Mô hình và phương pháp triệt nhiễu trong hệ thống mimo OFDM có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
=============

ĐÀO MINH HƯNG

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ
THỐNG MIMO-OFDM CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

LUẬN ÁN TIÊN SY KY THUẬT

Hà Nội – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
=============

ĐÀO MINH HƯNG

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ
THỐNG MIMO-OFDM CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIÊN SY KY THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS Nguyễn Quốc Trung
2. TS Nguyễn Viết Nguyên

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả, không sao
chép của bất kỳ người nào. Các kết quả số liệu nêu trong luận án là hoàn toàn trung
thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ ai.
Tác giả luận án
Đào Minh Hưng
Đào Minh Hưng


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung và TS Nguyễn Viết
Nguyên những người đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình
nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, các Thầy
Cô giáo Bộ môn Kỹ thuật Thông tin, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều
kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin cảm ơn
các Nhà khoa học đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu để luận án hoàn thiện.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đến BGH Trường Đại học Quy Nhơn đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.
Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, cùng ba mẹ, các anh chị em, bạn
bè và đồng nghiệp những người đã ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm
luận án.
Tác giả luận án
Đào Minh Hưng

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………………………………………..

1

MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU…………………………………………………..

6

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN
TRIỆT NHIỄU CHO CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM………………………..

9

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN……………………………………………………..

12

CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN………………………………………………………………………………..

13

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN …………………………………………………………

14

Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO-OFDM…………….

15

1.1 GIỚI THIỆU…………………………………………………………………………………………………….

15

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN……………………………………

17

1.2.1 Suy hao đường truyền………………………………………………………………………………….

17

1.2.2 Hiện tượng pha đinh đa đường …………………………………………………………………..

18

1.2.3 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc vào tần số ……………………….

18

1.2.4 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc thời gian………………………….

20

1.2.5 Kênh pha đinh Rayleigh và kênh pha đinh Rice……………………………………….

23

1.3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM…………………………………………………………………………...

26

1.4 MÔ HÌNH TÍN HIỆU MIMO-OFDM …………………………………………………………..

27

1.5 ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG
MIMO-OFDM………………………………………………………………………………………………………

30

1.5.1 Ước lượng kênh cho hệ thống MIMO-OFDM……………………………………………

30

1.5.2 Cân bằng tín hiệu cho hệ thống MIMO-OFDM…………………………………………

38

1.6 MÃ HÓA V-BLAST TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM………………………..

40

1.6.1 Mô hình hệ thống V-BLAST MIMO-OFDM……………………………………………...

41

1.6.2 Thuật toán tách ZF V-BLAST……………………………………………......................................

42


1.6.3 Thuật toán tách MMSE V-BLAST…………………………………….......................................

50

1.6.4 Thuật toán tách hợp lý cực đại MLD……………………………….........................................

52

1.6.5 So sánh chất lượng các thuật toán……………………………….................................................

54

1.6.6 So sánh độ phức tạp các thuật toán……………………………..................................................

56

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG……………………………....................................................................................

57

Chương 2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG
MIMO-OFDM CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN KHÔNG
GIAN...................................................................................................................................................................................

59

2.1 MÔ HÌNH KÊNH MIMO TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN.....................................

59

2.1.1 Mô hình kênh MIMO không tương quan...........................................................................................

59

2.1.2 Mô hình kênh MIMO tương quan băng rộng.....................................................................

60

2.1.3 Hàm tương quan không gian của hệ thống MIMO-OFDM băng rộng........

64

2.1.4 Ảnh hưởng dịch Doppler và khoảng cách anten đến chất lượng hệ
thống......................................................................................................................................................................................

66

2.1.5 Sự phụ thuộc tương quan không gian vào khoảng cách các phần tử
anten........................................................................................................................................................................................

69

2.2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMOOFDM..................................................................................................................................................................................

71

2.2.1 Mô tả hệ thống................................................................................................................................................

71

2.2.2 Mô hình tín hiệu có ích và nhiễu ICI...........................................................................................

74

2.2.3 Mô hình nhiễu xuyên ký hiệu ISI....................................................................................................

80

2.2.4 Ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDM.........................

80

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG...............................................................................................................................

84

Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN V-BLAST VÀ SƠ ĐỒ
TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM............................................................

86

3.1 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN GIẢI MÃ MMSE V-BLAST.............................................

86

3.1.1 Đặt vấn đề...........................................................................................................................................................

86

3.1.2 Đề xuất cải tiến thuật toán....................................................................................................................

88


3.2 ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ TRIỆT NHIỄU MỚI......................................................................................

100

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG............................................................................................................................

105

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG...............................................................................................................................

109

KẾT LUẬN CHUNG..............................................................................................................................................

110

Các đóng góp chính của luận án..............................................................................................................

110

Các hướng nghiên cứu tiếp theo..............................................................................................................

111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC..........................................................................

112

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................................................

113


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ACF

AutoCorrelation Function

Hàm tự tương quan

ACI

Adjacent Channel Interference

Nhiễu kênh lân cận

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

AOA

Angle Of Arrival

Góc tới

AOD

Angle Of Departure

Góc lệch

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng tính

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ bit lỗi

BS

Base Station

Trạm thu phát gốc

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái của kênh

truyền

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ biến đổi số - tương tự

DFE

Decision-Feedback Equalization

Cân bằng hồi tiếp quyết định

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

FEC

Forward-Error Correction

Sửa lỗi hướng tới

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

HDTV

High Definition Television

Truyền hình độ phân giải cao

HIPER

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

LAN/2

High Performance Local Area
Network type 2

ICI

InterChannel Interference

Nhiễu xuyên kênh

IEEE

Institute of Electrical and Electronic
Engineers

Viện của các kỹ sư điện và điện tử

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu xuyên ký hiệu

LMMSE Linear Minimum Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình tối
thiểu tuyến tính

LS

Least Square

Bình phương nhỏ nhất

LSD

Linear Signal Detector

Bộ tách tín hiệu tuyến tính

MAP

Maximum A posteriori Probability

Xác suất hậu nghiệm cực đại

MCCDMA

Multicarrier Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo mã đa
sóng mang

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra

MISO

Multiple Input Single Output

Hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra

MLD

Maximum Likelihood Detection

Tách hợp lý cực đại

MMSE

Minimum Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình tối
thiểu

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSE

Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình

OFDM

Orthoganal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PDP

Power Delay Profile

Profile trễ công suất

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

SDM

Space Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo không
gian

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SIC

Successive Interference Cancellation

Triệt nhiễu nối tiếp


SIMO

Single Input Multiple Output

Hệ thống một đầu vào nhiều đầu ra

SINR

Signal to Interference-plus-Noise

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng

Ratio

nhiễu

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một đầu vào một đầu ra

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STBC

Space-Time Block Coding

Mã hóa khối không gian thời gian

STC

Space-Time Coding

Mã hóa không gian thời gian

STFC

Space-Time-Frequency Coding

Mã hóa tần số không gian thời gian

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời
gian

TS

Training Sequence

Chuỗi huấn luyện

VBLAST

Vertical Bell Laboratories Layered
Space-Time

Mã không gian thời gian phân lớp
theo chiều dọc

VLSI

Very Larger Scale Integration

Tích hợp với mật độ cao

WiMax

Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên
toàn cầu đối với truy cập vi ba

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

ZF

Zero Forcing

Cưỡng ép không


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
τ

Trễ truyền dẫn của kênh truyền

L

Độ dài kênh truyền

G

Độ dài khoảng bảo vệ mỗi ký hiệu OFDM

NFFT

Độ dài FFT

N

Số sóng mang con

B

Độ rộng băng tín hiệu/ hệ thống

Nt

Số lượng anten phát

Nr

Số lượng anten thu

δt

Khoảng cách giữa hai phần tử anten phát

δr

Khoảng cách giữa hai phần tử anten thu

 n2

Phương sai của tạp âm

 s2

Phương sai của tín hiệu

Ts

Độ rộng ký hiệu

λ

Bước sóng của sóng mang

||.||2

Euclidean norm của vector

(.)H

Chuyển vị và lấy liên hiệp phức của ma trận hay một biến

(.)T

Chuyển vị của ma trận / vector

(.)-1

Nghịch đảo của ma trận


(.)*

Liên hợp phức

(.)†

Nghịch đảo Moore-Penrose của ma trận

E[.]

Toán tử kỳ vọng

J0(.)

Hàm Bessel bậc không loại một

diag(x) Ma trận chéo với các phần tử của vector x trên đường chéo của nó

x 

Số nguyên lớn nhất nhỏ hơn hoặc bằng x

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1

Các chuẩn MIMO và các công nghệ kết hợp

8

Bảng 1.1

So sánh độ phức tạp các thuật toán ZF, MMSE, MLD

57

Bảng 2.1

Các tham số hệ thống sử dụng để mô phỏng

81


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ – ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1

Minh họa tạp âm trắng.

2

Hình 2

Mô hình kênh của tạp âm trắng.

2

Hình 3

Đồ thị mắt tín hiệu nhị phân PSK.

4

Hình 4

Minh họa nhiễu xuyên kênh.

4

Hình 1.1

Phân loại các kênh pha đinh.

22

Hình 1.2

Hàm PDF của phân bố Rayleigh.

23

Hình 1.3

Một ví dụ về kênh truyền pha đinh Rayleigh.

24

Hình 1.4

Hàm PDF phân bố Rice với các giá trị K khác nhau.

25

Hình 1.5

Sơ đồ khối tổng quát mô tả hệ thống thu, phát MIMO-OFDM.

26

Hình 1.6

So sánh ước lượng LS và ước lượng MMSE.

35

Hình 1.7

Ước lượng kênh LS thông thường trong hệ thống MIMOOFDM có và không có nhiễu ISI.

37

Hình 1.8

Ước lượng kênh LS cải tiến bởi Nguyen [86] trong hệ thống
MIMO-OFDM có và không có nhiễu ISI.

37

Hình 1.9

So sánh ước lượng LS thông thường và cải tiến trong hệ thống
MIMO-OFDM khi có nhiễu ISI.

38

Hình 1.10 Sơ đồ minh họa mã hóa BLAST: a, mã hóa D-BLAST b, mã
hóa V-BLAST.

40

Hình 1.11 Cấu trúc đơn giản hệ thống V- BLAST MIMO-OFDM.

41

Hình 1.12 Nt kênh AWGN sau khi tách ZF.

44

Hình 1.13 Cấu trúc SIC ZF-VBLAST.

46

Hình 1.14 Cấu trúc SIC ZF-VBLAST theo thứ tự tối ưu.

47

Hình 1.15 BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh
phẳng, điều chế BPSK của thuật toán ZF V-BLAST.

54


Hình 1.16 BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh
phẳng, điều chế BPSK của thuật toán MMSE V-BLAST.

55

Hình 1.17 So sánh BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh

55

Rayleigh phẳng, điều chế BPSK của các thuật toán ZF,
MMSE, ML V-BLAST.
Hình 2.1

Đồ thị PDP của mô hình kênh.

60

Hình 2.2

Mô hình một vòng tròn của hệ thống MIMO 2 × 2.

61

Hình 2.3

Phân chia vòng tròn phân bố thành L cặp khác nhau.

62

Hình 2.4

Mô hình hàm tương quan không gian với αT = αR = π/2 và
Δ = 20.

66

Hình 2.5

SER của hệ thống MIMO-OFDM có ảnh hưởng tương quan
với δt / λ = 30 và δr / λ = 3 đối với các tần số Doppler khác
nhau.

67

Hình 2.6

SER của hệ thống 2 × 2 MIMO-OFDM với các khoảng cách
giữa các phần tử anten khác nhau.

68

Hình 2.7

SER của hệ thống MIMO-OFDM trong trường hợp thông tin
trạng thái kênh CSI hoàn hảo và không hoàn hảo với
fD = 50 Hz, δt = 30λ, δr = 3λ.

68

Hình 2.8

So sánh SER của mô hình kênh tương quan và không tương
quan.

69

Hình 2.9

Sự phụ thuộc hàm tương quan vào khoảng cách giữa 2 phần tử
anten phát δt / λ khi khoảng cách giữa 2 phần tử anten thu
δ r/ λ = 0.5, δr / λ = 2.

70

Hình 2.10 Mô hình đáp ứng xung của kênh.

73

Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn tỷ số SER phụ thuộc vào độ dài khoảng bảo

vệ có ảnh hưởng của tương quan không gian với các khoảng
cách anten thu và phát khác nhau.

82

Hình 2.12 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp có
và không có nhiễu trên mô hình tương quan không gian với
δt = 11λ, δr = 0.5λ.

83


Hình 2.13 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp có
và không có nhiễu trên mô hình tương quan không gian với

83

δt = 18λ, δr = 3λ.
Hình 3.1

Ảnh hưởng sai số lan truyền đến chất lượng giải mã giữa các
lớp của thuật toán V-BLAST trong hệ thống MIMO-OFDM

87

4 × 4, điều chế QPSK và thông tin trạng thái kênh CSI hoàn
hảo.
Hình 3.2

Kết quả BER của các thuật toán MMSE V-BLAST thông

thường, LSD V-BLAST, V-BLAST đề xuất đối với hệ thống

97

MIMO-OFDM 4 × 4 trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng đối
với chòm sao QPSK.
Hình 3.3

BER của thuật toán V-BLAST đề xuất trong hệ thống MIMO-

97

OFDM 2 × 2, 4 × 4, 6 × 6 trên kênh pha đinh Rayleigh
phẳng đối với chòm sao QPSK.
Hình 3.4

SER với điều chế 4-QAM.

98

Hình 3.5

SER với điều chế 16-QAM.

99

Hình 3.6

Sơ đồ khối hệ thống phát (a), hệ thống thu V-BLAST MIMOOFDM đề xuất (b).

102

Hình 3.7

Đồ thị thể hiện so sánh chất lượng của hệ thống MIMOOFDM 2 × 2 trong các trường hợp chỉ có triệt nhiễu và sử
dụng MMSE V-BLAST thông thường kết hợp triệt nhiễu.

106

Hình 3.8

Đồ thị thể hiện so sánh chất lượng của hệ thống MIMOOFDM 2 × 2 trong các trường hợp sử dụng MMSE V-BLAST
thông thường và MMSE V-BLAST đề xuất kết hợp triệt nhiễu.

107

Hình 3.9

So sánh chất lượng của hệ thống MIMO-OFDM 2 × 2 trong
trường hợp MMSE V-BLAST đề xuất và STBC kết hợp với
triệt nhiễu.

108


-1MỞ ĐẦU
Nhiễu là đối tượng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệ thống truyền
thông và đo lường. Đối với các hệ thống truyền dẫn, nhiễu có thể là tạp âm (noise)
luôn tồn tại trong tín hiệu của bộ giải điều chế và cũng có thể là nhiễu giao thoa
(interference) của các tín hiệu trên băng tần làm việc do sự hoạt động kém hiệu quả

từ các bộ lọc. Khái quát hóa nhiễu có thể là noise hay interference, đó đều là các tín
hiệu, tín hiệu này có ích hay không là còn tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
Chẳng hạn như tiếng ồn từ tiếng nổ của xe hơi có thể cho ta nhận biết tình trạng
máy móc của động cơ hoặc can nhiễu có thể phá hủy, ngăn chặn các tín hiệu vô
tuyến chứa thông tin không có ích, những trường hợp này nhiễu là tín hiệu có ích.
Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn dịch vụ thông tin thì tạp âm và can nhiễu đều là
những tín hiệu không có ích vì nó làm tăng các thành phần không mong muốn tại
đầu ra của bộ giải điều chế. Trong các hệ thống thông tin, vấn đề nhiễu được sự
quan tâm khá nhiều của các nhà khoa học, nhất là trong các hệ thống thu. Thông
thường, các công trình nghiên cứu về nhiễu được tập trung nhiều ở các hệ thống
thông tin không dây, trong thập niên 1970 – 1980 là các hệ thống thông tin vệ tinh
và từ năm 1995 đến nay là các hệ thống thông tin di động số.
Ngày nay, với nhu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng,
các hệ thống thông tin đòi hỏi phải ổn định, tin cậy và tốc độ truyền dẫn lớn. Để có
những hệ thống như vậy thì kỹ thuật phân tích và loại trừ nhiễu trong tín hiệu thông
tin ngày càng tinh vi hơn, hiệu quả hơn.
Trước tiên, luận án giới thiệu sơ lược về các loại nhiễu thường gặp trong hệ
thống thông tin số.
Tạp âm trắng (White Noise): Về mặt lý thuyết, tạp âm trắng được định nghĩa là
quá trình ngẫu nhiên không tương quan có mật độ phổ công suất bằng nhau trên
toàn bộ dải tần số. Trong thực tế, hệ thống thông tin luôn có băng tần giới hạn, và
trong băng tần này nếu có một quá trình nào đó mà phổ của nó bằng phẳng, quá


-2trình có đặc điểm như vậy được coi như là tạp âm trắng [82]. Ví dụ, hệ thống âm
thanh có độ rộng băng tần 10 kHz, nhiễu có phổ phẳng trong băng tần đó thì xem
như là tạp âm trắng.
Tạp âm trắng có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss nên thường được
gọi là tạp âm trắng Gauss. Tạp âm trắng Gauss có tính chất độc lập thống kê (không
tương quan). Trong các ứng dụng hệ thống viễn thông, tạp âm trắng Gauss sử dụng

như là nhiễu cộng nên gọi là tạp âm trắng Gauss cộng tính AWGN (Additive White
Gaussian Noise) và mô hình hóa như hình 1 và hình 2.

Pnn ( f )

Rnn()


2
n

f


c,

b,
a,

Hình 1: Minh họa tạp âm trắng a, hàm tự tương quan b, mật độ phổ c.
AWGN
Tín hiệu
phát

h(t)
H(jω)

Tín hiệu
thu

Hình 2: Mô hình kênh của tạp âm trắng.
Hàm tự tương quan của tạp âm trắng có trung bình không và phương sai bằng

 n2 là một hàm Delta được cho bởi:
Rnn ( )  E N (t ) N (t   )   n2 ( ).

(1)

Phổ công suất của tạp âm được xác định bởi:


Pnn ( f )   Rnn (t )e  j 2ft dt   n2 .


(2)


-3Phương trình (2) cho thấy rằng phổ công suất của tạp âm trắng là hằng số.
Phổ công suất của tạp âm trắng trong băng tần hữu hạn B được biểu diễn bằng:

 n2 f  B
Pnn ( f )  
.
cßn
l¹i
0


(3)

Đối với các loại tạp âm tuân theo phân bố Gauss mà có phổ công suất không
bằng phẳng thì gọi là nhiễu màu. Muốn phổ của các loại nhiễu màu này bằng phẳng
thì có thể sử dụng bộ lọc làm trắng (whitening filter) [82]. Bộ lọc làm trắng có thể
xử lý để cho tín hiệu đầu ra không tương quan và có phổ bằng phẳng giống như tạp
âm trắng.
Ngoài ra, tạp âm nhiệt (thermal noise) cũng được mô hình như tạp âm Gauss
trắng cộng AWGN [83].
Nhiễu xuyên ký hiệu ISI (InterSymbol Interference): ISI là nhiễu xuyên giữa
các ký hiệu (symbol), là một dạng gây méo của tín hiệu. Đây là hiện tượng không
mong muốn do các ký hiệu liền kề trước gây ra khi có một tác nhân nào đó và làm
giảm độ tin cậy cho hệ thống viễn thông. Trong các hệ thống viễn thông, ISI xuất
hiện thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường, kênh truyền có băng thông hạn
chế, đáp ứng tần số không bằng phẳng hoặc các đặc tính kênh không đáp ứng yêu
cầu của tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất (the first Nyquist’s criterion). Trong hệ thống
có nhiễu ISI thì nó sẽ tác động làm cho tín hiệu ở hệ thống thu bị lỗi. Nhiễu ISI
trong các hệ thống thông tin đã được trình bày khá cơ bản và đầy đủ trong tài liệu
[65]. Nhiễu ISI phụ thuộc vào từng loại điều chế, dạng của nó có thể nhìn được nhờ
máy hiện sóng bằng đồ thị mắt hoặc biểu đồ chòm sao (constellation). Hình 3 là đồ
thị mắt của tín hiệu trước và sau khi bị nhiễm nhiễu ISI. Khi không có nhiễu ISI đồ
thị mắt mở rộng (hình 3a), khi bị nhiễm nhiễu ISI đồ thị mắt hẹp hơn và khó phân
biệt tín hiệu “0” hay “1” (hình 3b).


-4Phương pháp chung thường dùng để khử ISI là sử dụng các bộ cân bằng thích
nghi, bộ lọc cos nâng hoặc đặc tính kênh truyền phải thỏa mãn điều kiện Nyquist

Biên độ

Biên độ

thứ nhất.

t

t

a,
b,
Hình 3: Đồ thị mắt tín hiệu nhị phân PSK a, và bị nhiễu ISI do môi trường truyền
dẫn đa đường b, [106].
Nhiễu xuyên kênh ICI (InterChannel Interference): Nhiễu xuyên kênh ICI
gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau. Tín hiệu truyền trên kênh vô
tuyến bị ảnh hưởng của tần số Doppler nên xảy ra dịch tần gây nhiễu sang kênh kề
nó và vì vậy tạo ra ICI. Để khử nhiễu ICI, giữa các dải tần phải chèn các băng bảo
vệ (guard band). Nhiễu ICI đã đề cập đầy đủ trong [69]. Hình 4 minh họa trường
hợp nhiễu xuyên kênh ICI.
|H(f)|

f0 - B/2

fs

f0

Chồng phổ

f0 + B/2

f

Hình 4: Minh họa nhiễu xuyên kênh.
Nhiễu đồng kênh CCI (CoChannel Interference): Nhiễu đồng kênh CCI được
định nghĩa như là tín hiệu không có ích tạo ra từ hai hay nhiều tín hiệu độc lập được


-5phát cùng một lúc trên cùng một dải tần số. Nhiễu đồng kênh CCI thường xuất hiện
trong hệ thống thông tin di động tế bào. Tần số tái sử dụng cũng có thể gây nhiễu
CCI làm giới hạn hiệu suất của hệ thống. Nhiễu CCI cũng được trình bày khá đầy
đủ trong [65].
Nhiễu kênh lân cận ACI (Adjacent Channel Interference): Nhiễu kênh lân
cận ACI là do hạn chế của các thiết bị vô tuyến gây ra như độ ổn định tần số phát,
băng thông máy thu, các bộ lọc phối hợp. Nhiễu ACI có thể phân loại thành: nhiễu
trong băng (inband) và nhiễu ngoài băng (out of band). Khi độ rộng băng của nhiễu
có tâm nằm trong độ rộng băng tín hiệu mong muốn thì gọi là nhiễu trong băng,
ngược lại khi độ rộng băng của nhiễu có tâm nằm phía ngoài độ rộng băng tín hiệu
mong muốn thì gọi là nhiễu ngoài băng.
Trong hệ thống thông tin di động tế bào, nhiễu ACI có thể phân thành hai loại:
 ACI trong cùng tế bào (intercell): Nếu các kênh lân cận dùng trong cùng một
tế bào thì thiết bị di động gần trạm phát nhất sẽ gây can nhiễu đối với các thiết bị di
động ở xa hơn. Vì vậy trong các hệ thống di động cần hạn chế việc sử dụng các
kênh lân cận trong cùng một tế bào.
 ACI giữa các tế bào (intracell): Trường hợp không dùng các kênh kề nhau
trong cùng một tế bào nhưng lại dùng cho các tế bào lân cận cũng gây ra nhiễu ACI.
Khi hai thiết bị di động ở trên hai tế bào kề nhau nhưng gần nhau tại biên, mỗi thiết
bị di động phát về trạm thu phát gốc của mình thông qua các kênh lân cận, lúc này
trạm thu phát gốc sẽ thu được tín hiệu cần thiết cộng với tín hiệu của thiết bị di
động của tế bào lân cận sẽ gây ra nhiễu ACI. Do đó, trong hệ thống thông tin di
động cần tránh sử dụng các kênh kề nhau ở hai tế bào lân cận. Nhiễu kênh lân cận
so với nhiễu đồng kênh tại cùng một mức công suất nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu
kênh lân cận luôn nhỏ hơn.

Trong hệ thống thông tin di động tế bào MC-CDMA (Multicarrier Code
Division Multiple Access), nhiễu ACI trong cùng tế bào có thể được khử bằng cách
dùng một dãy “tap” cân bằng trên miền tần số [78] còn nhiễu ACI giữa các tế bào
có thể khử được như đã đề cập trong các tài liệu [1], [25].


-6Tùy theo từng hệ thống và môi trường truyền dẫn khác nhau mà xuất hiện các
loại nhiễu khác nhau. Do đó, tùy theo cấu trúc của từng hệ thống mà có những biện
pháp cụ thể khác nhau để phân tích và triệt nhiễu.
MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
1. Mục đích nghiên cứu
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng với sự phát triển
của kỹ thuật tích hợp với mật độ rất cao VLSI (Very Large Scale Integation) và kỹ
thuật xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) cho phép thực hiện các thuật
toán cũng như các hệ thống mã hóa phức tạp nhờ các thiết bị rất nhỏ có mức công
suất tiêu thụ thấp. Điều đó tạo điều kiện phát triển các hệ thống thông tin di động số
hiện đại. Sự phát triển của các công nghệ này làm động lực thúc đẩy để phát triển
các loại thiết bị và dịch vụ của hệ thống thông tin số trên phạm vi toàn cầu. Ngoài
ra, nhu cầu về dung lượng và việc cải thiện chất lượng của các hệ thống thông tin
cũng liên tục tăng. Các ứng dụng của việc truyền dữ liệu đa phương tiện (các luồng
dữ liệu hình ảnh và tiếng nói) hoặc các mạng trò chơi trực tuyến cũng đòi hỏi phải
có hệ thống sử dụng hiệu quả phổ để cung cấp chất lượng dịch vụ phù hợp [6], [7],
[94]. Như đã vạch ra trong [55] cần thiết phải xây dựng và phát triển công nghệ
truyền thông mới có thể đáp ứng được nhu cầu dung lượng cho hệ thống không dây
tương lai. Vì vậy, việc phát triển kỹ thuật vô tuyến với độ tin cậy ngày càng cao trở
thành lĩnh vực “nóng” trong kỹ thuật thông tin. Tuy nhiên, đây là nhiệm vụ rất khó
khăn vì hệ thống không dây phải chống chọi với hiện tượng pha đinh tín hiệu,
truyền dẫn đa đường, tạp âm, nhiễu và sự giới hạn băng thông. Do đó, triệt nhiễu là
một trong những kỹ thuật không thể thiếu khi thiết kế các hệ thống thông tin số,
nhất là đối với thông tin vô tuyến.

Theo lý thuyết thông tin của Shannon, dung lượng kênh là tốc độ truyền bit lớn
nhất có thể mà kênh truyền đáp ứng. Do đó, công thức xác định dung lượng kênh là
một hàm của độ rộng băng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) [83]. Tăng công suất


-7tín hiệu và mở rộng băng thông kênh truyền là hai phương pháp trực quan để tăng
dung lượng kênh truyền. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều không thể thực
hiện được trong thực tế vì công suất tín hiệu bị ràng buộc bởi thiết bị di động, còn
phổ kênh truyền bị giới hạn bởi luật tần số vô tuyến. Vì vậy, đã có nhiều phương
pháp điều chế và mã hóa khác nhau được cải tiến với mục đích để nâng cao hiệu
quả sử dụng phổ. Trong thực tế, các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng các hệ thống với
nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (được gọi là hệ thống MIMO) có thể nâng cao rất lớn
thông lượng hệ thống, độ tin cậy và phạm vi phủ sóng mà không cần tăng công suất
tín hiệu và mở rộng băng thông kênh truyền [9], [75]. Trong [30] cũng đã chứng tỏ
rằng với sự trợ giúp của kỹ thuật MIMO có thể tăng dung lượng, tăng kích thước
phủ sóng và tăng chất lượng hệ thống. Vì vậy, bằng cách thực hiện truyền dẫn
MIMO và tách tín hiệu trên sóng mang con, các thuật toán MIMO có thể được áp
dụng cho hệ thống thông tin băng rộng [19], [26], [29]. Các hệ thống MIMO đã
được quan tâm chú ý trong thập kỷ qua do các lợi ích và tiềm năng của nó, các
nghiên cứu liên quan đến MIMO đã hoạt động tích cực trong những năm gần đây
trong các viện nghiên cứu lẫn các viện công nghiệp [8], [20].
Ngoài ra, công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) được phát triển từ những năm sáu mươi của thế
kỷ trước và được nghiên cứu bổ sung hoàn thiện trong những năm qua vì nó có ưu
điểm nổi bật là sử dụng hiệu quả phổ tần số và khả năng chống lại sự phụ thuộc tần
số của kênh pha đinh nhờ vào kỹ thuật làm tăng chiều dài của ký hiệu dữ liệu [39].
Vì những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật MIMO và công nghệ OFDM, trong thời
gian gần đây sự kết hợp giữa MIMO, OFDM được quan tâm nghiên cứu và là ứng
viên áp dụng cho hệ thống thông tin di động tương lai.
Để chứng minh điều này có thể xem trong các chuẩn ứng dụng vô tuyến. Trong

bảng 1 tóm tắt một số tiêu chuẩn ứng dụng kỹ thuật MIMO để nâng cao chất lượng
của hệ thống thông tin [68].


-8Các chuẩn

Công nghệ kết hợp

WLAN 802.11n

OFDM

WiMAX 802.16 2004

OFDM/ OFDMA

WiMAX 802.16e

OFDMA

3GPP Release 7

WCDMA

3GPP Release 8 (LTE)

OFDMA

802.20

OFDM

802.22

OFDM

Bảng 1: Các chuẩn MIMO và các công nghệ kết hợp
Trong bảng 1, chúng ta thấy rằng tất cả các chuẩn đều sử dụng kết hợp giữa kỹ
thuật MIMO và công nghệ OFDM ngoại trừ 3GPP phiên bản 7. Ngoài ra, mặc dù
MIMO có khả năng kết hợp với bất kỳ loại điều chế hoặc kỹ thuật đa truy nhập nào
nhưng các nghiên cứu đã đề nghị thực hiện kết hợp MIMO với OFDM bởi vì ngoài
các hiệu quả như đã đề cập ở trên, sự kết hợp này còn có lợi thế là các phép toán đại
số ma trận đơn giản trong phép xử lý tín hiệu [54]. Một lần nữa đã cho thấy rằng sự
kỳ vọng rất lớn trong việc kết hợp giữa MIMO và OFDM.
Trong hệ thống MIMO-OFDM, nếu độ dài khoảng bảo vệ không nhỏ hơn trải
trễ cực đại và kênh truyền không phụ vào thời gian thì hoàn toàn có thể tránh được
nhiễu ISI, ICI. Tuy nhiên, trong thực tế hai điều kiện trên khó được thỏa mãn, vì
vậy sự xuất hiện nhiễu ISI, ICI trong hệ thống là không thể tránh khỏi. Ngoài ra,
trong hệ thống MIMO-OFDM còn có nhiễu đồng kênh CCI bởi các luồng tín hiệu
phát đồng thời trên các anten phát. Do đó, bài toán triệt nhiễu đặt ra là cần thiết
nhằm tăng cường chất lượng cho hệ thống.
2. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu
Với mục đích đã đề ra ở trên, tác giả đã chọn “Hệ thống thông tin số băng rộng
MIMO-OFDM” là đối tượng nghiên cứu trong luận án của mình.
Mục tiêu của luận án này là: xây dựng mô hình nhiễu cho các hệ thống MIMOOFDM, đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST nhằm nâng cao hiệu quả triệt


-9nhiễu, nghiên cứu sơ đồ triệt nhiễu cho hệ thống MIMO-OFDM. Tất cả các giải
pháp đề xuất đều được xem xét có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN

ĐẾN TRIỆT NHIỄU CHO CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM
1. Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong nước
Trong bài báo [1] đã đề xuất máy thu lặp MMSEC-PIC (Minimum Mean Square
Error Equalization Combining-Parallel Interference Cancellation) dựa vào sự kết
hợp giữa kỹ thuật cân bằng MMSE trên miền tần số và kỹ thuật triệt nhiễu song
song phi tuyến (PIC), cùng với sử dụng thuật toán cực đại hóa kỳ vọng EM
(Expectation Maximization), ước lượng kênh bằng một số ký hiệu dẫn đường để
thực hiện triệt nhiễu giữa các tế bào cho hệ thống MC-CDMA.
Trong bài báo [5] đã đề xuất các thuật toán đồng bộ cho hệ thống MC-CDMA
sử dụng kênh đồng bộ ghép theo thời gian và theo tần số để triệt được nhiễu xuyên
ký hiệu ISI và nhiễu xuyên kênh ICI.
Trong [3], [4] đã đề xuất phương pháp cấp phát kênh động phân tán áp dụng
cho mạng OFDM nhiều người sử dụng hoạt động ở chế độ ghép song công phân
chia theo thời gian (TDD). Phương pháp đề xuất cho phép mạng tái sử dụng toàn bộ
tần số, đồng thời giảm nhiễu đồng kênh CCI. Việc giảm nhiễu đồng kênh CCI có
thể thực hiện được nếu tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của kênh phân tập đa
đường được khai thác triệt để.
2. Tóm tắt tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các công trình triệt nhiễu cho hệ thống thông tin sử dụng công nghệ OFDM và
MIMO-OFDM có thể được tóm tắt, phân loại theo phương pháp nghiên cứu sau
đây:
a. Sửa lỗi hướng tới FEC (Forward-Error Correction): Trong tài liệu [51]
chứng tỏ FEC có khả năng để giảm các lỗi gây ra bởi ICI. Phương pháp mã hóa