở trong trạng thái tốt vì vậy
xác suất sai sót sẽ nhỏ, có thể gia tăng dung lượng kênh mà không cần mở rộng tần
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO

CBHD:TS Hoàng Thu Hà 17 HVTH: Nguyễn Quang Anh

số băng thông. Đồng thời hệ thống đa ăng-ten MIMO kết hợp với mã hóa kênh
truyền để tận dụng khả năng điều khiển sai sót trong kênh truyền vô tuyến.
Mã chống lỗi Turbo có thể đạt được giới hạn của kênh truyền đối với kích
thước bộ chèn (interleaver) lớn. Chất lượng giải mã của mã Turbo phụ thuộc nhiều
vào cấu trúc bộ chèn khi mã hóa các khung truyền có kích thước nhỏ. Một bộ chèn
tốt sẽ loại bỏ sự phụ thuộc giữa các bít để ngăn chặn kiểu sai số dạng chùm và tối
thiểu ảnh hưởng của sai số nền để đạt xác suất sai sót thấp [1].
Hiện nay, các nghiên cứu và ứng dụng trên thực tế mã Turbo trong hệ thống
truyền thông di động đang thu hút nhiều sự quan tâm. Các nghiên cứu gần đây về
mã chống lỗi Turbo trong truyền thông di động th
ế hệ 3G, ứng dụng kỹ thuật phân
tập không thời gian trong hệ thống MIMO bằng việc kết hợp mã hóa Turbo cần giải
quyết một số vấn đề nhằm đáp ứng khả năng hoạt động theo thời gian thực, làm
việc với khối dữ liệu truyền tải lớn trong một giới hạn băng thông cho phép [2].
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống kết hợp là một
thách thức nghiên cứu .
Nhằm giải quyết những vấn đề trên, luận văn sẽ tập trung tìm hiểu về các vấn
đề cụ thể sau:
 Tìm hiểu hệ thống ăng-ten thu phát MIMO và các phương pháp phân
tập thu phát.
 Tìm hiểu mã chống lỗi Turbo và các ảnh hưởng đặc trưng.
 Xây dựng và mô phỏng một hệ thống kết hợp Turbo-MIMO.
 Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống kết hợp trên.
 Mô phỏng một hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo-
MIMO.

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 18 HVTH: Nguyễn Quang Anh

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA HỆ THỐNG MIMO.
2.1 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN.
Ngày nay, hệ thống di động thế hệ 3G đang ngày càng trở nên phổ biến.
Tương lai của các ứng dụng di động và không dây sẽ yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn
và giá thành thấp hơn trên mỗi bit thông tin được truyền. Do vậy, kỹ thuật đa ăng-
ten sẽ đóng một vai trò quan trọng nhằm thay thế các hệ thống ăng-ten đơn truyền
thố
ng không thể đáp ứng được tốc độ dữ liệu yêu cầu và tính hiệu dụng của phổ tín
hiệu cho một thị trường rộng lớn.
Việc sử dụng hai hoặc nhiều ăng-ten để truyền và nhận tín hiệu là một
phương pháp thông dụng để tối thiểu hóa các ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng
tín hiệu của kênh truyền không dây. Thông thường, các ăng-ten thu tín hiệu phải
được
đặt cách nhau bởi một hoặc nhiều bước sóng để chắc chắn rằng các tín hiệu
nhận không tương quan với nhau [5].
2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH.
Trong thuật ngữ qui định, một bộ thu truyền thống sử dụng chỉ một ăng-ten
được gọi là hệ thống SISO (single-input-single-output). Nếu môi trường kênh
truyền là giảm sâu, tín hiệu nhận có thể chứa một chuỗi các sai sót hoặc trong
trường hợp hoàn toàn xấu, đường truyền sẽ b

ị gián đoạn. Hơn nữa, các ứng dụng
không dây trong tương lai yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn trong hệ thống SISO rất
nhiều. Vì vậy, kỹ thuật ăng-ten thông minh là một kỹ thuật dùng để giải quyết kênh
truyền suy giảm chậm và cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn trong cùng một thời gian.
Kỹ thuật này đã được nghiên cứu và sử dụng trong vòng 15 năm nay. Về bả
n chất
thì ăng-ten thông minh sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng nhiều ăng-ten ở một
thiết bị đầu hoặc cuối duy nhất. Nếu một hệ thống chỉ dùng nhiều ăng-ten ở đầu
phát, nó được gọi là hệ thống MISO (multi-input-single-output). Nếu nhiều ăng-ten
chỉ được dùng ở đầu thu, nó được gọi là SIMO (single-input-multi-output). Thông
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 19 HVTH: Nguyễn Quang Anh

tin bao gồm từ nhiều ăng-ten khác được kết hợp thì sự truyền tín hiệu sẽ đáng tin
cậy hơn.
2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU.
Hệ thống truyền thông không dây dùng nhiều hơn một ăng-ten ở cả đầu thu
lẫn đầu phát và các dòng dữ liệu được truyền song song một cách đồng thời trên
cùng một băng truyền, nó được gọi là hệ thống multi-input-multi-output (MIMO).
M
ột hệ thống MIMO thừa hưởng tất cả những thế mạnh của hệ thống MISO/SIMO
và tối ưu hóa hơn nữa những thế mạnh của hệ thống đa ăng-ten. Hệ thống truyền
thông MIMO được xem như đóng một vai trò then chốt trong hệ thống truyền thông
thế hệ thứ 4 có tốc độ bit cao đến trên 300Mbps. Bởi vì hệ thống truyền thông
MIMO có thể gia tăng dung lượng kênh mà không cần mở rộng tần số băng thông
[10].

Hình 2.1: Hệ thống ăng-ten MIMO 4 đầu thu phát.

Hình 2.1 mô tả một hệ thống MIMO với 4 ăng-ten lần lượt ở bộ truyền và
nhận. Các bit ở cùng một gói dữ liệu được phân phối lần lượt đến các bộ phát và
truyền đồng thời đến các ăng-ten thu khác nhau.
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 20 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Hình 2.2 chỉ ra sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-
ten nhận và thu kết hợp với mã hóa kênh truyền. Một bộ chèn bit được dùng để
ngẫu nhiên hóa các bit dữ liệu nhằm giảm ảnh hưởng của các bit lỗi dạng chùm
(chuỗi của các bit lỗi liên tục nhau). Sau đó, dòng bit dữ liệu sẽ đi qua một bộ
chuyển đổi nối tiếp ra song song để phân phối dữ liệu ra các ăng-ten phát khác
nhau. Mỗi dòng bit dữ liệu song song sẽ đi qua mỗi bộ điều biến khác nhau tương
ứng và ánh xạ vào một dòng dữ liệu khác để truyền đi. Bên cạnh đó, bộ thu sẽ giải
điều biến các dòng bit dữ liệu song song thu nhận được và bộ chuyển đổi song song
ra nối tiếp sẽ kết hợp các dòng bit dữ liệu song song thành một dòng dữ liệu duy
nhất. Sau
đó, dòng tín hiệu này được đi qua bộ giải chèn trước khi qua bộ giải mã
để thu được thông tin ban đầu .
Thế mạnh của việc sử dụng hệ thống MIMO là sử dụng kỹ thuật phân tập
không-thời gian. Khi một hoặc nhiều kênh bị suy giảm mạnh, các kênh khác vẫn có
thể ở trong trạng thái tốt vì vậy xác suất sai sót sẽ nhỏ hơn trong kênh suy giảm
chậm SISO [5].

Hình 2.2 : Hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-ten ở đầu phát và thu [44,tr.25].
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 21 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Trong thực tế, hệ thống tự động yêu cầu gởi lại khi phát hiện sai sót ARQ
được bổ sung vào hệ thống MIMO.
2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO.
2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO.
Mô hình hệ thống Single-Input-Single-Output được thể hiện ở hình 2.3. Nếu
x là tín hiệu truyền và y là tín hiệu nhận, ta có:
n
x
y
+
=
α
(2.1)
Trong đó,
α
là hệ số suy giảm Rayleigh và n là nhiễu Gaussian xen vào quá
trình truyền nhận, cả hai đều là biến ngẫu nhiên. Nếu là kênh truyền giảm nhanh,
thì
α
thay đổi sau mỗi lần truyền x. Tuy nhiên, nếu kênh truyền giảm chậm, thì
α

sẽ như nhau trong khối đó do đặc tính kênh truyền.


Hình 2.3: Hệ thống kênh truyền giảm chậm.

2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO.
Giả sử hệ thống truyền thông không dây với số lượng ăng-ten phát là M và
số lượng ăng-ten thu là N, thường gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ thống như
vậy thường được mô tả mối quan hệ ở ngõ vào-ra như sau:
r
=
Hs
+
n (2.2)
trong đó,
MN
CH
×
∈ là ma trận kênh truyền bao gồm thông tin về độ lớn, về pha của
đường truyền giữa M ăng-ten phát và N ăng-ten thu. Giá trị của H cũng có thể được
Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO




CBHD:TS Hoàng Thu Hà 22 HVTH: Nguyễn Quang Anh

hiểu như là tỷ số điện thế các sóng nhận được ở ăng-ten thu, và điện thế các sóng ở
các ngõ phát. Mô hình toán học được diễn tả như sau:

Hình 2.4 : Quan hệ giữa ngõ ra & ngõ vào của hệ thống MIMO.

Trong hình 2.4, vector
1×
∈
M
Cs thể hiện cho các đặc trưng của phía phát,
1×
∈
N
Cr thể hiện cho các đặc trưng ở phía thu,
1×
∈
N
Cn là các thành phần nhiễu
AWGN. Ma trận truyền H có dạng như sau:
(2.3)
Trong đó
ij
H mô tả hệ số của kênh truyền giữa ăng-ten truyền thứ j và ăng-
ten nhận thứ i của MPA, được thể hiện ở hình 2.5.



Hình 2.5 : Biễu diễn của hệ số ma trận kênh [18, tr 10].

Luận văn thạc sĩ : Ứng dụng mã Turbo trong hệ thống ăng-ten MIMO

CBHD:TS Hoàng Thu Hà 23 HVTH: Nguyễn Quang Anh

Trong mô hình này, mỗi đường p được mô tả bởi ma trận chuyển cực
22×
∈Γ C
p
ij
, bao gồm sự phân cực, thông tin pha (trong số ăng-ten phát thứ j và ăng-
ten thứ i). Ma trận này được cho bởi:
Γ
ij
p
=
Γ
θθ
ij
p
Γ
θθ
ij
p
Γ
θθ
ij
p
Γ
θθ

ij
p
⎛

⎝
⎜
⎜
⎞
⎠
⎟

⎟

(2.4)
Lưu ý rằng nội dung của
p
ij
Γ chứa đựng thông tin trong khoảng không gian
truyền tự do với phần thất thoát là (1/r) trên mỗi cực bên cạnh sự suy giảm do phản
xạ, nhiễu xạ, tán xạ với các vật thể chắn trong kênh truyền.
Giá trị H
ij
được mô tả như sau:
H
ij
=
λ
Z
j
0,T

Z
i
0,R
ℜ(Z
i
R
)
ℜ(Z
j
T
)
(F
i
R
((
θ
,
p=1
P
∑
φ
)
i
p
))
Τ
Γ
ij
p
F

j
T
((
θ
,
φ
)
j
p
)
(2.5)
Trong đó,
Z
J
0,T
= Z
α
j
0,T
,Z
i
0,R
=
Z
α
i
0,R
là đặc tính trở kháng lần lượt của ăng-ten
phát thứ j và ăng-ten truyền thứ i;
Z

j
T
=
Z
jj
T
=
Z
α
jj
T
,Z
i
R
=
Z
ii
R
=
Z
α
ii
R
là trở kháng ngõ vào
của ăng-ten phát thứ j và ăng-ten nhận thứ i.
p
j
),( Φ
θ
và

p
i
),( Φ
θ
là chỉ thị của các
thành phần đa đường ở lần lượt ăng-ten phát thứ j và ăng-ten nhận thứ i. P là số
lượng của các đường truyền liên quan.
Mỗi ăng-ten thu đều nhận được tín hiệu từ
T
N ăng-ten phát. Khi
T
N =1, kênh
MIMO suy giảm về trường hợp kênh một đầu vào – nhiều đầu ra (SIMO). Tương
tự, khi
R
N
=1, kênh MIMO suy giảm về trường hợp kênh nhiều đầu vào – một đầu
ra (MISO). Khi cả
T
N
=1, và
R
N
=1, kênh MIMO đơn giản hóa thành một kênh đơn
hoặc kênh một đầu vào – một đầu ra (SISO).
Nói chung việc thiết kế bộ mã hóa kênh truyền, điều chế và ánh xạ trong hệ
thống đa ăng-ten MIMO sẽ khác biệt so với hệ thống đơn ăng-ten cũ SISO. Đó
chính là sự xuất hiện thêm của chiều không gian. Do một ăng - ten phát sẽ phát lần
lượt đến tất cả các ăng-ten ở đầu thu hay nói cách khác, mỗ
i ăng-ten ở đầu thu sẽ

lần lượt thu các tín hiệu không tương quan ở tất cả các ăng-ten phát phía đầu phát.
Đây chính là đặc tính của hệ thống sử dụng nhiều ăng-ten. Kỹ thuật truyền dữ liệu