Đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vi HVTH: Vũ Văn Quang


TÓM TT

OFDMăđemăli nhng liăíchănhăhiệu qu s dng phổ và thích hp cho truyền
dn tcăđ caoătrênăkênhăfadingăđaăđng. Hệ thng MIMO có thể tĕngăđ li phân
tp, hoặcăđ liădungălng trên các kênh truyền fading phẳng. Đi vi truyền dn
tcăđ cao, kênh MIMO chọn lọc tn s (fading không phẳng) có thể chuyển sang
mt tp các kênh con fading phẳng bằng cách kt hp gia MIMO và kỹ thut
OFDM,ăđiều này có thể gimăđ phức tp của b thu và có thể gii quytăđc vn
đề fadingăđaăđng mt cách hiệu qu.
Hệ thng MIMO-OFDM hiệnănayăđƣă đc chp nhn nhă lƠămt tiêu chuẩn
truyền dn tcăđ cao, mang li hiệu qu và chtălng dịch v tt cho các hệ thng
vô tuynăbĕngă rng  các th hệ tngălai. Hệ thng MIMO-OFDM vi mã hóa
khi không gian-thi gian (STBC) có kh nĕngăchng li nhăhng của các hiện
tng nhăđaăđng, fading chọn lọc tn s mt cách ht sức hiệu qu.ăHnăth, tỉ
s SER đtăđc là nh và đ phức tp mã hóa thp.
LunăvĕnănƠy tp trung nghiên cứu việc mã hóa, gii mã khi không gian-thi
gian (STBC), mã không gian-tn s (SFC), mã không gian-thi gian-tn s (STF),
mô hình hệ thng MIMO-OFDM. Sau cùng việc mô phng các mô hình hệ thng
MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF s đc xây dựng và
phân tích chtălngădiămôiătrng truyền dn fading Rayleigh.
Các kt qu mô phng chỉ ra rằng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC đƣăđt
đc hiệu qu BER ttă hnăhệ thng MIMO-OFDM khi không s dng mã hóa
STBC. Kt qu mô phngăđƣăchứngămìnhăđc kh nĕngăkiểm soát li của hệ thng
khi s dngămƣăSTFăđc ci thiệnăhnăso vi mã STBC và SFC.
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên vii HVTH: Vũ Văn Quang

ABSTRACT

The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for
high-data-rate transmission over a multi-path fading channel. MIMO systems may
be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a
capacity gain in flat fading channels. For high-data-rate transmission, the
frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed
into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and
OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the
multi-path fading efficiently.
MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official
standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next
generation broadband wireless communication systems. MIMO-OFDM system with
space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects
and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is
low.
The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes,
MIMO, and MIMO-OFDM system models. Finally, simulation model of MIMO,
MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances
under Rayleigh fading channel is analyzed. The simulation results show that the
MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system
without STBC in BER performance. By the simulation results, we have
demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes
was improved more than the system which used STBC and SFC codes.

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên viii HVTH: Vũ Văn Quang

MC LC

QUYTăĐịNHăGIAOăĐề TÀIầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầầ i
LÝ LịCH KHOA HọCầầầầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầ ii
LIăCAMăĐOANầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ iii
CMăN v
TÓM TT LUNăVĔN vi
ABSTRACT vii
MC LC viii
DANH SÁCH CÁC CH VIT TT xiv
DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi
DANH SÁCH CÁC BNG xviii
CHNG 1 GII THIU TNG QUAN 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnhăvực nghiên cứu, các kt qu trongăvƠăngoƠiăncăđƣă
công b 1
1.2 ụănghĩaăkhoaăhọc của đề tài 3
1.3 Mcăđíchăcủaăđề tài 4
1.4 Nhiệm v củaăđề tài và gii hnăđề tài 5
1.5 Phngăphápănghiênăcứu 5
CHNG 2 KÊNH TRUYN VÔ TUYN 6
2.1 Khái niệm kênh vô tuyn [3][10] 6
2.2 Fading suy gim diện rng [2][10] 6
2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6
2.3.1 Hiệnătngăđaăđng (multipath) 7
2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7
2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8
2.3.4 Phân loi Fading diện hẹp 8
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên ix HVTH: Vũ Văn Quang

2.4 Các mô hình kênh fading 9
2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh 9
2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10
2.4.3 Mô hình fading chọn lọc tn s 10
2.5 Kt lun 11
CHNG 3 K THUT ĐIU CH ĐA SịNG MANG TRC GIAO
OFDM 12
3.1 Gii thiệu 12
3.2 Mô hình hệ thng 13
3.3 Mt s uăkhuytăđiểm chính của kỹ thut OFDM 18
3.3.1 uăđiểm 18
3.3.2 Khuytăđiểm 18
3.4 Kt lun 19
CHNG 4 H THNG NHIU ANTEN MIMO 20
4.1 Gii thiệu 20
4.2 Các kỹ thut Phân tp 20
4.3 Mô hình hệ thng MIMO 22
4.4 Dungălng hệ thng 23
4.5 Kt lun 25
CHNG 5 MÃ HÓA TRONG H THNG MIMO-OFDM 26
5.1 Gii thiệu [3] 26
5.2 Mã khi không gian thi gian (STBC) 26
5.2.1 Mt s tiêu chuẩn về mã khi không gian-thi gian 27
5.2.2 Săđ Alamouti 28
5.3 Gii mã STBC 29
5.4 Mã Khi không gian ậthi gian trực giao (OSTBC) 32
5.4.1 Mt s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32
5.4.2 Mt s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34
5.5 Mã không gian-tn s SFC 35
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên x HVTH: Vũ Văn Quang

5.5.1 Gii thiệu 35
5.5.2 Thit k mã SF tcăđ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36
5.6 MÃ KHÔNG GIAN-THI GIAN-TN S STFC [14],[16] 37
5.6.1 Gii thiệu 38
5.6.2 Thit k mã STF tcăđ 1 (STF-rate ) 38
5.7 Kt lun 39
CHNG 6 S Đ H THNG STBC-MIMO-OFDM 41
6.1 Mô hình hệ thng MIMO mã hóa STBC 41
6.1.1 Hệ thng hai Anten phát, mt anten thu 41
6.1.2 Hệ thng hai Anten phát, hai anten thu 43
6.2 Hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 44
6.2.1 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM 44
6.2.2 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 47
6.2.3 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa SFC 54
6.2.4 Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STFC 55
CHNG 7 KT QU MÔ PHNG TRÊN MATLAB 58
7.1 S đ mô phng 54
7.2 Các kt qu mô phngădungălng 54
7.3 Các kt qu mô phng hệ thng SISO, SIMO, MISO, MIMO 57
7.4 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM 62
7.5 Mô phng hệ thng MIMO mã hóa STBC 68
7.6 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 74
7.7 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa SF 76
7.7.1 SF-rate 1 76
7.7.2 SF-rate N 81
7.8 Mô phng hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STF 83
7.8.1 STF-rate1 91
7.8.2 STF-rate N 91

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xi HVTH: Vũ Văn Quang

7.8.3 Mô phng hệ thng MIMO mã hóa vi mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và
STFC-rate 1&2 92
Chng 8 KT LUN VÀ KIN NGH 93
8.1 Kt lun 103
8.2 Các kin nghị 104
TÀI LIU THAM KHO 105


Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xii HVTH: Vũ Văn Quang

DANH SÁCH CÁC CH VIT TT

Vit tt
Ting Anh
Ting Vit
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu trng
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ bit li
CP
Cyclic Prefix
Tiền t lặp (Khong bo vệ)
CSI
Channel State Information

Thông tin trng thái kênh truyền
DFT
Discrete Fourier Transform
Binăđổi Fourier ri rc
DVB
Digital Video Broadcasting
Truyền hình s
FFT
Fast Fourier Transform
Binăđổi fourier nhanh
ICI
Inter Carrier Interference
Nhiễu liên kênh
IDFT
Inverse Discrete Fourier
Transform
Binăđổi ngc fourier ri rc
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Binăđổiăngc fourier nhanh
ISI
InterSymbol Interference
Nhiễu liên ký tự
LP
Linear Precoded
Tiền mã hóa tuyn tính
LOS
Light Of sight
Tm nhìn thẳng
MIMO

Multiple Input Multiple Output
Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra
MISO
Multiple Input Single Output
Nhiều ngõ vào mt ngõ ra
ML
Maximum Likelihood
Tngăđng tiăđa
MMSE
Minimum Mean Square Error
Liăbìnhăphngătrungăbìnhănh nht
MRC
Maximum Ratio combination
Kt hp tỉ s cựcăđi
NLOS
Non Light Of Sight
Không có tm nhìn thẳng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tn s trực
giao
P/S
Parallel to Serial
Chuyểnăđổi song song sang ni tip
PDF
Probability Density Function
Hàm mtăđ xác sut
QAM
Quadrature Amplitute

Điều ch biênăđ vuông
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiii HVTH: Vũ Văn Quang

Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều ch pha vuông
SER
Symbol Error Rate
Tcăđ li ký tự
SFC
Space Frequency Code
Mã không- gian tn s
SIMO
Single Input Multiple Output
Mt ngõ vào nhiều ngõ ra
SISO
Single Input Single Output
Mt ngõ vào mt ngõ ra
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ s tín hiệu trên nhiễu
S/P
Serial to Parallel
Chuyển ni tip sang song song
STBC
Space-Time Block Code
Mã khi không gian-thi gian
STFC

Space-Time-Frequency Code
Mã khi không gian-thi gian-tn s
STTC
Space-Time Trellis Code
Mã xon không gian-thi gian
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xiv HVTH: Vũ Văn Quang


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 2.1: Mô hình kênh truyềnăđaăđng[18] 7
Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7
Hình 3.1: Săđ khi hệ thngăOFDMăcăbn 13
Hình 3.2: Khái niệm CP 15
Hình 4.1: Săđ nguyên lý của hệ thng MIMO [17] 23
Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24
Hình 5.1: Ma trn mã STBC. 27
Hình 5.2:ăSăđ khi mã hóa ST Alamouti 28
Hình 5.3: B thuăchoăsăđ Alamouti 29
Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36
Hình 5.5: Căch truyền mã STF 38
Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38
Hình 6.1: Săđ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42
Hình 6.2: Săđ mã STBC vi hai anten phát và hai anten thu [19] 43
Hình 6.3: Mô hình hệ thng MIMO-OFDM 45
Hình 6.4: Mô hình hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC 48
Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53
Hình 7.1: Săđ mô phng hệ thng MIMO-OFDM 59

Hình 7.2: Mô phngădungălng hệ thng 60
Hình 7.3: Mô phngădungălng Ergodic 60
Hình 7.4: SER của các hệ thng SISO, SIMO, MISO, MIMO 63
Hình 7.5: SER của các hệ thngăSISO,ăMISOă(thayăđổi s anten phát) 64
Hình 7.6: SER của các hệ thngăMISO,ăMIMOă(thayăđổi s anten thu) 64
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xv HVTH: Vũ Văn Quang

Hình 7.7: SER của các hệ thng có cùng mức phân tp (không mã hóa) 65
Hình 7.8: SER của hệ thng MIMO-OFDMăthayăđổi s anten phát 67
Hình 7.10: MIMO-OFDM ậ SERăkhiăthayăđổi L 69
69
Hình 7.11: MIMO-OFDM ậ SER cung mức phân tp (không mã hóa) 69
Hình 7.12: SER của hệ thng MIMO-STBCătĕngăs anten phát 71
Hình 7.13: SER của hệ thng MIMO-STBCăkhiăthayăđổi s anten thu 72
Hình 7.14: SER của hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC-G2 73
Hình 7.15 : SER của hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC-G4 73
Hình 7.16a: BER của hệ thng MIMO-OFDM-STBC phân tp phát 75
Hình 7.16b: BER của hệ thng MIMO-OFDM-STBC phân tp thu 75
Hình 7.17: BER của hệ thng MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76
MIMO -OFDM-STBC 76
Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten phát 79
Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 79
Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậtĕngăđng phân tp. 80
Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 82
Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ Phân tp tn s 83
Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ cùng mức phân tp. 83
Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp phát 85
Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp thu 86
Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp thi gian 86

Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân tp tn s 87
Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậcùng mức phân tp 87
Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp thu 89
Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp thi gian 89
Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân tp tn s 90
Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER cùng mức phân tp 90
Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvi HVTH: Vũ Văn Quang

Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 92


Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xvii HVTH: Vũ Văn Quang

DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thit k toàn tc [10] 33
Bng 7.1: Các thông s mô phng hệ thng SIMO, MISO, MIMO 59
Bng 7.2: Soăsánhădungălng của các hệ thng MIMO 61
Bng 7.4: Các thông s mô phng hệ thng MIMO 62
Bng 7.5: So sánh BER gia hệ thng anten SISO và MIMO 63
Bng 7.6: So sánh hệ thng MIMO phân tp thu ti SER=
3
10

dB 65
Bng 7.7: So sánh hệ thng MIMO cùng mức phân tp ti SER=

3
10

dB 66
Bng 7.9: So sánh hệ thng MIMO-OFDM phân tp thu ti BER=
3
10

3dB 68
Bng 7.10: So sánh hệ thng MIMO-OFDM cùng mức phân tp ti BER=
3
10

dB 70
Bng 7.12: So hệ thng MIMO-STBC phân tp phát ti BER=
3
10

dB 71
Bng 7.13: So sánh hệ thng MIMO-STBC phân tp thu ti BER=
3
10

dB 72
Bng 7.14: So sánh hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC(G2) 74
ti BER=
3
10

dB 74

Bng 7.15: So hệ thng MIMO-OFDM vi MIMO-STBC(G4) 74
ti BER=
3
10

dB 74
Bng 7.16: So hệ thng MIMO-OFDM mã hóa STBC ti BER=
3
10

dB 76
Bng 7.17: So sánh hệ thng MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã
hóa STBC ti BER=
3
10

dB 77
Bng 7.18: Các thông s mô phng hệ thng MIMO_OFDM-SFC tcăđ 1 78
Bng 7.19: So sánh hệ thng MIMO-OFDM -SFC BER=
3
10

dB 80
Bng 7.20: So sánh hệ thng MIMO-OFDM -SFC BER=
3
10

dB 80
Bng 7.21: Các thông s mô phng hệ thng MIMO_OFDM-SFC tcăđ N 81
Bng 7.22: So sánh hệ thng MIMO-OFDM -SFC BER=

3
10

dB 82

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên xviii HVTH: Vũ Văn Quang

Bng 7.24: Các thông s mô phng hệ thng MIMO_OFDM-SFC tcăđ 1 84
Bng 7.25: Các thông s mô phng hệ thng MIMO_OFDM-SFC tcăđ N 88
Bng 7.26: Các thông s mô phng hệ thng MIMO mã hóa STBC, SFC, STF 91












Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 1 HVTH: Vũ Văn Quang
Chng 1
GII THIU TNG QUAN

1.1 Tng quan chung v lƿnh vc nghiên cu, các kt qu trong vƠ ngoƠi nc
đƣ công b

Trong nhngănĕmăgnăđơy,ăkỹ thut thông tin vô tuynăđƣăcóănhngăbc tin
triển vt bc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoi và các ứng dngă đaă
phngătiện trênăInternet,ăđiện thoiădiăđng hiện đƣăcó mặt  khp mọiăni,ănhuă
cu về truyềnăthôngăăđaăphngătiện di đng đƣăvƠăđangăphátătriển rm r,ăđòiăhi
yêu cu về bĕngăthôngăcǜngănh dungălng ngày càng tr nên cpăbáchăhnăbaoă
gi ht. Việc nghiên cứu để tìmăraăcácăphngăphápămi, các thit bị mi đƣăvƠă
đangădiễn ra khpăniătrênătoƠnăth gii nhằmăchoăraăđi các sn phẩm th hệ k tip
chtălngăhn,ăphùăhpăhn, và tin cyăhn nhằm tha mãn nhu cu vô tn của con
ngi c về chtălng ln đaădng dịch v mng.
Các hệ thngăthôngătinăkhôngădơyăluônăđc nghiên cứu nhằm ci thiện cht
lngădungălngăcǜngănhăkh nĕngăchng li hiệnătngăđaăđng.ăĐi vi các
hệ thng thông tin truyền thng chtălng tín hiệu có thể ci thiện bằngăcáchătĕngă
công sut phát; tngătự dung lng kênh truyền cǜng có thể tĕngăkhiătĕngăbĕngă
thông. Tuy nhiên công sutăcǜngăchỉ có thể tĕngăti mt mức gii hnănƠoăđóăvìă
công sutăphátăcƠngătĕngăthìăhệ thng càng gây nhiễu cho các hệ thng thông tin
xungăquanh,ăbĕngă thôngăcủa hệ thngăcǜngăkhôngă thể tĕngă mƣiălên đc vì việc
phân b bĕngăthôngăđƣăđcăđịnh chuẩn sẵn. Các kỹ thut phân tpăđc s dng
rng rãi nhằm gim nhăhng củaăfadingă đaăđng và ci thiệnăđ tin cy của
truyền dn mà không phiătĕngăcôngăsut phát hoặc m rngăbĕngăthông [2][11].
Vi sự bùng nổ của công nghệ kỹ thutănhăkỹ thut x lý s tín hiệu (DSP),
đặc biệt là công nghệ VLSI, kỹ thut ghép kênh phân chia theo tn s trực giao
(OFDM)ăđƣăvƠăđangăđc quan tâm nhiềuăhn,ăứng dng nhiềuăhnătrongăviệc ci
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 2 HVTH: Vũ Văn Quang
thiện hiệu qu bĕngăthôngăchoăhệ thng vô tuyn.  bĕngăhẹp (narrowband), kênh
fading là kênh fading phẳngă (flată fading),ă phngă phápă mƣă hóaă khôngă gian-thi
giană(ST)ăđƣăđcăđề xutăđể khai thác phân tp không gian và thi gian [8]. Còn 
bĕngă thôngă rng ( broadband), kênh fading là kênh lựa chọn tn s (selection
frequency fading). Kỹ thut ghép kênh phân chia tn s trực giao (OFDM) chuyển
cácăkênhăfadingăđaăđng lựa chọn tn s thành các kênh fading phẳng song song,

vì vy nó có thể làm gim nhăhng của fading. Vi mt khong bo vệ đủ ln, kỹ
thut OFDM còn loi b đc hiệu ứng ISI. Ngoài ra việc s dng kỹ thut OFDM
còn gimăđ phức tp của b cân bằng vƠătĕngăhiệu qu s dng phổ [2].
Bài báo nĕmă1996ăvƠă1999,ăcác tác gi Foschini và Telatar [20], [22] đƣăchứng
minh rằng hệ thng thông tin có nhiều anten (MIMO-Multiple-Input Multiple-
Output) cóădungălngăcaoăhnănhiều so vi các hệ thng chỉ có mt anten (SISO).
BƠiăbáoă đƣăchỉ ra rằng việc ci thiệnă dungălng gnă nhătĕngătuyn tính vi s
lng anten phát hoặc anten thu. Kt qu này cho thyătínhăuăviệt của hệ thng
nhiều anten và ngày càng có nhiều sự quanătơmăđặc biệtătrongălĩnhăvực này, nhiều
công trình nghiên cứu đƣăđc thực hiện nhằm ci tin cǜngănhăkháiăquátăhóaăcác
kt qu của họ.
Bài báo của các tác gi V.Tarokh,ăN.Seshadri,ăandăA.ăR.ăCalderbankă(1998),ăđƣă
s dng mã không gian-thi gian (Space-time codes) cho các hệ thng vô tuyn tc
đ cao [4]. Kt qu là các symbols đƣăđc mã hóa và đc truyềnăđng thi trên
tt c các anten, sauăđó đc gii mã bằng gii thut phát hiện tngăđng tiăđa
(ML - maximum likelihood decoder). Cách làm này rt hiệu qu vì nó kt hp gia
việc sa li vi phân tpăđng truyền để tĕngădungălng hệ thng.
Cǜngătrong nĕmă1998,ăbài báo của tác gi Alamouti [5] đƣăđề c mã khi không
gian-thi gian (STBC)ăđnăgin hn, hp dn hnănh có đ phức tp mã thp, cho
đ phân tpăđy và toàn tc thích hpăchoămôiătrng fading chm. STBC có thể
tĕngădungălng bằngăcáchăkhaiăthácăđ phân tpăkhôngăgian.ăĐiềuănƠyăđặc biệt hu
íchătrongătrng hp tri phổ (delay spread) thp (ít bị phân tán tn s). Vi việc
dùng nhiềuăhnămt anten phát hay thu, hình thành mt kênh nhiềuăđu vào nhiều
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 3 HVTH: Vũ Văn Quang
đu ra (MIMO),ătaăcóăđcăcácăphngăphápăphơnătp, ví d nhăphơnătp không
gian, phân tp thi gian hay phân tp tn s. ĐơyălƠămt trong nhngăđt phá quan
trọng nht trong kỹ thut truyền thông hiệnăđi.
Mt đặcă điểm cực kỳ quan trọng của hệ thng nhiều anten MIMOă đó là kh
nĕngăbin nhăhng của truyền dn đaăđng, theo truyền thngătrcăđơyăđc

coi là mtăđiểm bt li cho các kênh truyền vô tuyn, thành mt liăđiểm. Việcătĕngă
tính phân tp MIMO s giúp gim xác sut sai vƠă tĕngă kh nĕngă s dng kênh
truyền [3].
Bài báo nĕmă2011ăcủa các tác gi Muhammad Sana Ullah, Mohammed Jashim
Uddin đƣăphân tích chtălng hệ thng MIMO dựaătrênăsăđ mã hóa của Alamouti
vƠăphngăphápăkt hp tỉ s cựcăđi (MRC). Kt qu mô phngăđƣăđtăđc vi tỉ
s BER rt tt, ngay c khi SNR thp [11].
Từ nhngăuăđiểm nổi bt của hệ thng MIMO và kỹ thut OFDM, việc kt
hp hệ thng MIMO và kỹ thut OFDM hiệnăđangălà mt gii pháp đy hứa hẹn và
đƣăđc chp nhnănhălƠăsăđ truyền dn cho các hệ thngăkhôngădơyăbĕngăthôngă
rngătrongătngălai. Hiện ti MIMO-OFDMăđangăđc ứng dng trong WiMAX
theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 [2],[3].
Ti hi nghị khoa họcăIEEEănĕmă2011, các tác gi ZHANG jie, LIU liang, LI
jin [1] đƣănghiên cứu và đaăraăcác kt qu cho thy rằngăcácăsăđ mã Alamouti
(STBC) kt hp vi hệ thng MIMO-OFDM chính là mt sự kt hp hoàn ho cho
việc ci thiện nhằmătĕngădungălngăkênhăđng thi gim tỉ s BER mtăcáchăđángă
kể.
1.2 ụ nghƿa khoa hc của đ tài
Hệ thng MIMO có thể tĕngădungălng kênh truyền, s dngăbĕngăthôngărt
hiệu qu nh ghép kênh không gian (V-BLAST), ci thiện chtălng của hệ thng
đángăkể nh vào phân tp ti phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cn
tĕngăcôngăsutăphátăcǜngănhătĕngăbĕngăthôngăcủa hệ thng. Điều này làm tha mãn
các yêu cu bức thit về dịch v đangăđc phát triển phổ bin hiệnănayănh: mng
truy cp Internet, ADSL, thngămiăđiện t, e-mail, video theo yêu cuăầ
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 4 HVTH: Vũ Văn Quang
Vi nhngăuăđiểm nổi bt của mình, hiện nay OFDMăđƣăđc ứng dng rng
rãi c trong vô tuyn và hu tuyn nh: trong phát thanh s DAB (Digital Audio
Broadcasting), truyền hình s DVB (Digital Video Broadcasting), Mng ADSL,
mng cc b chtă lng cao HIPERLAN (High Performance Local Area

Networks), mng cc b vô tuyn WLAN (Wireless Local Area Network) theo
chuẩnă802.11.aăầ[2],[3].
Ngoài việc ci tin tcăđ d liệu, hệ thng OFDM/MIMO cung cp c hai phân
tp không gian và tn s.ăĐể khai thác nhng li th này, mt lot các mã STBC
(SpaceăTimeăBlockăCode),ăSTF/SFă(SpaceăTimeăFrequency/SpaceăFrequency)ăđc
đề xut [13 ậ 20]. Cácăuăđiểm của hệ thngăMIMOăvƠăđiều ch OFDMăđƣăđc kt
hp liăchoăraăđi hệ thng MIMO-OFDM. Việc kt hp hệ thng MIMO và kỹ
thut OFDM là mt gii pháp hứa hẹn cho các th hệ thôngătină khôngădơyăbĕngă
rngătrongătngălai.ăHiện ti, hệ thng MIMO-OFDMăđƣăđc chọn làm nền tng
cho sự phát triển hệ thngăthôngătinădiăđng th hệ thứ tă- 4G[3].
Nghiên cứu cácă phngă phápă mƣă hóaă trongă hệ thng MIMO-OFDMă để đt
đc đ li phân tp tiăđaănhằm tiăuăhóa chtălng hệ thng thông tin vô tuyn
trongămôiătrng fading chọn lọc tn s là vnăđề ht sức cn thit. Chính vì l đóă
tôi quytăđịnh chọnăđề tƠiăắ đánhăgiáăchtălng mã STBC cho hệ thng MIMO-
OFDMă”.
1.3 Mc đích của đ tài
- Kho sát mã khi không gian-thi gian STBC, SFC, STFC trong hệ thng
MIMO, MIMO-OFDM.
- Mô phng kt qu bằng phn mềm Matlab ứng vi từngătrng hp: hệ thng
MIMO, MIMO-OFDM, MIMO-STBC, MIMO-OFDM-STBC/SFC/STFC. V đ
thị tỷ s li ký tự (Symbol Error Rate-SER)ătng ứng vi các mức công sut tín
hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) khác nhau.


Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 5 HVTH: Vũ Văn Quang
1.4 Nhim v của đ tài và gii hn đ tài
Đề tài tp trung nghiên cứu về mã khi không gian-thi gian (STBC), về các hệ
thng kt hp MIMO-OFDM và hệ thng kt hp MIMO-OFDM dựa trênăcăs mã
hóa STBC.

- Tp trung mô phng, phân tích và so sánh các kt qu đtăđc về dungălng
và SER trong từngătrng hpăđể lƠmăcăs cho việcăđánhăgiá.
- Các trng hp mô phng đƣăđc gii hn trong phm vi thông tin về trng
thái kênh truyền (channelăstateăinformation:ăCSI)ăđc bitătrc, trong môiătrng
truyền gi tĩnhă(quasi-static) và chịuătácăđng bi fading Rayleigh.
- Tuy nhiên trong quá trình thực hiện, tôi đƣăm rng, nghiên cứu thêm các loi
mã không gian-tn s (SFC) và mã không gian-thi gian-tn s (STFC)ăđể có thêm
nhiều d liệu so sánh. Từ căs lý thuyt và các kt qu mô phngăđtăđc cho
thy nhngăuăkhuytăđiểm củaămƣăSTBCăcǜngănhăkh nĕngăứng dng của các loi
mã hóa trong hệ thng MIMO-OFDM.
Ni dung lunăvĕnăgmăcóă08ăchng nhăsau:
- Chngă1:ăGii thiệu tổng quan
- Chngă2:ăKênh truyền vô tuyn
- Chngă3: Kỹ thutăđiều ch đaăsóngămangătrực giao OFDM
- Chngă4: Hệ thng nhiều Anten MIMO
- Chngă5: Mã hóa trong hệ thng MIMO-OFDM
- Chngă6: Săđ hệ thng STBC/SFC/STFC-MIMO-OFDM
- Chngă7: Các kt qu mô phng trên Matlab
- Chngă8: Kt lunăvƠăhng nghiên cứu
1.5 Phng pháp nghiên cu
Dựa trên bài báo IEEE, các tp chí khoa học, các lunăvĕn, công trình nghiên
cứu khoa học về lĩnhăvực có liên quan của các tác gi trongăvƠăngoƠiănc. Từ đóă
tổng hp, phân tích lý thuyt và mô phng kt qu tính toán bằng phn mềm
Matlab.
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 6 HVTH: Vũ Văn Quang
Chng 2
KÊNH TRUYN VÔ TUYN

2.1 Khái nim kênh vô tuyn [3][10]

Khi truyền trên kênh vô tuynădiăđng, ngoài các nhăhng bi suy hao, can
nhiễu, tín hiệu nhn còn chịu nhăhng bi các hiệnătng phn x, khúc x, nhiễu
x, tán x, hiệu ứng dịch Doplerầ, các hiệnă tng này đc gọi chung là hiện
tng fading. Kt qu là  máyăthu,ătaăthuăđc rt nhiều phiên bn khác nhau của
tín hiệu. Các phiên bnăthuăđc này cǜngăs rt khác nhau c về biênăđ và về pha
so vi tín hiệu banăđu.ăĐiều này đƣălàm nhăhngăđángăkể đn chtălng kênh
truyền. Có 02 loi fadingăcăbnăđóălƠăfadingăsuyăgim diện rng (Large-Scale Path
Loss) và fading suy gim diện hẹp (Small-Scale Fading and Multipath).
2.2 Fading suy gim din rng [2][10]
Là s
̣
ăsuyăgia
̉
măcôngăsuơtătrungăbố

nhăcu
̉
aătố

năhiê
̣
uăkhiătruyê năt

ăma

yă phátăđnă
máyăthu doăhiê
̣
năt
̣

ngăcheăchĕn, hp th vƠăsuyăhao doăanten,ầ
Trong không gian tự do, sóng luônăđc lan truyền ra theo dng hình cu và do
đó mtăđ công sut s gim tỷ lệ vi diện tích bề mặt của hình cu này. Công sut
ti phía thu trong không gian tự do đc cho biăphngătrìnhăFriis:

2
tttr
πR4
λ
GGPP








(2.1)
TrongăđóăP
t
là công sut phía phát (W), P
r
(d) là công sutăthuăđc, G
t
lƠăđ li
anten phát và G
r
lƠăđ li anten thu, � là khongăcáchăbc sóng (m).
2.3 Fading din hẹp [2][10]

Fading là sự thayăđổi nhanh về biênăđ, pha hoặc trễ đaăđng của tín hiệu phát
trong mt khong thi gian hoặc mt khongăcáchătngăđi nh. Fading là do có
sự giao thoa của mt hoặc nhiều phiên bn của tín hiệu đƣăđc phát đn máy thu
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 7 HVTH: Vũ Văn Quang
ti nhng thiăđiểm trễ khác nhau. Ta xét các yu t nhăhngăđn fading diện hẹp
sau :
2.3.1 Hin tng đa đng (multipath)









Hình 2.1: Mô hình kênh truyềnăđaăđng
Kt qu của phân tpăđaăđng là tiăđu thu s thuăđc rt nhiều phiên bn
khác nhau c về biênăđ vƠăđ lệch pha so vi tín hiệuăphátăbanăđu.
Fading có thể lƠăuăđiểm khi các tín hiệuăđaăđng cùng pha viănhauălƠmătĕngă
cngăđ tín hiệu  bên thu, và cǜngăcóăthể gây ra triệt tiêu các tín hiệuăđaăđng
khi chúng ngc pha vi nhau gây ra hiệnătng fading sâu (deep fading).
2.3.2 Hiu ng dch Doppler

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler
C
A
D
B

Receiver
Transmitter

Trực tip
Nhiễu x
Phn x
Tán x
Thu sóng
Phát sóng
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 8 HVTH: Vũ Văn Quang

Khi ngun tín hiệu và bên thu chuyểnăđngătngăđi vi nhau, tn s tín hiệu
thu không ging bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiềuă(hng về nhau)
thì tn s nhnăđc lnăhnătn s tín hiệuăphát,ăvƠăngc li khi chúng di chuyển
ra xa nhau thì tn s tín hiệuăthuăđc là gim xung.ăĐơyăgọi là hiệu ứng Doppler.
Vt di chuyển vi vn tc v
Khiăđóăsự thayăđổi về pha giaă2ăđiểm X và Y là

2πΔl 2πvΔt
Δ cos
λλ


(2.2)

Đ lệch dịch tn s là

dm
1 Δv

f cos f cos
2π Δt λ

  

(2.3)

Dịch Doppler cựcăđi f
m
(BD):

c
m
f
v
fv
lc


(2.4)

fc , , c là lnălt là tn s sóng mang, bc sóng sóng mang và vn tc ánh
sáng.
2.3.3 Hiu ng bóng râm (Shadowing)
Do nhăhng của các vt cn tr trênăđng truyền, ví d nhăcácătoƠănhƠăcaoă
tng, đi, núi,ầălƠmăchoăbiênăđ tín hiệu bị suy gim.
2.3.4 Phân loi Fading din hẹp
Dựa vào nhăhng của hiệu ứng phân tpăđaăđngăngi ta phân thành 02
loiăkênhăfadingănhăsau:
- Fading phẳng (flat fading): Khiăbĕngăthôngăcủa tín hiệu nh hnăbĕngăthôngă

kt hp, tt c các thành phn tn s đều bị suy gim cùng mức fading, ta có fading
phẳng hay còn gọi là fading không chọn lọc tn s (frequency nonselective fading)
- Fading chọn lọc tn s (frequency selective fading):ăNgc li,ăkhiăbĕngăthôngă
tín hiệu lnăhnăbĕngăthôngăkt hp, các thành phn tn s có phổ lnăhnăbĕngă
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 9 HVTH: Vũ Văn Quang
thông kt hp bị fading mtăcáchăđc lp, dnăđn hiệnătng làm méo tín hiệu, làm
xut hiện nhiễu xuyên ký tự (ISI - Inter Symbol Interference).
Dựa trên dịch Doppler, Fading của kênh truyềnăđc chia làm 2 loi là fading
chm và fading nhanh.
- Fading nhanh: Nu khong tín hiệu lnă hnă thi gian kt hp T
c
thì kênh
truyềnănƠyătngăđngăvi kênh truyềnăfadingănhanh.ăNóiăkhácăđiălƠăbiênăđ ,pha ,
thi gian tri trễ thayăđổiănhanhăhnătcăđ thayăđổi của tín hiệu phát.
- Fading chm: Ngc li, nu khong tín hiệu nh hnăkhong T
c
thì toàn b
tín hiệu bị tácăđng bi kênh truyềnăđcăxemănhălƠăkênhătruyền fading chm.
2.4 Các mô hình kênh fading
Kênh truyền fading Rayleigh hoặc Rician là mô hình hu dng để mô t các
hiệnă tng thực trong thông tin vô tuyn (wireless communications). Các hiện
tng này bao gm hiệu ứng tán x đaă đng, sự phân tán thi gian, hiệu ứng
Doppler v.v gây ra do sự dịch chuyểnătngăđi gia máy phát và máy thu.
2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh
Trênăđng dn chính từ máyăphátăđn máy thu, các phiên bn khác nhau của
tín hiệu (do trễ về mặt thi gian) s tp hp  máy thu. Các tín hiệuăphátăđi phn x
trên các vtă chng ngiă khácă nhauă trênă đng truyền s đn máy thu theo các
đng khác nhau. Tt c các tín hiệuănóiătrênăđc kt hp li ti máy thu gây ra
hiệu ứngăđaă đng.ă Thôngă thngă quáătrìnhă fadingă đcăđặcă trngă bi phân b

rayleigh nuă đng truyền khôngă cóă đng truyền thẳng (NLOS ậ Non Line of
Sight).
Hàm mtă đ xác sut củaă biênă đ và pha hàm truyềnă đcă xácă địnhă nhă 
phngătrìnhădiăđơy:ă

 
22
r /2σ
2
r
e0
σ
pdf r
00
r
r











(2.5)
Vi r ,


vƠăσ2 lnălt lƠăbiênăđ, pha và phngăsai củaăđápăứng kênh.
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 10 HVTH: Vũ Văn Quang
Hiệnămôăhìnhăđƣăđc áp dng trong các chuẩn IEEE802.16a, IEEE-2004,
IEEE 802.16e-2005.
2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean
Khi tn ti đng truyền thẳng từ máyăphátă đn máy thu, lúc đó tín hiệu từ
đng truyền thẳng (LOS) s chimăuăth so viăcácăđng tán x đc lp thng
kê khác. Tngătự hàm mtăđ xác sut củaăbiênăđ hàm truyềnăđcăxácăđịnhănhă
 phngătrìnhădiăđơy:

 
 
22
2
Ar
2σ
0
22
r Ar
e I r 0
σσ
pdf r
0 r 0















(2.6)
vi I0 là hàm Bessel loi 1, bc 0.và AălƠăbiênăđ.
Hiệnă nayă môă hìnhă fadingă Riceană đƣă đc áp dng trong tiêu chuẩn IEEE
802.16-2001.
2.4.3 Mô hình fading chn lc tn s
Fading lựa chọn tn s đc mô hình bi nhiễu liên ký tự (ISI),ătrongătrng
hp này, mi quan hệ gia ngõ ra và vào là:

J1
j
tj
j0
r(t) α s η(t)





(2.7)
Vi: α
j
là phân b Gaussian phứcăđc lpăvƠăη(t)ălƠănhiễu. Trong mô hình fading

Rayleigh, chúng là các bin chuẩn ngu nhiên Gaussian phức. Mtătrng hpăđặc
biệtălƠămôăhìnhăRayleighă2ăđng :

01
1
( ) ( )
tt
r t s s t
  

  
(2.8)
Vi phn thực và o của các giá trị α
0
vƠăα
1
là các phân b chuẩn Gaussian ngu
nhiên.
Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 11 HVTH: Vũ Văn Quang
2.5 Kt lun
Cácăđặcătrngăcủa kênh truyền vô tuyn,ăcǜngănhămôăhìnhăcácăkênhătruyềnăđƣă
đc nghiên cứu. Từ đóăhiểu rõ bn cht của việc truyền tín hiệu nhằm giúp ích cho
việc mô phng sau này.
Trongăchngătip theo, s trình bày các vnăđề kỹ thut trong OFDM, mô hình
tín hiệu và hệ thng của nó.

Luận văn thạc sỹ Đánh giá chất lượng mã khối không gian - thời gian trong hệ thống MIMO-OFDM
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 12 HVTH: Vũ Văn Quang
Chng 3
K THUT ĐIU CH ĐA SịNG MANG
TRC GIAO OFDM

3.1 Gii thiu[2], [3]
Chúng ta đƣăbit cácă kênhăfadingăđaăđng làm suy gim chtălng của tín
hiệu s đng thi làm gim tcăđ truyền dn. Mặc dù các kỹ thut cân bằngănh:ă
Tuyn tính, phi tuyn,ăvƠăcălng chui dựa trên các b cân bằng làm gim nh
hng của nhiễu ISI, các ci tinănƠyăđtăđc viăđ phức tp cao. Mt sự thay th
hiệu qu cho các b cân bằngăđể gii quyt vnăđề nhiễuăISIăđóăchínhălƠăkỹ thut
ghépăkênhăđaăsóngămang trực giao OFDM (bằng cách chèn thêm các khong bo vệ
CP).
Để s dng hiệu qu bĕngătn, các sóng mang điều ch đc đặt càng gn nhau
càng ttănhngăkhôngăđc gây ra bt kỳ nhiễuăICIănƠoăđng thi phi có kh nĕngă
mang nhiều bit thông tin. Mt cách tiău,ăbĕngăthôngăcủa mi sóng mang s nằm
liền kề nhau,ădoăđóăs không có sự lƣngăphíăbĕngăthông. Trong thực t, mt khong
bo vệ phiăđcăđặt gia các sóng mang nên rtăphí.ăĐể truyền d liệu tcăđ cao
thì chu kỳ symbol ngn, do:

sym
1
R=
T

(3.1)

R là tcăđ truyền, T
sym

là chu kỳ symbol.
Tuyănhiên,ătrongămôiătrngăđaăđng,
sym
T
ngn dnăđnătĕngăISI,ăvƠădoăđóăs
gim hiệu sut. OFDM gii quyt 2 vnăđề này vi kỹ thut ghép kênhăvƠăđiều ch
đcăđáoăcủa nó. OFDM chia dòng d liệu tcăđ cao sang dòng d liệu song song
tcăđ thpăhnăvƠădoăđóăkéoădƠiăchuăkỳ symbol giúp loi b ISI.ăNóăcǜngăchoăphépă
bĕngăthôngăcủa các sóng mang con chng lên nhau mà không có ICI bằngăcáchăđiều