Một số mô hình kênh không gian và tác động của tương quan không gian trong hệ thống MIMOOFDMA

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là kết quả
nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa xuất hiện trong
các công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.
Tác giả luận án

Nguyễn Thu Nga

1


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Đức đã trực tiếp
hướng dẫn khoa học và hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau bốn
năm làm nghiên cứu.
Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tôi một môi trường học tập và nghiên cứu. Xin cám
ơn thầy cô, các anh chị, các bạn đồng nghiệp và các em sinh viên đã hỗ trợ tôi về nghiên cứu
và học thuật cũng như trong công tác chuyên môn.
Tôi xin cám ơn tất cả anh chị em nghiên cứu sinh thuộc Viện Điện tử-Viễn thông đã chia
sẻ với tôi các kinh nghiệm quý báu trong học tập, nghiên cứu và đăng bài.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn và yêu thương nhất đến gia đình tôi. Sự động
viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó
khăn để hoàn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2016
Tác giả luận án

Nguyễn Thu Nga

2

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 14
1.1

Bối cảnh nghiên cứu ........................................................................................... 14

1.2

Lí do lựa chọn đề tài ........................................................................................... 15

1.3

Mục tiêu nghiên cứu của luận án ....................................................................... 20

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hưởng của đặc
tính tương quan không gian kênh truyền đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDMA.. 21
1.5

Các vấn đề giải quyết của luận án ...................................................................... 23

1.6

Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án ............................................. 26

1.7

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 27

1.8

Bố cục của luận án.............................................................................................. 27

CHƢƠNG 1 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH TƢƠNG QUAN KHÔNG GIAN VÀ CÁC
PHƢƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH MIMO ........................................................ 29
1.1

Biểu diễn toán học của ma trận tương quan kênh MIMO.................................. 29

1.2

Các phương pháp phỏng tạo kênh MIMO ......................................................... 31

1.2.1 Mô hình kênh hình học tán xạ một vòng tròn Onering ................................. 31
1.2.2 Mô hình kênh tham số đo đạc không gian SCM ........................................... 34
1.2.2.1

Các tham số mô hình SCM theo 3GPP ......................................................................36

1.2.2.2

Các môi trường truyền của SCM ...............................................................................36

1.2.2.3

Thiết lập hệ số kênh truyền ........................................................................................37

1.3 Đặc tính tương quan không gian của mô hình tham số đo đạc không gian SCM

trong hệ thống 2 2 MIMO ........................................................................................... 38
1.3.1 Mô hình kênh truyền không có tín hiệu tầm nhìn thẳng NLOS ................... 38
1.3.1.1

Đặc tính hàm tương quan không gian bên thu theo các phân bố của góc AoA ........43

1.3.1.2

Đặc tính hàm tương quan không gian bên phát theo các phân bố của góc AoD .......45

1.3.1.3

Hàm tương quan không gian hai chiều khi không có tín hiệu tầm nhìn thẳng ..........46

1.3.1.4

Đặc tính hàm tự tương quan thời gian TCF ...............................................................47

1.3.1.5

Đặc tính hàm tương quan tần số FCF ........................................................................48

1.3.2 Mô hình kênh truyền có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS ................................. 49
1.3.2.1

Đặc tính hàm tương quan không gian bên thu theo các phân bố của góc AoA .........53

1.3.2.2

Đặc tính hàm tương quan không gian bên phát theo các phân bố của góc AoD .......54

1.3.2.3

Hàm tương quan không gian hai chiều khi có tín hiệu tầm nhìn thẳng .....................55
3


1.4 So sánh đặc tính tương quan không gian trên mô hình kênh không gian SCM và
mô hình kênh hình học một vòng tròn Onering chuẩn LTE-A .................................... 56
1.5

Kết luận chương ................................................................................................. 69

CHƢƠNG 2 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA ĐẶC TÍNH TƢƠNG QUAN
KHÔNG GIAN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG MIMO-OFDM DỰA TRÊN CÁC MÔ
HÌNH KÊNH TRUYỀN ................................................................................................ 72
2.1

Hệ thống MIMO-OFDM cho kênh đường xuống LTE-A ................................. 72

2.2

Các kỹ thuật mã hóa và xử lý tín hiệu cho hệ thống MIMO-OFDM................. 75

2.2.1 Mã khối không gian thời gian (STBC) ......................................................... 75
2.2.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian thời gian VBLAST ............................... 76
2.2.3 Mã khối tần số không gian (SFBC) .............................................................. 76
2.3

Ảnh hưởng của đặc tính tương quan không gian lên hệ thống MIMO-OFDM 78

2.3.1 Mô hình kênh không gian SCM không có tín hiệu tầm nhìn thẳng NLOS .. 78
2.3.1.1

Kết quả mô phỏng khi bên thu sử dụng bộ cân bằng ZF ...........................................78

2.3.1.2

Kết quả mô phỏng khi bên thu sử dụng bộ cân bằng MMSE ....................................84

2.3.2 Mô hình kênh không gian SCM có tín hiệu tầm nhìn thẳng LOS ................ 89
2.3.3 Mô hình kênh hình học một vòng tròn Onering- NLOS............................... 90
2.4

Kết luận chương ................................................................................................. 91

CHƢƠNG 3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG THUẬT TOÁN TRIỆT NHIỄU
VBLAST-ZF TRÊN CÁC MÔ HÌNH KÊNH TƢƠNG QUAN KHÔNG GIAN
MIMO – OFDMA .......................................................................................................... 93
3.1

Hệ thống MIMO-OFDMA 2 anten phát 2 anten thu ......................................... 93

3.2

Kỹ thuật cấp phát kênh động - Dynamic Channel Allocation (DCA) ............... 96

3.3

Thuật toán khôi phục dữ liệu.............................................................................. 96

3.3.1 Thuật toán khôi phục dữ liệu VBLAST-ZF ................................................. 96
3.3.2 Thuật toán khôi phục dữ liệu VBLAST-MMSE........................................... 97
3.4 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST-ZF trên mô hình kênh tương quan
Monte Carlo .................................................................................................................. 98
3.5 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST-ZF trên mô hình kênh Onering
chuẩn LTE-A .............................................................................................................. 102
3.6 Đánh giá hiệu quả của thuật toán VBLAST-ZF trên mô hình kênh SCM chuẩn
LTE-A ......................................................................................................................... 104
4


3.7

Kết luận chương ............................................................................................... 108

CHƢƠNG 4 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG TỔ HỢP MÃ HÓA SFBC-MMSE DỰA TRÊN
ĐẶC TÍNH TƢƠNG QUAN KHÔNG GIAN MIMO-OFDMA ............................. 109
4.1

Đánh giá hiệu quả tổ hợp SFBC-VBLAST-ZF trên mô hình SCM................. 110

4.1.1 Kết quả mô phỏng trên mô hình kênh SCM - NLOS ................................. 110
4.1.2 Kết quả mô phỏng trên mô hình kênh SCM - LOS .................................... 114
4.2 Đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC-MMSE cho hệ thống đa truy nhập MIMOOFDMA kết hợp phương pháp cấp phát kênh động trên mô hình kênh không gian
SCM –NLOS .............................................................................................................. 115
4.3 Đề xuất sử dụng tổ hợp SFBC-MMSE cho hệ thống đa truy nhập MIMOOFDMA kết hợp phương pháp cấp phát kênh động trên mô hình kênh hình học một
vòng tròn ..................................................................................................................... 121
4.4

Kết luận chương ............................................................................................... 123

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................... 124

5


Hình 1 Những hướng nghiên cứu ở lớp vật lý và lớp MAC của MIMO-OFDM ....................... 16
Hình 2 Mô hình kênh theo L.Schumacher, 2002 [79] ................................................................ 17
Hình 3 Mô hình kênh theo M.Patzold, 2002 [73] ....................................................................... 18
Hình 4 Hướng tiếp cận nghiên cứu của luận án.......................................................................... 21
Hình 5 Cách đánh giá hiệu năng hệ thống trong luận án ............................................................ 24
Hình 1.1 Mô tả mô hình kênh MIMO đường xuống .................................................................. 29
Hình 1.2 Mô hình kênh tán xạ một vòng tròn Onering [99] ....................................................... 32
Hình 1.3 Tương quan không gian bên MS mô hình Onering ..................................................... 34
Hình 1.4 Tương quan không gian bên BS mô hình Onering ...................................................... 34
Hình 1.5 Thông số góc của mô hình SCM [1] ............................................................................ 35
Hình 1.6 Hàm rời rạc kênh theo 3GPP [1] ................................................................................ 40
Hình 1.7 Hàm rời rạc kênh nội suy khi thực hiện mô phỏng .................................................... 40
Hình 1.8 Hàm tự tương quan thời gian TCF............................................................................... 40
Hình 1.9 Hàm tương quan tần số FCF ........................................................................................ 40
Hình 1.10 Hàm tương quan không gian chéo
................................................... 41
Hình 1.11 Hàm tương quan không gian chéo
................................................... 41
Hình 1.12 Hàm tương quan không gian chéo
............................................... 41
Hình 1.13 Hàm tương quan không gian chéo
................................................ 41
Hình 1.14 Hàm tương quan không gian chéo bên MS khi

của luận án ..................... 42
Hình 1.15 Hàm tương quan không gian chéo bên MS khi
của Cheng-Xiang [16] .. 42
Hình 1.16 Tương quan không gian bên thu
.............................................................. 44
Hình 1.17 Tương quan không gian bên phát (
............................................................ 46
Hình 1.18 Tương quan không gian chéo 2 chiều SCM - NLOS vùng ngoại ô .......................... 46
Hình 1.19 Hàm tự tương quan thời gian theo các hàm phân bố ................................................. 47
Hình 1.20 Hàm FCF của mô hình Onering................................................................................. 48
Hình 1.21 Hàm FCF của mô hình SCM ..................................................................................... 48
Hình 1.22 Mô hình tín hiệu cho kênh MIMO Rice fading. ........................................................ 49
Hình 1.23 Hàm CCF của SCM - LOS
........................................................... 52
Hình 1.24 Hàm CCF của SCM - LOS
.............................................................. 52
Hình 1.25 Hàm CCF của SCM - LOS
............................................................ 52
Hình 1.26 Hàm CCF của SCM - LOS
.......................................................... 52
Hình 1.27 Tương quan không gian bên thu (LOS) ..................................................................... 54
Hình 1.28 Tương quan không gian bên phát (LOS) ................................................................... 55
Hình 1.29 Tương quan không gian
) ........................................................... 56
Hình 1.30 Tương quan không gian
) ........................................................ 56
6


Hình 1.31 Tương quan không gian khi

) ................................................... 56
Hình 1.32 Hàm không gian hai chiều của mô hình Onering. ..................................................... 57
Hình 1.33 Hàm không gian hai chiều của mô hình SCM ........................................................... 57
Hình 1.34 Hàm thông số kênh theo chuẩn LTE- EVA -5MHz .................................................. 58
Hình 1.35 Mô hình Onering trong trường hợp đặc biệt
.............................. 59
Hình 1.36 Hàm tương quan không gian chéo
................................................ 61
Hình 1.37 Hàm tương quan không gian chéo
................................................. 61
Hình 1.38 Hàm tương quan không gian chéo
................................................... 61
Hình 1.39 Hàm tương quan không gian chéo
................................................... 61
Hình 1.40 Mô hình hình học khi các anten di chuyển ................................................................ 62
Hình 1.41 Bố trí anten BS và MS vuông góc phương ngang ..................................................... 62
Hình 1.42 Tương quan bên BS
...................................................................... 63
Hình 1.43 Tương quan bên MS
.............................................................. 63
Hình 1.44 Bố trí anten BS vuông góc phương ngang, MS nghiêng 45o..................................... 63
Hình 1.45 Tương quan bên BS
..................................................................... 63
Hình 1.46 Tương quan bên MS
..................................................................... 63
Hình 1.47 Bố trí anten BS vuông góc phương ngang, MS nghiêng 60 o .................................... 63
Hình 1.48 Tương quan bên BS
...................................................................... 64
Hình 1.49 Tương quan bên MS
................................................................. 64

o
Hình 1.50 Bố trí anten BS và MS nghiêng góc 30 phương ngang ............................................ 64
Hình 1.51 Tương quan bên BS
...................................................................... 65
Hình 1.52 Tương quan bên MS
...................................................................... 65
Hình 1.53 Bố trí anten BS và MS nghiêng góc 60o phương ngang ............................................ 65
Hình 1.54 Tương quan bên BS
...................................................................... 65
Hình 1.55 Tương quan bên MS
...................................................................... 65
o
Hình 1.56 Bố trí anten BS nghiêng góc 30 và MS vuông góc phương ngang .......................... 65
Hình 1.57 Tương quan BS
............................................................................. 66
Hình 1.58 Tương quan MS
............................................................................. 66
Hình 2.1 Hệ thống phát – thu MIMO-OFDM ............................................................................ 73
Hình 2.2 Mã hóa khối STBC ...................................................................................................... 75
Hình 2.3 Kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian thời gian VBLAST ............................................. 76
Hình 2.4 Mã khối SFBC ............................................................................................................. 77
Hình 2.5 SFBC – ZF- vùng ngoại ô ............................................................................................ 79
Hình 2.6 VBLAST– ZF- vùng ngoại ô ....................................................................................... 79
Hình 2.7 STBC - ZF- vùng ngoại ô ............................................................................................ 80
Hình 2.8 So sánh ZF- vùng ngoại ô ............................................................................................ 80
7


Hình 2.9 SER của STBC – ZF- đô thị lớn .................................................................................. 81
Hình 2.10 SER của SFBC– ZF- đô thị lớn ................................................................................. 81

Hình 2.11 SER củaVBLAST-ZF- đô thị lớn .............................................................................. 81
Hình 2.12 So sánh mã ZF- đô thị lớn ........................................................................................ 81
Hình 2.13 SER của SFBC-ZF- đô thị nhỏ .................................................................................. 82
Hình 2.14 SER của STBC-ZF- đô thị nhỏ .................................................................................. 82
Hình 2.15 VBLAST–ZF- đô thị nhỏ........................................................................................... 82
Hình 2.16 So sánh các mã ZF- đô thị nhỏ .................................................................................. 82
Hình 2.17 Vùng ngoại ô (NLOS)
.................................................................... 84
Hình 2.18 Vùng Ngoai ô (NLOS)
................................................................... 84
Hình 2.19 MMSE – Đô thị lớn (NLOS) ..................................................................................... 85
Hình 2.20 MMSE – Đô thị nhỏ (NLOS) .................................................................................... 85
Hình 2.21 Kênh giả định (i) ........................................................................................................ 87
Hình 2.22 Kênh giả định (iv) ...................................................................................................... 87
Hình 2.23 Kênh giả định (ii) ....................................................................................................... 88
Hình 2.24 Kênh giả định (iii) ...................................................................................................... 88
Hình 2.25 So sánh mã hóa với
; trải trễ
................................. 88
Hình 2.26 So sánh mã hóa với
; trải trễ
................................ 88
Hình 2.27 So sánh mã hóa với
; trải trễ
................................ 89
Hình 2.28 So sánh mã hóa với
; trải trễ
................................ 89
Hình 2.29 So sánh SFBC và STBC – ZF trong mô hình SCM-LOS ......................................... 90
Hình 2.30 So sánh SFBC và STBC – MMSE trong mô hình SCM-LOS ................................. 90

Hình 2.31 So sánh các mã – sử dụng ZF mô hình Onering ........................................................ 91
Hình 2.32 So sánh các mã – sử dụng MMSE mô hình Onering ................................................. 91
Hình 3.1 Bộ phát MIMO-OFDMA theo đường lên [18], [42], [65] .......................................... 94
Hình 3. 2 Bộ thu MIMO-OFDMA theo đường lên [18], [42], [65] ........................................... 94
Hình 3.3 So sánh các phương pháp tách nhiễu ......................................................................... 100
Hình 3.4 VBLAST- ZF với hệ số tương quan ....................................................................... 100
Hình 3.5 Bộ cân bằng ZF với hệ số tương quan .................................................................... 100
Hình 3.6 Số lượng người dùng- so sánh ZF và VBLAST-ZF .................................................. 100
Hình 3.7 Khái niệm số lượng người sử dụng ........................................................................... 100
Hình 3.8 Kí tự trên khung MAC – so sánh ZF và VBLAST-ZF .............................................. 102
Hình 3.9 Hiệu năng hệ thống sử dụng ZF trên mô hình ORM ................................................. 103
Hình 3.10 Hiệu năng hệ thống sử dụng VBLAST- ZF trên mô hình ORM ............................. 103
Hình 3.11 Số lượng thuê bao khi sử dụng thuật toán VBLAST-ZF........................................ 103
Hình 3.12 SER của ZF trong ORM ........................................................................................ 105
Hình 3.13 SER của ZF trong SCM .......................................................................................... 105
8


Hình 3.14 SER của VBLAST -ZF - ORM ............................................................................. 105
Hình 3.15 SER của VBLAST -ZF - SCM ............................................................................... 105
Hình 3.16 Thuê bao của VBLAST-ZF- ORM .......................................................................... 106
Hình3.17 Thuê bao của VBLAST-ZF- SCM ........................................................................... 106
Hình 3.18 VBLAST-ZF mô hình ORM ................................................................................... 107
Hình 3.19 VBLAST-ZF mô hình SCM .................................................................................... 107
Hình 4.1 SFBC-ZF và SFBC-VBLAST-ZF-vùng ngoại ô ....................................................... 110
Hình 4.2 SFBC- ZF và SFBC-VBLAST-ZF vùng đô thị lớn................................................... 110
Hình 4.3 SFBC- ZF và SFBC-VBLAST-ZF- đô thị nhỏ ......................................................... 111
Hình 4.4 SFBC-ZF trong 3 môi trường với 5 người dùng ....................................................... 111
Hình 4.5 SFBC-VBLAST-ZF trong 3 môi trường với 5 người dùng ...................................... 113
Hình 4.6 So sánh thuê bao vùng ngoại ô .................................................................................. 113

Hình 4.7 So sánh thuê bao vùng đô thị lớn ............................................................................... 113
Hình 4.8 So sánh thuê bao vùng đô thị nhỏ ............................................................................. 113
Hình 4.9 SFBC – ZF - LOS đô thị nhỏ ..................................................................................... 114
Hình 4.10 SFBC-VBLAST -ZF -LOS đô thị nhỏ..................................................................... 114
Hình 4.11 Thuê bao của SFBC-ZF - LOS ............................................................................... 115
Hình 4.12 Thuê bao của SFBC-VBLAST-ZF- LOS ................................................................ 115
Hình 4.13 SFBC-MMSE và VBLAST-ZF– vùng ngoại ô ...................................................... 118
Hình 4.14 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF – vùng ngoại ô ........................................... 118
Hình 4.15 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF – đô thị lớn ................................................ 118
Hình 4.16 SFBC-MMSE và SFBC-VBLAST-ZF – đô thị nhỏ NLOS .................................... 118
Hình 4.17 Thuê bao với SFBC-MMSE – Ngoại ô SCM-NLOS không tương quan ................ 119
Hình 4.18 Thuê bao với SFBC-MMSE–Đô thị lớn SCM-NLOS không tương quan .............. 119
Hình 4.19 Thuê bao với SFBC-MMSE–đô thị nhỏ SCM -NLOS không tương quan ............. 119
Hình 4.20 Thuê bao với SFBC-MMSE–ngoại ô SCM -NLOS tương quan ............................. 119
Hình 4.21 Thuê bao với SFBC-MMSE–đô thị lớn SCM NLOS tương quan........................... 120
Hình 4.22 Thuê bao với SFBC-MMSE–đô thị nhỏ SCM NLOS tương quan .......................... 120
Hình 4.23 Hiệu năng hệ thống SFBC-MMSE trên mô hình Onering tương quan ................... 121
Hình 4.24 Thuê bao sử dụng SFBC-MMSE mô hình Onering không tương quan .................. 121
Hình 4.25 Thuê bao sử dụng SFBC-MMSE mô hình Onering tương quan ............................. 122

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tham số mô hình kênh 3GPP [1] ..................................................................... 36
Bảng 1.2 Môi trường truyền dẫn [1] ............................................................................... 37
Bảng 1.3 Tham số cho tuyến đường truyền dẫn con AoD và AoA [1] ........................... 43
Bảng 1.4 Thông số góc cho môi trường đô thị nhỏ [1].................................................... 50
Bảng 1.5 Thông số khi so sánh hai mô hình theo chuẩn LTE-A ..................................... 58

Bảng 1.6 Bảng hệ số góc tương đương của hai mô hình ................................................. 60
Bảng 1.7 Bảng các bộ tham số góc đầu vào khi so sánh hai mô hình ............................. 67
Bảng 1.8 Phạm vi sử dụng của hai phương pháp mô hình kênh ..................................... 68
Bảng 1.9 Bảng so sánh hai mô hình theo tham số hệ thống ............................................ 68
Bảng 1.10 Bảng thống kê các kết quả mô phỏng trong chương ...................................... 71
Bảng 2.1 Tham số hệ thống OFDM chuẩn LTE-A [48], [40] sử dụng trong luận án ..... 73
Bảng 2.2 Các thông số của hệ thống MIMO-OFDM ...................................................... 78
Bảng 2.3 Bảng so sánh SER tại SNR=20dB môi trường ngoại ô.................................... 80
Bảng 2.4 Thống kê các kết quả mô phỏng trong chương ................................................ 92
Bảng 4.1 Kết quả SER trong môi trường Env2 và Env3 ............................................... 111
Bảng 4.2 Kết quả đo hiệu năng trong 3 môi trường với số người dùng khác nhau....... 112
Bảng 4.3 Xác định độ phức tạp của thuật toán .............................................................. 116
Bảng 4.4 Tính toán số flop với tổ hợp SFBC-MMSE ................................................... 117
Bảng 4.5 Tính toán số flop với tổ hợp SFBC-VBLAST-ZF: ........................................ 117
Bảng 4.6 Tính toán số flop

của giải thuật VBLAST .................................................. 117

10


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
3GPP

The Third Generation Partnership Project

Dự án đối tác thông tin di động thế hệ thứ 3

3GPP2

The Third Generation Partnership Project 2

Dự án 2 đối tác thế hệ thứ 3

ACF

Auto correlation function

Hàm tự tương quan

AoA

Angle of Arrival

Góc tới

AoD

Angle of Departure

Góc đi

AS

Angle Spread

Trải góc

BLAST

Bell Laboratories Layered Space-Time

Mã hóa lớp thời gian không gian phòng thí
nghiệm Bell

BS

Base Station

Trạm gốc

CCF

Cross-correlation function

Hàm tương quan chéo

CCI

Co-channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DCA

DL

Dynamic Channel Allocation
Down Link

Cấp phát kênh động
Đường xuống

DS

Delay Spread

Trải trễ

EVAITU
FDD

Extended
Vehicular
Telecommunication Union
Frequency Division Duplex

FDM
FFT

Frequency Division Multiplexing
Fast Fourier Transform

Ghép kênh phân chia tần số
Biến đổi Fourier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GMEDS

Generalized Method of Exact Doppler Spread

Phương pháp trải Doppler chính xác tổng
quát hoá

HIPER
LAN/2
ICI

High Performance Local Area Network type 2

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

Inter-channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

IFFT
ISI

Inverse Fast Fourier Transform

Inter-Symbol Interference

Biến đổi Fourier ngược nhanh
Nhiễu xuyên kí tự

ITU

The International Telecommunication Union

Uỷ ban Viễn thông quốc tế

LOS

Line of Sight

Tia sóng truyền tầm nhìn thẳng

LS
LTE

Least square
Long Term Evolution

Bình phương nhỏ nhất
Chuẩn phát triển dài hạn

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MEDS
MIMO

Method of Exact Doppler Spread
Multiple Input Multiple Output

Phương pháp trải Doppler chính xác
Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MIMOOFDM
CBSM

Multiple Input Multiple Output- Orthogonal Đa anten phát đa anten thu sử dụng ghép
Frequency Division Multiplexing
kênh phân chia tần số trực giao
Correlation-based stochastic models
Mô hình ngẫu nhiên dựa trên tương quan

GBSM

Geometrically-Based Stochastic Models

A-International Mô hình trên xe mở rộng A theo chuẩn của
hiệp hội viễn thông quốc tế
Song công phân chia theo tần số

Mô hình ngẫu nhiên dựa trên hình học

11


Mô hình ngẫu nhiên dựa trên phép
Kronecker

KBSM

Kronecker-based stochastic models

MIMOOFDMA

Multiple Input Multiple Output- Orthogonal Đa anten phát đa anten thu đa truy nhập ghép
Frequency Division Multiple Access
kênh phân chia tần số trực giao

MISO

Multiple Input Single Output

Hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra

ML

Maximum Likelyhood Equalizer

Bộ cân bằng hợp lẽ cực đại

MMSE

Minimum Mean Square Error Equalizer

MS

Mobile Station

Bộ cân bằng theo sai số trung bình bình
phương tối thiểu
Trạm di động

NLOS
OFDM

Non Line of Sight
Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Không có tia sóng tầm nhìn thẳng
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA
PAS

Orthogonal Frequency Division
Access
Power Azimuth Spectrum

PDP

Power Delay Profile

Hàm công suất trễ

PSM

Parametric Stochastic Models

Mô hình ngẫu nhiên tham số

QAM
RF

Quadrature amplitude modulation
Radio Frequency

Điều chế biên độ cầu phương
Tần số vô tuyến

RMS

Root Mean Square

Sai số trung bình bình phương căn hai

SCM
SDMA

Spatial Channel Model
Space Division Multiple Access

Mô hình kênh không gian

Đa truy cập phân chia theo không gian

SER

Symbol Error Rate

Tỉ lệ lỗi ký tự

SF

Lognormal shadow fading random variable

Biến ngẫu nhiên fading che khuất chuẩn log

SFBC
SH

Space-frequency block coding
Lognomarl shadow fading constant

Mã khối tần số không gian
Hằng số fading che khuất chuẩn log

SIMO

Single Input Multiple Output

Hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một đầu vào một đầu ra

SNIR
SNR

Signal to Interference-plus-Noise Ratio
Signal Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu
Tỉ lệ tín hiệu trên tạp

STBC

Space time block coding

Mã khối thời gian không gian

STC

Space-Time Coding

Mã hóa không gian thời gian

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo thời gian

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

UL

Up Link

Đường lên

VBLAST

Vertical-Bell Laboratories Layered Space- Mã hóa lớp đứng không gian thời gian phòng
Time
thí nghiệm Bell

Wifi
WiMax

Wireless Fidelity

ZF

Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao
Phổ góc phương vị công suất

Mạng không dây chuẩn 802.11

Worldwide Interoperability for Microwave Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu
Access
đối với truy cập vi ba
Zero- forcing Equalizer
Bộ cân bằng ép không

12


CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Hàm tương quan tín hiệu mô hình SCM
Hàm tương quan tín hiệu mô hình Onering
Hàm đáp ứng xung trên miền thời gian với trễ của đường
Hàm truyền đạt kênh theo thời gian
Ma trận truyền đạt của MSi tại sóng mang con thứ n.
τ
τ

σ2
NFFT
GI
S

U

Trễ truyền dẫn của kênh truyền
Chênh lệch trễ truyền dẫn giữa các đường truyền
Khoảng cách các phần tử anten bên MS
Khoảng cách các phần tử anten bên BS
Hàm mật độ xác suất Gauss kỳ vọng bằng 0, phương sai σ2
Hàm mật độ xác suất đều Uniform
Biểu diễn phương sai của nhiễu cộng
Số lượng sóng mang con của hệ thống OFDM
Độ dài khoảng bảo vệ mỗi ký hiệu OFDM
Số lượng anten bên BS
Số lượng anten bên MS
Góc tới AoA của đường chính thứ theo phân bố đều
Góc tới AoA của đường chính thứ theo phân bố Gauss
Góc đi AoD của đường chính thứ theo phân bố đều

|.|
̂
̂
〈〉
[]
(.)H


Vec(H)
H+

Góc đi AoD của đường chính thứ theo phân bố Gauss
Số đường truyền chính trong các cụm tán xạ

Số đường truyền thành phần của mỗi đường truyền chính
Bán kính vòng tròn tán xạ Onering
Khoảng cách hai bên thu phát
Ma trận tương quan bên MS
Ma trận tương quan bên BS
Phép tính det của ma trận
Ký tự tái tạo bên thu khi sử dụng bộ cân bằng MMSE
Ký tự tái tạo bên thu khi sử dụng bộ cân bằng ZF
Toán tử trung bình thời gian
Tính ma trận chuyển vị
Chuyển vị và lấy liên hiệp phức cho ma trận hay một biến (Hermitian)
Phép nhân Kronecker cho ma trận
Phép tính biến ma trận thành vector
Nghịch đảo Moore-Penrose của ma trận

13


LỜI MỞ ĐẦU
1.1

Bối cảnh nghiên cứu

Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là kỹ thuật phân tách dòng dữ liệu tốc độ cao điều chế lên các sóng mang con
băng hẹp tốc độ thấp hơn vì vậy tránh ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số và nhiễu xuyên kí
tự. Kỹ thuật đa anten phát/thu MIMO (Multiple Input Multiple Output) trên nền các mạng
thông tin di động băng rộng theo chuẩn phát triển dài hạn LTE (Long Term Evolution) nhằm
tăng hiệu suất sử dụng phổ hay đạt được độ tăng ích phân tập không gian, do vậy làm tăng
dung lượng đường truyền. Bằng cách kết hợp hai kỹ thuật, đa anten phát đa anten thu và ghép

kênh phân chia tần số trực giao MIMO-OFDM (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal
Frequency Division Multiplexing), hiệu năng của hệ thống truyền thông không dây hiện nay
được tăng cường do sử dụng các phương pháp phân tập tín hiệu truyền trên miền thời gian, tần
số và không gian.
Tổ chức dự án các đối tác thông tin di động thế hệ thứ 3- 3GPP (The third generation
partnership project) đã đưa ra chuẩn phát triển dài hạn tiên tiến LTE-A (LTE-Advanced) [5],
một chuẩn mới cho các kênh băng rộng nhằm đạt được mục tiêu tăng thông lượng và tăng tốc
độ dữ liệu của các mạng di động tiên tiến. Mạng di động tế bào thế hệ thứ tư 4G-LTE [40] dựa
trên hệ thống đa anten ghép kênh phân chia theo tần số trực giao MIMO-OFDM cho các kênh
đường xuống tốc độ cao [53] với hiệu năng của kênh LTE đã được nghiên cứu trong [38], [6].
Tài liệu [1], [84] nghiên cứu mô hình kênh không gian SCM (Spatial Channel Model) được
thiết kế cho hệ thống MIMO do tổ chức 3GPP đề xuất cho ba môi trường ngoại ô, đô thị lớn và
đô thị nhỏ. Một phương pháp mô hình kênh MIMO khác là mô hình kênh tán xạ một vòng tròn
Onering cho hệ thống MIMO-OFDM chọn lọc tần số với 18 đường được thực hiện theo chuẩn
HiPERLAN/2 Model C trong [99].
Từ MIMO-OFDM, hệ thống đa anten phát đa anten thu đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao MIMO-OFDMA [97] (Multiple Input Multiple Output-Orthogonal Frequency
Division Multiplex Access) được ứng dụng cho nhiều người sử dụng với ưu điểm tăng thông
lượng và loại bỏ nhiễu. Trong hệ thống này, việc phân tập có thể đạt được trong cả hai miền
không gian và tần số, từ đó tín hiệu người dùng được truyền qua các dải băng thông rộng khác
nhau. Kỹ thuật đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) được sử dụng trong việc truyền tín hiệu đa đường.
OFDMA chống fading chọn lọc tần số của kênh truyền thông không dây bằng cách phân bổ
sóng mang con khác nhau cho mỗi người dùng. Mạng OFDMA thực hiện kỹ thuật song công
14


phân chia thời gian TDD (Time Division Duplexing) [65] đã giải quyết vấn đề node ẩn/node
hiện như sử dụng mức ngưỡng truy nhập khung MAC hoặc kỹ thuật song công phân chia tần
số cho mạng OFDMA/FDD (Frequency Division Duplexing) [41].

Ở lớp vật lý, hệ thống MIMO-OFDM sử dụng giải thuật mã hóa lớp đứng không gian thời
gian phòng thí nghiệm Bell VBLAST (Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time) để đạt
được dòng dữ liệu tốc độ cao truyền đồng thời từ nhiều anten. VBLAST với kỹ thuật đơn sóng
mang áp dụng cho kênh fading Rayleigh trong MIMO-OFDM được nghiên cứu trong [14]
hoặc các kênh tán xạ Rayleigh được nghiên cứu trong [89], [94]. VBLAST được kết hợp với
các bộ cân bằng tuyến tính như bộ cân bằng ép không ZF (Zero-forcing) hay bộ cân bằng sai
số trung bình bình phương tối thiểu MMSE (Minimum Mean Square Error Equalizer) cho phép
nhiều người dùng chia sẻ kênh con trong mỗi khe thời gian để loại bỏ nhiễu ISI từ các dòng dữ
liệu khác nhau. Mã khối không gian tần số SFBC (Space-frequency block coding) cũng được
sử dụng theo chuẩn LTE trong SCM được nghiên cứu trong [29], [56], [26].
Ở lớp MAC, MIMO-OFDMA sử dụng các thuật toán cấp phát kênh để đánh giá dung lượng
cũng như hiệu quả sử dụng của các người dùng. Các tác giả trong [42] đề xuất kỹ thuật cấp
phát kênh động DCA (Dynamic Channel Allocation) cho mạng sử dụng phương pháp cân bằng
kênh ZF hoặc MMSE áp dụng cho cả kênh đường lên và đường xuống. Các sóng mang con có
hệ số SNR lớn nhất sẽ được lựa chọn cho các tuyến tương ứng bằng cách dự đoán tỉ số nhiễu
đồng kênh trước khi phân bổ cho các thiết bị di động MS (Mobile Station). Như vậy sự phát
triển của chuẩn LTE-A đã đặt ra các vấn đề cấp thiết trong việc nghiên cứu kênh vô tuyến băng
rộng nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống thông tin di động sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDMA.
1.2 Lí do lựa chọn đề tài
Kỹ thuật MIMO [21] có thể cải thiện độ tin cậy của đường truyền và tăng dung lượng kênh
truyền lên đáng kể. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dung lượng kênh truyền tăng lên khi ta tăng
số lượng anten trong các môi trường tán xạ. Để tiếp cận với lý thuyết dung lượng trong hệ
thống đa anten phát/thu MIMO, ta có các phương pháp xử lý tín hiệu trên miền không gianthời gian hoặc trên miền không gian-tần số. Như vậy, các vấn đề dung lượng kênh truyền hay
việc xử lý tín hiệu đều do ảnh hưởng của đặc tính tương quan lên các kênh truyền.
Trong hệ thống MIMO-OFDM ở hình 1 các vấn đề uớc lượng kênh và triệt nhiễu sử dụng
các chuỗi dẫn đường hay các phương pháp tách nhiễu sử dụng bộ cân bằng kênh nhằm mục
đích là khôi phục tín hiệu tốt nhất tại bên thu. Các yêu cầu về tăng dung lượng và đánh giá,
tính toán dung lượng hệ thống MIMO đã được nghiên cứu trên các điều kiện kênh khác nhau.

15

Công nghệ
MIMO-OFDM

MIMO-OFDM
lớp vật lý

Ước
luợng
kênh
và
triệt
nhiễu

Mã
khối,
mã
turbo..

Dung
luợng
hệ
thống

MIMO-OFDMA
lớp MAC

Ðánh giá
hiệu năng

hệ thống

Ðặc
tính
tương
quan
MIMO

Mô
hình
kênh

Cấp
phát
kênh

Phân
tập đa
nguời
dùng

Downlink and
Uplink
Duality

Dung
luợng
hệ
thống

Hình 1 Những hướng nghiên cứu ở lớp vật lý và lớp MAC của MIMO-OFDM
Với MIMO-OFDM việc nghiên cứu bài toán tổng hợp sử dụng các phương pháp mã khối
trên các mô hình kênh MIMO tương quan và đánh giá hiệu năng của hệ thống theo các chuẩn
mới là cần thiết đặt ra. Hệ thống MIMO-OFDMA cho đa người sử dụng đã được thống kê
trong [25], [46], [51], [59]. Các hướng mới có thể đặt ra là lựa chọn người dùng trên các sóng
mang con trong điều kiện kênh không hoàn hảo; các bài toán tối ưu về người dùng và số sóng
mang con cấp cho hệ thống; bài toán các kênh MIMO-OFDMA có ảnh hưởng của tương quan
không gian. Do vậy, việc đặt ra bài toán sử dụng các phương pháp mã hoá khối trên các mô
hình kênh tương quan không gian MIMO-OFDMA theo các chuẩn truyền dẫn mới là cần thiết.
Tín hiệu không dây qua anten phụ thuộc vào khoảng cách giữa các anten, đường truyền dẫn,
tín hiệu và môi trường truyền dẫn (các tòa nhà và các vật cản khác). Các thông tin về tín hiệu
bên thu có thể khôi phục lại được tín hiệu truyền nếu ta có một mô hình của môi trường giữa
hai phía. Đó chính là cách xây dựng ra các mô hình kênh. Do vậy, nếu dựa vào suy hao trên
đường truyền ta có các mô hình suy hao Hata cho những dữ liệu đo đạc của Okumura hay mô
hình mở rộng COST 231-Walfish-Ikegami [93] cho vùng tế bào nhỏ (micro) và tế bào hơi lớn

(small macro) hoặc mô hình Erceg [23] cho vùng địa hình có suy hao ảnh hưởng bởi mật độ
cây. Mô hình kênh của đại học Stanford [28] cho kênh bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler là
mô hình phù hợp cho cấu trúc MIMO, một anten phát/thu SISO (Single Input Single Output)
và một anten phát nhiều anten thu SIMO (Single Input Multiple Output). Mô hình suy hao của
16


ITU [9] khuyến nghị cho 3 môi trường: trong văn phòng, cho người đi bộ trong nhà và cho
phương tiện ôtô cho 2 trường hợp tín hiệu có độ trải trễ nhỏ và độ trải trễ trung bình.
Với các mô hình kênh tín hiệu đa đường truyền sử dụng các đáp ứng xung tương ứng với
mỗi kênh truyền, mô hình kênh MIMO theo P.Almers [68] được phân chia thành mô hình vật
lý dựa trên các dạng sóng vật lý lan truyền và mô hình phân tích dựa trên các ma trận kênh
MIMO. Mô hình vật lý là mô hình độc lập với cấu hình anten (số anten, phân cực..) và băng
thông của hệ thống. Nó được chia thành mô hình kênh xác định, mô hình kênh hình học và mô

hình kênh không hình học. Trong đó, mô hình kênh xác định là mô hình kênh tái lập lại quá
trình lan truyền vật lý của sóng vô tuyến đối với một môi trường cho trước. Các đặc tính điện
từ hay đặc điểm hình học của môi trường được lưu trong cơ sở dữ liệu và được mô phỏng
thông qua chương trình máy tính. Mô hình kênh xác định rất chính xác tuy nhiên lại chỉ phù
hợp với một môi trường mà nó xét đến. Nó được sử dụng thay thế cho mô hình đo đạc trong
điều kiện không đủ thời gian thiết lập thông số đo hoặc một số trường hợp khó đo trong thực
tế. Mô hình kênh hình học tính đến sự phân bố của các dạng tán xạ. Nếu là mô hình hình học
xác định các dạng phân bố tán xạ sẽ được lưu trong cơ sở dữ liệu. Ngược lại, nếu là mô hình
hình học ngẫu nhiên dạng tán xạ là ngẫu nhiên tuỳ vào dạng phân bố.
Mô hình kênh MIMO

Mô hình xác định
(Deterministic)

Mô hình thống kê ngẫu nhiên
(Stochastic)

Mô hình dựa
trên đặc tính
hình học
(Onering,
tworing, elipse)

Mô hình
tham số
(SCM)

Mô hình dựa
trên đặc tính
tương quan

(Kronecker)

Hình 2 Mô hình kênh theo L.Schumacher, 2002 [79]

Theo Schumacher [79] thì có hai dạng mô hình kênh MIMO: đó là mô hình kênh xác định
và mô hình kênh ngẫu nhiên như trong hình 2. Mô hình xác định dựa trên các mô tả chính xác
của một môi trường truyền sóng cụ thể. Trong khi đó mô hình ngẫu nhiên thì không dựa vào
đặc tả của môi trường nào mà tái lập các hiện tượng quan sát được (phản xạ, nhiễu xạ..) bằng
các giá trị thống kê. Do vậy nó phản ánh môi trường một cách gián tiếp. Mô hình ngẫu nhiên
được chia ra 3 trường hợp là mô hình ngẫu nhiên dựa trên đặc tính hình học GBSM
17


(Geometrically-Based Stochastic Models), mô hình ngẫu nhiên tham số PSM (Parametric
Stochastic Models) và mô hình ngẫu nhiên dựa trên tương quan CBSM (Correlation-based
stochastic models).
Mô hình hình học GBSM giả thiết phân bố ngẫu nhiên của các dạng tán xạ xung quanh bên
phát và bên thu. Mô hình kênh có được từ vị trí các điểm tán xạ dựa vào các nguyên lý vật lý
của hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ của sóng điện từ. Hình dạng của cụm tán xạ sẽ cho ta
dạng môi trường phủ sóng. Thông thường vùng phủ sóng lớn sẽ được mô phỏng cho trường
hợp các dạng tán xạ xung quanh thiết bị di động, vùng phủ sóng nhỏ liên quan đến hình ellipse.
Mật độ tán xạ sẽ tạo thành các cụm tán xạ là các bộ thông số biết trước cho người dùng để
đảm bảo mô phỏng là tin cậy với môi trường đó. Dạng tán xạ được phân bố đều theo dạng
vòng tròn xung quan thiết bị di động tạo ra dạng phổ Clarke’s Doppler. Mô hình kênh tán xạ
một vòng tròn Onering hoặc hai vòng tròn Tworing hay mô hình Ellipse là các mô hình kênh
hình học. Phương pháp tiếp theo là PSM - có thể loại bỏ hoàn toàn tán xạ khỏi việc tổng hợp
mô hình, khi đó các thành phần đa đường truyền không liên quan tới tán xạ nhưng lại tạo ra
một miền các giá trị thông số mà người ta gọi là mô hình tham số ngẫu nhiên. Cách thực hiện
chung cho mô hình này là tạo ra các trễ đường truyền và các đáp ứng xung, mỗi xung là một
đường truyền. Một dạng mô hình tham số thống kê PSM là mô hình kênh phân tập không gian

SCM sử dụng bộ tham số các góc tới AoA (Angle of Arrival) và các góc đi AoD (Angle of
Departure). Mô hình dựa trên đặc tính tương quan CBSM giả thiết hệ số kênh có đặc tính
moment bậc 1 và bậc 2 là phân bố Gauss phức. Giả thiết tương quan không gian giữa các phần
tử anten là kết quả của các tán xạ trong khu vực của cụm tán xạ đó, ta có các hệ số tương quan
kênh là độc lập tại các đầu cuối đường truyền. Tức là, tương quan bên thu thì độc lập với bên
phát.
Mô hình đo

Mô hình hình học

Mô hình hình học

Kênh thực tế

Mô hình tham chiếu

Đo đạc, thông báo dữ liệu

Mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng

Hình 3 Mô hình kênh theo M.Patzold, 2002 [73]
18


Tác giả Patzold [73] chia kênh MIMO thành mô hình kênh hình học và mô hình kênh đo đạc
như trong hình 3. Mô hình hình học được gán với mô hình tham chiếu gần sát điều kiện thực
tế, trong khi đó mô hình đo chính xác nhưng thông số lớn phức tạp và phải tìm ra các kịch bản
(môi trường) điển hình. Tác giả Patzold cũng thực hiện mô hình hình học [53], [72], [88] và

mô hình đo đạc cho các kênh vô tuyến trong không gian [74], [52] và cho các hệ thống thông
tin thuỷ âm [63], [64].
Như vậy, tổng hợp từ các phân loại mô hình kênh MIMO trên, ta có thể xếp mô hình một
vòng tròn Onering là mô hình ngẫu nhiên dựa trên đặc tính hình học, còn mô hình kênh không
gian SCM là dạng mô hình tham số đo đạc. Các mô hình kênh tán xạ một vòng tròn Onering
hay mô hình kênh phân tập không gian SCM được mô phỏng dựa trên việc từng đường truyền
là hàm tổng của các đường tín hiệu thành phần, đặc trưng cho từng sóng tới riêng rẽ bên thu.
Kỹ thuật mô hình hóa các đường tín hiệu tới có nhiều ưu điểm trong đó phải kể đến hàm
tương quan không gian chéo giữa các phần tử anten bên phát/bên thu và các hàm tự tương quan
trên miền thời gian và tần số. Đặc tính tương quan của mô hình kênh được đánh giá trên các
miền tần số, thời gian và không gian. Tương quan trên miền thời gian mô tả sự chuyển động
của các tín hiệu fading hay là sự chuyển động có chu kỳ của mẫu tín hiệu khi anten di chuyển.
Ảnh hưởng của việc mã hóa, quá trình chèn bit hay điều khiển vòng lặp ảnh hưởng lớn đến loại
tương quan này. Tương quan tần số mô tả các kênh truyền là chọn lọc về tần số do ảnh hưởng
bởi độ rộng băng kết hợp của kênh dẫn đến thay đổi các mức tín hiệu. Tương quan không gian
mô tả tương quan giữa các phần tử anten bên phát và bên thu. Mối tương quan bên phát và bên
thu có thể làm thay đổi hiệu năng của hệ thống MIMO. Điều này là quan trọng để định lượng
ảnh hưởng của tương quan cho việc thiết kế các hệ thống MIMO.
Tác giả [16] đã so sánh hai mô hình kênh tham số PSM và mô hình kênh dựa trên đặc tính
tương quan để thấy ở mức hệ thống hai mô hình này có hàm tương quan giống nhau do vậy có
thể thay thế cho nhau. Mô hình kênh SCM là mô hình tham số đo đạc, được tổ chức 3GPP đề
xuất [1], [4], [71] mặt khác SCM cũng được nghiên cứu về dung lượng [70] hay hiệu năng [11]
hệ thống MIMO. Mô hình ngẫu nhiên hình học một vòng tròn Onering đầu tiên theo phương
pháp mô phỏng Monte Carlo do Shan và Foschini [80] đề xuất, Patzold và nhóm cộng sự tiếp
tục mở rộng Onering cho chuẩn HiPERLAN/2 [99] hay trong điều kiện tán xạ không đẳng
hướng [55] hoặc cho các ứng dụng di động- di động M2M (mobile to mobile) trên các kênh
fading Rice [95]. Như vậy, vấn đề mở trong các phương pháp mô hình kênh là chưa có sự so
sánh giữa hai phương pháp mô hình GBSM và phương pháp mô hình PSM: liệu trong điều
kiện và môi trường truyền dẫn nào thì hai phương pháp mô hình này có thể thay thế cho nhau.
Từ việc so sánh hai phương pháp mô hình kênh trên (A), các vấn đề mở tiếp theo luận án có

19


thể xét đến là: (B) Các bài toán tối ưu hệ thống ở lớp vật lý với sự liên hệ về các đặc tính tương
quan của kênh truyền với chất lượng hệ thống. Tiếp theo là vấn đề mở (C) ta tính đến tác động
tương quan không gian đối với lớp MAC để đánh giá hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDMA.
Cuối cùng là vấn đề mở (D) các đề xuất sử dụng các tổ hợp mã hoá cho hệ thống đa người sử
dụng MIMO-OFDMA trên hai phương pháp mô hình kênh đã xét dưới tác động của tương
quan không gian. Như vậy, NCS sẽ thực hiện khảo sát, so sánh các phương pháp mô hình kênh
và đánh giá ảnh hưởng của tương quan không gian đến hiệu năng hệ thống MIMO-OFDMA
trong toàn bộ nội dung của luận án.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Từ các nghiên cứu tổng quan và các vấn đề mở như đã trình bày trong lí do lựa chọn đề tài,
luận án đi theo hướng tiếp cận như trình bày trong hình 4.
Theo vấn đề mở (A), hướng tiếp cận 1 luận án xây dựng mô hình kênh MIMO băng rộng
phù hợp với chuẩn LTE-A. Các mô hình được xét là phương pháp mô hình một vòng tròn
Onering và phương pháp mô hình tham số đo đạc kênh không gian của 3GPP. Luận án so sánh
hai mô hình kênh với cùng điều kiện đầu vào và cùng hệ trục đo. Dưới tác động ảnh hưởng của
hệ số tương quan không gian với khoảng cách anten bên phát và bên thu thay đổi thì các hàm
tương quan không gian chéo của hai mô hình có sự dịch chuyển đặc biệt trong trường hợp
anten bên phía trạm gốc. Luận án phân tích, đề xuất khả năng ứng dụng của các phương pháp
mô hình kênh cho hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA.
Kết quả tương quan không gian trên mô hình tham số đo đạc SCM của luận án được so
sánh với tác giả Cheng-Xiang [16] với cùng khoảng cách anten bên phát. Hai dạng đồ thị
tương quan không gian của luận án và bài báo [16] là hoàn toàn giống nhau tại các điểm cực
tiểu, do vậy kết quả mô phỏng của luận án có thể tin cậy được.
Theo vấn đề mở (B), hướng tiếp cận 2 của luận án là đề xuất phương pháp đánh giá chất
lượng hệ thống ở lớp vật lý bằng việc sử dụng các phương pháp mã hóa phân tập trong điều
kiện kênh có sự thay đổi tương quan bên phát và bên thu. Ảnh hưởng của đặc tính tương quan
tới chất lượng hệ thống được đánh giá thông qua các bộ tham số khoảng cách anten tối ưu.

Theo vấn đề mở (C), hướng tiếp cận 3 của luận án là kết hợp giải pháp mã hóa không gianthời gian- tần số lớp vật lý và cấp phát kênh động trên lớp MAC để xét đến ảnh hưởng của
tương quan không gian đối với lớp MAC của hệ thống MIMO-OFDMA cho trường hợp đồng
bộ giữa bên thu và bên phát là hoàn hảo. Dựa trên hai phương pháp mô hình kênh đã khảo sát
đặc tính tương quan không gian, luận án khảo sát hiệu năng của hệ thống trong trường hợp
tăng số người dùng và tăng số ký tự trong khung MAC ở lớp MAC.
20


Phân tích và lựa
chọn mô hình kênh

Xác định đặc tính
tương quan kênh
MIMO trên mô hình
kênh lựa chọn

Lớp vật lý: Triển khai
các phương pháp
mã khối không gian

Lớp MAC: Kết hợp
thuật toán cấp phát
kênh động

Hình 4 Hướng tiếp cận nghiên cứu của luận án
Theo vấn đề mở (D) hướng tiếp cận 4 của luận án là đề xuất sử dụng các tổ hợp mã hoá cho
hệ thống đa người sử dụng MIMO-OFDMA trên hai phương pháp mô hình kênh đã xét dưới
tác động của tương quan không gian nhằm nâng cao chất lượng kênh truyền.
1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô hình kênh MIMO và ảnh hƣởng của đặc
tính tƣơng quan không gian kênh truyền đến chất lƣợng hệ thống MIMO-OFDMA

Trong [99] nhóm tác giả Zhang và các cộng sự đã khảo sát đặc tính tương quan của mô hình
kênh tán xạ một vòng tròn Onering và hai vòng tròn Tworing [54] theo sự thay đổi các phần tử
anten bên phát và bên thu theo chuẩn mạng cục bộ chất lượng cao HiPERLAN/2. Nhiều nghiên
cứu đã so sánh các mô hình kênh thống kê ngẫu nhiên khác nhau như SCM và SCME [60] hay
Kronecker [44]. Các đặc tính tương quan sử dụng để đánh giá dung lượng và tối ưu tín hiệu
được nghiên cứu trong [91].
Trong [16] nhóm tác giả Cheng-Xiang và các cộng sự đã đưa ra các hàm tương quan không
gian cho cả hai bên thu phát trong mô hình kênh tham số đo đạc không gian SCM và thực hiện
so sánh đặc tính tương quan của mô hình SCM và mô hình tương quan dựa trên phép toán
Kronecker. Việc đưa ra và khảo sát các đặc tính tương quan của nhóm Cheng-Xiang chưa đánh
giá cụ thể trong quá trình phát/thu với sự thay đổi khoảng cách các phần tử anten hai bên thu
phát. Đặc tính tương quan của mô hình còn có thể được khảo sát theo các phân bố đối với các
góc tới AoA và các góc đi AoD như các phân bố Uniform, Laplace, Bessel hay Gauss.
Nhóm tác giả trong [58] đưa ra ảnh hưởng của các góc phân bố lên các hàm tương quan nói
chung. Các hàm tương quan bên phát/thu lúc này được đưa về các công thức gần đúng theo các

21


dạng phân bố. Tài liệu [58] là công cụ để chuyển đổi, biểu diễn các góc theo các hàm phân bố
trong quá trình xây dựng các công thức tương quan.
Nhóm tác giả [19], [27], [29], [56] nghiên cứu và so sánh các mã hóa khối thời gian không
gian STBC (Space-time block coding) và mã hóa khối tần số không gian SFBC (Spacefrequency block coding) trong hệ thống đa anten phát đa anten thu MIMO-OFDM. Việc mô
phỏng các mô hình kênh theo các chuẩn truyền dẫn cũ không đáp ứng yêu cầu các kênh băng
rộng đặt ra. Đồng thời tác giả cũng chưa nghiên cứu các vấn đề tương quan không gian trong
hệ thống khi thay đổi khoảng cách các phần tử anten. Nhóm tác giả trong [39], [50] thực hiện
mã hóa khối tần số không gian SFBC trên các hệ thống MISO, MIMO-OFDM kênh chuyển
tiếp hai chiều và triệt nhiễu và ước lượng kênh bằng các chuỗi tín hiệu dẫn đường. Tuy nhiên
chưa có nhóm kết quả liên quan đến mã hóa SFBC trong mô hình kênh phân tập không gian
SCM trên hệ thống có ảnh hưởng của tương quan không gian trong hệ thống MIMO-OFDM.

Nhóm tác giả [89] mô phỏng kỹ thuật mã hóa lớp đứng thời gian không gian VBLAST trên
trên các kênh fading Raylengh, thực hiện so sánh giải thuật VBLAST với các phương pháp cân
bằng kênh và khảo sát cho các hệ thống nhiều anten thu/phát. Nhóm tác giả [47] khảo sát dung
lượng và thời gian thực trên hệ thống đa truy nhập MIMO-OFDMA với giải thuật lớp thời gian
không gian BLAST (Bell Laboratories Layered Space-Time) theo chuẩn LTE.
Nhóm tác giả [42] nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDMA dựa trên đề xuất cấp phát kênh
động theo mức ngưỡng là tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Trong bài này, tác giả đưa vào hai phương
pháp tách sóng ép không ZF (Zero- forcing) và bình phương tối thiểu trên các kênh fading
Rayleigh. Nhóm tác giả trong [43] đề xuất phương pháp cấp phát kênh động cho mạng di động
có kiến trúc nhiều ô và tái sử dụng tần số với công nghệ đa truy nhập MIMO-OFDMA.
Phương pháp cấp phát kênh kết hợp kỹ thuật tiền mã hóa có sử dụng thông tin vị trí của thuê
bao để dự đoán nhiễu đồng kênh để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần và hạn chế tốc độ bít
của kênh hồi tiếp.
Luận án kế thừa các hàm tương quan của mô hình tham số đo đạc chuẩn LTE-A [16], mô
hình hình học một vòng tròn chuẩn HiPERLAN/2 [99] và thực hiện so sánh hai mô hình này
theo chuẩn LTE-A có cùng điều kiện đầu vào và cùng hệ trục đo quy chuẩn. Việc so sánh này
theo hiểu biết của NCS là chưa từng được công bố trên các tài liệu trong nước và quốc tế. Luận
án cũng kế thừa phương pháp cấp phát kênh động với bộ cân bằng ZF và MMSE của tác giả
Khương [42], từ đó, luận án đề xuất sử dụng tổ hợp mã hoá cho hệ thống MIMO-OFDMA có
tác động của tương quan. Với tổ hợp đề xuất, hiệu năng của hệ thống MIMO-OFDMA có ảnh
hưởng của tương quan không gian đạt được tốt hơn và độ phức tạp của thuật toán thấp hơn.

22


1.5 Các vấn đề giải quyết của luận án
Luận án đã tập trung vào 4 hướng tiếp cận từ 4 vấn đề mở như đã phân tích ở trên. Với
hướng tiếp cận 1: luận án khảo sát hàm tương quan không gian của hai phương pháp mô hình
kênh hình học một vòng tròn và mô hình tham số đo đạc không gian SCM bằng cách thay đổi
khoảng cách các phần tử anten bên phát và thu. Từ đó luận án thực hiện so sánh hàm tương

quan không gian chéo của mô hình hình học một vòng tròn Onering mở rộng với mô hình tham
số đo đạc không gian SCM để thấy mô hình tham số đo đạc không gian SCM là trường hợp
tổng quát, phức tạp hơn. Mặt khác điều này dẫn tới mô hình hình học đơn giản có thể thay thế
cho mô hình tham số đo đạc nếu hai phương pháp mô hình kênh có cùng điều kiện đầu vào và
trạm anten bên phía BS là vuông góc và thẳng đứng với phương nối tâm của hai hệ anten bên
thu và bên phát.
Với hướng tiếp cận 2, khi thay đổi khoảng cách anten, luận án sử dụng các phương pháp mã
khối và kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian thời gian trên các mô hình kênh có ảnh hưởng của
tương quan không gian vào hệ thống đa anten phát/thu MIMO-OFDM. Hiệu năng hệ thống tốt
lên, đặc biệt là khi tăng khoảng cách phần tử anten bên trạm gốc BS. Các tham số khoảng cách
anten tối ưu bên phía trạm thu phát gốc là 10 (hoặc 11 ) và bên phía thiết bị di động là 0.5 .
Với mục đích là giảm tỉ lệ lỗi ký tự của hệ thống, mã hóa không gian tần số SFBC trong hệ
thống đạt được hiệu năng tốt hơn so với các mã không gian thời gian STBC. SFBC ít chịu ảnh
hưởng của tương quan không gian nhất so với STBC và VBLAST.
Với hướng tiếp cận 3: Với giả thiết đồng bộ bên phát thu là hoàn hảo, luận án sử dụng giải
thuật lớp đứng thời gian không gian VBLAST-ZF, SFBC-VBLAST-ZF và SFBC-ZF để khảo
sát hiệu năng của hệ thống có ảnh hưởng của tương quan không gian MIMO-OFDMA. Dựa
vào hai phương pháp mô hình kênh, số lượng người dùng cũng như số ký tự trong khung MAC
khi sử dụng các giải thuật được khảo sát và phân tích trong hệ thống.
Cuối cùng, với hướng tiếp cận 4: luận án đề xuất tổ hợp mã hóa tần số không gian kết hợp
tách sóng bình phương tối thiểu SFBC-MMSE cho hệ thống MIMO-OFDMA đã xét. So sánh
với tổ hợp SFBC-VBLAST-ZF, tổ hợp SFBC-MMSE có kết quả tốt hơn đồng thời phương
pháp mã hóa đơn giản hơn và số lượng các phép toán thực hiện nhỏ hơn.
Trong hệ thống MIMO-OFDMA việc đánh giá hiệu năng hệ thống trên các kênh không gian
tương quan sẽ được tính toán thông qua tỷ lệ lỗi ký tự SER (Symbol Error Rate) tại khối giải
điều chế QAM-64 của hệ thống như hình 5.

23

Dữ liệu
nguồn

IFFT

Điều chế
QAM-64

DCA

STBC
IFFT

SER

Dữ liệu
nguồn

Giải điều
chế
QAM-64

Gán mẫu
dữ liệu

Thông
Thông số
số mô
mô hình
hình kênh

kênh

DCA

Giải mã
STBC +
cân bằng
kênh

FFT
FFT

Tách
mẫu dữ
liệu

Hình 5 Cách đánh giá hiệu năng hệ thống trong luận án
Các đóng góp chính của luận án có thể được tóm lược như sau:
Đóng góp 1: So sánh, đánh giá hiệu năng và khả năng ứng dụng của phƣơng pháp mô hình
kênh tham số đo đạc không gian SCM và phƣơng pháp mô hình kênh hình học dựa trên tán xạ
một vòng tròn (Onering Channel Model) cho hệ thống thông tin di động băng rộng. Từ đó luận
án đƣa ra các trƣờng hợp sử dụng mô hình kênh Onering thay thế cho mô hình kênh SCM.

Luận án so sánh hai phương pháp mô hình kênh đa anten phát/ thu cho hệ thống thông tin vô
tuyến băng rộng MIMO với các tham số và đặc tính kênh đo được theo chuẩn LTE-A:
- Hai mô hình kênh truyền đều sử dụng chung kết quả đo đạc về hàm công suất trễ của kênh,
trải trễ lớn nhất.
- Các điều kiện đầu về hướng góc anten phát và thu so với phương chuyển động là giống nhau
trên cùng hệ trục đo.
Kết quả so sánh của luận án:

Điểm giống nhau hai mô hình kênh:
Cả hai mô hình kênh đều cho kết quả hàm tương quan là giống nhau, nếu như các điều kiện
đầu là giống nhau, cụ thể các tham số của hàm Onering được tính toán phù hợp với kết quả đo
đạc ở mô hình SCM. Điều này chứng tỏ hai mô hình kênh đều có thể được ứng dụng thực tế.
Điểm khác nhau:
-Về khả năng ứng dụng:
Phương pháp mô hình kênh SCM được xây dựng trên kết quả đo đạc, do vậy việc ứng dụng
phương pháp này là khả thi trong mọi điều kiện môi trường truyền dẫn thực tế. Vấn đề là công
đo đạc và cần nhiều hơn 02 tham số tự do để mô hình hệ thống so với phương pháp Onering.
24


Phương pháp Onering không áp dụng được trong mọi môi trường truyền dẫn mà cần có điều
kiện ràng buộc để mô hình kênh, cụ thể khoảng cách giữa MS và BS là D phải lớn hơn rất
nhiều bán kính vòng tròn R. Bán kính vòng tròn R lại được tính toán dựa trên trải trễ lớn nhất
của tín hiệu. Do vậy trong những điều kiện truyền dẫn như ở các điều kiện địa hình nông thôn,
miền núi, trải trễ có thể rất lớn, dẫn đến điều kiện ràng buộc để xây dựng mô hình không phù
hợp, và khi đó mô hình hình tròn không thể biểu diễn được tất cả các đường tán xạ. Khi đó
không thể áp được các điều kiện đầu cho hai mô hình kênh giống nhau, cũng như là không thể
sử dụng mô hình Onering để thay thế mô hình kênh SCM.
-Về độ tính toán phức tạp và độ chính xác của hai phương pháp:
Phương pháp mô hình kênh SCM rõ ràng là phức tạp và mất nhiều công sức hơn. Để đo
bằng thực nghiệm các điểm tán xạ để mô hình kênh thì cần nhiều hơn 2 tham số tự do là các
góc lệch của đường truyền thành phần thứ

của đường truyền chính thứ . Trong khi đó mô

hình kênh Onering chỉ cần đo đạc về hàm công suất trễ của kênh. Tuy nhiên trong một số
trường hợp thì không thực hiện được vì việc giả thuyết các điểm tán xạ trên vòng tròn không

mô tả hết được các điểm tán xạ thực tế. Các mô hình toán học và tính toán bằng mô hình vòng
tròn là đơn giản hơn so với SCM.
Phương pháp Onering là sử dụng được và khả tín khi các điều kiện đầu được xây dựng đúng
như với phép đo thực tế và các điều kiện giả thuyết về trễ truyền dẫn tối đa là không quá lớn so
với trễ truyền dẫn của đường truyền trực tiếp. Khi các điều kiện này không thỏa mãn thì việc
sử dụng Onering là không phù hợp.
Kết luận 1: Các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng của hai phương pháp mô hình kênh
hình học Onering và mô hình kênh không gian SCM đều cho ta những bộ tham số tối ưu bên
bên phía thiết bị di động MS và phía trạm gốc BS lần lượt như sau:
. Với bộ tham số kênh truyền này luận án đề xuất sử dụng mô hình kênh Onering
khi hệ anten bên phát và bên thu là thẳng đứng và vuông góc với phương nối tâm bên phát/thu
vì phương pháp mô phỏng Onering không yêu cầu đo đạc các tham số cụm tán xạ và thực hiện
phương pháp đơn giản có ít hơn 2 tham số so với phương pháp SCM.
Kết luận 2: Khi so sánh với cùng điều kiện đầu và so sánh tham số hệ thống và kênh truyền thì
đặc tính tương quan của hai mô hình là gần giống nhau, đặc biệt là trong trường hợp dàn hai
anten trạm gốc là vuông góc đường nối tâm hai hệ anten. Vì vậy trong trường hợp này thì luận
án đề xuất sử dụng mô hình Onering vì tính chất đơn giản của nó. Trong trường hợp các anten
bên phía trạm gốc dịch chuyển thì các hàm tương quan có sự dịch chuyển đối với nhau, khi đó
luận án đề xuất sử dụng mô hình SCM vì tính chất gần thực tế do sử dụng nhiều bộ tham số mô
phỏng.
25