Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO VÀ KHẢO SÁT
DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: ……………………………………………………………
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……………………………………………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………………………………………..

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ
Bưu chính Viễn thông
Vào lúc:

....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự bùng nổ của các thiết bị di động, nhu cầu về dịch vụ ngày càng đa dạng
của con người là những động lực phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực thông tin di động. Các nhu
cầu của con người ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, độ ổn định để tối
đa hóa trải nghiệm của người dùng. Trong thông tin di động tài nguyên vô tuyến là hữu hạn
và đắt đỏ, trong khi đó nhu cầu của con người không ngừng tăng lên, do đó đã đặt ra nhiều
thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà nghiên cứu.
Khi mà các hệ thống thông tin di động 3G và 4G đã được chuẩn hóa và hiện nay đã và
đang được đưa vào khai thác thương mại hóa với các yêu cầu về tốc độ dữ liệu và dung lượng
lớn đặt ra cho các hệ thống này thì một trong những giải pháp kỹ thuật được sử dụng để giúp
cho các hệ thống thông tin di động này đạt được các yêu cầu thiết kế đặt ra là công nghệ
truyền thông vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và nhiều anten ở máy thu
(Multiple Input Multiple Output hay MIMO). Kênh vô tuyến di động vốn chịu tác động khá
lớn bởi môi trường truyền đặc biệt hiện tượng fading, kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện được
các nhược điểm của kênh vô tuyến di động và giải quyết được các vấn đề hết sức quan trọng
của các hệ thống thông tin di động hiện nay đó là các vấn đề về dung lượng, tốc độ dữ liệu,
hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ. Nhận thấy được tầm quan trọng của kỹ thuật MIMO trong
thông tin vô tuyến nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo sát dung lượng
kênh MIMO” cho luận văn cao học của mình.
Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến di động
Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO
Chương 3: Khảo sát dung lượng kênh MIMO bằng mô phỏng

Trong quá trình làm luận văn, do hạn chế về mặt kiến thức nên không thế tránh khỏi
thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thày giáo PGS.TS Bùi Trung
Hiếu - người đã giúp em hoàn thành luận văn này.


2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu thông
qua kênh vô tuyến. Môi trường truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động của các yếu tố đặc
trưng của kênh vô tuyến, do đó trong chương này của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các
vấn đề của kênh vô tuyến như: mô hình kênh cơ bản, tổn hao đường truyền, các hiện tượng
các hiệu ứng tác động tới truyền sóng vô tuyến như Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, các
phân bố Rayleigh và Rice và dung lượng kênh vô tuyến.

1.2 Giới thiệu về kênh vô tuyến
Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán trước, kênh
truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu
được truyền từ đầu thu qua kênh truyền chịu tác động của các yếu tố trên kênh vô tuyến

Hình 1.2.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến
Trong thông tin vô tuyến kênh truyền được phân loại theo một số tiêu chí khác nhau.
a, Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu
b, Phân loại theo môi trường truyền sóng
c, Phân loại theo đặc tính fading nhanh

1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến
Trong thông tin vô tuyến do đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu là xa nhau
và môi trường truyền là vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu có thể bị các tác

động từ môi trường truyền bên ngoài gây ra các hiện tượng như: phản xạ sóng, tán xạ sóng,
nhiễu xạ sóng.
a, Phản xạ sóng


3

Hình 1.3.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến
b, Tán xạ sóng

Hình 1.3.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến
c, Nhiễu xạ sóng

Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến

1.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến
Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến được đánh giá trong phạm vi rộng thông qua
các mô hình tổn hao đường truyền. Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa
anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác.
PL ~ dn

(1.1)

Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < 2 cho các môi trường trong
nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy phát đến máy thu.


4
Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại
khoảng cách d như sau.

PL ( d )[ dB ]  PL ( d )  X   PL ( d 0 )  10n lg(

d
)  X
d0

(1.2)

Trong đó PL( d ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vi rộng đối với d0 là khoảng
cách tham chuẩn thu phát, X  là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình, d là khoảng cách
giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền. Mô hình tổn hao đường truyền
Okumura-Hata thường được áp dụng tính toán cự ly phủ sóng của một ô. Tồn tại 4 mô hình
tổn hao đường truyền Okumura-Hata: Hở, ngoại ô, thành phố nhỏ và thành phố lớn. Mô hình
này được sử dụng trong dải tần từ 500 MHz đến 2000 MHz với công thức cơ sở như sau.
PLHata  69,55  26,16 lg f  13,82lg hb  a(hm )  (44,9  6,55lg hb ) lg d  K [dB] (1.3)

Trong đó PLHata là tổn hao đường truyền tính theo dB, f là tần số tính theo Hz, hb là độ
cao anten trạm gốc tính theo m, d là khoảng cách từ trạm gốc tính theo km, hm độ cao anten
di động đo bằng m, a(hm ) và K là các hệ số hiệu chỉnh theo môi trường tính theo dB.

1.5 Hiệu ứng đa đường của kênh vô tuyến
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không được
truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các
vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của
các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và
các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường.

Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến

5

1.5.1 Hiện tượng fading
Fading trong thông tin vô tuyến là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên cường độ trường
của tín hiệu tại đầu thu. Các yếu tố gây ra fading đối với hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm
một số yếu tố sau: sự thăng giáng của tầng điện ly, sự hấp thụ gây bởi các phần tử khí, mưa,
sương mù, sự khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ…

1.5.2 Trải trễ
Đối với hệ thống thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóng
trong môi trường di động dẫn đến sự trả trễ.

Hình 1.5.2 Trải trễ trong truyền sóng vô tuyến

1.6 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như
trình bày ở hình dưới. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch đi so với
tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Phổ của tín hiệu tương ứng với tần số
Doppler được biểu diễn như sau:
ế
1

,

,

| |
0 á ườ

ợ ò ạ


6
Hình 1.6.1 Phổ tín hiệu tại đầu thu

1.7 Các phân bố Rayleigh và Rice
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản
chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao
của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu
nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất.
 r
 r2
 2 exp 
2
p ( r )  
 2

0



 (0  r  )

( r  0)

(1.4)

Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh.

Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Trong trường hợp với phân bố Ricean, sẽ có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu
mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
 r  ( r  A2 )  Ar 
2

I 0  2  ( A  0, r  0)
p ( r )   2 e
 

0
r0

2

2

Hình 1.7.2 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean.

(1.5)


7
Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice

1.8 Dung lượng kênh vô tuyến
Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là lý thuyết
dung lượng cực đại mà thông tin có thể đạt được truyền trên một kênh thông tin cho trước.
Khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng

của tạp âm Gauss trắng cộng tính, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức đơn
giản như sau:
C  Bw .log 2 (1 

S
)
N

(1.6)

Trong đó Bw là băng thông khả dụng cho truyền tin, S kí hiệu cho công suất tín hiệu
thu và N là công suất tạp âm trắng ảnh hưởng xấu lên tín hiệu thu.
Từ công thức (1.6) ta thấy được các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả dụng là
công suất thu khả dụng, hay tổng quát hơn là tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N khả dụng và băng
thông khả dụng Bw . Một giải pháp đã được nghiên cứu áp dụng trong thông tin di động để
khắc phục khó khăn trên đó là sử dụng nhiều anten tại phía thu (phân tập anten thu).

1.9 Tổng kết chương
Kênh truyền sóng trong thông tin vô tuyến luôn chịu các tác động mang tính chất đặc
thù và cố hữu của môi trường truyền sóng vô tuyến các tác động này ảnh hưởng rất lớn tới
chất lượng tín hiệu ở tại đầu thu nếu không có biện pháp kỹ thuật xử lý. Trong chương một
của luận văn cũng nêu rõ các đặc trưng cơ bản của truyền sóng vô tuyến cũng như các yếu tố
tác động của kênh truyền vô tuyến và đồng thời cũng chỉ ra các hệ quả của các tác động của
các vấn đề như tổn hao truyền sóng, các tác động của truyền sóng đa đường… và cũng chỉ rõ
các giới hạn về dung lượng của các hệ thống thông tin hiện tại. Trong xu hướng hướng tới
thông tin tốc độ cao thì các vấn đề nêu trên của kênh vô tuyến cần được khắc phục và một
trong những công nghệ đang được nghiên cứu, triển khai áp dụng trong thực tế là công nghệ
truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao MIMO sẽ được trình bày trong chương 2 của luận văn.

8

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO
2.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO bao gồm
các nội dung như lịch sử hình thành kỹ thuật truyền dẫn MIMO, mô hình hệ thống, các kỹ
thuật quan trọng được sử dụng và các vấn đề đặc biệt được quan tâm trong MIMO là dung
lượng và hiệu năng hệ thống cũng được trình bày. Bên cạnh đó các ưu nhược điểm của hệ
thống MIMO và các ứng dụng của MIMO trong các hệ thống thông tin di động cũng sẽ được
trình bày trong chương này của luận văn.

2.2 Tổng quan về kỹ thuật MIMO
MIMO là kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để
truyền dữ liệu. Năm 1984 Jack Wintes (Bell Laboatries) là người đi tiên phong trong lĩnh vực
MIMO khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên cùng kênh tần số hoặc thời gian
khi sử dụng nhiều anten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh. Vào năm 1996,
trong khi đang nghiên cứu tại đại học stanford, Greg Raleigh đã khám phá ra hiện tượng phản
xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong
hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là
yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí
nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAS (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time)
cho truyền dẫn vô tuyến trong môi trường fading khi sử dụng đa anten (MIMO). Năm 1998,
P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật VBLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng băng thông
lần đầu tiên lên tới 20-40 bps/Hz, Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn
giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này có thể mở rộng ra M anten thu để cung
cấp độ lợi phân tập 2M. Năm 2003, Airgo đã tung chip MIMO đầu tiên. Năm 2004, IEEE đã
lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp với kĩ thuật
OFDM. Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu thiên của 802.11n để thảo luận nhằm đưa ra
các thay đổi sửa lỗi và cải tiến. Nhận thấy được các ưu điểm của kỹ thuật MIMO kể từ đó cho
đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này.

Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau:


9
a, Cải thiện được công suất tại nơi thu
b, Tăng dung lượng hệ thống
c, Phân tập không gian
d, Hệ số phân tập
e, Hệ số hợp kênh

2.3 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát
Mô hình hệ thống MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa
như hình 2.3.1.

Hình 2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu.

Trong đó hnm là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m. Giả sử
T
T
x   x1 , x 2 , , x N  là số liệu phát. y   y1 , y 2 , , y N  là số liệu thu.


t 
r 
η  η1 , η 2 ,  η N 

r 

T

là tạp âm Gaus của máy thu. T kí hiệu là phép toán chuyển

vị.
Khi đó quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định
bởi biểu thức sau:

h12  h N 1   x1   η1 
 y1   h11
t 

 
 y  h

h

h
22
N 2   x 2   η2 
 2   21
t
      
   




 

 


x
y
η

h
h

h
N
 r 
N 1
N 2
N N   N t   N r 
r
t r
 r

(2.1)


10

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận NrxNt trong phương trình (2.1) như sau:
y = Hx + η

(2.2)

2.4 Kỹ thuật phân tập phát
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng
rộng rãi để giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà

không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô
hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang
sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về fading thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản
của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu
đó bị ảnh hưởng của fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu
bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Cung cấp phân tập phát
thông qua kỹ thuật Alamouti.
x

x
1
- x*
2

h1  β1e

2
x*
1

jθ1

h 2  β 2e

jθ 2

η1
η2

h1

h1

h2

h2

ˆ1
x

~
x
1

ˆ
x

~
x2

2

Hình 2.4.1 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu.

2.5 Kỹ thuật phân tập thu
Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản
của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách
hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường. Trong đó tại đầu
thu kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) đang rất được quan tâm và ứng dụng vào
hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất

lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí
băng thông tần số – một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày
càng khan hiếm. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến


11
nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần
số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông của hệ thống. Đây là
đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao hiện tại và trong
tương lai.
Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản
của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu thu được kết hợp một cách
hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa
đường.

Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu
Trong phân tập thu sử dụng một số kỹ thuật như: phân tập thu lựa chọn kết hợp SC,
phân tập thu TC, phân tập thu kết hợp tỉ lệ cực đại MRC, phân tập thu kết hợp cân bằng độ
lợi EGC.

2.6 Các kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể
cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm
tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu
suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng
kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian.

2.6.1 Ghép kênh không gian
Ghép kênh không gian là một công nghệ sử dụng tính năng của các hệ thống MIMO
để đạt được giới hạn dung lượng lý thuyết trong thực tế. Việc sử dụng nhiều anten ở cả phía

thu và phía phát được coi như là một cách để cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm/nhiễu và phân
tập chống lại fading so với việc chỉ sử dụng nhiều anten ở phía phát hoặc phía thu. Đó có thể


12
được gọi là ghép kênh không gian, cho phép tận dụng hiệu quả hơn tỷ số tín hiệu trên tạp
âm/nhiễu và tốc độ dữ liệu tăng lên đáng kể qua giao diện vô tuyến.

2.6.2 Mã hóa không gian thời gian
Mã hóa không gian-thời gian là phương pháp mã hóa cho các hệ thống phân tập phát.
Phương pháp mã hóa không gian-thời gian đưa đồng thời tương quan trong cả hai miền không
gian và thời gian vào trong tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nhằm
đạt được độ lợi phân tập và có thể cả độ lợi mã hóa. Mã không gian – thời gian có thể được
phân loại thành hai loại: mã khối không gian thời gian STBC và mã lưới không gian thời gian
STTC.
a, Mã khối không gian thời gian
Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian trên băng
gốc với NT anten phát và NR antenna thu.

Nguồn thông tin

Bộ mã hóa KG‐TG

S/P

Bộ thu

Hình 2.6.1 Mô hình hệ thống băng gốc
Tại mỗi khoảng thời gian t, một khối gồm m ký hiệu thông tin nhị phân được biểu diễn
bởi:

Ct  (ct1 , ct2 ...ctm )

(2.3)

Được đưa vào bộ mã hóa không gian - thời gian. Bộ mã hóa không gian thời gian sẽ
ánh xạ khối dữ liệu vào nhị phân m với NT ký hiệu điều chế từ một tập tín hiệu của M = 2m
điểm. Dữ liệu được mã hóa sẽ được đưa tới bộ biến đổi nối tiếp / song song (S/P) sinh ra một
chuỗi NT ký hiệu song song, được sắp xếp vào vectơ cột.

xt  ( xt1 , xt2 ...xtm )T

(2.4)

Ở đây T biểu thị sự chuyển vị của ma trận, các đầu ra song song NT đồng thời được
phát bởi NT antenna khác nhau, ở đây ký hiệu xti , 1 ≤ i ≤ NT được phát đi bởi anten i và tất


13
cả các ký hiệu được phát trong cùng một khoảng thời gian T giây. Vectơ của các ký hiệu được
điều chế mã như được gọi là ký hiệu không gian-thời gian.
STBC là kỹ thuật mã hóa tín hiệu theo không gian và thời gian nhằm khai thác độ lợi
phân tập không gian và phân tập thời gian của kênh truyền vô tuyến.
Mã STBC được đưa ra dưới dạng một ma trân. Mỗi cột tượng trưng cho một khe thời
gian, còn mỗi hàng tượng trưng cho quá trình phát của 1 anten trên toàn miền thời gian.
Anten truyền

 x1 1

 
x

 T1

Khe thời gian





x1 N T 

 
x T N T 

Trong đó, sij là ký hiệu điều chế được phát từ anten thứ j vào khe thời gian thứ i. Ở đây có T
khe thời gian và NT anten phát và NR anten thu.
b, Mã lưới không gian thời gian
STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở rộng
cho trường hợp MIMO. Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ trụ và vệ tinh,
do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải
mã phức tạp.
n bit

k bit
1

2
Tầng 1

k

1

2

n

1

2

k

Tầng 2

1

2

k

Tầng K

Hình 2.6.2 Sơ đồ mã lưới
STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng
số trạng thái của lưới mã. Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ phức tạp của
STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến tính,
nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn STTC.


14

2.6.3 Tạo dạng búp sóng
Tạo búp sóng giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp
tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không
mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để
có thể thực hiện tạo búp sóng, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ
hơn bước sóng  (thông thường là  / 2 ).

Hình 2.6.3 Kỹ thuật tạo búp sóng

2.7 Dung lượng hệ thống MIMO
Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa với một xác suất
lỗi tương đối nhỏ nào đó. Đối với kênh truyền không sử dụng phân tập, có độ lợi h, chịu ảnh
hưởng của tạp âm cộng trắng Gauss thì dung lượng kênh truyền có thể tính được theo định lý
Shannon như sau:
C  Bw log 2 (1   | h |2 )

(2.5)

Trong đó Bw là băng tần của kênh truyền tính bằng Hz và  | h |2 chính là tỉ số tín hiệu
trên tạp âm (SNR) tại đầu vào máy thu.
MIMO được đề suất để khắc phục hạn chế về dung lượng kênh truyền của các hệ thống
SISO. Với Nt anten phát và Nr anten thu, trong môi trường fading Rayleigh giàu tán xạ và
biến đổi chậm, kênh MIMO Nt xNr , cho phép đạt được dung lượng kênh như sau:


log 1
log

1

ế
ế

(2.6)

Từ công thức trên chúng ta thấy rằng dung lượng của kênh MIMO tăng tuyến tính
theo số anten phát hoặc thu và có thể đạt đến r = min(Nt,Nr) lần dung lượng của một kênh
truyền SISO.


15

2.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO
Hình 2.8.3 cho thấy một hệ thống MIMO 2×2.

x1

y1

x2

y2

Hình 2.8.1 Hệ thống MIMO 2×2.
Biểu diễn vectơ y đầu ra như sau:
 y   h1,1 h2,1   x1 
y 1
 
 y2   h1,2 h2,2   x2 

(2.7)

Từ quan hệ trên ta rút ra biểu thức SNR đầu ra cho trường hợp MIMO 2×2 như sau:

SNR 

PT
2

2

2

 h
n 1 m 1
2

2

n, m

2

Trong đó hn,m là hệ số đáp ứng xung kim của các kênh con (n,m). Đối với hệ thống
MIMO nt×nr, SNR đầu ra được biểu diễn như sau:

SNR 

PT

nt

nt

nr

 h
n 1 m 1
2
r

n

2

n,m



1 PT
nt nr  2

nt

nr

 h
n 1 m 1

2

n,m

Công thức này khá phức tạp. Độ lợi SNR (dương hay âm) phụ thuộc vào sơ đồ MIMO
và vào các điều kiện kênh cụ thể.
Đối với hiệu suất phổ, ta có thể viết như sau cho hệ thống MIMO nt ×nr:
 

P
SE  log 2  det  I N  T 2 HH h   [b/s/Hz]
nt

 

(2.8)

trong đó I N là ma trận đơn vị có kích thước N=min(nt,nr), (.)h biểu thị chuyển vị Hermitian
(chuyển vị liên hợp phức) và H là ma trận nt×nr:


16
 h1,1 h2,1 ... hnt ,1 


.
..

.
H  .
.


.
.


h
hnt , nr 
 1,nr

(2.9)

2.9 Ứng dụng MIMO trong các hệ thống thông tin di động
MIMO là một phương thức truyền dẫn dữ liệu mới cho phép tăng dung lượng của kênh
truyền vô tuyến. Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển khai ứng dụng
và đề xuất cho các hệ thống 3G và 4G. Sử dụng đa anten phát và đa anten thu, các hệ thống
MIMO cho phép truyền dẫn dữ liệu lên tới gigabit trong các môi trường truyền sóng không
có tia truyền thẳng NLOS. Theo 3GPP, về lý thuyết LTE với MIMO và dải phổ rộng hơn sẽ
cho phép các nhà khai thác đạt tốc độ đỉnh đường xuống lên tới 326 Mbps và đường lên 86
Mbps trong kênh 20 Mhz và với anten 4x4 MIMO. Trong các hệ thống thông tin di động
tương lai (5G) sử dụng cấu hình MIMO cỡ lớn là một kỹ thuật thông tin đột phá mới, hứa hẹn
phát huy hết khả năng của công nghệ MIMO thông qua việc triển khai hàng trăm anten ở từng
trạm gốc và sử dụng kỹ thuật MU-MIMO để phục vụ đồng thời nhiều người dùng.

2.10 Tổng kết chương
Chương 2 của luận văn đã trình bày tổng thể về công nghệ MIMO, các kỹ thuật cơ sở
quan trọng của MIMO như kỹ thuật phân tập được thực hiện tại đầu phát và đầu thu, kỹ thuật
ghép kênh không gian, kỹ thuật tạo búp sóng cũng như các vấn đề được quan tâm trong truyền
dẫn MIMO là dung lượng và hiệu năng của hệ thống. Qua nội dung nghiên cứu của chương
2 có thể thấy được việc áp dụng các kỹ thuật trên có thể cho phép khắc phục được các vấn đề
của kênh vô tuyến như truyền dẫn đa đường, cho phép cải thiện được tỷ số tín hiệu trên tạp

âm, cải thiện được chất lượng tín hiệu ở tại đầu thu và quan trọng hơn cả là cho phép tăng
dung lượng hệ thống, tăng tốc độ dữ liệu, mở rộng vùng phủ và sử dụng hiệu quả phổ tần.


17

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO BẰNG MÔ
PHỎNG
3.1 Giới thiệu chương
MIMO có thể khắc phục được các hạn chế về dung lượng kênh truyền của SISO. Với
N anten phát và M anten thu, trong môi trường fading giàu tán xạ và biến đổi chậm, kênh
MIMO NtxNr có dung lượng có thể thể tăng tuyến tính theo số anten phát hoặc thu và có thể
đạt đến r = Min(Nt,Nr) lần dung lượng của kênh SISO. Trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu ở
chương 2 của luận văn, trong chương này sẽ đi khảo sát dung lượng kênh của hệ thống SISO,
SIMO, MISO, MIMO với các trường hợp số lượng anten thay đổi và tỷ số SNR thay đổi.

3.2 Sơ đồ hệ thống
a, Hệ thống sử dụng một anten phát và một anten thu

Hình 3.2.1 Hệ thống đơn anten phát và thu
Dung lượng hệ thống được cho bởi công thức.
2
CSISO  log 2 1  SNR. h 



(3.1)

bit/s/Hz

b, Hệ thống SIMO

Hình 3.2.2 Hệ thống SIMO
Dung lượng hệ thống được cho bởi công thức.


CMISO  log 2 1 
 Nt

NT

| h
n 1

n


|2 


bit/s/Hz

(3.2)


18
Trong đó Nr là số anten tại đầu thu, hm là đáp ứng xung của anten phát và anten thu
thứ m,  là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thu.
c, Hệ thống MISO

Hình 3.2.3 Hệ thống MISO


CMISO  log 2 1 
 NT

NT

| h
n 1

n


|2 


(3.3)

bit/s/Hz

Trong đó NT là số anten phát, hn là đáp ứng xung của anten phát thứ n và anten thu.
d, Hệ thống MIMO

Hình 3.2.4 Hệ thống MIMO
Dung lượng hệ thống được cho bởi công thức
 
SNR

CMIMO  log 2 det  I n 

HH H    ,

m

 

bit/s/Hz

(3.4)

3.3 Xây dựng chương trình
3.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ
3.3.2 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với số lượng anten thay đổi
Lưu đồ thuật toán của chương trình


19
Begin

Input:
(Nmax,It)

If (Nmax > 0 && It > 0)

N

Y
Process

Plot

End

Hình 3.3.1 Lưu đồ thuật toán trường hợp số anten thay đổi

3.3.3 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với tỷ số SNR thay đổi
Hình 3.2.2 là lưu đồ thuật toán của chương trình khảo sát dung lượng kênh MIMO khi
thay đổi tỷ số SNR.
Begin

Input:
(It)

If (Nmax > 0 && It > 0)

N

Y
Process

Plot

End

Hình 3.3.2 Lưu đồ thuật toán trường hợp tỷ số SNR thay đổi

3.4 Kết quả khảo sát mô phỏng và thảo luận
Trên cơ sở lý thuyết nghiên cứu ở trên về hệ thống MIMO và dung lượng MIMO, tiến
hành xây dựng code của chương trình như phụ lục và thực hiện chạy mô phỏng trên matlab
ta được các kết quả mô phỏng cho từng trường hợp như sau.

a, Trường hợp số anten thay đổi cho hệ thống SIMO 1xM, MISO Mx1, MIMO MxM
và SISO.


20

Hình 3.4.1 Dung của các hệ thống với số anten thay đổi
Quan hình ta có thể thấy dung lượng của hệ thống MIMO tăng một cách tuyến tính
theo số lượng anten và lớn hơn xấp xỉ M lần lần dung lượng của SISO (với M là số lượng
anten). Với MISO dung lượng tăng kém khi số lượng anten phát tăng. Với hệ thống SIMO
hiệu quả hơn so với SISO và MISO giới hạn từ 1 tới 3.4 bps/Hz. Với các hệ thống SIMO
dung lượng của các hệ thống này tăng theo hàm logarit khi số anten thu tăng trong khi hệ
thống MIMO tăng tuyến tính khi tăng số anten phát và số anten thu. Lợi thế của hệ thống
MIMO chủ yếu do khai thác được từ sự truyền sóng đa đường. Tại máy thu cho phép tách
biệt được tín hiệu phát từ các anten khác nhau do vậy có nhiều ký hiệu được phát đồng thời,
tín hiệu được phát trên các đường truyền là bản sao của tín hiệu phát và đều là tín hiệu có ích
nên tại đầu thu sẽ kết hợp các tín hiệu tạo thành tập tín hiệu có chất lượng tốt. Tuy nhiên với
hệ thống MIMO khi số lượng anten thu tăng thì hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn, năng lực
tính toán của hệ thống yêu cầu phải lớn hơn và công suất tiêu thụ lớn hơn.
b, Trường hợp thay đổi tỉ số SNR cho các hệ thống MIMO MxM, SIMO 1xM, MISO
Mx1 và hệ thống SISO.


21

Hình 3.4.2 Dung lượng hệ thống thay đổi theo SNR
Dung lượng hệ thống SISO với giá trị SNR thay đổi từ [-15 30] dB, dung lượng hệ
thống giới hạn từ 0 tới 9 bps/Hz. Dung lượng của SISO duy duy trì ở mức thấp và tăng chậm
so với sự tăng của SNR, hình 3.3.2 trên đã minh họa giới hạn truyền dẫn của SISO. Với hệ
thống MISO tương ứng với trường hợp số anten thay đổi thì ở trường hợp số SNR thay đổi

dung lượng đạt được của MISO cũng thấp hơn so với SIMO, cụ thể giới hạn dung lượng
tương ứng với tỷ số SNR thay đổi là từ 0 tới 10 bps/Hz. Với hệ thống SIMO ngay từ các giá
trị SNR ban đầu thì hệ thống SIMO đã đạt được dung lượng cao hơn hẳn so với SISO và
MISO cụ thể đường dung lượng của SIMO luôn nằm trên 2 đường dung lượng của SISO và
MISO. Hệ thống đa anten phát và đa anten thu với cấu hình cụ thể 4x4 đạt dung lượng tương
ứng với tỷ số SNR thay đổi với dung lượng nằm trong giới hạn từ 0 tới 35 bps/Hz. Có thể
thấy so với hệ thống truyền dẫn SISO hệ thống MIMO đạt được dung lượng xấp xỉ 4 lần hệ
thống SISO. Kết quả mô phỏng này cũng tương ứng với các nghiên cứu lý thuyết ở trên. Sở
dĩ hệ thống MIMO đạt được dung lượng lớn đó là nhờ có các kỹ thuật được áp dụng tại phía
thu giúp kết hợp được các bản sao tín hiệu phát do đa đường tạo ra tại phía thu để kết hợp lại
tạo tập tín hiệu thu tốt hơn các hệ thống khác.

3.5 Tổng kết chương
Hệ thống truyền dẫn MIMO qua nghiên cứu lý thuyết và kết quả mô phỏng ở trên đã
cho thấy ưu điểm nổi trội về mặt dung lượng so với các hệ thống khác như SISO, SIMO và


22
MISO. Với việc sử dụng N anten phát và M anten thu cho phát tạo NxM kênh truyền sóng
song song, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten phát, nhằm tăng dung
lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính
theo số các kênh truyền song song trong hệ thống, ở tại đầu thu sử dụng phân tập cho phép
thu các bản sao tín hiệu giống nhau và kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm tốc độ lỗi bit
BER do đó cho phép hệ thống MIMO đạt được dung lương lý tưởng hơn so với các hệ thống
khác.


23

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

1. Kết luận
Hệ thống truyền vô tuyến tốc độ cao MIMO là một triển vọng hấp dẫn của cho các
mạng viễn thông vô tuyến hiện tại và trong tương lai. Về mặt lý thuyết, dung lượng hệ thống
tăng lên chỉ với việc tăng thêm các anten, tức là hệ hệ thống MIMO có thể mang lại hiệu suất
sử dụng phổ tần vô tuyến cao hơn. Bên cạnh đó, hệ thống MIMO còn giúp giảm công suất
phát của anten ở cả trạm gốc và đầu cuối, điều này có ý nghĩa về mặt kinh tế, thân thiện với
môi trường và giảm ảnh hưởng của bức xạ điện từ đối với sức khỏe người dùng.
Tạo búp sóng giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp
tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không
mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống. Để
có thể thực hiện tạo búp sóng, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ
hơn bước sóng  (thông thường là  / 2 ), tạo búp sóng thường được thực hiện trong môi
trường ít tán xạ. Khi môi trường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép
kênh không gian và độ lợi phân tập.
Việc sử dụng nhiều anten tại đầu phát và tại đầu thu tạo ra các kênh truyền song song
có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát
độc lập và đồng thời ra các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công
suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các
kênh truyền song song trong hệ thống.
Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục theo không
gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp
cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu
có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit
BER, chống fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm
BER và chống lại fading, thuật toán STBC được áp dụng.
Những lợi ích của hệ thống thông tin sử dụng MIMO có thể nhìn thấy được một cách
trực quan trong các phân tích ở chương 2 của luận văn và thông qua kết quả mô phỏng hệ
thống ở chương 3 của luận văn. Hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam các hướng nghiên cứu