Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI
GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO OFDM


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN


Mục lục

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............................. 1
1.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 1
1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ....................................... 1
1.3 Sự suy giảm tín hiệu .......................................................................................... 3
1.4 Fading ............................................................................................................... 4
1.4.1 Độ trải trễ ....................................................................................................... 6
1.4.2 Hiệu ứng Doppler ........................................................................................... 8
1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading ......................................................... 9
1.5.1 Rayleigh fading ............................................................................................ 10
1.5.2 Rician fading ................................................................................................ 11
1.6 Kết luận chương .............................................................................................. 11
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO ............................... 12
2.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 12
2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM ............................................................ 12

2.2.1 Lịch sử ra đời................................................................................................ 12
2.2.2 Ý tưởng ........................................................................................................ 12
2.2.3 So sánh FDM và OFDM ............................................................................... 12
2.3 Sự trực giao ..................................................................................................... 13
2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ............................................................................. 14
2.4.1 Khối S/P và P/S ............................................................................................ 17
2.4.2 Khối điều chế và giải điều chế sóng mang .................................................... 17
2.4.3 Khối chuyển đổi D/A, A/D và khối biến đổi cao tần RF ............................... 17
2.4.4 Khối FFT và IFFT......................................................................................... 18
2.4.5 Khối chèn bảo vệ CP .................................................................................... 19
2.4.6 Ước lượng kênh ............................................................................................ 21
2.5 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống OFDM ........................................... 22


Mục lục

2.5.1 Ưu điểm........................................................................................................ 22
2.5.2 Nhược điểm .................................................................................................. 22
2.5.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam .................................................. 22
2.6 Hệ thống MIMO .............................................................................................. 23
2.6.1 Kỹ thuật phân tập.......................................................................................... 23
2.6.1.1 Phân tập thời gian ...................................................................................... 24
2.6.1.2 Phân tập tần số ........................................................................................... 25
2.6.1.3 Phân tập không gian ................................................................................... 25
2.6.1.4 Phân tập phát ............................................................................................. 25
2.6.1.5 Phân tập thu ............................................................................................... 25
2.6.2 Kỹ thuật MIMO ............................................................................................ 26
2.6.2.1 Các mô hình của hệ thống MIMO .............................................................. 26
2.6.2.2 SISO - Single Input Single Output ............................................................. 26
2.6.2.3 SIMO – Single Input Multiple Output ........................................................ 27

2.6.2.4 MISO - Multiple Input Single Output ......................................................... 27
2.6.2.5 MIMO - Multiple Input Multiple Output .................................................... 27
2.7 Kết luận chương .............................................................................................. 29
CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ......................................... 30
3.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 30
3.2 Tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian ...................................... 30
3.2.1 Hệ thống mã hóa không gian thời gian .......................................................... 30
3.3 Mã trellis không gian-thời gian ........................................................................ 32
3.3.1 Tổng quan..................................................................................................... 32
3.3.2 Nguyên lý mã hóa mã lưới ............................................................................ 33
3.3.3 Nguyên lý giải mã mã lưới............................................................................ 35
3.3.3.1 Giải mã sử dụng giản đồ lưới ..................................................................... 35
3.3.3.2 Khoảng cách Hamming trong giải mã lưới ................................................. 35


Mục lục

3.3.3.3 Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi ............................................................ 37
3.3.3.4 Bộ mã hóa STTC ....................................................................................... 41
3.3.3.5 Bộ giải mã STTC ....................................................................................... 43
3.4 Mã hóa khối không gian thời gian STBC ......................................................... 43
3.4.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu................................................. 44
3.4.1.1 Mã hóa và truyền dẫn................................................................................. 45
3.4.1.2 Bộ kết hợp ................................................................................................. 46
3.4.1.3 Quy tắc quyết định khả năng cực đại.......................................................... 47
3.4.3 Kỹ thuật OSTBC khi tăng số anten phát Tx=3, 4. ......................................... 50
3.4.3 STBC trong MIMO – OFDM ....................................................................... 54
3.5 Kết luận chương .............................................................................................. 56
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT PHÂN TẬP BẰNG MÃ HÓA ................ 58
4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 58

4.2 Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STTC với số trạng thái lưới khác nhau .................. 58
4.2.1 Thông số mô phỏng ...................................................................................... 58
4.2.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá kỹ thuật mã hóa STTC ................................. 59
4.3 Mô phỏng kỹ thuật mã hóa STBC theo mô hình Alamouti ............................... 60
4.3.1 Thông số ....................................................................................................... 60
4.3.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – OFDM theo mô hình Alamouti ............ 61
4.4 Mô phỏng kỹ thuật STBC với TX=3, 4 trong kênh truyền Rayleigh và Rician. . 63
4.4.1 Thông số mô phỏng ...................................................................................... 63
4.4.2 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC – Alamouti khi tăng số anten phát
TX=2, 3, 4 .............................................................................................................. 64
4.4.3 Kết quả mô phỏng kỹ thuật STBC - Alamouti trong kênh truyền Fading
Rayleigh và Rician với Tx=2,4 , Rx=1,2,4. ............................................................. 66
4.5 Mô phỏng so sánh hai kỹ thuật STBC và STTC ............................................... 67
4.5.1 Thông số mô phỏng ...................................................................................... 67


Mục lục

4.6 Kết luận chương .............................................................................................. 70
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 74


Danh mục bảng biểu, hình vẽ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Bảng 3.1 Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tập phát hai anten
Bảng 3.2 Định nghĩa các đáp ứng kênh truyền giữa anten phát và anten thu
Bảng 3.3 Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu
Hình 1.1 Các đường tính hiệu khác nhau trong kênh truyền vô tuyến

Hình 1.2 Kênh fading
Hình 1.3 Mô hình hóa kênh truyền đa đường với đáp ứng xung thay đổi thời gian
tuyến tính
Hình 1.4 fading phẳng
Hình 1.5 Trải trễ đa đường
Hình 1.6 Fading lựa chọn tần số
Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số
Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM
Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao
Hình 2.3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM
Hình 2.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ
Hình 2.5: Giải thích ý nghĩa chèn CP.
Hình 2.6 Phân tập thời gian
Hình 2.7: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu.
Hình 2.8: Các hệ thống SISO, SIMO và MISO
Hình 2.9: Hệ thống MIMO
Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ mã hóa không gian thời gian.
Hình 3.2 Sơ đồ khối của mã lưới
Hình 3.3: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.4: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.5 Sơ đồ lưới với t=6
Hình 3.6 Đi hết giản đồ lưới thì chuỗi bit nhận được là 110100
Hình 3.7 Khoảng cách Hamming h của 2 nhánh trại S0
Hình 3.8: Khoảng cách Hamming trong từng đoạn.


Danh mục bảng biểu, hình vẽ

Hình 3.9: Tổng khoảng cách Hamming H
Hình 3.10: Thuật toán Viterbi trong giải mã lưới

Hình 3.11: Có 8 đường đi tới thời điểm t=3
Hình 3.12: Loại bỏ các đường có H lớn
Hình 3.13: Lỗi thứ 2 xảy ra trong quá trình truyền
Hình 3.14: Chọn ngẫu nhiên 2 trong số 4 đường có cùng tổng khoảng cách amming
Hình 3.15 Chọn được đường có Hmin
Hình 3.16: Cấu trúc mã hóa 4 trạng thái, 4 QAM.
Hình 3.17: Sơ đồ lưới 4 trạng thái, 4 QAM
Hình 3.18: Sơ đồ lưới 8 trạng thái, 8 QAM
Hình 3.19 Ma trận mã khối không gian - thời gian
Hình 3.20 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu
Hình 3.21 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.22 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và hai anten thu
Hình 3.23: Mô hình của STBC – OFDM
Hình 4.1 So sánh tỷ số lỗi khung (FER) giữa các trạng thái lưới STTC
Hình 4.2 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2x1 và 2x2
Hình 4.3 BER của kỹ thuật STBC – OFDM mô hình Alamouti 2xM
Hình 4.4 BER của kỹ thuật STBC với TX=2,3,4
Hình 4.5 So sánh data rate
Hình 4.6 Tương quan BER-RATE tại SNR =6
Hình 4.7 BER của STBC-Alamouti trong kênh truyền Fading Rayleigh và Rician
Hình 4.8 So sánh BER của STBC và STTC


Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

B

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

C
CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng
D

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Hệ thống phát hình số

F
Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing

số

FEC

Forward Error Correction

Thuật toán sửa lỗi tiến

FER

Frame Error Rate

Tỷ lệ lỗi khung

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FDM

I
ICI

Inter-Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi ngược Fourier rời

Transform

rạc

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi ngược Fourier nhanh

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

L
LTE

Long Term Evolution

Quá trình phát triển lâu dài
M

ML

Maximum Likelihook

Bộ kết hợp khả năng cực đại

MIMO

Multiple Input Multiple Ouput

Đa ngõ vào đa ngõ ra


Các từ viết tắt

MISO

Multiple Input Single Ouput

Đa ngõ vào đơn ngõ ra

O
OFDM

OSTBC

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần
Multiplexing

số trực giao

Orthogonal Space Time Block

Mã khối không gian thời gian

Code

trực giao
P

PAPR

Peakto Average Power Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên
trung bình

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha
Q

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

S
SIMO

Single Input Multiple Output

Đơn ngõ vào đa ngõ ra

SISO

Single Input Single Output

Đơn ngõ vào đơn ngõ ra

SNR

Signal To Noise Ratio

Hệ số tín hiệu trên tạp âm

STBC

Space-Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã lưới không gian thời gian


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, kỹ thuật viễn thông đang phát triển một cách bùng nổ. Số lượng
người sử dụng các thiết bị công nghệ ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng thông tin
vô tuyến vào khoa học đời sống đã mang lại rất nhiều tiện ích cho người dùng cùng
với những ưu điểm mà mạng có dây không có được như tính di động, những nơi có
địa hình phức tạp,... Tuy nhiên, truyền thông tin trong môi trường vô tuyến chịu tác
động rất nhiều từ môi trường, đối mặt với rất nhiều thách thức. Bên cạnh đó yêu cầu
về chất lượng lẫn tốc độ truyền dẫn ngày một cao hơn. Qua đồ án này chúng ta sẽ
tìm hiểu một số giải pháp nâng cao chất lượng và tốc độ truyền là sự kết hợp giữa

phương pháp mã hóa kênh, hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM. Đó chính là lý do
để đồ án có đề tài là “Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong hệ
thống MIMO-OFDM”.
Nội dung của đồ án này sẽ tìm hiểu về các đặc tính của kênh truyền vô tuyến,
những khó khăn và thách thức. Sau đó sẽ đi vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, hệ thống
MIMO và quan trọng nhất là kỹ thuật mã hóa không gian thời gian (STC-Space
Time Coding). Dựa trên các lý thuyết đã phân tích đồ án sẽ mô phỏng đánh giá ưu
nhược điểm các kỹ thuật, từ đó rút ra những giải pháp và kết luận chung.
Nội dung chính của đồ án bao gồm:
 Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
 Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO
 Chương 3: Mã hóa không gian – thời gian
 Chương 4: Đánh giá kỹ thuật phân tập bằng mã hóa STBC và STTC
Đồ án đã mô phỏng phân tích kỹ thuật STBC theo mô hình Alamouti với số
anten phát, số anten thu thay đổi lần lượt trong hệ thống MIMO – OFDM, thay đổi
tính chất kênh truyền như kênh AWGN, Fading Rayleigh, Rician. Mô phỏng chứng
minh ưu điểm của kỹ thuật STTC, sau đó so sánh hai kỹ thuật mã hóa STTC và
STBC.


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương
Hiệu suất của hệ thống truyền thông tin vô tuyến được quyết định bởi môi
trường của kênh vô tuyến. Trái ngược với đặc tính cố định và các đặc tính có thể dự
đoán trước của kênh hữu tuyến, đặc tính của kênh vô tuyến thường là đặc tuyến
động và không dự đoán trước được làm cho việc phân tích chính xác hệ thống
truyền thông tin không dây thường trở nên rất khó khăn. Mở rộng về mặt vật lí cơ
học thì việc truyền sóng điện từ bị hạn chế bởi ba yếu tố: sự phản xạ, sự nhiễu xạ và

sự tán xạ. Ba yếu tố này là ba cơ chế cơ bản cho truyền sóng vô tuyến.
Trong chương này sẽ trình bày các thành phần tác động lên kênh truyền vô
tuyến như hiện tượng fading, suy hao, hiệu ứng Doppler và tìm hiểu mô hình kênh
fading Rayleigh và Rician.
1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

Hình 1.1 Các đường tính hiệu khác nhau trong kênh truyền vô tuyến
Một trong những đặc tính riêng biệt của kênh truyền vô tuyến là có rất nhiều
đường truyền khác nhau giữa đầu phát và đầu thu. Việc tồn tại nhiều đường truyền
này dẫn đến việc nhận nhiều đường khác nhau của cùng tín hiệu phát tại đầu thu.
Những đường khác nhau này có sự khác nhau về suy hao đường truyền và về pha.
Tại đầu thu, tất cả tín hiệu nhận được tích lũy cùng nhau tạo nên mô hình nhiễu
Gaussian trắng (AWGN) cho kênh truyền vô tuyến. Vì mô hình AWGN không mô

Trang 1


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

tả kênh truyền vô tuyến, vì thế điều quan trọng là tìm ra mô hình khác đại diện cho
kênh truyền. Để mô tả mô hình, đầu tiên chúng ta tìm hiểu những đường truyền
khác nhau có thể có khi tín hiệu đi từ đầu phát đến đầu thu. Hình 1.1 mô tả quỹ đạo
của những đường đi khác nhau của tín hiệu trong ví dụ điển hình.
Nếu đó là đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu nó được gọi là
đường truyền thẳng (LOS). LOS không tồn tại khi có một vật thể lớn cản đường
truyền giữa đầu phát và đầu thu. Nếu LOS tồn tại thì tín hiệu nhận được tại đầu thu
qua LOS là tín hiệu mạnh nhất và vượt trội. Dù công suất và pha của tín hiệu có thể
thay đổi do tính di động, nhưng nó là những sự thay đổi có thể dự đoán được và
thường là một hàm của khoảng cách và những nhân tố ngẫu nhiên khác.
Ngoài LOS, sóng điện từ có thể phản xạ khi gặp vật cản lớn hơn nhiều so với bước

sóng của nó. Qua nhiều sự phản xạ sóng có thể tới đầu thu và tất nhiên những tín
hiệu này truyền qua khoảng cách dài hơn và cống suất, pha của nó cũng thay đổi so
với tín hiệu qua LOS.
Một đường truyền nữa mà sóng điện từ có thể truyền qua là do hiện tượng
nhiễu xạ. Nhiễu xạ xảy ta khi sóng điện từ gặp bề mặt với các đỉnh sắc nhọn.
Cuối cùng hiện tượng tán xạ xảy ra khi có một số lượng lớn những vật cản
giữa đầu phát và đầu thu nhỏ hơn so với bước sóng của tín hiệu phát. Qua những vật
cản này sóng bị tán xạ và truyền theo những hướng khác nhau. Còn có những hiện
tượng khác ảnh hưởng đến đường truyền và sóng điện từ như hấp thụ và khúc xạ.
Những ảnh hưởng từ các đường truyền khác nhau ở trên mà tín hiệu có thể đi
qua và kết hợp tại đầu thu tạo ra những đặc tính chỉ có ở kênh truyền vô tuyến.
Những ảnh hưởng này có thể làm suy giảm công suất của tín hiệu theo những cách
khác nhau. Có hai khía cạnh chính của việc suy giảm công suất và mỗi khía cạnh có
những cách khắc phục khác nhau. Khía cạnh thứ nhất là ảnh hưởng quy mô lớn
tương ứng với đặc tính của công suất tín hiệu khi qua khoảng cách dài. Nó được gọi
là suy hao tín hiệu hoặc suy hao đường truyền. Khía cạnh thứ hai là sự thay đổi
nhanh chóng của biên độ và công suất tín hiệu, nó được gọi là fading quy mô nhỏ,
hoặc đơn giản là fading. Nó liên quan đến đặc tính của tín hiệu khi tín hiệu qua

Trang 2


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

đường truyền ngắn hoặc khảng thời gian ngắn. Dưới đây ta sẽ đi vào tìm hiểu mô
hình giúp hiểu được những đặc tính của suy hao tín hiệu và fading.
Kênh fading

Fading quy mô lớn

Suy hao đường
truyền

Fading quy mô nhỏ

Vật che chắn

Fading lựa
chọn tần số

Time
spreading

Time
variance

Fading
phẳng

Fading
nhanh

Fading
chậm

Hình 1.2 Kênh fading
1.3 Sự suy giảm tín hiệu
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Sự suy giảm tín hiệu này có thể là do suy hao
đường truyền, suy hao anten và suy hao bộ lọc...khi truyền trên kênh truyền vô

tuyến. Sự suy giảm này theo hàm logaric với khoảng cách. Những yếu tố ảnh hưởng
và bậc độ lợi đường phụ thuộc vào đường truyền dẫn và môi trường giữa đầu phát
và đầu thu. Ví dụ trong môi trường không gian tự do như trong thông tin vệ tinh,
bậc độ lợi đường là 2. Nói cách khác, công suất tín hiệu thu được Pr tỉ lệ với d-2, với
d là khoảng cách giữa đầu phát và đầu thu. Với những môi trường truyền dẫn khác
như trong môi trường đô thị, bậc suy hao đường truyền thường lớn hơn 2. Tổng
quát với công sất phát là Pt, ta có :
Pr = βd-vPt [5]

(1.1)

Với v là bậc suy hao đường truyền và β là tham số phụ thuộc tần số và các yếu tố
khác.
Phương trình tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách d :
  
PR  PT G T G R 

 4 d 

2

[5]

(1.2)

Trang 3


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Trong đó :
PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang
1.4 Fading
Hiện tượng đa đường làm cho bên thu nhận được nhiều phiên bản khác nhau
của cùng một tín hiệu được gửi đi và chúng khác nhau cả về pha lẫn biên độ. Tín
hiệu thu được là sự kết hợp của tất cả các bản sao này, tín hiệu có sự biến đổi lớn về
pha lẫn biên độ. Sự biến đổi nhanh về biên độ của tín hiệu vô tuyến xảy ra trong
khoảng thời gian ngắn, tương ứng với khoảng cách truyền dẫn ngắn và trong trường
hợp này ảnh hưởng của suy hao tín hiệu có thể bỏ qua. Hiệu ứng đa đường (fading)
xảy ra một cách ngẫu nhiên dẫn đến việc chúng ta sử dụng những phương pháp
thống kê khác nhau để mô hình hóa kênh truyền vô tuyến.

Hình 1.3 Mô hình hóa kênh truyền đa đường với đáp ứng xung thay đổi thời
gian tuyến tính
Đầu tiên, ta tìm hiểu về ảnh hưởng của tính di động đến mô hình kênh
truyền. Giả sử vật cản trong môi trường truyền dẫn giữa máy phát và máy thu là
tĩnh và chỉ máy thu chuyển động. Trong trường hợp này fading là hiện tượng không
gian được mô tả hoàn toàn bằng khoảng cách. Mặt khác, vì máy thu chuyển động
trong môi trường nên những biến đổi không gian của tín hiệu thu được chuyển đổi
thành biến đổi theo thời gian của máy thu. Nói cách khác, vì tính di động nên ta có
mối quan hệ giữa khoảng cách và thời gian điều này tạo ra kênh truyền fading biến
đổi theo thời gian. Do đó, chúng ta có thể dùng tương đương thời gian và khoảng
cách trong trường hợp này.

Trang 4

Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Như chúng ta đã tìm hiểu ở trước, hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ tạo
ra những phiên bản khác nhau của tín hiệu tại máy thu. Kênh truyền đa đường có
thể được mô hình hóa như kênh truyền biến đổi thời gian tuyến tính như hình 1.3.
Đáp ứng xung biến đổi thời gian tuyến tính phụ thuộc vào những thông số khác
nhau của kênh truyền. Ví dụ, tốc độ chuyển động và vật thể trong môi trường truyền
dẫn ảnh hưởng đến đặc tính của mô hình.
Sự có mặt của các đối tượng có thể làm phản xạ hoặc tán xạ sóng vô tuyến
tạo nên những thay đổi trong môi trường truyền dẫn. Hiện tượng đa đường làm tăng
thời gian yêu cầu để phần băng tần cơ sở của tín hiệu đến đầu thu. Dẫn đến sự biến
đổi của tín hiệu ở biên độ, pha và thời gian có thể gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI).
Nếu kênh truyền có độ lợi là hằng số và đáp ứng pha tuyến tính qua dải thông lớn
hơn băng thông của tín hiệu phát, đáp ứng xung h(t,τ ) có thể được xấp xỉ bằng hàm
delta a tại τ = 0 hay h(t,τ ) = α(t )δ(τ ) với δ(·) là hàm Dirac. Đó là kênh truyền băng
hẹp với đặc tính phổ của tín hiệu phát được bảo vệ đến đầu thu, hay còn gọi là
fading phẳng hoặc fading không lựa chọn tần số. Ví dụ đáp ứng xung cho kênh
truyền fading phẳng được minh họa ở hình 1.4. Có thể dùng đặc tính thời gian và
tần số của kênh truyền để biết được rằng đó là kênh truyền băng hẹp. Trong miền
tần số, băng thông của tín hiệu nhỏ hơn băng thông của kênh truyền. Trong miền
thời gian, độ rộng của đáp ứng xung kênh truyền nhỏ hơn chu kỳ tín hiệu. Như vậy,
một kênh truyền có thể là phẳng đối với tốc độ truyền dẫn nhận được tương ứng với
chu kỳ tín hiệu nhận được, trong khi cùng với kênh truyền đó nhưng lại không
phẳng đối với tốc độ truyền dẫn cao hơn. Do đó, khi nói kênh truyền là phẳng thì
cần biết thông tin về tín hiệu được phát.

Hình 1.4 fading phẳng

Trang 5

Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Chúng ta cần xác định băng thông của kênh truyền để có thể so sánh với
băng thông của tín hiệu. Thông thường băng thông của tín hiệu được xác định bằng
độ trải trễ của nó.
1.4.1 Độ trải trễ
Khi truyền sóng trên kênh truyền vô tuyến, do tín hiệu trong quá trình truyền
bị phản xạ, hấp thụ... dẫn đến cùng 1 tín hiệu nhưng đến máy thu không đồng thời.
Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất giữa tín hiệu trực tiếp (tín hiệu truyền
thẳng) và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.

Hình 1.5 Trải trễ đa đường
Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồng chập nhau
tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI. Để đảm bảo nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho
phép, ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó ta có thể xác định
được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được.
Để xác định độ trải trễ, giả sử kênh truyền đa đường bao gồm I đường với công
suất và độ trễ của đường thứ i lần lượt là pi và τi. Khi đó trễ trung bình được tính
̅=

∑

[5]

∑

(1.3)

Độ trải trễ được định nghĩa như sau:
=

− ̅

[5]

(1.4)

với
=

∑
∑

[5]

(1.5)

Trang 6


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Băng thông kết hợp của kênh truyền được xấp xỉ bởi:
=

[5]

(1.6)

Như đã được định nghĩa với kênh truyền fading phẳng, băng thông kết hợp Bc là lớn
hơn nhiều so với băng thông tín hiệu Bs.
Mặt khác, nếu kênh truyền có độ lợi cố định và pha tuyến tính qua băng thông nhỏ
hơn băng thông tín hiệu thì sẽ xuất hiện ISI và tín hiệu nhận được bị biến dạng.

Hình 1.6 Fading lựa chọn tần số

Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số
Một kênh truyền băng rộng được gọi là fading lựa chọn tần số. Hình 1.6 thể
hiện đáp ứng xung của một kênh truyền fading lựa chọn tần số. Trong trường hợp
này, đáp ứng xung h(t,τ ) có thể được xấp sỉ bằng một số hàm delta thể hiện trong
hình 1.7. Như vậy:
h(t, τ ) =

( )δ(τ − τ ) [5]

(1.7)

Trang 7


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Với fading lựa chọn tần số, băng thông của tín hiệu lớn hơn băng thông kết hợp của
kênh truyền. Trong miền thời gian, độ rộng đáp ứng xung kênh truyền là lớn hơn
chu kỳ tín hiệu. Và việc kênh truyền fading có lựa chọn tần số hay không phụ thuộc
vào tốc độ truyền dẫn cũng như đặc tính kênh truyền. Tóm lại, dựa trên thời gian trễ
đa đường, kênh truyền fading được phân thành 2 loại phẳng và lựa chọn tần số.
1.4.2 Hiệu ứng Doppler

Một hiện tượng nữa gây nên bởi tính di động là hiệu ứng dịch tần số
Doppler. Giả sử tín hiệu với bước sóng λ và đầu thu di chuyển với vận tốc v, góc
giữa hướng di chuyển của máy thu và hướng đến của sóng là θ. Khi đó độ dịch tần
số Doppler fd được xác định là:
= cos

[5]

(1.8)

Vì có nhiều đường khác nhau nên có nhiều góc θ khác nhau, sự thay đổi tần
số là ngẫu nhiên vì sự thay đổi θ là ngẫu nhiên. Chuyển động tương đối giữa máy
phát và máy thu dẫn đến điều chế tần số ngẫu nhiên vì độ dịch tần số khác nhau với
mỗi đường đi của tín hiệu. Nếu vật thể xung quanh môi trường truyền dẫn chuyển
động, chúng tạo ra độ dịch Doppler với các đường khác nhau. Độ dịch tần số thay
đổi theo thời gian có thể bỏ qua nếu tốc độ di chuyển lớn hơn nhiều so với tốc độ di
chuyển của các vật thể xung quanh môi trường. Độ trãi Doppler là phép đo độ rộng
phổ và được xác định bằng khoảng tần số mà phổ Doppler nhận được đi qua là khác
không. Nếu độ dịch Doppler lớn nhất là fs, tần số phát là fc thì khoảng tần số nhận
được từ fc - fs đến fc + fs. Nếu băng thông tín hiệu cơ bản lớn hơn độ trải Doppler,
fading được gọi là fading chậm. Khi đó ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là không
đáng kể. Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi với tốc độ chậm hơn tín hiệu băng
tần cơ sở được phát và kênh truyền giả sử rằng là tĩnh với một hoặc nhiều những
khoảng băng thông. Mặt khác nếu ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là đáng kể nó
được gọi là fading nhanh. Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn đối
với chu kỳ tin hiệu. Như vậy, dựa trên độ trải Doppler kênh truyền fading được
phân thành 2 loại nhanh hoặc chậm.

Trang 8

Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Kênh truyền fading nhanh hoặc chậm có thể được xác định dựa trên những
đặc tính trong miền thời gian. Đầu tiên, ta cần xác định được thời gian kết hợp của
kênh truyền Tc. Thực tế, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà ở đó đáp ứng
xung kênh truyền là bất biến. Nói cách khác, thời gian kết hợp là khoảng thời gian
mà hai tín hiệu tách rời nhau trong miền thời gian nhỏ hơn thời gian kết hợp có sự
tương quan cao với nhau. Nếu chọn ngưỡng tương quan là 0.5, thì Tc được xấp xỉ
=

bằng

. Nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian nhỏ hơn thời gian kết

hợp thì kênh truyền sẽ tác động như nhau lên toàn bộ tín hiệu và kênh truyền là
kênh fading chậm. Mặt khác, nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian lớn hơn
thời gian kết hợp, kênh truyền thay đổi đủ nhanh để những phần khác nhau của tín
hiệu phát đi qua những kênh truyền khác nhau, nghĩa là chúng bị ảnh hưởng khác
nhau. Đó được gọi là fading nhanh vì nguyên nhân chính gây ra nó là sự chuyển
động nhanh của máy thu và máy phát.
Như vậy là chúng ta phân loại kênh truyền fading dựa trên độ trễ thời gian đa
đường thành phẳng và lựa chọn tần số, còn dựa trên độ trải Doppler thành nhanh và
chậm. Hai khái niệm này là độc lập với nhau và dẫn đến có 4 loại kênh truyền
fading.
- Fading chậm phẳng hoặc fading chậm không lựa chọn tần số.
- Fading nhanh phẳng hoặc fading nhanh không lựa chọn tần số.
- Fading chậm lựa chọn tần số.
- Fading nhanh lựa chọn tần số
1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading

Như đã nói, chúng ta đã mô hình hóa kênh truyền fading bằng đáp ứng xung
thay đổi thời gian tuyến tính. Đáp ứng xung được xấp xỉ bằng một hàm delta trong
trường hợp fading phẳng và bằng nhiều hàm delta trong trường hợp fading lựa chọn
tần số. Như đã tìm hiểu ở các phần trước, biên độ của những hàm delta là ngẫu
nhiên. Sự ngẫu nhiên này được tạo ra từ hiện tượng đa đường và vị trí ngẫu nhiên
của các vật thể trong môi trường truyền dẫn. Do đó, mô hình thống kê là cần thiết
để tìm hiểu đặc điểm về biên độ cũng như công suất của tín hiệu nhận được. Trong

Trang 9


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

phần này chúng ta tìm hiểu về 2 mô hình quan trọng đó là Rayleigh fading và
Racian fading.
1.5.1 Rayleigh fading
Đầu tiên, chúng ta tập trung vào trường hợp fading phẳng. Kết quả cho kênh
truyền fading lựa chọn tần số là tương tự vì biên độ của những hàm delta khác nhau
là độc lập với nhau. Chúng ta cũng giả sử là không có đường LOS giữa đầu phát và
đầu thu. Sau đó ta sẽ xem xét trường hợp đường LOS tồn tại. Trong kênh truyền đa
đường có I đường, tín hiệu phát với sóng mang fc thì tín hiệu thu được là tổng của I
thành phần từ I đường khác nhau cộng thêm nhiễu Gaussian trắng có dạng:
( )=∑

cos(2

( ) = cos(2
với ai và

+

)+

( ) [5]

cos( ) − sin(2

)∑

(1.9)

)∑

sin( ) +

( ) [5] (1.10)

lần lượt là biên độ và pha của thành phần thứ i .

η(t) là nhiễu Gaussian.
Đặt

=∑

cos( ) và

=∑

sin(

) với giá trị I lớn, sử dụng định lý

giới hạn tập trung biến ngẫu nhiên A và B là những biến ngẫu nhiêu phân bố
=√

Gaussian độc lập. Đường bao tín hiệu thu

+

theo phân bố Rayleigh vì

A,B là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0. Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu
nhiên Rayleigh là:
( )=

exp

,

≥ 0 [5]

(1.11)

với σ2 là phương sai của biến ngẫu nhiên A,B. Công suất nhận được là biến ngẫu
nhiên theo hàm mũ với hàm mật độ xác suất pdf
( )=

exp

,

≥ 0 [5]

(1.12)

Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và thu có dạng:
=

+

[5]

(1.13)

với α là biến ngẫu nhiên Gaussian, nói cách khác, phần thực và phần ảo của hệ số α
là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0. Biên độ của hệ số α (|α|) là biến ngẫu
nhiên Rayleigh. Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra phương trình trên được gọi là
mô hình kênh truyền fading Reyleigh với hệ số α được gọi là độ lợi đường.

Trang 10


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

1.5.2 Rician fading
Nếu kênh truyền tồn tại đường truyền tầm nhìn thẳng LoS (Light of Sight)
thì A và B là hai biến ngẫu nhiên Gaussian không có trung bình 0. Trong trường
hợp này đường bao của tín hiệu là biến ngẫu nhiên phân bố Rician với hàm mật độ
xác suất:
( )=

exp

,

≥ 0,

≥ 0 [5]

(1.14)

D: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
I 0 : Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.

Khi D →0, thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Rician trở
thành phân bố Rayleigh. Tương tự trường hợp mô hình fading Rayleigh, mối quan
hệ giữa đầu vào và đầu ra trong trường hợp mô hình fading Rician được cho bởi
phương trình
=

+

[5]

(1.15)

Điểm khác biệt chính giữa 2 mô hình là phần thực và ảo của độ lợi đường α trong
mô hình fading Rician là biến ngẫu nhiên Gaussian không có trung bình 0. Như vậy,
biên độ |α| là phân bố Rician thay vì phân bố Rayleigh.
1.6 Kết luận chương

Chương này đã cung cấp một cách chi tiết các đặc điểm chính của kênh
truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, các loại kênh truyền fading, ảnh hưởng
của dịch Doppler và trải trễ đa đường. Nhằm khắc phục những hạn chế này và nâng
cao hiệu quả kênh truyền chúng ta sẽ đưa ra các giải pháp được trình bày ở chương
tiếp theo.

Trang 11


Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, có hai vấn đề chính được trình bày là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM và hệ thống MIMO. Các nội dung về kỹ
thuật OFDM bao gồm: Lịch sử phát triển, khái niệm, tính trực giao trong OFDM,
phân tích sơ đồ khối chức năng hệ thống OFDM để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt
động của nó. Sau đó là đánh giá ưu nhược điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM.
Nội dung cuối của chương sẽ trình bày tổng quan về hệ thống MIMO cùng các kỹ
thuật phân tập.
2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM
2.2.1 Lịch sử ra đời
Năm 1966, R.W.Chang phát minh ra kỹ thuật OFDM tại Mỹ. Năm 1971, một
công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều
chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT
(biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT (biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với
sự phát triển của kỹ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT giúp cho
việc thực hiện biến đổi IDFT/DFT nhanh hơn.
2.2.2 Ý tưởng
OFDM là kĩ thuật hiệu quả để truyền dữ liệu qua kênh lựa chọn tần số.

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM. Ý tưởng chính của OFDM là chia kênh tần
số băng rộng thành nhiều kênh con băng thông nhỏ hơn. Như vậy, mỗi kênh con là
một kênh fading phẳng thay vì bản chất fading lựa chọn tần số của kênh băng rộng.
2.2.3 So sánh FDM và OFDM
Trong FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số
không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ
riêng và N kênh được ghép phân chia theo tần số. Để tránh giao thoa giữa các kênh,
một băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau gây lãng phí băng tần.
Kỹ thuật OFDM đã khắc phục nhược điểm trên của FDM. Trong OFDM việc sử
dụng phổ tần hiệu quả hơn nhiều so với FDM vì khoảng cách giữa các kênh được

Trang 12


Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO

giảm đến mức tối thiểu và chống lại được sự giao thoa giữa hai sóng mang con gần
nhau. Để đạt được điều này thì tất cả các sóng mang con phải trực giao với nhau.
Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ trong OFDM là chu kỳ của mỗi sóng
mang con này bằng số nguyên lần khoảng thời gian để một ký hiệu.

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép phân chia theo tần số FDM truyền thống

Tần số

Tiết kiệm phổ tần

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép phân chia theo tần số OFDM

Tần số

Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM
Mỗi tín hiệu sóng mang trong hệ thống OFDM có băng thông rất hẹp do đó tốc độ
kí tự chậm
2.3 Sự trực giao
Tín hiệu được xem là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao
là đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông
thường mà không có nhiễu giữa chúng.
Xét tín hiệu phức {
khác nhau tại

= /

}

trong khoảng thời gian với mỗi sóng mang

tại 0 < t < Tsym. Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu

tích phân của chúng trong cùng chu kì bằng 0:
1

=

=

=

1

1

1, ớ
0, á

ọ ố
ê
=
ườ ℎợ ℎá

Trang 13


Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO

Xét các mẫu rời rạc tại t = nTs = nTsym / N, n= 0,1,2,3,...,N-1. Phương trình trên có
thể được viết lại trong miền thời gian rời rạc như sau:
.

.

.

=

(

=
=

1, ớ
0, á

.

)

ọ ố
ê
=
ườ ℎợ ℎá

Nếu hai sóng sin có cùng tần số thì giá trị trung bình của nó luôn khác 0. Tính
trực giao của các sóng mang con còn thể hiện ở chỗ : Tại mỗi đỉnh của một sóng
mang con bất kỳ trong nhóm thì biên độ các sóng mang con khác bằng 0.

Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao
Tính chất trực giao ở trên là điều kiện cần thiết cho việc chống nhiễu liên sóng
mang ICI sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo của chương này.
2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P. Mỗi dòng dữ liệu song song được sắp xếp theo
một trình tự hỗn hợp rồi được đưa vào của khối IFFT để chuyển đổi tín hiệu sang
miền thời gian. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Tiếp theo chuyển đổi tín

Trang 14