Ước lượng kênh truyền đa chặng biến thiên theo thời gian trong truyền dẫn MIMO-OFDM

LỜI CAM ĐOAN

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi :

Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là Trần Văn Dũng
Hiện đang học lớp 08DT1 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường đại học
Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ
luật của Khoa.
Sinh viên thực hiện đồ án

Trần Văn Dũng

Trang 1


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang 2


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
1G
2G
3G
4G

First Generation
Second Generation
Third Generation
Fourth Generation

Thế hệ thứ nhất
Thế hệ thứ hai
Thế hệ thứ ba
Thế hệ thứ tư
A

AF
AWGN

Ampify and Forward
Addition White Gaussian Noise

BEM
BER
BTS
BW

Basis Expansion Models

Bit Error Rate
Base Transceiver Station
Bandwidth

Khuếch đại và chuyển tiếp
Nhiễu Gaussian trắng cộng
B
Mô hình khai triển cơ bản
Tỉ số bit lỗi
Trạm thu phát gốc
Băng thông
C

CE
CFO
CIR
CP
CSI

Complex Exponential
Carrier Frequency Offset
Channel Impulse Response
Cyclic Prefix
Channel State Information

DF
DFT
DPS

Decode and Forward

Discrete Fourier Transform
Discrete Prolate Sphroidal

Hàm mũ phức
Độ lệch tần số sóng mang
Đáp ứng xung kênh truyền
Tiền tố lặp vòng
Thông tin trạng thái kênh truyền
D

GCE
GI
FDM
FDMA
FFT
ICI
IFFT
ISI
LTE
MIMO
ML
M-QAM
MSE

Giải mã và chuyển tiếp
Phép biến đổi Fourier rời rạc
Hàm khai triển cơ bản

G
Generalized Complex Exponential

Guard Interval
F
Frequency Division Multiplexing
Frequency Division Multiple Access
Fast Fourier Transform
I
Inter- Carrier Interference
Inverse Fast Fourier Transform
Inter- Symbol Interference
L
Long Term Evolution
M
Multiple Input Multiple Output
Maximum Likelihood
M Quadrature Amplitude Modulation
Mean Squared Error
O

Trang 3

Hàm mũ liên hợp suy rộng
Khoảng bảo vệ
Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy cập phân chia theo tần số
Phép biến đổi Fourier nhanh
Nhiễu liên sóng mang
Phép biến đổi Fourier đảo
Nhiễu liên ký tự
Sự tiến triển dài hạn
Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

Khả năng lớn nhất
Điều chế biên độ cầu phương M điểm
Lỗi bình phương trung bình


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

OFDM
P-BEM
PDF
QAM
SDMA
SNR

Orthogonal
Frequency
Multiplexing

Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
P
Poly nomial BEM
Khai triển đa thức
Probability Density Function
Hàm phân bố mật độ xác suất
Q
Quadrature Ampitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
S
Space Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo không
gian
Signal to Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Trang 4


DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0>W)
Hình 1.3: Tín hiệu từ bên phát đến bên thu theo các đường khác nhau
Hình 1.4: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường
Hình 1.5: Độ chính xác của các BEM với Q = 7, tốc độ 100km/h
Hình 1.6: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)
Hình 1.7: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số
Hình 1.8: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát
Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin đa chặng
Hình 2.2: Mô hình One-way relay
Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn multi-hop
Hình 3.1: Mô hình hệ thống two-way relay
Hình 3.2: Mô hình xử lý two way relay
Hình 4.1: Đồ thị MSE_CIR của các BEM theo SNR
Hình 4.2: Đồ thị BER của các BEM theo SNR
Hình 4.3: Đồ thị BER của các BEM với tốc độ khác nhau
Hình 4.4: Đồ thị BER của các BEM với số hàm Q khác nhau
Hình 4.5: Đồ thị BER của P- BEM với điều chế số khác nhau
Hình 4.6: Đồ thị MSE của các BEM_Coe với SNR khác nhau

Hình 4.7: Đồ thị MSE của các BEM_CIR với SNR khác nhau
Hình 4.8: Đồ thị BER của các BEM với SNR khác nhau
Hình 4.9: Đồ thị MSE của các BEM với tần số Doppler chuẩn hóa

Trang 5


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.10: Đồ thị BER của P- BEM với tốc độ khác nhau theo SNR
Hình 4.11: Đồ thị BER của P- BEM với tốc độ khác nhau theo SNR
Hình 4.12: Đồ thị MSE của BEM_Coe theo SNR
Hình 4.13: Đồ thị MSE của BEM_CIR theo SNR
Hình 4.14: Đồ thị MSE vị trí chèn pilot theo SNR
Hình 4.15: Đồ thị MSE số Relay theo SNR
Hình 4.16: Đồ thị MSE số Anten khác nhau theo SNR

Trang 6


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang 7


LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc của con người rất đa dạng và phong phú.
Ngành viễn thông hiện hiện nay cũng theo đó phát triển nhanh chóng với nhiều

bước đột phá trong công nghệ mới. Bên cạnh các hệ thống thông tin đang phát triển
hiện nay là 2.5G, 3G thì các nhà mạng đã tiến hành triển khai một chuẩn di động
thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng, đó là thế hệ thứ 4 (4G) sử dụng các kỹ thuật đa
truy cập phân chia theo không gian, tần số trực giao và thời gian. Để đáp ứng yêu
cầu về băng thông rộng, tính di động cao của dịch vụ cung cấp cho người dùng,
truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần số trực giao kết hợp với cấu hình truyền
dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) được chọn là giải pháp kỹ thuật truyền
dẫn vô tuyến chính cho các mạng băng rộng 4G. Tuy nhiên, hiệu quả của hệ thống
MIMO- OFDM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của thông tin trạng thái kênh
truyền (CSI). Chính vì thế, yêu cầu về việc xây dựng các giải thuật ước lượng đáp
ứng kênh truyền đa đường, chọn lọc thời gian tần số trong hệ thống 4G là rất cần
thiết.
Cùng với hệ thống truyền dẫn MIMO- OFDM, một kỹ thuật truyền dẫn mới
được thông qua bởi 3GPP- LTE Advanced là truyền dẫn thông tin đa chặng multihop (one way relay và two way relay). Việc ước lượng kênh truyền trong trường
hợp này phức tạp hơn vì chịu ảnh hưởng của hệ số fading qua nhiều chặng.
Từ yêu cầu cần thiết về việc ước lượng đáp ứng kênh truyền đa đường, cùng
với mong muốn tìm hiểu kỹ hơn về hệ thống thông tin đa chặng, em chọn đề tài
nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp là: “Ước lượng kênh truyền đa chặng biến thiên
theo thời gian trong truyền dẫn MIMO-OFDM”.
Đồ án chia làm 4 chương:
Chương 1:

Tổng quan

Chương 2:

Ước lượng kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số trong hệ

thống thông tin đa chặng one way relay

Trang 8


LỜI MỞ ĐẦU

Chương 3:

Ước lượng kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số trong hệ

thống thông tin đa chặng MIMO-OFDM two way relay
Chương 4:

Mô phỏng

Đồ án này sẽ giải quyết các vấn đề liên quan đến việc ước lượng đáp ứng
kênh truyền bằng thuật toán Fisher và đưa ra kết quả mô phỏng bằng phần mềm
Matlab.
BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
TRẦN VĂN DŨNG
-

Thiết lập mô hình hệ thống.
Viết chương trình Matlab mô phỏng hệ thống two-way MIMO-OFDM.
Viết báo cáo chương 3, chương 4.
Viết bản tóm tắt đồ án.
TRẦN THỊ THU THỦY

-

08DT1

08DT3

Thiết lập mô hình hệ thống.
Viết chương trình Matlab mô phỏng hệ thống one-way relay.
Viết báo cáo chương 1, chương 2.
Làm slide thuyết trình.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không khỏi

mắc phải những sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ
án được hoàn thiện hơn.
Sau cùng, cho phép em bày tỏ lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa
Điện Tử Viễn Thông, đặc biệt là thầy Nguyễn Lê Hùng đã tận tình hướng dẫn, cung
cấp tài liệu và động viên giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Trần Văn Dũng

Trang 9


1.1.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Giới thiệu chương
Chương này trình bày các nội dung sau:

1.2.

Tổng quan về mô hình truyền dẫn không dây
Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang
Tổng quan về đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Các kỹ thuật ước lượng kênh truyền
Mô hình kênh truyền không dây chọn lọc thời gian, tần số
1.2.1. Phân loại fading
Trong mô hình kênh truyền không dây, mô hình truyền tín hiệu được chia
thành 2 loại là fading tầm rộng và fading tầm hẹp.
1.2.1.1.

Fading tầm rộng

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu
ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa
máy phát và máy thu. Ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống
kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ước lượng độ suy hao kênh truyền theo
hàm của khoảng cách.
1.2.1.2.

Fading tầm hẹp

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian giữa phía phát và phía thu.
Fading tầm hẹp có hai nguyên lý – sự trải thời gian (Time - Spreading) của tín hiệu
và đặc tính thay đổi theo thời gian (Time - Variant) của kênh truyền. Đối với các
ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía
phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Fading tầm hẹp sinh ra bởi nhiều bản sao các tín hiệu truyền với các độ trễ
khác nhau kết hợp ở phía nhận. Mô hình fading tầm hẹp ảnh hưởng trên hệ thống
MIMO có hai tính chất sau:

Trang 10


CHƯƠNG 1

-

TỔNG QUAN

Đáp ứng kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu là tổng hợp các
đường phản xạ. Vì các đường có độ trễ khác nhau tại thời điểm đến nên đáp

-

ứng xung trải rộng trong miền thời gian.
Tín hiệu tổng hợp nhận được ở mỗi anten thu là tổng các tín hiệu từ tất cả
các anten phát.
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát, độ

trải trễ hoặc Coherence time và chu kỳ symbol mà ta có các loại kênh truyền:

- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
- Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm.
Fading tầm hẹp
( Trải trễ thời gian đa đường)

Fading phẳng
BW tín hiệu < BW kênh truyền
Trải trễ < T_symbol

Fading chọn lọc tần số
BW tín hiệu > BW kênh truyền
Trải trễ > T_symbol

Fading tầm hẹp
(Trải phổ Doppler)

Fading biến đổi nhanh
Fading biến đổi chậm
Trải phổ Doppler lớn
Trải phổ Doppler nhỏ
Coherence Time < T_symbol
Coherence Time < T_symbol
Kênh truyền biến đổi nhanh hơn biến đổi tínKênh
hiệu dải
truyền
nền.biến đổi chậm hơn biến đổi tín hiệu dải nền.

1.2.1.2.1. Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Do tín hiệu nhận được ở phía thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác
nhau nên thời gian đến phía thu không giống nhau mà có những khoảng thời gian

trễ, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo dài, tần phổ của kênh truyền cũng thay
đổi tùy theo thời gian trễ này. Ta định nghĩa coherence bandwidth là khoảng tần số

Trang 11


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

mà đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số. Ta tính
coherence bandwidth như sau :
Với là thời gian trễ nhiều nhất.
Nếu băng thông của tín hiệu phát nhỏ hơn coherence bandwidth ta gọi kênh
truyền là không chọn lọc tần số, ngược lại ta có kênh truyền chọn lọc tần số.

Hình 1.1: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f0Trên hình 1.1 kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu
phát, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và
dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền
không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền flat fading.

Hình 1.2: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0>W)
Ngược lại trên hình 1.2, ta nhận thấy kênh truyền có f 0 nhỏ hơn nhiều so với
băng thông của tín hiệu phát. Do đó tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền
không cho tín hiệu đi qua và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được
truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được
gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.

Trang 12

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.2.1.2.2. Kênh truyền chọn lọc thời gian và không chọn lọc thời gian
Khi phía phát hoặc phía thu hoặc các vật chắn sóng và dẫn sóng giữa phía
phát và phía thu chuyển động, hiện tượng Doppler xảy ra và làm cho phổ tần số tín
hiệu nhận được bị dịch chuyển. Sự dịch chuyển tần số của phổ tần tín hiệu đồng
nghĩa với sự thay đổi của đáp ứng kênh truyền trong miền thời gian. Nếu sự dịch
chuyển Doppler lớn tương ứng với sự thay đổi kênh truyền diễn ra nhanh và ngược
lại. Ta định nghĩa coherence time là thời gian mà kênh truyền thay đổi không đáng
kể.

(=
với là tần số cao nhất gây ra bởi hiệu ứng Doppler.
Nếu coherence time nhỏ hơn 1 chu kỳ tín hiệu ta gọi kênh truyền đó là biến
đổi nhanh (fast fading), ngược lại ta gọi kênh truyền là biến đổi chậm (slow fading).
1.2.2. Mô hình kênh fading đa đường
1.2.2.1. Hiện tượng fading đa đường (multipath fading)
Fading được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần
tại anten thu, thường xảy ra đối với các hệ thống thông tin vô tuyến do tác động của
môi trường truyền dẫn.

Hình 1.3: Tín hiệu từ bên phát đến bên thu theo các đường khác nhau

Trang 13

CHƯƠNG 1

1.2.2.2.

TỔNG QUAN

Mô hình kênh fading đa đường

Hình 1.4: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường
Tín hiệu s(t) được truyền vào không gian từ anten phát có thể được biểu diễn
như sau:
(1.3)
trong đó là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở. Tín hiệu được gọi là đường bao phức
(complex envelope) hay tín hiệu tương đương thông thấp (complex lowpass
equivalent signal) của . Ta gọi là đường bao phức của bởi vì biên độ và pha của
chính là biên độ và pha của .
Qua kênh truyền fading (gồm L đường vật lý), tín hiệu thu được tại anten thu
có thể được biểu diễn:
Thay (1.3) vào (1.4) ta có:

(1.5)
Như vậy, tín hiệu nhận được ở dải nền được xác định như sau:
Bước tiếp theo, ta sẽ thiết lập một kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyển
kênh truyền liên tục thời gian sang kênh truyền rời rạc thời gian. Sử dụng công thức
của định lý lấy mẫu, giả sử rằng tín hiệu đầu vào có băng tần giới hạn là W, khi đó
có thể biểu diễn tương đương là:

Trang 14

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

với và .
Ta có thể biểu diễn (1.7) nhờ tuân theo định lý lấy mẫu, định lý nói rằng bất
cứ tín hiệu nào có băng tần giới hạn là W/2 có thể được biểu diễn là tổng các hàm
cơ bản trực giao nhau với các hệ số là các mẫu tại các thời điểm n/W ( ).
Thay (1.7) vào (1.6) ta được :

Suy ra các mẫu thu được là:
Đặt , từ (1.8) suy ra:
Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến được biểu diễn là:
với

.

1.2.3. Mô hình Jake
Kênh truyền là một quá trình ngẫu nhiên vì thế quá trình mô phỏng gặp
nhiều khó khăn. Tuy nhiên ta có thể xác định được hàm mật độ xác suất (pdf) của
kênh truyền, nhờ đó thông tin kênh truyền có thể được khôi phục. Có nhiều mô hình
toán học được đưa ra để mô phỏng kênh truyền. Trong đó mô hình Jake được sử
dụng nhiều trong mô phỏng hệ thống. Mô hình Jake được cho theo công thức sau:
trong đó t là thời gian lấy mẫu, n là số đường, k là số kênh, là hệ số độ lệch pha, là
bit code trực giao (+1 hoặc -1), là pha ban đầu, là độ dịch Doppler, là số bộ dao
động.
Mô hình Jake đưa ra một phương pháp đơn giản để tạo ra kênh Rayleigh
fading bằng tổng chồng chập của các hàm sin với tần số và pha ban đầu khác nhau.

Trang 15

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Tuy nhiên nếu các thông số của kênh truyền được thiết lập ngay từ đầu thì
chúng sẽ không còn đúng trong mô hình kênh truyền chọn lọc thời gian, tần số. Để
quá trình mô phỏng thực tế hơn thì kênh truyền phải là một quá trình ngẫu nhiên và
vẫn giữ được những đặc tính thống kê. Vì vậy mô hình Zheng được đưa ra và được
chỉnh từ mô hình Jake.

1.2.4. Mô hình Zheng
Mô hình Zheng tạo ra các mẫu tương tự như mô hình Jake nhưng cần dùng
số bộ dao động ít hơn, tuy nhiên yêu cầu số lượng lớn các hàm sin. Thành phần
fading được thể hiện trong thành phần đồng pha và vuông pha tại mẫu thứ m được
cho bởi công thức sau:

và góc tới của đường thứ n là:
trong đó là tần số Doppler cực đại, là khoảng thời gian mẫu, n là số lượng hàm
sin, , là những pha. Cả , được khởi tạo tại điểm khởi đầu của mỗi lần thử và có
phân bố chuẩn trong khoảng (-, ).
1.2.5. Mô hình khai triển cơ bản (BEM)
1.2.5.1. Giới thiệu BEM
Fading có ảnh hưởng lớn lên tín hiệu trong kênh truyền chọn lọc thời gian,
tần số và mô hình Zheng có thể tạo ra hệ số fading cho mỗi mẫu với những đặc tính
thống kê chính xác. Có thể thấy từ biểu thức (1.11) và (1.12) tương quan thời gian
được giới thiệu trong kênh truyền bởi vì chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu. Bằng cách sử dụng tương quan thời gian, nhiều mẫu kênh truyền có thể
được xấp xỉ với số lượng tham số ít hơn. Đây chính là việc sử dụng hàm khai triển

cơ bản (BEM).

Trang 16


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Trong khối dữ liệu phát có N mẫu, tại đầu thu của kênh truyền chọn lọc thời
gian, tần số yêu cầu thông tin của N mẫu này để biểu diễn kênh truyền, khôi phục
dữ liệu. Tuy nhiên trong hệ thống số mẫu N và số symbol phát đi (M) lớn thì có
nhiều biến số và sẽ gặp khó khăn trong quá trình khôi phục kênh truyền. Tuy nhiên
có thể xấp xỉ kênh truyền chọn lọc thời gian bằng các mô hình khai triển cơ bản
(BEM) khác nhau để làm giảm một lượng đáng kể số chiều biểu diễn của kênh
truyền.
Độ lợi kênh l, tại mẫu thời gian n được biểu diễn như sau:
trong đó:
-

l {0,..., L -1}
L đại diện cho độ dài kênh truyền
đại diện cho giá trị hàm cơ bản
là hệ số BEM của mô hình kênh
Q là số hàm cơ bản được sử dụng trong mô hình khai triển cơ bản

Biểu diễn công thức (1.13) dưới dạng vector như sau:
trong đó: , , .
Vector đại diện cho tất cả các đường trở thành:
[9]

rong đó:
t

1.2.5.2.

BL = I L ⊗ B

,

c = [c0T ,..., cLT −1 ]T

Các mô hình khai triển cơ bản

Có các mô hình khai triển cơ sở được sử dụng như sau: Hàm mũ phức (CE),
hàm GCE, hàm đa thức (P), hàm Discrete Prolate Spheroidal (DPS), hàm KarhuenLoève (KL).
• Khai triển mũ phức (CE): Được đưa ra năm 1996 bởi Tsatsanis và
Giannakis. Hàm cơ sở của khai triền mũ phức được cho bởi công thức sau:

Trang 17


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Đây là những hàm mũ phức, có chu kỳ bằng với độ dài của khoảng được
xem xét. Hệ số CE- BEM có mô hình toán đơn giản và dễ thực thi. Tuy nhiên vì là
hàm mũ nên CE-BEM chịu ảnh hưởng của Gibbs khi phân tích Fourier, dẫn đến
méo pha và biên độ, đặc biệt là ở những điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi frame. Từ
công thức trên ta thấy hệ số CE-BEM là cố định trong một khoảng thời gian xác

định, do đó chịu ảnh hưởng của lỗi mô hình do hiện tượng Gibbs.
• Khai triển GCE:

Được đưa ra vào năm 2000 bởi Thomas và Vook. Hàm

cơ sở của khai triển GCE được cho bởi công thức sau:
Tương tự hàm CE, nhưng khoảng cách tần số của nó được thu hẹp lại nhờ
vào hệ số G, do đó giảm được ảnh hưởng của modelling error và tránh được
Doppler do khoảng cách tấn số nhỏ hơn tần số Doppler.
• Hàm đa thức (P):

Được đưa ra năm 1999 bởi Borah và Hart. Là một tập

các đa thức tương ứng với khai triển Taylor:
Như vậy có tới vài mô hình khai triển cơ sở BEMs tồn tại và mỗi loại được
định nghĩa bởi các hàm cơ bản được sử dụng trong việc tạo ra các B. Ma trận B
được thiết kế là duy nhất ứng với mỗi hàm cơ sở được chọn.
Để đo đạc độ chính xác của BEM ta dùng lỗi bình phương trung bình (MSE)
chuẩn hóa. MSE được tính từ CIR thực tế h và mô hình xấp xỉ hóa được tính từ B
và c. Lỗi bình phương trung bình đáp ứng xung kênh truyền được định nghĩa như
sau:

Trang 18


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Hình 1.5: Độ chính xác của các BEM với Q = 7, tốc độ 100km/h

1.3.

Truyền dẫn đa sóng mang
1.3.1. Tổng quan về truyền dẫn đa sóng mang
Từ khi bắt đầu mạng tế bào, truyền dẫn đơn sóng mang được sử dụng để
truyền tải thông tin. Tuy nhiên trên thực tế, những kênh truyền không dây chịu tác
động mạnh mẽ của hiện tượng fading đa đường, điều này đã gây ra mất mát tín hiệu
nghiêm trọng. Khi tín hiệu phát nằm trong passband, băng thông tín hiệu tập trung
quanh tần số sóng mang. Trong truyền dẫn băng rộng băng thông tín hiệu lớn và
chiếm dụng một phổ tần số lớn. Khi hiện tượng fading chọn lọc tần số tác động lên
tần số sóng mang thì toàn bộ thông tin sẽ bị mất. Một phương pháp để tránh ảnh
hưởng của hiện tượng chọn lọc tần số là truyền dẫn đa sóng mang. Thay vì sử dụng
một tần số sóng mang để truyền một tín hiệu băng rộng, máy phát sẽ sử dụng nhiều
sóng mang con. Đó chính là phép biến đổi từ kênh truyền lựa chọn tần số băng
rộng, thông lượng cao thành những kênh truyền con không chọn lọc tần số, thông
lượng thấp. Để thực hiện điều này, băng thông những kênh truyền con cần phải bé
hơn Coherence bandwidth của kênh truyền. Một vài sóng mang con có thể bị mất
mát trong quá trình truyền dẫn do hiện tượng fading đa đường, nhưng phần lớn tín
hiệu được phát đi vẫn được nhận tại đầu thu, kết hợp với việc mã hóa kênh, phần bị
mất có thể khôi phục lại được. Một cách đơn giản nhất để thực hiện truyền dẫn đa
sóng mang là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Mỗi
kênh con được cấp phát một tần số để truyền dẫn đồng thời trên các sóng mang phụ
khác nhau.
1.3.2. Kỹ thuật truyền dẫn OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu (data symbol) được điều chế
thành những song mang phụ (hay sóng mang con) song song cách đều nhau. Các
sóng mang phụ này có sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực
giao tương ứng với dạng sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với
các sóng mang phụ khác nhau chồng lấn trong miền tần số. Với một băng tần có

Trang 19


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng mang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng
phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số
thông thường.
Ngoài ra OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả để
khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong fading đa
đường bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI period) tại vị trí bắt đầu của mỗi
symbol và rất thích hợp cho các kênh truyền fading lựa chọn tần số trong thông tin
vô tuyến bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh
truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song
với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.
Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách
rất gần nhau. Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, … lên sóng mang, phổ của
chúng sẽ chồng lấn lên nhau. Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ
tín hiệu của giải điều chế chính xác dữ liệu. Với các kỹ thuật trước đây như FDM,
khi tín hiệu được truyền gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có
thể tách rời chúng bằng bộ lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy
nhiên với những cải tiến của OFDM, mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn phổ
lên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu mà không bị nhiễu bởi vì chúng có
tính trực giao.

Hình 1.6: Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM

đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của

Trang 20


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiện
thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện
bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm
cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hơn nữa, thay vì
sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm
giảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu.
1.4.

Mô hình tín hiệu

Hình 1.7: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số
Tín hiệu phát OFDM ở băng tần có sở được truyền đi được biểu diễn như
sau:

n ∈ { − N g ,...,0,..., N − 1} N g
trong đó
,
là chiều dài tiền tố Cyclic- Prefix.

Hình 1.8: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát

Trang 21


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Qua kênh truyền fading chọn lọc thời gian, tần số các mẫu thứ n nhận được
trong symbol OFDM thứ m được biểu diễn như sau:

trong đó n

∈

{0,…., N-1}, hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền fading đa đường và

zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là N0.
Để không xảy ra nhiễu liên ký tự ISI thì chiều dài Ng của tiền tố lặp CP phải
thỏa mãn Ng≥ L-1.
Tín hiệu yn,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tục
được đưa vào bộ biến đổi FFT. Tín hiệu thu được trong miền thời gian được biểu
diễn như sau:

1.5.

Các kỹ thuật ước lượng kênh truyền
1.5.1. Khái niệm về ước lượng kênh truyền
Để giảm nhẹ ảnh hưởng của hiện tượng fading, những thông tin về kênh
truyền là cần thiết và quan trọng tại máy phát và máy thu. Tuy nhiên để biết được
một cách chính xác các thông tin về kênh truyền là điều rất khó. Vì vậy ước lượng

kênh truyền là yêu cầu đầu tiên và cần thiết của một hệ thống nhằm làm giảm sự sai
khác của hàm truyền của kênh thu so với kênh phát do nhiều nguyên nhân trong quá
trình truyền dẫn. Trong đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp ước lượng
kênh truyền dùng pilot.
Pilots là chuỗi những kí tự được phát từ những chòm điểm điều chế số và
được biết tại cả máy phát và máy thu. Trong suốt khoảng thời gian truyền pilot, máy
thu sẽ ước lượng kênh truyền để tìm đáp ứng xung kênh truyền (CIR). Có hai vấn
đề chính trong việc ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến OFDM.
-

Sắp xếp tín hiệu thông tin và số lượng pilot.
Phải đạt được hai yêu cầu chính là độ phức tạp thấp và khả năng ước
lượng tốt.

Trong mô hình kênh truyền lựa chọn thời gian và tần số, pilot được sắp xếp
dạng lược, khoảng cách giữa các pilots cần phải nhỏ hơn Coherent bandwidth của

Trang 22


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

kênh truyền để đáp ứng kênh truyền được ước lượng tốt. Trong phạm vi đồ án này,
đáp ứng xung kênh truyền CIR được ước lượng bằng thuật toán Fisher, kỹ thuật ước
lượng Maximum Likelihood cùng với sử dụng các hàm khai triển cơ bản (BEM).
Vector biểu diễn các mẫu nhận được tại máy thu là:
trong đó y là vector biểu biễn các mẫu nhận được tại máy thu, S là ma trận chứa các
ký tự pilot (sẽ được nghiên cứu kỹ hơn trong chương sau), c là vector chứa các hệ

số của BEM được ước lượng, z là vector biểu diễn nhiễu AWGN.
Dựa vào vector thu y, những thông tin đã biết về pilots và giá trị các hàm cơ

c$
bản B chứa trong S, đầu thu sẽ ước lượng các hệ số của BEM là vector . Những
tham số của kênh truyền cho phép đầu thu khôi phục lại đáp ứng kênh truyền và sử
dụng nó trong quá trình khôi phục dữ liệu. Hiệu suất của phép ước lượng được đo
bằng thành phần MSE chuẩn hóa của được định nghĩa như sau:
MSE chuẩn hóa của đáp ứng xung kênh truyền được định nghĩa như sau:
Mặc dù MSE của các hệ số của BEM sẽ đánh giá hiệu quả của phép ước
lượng, nhưng MSE chuẩn hóa của CIR là một thông số quan trọng bởi vì CIR liên
quan trực tiếp đến quá trình khôi phục dữ liệu tại đầu thu.
1.5.2. Thuật toán Fisher
Trong ước lượng Fisher, vector c được xem như một vector xác định chưa
biết. Phương pháp này không cần sử dụng hàm phân bố xác suất và hàm tự tương
quan của vector đáp ứng kênh truyền. Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn
giản bởi vì đầu thu không cần biết bất cứ thông tin nào về sự phân bố của c. Mục
tiêu là ước lượng tham số của vector c, đồng thời phải tối thiểu hóa được MSE. Có
rất nhiều phương pháp khác nhau để đạt được kết quả ước lượng trong thuật toán

Trang 23


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Fisher. Từ mô hình tuyến tính đã được thiết lập sẵn, kỹ thuật Maximum Likelihood
là phương pháp đơn giản nhất và rất hiệu quả.
Những ẩn số khác nhau tạo ra những hàm likelihood khác nhau, phụ thuộc

vào vector quan sát, từ hàm phân bố mật độ xác suất (PDF) những ẩn số có thể
được suy ra. Điều đó được công thức hóa như một vấn đề tối ưu hóa, trong đó các
hàm tham chiếu là những hàm likelihood. Để tính ước lượng ML, kết quả được tìm
thấy bởi sự nghiên cứu trong tất cả các vector tham số là làm tối ưu hóa được hàm
log-likelihood. Kết quả của phép ước lượng đó được cho như sau:

1.6.

Kết luận chương
Trong chương này đã trình bày tổng quan về truyền dẫn không dây. Thách
thức của thông tin di động hiện nay đó là kênh truyền chọn lọc thời gian, tần số và
sử dụng OFDM để đạt được hiệu quả phổ cao và chống lại fading đa đường. Sự giới
thiệu của BEM đáp ứng như một sự thiết lập của vấn đề ước lượng kênh truyền biến
đổi thời gian. Những khái niệm cơ bản của ước lượng cũng được giới thiệu. Đồng
thời chương này đã giới thiệu thuật toán được sử dụng để ước lượng kênh truyền đó
là thuật toán Fisher.

Trang 24


CHƯƠNG 2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC THỜI GIAN VÀ TẦN
SỐ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG ONE WAY RELAY

CHƯƠNG 2
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG ONE WAY RELAY
2.1.

Giới thiệu chương
Chương này trình bày về các nội dung:

-

Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng và relay
Mô hình hệ thống
Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng One-way relay

2.2. Thông tin đa chặng
2.2.1. Tổng quan về thông tin đa chặng

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin đa chặng
Có một số cách tiếp cận để thực hiện phân tập trong việc truyền dẫn không
dây nhiều anten có thể được sử dụng để phân tập theo không gian hoặc tần số.
Nhưng nhiều anten không phải lúc nào cũng có sẵn, hoặc đích ở quá xa để có thể
đạt được chất lượng tín hiệu tốt. Để có sự phân tập, cách tiếp cận thích hợp là sử

Trang 25