hiệu năng của hệ thống thông tin không dây mimo

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




TRỊNH THỊ DIỆP




HIỆU NĂNG CỦA
HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY MIMO


Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số : 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Nguyễn Viết Kính









Hà Nội – 2010






ii








Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của giáo viên
PGS. TS Nguyễn Viết Kính. Mọi nội dung tham khảo của luận văn đều được sự đồng ý trực
tiếp hoặc gián tiếp của tác giả.

Người cam đoan

Trịnh Thị Diệp


iii






L
ời cảm ơn!

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại
Học Công Nghệ, những người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong thời gian học
tập tại trường
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Viết Kính -
người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa
Điện Tử Viễn Thông – Đại Học Công nghệ, Người đã truyền cho em cách tư duy có
hệ thống, phương pháp nghiên cứu, và cách tiếp cận thực tế - Tất cả đều là hành
trang giúp em vững tin hơn trong công việc của mình.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể cán bộ của bộ môn Thông
Tin Vô Tuyến - những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong
suốt hai năm qua.

Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã
sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới
tất cả bạn bè, đặc biệt là tập thể lớp CHK15Đ1, những người đã cổ vũ, động viên,
chia sẻ với em trong suốt hai năm qua.

Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2010

Học viên thực hiện :
Trịnh Thị Diệp



iv


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng I - GIỚI THIỆU CHUNG 2
1.1. Sự ra đời của MIMO 2
1.2. Cấu trúc hệ thống MIMO 2
1.2.1 Khối phát 3
1.2.2. Khối thu 4
1.3. Kỹ thuật phân tập dùng trong MIMO 8
1.3.1. Khái niệm về kỹ thuật phân tập 8
1.3.2 Phân loại 9
1.3.3. Ứng dụng 11
1.4. Kỹ thuật tổ hợp 11
Chƣơng II - MÔ HÌNH KÊNH MIMO 16
2.1. Các đặc trƣng lan truyền của kênh vô tuyến 16
2.1.1. Hiệu ứng đa đường 16

2.1.2. Hiệu ứng Doppler 18
2.1.3. Hiệu ứng Phading 20
2.3. Kênh MIMO 21
2.3.1. Các thuộc tính kênh MIMO và dung năng 22
2.4. Phân loại mô hình kênh 23
2.5. Mô hình giải tích 26
2.5.1. Các mô hình giải tích dựa trên tương quan 26
2.5.1.1. Mô hình i.i.d 27
2.5.1.2. Mô hình Kronecker 27
2.5.1.3. Mô hình Weichselberger 28
2.5.2. Các mô hình giải tích dựa vào chuyển động 29
2.5.2. 1. Mô hình tán xạ hữu hạn 29
2.5.2.2. Mô hình Entropy cực đại 30
Chƣơng III - DUNG NĂNG CỦA KÊNH MIMO 33
TRONG MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP 33
3.1. Khái niệm về dung năng kênh 33
3.2. Phân loại dung năng 34
3.3. Nguyên tắc chung tính dung năng 34
3.4. Dung năng của kênh MIMO trong một số trƣờng hợp cụ thể. 35
3.4.1. Dung năng của hệ kênh SISO 35


v


3.4.2. Dung năng của kênh MIMO có sự ràng buộc công suất 36
3.4.3. Dung năng của kênh MIMO, nếu phía phát biết kênh truyền 40
3.5. Một vài kết quả mô phỏng (chƣơng trình xem phần phụ lục) 45
Chƣơng IV - NHỮNG GIỚI HẠN KẾT QUẢ VỀ DUNG NĂNG CỦA
HỆ MIMO ĐƠN NGƢỜI DÙNG 47

4.1. Một vài chú ý : 47
4.2. MIMO đơn ngƣời dùng 49
4.2.1. Lý do nghiên cứu MIMO đơn người dùng 49
4.2.2. Mô hình kênh và tính dung năng của kênh 49
4.2.2.1. Mô hình kênh 49
4.2.2.2. Biết thông tin trạng thái kênh ở phía thu (CSIR) và thông tin về
phân bố kênh ở phía phát (CDIT) hoàn hảo. 49
4.2.2.3. Mô hình CDIT và mô hình CDIR : 52
4.2.3. Dung năng kênh MIMO không thay đổi 52
4.2.4. Dung năng kênh MIMO phading 53
4.2.4.1. Dung năng với CSIT hoàn hảo và CSIR hoàn hảo: 53
4.2.4.2. Dung năng với mô hình CSIR và CDIT : Mô hình ZMSW 54
4.2.4.3. Dung năng với mô hình CSIR và CDIT hoàn hảo:Các mô hình
CMI và CCI 56
4.2.4.4. Dung năng với CDIT và CDIR : Mô hình ZMSW 59
4.2.4.5. Dung năng với CDIR và CDIT : Mô hình CCI 60
4.2.4.6. Các kênh Phading chọn lọc tần số 61
4.2.2.7 . Việc tập luyện đối với các hệ thống đa anten 61
4.3. Các vấn đề mở trong MIMO đơn ngƣời dùng 62
KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65
PHỤ LỤC 67


vi




THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AGWN
Additive Gaussian White Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BLAST
Bell Laboratories Layered Space-Time
Các thí nghiệm của Bell về không
thời gian được phân lớp
CCI
Channel Covariance Information
Thông tin hiệp phương sai kênh
CDI
Channel Distribution Information
Thông tin phân bố kênh
CDIR
Receiver Channel Distribution
Inforamtion
Thông tin phân bố kênh ở bên
thu
CDIT
Transmitter Channel Distribution
Information
Thông tin phân bố kênh ở bên
phát
CMI
Channel Mean Information
Thông tin trung bình kênh

CNR
Carrier to Noise Ratio
Tỷ số công suất sóng mang trên
tạp
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
CSIT
Transmitter Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fouriê rời rạc
DoA
Direction of Departure
Hướng góc đi
DoD
Direction of Arrival
Hướng của góc tới
GSCM
Goemetry based stochastic channel
model
Mô hình kênh hỗn loạn dựa vào
hình học
i.i.d
Identical Independent distribution
Phân bố độc lập đồng nhất
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu giữa các ký hiệu

LOS
Line of sight
Đường truyền thẳng
MAC
Multiple Access Channel
Kênh đa truy nhập
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Đa đầu vào đa đầu ra
MMSE
Minimum mean square error
Lỗi bình phương trung bình nhỏ
nhất
MPC
Multipath Component
Thành phần đa đường


vii


NIPC
Non-Uniform Input Power Channel
Kênh công suất lối vào kênh chia
đều
NLOS
Non Line of Sight
Không có đường truyền thẳng
Rx
Receiver

Bộ thu
SDMA
Space Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo không
gian
SER
Symbol Error Ratio
Tỷ lệ lỗi bit
SIC
Successive interference cancellation
Loại bỏ nhiễu thành công
SIMO
Single Input Multiple Output
Một đầu vào đa đầu ra
SINR
Signal-to-Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SISO
Single Input Single Output
Một đầu vào một đầu ra
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ lệ tín trên ồn
SVD
Singular value decomposition
Phân tích giá trị kỳ dị
Tx
Transmitter
Bộ phát
UIPC

Uniform Input Power Channel
Kênh công suất lối vào kênh chia
không đều
ZF
Zero forcing
Cưỡng ép về không
ZMSW
Zero Mean Spatially White
Trắng không gian trung bình bằng
0


viii


CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC




Liên hợp phức
T


Ma trận chuyển vị
H


Chuyển vị liên hợp phức từng phần (toán tử Hermitian)
2/1



Căn bậc hai ma trận


Chuẩn véc tơ
x

Giá trị trung bình của x
 
E

Giá trị kỳ vọng
n
I

Ma trận đơn vị cỡ n x n
tr[K]
Vết của ma trận vuông K


Tỷ số tín trên ồn
C
Dung năng của kênh truyền
U, V
Ma trận cơ sở, hay ma
H
Ma trận kênh truyền
x
Véc tơ đầu vào

y
Véc tơ đầu ra
h(.)
Entropy vi phân
K
x

Là ma trận hiệp biến của véc tơ ngẫu nhiên Gauss phức
Λ

Ma trận đường chéo



ix


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ khối phát của hệ thống đa anten thông thường 3
Hình 1.2. Sơ đồ khối thu của hệ thống đa anten thông thường 3
Hình 1.3. Độ lợi mảng 6
Hình 1.4. Suy giảm can nhiễu 7
Hình 1.5. Hợp kênh không gian 8
Hình 1.6. Bộ tổ hợp trong phân tập không gian 12
Hình 1.7. Các bộ tổ hợp: a) Quét lựa chọn SC, b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ tổ hợp
tỷ số tối đa . 13
Hình 1.8. SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM 13
Hình 1.9. SER theo số anten tăng từ 1 đến 4 (phương pháp MRC điều chế BPSK) 14
Hình 2.1. Minh họa hiệu ứng đa đường 17

Hình 2.2. Trải trễ 17
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler 18
Hình 2.4. Mật độ phổ của tín hiệu thu 19
Hình 2.5. Phân loại Phading 20
Hình 2.6. Kênh MIMO M x N 21
Hình 2.7. Phân loại kênh MIMO và các mô hình lan truyền. 24
Hình 2.8. Ví dụ về mô hình vật tán xạ hữu hạn với tán xạ đơn biên (đường liền nét ),
tán xạ đa biên (đường đứt nét) và một thành phần “chia tách” (đường nét chấm) 28
Hình 3.1. Dung năng ergodic của kênh SISO phading Rayleigh (đường nét chấm)
được so sánh với dung năng Shanon của kênh SISO (đường nét liền) 36
Hình 3.2. Dung năng Shanon của kênh SISO (đường nét chấm), được so sánh với
dung năng ergodic của kênh MIMO phading Rayleigh với trường hợp NT = NR = 6 40
Hình 3.3. Ví dụ về thuật toán đổ nước 42
Hình3.4. Dung năng của hệ thống MIMO với số lượng anten thu/phát khác nhau 45
Hình 3.5. Hàm phân bố mật độ xác suất của các phần tử ma trận kênh khi phân tích
ma trận kênh H 46
Hình 4.1. Kênh MIMO với CSIR hoàn hảo và phản hồi phân bố 50
Hình 4.2. Kênh MIMO với CSIR hoàn hảo và CDIT (

được cố định) 51
Hình 4.3. Kênh MIMO với CDIR và phản hồi phân bố 52
Hình 4.4. Kênh MIMO với CDIT và CDIR (

được cố định) 52
Hình 4.5. CDF của dung năng cho kênh MIMO i.i.d với M = N = 2 và SNR = 10dB . 55
Hình 4.6. Minh họa các điều kiện cần và đủ (4.8) 57


1

MỞ ĐẦU



Nhu cầu truyền thông không dây tốc độ cao đã và đang gia tăng một cách
mạnh mẽ. Các công nghệ truyền thông không dây đang tồn tại, không thể hỗ trợ
các
tốc độ dữ liệu băng rộng một cách hiệu quả, vì chúng rất nhạy với hiện tượng
phading.
Để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh của các ứng dụng băng rộng có chất lượng
cao, các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) tuy mới ra đời gần đây,
nhưng nó lại là một công nghệ quan trọng trong các hệ thống truyền thông
không dây, hứa hẹn mang đến một phương thức mới có thể đạt được tốc độ dữ
liệu cao và độ tin cậy cao mà không phải mở rộng phổ tần hiệu dụng cho hệ
thống truyền thông không dây trong tương lai. Tuy vậy, công nghệ này không
hoàn toàn tối ưu, mà bản thân nó vẫn còn tồn tại những giới hạn về dung năng.
Đánh giá về hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO liên quan
đến các vấn đề, bao gồm dung năng kênh, tỷ lệ lỗi bít, v.v…Theo hướng đó,
luận văn này, sẽ xét hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO theo
dung năng của kênh MIMO, và đánh giá những giới hạn về kết quả dung năng
của hệ MIMO đơn người dùng.
Luận văn được kết cấu thành 4 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về
hệ MIMO, những lợi điểm của hệ này so với hệ SISO truyền thống. Chương 2
giới thiệu về mô hình kênh. Chương 3, trình bày về dung năng kênh MIMO
trong một số trường hợp. Và chương 4 tìm hiểu về những giới hạn tồn tại trong
hệ MIMO đơn người dùng

2


Chƣơng I - GIỚI THIỆU CHUNG [5], [8]

1.1. Sự ra đời của MIMO
Hiệu năng của hệ thống thông tin không dây MIMO đang dần được khẳng
định, và nhờ vào đó, con người có thể giao tiếp với nhau mọi lúc mọi nơi, một
cách thuận lợi hơn. Nhưng để đạt được những thành tựu như vậy, thì hệ thống
thông tin không dây phải đối phó được với phading, trong đó có phading đa
đường và can nhiễu giữa các tín hiệu. Theo truyền thống, việc thiết kế hệ thống
thông tin không dây tập trung chủ yếu vào việc tăng độ tin cậy của tín hiệu ở nơi
thu, qua không gian với sự có mặt của phading và can nhiễu, được coi là một
vấn đề lớn. Gần đây, do tài nguyên là phổ tần số hầu như đã sử dụng hết, nên
vấn đề tăng cường hiệu suất phổ trong hệ phading do hiện tượng đa đường, được
coi như một bài toán cần có lời giải.
Từ yêu cầu đó, năm 1996 một nhóm nghiên cứu trong trường Đại học
Standford đã giới thiệu mô hình MIMO. Đây là thành công đầu tiên của công
nghệ trong phòng thí nghiệm, được công bố tại trung tâm nghiên cứu không dây
thuộc Bell Labs ở New Jersy tháng 9, 1998. Sau đó là thành công trong việc
chứng minh mô hình ngoài trời được Gigabit Wireless, inc và Đại học Standford
giới thiệu vào tháng 6, 1999. Tháng 9, 2002 Isopan Wireless, inc đã giới thiệu
sản phẩm đầu tiên… Và gần đây, đã có rất nhiều bài báo và các sự kiện đã đóng
góp to lớn đến việc xây dựng nền tảng trong lĩnh vực này. Trong số đó, phải kể
đến bài báo mã hóa không thời gian, đây là bước ngoặt lớn cho hệ thống thông
tin không dây, và hứa hẹn một dung năng khổng lồ mà hệ thống đa anten trong
kênh truyền phading mang lại. Tại đó, đã được chứng minh rằng: với giả thiết sự
thăng giáng độc lập và nguồn ồn khác nhau tại các anten khác nhau, dung năng
của hệ thống đa anten so với hệ thống đơn anten có thể là rất lớn. Chẳng hạn:
nếu số lượng anten thu bằng số lượng anten phát, dung năng truyền có thể tăng

tuyến tính xấp xỉ số lượng này.
1.2. Cấu trúc hệ thống MIMO
Có hai phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để xử lý những vấn đề
gây ra bởi hiện tượng phading là tính phân tập và tạo chùm tia. Ý tưởng cơ bản
của phân tập là để thực hiện hai hay nhiều bản sao của cùng một tín hiệu thông
tin, được truyền thông qua các kênh phading độc lập, khi đó sẽ làm giảm đồng
thời xác suất của tất cả các thành phần bị phading. Trong khi đó, phương pháp
tạo chùm lại tập trung năng lượng về hướng mà cả SNR và SIR đều tăng. Các hệ


3


thống MIMO sử dụng cả hai phương pháp ở trên để chống lại phading và có
những lợi điểm của việc đưa vào độ lợi phân tập tại cả hai phía qua hệ liên kết,
trong đó mỗi một phía là một anten mảng (xét chi tiết ở phần sau). Một hệ thống
đa anten thu và phát thông thường được trình bày thông qua các hình 1.1, và 1.2
như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ khối phát của hệ thống đa anten thông thường

Hình 1.2. Sơ đồ khối thu của hệ thống đa anten thông thường
1.2.1 Khối phát
Theo sơ đồ khối của hình 1.1, dữ liệu đầu tiên được mã hóa và được ghép
xen. Khi đó có một khối dữ liệu gồm N
t
ký hiệu được chuyển đổi từ nối tiếp
sang song song thông qua bộ chuyển đổi nối tiếp - song song, sau đó được điều
chế. Cuối cùng, mỗi một ký hiệu được cấp tới một trong số Nt anten, vì vậy mà
Nt ký hiệu được truyền đi.

o Bộ mã hóa:
Là một thiết bị dùng để chuyển đổi tín hiệu (chẳng hạn như một dòng bít)
hay dữ liệu được chuyển thành một mã. Mã có thể dùng cho bất kỳ mục đích
nào như là nén thông tin cho việc truyền dẫn, và lưu trữ mật mã hóa. Một bộ mã
hóa kênh được sử dụng để đưa thêm một số dư thừa vào trong chuỗi thông tin


4


nhị phân, và điều này đã khiến cho bộ thu có thể loại bỏ được các hiệu ứng của
ồn và can nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền dẫn.
o Bộ ghép xen
Ghép xen được sử dụng trong công nghệ truyền dẫn tín hiệu số để chống lại
lỗi cụm, các lỗi này dưới dạng các bit theo một dòng. Vì vậy, một sơ đồ sửa lỗi
điển hình, trong đó coi rằng phân bố lỗi là có dạng phân bố đều, có thể tránh
được khó khăn này. Ghép xen được sử dụng để ngẫu nhiên hóa lỗi bít trước khi
dữ liệu được giải mã. Tại nơi phát, các bit mã hóa được hoán vị theo một cách
nhất định để đảm bảo rằng các bit liền kề được cách nhau một vài bit sau khi
ghép xen. Còn tại nơi thu, sự hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải
mã.
Kiểu ghép xen thường được sử dụng là xen khối (block interleaver) gồm
N
B
bit = d cột x m hàng, trong đó chuỗi dữ liệu vào, được đưa vào một ma trận
theo cột và được đọc theo hàng, khi đó bit xen thứ i liên hệ với bit mã hóa thứ k
ở lối vào là:











B
B
N
id
floorNidk )1(
(1.1)
o Bộ điều chế
Bộ điều chế thực hiện chức năng điều chế, và đảm nhiệm như một giao
diện với kênh thông tin. Mục đích cơ bản của điều chế số là để ánh xạ chuỗi
thông tin nhị phân, thành những dạng sóng tín hiệu. Điều chế thực chất là một
qúa trình thay đổi một dạng sóng để sử dụng tín hiệu đó cho việc truyền tải một
bản tin, và thường sử dụng các bộ điều chế M - QAM, MPSK, v.v…
1.2.2. Khối thu
Theo hình 1.2, đầu tiên véc tơ thu được đưa tới bộ giải điều chế. Sau đó,
mỗi khối Nt các ký hiệu đã được giải điều chế, được chuyển đổi từ song song
sang nối tiếp thông qua bộ chuyển đổi song song nối tiếp. Sau đó được ghép xen
và giải mã. Vì vậy dữ liệu được truyền đi bởi N
t
anten phát sẽ được khôi phục
lại tại bộ thu.
o Bộ giải điều chế
Một bộ giải điều chế được sử dụng để khôi phục lại nội dung thông tin từ
tín hiệu thu được, có thể sử dụng các bộ giải điều chế gần giống nhất ML

(Maxium Likelihood), truyền tuyến tính và BLAST SIC với véc tơ cưỡng ép
0/lỗi trung bình bình phương nhỏ nhất (ZF/MMSE)


5


o Bộ giải ghép xen
Tại phía thu, sau khi giải điều chế, một bộ giải ghép xen được sử dụng để
loại bỏ những ảnh hưởng của việc ghép xen. Bộ giải ghép xen đẩy dữ liệu thành
chuỗi thích hợp và chuyển nó tới bộ giải mã. Nó sắp xếp dữ liệu thành dạng
mảng hình chữ nhật, giống như bộ ghép xen nhưng nó đọc ra thành hàng.
o Bộ giải mã
Một bộ giải mã có chức năng ngược lại của bộ mã hóa, việc giải mã để
thông tin ban đầu có thể được khôi phục. Có thể dùng một số thuật toán cho việc
giải mã các mã nhân chập, chẳng hạn như thuật toán Viterbi, v.v… Trong đó,
thuật toán Viterbi được sử dụng phổ biến vì thu được hiệu năng theo kiểu gần
giống nhất.
1.3. Ƣu điểm cơ bản của hệ thống MIMO
Như đã nói, hệ thống MIMO ra đời với mục đích: đáp ứng các nhu cầu truy
cập tốc độ cao, do việc tăng các hiệu ứng môi trường và sức ép cạnh tranh từ
mạng có dây LAN, thêm vào đó, trong tương lai của hệ thống audio/video gia
đình vẫn sẽ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao.
Bên cạnh đó, hệ thống MIMO ra đời với hy vọng có thể cải thiện được
những giới hạn của kênh truyền SISO, do tính năng đáng chú ý của hệ thống
MIMO là khả năng truyền dẫn tốt trong kênh truyền chịu tác động của hiện
tượng đa đường.
Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau:
a) Cải thiện được công suất tại nơi thu
Xét một hệ thống SIMO 1 anten phát và 2 anten thu, thì tại nơi thu 2 anten sẽ

nhận được các tín hiệu s
1
, s
2
khác nhau của cùng một tín hiệu s phát. Do điều
kiện truyền dẫn khác nhau, nên hai tín hiệu thu được này sẽ có sự sai khác về
biên độ và pha. Thông tin trạng thái kênh truyền được nhận biết một cách chính
xác tại nơi thu, và công suất tại nơi thu có thể được cải thiện nếu áp dụng một
thuật toán xử lý tín hiệu để kết hợp s
1
, s
2
thích hợp.


6



Hình 1.3. Độ lợi mảng
Hay nói cách khác, SNR ở đầu ra là tổng của tất cả các SNR trên các
đường truyền riêng biệt, khi đó sẽ thu được độ lợi mảng (hình 1.3) và chất lượng
tín hiệu được nâng cao. Cũng có thể độ lợi mảng được sử dụng để đo sự tăng
công suất tín hiệu thu trung bình (trong hệ MIMO, độ lợi mảng là một hàm của
các giá trị riêng lớn nhất trong ma trận kênh truyền, và phụ thuộc vào số lượng
anten thu/phát.)
b) Tăng dung năng của hệ thống.
Tăng dung năng của hệ thống hay làm giảm can nhiễu mà không cần phải
tăng băng thông. Can nhiễu trong hệ thống không dây cũng giống như trong
mạng điện thoại tế bào, nguyên lý cơ bản khi sử dụng lại tần số để tăng dung

năng của hệ thống, tuy nhiên sẽ xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI, nhiễu này cộng
vào ồn làm giảm hiệu năng của hệ thống.
Hình 1.4 minh họa rõ ý tưởng cơ bản của phương pháp làm giảm can nhiễu
trong hệ thống MIMO xét với hai máy thu. Với tín hiệu mong muốn s, tín hiệu
không mong muốn i cùng đến tại máy thu, và ký hiệu phân chia không gian
tương ứng là [s
1
s
2
]
T
và [i
1
i
2
]
T


7



Hình 1.4. Suy giảm can nhiễu
Để có thể tăng tỷ số tín trên can nhiễu, thì bộ thu có thể lợi dụng sự khác
nhau về không gian tín hiệu để giảm nhiễu. Việc giảm can nhiễu cũng có thể
được thực hiện tại nơi phát thông qua kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không
gian, với mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm tối đa can
nhiễu giữa các kênh.
c) Phân tập không gian.

Ảnh hưởng của phading đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể
được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập không gian (chi tiết được trình bày
trong phần sau)
d) Hệ số phân tập
Một nhận xét chính xác rằng: công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền
không dây thay đổi với các thông số về thời gian, tần số và không gian. Khi mà
công suất tín hiệu bị tụt xuống dưới ngưỡng, kênh truyền được coi là trong trạng
thái thăng giáng (phading). Phân tập chính là thể hiện sự thăng giáng của hệ
thống không dây. Ý tưởng cơ sở bên cạnh phân tập là các phiên bản thu được
của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt (còn gọi là nhánh phân
tập), khi số lượng nhánh phân tập tăng lên, xác suất mà một hay nhiều nhánh
không rơi vào trạng thái thăng giáng tại một khỏng thời gian bất kỳ tăng lên.
Phân tập hướng tới sự ổn định của đường liên kết không dây. Kỹ thuật phân tập
sẽ xét chi tiết trong phần sau.
e) Hệ số hợp kênh


8


Hệ số hợp kênh là đặc trưng nổi bật, được sử dụng trong hệ thống MIMO
nhằm nâng cao dung năng hệ thống. Hình sau minh họa rõ tác động của hệ số
hợp kênh có thể nhận được thông qua kỹ thuật hợp kênh không gian.

Hình 1.5. Hợp kênh không gian
Mặc dù MIMO hứa hẹn mang lại hiệu suất phổ cao hơn so với hệ thống
SISO, và cũng là đòn bẩy trong việc tăng chất lượng truyền dẫn, nhưng chi phí
giá thành cho thiết bị trong hệ MIMO là cao hơn (do sử dụng nhiều anten
thu/phát,…), giải thuật xử lý tín hiệu cũng phức tạp hơn, chính vì vậy cần có
những chiến lược hợp lý.

Để khai thác hiệu quả thành phần không gian, nâng cao chất lượng và dung
năng hệ thống, giảm ảnh hưởng phading, đồng thời tránh được hao phí băng
thông, MIMO đã sử dụng kỹ thuật phân tập không gian.
1.4. Kỹ thuật phân tập dùng trong MIMO
Khi xét hệ thống MIMO, thông qua sơ đồ khối hình 1.1, và 1.2 ta thấy, các
khối dùng các kỹ thuật mã hóa, điều chế, v.v…dùng không chỉ cho hệ MIMO,
mà còn dùng cho những hệ thống thông tin vô tuyến khác nói chung.
Thực chất sự khác biệt là ở chỗ hệ MIMO đã dùng hai kỹ thuật phân tập/và
tạo chùm tia, trong đó rất quan trọng là kỹ thuật phân tập.
1.4.1. Khái niệm về kỹ thuật phân tập
Như chúng ta đã đề cập ở trên, hiện tượng phading đa đường được xem như
một đặc điểm cố hữu của kênh vô tuyến, nó làm phân tán năng lượng của tín
hiệu về biên độ, pha và thời gian. Những ảnh hưởng đó sinh ra trong nhiều phiên
bản của tín hiệu truyền tới anten thu, tác động tiêu cực rất mạnh đến tỷ lệ lỗi bit
(BER) trong bất cứ loại điều chế nào. Truyền theo nhiều đường thường kéo dài
thời gian cần thiết của phần băng gốc của tín hiệu tới nơi thu, làm cho tín hiệu bị


9


nhòe đi một cách đáng kể do giao thoa giữa các ký hiệu. Tuy nhiên, thông tin
truyền qua kênh vô tuyến vẫn được đảm bảo nếu sử dụng kỹ thuật phân tập.
Trên thực tế, nếu một vài bản sao của tín hiệu mang thông tin được phát đi
một cách đồng thời trên các kênh phading độc lập, thì sẽ có ít nhất một tín hiệu
thu không bị suy biến bởi phading trên kênh. Phân tập là một kỹ thuật dùng để
nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống
nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những
tín hiệu thu được, hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất.
Việc này nhằm chống lại phading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau

sẽ chịu phading và nhiễu khác nhau.
Nói cách khác, phân tập nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh
phading và thường được thực hiện bằng cách: dùng hai hay nhiều anten thu, kết
hợp tín hiệu thu đa đường đến từ một nguồn phát. Do đó, sẽ cải thiện được chất
lượng tín hiệu thu bị suy giảm do phading.
1.4.2 Phân loại
Có nhiều cách thức khác nhau để phân loại, nhưng nếu đứng trên phương
diện kỹ thuật truyền tín hiệu, thì phân tập được chia thành các loại sau:
1. Phân tập không gian[2], [3] :
Là kỹ thuật sử dụng hai anten thu (hoặc nhiều hơn) và/hoặc hai anten phát,
để truyền dẫn đồng thời cùng một tín hiệu trên một kênh vô tuyến. Trong khi
một anten có thể hứng được điểm 0 của tín hiệu, thì một anten khác lại hứng
được đỉnh của tín hiệu, và bộ thu có thể chọn lấy anten có hiệu quả tốt nhất tại
bất kỳ thời điểm nào. Trong một anten mảng, tín hiệu thu được từ các phần tử
khác nhau có thể lấy trọng số phù hợp để tạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm
hơn từng tín hiệu thành phần. Anten mảng này yêu cầu một công suất thấp hơn
so với trường hợp anten chỉ sử dụng một thành phần mà vẫn đạt được BER như
mong muốn. Để hệ thống phân tập không gian hoạt động có hiệu quả, thì các tín
hiệu thu được từ các nhánh anten khác nhau phải không, hoặc ít tương quan với
nhau, để tín hiệu ở một phần tử phading sâu, thì vẫn có thể phục hồi được bằng
cách thu nó ở phần tử khác. Điều này có thể thực hiện được bằng cách chọn
khoảng cách giữa các phần tử anten một cách phù hợp. Khoảng cách yêu cầu
giữa các phần tử anten để đảm độ không tương quan, phụ thuộc vào việc ghép
nối cặp giữa các phần tử anten, và vị trí của các vật tán xạ gây ra truyền dẫn đa
đường. Trên thực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0, hoặc
thậm chí với một giá trị tương quan rất thấp. Tuy nhiên, điều này không làm


10

giảm nhiều giá trị lợi ích thiết thực đã thu được khi sử dụng kỹ thuật phân tập.
Ngoài ra kỹ thuật phân tập này cũng yêu cầu cường độ tín hiệu trung bình của
các đường truyền phân tập phải xấp xỉ nhau.
Khi các anten đặt cách xa nhau, thì gọi là phân tập vĩ mô (macrodiversity),
và nếu các anten đặt gần nhau, khoảng vài bước sóng, thì gọi là phân tập vi mô
(microdiversity).
Có hai loại phân tập không gian trong hệ thống MIMO, đó là phân tập phát
và phân tập thu.
 Phân tập phát: Sử dụng nhiều anten phát, một anten thu và không
nhất thiết phải biét kênh truyền ở nơi phát.
 Phân tập thu: Sử dụng một anten phát đơn lẻ, và nhiều anten thu, việc
sử dụng nhiều anten ở nơi thu, sẽ thu được các bản sao tín hiệu thăng
giáng độc lập. Khi áp dụng một kỹ thuật xử lý tín hiệu thích hợp sẽ
thu được các tin hiệu có biên độ giảm hơn khi so sánh với hệ thống
đơn anten.
Các phân tích cho thấy, sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống (hay giảm thời
gian gián đoạn do phading) nằm trong dải hệ số 10 đến 200. Sự cải thiện được
tăng cường bằng sự tăng tần số, dự phòng phading đặt anten cách nhau theo
chiều đứng và giảm độ dài của đoạn đường truyền. Khoảng cách điển hình giữa
các anten ít nhất là 200 bước sóng (ví dụ băng 6GHz thì khoảng cách >10m).
Biểu thức hệ số cải thiện

d
T
T
I 
(1.2)
Với T và T
d

là thời gian có và không có phân tập. Phân tập không gian
cải thiện ở đường truyền qua mặt đất với các phản xạ mặt đất không đáng kể có
thể gần đúng bằng công thức Vigant:

d
fS
I
VF
S
10/10102,1
)(23 



(1.3)
Trong đó,
:

Hiệu quả của chuyển mạch phân tập
S : Khoảng cách giữa các tâm anten
f : Tần số GHz.
F: Độ sâu phading
V : Hiệu số của các độ lợi anten
d: Độ dài đoạn truyền dẫn.



11

2. Phân tập tần số :
Truyền đồng thời cùng một tín hiệu mang tin trên hai hoặc hơn hai kênh tần
số vô tuyến khác nhau, được bố trí trong cùng một dải tần, trong đó sự phân tách
giữa các sóng mang liên tiếp là lớn hơn hoặc bằng độ rộng băng kết hợp của
kênh. Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống vô tuyến số, phân tập
tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so với hệ vô tuyến tương tự,
nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất phổ tần đã có không có hiệu
quả cao.
2. Phân tập thời gian
Truyền cùng một tín hiệu mang tin ở những thời điểm khác nhau, với
khoảng ngắt quãng giữa các thời điểm bằng hoặc lớn hơn thời gian kết hợp của
kênh. Nếu khoảng ngắt quãng nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh, chúng vẫn có
thể thực hiện phân tập nhưng sẽ hao phí thời gian thực.
3. Phân tập phân cực :
Truyền tín hiệu trên các nhánh phân cực khác nhau, chẳng hạn như: phân
cực ngang, phân cực dọc, v.v…
4. Phân tập người sử dụng
Đây là phân tập không gian trong hệ điện thoại di động : trạm gốc thực hiện
việc tổ hợp, thu tín hiệu phát ra từ các anten của các người dùng khác nhau.
1.4.3. Ứng dụng
Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ
thống đa lối vào và lối ra vì:
 Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao
chất lượng và hệ thống.
 Giảm ảnh hưởng của phading.
 Tránh được hao phí băng tần – Đây là yếu tố rất được quan tâm trong
hoàn cảnh tài nguyên tần số gần như đã sử dụng hết.
1.5. Kỹ thuật tổ hợp trong phân tập không tập không gian
Để cực đại hoá các mức tín hiệu thu, thì các tín hiệu thu được của hệ thống
phân tập không gian cần phải được tổ hợp lại thí dụ như trong hình 1.6. Vì tín

hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ
chịu
ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ.


12



Hình 1.6. Bộ tổ hợp trong phân tập không gian
Có nhiều cách tổ hợp khác nhau để làm sao cho thu được SNR lớn nhất, để
giảm BER, nâng cao chất lượng của hệ thống.
Các kỹ thuật tổ hợp thường gặp :
1. Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn quét (Scanning and Selection
Combiner - SC) và lựa chọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất: Là phương
pháp đơn giản nhất trong các kỹ thuật phân tập. Từ một tập hợp M phần
tử anten, nhánh có tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất được chọn ra và kết
hợp trực tiếp tới máy thu. Như vậy, anten mảng có M càng lớn thì khả
năng có được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu càng lớn.
2. Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners - MRC), tận dụng
tốt nhất khả năng của các nhánh phân tập trong hệ thống. Tất cả M nhánh
được nhân trọng số với các tỷ số tín hiệu tức thời trên nhiễu tương ứng.
Sau đó, tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệu
sao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha để tín hiệu đầu ra có
tăng ích phân tập lớn. Tín hiệu tổng chính là tín hiệu đầu ra thu được của
mảng, với hệ số a
k
tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ lệ nghịch
với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k. Phương pháp này
có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tập lựa chọn, nhưng phức tạp

hơn, do phải đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồng pha với
nhau và các trọng số phải được cập nhật chính xác.
3. Bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal Gain Combiners :EGC) (hay còn gọi là
tăng ích đều): Là một biến thể của kỹ thuật kết hợp tỷ lệ tối đa. Trong
trường hợp này, tất cả các giá trị tăng ích của các nhánh đều bằng nhau và
không thay đổi trong quá trình hoạt động. Giống với trường hợp trước,
đầu ra sẽ là tổng của tín hiệu đồng pha của tất cả các nhánh.


13



Hình 1.7. Các bộ tổ hợp: a) Quét lựa chọn SC, b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ
tổ hợp tỷ số tối đa .
Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản [3]: gồm 1 anten phát và
nhiều anten thu (phân tập thu).Thực hiện chương trình mô phỏng xác suất lỗi ký
hiệu (SER) của kỹ thuật phân tập không gian. Với các điều kiện:
o Kênh truyền được thiết lập có nhiễu Gauss
o Kênh có phading Rayleigh với các phương pháp kết hợp.
o Dùng các phương pháp điều chế khác nhau
o Số lượng anten thay đổi
Các kết quả đánh giá xác suất lỗi ký hiệu được trình bày trên hình 1.8 và
1.9 như sau

Hình 1.8. SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM


14

Hình 1.9. SER theo số anten tăng từ 1 đến 4 (phương pháp MRC điều chế BPSK)

Nhận xét:
o Trong 3 phương pháp MRC, EGC và SC thì phương pháp MRC cho
phép cải thiện xác suất lỗi tốt nhất, phù hợp với các phân tích lý thuyết
cũng như các nghiên cứu khác.
o Xác suất lỗi giảm đáng kể khi tăng số anten: ở mức lỗi 10
-1
, độ lợi thu
được khi tăng số anten từ 1 lên 2 là gần 12 dB. Độ lợi này sẽ tăng
thành 16 dB khi số anten là 3, và gần 20 dB khi số anten bằng 4
o Tuy nhiên độ lợi gia tăng chậm dần khi tăng số anten lên. Ta nhận thấy
rằng, độ lợi gia tăng giữa 2 và 3 anten chỉ là 4 dB, trong khi con số này
là 12 dB khi tăng số anten từ 1 lên 2.
Tóm lại :
Hệ MIMO ra đời là kết quả tất yếu để tăng độ tin cậy, và tốc độ truy nhập
dữ liệu cao mà không cần phải mở rộng dải tần khả dụng – đây là một yếu tố rất
được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, do vậy
MIMO có những tính ưu việt của nó. MIMO đã khai thác hiệu quả thành phần
không gian, hạn chế ảnh hưởng của phading, bằng cách sử dụng kỹ thuật phân
tập không gian.


15


Nói chung kỹ thuật phân tập anten cải thiện tốt xác suất lỗi trong điều kiện
kênh truyền có phading. Độ lợi thu được của phương pháp phân tập anten ứng

dụng vào các hệ thống truyền thông, đặc biệt là các hệ thống thông tin di động
vốn đòi hỏi các yêu cầu về nâng cao dung lượng, chất lượng dịch vụ, tiết kiệm
năng lượng sử dụng, thu gọn kích thước thiết bị đầu cuối. Thông số SER được
cải thiện đáng kể khi tăng số lượng anten. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng của
số anten thì độ lợi tốt nhất khi tăng từ 1 lên 2 anten, đây cũng là một ưu điểm
đáng quan tâm cho việc ứng dụng kỹ thuật phân tập anten vào thực tế, đặc biệt
khi triển khai trên máy đầu cuối của mạng di động.



16


Chƣơng II - MÔ HÌNH KÊNH MIMO [11]

Như đã đề cập trong phần trước, MIMO ra đời đáp ứng được hai yêu cầu
quan trọng nhất của hệ thống không dây ngày nay, đó là : độ tin cậy cao, và tốc
độ truy cập dữ liệu cao mà không phải mở rộng dải tần khả dụng. Do MIMO đã
khai thác chiều không gian để có những độ lợi dung năng khổng lồ, và cải thiện
chất lượng dịch vụ (QoS). Nhưng dung năng của bất kỳ hệ truyền thông nào
cũng đều phụ thuộc vào điều kiện lan truyền, và sự phức tạp của điều kiện lan
truyền này mà nhiều mô hình biểu diễn kênh MIMO đã được đề xuất. Việc lựa
chọn một mô hình kênh MIMO tối ưu sẽ rất hữu ích cho việc phân tích dung
năng của hệ thống. Khi đó, thông tin về ma trận kênh MIMO là rất cần thiết để
ước lượng dung năng của kênh.
2.1. Các đặc trƣng lan truyền của kênh vô tuyến
2.1.1. Hiệu ứng đa đường [12]
Hiện tượng đa đường xảy ra khi các sóng vô tuyến đến nơi thu theo các
đường khác nhau, tại các thời điểm khác nhau với các pha ngẫu nhiên.
Đa đường có thể xuất hiện khi một anten nhận được một tín hiệu là tổng

mong muốn của đường truyền thẳng (LOS), tức là kết nối trực tiếp giữa bên thu
R
X
và bên phát T
X
, cộng thêm một hoặc nhiều tín hiệu không có đường truyền
thẳng (NLOS ).
Cấu trúc đa đường của một kênh được xác định bởi độ trải trễ của nó, hoặc
bởi trải trễ rms của nó. Một tham số khác, là độ rộng băng kết hợp cũng thường
được sử dụng để miêu tả chọn lọc tần số