Nghiên cứu các kỹ thuật đồng bộ và ước lượng kênh trong hệ thống nhiều người sử dụng MIMO OFDMA

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... 4
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .......................................................................................... 6
DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................................ 7
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ................... 11
1.1 Tổng quan ............................................................................................................... 11
1.1.1 Tổng quan về kênh truyền ..................................................................................... 11
1.1.2 Kênh vô tuyến: ...................................................................................................... 14
1.1.2.1 Suy hao đường dẫn: ........................................................................................... 15
1.1.2.2 Hiệu ứng fading ................................................................................................. 18
1.1.2.3 Hiệu ứng màn chắn (shadowing) ....................................................................... 22
1.1.2.4 Đặc tính thời gian, tần số ................................................................................... 23
1.2 Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO ..................................................................... 24
1.2.1 Mô hình hệ thống MIMO ...................................................................................... 25
1.2.2 Hệ thống OFDM ................................................................................................... 28
1.2.3 Hệ thống MIMO – OFDM. ................................................................................... 34
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ KÊNH TRONG HỆ THỐNG
OFDM, OFDMA .......................................................................................................... 36
2.1 Đồng bộ trong OFDM ............................................................................................ 36
2.1.1 Nhận biết khung .................................................................................................... 37
2.1.2 Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE ............................................................ 39
2.1.2.1 Ước lượng phần thập phân ................................................................................. 40
2.1.2.2 Ước lượng phần nguyên ..................................................................................... 41
2.1.3 Bám đuôi lỗi thặng dư ........................................................................................... 43

1

2.2 Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA ....................................................................... 44
2.2.1 Các giao thức OFDMA ......................................................................................... 45
2.2.2 Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con ........................................................ 47
2.2.3 Phương pháp ghép (Duplexing) ............................................................................ 53
2.2.4 Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA ............................ 54
CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG
HỆ THỐNG MIMO, OFDM....................................................................................... 57
3.1 Ƣớc lƣợng kênh trong hệ thống OFDM ............................................................... 57
3.1.1 Ước lượng 1D ....................................................................................................... 57
3.1.1.1 Phương pháp ước lượng bình phương ít nhất (least squares estimation) ........... 57
3.1.1.2 LMMSE (least minimum mean square error) .................................................... 60
3.1.2 Ước lượng 2D ....................................................................................................... 64
3.1.3 Ước lượng thích nghi ............................................................................................ 65
3.1.4 Nội suy .................................................................................................................. 66
3.2 Ƣớc lƣợng kênh trong hệ thống MIMO ............................................................... 67
3.2.1 Tổng quan phương pháp đồng bộ kênh sử dụng chuỗi training ........................... 68
3.2.1.1 Phương pháp ước lượng Least Squares.............................................................. 69
3.2.1.2 Phương pháp ước lượng MAP ........................................................................... 70
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG KÊNH LEAST SQUARED VÀ
CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB ............................................................. 73
4.1 Bộ ƣớc lƣợng kênh Least Squares: ....................................................................... 73
4.2 Mô phỏng bộ ƣớc lƣợng kênh Least Squares ...................................................... 76
CHƢƠNG 5: CHƢƠNG TRÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH .. 84
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 88
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 103

2

LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong viện Điện
tử - Viễn thông, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường tốt
để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong Viện
Đào Tạo Sau Đại Học, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho các
học viên có điều kiện học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo
TS. Nguyễn Quốc Khương đã quan tâm, tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa chữa
cho nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn là công trình tìm hiểu và nghiên
cứu của riêng tôi, ngoài các đoạn trích dẫn và tài liệu tham khảo trong luận văn thì
các kiến thức mà tôi nghiên cứu tìm hiểu được là của riêng tôi. Tất cả đều được tôi
thực hiện cẩn thận và có sự định hướng của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung có trong luận văn này.
Hà Nội, ngày 9 tháng 9 năm 2013
Học viên
Nguyễn Anh Quyền

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

SNR
STC
STBC
STTC

Additive White Gaussian
Noise

Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Channel Impulse Response
Channel Frequency Response
Channel State Information
Fast Fourier Transform
Horizontal Layered Space Time
Horizontal Layered Space Time
Code
Inverse Fast Fourier Transform
Inter Symbol Interference
Linear Minimum Mean Square
Error
Line-Of-Sight
Layered Space Time
Layered Space Time Code
Maximum a Posteriori
Multiple Input Multiple Output
Maximum Likelihood
Maximum Likelihood
Sequence Estimation
Minimum Mean Square Error
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude
Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Ỏrthogonal frequency-division
multiplexing

Signal-to-Noise Ratio
Space Time Code
Space Time Block Code
Space Time Trellis Code

STS
SVD
TLST

Space Time Spreading
Singular Value Decomposition
Threaded Layered Space Time

BER
BPSK
CIR
CFR
CSI
FFT
HLST
HLSTC
IFFT
ISI
LMMSE
LOS
LST
LSTC
MAP
MIMO
ML

MLSE
MMSE
OFDM
PSK
QAM
QPSK
OFDM

Nhiễu trắng cộng Gaussian
Tỷ số lỗi bit
Điều biến pha nhị phân
Đáp ứng xung kênh
Đáp ứng tần số kênh
Thông tin trạng thái kênh
Biến đổi Fourier nhanh
Không gian Thời gian theo tầng ngang
Lập mã không gian thời gian theo tầng
Biến đổi Fourier nhanh ngược
Nhiễu xuyên ký tự
Bình phương lỗi tối thiểu tuyến tính
Đường nhìn thằng
Không gian thời gian theo tầng
Mã hóa không gian thời gian theo tầng
Tối đa hóa hậu nghiệm
Đa đầu vào – đa đầu ra
Phương pháp chọn giá trị tối đa
Phương pháp ước lượng chọn chuỗi giá
trị tối đa
Bình phương lỗi tối thiểu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực

giao
Điều biến pha
Điều biên vuông góc
Điều biến pha vuông góc
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Mã hóa không gian thời gian
Mã hóa không gian thời gian kiểu khối
Mã hóa không gian thời gian thời gian
kiểu dàn
Phân bố không gian thời gian
Phân tích giá trị riêng
Không gian thời gian phân tầng kiểu ren

4


TLSTC
OFDMA
VLST
VLSTC
ZF
LS
MSE

Threaded Layered Space Time
Code
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access

Vertical Layered Space Time
Vertical Layered Space Time
Code
Zero Forcing
Least square
Mean Square Error

Lập mã không gian thời gian phân tầng
kiểu ren
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao
Không gian thời gian phân tầng ngang
Lập mã không gian thời gian phân tầng
ngang
Ép không
Bình phương tối thiểu
Lỗi bình phương trung bình

5


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1: Bảng số liệu mô phỏng phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh Least Squares với các
phƣơng pháp điều chế BPSK, QPSK và đồng bộ kênh MMSE, ZF ............................. 78
Bảng 2: Bảng dữ liệu mô phỏng hệ thống MIMO 2x2 sử dụng phƣơng pháp điều chế
BPSK, ƣớc lƣợng kêng Least Square,đồng bộ kênh MMSE với các tỷ lệ pilot trên
data khác nhau: .................................................................................................................. 82

6

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến ...................................................................11
Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1]) ............................12
Hình 1.3: Mô hình hình học để tính toán trong mô hình hai tia .....................17
Hình 1.4: Truyền dẫn đa đường .....................................................................18
Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu .........................................................................21
Hình 1.6: Hệ thống MIMO .............................................................................25
Hình 1.7: Dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. ....................28
Hình 1.8: Sơ đồ hệ thống OFDM ....................................................................29
Hình 1.9: Phổ tín hiệu OFDM và FDM .........................................................31
Hình 1.10: Mô hình OFDM khi chèn pilot .....................................................33
Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ thống MIMO – OFDM ..........................................34
Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM .....................................................37
Hình 2.2 Nhận biết khung truyền....................................................................37
Hình 2.3: Tương quan theo chuỗi PN .............................................................39
Hình 2.4 OFDM ..............................................................................................45
Hình 2.5 OFDMA ...........................................................................................45
Hình 2.6 Cấu trúc sóng mang con OFDMA ...................................................47
Hình 2.7 Kênh con phân tập tần số DL...........................................................48
Hình 2.8 Mô hình AMC ..................................................................................49
Hình 2.9 Cấu trúc tỉ lệ cho UL PUSC.............................................................49
Hình 2.10 Bảng tần sô thời gian của OFDMA ...............................................50
Hình 2.11 OFDM và OFDMA ........................................................................51
Hình 2.12 Mô tả về FDD và TDD ..................................................................53
Hình 3.1: Thực hiện ước lượng LS .................................................................58
Hình 3.2: Thực hiện thuật toán nội suy FIR ...................................................60
Hình 3.3: Thực hiện ước lượng LMMSE .......................................................63
Hình 3.4: Thực hiện ước lượng 2D đơn giản ..................................................65
Hình 4.1: Kiến trúc máy phát trong mô phỏng ...............................................76

Hình 4.2: Kiến trúc máy thu trong mô phỏng .................................................76
Hình 4.3: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF
equalizer, BPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số ...........................79
Hình 4.4: Ảnh hưởng của hiệu ứng chọn lọc tần số tới hệ thống MIMO 2x2
sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, BPSK modulator .................79
Hình 4.5: Hệ thống MIMO 2x2 sử dụng LS estimator, MMSE & ZF
equalizer, QPSK modulator, mô hình kênh chọn lọc tần số ...........................80

7


Hình 4.6: Ảnh hưởng của hiện tượng chọn lọc tần số lên hệ thống MIMO 2x2
sử dụng LS estimator, MMSE & ZF equalizer, QPSK modulator .................81
Hình 4.7: So sánh hoạt động của LS estimator với MMSE & ZF equalizer,
QPSK & BPSK modulator trong hệ thống MIMO .........................................81
Hình 4.8: Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 2x2 sử dụng đồng bộ kênh
MMSE, ước lượng kênh LS, điều chế BPSK với tỷ số Pilot trên Data khác
nhau. ................................................................................................................83
Hình 5.1: Chương trình truyền dữ liệu............................................................84
Hình 5.2: Chương trình nhận dữ liệu ..............................................................85
Hình 5.3: Tín hiệu phát ...................................................................................85
Hình 5.4: Chòm sao điều chế 16 mức .............................................................86
Hình 5.5: Phổ của tín hiệu khi chèn khoảng bảo vệ .......................................86
Hình 5.6: Nội dung truyền ..............................................................................87
Hình 5.7: Nội dung nhận được........................................................................87

8


PHẦN MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu
Trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan
trọng và không thể thiếu được. Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp
con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học
kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Trước nhu cầu ngày càng cao cả về chất lượng,
dung lượng và tính đa dạng của khách hàng trong khi tài nguyên băng thông giới
hạn, các dịch vụ viễn thông đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại
ứng dụng các công nghệ tiên tiến. Một trong số những công nghệ hiện nay đang
được thế giới nghiên cứu và ứng dụng trong các thế hệ thông tin không dây tiếp
theo là công nghệ MIMO.
2. Lý do chọn đề tài
Trong hệ thống thông tin không dây tín hiệu truyền dẫn bị ảnh hưởng rất
mạnh mẽ bởi kênh truyền. Mặt khác kênh truyền lại không biết trước. Do đó yêu
cầu cần thiết là phải ước lượng và cân bằng kênh để tách được tín hiệu truyền dẫn.
Chất lượng của ước lượng kênh và cân bằng kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất
lượng của hệ thống thông tin.
Vì vậy, em quyết định chọn đề tài này để nâng cao hiểu biết về các kỹ thuật
đông bộ và ước lượng kênh truyền và hi vọng sau này có thể phát triển thêm các
ứng dụng về các công nghệ này trong tương lai.
3. Mục đích chọn đề tài
Nghiên cứu này chỉ ra được các kỹ thuật đồng bộ và ước lượng kênh trong hệ
thống MIMO,OFDM, OFDMA để tận dụng được nguồn tài nguyên băng thông
đang ngày càng hạn hẹp.
4. Phạm vi nghiên cứu
Để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng, đối tượng nghiên cứu dựa trên nền tảng

9


kiến thức về lý thuyết về kỹ thuật đồng bộ, ước lượng kênh truyền trong hệ thống

MIMO, OFDM, OFDMA và các vấn đề có liên quan đến đề tài.
5. Nội dung luận văn
Nội dung đề tài có cấu trúc như sau:
Phần mở đầu.
Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin vô tuyến.
Chương II: Các phương pháp đồng bộ kênh trong hệ thống OFDM, OFDMA.
Chương III: Các phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO,
OFDM.
Chương IV: Phương pháp ước lượng kênh Least squared.
Chương V: Chương trình truyền dữ liệu giữa hai máy tính.
Kết luận đã đạt được và hướng phát triển.

10


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG
TIN VÔ TUYẾN
1.1.

Tổng quan

1.1.1 Tổng quan về kênh truyền

Hình 1.1: Mô hình kênh vô tuyến
Định nghĩa các đặc điểm của kênh vô tuyến là các biến của ảnh hưởng kênh
truyền theo thời gian và tần số. Mô hình kênh truyền vô tuyến thường được phân
chia thành hai loại:


Large scale fading: Trong loại này, độ suy giảm trên đường truyền

của tín hiệu được mô hình bằng một hàm của khoảng cách và bị che chắn
bằng các đối tượng lớn như tòa nhà và đồi núi. Điều này xảy ra khi chúng ta
xem xét khi thiết bị di động chỉ di chuyển trong khoảng cách nhỏ thuộc phạm

11


vi kích thước của một cell và đặc trưng là không phụ thuộc tần số.



Small scale fading: chúng ta xem xét những nhiễu có tính tích cực
và tiêu cực của đường dẫn đa tín hiệu giữa máy phát và máy thu. Điều này có
thể xảy ra tại các vùng không gian trong phạm vi của chiều dài bước sóng
sóng mang, và là phụ thuộc vào tần số.

Gói tin
Bit
Kênh số
Số/Tương tự

Tương tự/Số

Tín hiệu băng tần cơ sở

Tín hiệu băng tần cơ sở

Điều chế

Giải Điều chế

Kênh điều chế

IF/RF

IF/RF

Kênh truyền
dẫn
Kênh vô tuyến
Anten

Anten

Hình 1.2: Bốn mô hình kênh trong truyền thông (theo [1])
Mục đích của truyền thông vô tuyến là truyền dẫn tín hiệu xuyên qua kênh
vô tuyến. Vì thế chúng ta phải hiểu rõ về kênh vô tuyến. Trong phần này chúng ta
hãy cùng tìm hiểu về một số mô hình và một số ảnh hưởng của kênh vô tuyến bằng
cách phân tích các mô hình kênh vô tuyến. Để tìm hiểu vấn đề này chúng ta xem xét
bốn mô hình kênh sau đây:
 Kênh truyền dẫn (propagation channel): là kênh giữa hai anten: anten thu và
anten phát. Ảnh hưởng của kênh truyền dẫn là ảnh hưởng của sự truyền dẫn
12


lên sóng điện từ. Chúng ta sẽ thừa nhận các tính chất tuyến tính và tương hỗ
của mô hình kênh này. Hiện tượng chính của mô hình kênh truyền dẫn ảnh
hưởng lên sự suy hao của tín hiệu phát và vì thế kênh truyền dẫn có các hiệu
ứng nhân lên tín hiệu phát.
 Kênh vô tuyến (radio channel): bao gồm kênh truyền dẫn và cả các anten thu
và các anten phát. Do các anten được coi như tuyến tính, song phương và thụ

động, kênh vô tuyến cũng được xem như tuyến tính và tương hỗ. Vì thế tín
hiệu chỉ chịu tác động của sự suy hao. Tuy nhiên sự suy hao trong kênh vô
tuyến có thể khác so với sự suy hao trong kênh truyền dẫn do ảnh hưởng của
các anten thu và phát.
 Kênh điều chế (modulation channel): bao gồm kênh vô tuyến cộng với kênh
tất cả các thiết bị của hệ thống (như là bộ khuyếch đại và các thành phần
khác của mach tần số vô tuyến). Hệ thống có tuyến tính hay không phụ thuộc
vào các tính chất truyền dẫn của thiết bị giữa giải điều chế và điều chế và các
anten. Kênh cuãng có thể là không tương hỗ do ảnh hưởng của bộ khuyếch
đại (thiết bị của hệ thống được cộng thêm vào kênh vô tuyến) là không tương
hỗ. Thêm vào đó trong quá trình khuyếch đại tín hiệu thu, ta cần bổ sung các
hiệu ứng cộng gây tác động xấu đến tín hiệu. Các hiệu ứng đó là nhiễu noise
và interference. Chúng có thể được thể hiện trong kênh vô tuyến, tuy nhiên
nhiễu sinh ra do mạch điện tử đặc biệt được cộng thêm trong mô hình kênh
này, do đó đặc tính đầy đủ của hiệu ứng cộng không thể được thể hiện trong
mô hình kênh vô tuyến. Tín hiệu trong mô hình kênh này bao gồm tín hiệu
băng tần cơ sở, tín hiệu này được điều chế vào sóng mang.
 Kênh số (digital channel): bao gồm kênh điều chế cộng với các bộ điều chế
và giải điều chế. Nó liên kết từ tín hiệu số cơ sở ở phía phát đến tín hiệu số ở
phía thu và miêu tả số bit lỗi trong quá trình truyền dẫn. Kênh này không
tuyến tính và không tương hỗ. Trong mô hình kênh này không còn hiệu ứng
nào ảnh hưởng xấu đến tín hiệu. Tín hiệu ảnh hưởng bởi nhiễu được làm biến
đổi thành các chuỗi bit, trong trường hợp tín hiệu bị làm ảnh hưởng qua nặng

13


bởi các hiệu ứng của kênh, chuỗi bit thu được sẽ sai lệch so với chuỗi bit
thực được dự định vận chuyển. Đầu vào của kênh là các bit, các bit này có
thể được đóng gói thành các gói. Các bit này được phân lại sau đó biến đổi

thành các biểu diễn tương tự được gọi là ký tự. Các ký tự này thuộc băng tần
cơ sở. Sau đó, tín hiệu tương tự này được truyền qua bộ điều chế, bộ này
điều chế tín hiệu băng tần cơ sở này lên đỉnh của sóng mang.
1.1.2. Kênh vô tuyến:
Trong kênh vô tuyến, ảnh hưởng của tín hiệu thu được chỉ do các hiệu ứng
nhân, hệ số suy hao a  t  , được cho bởi công thức cho trước. Ở đây chúng ta sẽ
phân biệt ra ba hiệu ứng khác nhau cùng dẫn đến sự suy hao của tín hiệu phát.
Hiệu ứng đầu tiên được gọi là suy hao đường dẫn (path loss). Đó là hiệu ứng
tất định chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Nó đóng vai trò
quan trọng khi xét các khoảng thời gian lớn như giây và phút, vì khoảng cách giữa
máy phát và máy thu trong hầu như các trường hợp không thay đổi đáng kể trong
các khoảng thời gian ngắn cỡ miligiây hoặc giây.
Hiệu ứng thứ hai được gọi là hiệu ứng màn chắn (shadowing). Hiệu ứng màn
chắn không phải là hiệu ứng tất định. Nó thay đổi trong cùng một khoảng thời gian,
trong đó có thể suy hao đường dẫn là không thay đổi, điều này dẫn đến sự thay đổi
lên xuống bất thường của biên độ tín hiệu tại điểm có cùng khoảng cách đến máy
phát. Tuy nhiên, đại lượng trung bình cho sự suy hao thông thường được coi là chỉ
gồm suy hao đường dẫn.
Hiệu ứng thứ ba là hiệu ứng fading. Fading là hiệu ứng ngẫu nhiên, nhưng
dẫn đến sự thay đổi đáng kể của suy hao trong khoảng thời gian nhỏ như mili giây
hoặc thậm chí là micro giây. Fading thường do môi trường truyền dẫn đa đường, do
sự phản xạ của môi trường sóng điện từ truyền dẫn thường được sao chép thành
nhiều bản sao với các hệ số khác nhau gây ra nhiễu trên anten thu. Tuy nhiên, chúng
ta cũng cần phân biệt hiệu ứng fading thành 2 loại chính: fading nhanh (fast fading)
14


và fading chậm (slow fading)
Tất cả ba hiệu ứng trên kết hợp thành suy hao trong thực tế của kênh vô
tuyến.Do đó sự suy hao này có thể được khai triển theo công thức sau:

a t   aPL (t ).aSH (t ).aFA (t )

(1.1)

Trong đó:
aPL (t ) : suy hao do path loss
aSH (t ) : suy hao do shadowing

aFA (t ) : suy hao do fading

1.1.2.1.

Suy hao đường dẫn:

Suy hao đường dẫn là hiện tượng ảnh hưởng đến sóng điện từ truyền dẫn, nó
là đại lượng đặc trưng cho suy hao về công suất mà tín hiệu phát trải qua, suy hao
này phụ thuộc vào khoảng cách và tần số.
Nếu tín hiệu phát là s  t  , và công suất tín hiệu phát trung bình là
P  t   s 2 (t ) . Tín hiệu nhận được là y  t  và nó được cho bởi công thức
2
y  t   a(t ).s(t ) , công suất tín hiệu thu trung bình là Pr  y (t ) từ đó ta có:

Pr  a2 (t )s 2 (t )
Khi không có sự thay đổi của môi trường truyền dẫn: môi trường không thay
đổi và máy thu phát không chuyển động. Điều giả định này tương đương với việc
lấy trung bình hiện tượng ít thay đổi theo thời gian (shadowing và fading) hai hiện
tượng này sẽ được khảo sát kỹ hơn trong phần sau.
Anten:
Nhiệm vụ của một anten là biến đổi tín hiệu điện trên sóng mang điện từ
(nhiệm vụ phát) và biến đổi ngược trở lại từ sóng điện từ thành tín hiệu điện (nhiệm

vụ anten thu). Trong phần này chúng ta sẽ nói về anten thường: anten thụ động và

15


tương hỗ (đặc tính tương tự cho cả anten thu và phát). Anten được đặc trưng bằng
hai đặc tính: hệ số khuyếch đại và đồ thị phương hướng của anten. Hệ số khuyếch
đại của anten là đại lượng đặc trưng cho sự khuyếch đại tín hiệu. Đồ thị phương
hướng của anten mô tả sự thay đổi của hệ số khuyếch đại của anten theo hướng,với
sự tham khảo là chính anten đó. Đồ thị phương hướng của anten thường được thể
hiện bằng sự suy giảm hệ số khuyếch đại so với hệ số khuyếch đại cao nhất của
anten. Hệ số khuyếch đại và đồ thị phương hướng là giống nhau đối với cả anten
thu và phát. Anten có thể phân loại thành anten đẳng hướng và định hướng, phụ
thuộc vào hệ số khuyếch đại có thay đổi theo hướng hay không. Khi anten là định
hướng, đồ thị phương hướng của anten phải được xét đến khi tính toán suy hao
đường dẫn. Giá trị của hệ số khuyếch đại được sử dụng là hệ số của hướng nhìn
thẳng nối từ anten thu và anten phát.Hệ số khuyếch đại tổng của anten được tính
như sau:

g  Gmax  dB  Gatt

TxRx

dB

(1.2)


Trong đó Gmax dB là hệ khuyếch đại lớn nhất của anten và Gatt

TxRx

dB là giá

trị được lấy từ đồ thị phương hướng của hướng nhìn thẳng từ anten phát đến anten
thu (tất cả đều có đơn vị dB); dấu âm ở đây được lấy do giá trị này được so sánh với
hệ số khuyếch đại lớn nhất của anten.
Truyền dẫn trong không gian tự do
Sự suy hao tín hiệu trải qua do truyền dẫn trong không gian tự do trên
khoảng cách

giữa hai anten giả thiết là tầm nhìn thẳng (LOS – line of sight)

(không có màn chắn giữa hai anten), thông thường được gọi là suy hao không gian
tự do, được tính một cách chính xác bằng hệ thức Maxwell. Hệ thức này để tính
toán miền xa của anten và được tính theo công thức:
Pr   

 .GTx .GRx
Pt  4 d 

(1.3)

Pr
P
  
[dB ]  10 lg r  20 lg 
  GTx [ dB]  GRx [ dB]
Pt
Pt

 4 d 

(1.4)

2

16


Công suất thu tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách và bình phương
của tần số. Giảng giải vật lý cho công thức đầu tiên rất đơn giản: trong không gian
tự do (không có sự cản trở hoặc bề mặt phản xạ) năng lượng bức xạ truyền dẫn đều
nhau trên mọi hướng và sóng có thể được xem như một quả cầu có bán kính tăng
dần.Vì năng lượng không bị mất đi nên nó sẽ bằng nhau bất kể khoảng cách của
điểm bức xạ là ở đâu. Vì thế tổng năng lượng trên quả cầu là bằng nhau, không phụ
thuộc vào bán kính quả cầu, điều này dẫn đến năng lượng trên một đơn vị bề mặt sẽ
phải giảm đi. Do bề mặt tăng theo bình phương của bán kính, nên năng lượng trên
một đơn vị bề mặt cũng giảm theo bình phương bán kính của quả cầu.
Mô hình truyền dẫn hai tia
Do hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều diễn ra ở gần bề mặt trái đất, nên
diễn tiến trong mô hình suy hao tự do là không thực tế. Trong mô hình 2 tia, tia
phản xạ do tín hiệu đập vào bề măt trái đất được cộng thêm vào trong tín hiệu thu.
Nó cũng thừa nhận LOS và không có ảnh hưởng lên sự truyền dẫn bên cạnh bề mặt
trái đất. Mô hình này cũng thường được sử dụng để mô tả sự truyền dẫn trên mặt
nước hoặc các trường mở khác.
Trong mô hình này ta xét đến 3 sóng: sóng trực tiếp, sóng phản xạ tại bề mặt
trái đất và sóng bề mặt.Nhưng sóng bề mặt là không đáng kể trong thông tin di động
nên nó sẽ được bỏ qua.

Hình 1.3: Mô hình hình học để tính toán trong mô hình hai tia

Trong hình trên, chúng ta có thể dễ dàng tính toán được các khoảng cách
17


truyền dẫn trong mô hình hai tia:
d1  (hb  hm )2  d 2

(1.5)

d 2  (hb  hm )2  d 2

(1.6)

a  arctan

hb  hm
d

(1.7)

Trong đó hb là độ cao anten phát, hm là độ cao anten thu.
1.1.2.2.

Hiệu ứng fading

Trong truyền thông vô tuyến, fading là sự chênh lệch của hệ số suy hao mà
tín hiệu được điều chế sóng mang trải qua trong quá trình truyền dẫn. Ảnh hưởng
của fading có thể thay đổi theo thời gian, và có thể mô tả tổng quát bằng một quá
trình ngẫu nhiên. Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận về nền tảng vật lý của
fading và truyền dẫn đa đường. Sau đó dựa trên nền tảng của mô hình toán học của

kênh để mô tả lại kênh fading và các đại lượng chắc chắn mô tả ảnh hưởng xấu của
kênh fading.

Hình 1.4: Truyền dẫn đa đường
18


Cơ sở vật lý:
Hiệu ứng fading nhận được do sự truyền dẫn của nhiều bản sao của tín hiệu
truyền dẫn, một tín hiệu truyền dẫn được truyền đi trên nhiều đường dẫn khác nhau,
mỗi đường dẫn này lại tạo ra một bản sao của tín hiệu phát với các hệ số nhân khác
nhau. Fading cũng phụ thuộc vào môi trường giữa máy phát và thu.
Trong môi trường truyền dẫn này có thể có nhiều hoặc chỉ một vài đối tượng
gây ảnh hưởng đến tín hiệu vô tuyến phát đi. Các đối tượng này được gọi là vật
phản xạ (scatter). Vật phản xạ dẫn đến sự phản xạ của tín hiệu truyền dẫn giống như
trong trường hợp trong hình 1.4 và tín hiệu nhận được là tổng của các bản sao. Hiệu
ứng này gọi là hiệu ứng phân tập đa đường.
Trong môi trường có nhiều đường, mỗi đường dẫn i có khoảng cách truyền
dẫn khác nhau d i , vì thế chúng cũng có độ dài truyền dẫn khác nhau, và tất nhiên
chúng có đường đi khác nhau. Vì thế sự truyền dẫn trong các đường dẫn này có độ
trễ khác nhau:

i 

di
c

(1.8)

Nếu như máy thu, vật phản xạ và máy phát không chuyển động, mỗi đường

có độ trễ khác nhau và độ suy hao khác nhau. Mặt khác, độ trễ và độ suy hao của
mỗi đường không thay đổi theo thời gian (do môi trường truyền không đổi). Nên
kênh truyền trong trường hợp này được gọi là không thay đổi theo thời gian. Nhưng
nếu máy phát, máy thu và vật phản xạ không chuyển động, môi trường truyền dẫn
sẽ thay đổi. Một số đường dẫn cũng sẽ thay đổi theo thời gian, vì thế khoảng cách
truyền dẫn d i và độ suy hao a i của các đường dẫn này cũng thay đổi theo. Trong
trường hợp này, kênh được gọi là kênh thay đổi theo thời gian.
Mô hình toán học

19


Trong mô hình toán học ta xét tín hiệu được điều chế tại tần số f c với đường
bao phức s (t ) . Công thức toán học của tín hiệu:
s (t )  s (t ).e 2 jfc

(1.9)

Và tín hiệu dải giữa nhận được là:

y (t )  y (t ).e 2 jfc

(1.10)

Trước tiên ta xét trong trường hợp không có chuyển động trong môi trường.
Như đã miêu tả ở trên, mỗi đường dẫn có độ suy hao khác nhau a i và khoảng cách
truyền dẫn khác nhau d i , tín hiệu nhận được là sự xếp chồng của tất cả các bản sao
tín hiệu phát:

y(t )  i ai .s(t  i ) (  i  0 với đường LOS)

(1.11)

Kết hợp (1.10) và (1.11) chúng ta có:
y(t )  i ai .s(t   i )e2 jfc (t  i )

(1.12)

Kết hợp (1.10) và (1.12) chúng ta có:

y(t )  i ai .s(t   i )e2 jfc i
Ta lại có  i 

di
c
và f c  , do đó ta có đẳng thức:
c


di 2 j di
y (t )   i ai .s (t  )e
c
Thay i  2

(1.13)

di



(1.14)

là độ dịch pha của tần số sóng mang, chúng ta có:

di 2 j di
y (t )   i ai .s (t  )e
  i ai .s (t   i )e  ji
c

(1.15)

Do đó với mô hình không có chuyển động, nhiễu trong trường hợp này là các
đa bản sao với độ suy hao khác nhau, độ dịch pha khác nhau và độ trễ khác nhau
trong đường bao tín hiệu.

20


Bây giờ, chúng ta sẽ xét đến kênh khi các đầu cuối di chuyển theo thời gian.
Ta biểu thị góc tín hiệu tới của đường dẫn i với hướng của chuyển động của máy
thu là  i . Độ thay đổi đường đi  d i thay đổi như một hàm của tốc độ  và thời gian
t được cho bởi công thức di   .cos( i ).t

Góc tới
của tín
hiệu
Bản
copy
tín
hiệu

Hướng
của
chuyển
động

Máy thu
Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu
Hình 1.5: Góc tới của tín hiệu

Do đó ta có hàm cho giá trị phức phụ thuộc thời gian như sau:

d di
di  di 2 j i

y(t )   ai .s(t 
)e
c
i

d
di  j 2 j i
ie

  ai .s(t   i 
)e
c
i
.cos( i ).t  j 2 j
ie

 i ai .s(t   i 
)e
c

.cos( i ).t



Để đơn giản hóa hệ thức (1.16), trước tiên chúng ta kết hợp pha e
hao

a i trở thành Ai , sau đó ta so sánh đại lượng

(1.16)
 ji

với suy

.cos( i ).t
với chiều dài tín hiệu
c

trung bình, chúng ta có thể bỏ qua đại lượng này. Sau đó, chúng ta đưa ra đại lượng
mới tần số Doppler f d 

v.cos( i )

 cos( i ). f
và độ dịch tần Doppler vi 
d



21


Cuối cùng ta được hệ thức đơn giản hơn:

y(t )   Ai .s(t  i )e
i
 i Ai .s(t  i )e

2 j cos( i ) f t
d

2 jvit

(1.17)

Bằng cách phân tích hệ thức (1.17), chúng ta có thể dự đoán được rằng sự
chuyển động của máy thu kết hợp với ảnh hưởng của phản xạ tác động mạnh mẽ
đến tín hiệu thu về mặt biên độ của sóng mang, về pha  Ai  , về tần số  vi  và về độ
trễ  i  của đường bao.
Khi số lượng vật phản xạ lớn, mô hình phản xạ rời rạc cần phải biến đổi thành
mô hình phản xạ liên tục, trong đó mỗi diễn biến đặc biệt được biểu thị được bằng
hàm mật độ tăng ích (gain density) được cho bởi hàm sau:

Q(v, )  i Ai

(1.18)

Do đó tín hiệu nhận được trở thành:


fd

0  f

d

Q(v, )s(t  i )e2 jvit dvd

(1.19)

1.1.2.3. Hiệu ứng màn chắn (shadowing)
Trong phần trước, chúng ta xem xét hiệu ứng suy hao đường truyền quyết
định bởi vị trí của máy thu và máy phát, nhưng trong thực tế môi trường truyền dẫn
giữa máy thu và máy phát thường không phải là không gian tự do, giữa máy thu và
máy phát thường có các đối tượng nằm trên đường truyền có thể gây ảnh hưởng đến
sự suy hao của tín hiệu. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng màn chắn (shadowing). Do
đó với đường truyền có khoảng cách xác định, tần số và công suất phát cho trước,

22


hệ số suy hao không phải là đại lượng không đổi, nhưng nó thay đổi theo các màn
chắn trong và xung quanh đường truyền dẫn.
1.1.2.4. Đặc tính thời gian, tần số
Như chúng ta đã biết ở phần trước, sự biến động của môi trường dẫn đến sự
dịch chuyển Doppler của tần số và thời gian trễ của thành phần ảnh hưởng nhiều
đến tín hiệu nhất. Trong các thí nghiệm truyền dẫn không dây trong trường hợp các

đối tượng thay đổi, chúng ta cần chú ý đến 2 giá trị độ dịch tần Doppler f d và độ
trễ  . Để đơn giản hóa các biểu thức của tín hiệu nhận được chúng ta xem độ trễ
của môi trường là rất nhỏ và bỏ qua chúng, sau đó chúng ta có biểu thức:

2 j cosi  f t

 d
y(t )  s(t )i Ai .e
 s(t ).g (t )

(1.20)

Ở đây chúng ta đặt g (t ) là hệ số nhân phức của kênh truyền. Do sự thay đổi
theo thời gian của giá trị e

2 j cos i  f d t

nên hệ số nhân phức cũng thay đổi theo

thời gian, kênh được gọi là kênh biến đổi theo thời gian. Do có hiện tượng này nên
tín hiệu nhận được sẽ có tần số dịch chuyển trong khoảng   f d , f d  . Do đó y (t )
bao gồm các thành phần tần số khác nhau thay đổi theo thời gian. Kênh này còn
được gọi là kênh chọn lọc thời gian (time selective). Hoặc nếu tần số Doppler lớn
hơn rất nhiều so với tốc độ truyền dẫn, kênh cũng được gọi là kênh chọn lọc thời
gian. Mặt khác nếu tấn số Doppler quá nhỏ so với tốc độ truyền dẫn, kênh sẽ được
gọi là kênh không chọn lọc thời gian. Tương ứng vói hai khái niệm này, chúng ta có
hiệu ứng fading nhanh và fading chậm (fast và slow fading)
Bây giờ chúng ta sẽ phân tích độ dịch Doppler, chúng ta có hệ thức của kênh
như sau:
y(t )  i Ai .s(t  i )  g (t )  s(t )

23

(1.21)


Ở đây, kênh trở thành bộ lọc không phụ thuộc thời gian với đáp ứng xung
được cho bởi công thức như sau:

g (t )  i Ai . (t  i )

(1.22)

Khi biến đổi sang miền tần số, chúng ta có hàm biến đổi phức
G( f )  i Ai .e2 j i f

(1.23)

Nhìn vào biểu thức trên, ta biết rằng có một vài tần số bị triệt tiêu bởi  i
trong khi các tần số khác thì không. Hiện tượng này được gọi là fading chọn lọc tần
số (frequency selective fading).
1.2.

Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO
Ngày nay khi Internet và các ứng dụng viễn thông không dây thế hệ tiếp theo

ngày càng phát triển. Điều này đòi hỏi các thiết bị thông tin tốc độ cao cũng phát
triển theo. Trong trường hợp băng thông thực tế là có giới hạn, tốc độ dữ liệu cao
hơn chỉ có thể đạt được bằng cách thiết kế hợp lý hơn trong công nghệ truyền dẫn
tín hiệu. Các lý thuyết thông tin vừa được nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ số tăng dung

lượng thông lượng thông tin là có thể thực hiện được khi sử dụng công nghệ đa đầu
ra đa đầu vào (MIMO – multiple input multiple output). Một kênh MIMO được
thiết lập từ đa nhân tố anten mảng ở cả hai đầu của liên kết không dây. Kỹ thuật này
hiện nay đang rất được quan tâm nhờ khai thác hiệu quả thành phần không gian
trong nâng cao chất lượng và dung lượng, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời
tránh được hao phí băng thông tần số.
Công nghệ MIMO là công nghệ được dựa trên các lý thuyết cơ bản:
Mã hóa không gian thời gian (STC – Space time coding): mã hóa khác nhau
trên các anten phát khác nhau. Điều này cho sự trình diện tốt hơn do space time
coding (STC) làm giảm sự tương quan của tín hiệu phát trên cả miền không gian và
thời gian.

24


Ghép kênh theo không gian (SM – Spatial Multiplexing): phát các dòng tín
hiệu độc lập trên các anten một cách đồng thời. Điều này cho phép tăng dung lượng
truyền dẫn của hệ thống.
1.2.1. Mô hình hệ thống MIMO

H11
TX1

RX1
H12
H21

TX2

RX2

H22

BỘ LẬP
MÃ
MIMO

BỘ GIẢI
MÃ MIMO

H1N
H31

H2N
H32

TX M

RX N
H3N

Hình 1.6: Hệ thống MIMO

Như đã mô tả ở trên, MIMO được dựa trên hệ thống truyền dẫn ghép kênh
theo không gian. Trong hệ thống ghép kênh theo không gian, nguồn tín hiệu được
ánh xạ trực tiếp lên một bảng các ký tự độc lập trên nT anten phát. Chúng ta tập
trung xét một hệ thống tuyến tính phức băng tần cơ sở được mô tả trong miền thời
gian rời rạc. Tín hiệu phát đi trong mỗi chu kì tín hiệu được biểu diễn bằng ma trận
cột X có định dạng n 1 . Trong đó mỗi phần tử xi biểu diễn cho tín hiệu được
T
phát đi tại anten thứ i . Chúng ta sẽ xét kênh Gaussian, do đó các nhân tố của ma

trận

tuân theo luật phân bố biến ngẫu nhiên Gaussian (i.i.d). Ma trận hiệp phương

sai của tín hiệu phát đi được cho bởi công thức:



RXX  E XX H

25



(1.24)