Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống vô tuyến nhận thức đa người dùng

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi :

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

Em tên là Phạm Văn Quốc.
Hiện đang học lớp 09DT3 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Em xin cam đoan nội dung của đồ án “Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống
vô tuyến nhận thức đa người dùng” là do em tự thực hiện, 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

Phạm Văn Quốc

Đồ án tốt nghiệp

1


MỤC LỤC

CÁC TỪ VIẾT TẮT
BC

Broadcast Channel

BD

Block Diagonalization

CR

Cognitive Radio

CSI

Channel state infromation

MMSE

Minimum Mean Square Error

MU-MIMO

Multi User – Multi Input Multi Output

MUI

Multi User Interference

PDF

Probability Density Function

PU(-AP)

Primary User ( - Access Point)

PUI

Primary User Interference

SU(-AP)

Secondary User ( - Access Point)

SUI

Secondary User Interference

ZF

Zero-Forcing

QoS

Quality of Service

Đồ án tốt nghiệp

2


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu sử dụng thông tin
mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu sử dụng thông tin
đơn giản như điện thoại, điện tín, điện báo, …đến nay nhu cầu về truy cập và trao đổi

thông tin càng ngày càng gia tăng và đòi hỏi những tính năng đa dịch vụ đồng nghĩa
với việc băng thông cũng như tốc độ truyền ngày càng cao. Và công nghệ truyền thông
vô tuyến sử dụng đa anten thu và đa anten phát (MIMO) được coi là giải pháp để giải
quyết những vấn đề đó.
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các công trình nghiên cứu của các
nhà khoa học, hệ thống MIMO đã được phát triển theo rất nhiều hướng khác nhau, khai
thác tối đa những ưu điểm của nó. Điển hình là việc tăng dung lượng lên rất nhiều, tỷ lệ
với số lượng anten sử dụng ở hai đầu cuối. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất làm việc
tốt cần áp dụng nhiều kỹ thuật mã hoá kênh truyền phức tạp để xử lý tín hiệu. Gần đây,
kỹ thuật này được nghiên cứu và đánh giá có khả năng rất tốt trong việc nâng cao dung
lượng của hệ thống thông tin đồng thời đảm bảo độ tin cậy.
Do đó, em đã lựa chọn đề tài “Kỹ thuật truyền mã hoá trong hệ thống vô tuyến
nhận thức đa người dùng”. Về nội dung, đồ án của em bao gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio. Trong chương này em đi vào tìm
hiểu về vô tuyến nhận thức, khái niệm và đặc điểm của hệ thống này.

Đồ án tốt nghiệp

3


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output. Tìm hiểu về hệ
thống MIMO, các kĩ thuật phân tập cũng như dung lượng kênh truyền. Tiếp đó là tìm
hiểu về hệ thống MU-MIMO.
Chương 3: Cognitive Precoding trong hệ thống MU-MIMO. Tìm hiểu các kỹ
thuật, phương pháp mã hoá kênh truyền áp dụng cho hệ thống vô tuyến nhận thức.
Chương 4: Kết quả mô phỏng bằng MATLAB. Sử dụng chương trình
MATLAB để mô phỏng nội dung thực hiện và tìm hiểu ở chương 3. Từ kết quả nhận
được, ta có sự so sánh giữa các kỹ thuật.
Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo ThS. Nguyễn Duy Nhật Viễn đã tận tình

hướng dẫn và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ cho việc hoàn thiện đồ án này.
Với kiến thức còn chạn chế, trong quá trình thực hiện nội dung đồ án không thể tránh
khỏi những sai sót, rất mong nhận được sự đánh giá và bổ sung kiến thức từ thầy cô và
bạn bè để em có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn!
Trân trọng.

Đồ án tốt nghiệp

4


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ COGNITIVE
RADIO
1.1 Giới thiệu chung chương
Ngày nay, hệ thống mạng không dây được đặc trưng bởi một chính sách là sự
phân công phổ cố định. Tuy nhiên, phần lớn của phổ được phân công này không được
sử dụng thường xuyên và sự thay đổi về mặt địa lý khiến sự hiệu quả trong việc sử
dụng phổ được phân công này chỉ trong khoảng từ 15% đến 85%. Quang phổ có sẵn bị
hạn chế và việc sử dụng quang phổ kém hiệu quả đòi hỏi một mô hình truyền thông
mới để khai thác phổ vô tuyến hiện đang tồn tại. Mô hình mạng mới này được gọi là
mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio).
Cognitive radio (CR) đã được bắt đầu quan tâm nghiên cứu từ năm 2004. Khởi
đầu là việc tái sử dụng lại băng tần TV band ở Mỹ để dùng cho WRAN 802.22. Tiếp
theo, người ta bắt đầu quan tâm đến việc sử dụng cùng một băng tần cho nhiều kỹ
thuật, nhiều người dùng khác nhau. Ý tưởng đơn giản là trên cùng một băng tần, một
người dùng được cấp phép nhưng phải lúc nào băng tần đấy cũng bị chiếm dụng. Vậy
tại thởi điểm mà băng tần này “available” thì nó sẽ được phân cho người dùng khác
còn gọi là CR users. Đây là một khuynh hướng trong việc quản lý băng tần vì tài

nguyên băng tần vốn là quý hiếm nên cần được sử dụng một cách hiệu quả hơn. Do đó,
việc nghiên cứ về Cognitive radio đang là một trong những lĩnh vực khá hot và còn rất
nhiều điều cần giải quyết.
1.2 Định nghĩa và chức năng
1.2.1 Định nghĩa
Mạng vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng thay
đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt động. Mục
Đồ án tốt nghiệp

5


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

đích của việc ứng dụng CR là tạo cơ hội khai thác hiệu quả các khoảng trắng tần số.
Tức là cho phép các người dùng khác hoạt động trên các băng tần còn trống tạm thời
mà không gây nhiễu đến các người dùng có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên băng
tần đó.
1.2.2 Chức năng
Các kỹ thuật cảm biến quang phổ cho phép các mạng CR để thích ứng với môi
trường bằng cách phát hiện các lỗ quang phổ, và cách hiệu quả nhất để phát hiện các lỗ
hổng phổ là để phát hiện sự hiện diện của primary users. Các kĩ thuật CR cung cấp khả
năng sử dụng hoặc chia sẻ quang phổ một cách cơ hội và cho phép CR hoạt động trong
kênh có sẵn tốt nhất.
Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần, CR phải có những chức năng
cơ bản như sau:

Hình 1.1 Khái niệm hố phổ rỗi hình thành lên ý tưởng về vô tuyến nhận thức (CR).
•

Xác định các phần của quang phổ có sẵn và phát hiện sự hiện diện của các người dùng
được cấp phép khi người dùng hoạt động trong một băng tần được cấp phép (spectrum

sensing).
• Chọn kênh có sẵn tốt nhất (spectrum decision).
• Phối hợp và chia sẻ với người dùng khác để truy nhập vào vào băng tần này (spectrum
sharing).

Đồ án tốt nghiệp

6


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

•

Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hoá sửa lỗi để

cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.
• Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằm
giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu.
• Rời khỏi kênh khi một người dùng được cấp phép được phát hiện (spectrum mobility).
Cùng với việc một CR hỗ trợ khả năng chọn kênh có sẵn tốt nhất, thử thách tiếp
theo là làm cho các giao thức mạng thích ứng với quang phổ có sẵn.
Các chức năng của mạng CR cho phép quang phổ nhận thức các giao thức
truyền thông. Tuy nhiên, việc sử dụng năng động của quang phổ gây ảnh hưởng xấu
đến việc vận hành các giao thức truyền thông thông thường. Cho đến nay, mạng trong
các kĩ thuật CR là một chủ đề chưa được khám phá hết.
1.3 Kiến trúc mạng Cognitive Radio

Cognitive radio đã được đề xuất như một phương tiện để thúc đẩy việc sử dụng
hiệu quả các nguồn tài nguyên phổ vô tuyến quý giá. Nó được định nghĩa như là một
hệ thống truyền thông không dây thông minh, nó có thể nhận thức được môi trường
xung quanh. Nhưng hiện tại môi trường mạng không dây sử dụng không đồng nhất cả
về chính sách phổ và công nghệ truyền thông. Do đó, một mô tả rõ ràng của kiến trúc
mạng CR là rất quan trọng cho sự phát triển của giao thức truyền thông.
Các thành phần của kiến trúc mạng CR, như thể hiện trong Hình 1.2, có thể
được xếp vào hai nhóm như các mạng chính (primary network) và mạng nhận thức
(cognitive network). Mạng chính được gọi là mạng di sản (the legacy network) có
quyền độc quyền cho một băng tần nhất định. Ngược lại, mạng nhận thức không được
phép hoạt động trong băng tần mong muốn. Các yếu tố cơ bản của mạng chính và
mạng nhận thức được quy định như sau:

Đồ án tốt nghiệp

7


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

Hình 1.2 Kiến trúc mạng Cognitive radio.
•

Primary User: được cấp phép hoạt động trong một phổ băng tần nhất định. Truy cập
này chỉ có thể được điều khiển bởi trạm gốc của nó nên không bị ảnh hưởng bởi các

•

hoạt động của bất kỳ người sử dụng trái phép nào khác.
Primary Base-Station: là một thành phần trong mạng lưới cơ sở hạ tầng cố định mà nó

có một quang phổ cấp phép (spectrum licensed). Về nguyên tắc, primary base-station
không có bất kỳ khả năng CR nào để chia sẻ quang phổ với các CR users. Tuy nhiên,
primary base-station cũng có thể được yêu cầu phải có khả năng cho việc truy nhập
mạng chính của các CR users.

Đồ án tốt nghiệp

8


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

•

Cognitive Radio User (CR users): không có quang phổ cấp phép. Do đó, việc truy nhập
phổ chỉ được cho phép khi có cơ hội. CR user được cho rằng là có khả năng giao tiếp

•

không chỉ với Base-Station mà còn các CR user khác.
Cognitive Radio Base-Station: là một thành phần cơ sở hạ tầng cố định với khả năng
CR. Cognitive Radio Base-Station cung cấp kết nối đơn cho CR users mà không được
phép truy nhập quang phổ.
Như thể hiện trong Hình 1.2, CR users có thể hoặc giao tiếp với hoặc truy cập
vào Base-Station. Như vậy, trong kiến trúc mạng CR, có ba loại truy cập khác nhau
trên mạng không đồng nhất , trong đó thể hiện các yêu cầu thực hiện khác nhau như
sau:

•

Cognitive Radio Network Access: CR users có thể truy nhập vào CR base-station của

mình cả trong băng tần được cấp phép và không cấp phép.
• Cognitive Radio Ad Hoc Access: người CR users có thể giao tiếp CR users khác thông
qua kết nối đặc biệt cả trong băng tần được cấp phép và không cấp phép.
• Primary Network Access: CR users có thể truy nhập primary base-station thông qua
các băng tần cấp phép, nếu mạng chính được cho phép. Không giống với các loại truy
nhập khác, CR users nên hỗ trợ kĩ thuật truy cập trung bình (medium access
technology) của mạng chính . Hơn nữa, primary base-station nên hỗ trợ khả năng vô
tuyến nhận thức (CR).
1.4 Hoạt động của mạng Cognitive radio
1.4.1 Hoạt động trên băng cấp phép
Như đã chỉ ra trên Hình 1.1, ta thấy có những hố phổ không sử dụng trong băng
phổ được cấp phép. Do đó, các mạng CR có thể được sử dụng để khai thác các hố phổ
này thông qua các công nghệ thông minh. Kiến trúc này được miêu tả trong Hình 1.3
trong đó các mạng CR cùng tồn tại với các mạng chính tại cùng một vị trí và trên cùng
một băng phổ.

Đồ án tốt nghiệp

9


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

Hình 1.3 Mạng Cognitive radio hoạt động trên băng cấp phép.
Có nhiều thách thức khác nhau để thực hiện các mạng CR trên băng cấp phép vì
sự tồn tại của những người dùng chính. Mặc dù, mục đích chính của mạng Vô tuyến
thông minh là xác định phổ tần có sẵn tốt nhất, nhưng các chức năng của CR trong
băng cấp phép lại bao gồm phát hiện sự có mặt của các người dùng chính. Dung lượng

kênh của các hố phổ phụ thuộc vào nhiễu xung quanh những người dùng chính. Do đó,
việc tránh nhiễu cho những người dùng chính là vấn đề quan trọng nhất trong kiến trúc
này. Hơn nữa, nếu người dùng chính xuất hiện trong băng phổ bị những CR users
chiếm, thì CR users ngay lập tức phải bỏ lại phổ hiện thời và chuyển tới phổ mới sẵn
có khác, gọi là chuyển giao phổ.
1.4.2 Hoạt động trên băng không được cấp phép
Các mạng CR có thể được thiết kế để hoạt động trên các băng không câp phép
để cải thiện hiệu quả phổ trong phần phổ này. Mạng Vô CR hoạt động trên băng không
cấp phép được minh họa trên Hình 1.4. Tất cả thực thể trong mạng có quyền như nhau
khi truy nhập tới các băng phổ. Nhiều mạng CR cùng tồn tại trong một vùng giống
nhau và truyền thông sử dụng cũng một phần phổ như nhau. Các thuật toán chia sẻ phổ
thông minh có thể cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và hỗ trợ QoS cao.
Đồ án tốt nghiệp

10


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

Hình 1.4 Mạng Cognitive radio hoạt động trên băng không được cấp phép.
Trong kiến trúc này, những CR users tập trung vào phát hiện việc truyền của
những CR users khác. Khác với hoạt động trên băng cấp phép, việc chuyển giao phổ
không bị kích thích bởi sự có mặt của những người dùng chính khác. Tuy nhiên, vì tất
cả những CR users có quyền truy nhập phổ như nhau, nên họ phải cạnh tranh với nhau
trong cùng băng không cấp phép. Do đó, kiến trúc này đòi hỏi các phương pháp chia sẻ
phổ phức tạp giữa những CR users. Nếu nhiều mạng CR nằm trong cùng một băng
không cấp phép thì phải có phương pháp chia sẻ phổ phù hợp giữa các mạng này.
1.5 Ứng dụng của mạng Cognitive radio
Mạng CR nổi lên như là một công nghệ đem lại hiệu quả chi phí cao, cung cấp
kết nối băng rộng. Tuy nhiên, khi mật độ mạng tăng lên, các ứng dụng cũng yêu cầu

thông lượng cao hơn, thì các mạng cũng yêu cầu dung lượng cao hơn để đáp ứng yêu
cầu của các ứng dụng này. Vì công nghệ CR cho phép truy nhập tới một lượng phổ lớn
hơn, nên các mạng CR có thể được sử dụng cho mạng lưới ở các vùng thành thị mật độ
dân cư cao.

Đồ án tốt nghiệp

11


Chương 1: Tổng quan về Cognitive Radio

Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất của CR là môi trường vô tuyến trong
quân đội. Các mạng CR có thể cho phép các vô tuyến quân đội lựa chọn băng tần số
trung tần (IF), sơ đồ điều chế và sơ đồ mã hóa tùy ý, thích ứng với môi trường vô tuyến
biến đổi của chiến trường. Các mạng quan đội này cũng cần bảo mật cao và bảo vệ
thông tin trong môi trường có địch. Các mạng CR có thể cho phép nhân viên quân đội
thực hiện chuyển giao phổ để tìm băng phổ an toàn cho chính họ và các phe đồng minh
của họ.
Ngoài ra, các mạng CR có thể được ứng dụng trong mạng khẩn cấp và an toàn
công cộng. Trong trường hợp thiên tai, nó có thể ngắt tạm thời hoặc phá hủy cơ sở hạ
tầng thông tin đang tồn tại, nhân viên cứu hộ làm việc trong các vùng thiên tai này cần
thiết lập các mạng khẩn cấp. Vì các mạng khẩn cấp liên quan tới thông tin khẩn nên
cần đảm bảo truyền thông tin cậy với trễ nhỏ nhất. Thêm vào đó, truyền thông khẩn
cấp yêu cầu một lượng phổ đáng kể để xử lí lượng lưu lượng rất lớn, bao gồm thoại,
video, và dữ liệu. Các mạng CR có thể cho phép sử dụng phổ sẵn có mà không cần một
cơ sở hạ tầng và bằng cách duy trì ưu tiên truyền thông và thời gian đáp ứng.
1.6 Kết luận chương
Cognitive Radio hay còn gọi là vô tuyến nhận thức, giải pháp công nghệ để cảm
biến môi trường vô tuyến nhằm phát hiện sự chiếm dụng/không chiếm dụng của các

băng tần đã được cấp phép và thực hiện các quá trình thông tin trên những băng tần đó,
sẽ là công nghệ để sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số đang dần khan hiếm hiện
nay. Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu một cách hệ thống mô hình, nguyên lý
hoạt động của công nghệ CR. Đây được coi là giải pháp tối ưu cho việc sử dụng hiệu
quả phổ tần. Trong những chương tiếp theo, chúng ta đi sâu tìm hiểu về ứng dụng của
CR hơn.

Đồ án tốt nghiệp

12


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MULTI USER – MULTI
INPUT MULTI OUTPUT (MU – MIMO)
2.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật MIMO xuất hiện từ rất sớm những nằm 70 do A.R Kaye và D.A
George đề ra nằm 1970. Trải qua một thời gian dài cho đến bây giờ, kỹ thuật này đã
không ngừng cải tiến và góp một phần không nhỏ vào sự phát triển của hệ thống thông
tin vô tuyến. Để hiểu rõ hơn sự phát triển của kỹ thuật này như thế nào, trong chương
này em sẽ đi tìm hiểu về khái niệm của hệ thống MIMO, các kĩ thuật phân tập áp dụng
trong hệ thống cũng như cách tính toán dung lượng.
2.2 Hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở
máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát
nhờ vào đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất
lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất
sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra, chuỗi tín hiệu phát được mã hoá theo cả
hai miền không gian và thời gian giúp cải thiện dung lượng của hệ thống. Tín hiệu sau

khi được mã hoá không gian – thời gian được phát đi nhờ NT anten phát. Máy thu sử
dụng phân tập thu với NR anten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát và máy thu có NT
đầu vào và NR đầu ra được gọi là kênh MIMO NRxNT. Trong các trường hợp đặc biệt
khi NT = 1 và NR = 1 hay NT =1 hoặc NR = 1, tương ứng chúng ta có các hệ thống
SISO, phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO.

Đồ án tốt nghiệp

13


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

Hình 2.1 Các mô hình hệ thống thông tin không dây.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống MIMO có khả năng tăng đáng kể
tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần
tăng công suất hay băng thông hệ thống. Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu
chính là việc tăng chi phí để triển khai hệ thống anten, không gian cần thiết cho hệ
thống cũng tăng lên, độ phức tạp của hệ thống xử lí số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng
lên. Hệ thống MIMO có ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất
lượng của hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để đưa vào hệ thống thông tin trong
tương lai. Tuy nhiên, hệ thống MIMO lại có nhược điểm là không có khả năng chống
lại fading chọn lọc tần số.

Đồ án tốt nghiệp

14


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

2.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO
2.3.1 Ưu điểm
•

Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, từ đó làm tăng khoảng cách

truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát.
• Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống
•
•

anten phân tập, làm giảm xác suất lỗi BER từ đó nâng cao chất lượng hệ thống.
Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh theo không gian.
Tăng dung lượng kênh, tốc độ truyền dữ liệu mà không cần tăng công suất phát và
băng thông.
2.3.2 Nhược điểm

•
•
•

Tăng độ phức tạp trong việc xử lý tín hiệu phát và thu.
Kích thước của thiết bị di động tăng lên trong khi xu hướng thiết bị ngày càng nhỏ.
Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần dẫn

đến hiện tượng giao thoa giữa các anten.
• Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng hệ thống MIMO.
• Do sử dụng nhiều anten phát và thu dẫn đến giá thành của hệ thống MIMO tăng lên
nhiều so với các hệ thống như SISO, MISO, SIMO.

2.4 Kĩ thuật phân tập
Phân tập là kỹ thuật cải thiện độ tin cậy của tín hiệu và giảm ảnh hướng của
fading đa đường truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần
thiết bằng cách sử dụng hai hay nhiều kênh thông tin liên lạc với các tính chất khác
nhau. Kỹ thuật phân tập có thể sử dụng tốt trong truyền đa đường, cho kết quả độ lợi
phân tập. Độ lợi phân tập là sự tăng lên của tỉ số tín hiệu trên nhiễu khi có phân tập
hoặc có thể tính là sự rút gọn của công suất phát khi có phân tập.
2.4.1 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể nhận được bằng cách mã hoá và đan xen, trong đó
thông tin được mã hoá và truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác
nhau sao cho từng phần của từ mã chỉ bị ảnh hưởng của các fading độc lập. Thực hiện
Đồ án tốt nghiệp

15


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

phân tập thời gian bằng cách lấy trung bình fading của kênh theo thời gian. Thời gian
nhất quán của kênh thường có độ lâu khoảng từ 10 đến 100 ký hiệu mang tin, nên kênh
có tương quan rất cao trên nhiều ký hiệu liên tiếp. Để đảm bảo các ký hiệu sau mã hoá
được truyền có độ lợi kênh độc lập hoặc hầu như độc lập người ta thực hiện đan xen
các từ mã

Hình 2.2 Phân tập theo thời gian.
Phân tập theo thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua
những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tương quan với
nhau. Trong truyền thông di động, mã điều khiển kết hợp với xen kênh để đạt được sự
phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu
bị dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu

phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ
giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kĩ thuật này
thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh
truyền nhỏ. Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn
đến thời gian trì hoãn đáng kể.

Đồ án tốt nghiệp

16


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

2.4.2 Phân tập tần số
Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một tin. Các tần số
cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng của fading với các
tần số còn lại. Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợp kênh sẽ đảm bảo đặc
tính thống kê fading của các tần số khác nhau sẽ độc lập nhau. Trong thông tin di động,
các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số để
tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang, nhảy tần. Kỹ
thuật trải phổ có tác dụng khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ. Tuy nhiên khi băng
thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải phổ, thì trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn
chu kì tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hiệu quả để tạo ra phân tập tần
số. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập không gian gây ra tổn thất hiệu quả băng
tần do sự dư thừa trong miền tần số.
2.4.3 Phân tập không gian
Phân tập không gian còn gợi là phân tập anten do sử dụng nhiều anten phát hoặc
anten thu được đặt đủ cách xa nhau. Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong
truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc
chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten được

phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không tương quan với nhau.
Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan
truyền và tần số làm việc. khoảng cách điển hình khoảng vài bước song là đủ để các tín
hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín
hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không
giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất
băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong
tương lai.
Phân tập không gian gồm có:
Đồ án tốt nghiệp

17


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

•

Phân tập phân cực: tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang được phát bằng hai
anten phân cực khác nhau và cũng thu bằng hai anten phân cực khác nhau. Điều đó
đảm bảo tạo ra hai tín hiệu không tương quan mà vẫn không cần đặt hai anten cách xa

nhau.
• Phân tập anten phát: nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát. Tín hiệu được xử lý
•

ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.
Phân tập anten thu: nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của
tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading
nhiều đường.

2.5 Xu hướng phát triển của hệ thống MIMO
So sánh với hệ thống đơn anten thông thường, dung lượng kênh của 1 hệ thống
nhiều anten với NT anten truyền và NR anten thu có thể tăng lên bởi yếu tố
min(NT,NR), mà không bổ sung công suất truyền hoặc tăng phổ băng thông. Do nhu
cầu về tốc độ truyền tải dữ liệu ngày càng tăng trong hệ thống viễn thông, các hệ thống
đa anten đã và đang được nghiên cứu tích cực.
Ngay cả khi 1 kênh không dây với dung lượng kênh cao được đưa ra, chúng ta
vẫn cần tìm những kĩ thuật tốt để đạt được tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao hoặc độ tin
cậy cao. Những kĩ thuật anten được phân loại thành 2 thể loại: những kĩ thuật
DIVERSITY, những kĩ thuật SPATIAL-MULTIPLEXING (ghép kênh không gian).
Những kĩ thuật đa dạng có ý định là thu những tín hiệu mang thông tin giống nhau
trong những anten hoặc truyền chúng từ những anten, do đó cải thiện độ tin cậy truyền
dẫn. Một ý tưởng cơ bản của những kĩ thuật đa dạng là chuyển đổi Rayleigh fading
kênh không dây thành kênh AWGN-like ổn định hơn mà không có bất cứ tín hiệu
fading nào. Trong kĩ thuật ghép kênh không gian, mặt khác, nhiều dòng dữ liệu độc lập
được truyền đồng thời bời nhiều anten truyền, do đó đạt được tốc độ truyền dẫn cao
hơn. Khi kĩ thuật ghép kênh không gian được sử dụng, tốc độ truyền dẫn tối đa có thể
đạt được tương đương với dung lượng của kênh MIMO; tuy nhiên, khi kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp

18


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

Diversity đc sử dụng, tốc độ truyền dẫn đạt được có thể nhỏ hơn rất nhiều so với dung
lượng kênh MIMO.
2.6 Dung lượng kênh MIMO
Khi bàn về dung lượng của kênh vô tuyến MIMO, đầu tiên chúng ta nhắm vào

sự đồng nhất ma trận hữu ích mà thường được sử dụng trong các biểu thức tính dung
lượng. Trong những phần tiếp theo, chúng ta nhận được những dung lượng của hệ
thống MIMO cho những kênh xác định.
2.6.1 Lý thuyết ma trận
Đầu tiên chúng ta cần tìm hiểu các lý thuyết về ma trận, nó giúp ta hiểu rõ vấn
NRxNT
đề hơn. Cho ma trận H ∈ £
, phân tích giá trị riêng (SVD) ma trận H ta được như

sau:
H = U ΣV H

(2.1)

NR× NR
NT × NT
Trong đó, U ∈ £
và V ∈ £
là các ma trận nhất phân (unitary matrix),

NR× NT
và Σ ∈ £
là một ma trận chữ nhật có các phần tử đường chéo là các số thực không

âm và các phần tử không thuộc đường chéo bằng không. Các phần tử nằm trên đường

σ , σ ,..., σ N min
chéo của Σ là những giá trị riêng của ma trận H, được biểu thị bằng 1 2
với
N min @min ( NT , N R )

. Thực tế ta thường giả sử rằng

σ 1 ≥ σ 2 ≥ ... ≥ σ N min

, đó là những

phần tử đường chéo của Σ và cũng là các giá trị riêng của ma trân H. Hạng của ma trận
H tương ứng với số các giá trị riêng khác không

( rank ( H ) ≤ N ) .

N min = N R , SVD biểu thức (2.1) có thể được biểu diễn như sau:

Đồ án tốt nghiệp

19

min

Trường hợp


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

H = U ΣV H
 Σ N min  H
= [U Nmin U N R − Nmin ] 
V
1 44 2 4 43 0 N R − N R 

U
= U Nmin Σ N min V H
Với

U N min ∈ £ NR× N min

(2.2)

bao gồm N min các vector riêng bên trái tương ứng với số lớn

nhất có thể của các giá trị riêng khác không, và

Σ N min ∈ £ N min× N min

bây giờ là ma trận

vuông. Vì N min vector riêng trong U N min có độ dài N R , do đó luôn tuôn tồn tại

( N R − N min ) vector riêng, như [ U N minU NR − N min ] là ma trận nhất phân. Trường hợp
N min = NT , SVD biểu thức (2.1) có thể được biểu diễn lại như sau:

 VNHmin 
H = U [Σ Nmin 0 NT − N min ]  H
1 44 2 4 43 VNT − N min 
Σ
1 4 2 43
VH

= U Σ Nmin VNHmin
Trong đó

VN min ∈ £ NT × N min

(2.3)

bao gồm N min các vector riêng bên phải. Dựa vào phép

phân tích giá trị riêng SVD của H, ta thấy các thành phần giá trị riêng trong phép phân
tíc được giữ lại như sau:
HH H = U ΣΣ H U H = QΛQ H

(2.4)

H
NR× NR
Với Q = U do đó Q Q = I NR , và Λ ∈ £
là ma trận đường chéo với các phần tử

đường chéo được cho như sau:

Đồ án tốt nghiệp

20


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

i = 1, 2,..., N min
i = N min + 1,..., N R

σ i2 ,
λi = 
 0,

(2.5)

Cắc phần tử đường chéo của ma trận Λ trong biểu thức (2.4) là các giá trị riêng

{ λi } i =1 . Biểu thức (2.5) chỉ ra rằng bình phương giá trị riêng { σ }
NR

2
i

cho H là giá trị

H
H
riêng của ma trân đối xứng Hermintian HH hoặc tương tự như H H .
n×n
Đối với ma trận vuông không phải Hermintian H ∈ £
(hoặc ma trận thực

không đối xứng), phân tích giá trị riệng được biểu diễn bởi công thức:

H [ x1 x2 ...xn ] = [ x1 x2 ...Λ
x ]
14 2 43 14 2 43n
x

non-H

(2.6)

x

Hoặc viết lại như sau:

H=XΛnon-H X-1

(2.7)

xi } i =1 ∈ £ n×1
{
Trong đó,
là vector riêng lấy phần bên phải tương ứng với giá trị
n

riêng trong

Λ non − H ∈ £ n×n . Trong biểu thức (2.7), các vector riêng được giả sử là độc

lập tuyến tính. So sánh biểu thức (2.4) và (2.7), có thể thấy được rằng các vetor riêng
của ma trận H ∈ £

n×n

H
là không trực giao, trong khi ma trận Hermintian HH là trực

−1
H
giao (tức là Q = Q ).

Trong khi đó, bình phương Frobenius norm của kênh MIMO được xem như là
tổng hệ số công suất của kênh truyền, đó là:

H

Đồ án tốt nghiệp

2
F

= Tr ( HH H ) = ∑ i =1 ∑ j =1 hi. j
NR

21

NT

2

(2.8)


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

Sử dụng phương trình (2.4), biểu thức (2.8) có thể được viết lại như sau:

H

2
F

= QH H

2
F

= Tr ( Q H HH H Q )

= Tr ( Q H QΛQH Q)
= TrΛ
(

)

= ∑ i =1 λi
N min

= ∑ i =1 σ i2
N min

(2.9)

Từ biểu thức (2.9), chúng ta đã sử dụng một thực tế rằng Frobenius norm của
ma trận không thay đổi khi nhân với một ma trận nhất phân.
2.6.2 Dung lượng kênh MIMO xác định

Hình 2.3 Hệ thống MIMO N R × NT .
Cho một hệ thống MIMO với NT anten phát và N R anten thu như Hình (2.3), một
kênh truyền vô tuyến băng hẹp bất biến theo thời gian có thể được đại diện bởi N R × NT
Đồ án tốt nghiệp

22


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

NR× NT
NR×1
với ma trận truyền H ∈ £
. Xét một vector kí tự x ∈ £
được phát đi, trong
NR×1
đó bao gồm NT các kí tự độc lập x1 , x2 ,..., xNT . Sau đó, tín hiệu thu được y ∈ £
có

thể được viết lại dưới dạng ma trận như sau:

y=

z = ( z1 , z2 ,..., z NR ) ∈ £ NR×1

Ex
Hx + z
NT

(2.10)

T

Với

là vector nhiễu, được giả sử là kì vọng bằng 0,

nhiễu Gaussian đối xứng hoàn toàn (ZMCSCG: zero-mean circular symmetric complex
jθ

Gaussian). Chú ý rằng vetor nhiễu z được xem như đối xứng hoàn toàn khi e z phân
bố tương tự như z với bất kì θ. Sự tự tương quan của vetor tín hiệu truyền được xác
định như sau:

R xx = E { xx H }
Chú ý

Tr ( Rxx ) = NT

(2.11)

khi công suất truyền của mỗi anten là được giả sử bằng 1.

2.6.3 Dung lượng kênh truyền khi máy phát biết được CSI:
CSI (Channel state infromation) là trạng thái thông tin của kênh truyền. Khi máy phát
biết trước được chỉ số này thì ung lượng của kênh truyền xác định được xác định như
sau:

C = max I ( x; y ) bits/channel use
f (x)

(2.12)

Trong đó f(x) là hàm mật độ xác suất (PDF) của vetor tín hiệu truyền vector x, và
I(x,y) là thông tin ngẫu nhiên truyền qua lại của vetor x và y. Cụ thể là, dung lượng
kênh truyền là thông tin truyền qua lại lớn nhất có thể đạt được bằng cách thay đổi

Đồ án tốt nghiệp

23


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

PDF của vector tín hiệu phát. Từ nguyên tắc cơ bản của lý thuyết thông tin. Thông tin
truyền qua lại của hai vector ngẫu nhiên liên tục, x và y, được cho bởi:

I ( x; y ) = H ( y ) − H ( y | x)

(2.13)

Trong đó H(y) là vi phân entropy của y, và H(y|x)là vi phân entropy có điều kiện
của y khi x cho trước. Sử dụng tính chất độc lập của hai vector ngẫu nhiên z và x được
cho trong biểu thức (2.10), chúng ta có thể thấy được mối quan hệ:

H ( y | x) = H ( z)

(2.14)

Sử dụng phương trình (2.14), chúng ta có thể viết lại phương trình (2.13) như sau:

I ( x; y ) = H ( y ) - H ( z )

(2.15)

Từ phương trình (2.15), khi cho H(z) là một hằng số, ta có thể thấy được lượng
thông tin qua lại là lớn nhất khi H(y) là lớn nhất. Sử dụng công thức (2.10), ma trận tự
tương quan của y được cho như sau:

Đồ án tốt nghiệp

24


Chương 2: Hệ thống Multi user – Multi Input Multi Output

 E x
  E x H H H  
R yy = E { yy H } = E 
Hx+z ÷
÷ N x H +z ÷
÷
N
T
T


 
 
 E

= E  x Hxx H H H +zz H ÷
 NT
 
E
= x E { Hxx H H H +zz H }
NT
=

Ex
HE { xx H } H H + E { zz H }
NT

=

Ex
HR xx H H + N 0 I NR
NT

(2.16)

Trong đó E x là năng lượng tín hiệu phát, và N 0 là mật độ phổ công suất của nhiễu

{z}
cộng i i =1 .
NR

H(y) là lớn nhất khi y là ZMCSCG, do đó yêu cầu x cũng là ZMCSCG

thì tốt nhất. Thông tin qua lại tương ứng của y và z được cho bởi:

{

H ( y ) = log 2 det ( π eR yy )

}

H ( z ) = log 2 { det ( π eN 0 I NR ) }

(2.17)

Biểu thức (2.15) có thể được viết lại:



Ex
I ( x; y ) = log 2 det  I NR +
HR xx H H ÷ bps/Hz
NTN 0


Tiếp theo, dung lượng của kênh truyền MIMO xác định được tính như sau:

Đồ án tốt nghiệp

25

(2.18)