Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin mimo OFDM

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1 
MỤC LỤC HÌNH VẼ................................................................................................3 
MỤC LỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................5 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................6 
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................8 
CHƯƠNG 1  ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................9 
1.1  Xu hướng phát triển và yêu cầu hệ thống di động.........................................9 
1.2  Đặc điểm của OFDM ..................................................................................10 
1.2.1  Giới thiệu ..............................................................................................10 
1.2.2  Ưu điểm .................................................................................................10 
1.2.3  Nhược điểm ...........................................................................................11 
1.3  Đặc điểm hệ thống MIMO ...........................................................................12 
1.3.1  Giới thiệu ..............................................................................................12 
1.3.2  Ưu điểm .................................................................................................13 
1.3.3  Nhược điểm ...........................................................................................13 
1.4  Bài toán đặt ra .............................................................................................14 
1.5  Phương pháp nghiên cứu.............................................................................15 
CHƯƠNG 2..............................................................................................................15 
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN ............16 
2.1  Suy hao đường truyền ..................................................................................16 
2.2  Các hiện tượng fading .................................................................................17 
2.3  Hiện tượng Doppler .....................................................................................19 
2.4  Nhiễu trắng Gauss .......................................................................................19 
2.5  Kết luận chương ..........................................................................................20 
CHƯƠNG 3  OFDM ...........................................................................................21 
3.1  Giới Thiệu ....................................................................................................21 
3.2  Cơ sở lý thuyết OFDM.................................................................................21 
3.2.1  Sóng mang trực giao .............................................................................21 

3.2.2  Cấu trúc tín hiệu OFDM.......................................................................26 
3.3  Hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................27 
3.3.1  Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song .............................................28 
3.3.2  Tầng điều chế sóng mang con ..............................................................29 
3.3.3  Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ...........................30 
3.3.4  Tầng chèn khoảng bảo vệ .....................................................................32 
3.3.5  Tầng điều chế sóng mang cao tần RF ..................................................36 
3.4  Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM ........................36 
3.4.1  Các thông số trong miền thời gian .......................................................36 
3.4.2  Các thông số trong miền tần số ............................................................37 
3.4.3  Thông lượng kênh .................................................................................37 
3.5  Kết luận chương ..........................................................................................39 
CHƯƠNG 4  HỆ THỐNG MIMO .....................................................................40 

1 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

4.1  Giới thiệu .....................................................................................................40 
4.2  Cơ sở lý thuyết MIMO .................................................................................40 
4.2.1  Kỹ thuật phân tập..................................................................................40 
4.2.2  Độ lợi hệ thống MIMO .........................................................................42 
4.2.3  Dung lượng hệ thống ............................................................................44 
4.3  Hệ thống MIMO...........................................................................................46 
4.3.1  Mô hình hệ thống MIMO khi sử dụng mã không gian thời gian: .........47 
4.3.2  Mã hóa không gian thời gian khối STBC .............................................48 
4.3.3  Mã lưới không gian thời gian STTC ...............................................54 
•  Thuật toán giải mã chập Viterbi ..................................................................57 

Mã hóa không gian – thời gian lớp BLAST .......................................................61 
Bộ thu V-BLAST Zero-Forcing ..........................................................................63 
Bộ thu V-BLAST MMSE (Minimum Mean-Squared Error)...............................65 
4.4  Kết luận chương ..........................................................................................68 
CHƯƠNG 5  HỆ THỐNG MIMO-OFDM .......................................................69 
5.1  Giới thiệu .....................................................................................................69 
5.2  Hệ thống MIMO – OFDM ...........................................................................69 
5.2.1  Giới thiệu ..............................................................................................69 
5.2.2  Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti .......................................................71 
5.2.3  Cải thiện chất lượng hệ thống MIMO – OFDM nhờ sử dụng mã lưới 75 
5.2.4  Hệ thống MIMO – OFDM V-BLAST ....................................................77 
5.2.5  Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ........................80 
5.3  Ước lượng kênh truyền cho hệ thống MIMO – OFDM ...............................81 
5.3.1  Giới thiệu ..............................................................................................81 
5.3.2  Ước lượng kênh truyền .........................................................................82 
5.3.3  Điều chế ký tự pilot thêm vào ( Pilot Symbol Assisted Modulation ) ...83 
5.3.4  Sắp xếp các pilot ...................................................................................84 
5.3.5  Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối .......................................88 
5.3.6  Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng lược .......................................92 
5.3.7  Phương pháp ước lượng kênh dựng bộ lọc LS (least square filter) cho
hệ thống MIMO – OFDM ..................................................................................93 
5.3.8  Cân bằng tín hiệu cho hệ thống MIMO – OFDM ................................96 
5.4  Kết luận chương ..........................................................................................97 
CHƯƠNG 6  MÔ PHỎNG .................................................................................98 
6.1  Giới thiệu .....................................................................................................98 
6.2  Dung lượng hệ thống MIMO - OFDM .......................................................98 
6.3  Ước lượng kênh hệ thống MIMO – OFDM .................................................99 
KẾT LUẬN ............................................................................................................105 
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .........................................................................106 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................107 

2 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Trực quan hệ thống MIMO
12 
Hình 2.1 Tín hiệu tới anten thu theo L đường
17 
Hình 2.2 Cường độ tín hiệu thay đổi theo thời gian
18 
Hình 3.1 Tích phân của sóng hình sin
22 
Hình 3.2 Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số
23 
Hình 3.3 Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số
23 
Hình 3.4 Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số
25 
Hình 3.5 Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu
25 
Hình 3.6 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM với 5 sóng mang con
26 
Hình 3.7 Cấu trúc tín hiệu OFDM
26 
Hình 3.8 Sơ đồ khối hệ thống OFDM điể hình
27 

Hình 3.9 Minh họa bộ biến đổi song song/ nối tiếp và nối tiếp/ song song
29 
Hình 3.10 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hóa Gray và tín hiệu 16-QAM truyền
qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB
30 
Hình 3.11 Tần IFFT, tạo tín hiệu OFDM
31 
Hình 3.12 Đáp ứng xung của kênh truyền fading chọn lọc tần số
32 
Hình 3.13 Tín hiệu khi không có khoảng bảo vệ
33 
Hình 3.14 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ rỗng
33 
Hình 3.15 Khoảng bảo vệ có tính Cyclic Prefix
34 
Hình 3.16 Tiền tố lặp CP trong OFDM
35 
Hình 3.17 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở sử dụng kỹ thuật tương
tự
36 
Hình 3.18 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng sóng mang con
37 
Hình 4.1 Minh họa phân tập thời gian
41 
Hình 4.2 Ghép kênh giúp tăng tốc độ truyền dẫn
43 
Hình 4.3 Phân tập không gian giúp cải thiện chất lượng hệ thống
44 
Hình 4.4 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu
49 

Hình 4.5 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti
49 
Hình 4.6 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu
52 
Hình 4.7 Sơ đồ lưới mã Trellis K = 3, k/n = 1/2
55 
Hình 4.8 Bộ lập mã chập với chiều dài cưỡng bức K = 3, k/n = ½
58 
Hình 4.9 Sơ đồ lưới bộ lập mã K=3, tốc độ 1/2 với các giá trị nhánh
58 
Hình 4.10 Sơ đồ mã lưới với các giá trị Hamming
59 
Hình 4.11 Lựa chọn đường sống sót tại thời điểm t4
60 
Hình 4.12 Khoảng cách mã tại thời điểm t5
61 
Hình 4.13 Lựa chọn đường sống sót tại thời điểm t5
61 
Hình 4.14 Máy thu V-BLAST MMSE
68 
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống MIMO – OFDM
69 
Hình 5.2 Ma trận kênh truyền MIMO – OFDM
71 
Hình 5.3 Máy phát MIMO-OFDM Alamouti
71 

3 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

Hình 5.4 Sơ đồ khối hệ thống MIMO - OFDM Trellis
Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống thu MIMO-OFDM Trellis
Hình 5.6 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST
Hình 5.7 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST
Hình 5.8 ZF/MMSE Decoder

4 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

76 
77 
77 
80 
80 


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Đa thức sinh sử dụng trong điều chế mã Trellis………………….48

5 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADSL

Asymmetric Digital

Đường dây thuê bao

Subscriber Line

số bất đối xứng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

CP

Cycle Prefix

Tiền tố lặp

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

FDM

Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi thuận

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

I.I.D

Independent and Identically

Phân bố độc lập và đồng nhất

Distributed
ICI

InterChannel Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Inverse Discrete

Biến đổi Fourier ngược rời rạc

Fourier Transform
IFFT

Inverse fast Fourier transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI

Inter- Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

MIMO

Multi Input- Multi Output

Đa đầu vào – Đa đầu ra

MISO

Multi Input Single Output

Đa đầu vào – Một đầu ra

ML

Maximum Likelihood

Giống nhau nhiều nhất

MMRC

Maximal – Ratio Receive

Kết hợp thu tỷ lệ lớn nhất

Combining
MMSE

Minimum Mean-Squared Error Tối thiểu bình phương sai biệt lỗi

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia

Division Multiplexing

theo tần số trực giao

Peak- to-Average

Tỷ số công suất đỉnh trên

Power Ratio

công suất trung bình

PAPR

6 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ

Modulation

cầu phương

SISO

Single Input Single Output

Một đầu vào – Một đầu ra

STBC

Space-Time Block Code

Mã khối không gian – thời gian

STC

Space Time Codes

Mã không gian thời gian

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã lưới không gian thời gian

7 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ thống
thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng
thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống
và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu
của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa ra là sự kết
hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM.
Trong luận văn này chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ thuật OFDM và tổng quan về hệ
thống MIMO. Phân tích mô hình Alamouti và mô hình V-BLAST. Dựa trên các lý
thuyết đã phân tích, chúng ta sẽ kiểm chứng lại kết quả mô phỏng trên Matlab. Từ
đó chúng ta rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMO-OFDM
Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự hướng dẫn chu đáo và tận tình của
TS. Nguyễn Thúy Anh và TS. Nguyễn Hữu Trung. Em xin chân thành cảm ơn thầy
cô đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Do kiến thức còn nhiều hạn chế,
nên báo cáo này không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự đánh
giá phê bình của các thầy cô.
Hà Nội, ngày tháng năm 2011
SV Nguyễn Huy Phong

8 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Xu hướng phát triển và yêu cầu hệ thống di động
Trong thời đại hiện nay, khi mà thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của
thông tin di động và Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương
tiện băng rộng. Các hệ thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy
đã được tối ưu hoá cho các dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng
rất hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng
có tốc độ truyền dữ liệu chậm và màn hình hiển thị nhỏ. Các hệ thống 3G, đang
trong quá trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 3.6Mbit/s (7.2Mbit/s
về sau) và có màn hình hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua
Internet sẽ ngày càng phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng
bao lâu nữa sẽ tràn đầy trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp
theo. Tuy nhiên, khả năng của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu
ngày càng tăng của các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải
có một hệ thống thông tin mới có khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền
thông đa phương tiện – hệ thống di động 4G.
Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao, trong khi băng
thông lại có giới hạn. Yêu cầu này khiến cho hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra MIMO
(Multi Input- Multi Output ) được nghiên cứu và đã đem lại nhiều thành công đáng
kể. Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát, đa anten thu, áp dụng kỹ thuật phân tập
và mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không
phải tăng công suất phát hay băng thông.
Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit
BER ( Bit Error Rate), ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI
(Inter- Symbol Interference)… Nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì
thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang được
áp dụng đó là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Nguyên lý
cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ

9 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

thấp hơn và phát trên các sóng mang con trực giao. Nhờ vậy, OFDM chuyển kênh
truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng băng hẹp
và triệt nhiễu ISI dựa vào việc chèn thêm khoảng bảo vệ.

1.2 Đặc điểm của OFDM
1.2.1 Giới thiệu
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp
đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm
1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở
các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục
lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất
sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường.
Năm 1971, Weinstein & Ebert để nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ trong
OFDM. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT
cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Phát minh này
làm cho kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực truyền dẫn
thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL. Sau đó OFDM được ứng dụng cả
trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB. Trong những năm gần đây,
OFDM đang được tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng trong chuẩn di động 3.75 G và
4G.
1.2.2 Ưu điểm
Hệ thống OFDM có những ưu điểm nổi bật như sau:
-

Sử dụng OFDM giúp đạt hiệu quả phổ tần cao bằng cách cho phép các sóng
mang con có thể chồng lấn lên nhau do tính trực giao giữa chúng.

-

Các hệ thống OFDM có khả năng chịu đựng fading chọn lọc tần số tốt hơn
những hệ thống sóng mang đơn dựa vào việc chia toàn bộ băng thông kênh
thành nhiều kênh con fading phẳng. Do vậy, OFDM phù hợp với hệ thống
truyền dẫn băng rộng.

10 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

-

OFDM loại trừ nhiễu liên ký tự ISI và xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI
nhờ việc chèn khoảng bảo vệ có tính chất CP ( cycle prefix) lớn hơn trải trễ
lớn nhất của kênh truyền đa đường.

-

Cũng nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cycle prefix mà hệ thống OFDM
sử dụng bộ cân bằng kênh khá đơn giản.

-

IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế
và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiên, hơn
nữa tín hiệu được điều chế lại đơn giản và hiệu quả.

1.2.3 Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm nêu ở trên thì, OFDM vẫn có những nhược điểm cần lưu
ý. Đó là:
-

Nhạy cảm với dịch tần Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội
phát và thu

-

Vấn đề về đồng bộ thời gian , máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của
ký hiệu FFT

-

Vấn đề đồng bộ về tần số phức tạp hơn trong hệ thống đơn sóng mang. Tần
số lệch của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây
nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách
trầm trọng.

-

OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ
thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- toAverage Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM được tổng hợp từ các sóng
mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu sẽ xuất hiện đỉnh
rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuếch đại công
suất lớn HPA ( High-Power Amplifier).

11 

Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

1.3 Đặc điểm hệ thống MIMO
1.3.1 Giới thiệu
Sự phát triển của thông tin vô tuyến dẫn đến việc đòi hỏi cao về tốc độ truyền dữ
liệu cũng như chất lượng truyền. Hai chỉ tiêu kỹ thuật này bị hạn chế bởi nhiều yếu
tố khác như: tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, giá thành thuê cao... Hơn nữa
bản thân mỗi đường truyền luôn tồn tại các yếu tố: fading, nhiễu liên ký hiệu ISI,
nhiễu đồng kênh ICI, tạp âm...Việc tăng công suất phát một cách vô hạn là không
thể vì nó bị giới hạn bởi chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị. Khi mà việc xử lý tín hiệu số
ở miền thời gian, tần số đã lên tới mức giới hạn mà vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu
thì kỹ thuật MIMO được dùng để giải quyết bài toán trên dựa vào việc lợi dụng khả
năng ghép kênh không gian.

Hình 1.1 Trực quan hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là hệ thống
thông tin điểm – điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Những nghiên cứu gần
đây cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER,
tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băng
thông hệ thống. Chi phí phải trả để tăng tốc độ dữ liệu chính là việc tăng chi phí

12 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

triển khai hệ thống, không gian cần thiết cho hệ thống cũng tăng lên, độ phức tạp
của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên.
Một hệ thống MIMO bao gồm nhiều phần tử anten, có phần xử lý tín hiệu
thích ứng ở cả phía phát và phía thu. Nó sử dụng nhiều đầu vào, nhiều đầu ra như
một kênh duy nhất. Phân tập không gian được ứng dụng ở cả phía phát và phía thu.
Tín hiệu được truyền đi từ nhiều anten và được thu từ nhiều anten. Đặc điểm nổi bật
của hệ thống MIMO là nó khai thác môi trường đa đường thay vì khắc phục nó.
1.3.2 Ưu điểm
Việc sử dụng hệ thống anten MIMO, đem lại các lợi ích như sau:
-

Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong việc nâng cao chất
lượng và dung lượng hệ thống

-

Chất lượng truyền dẫn tốt hơn (BER) do sử dụng nhiều anten bên thu giúp
giảm được ảnh hưởng của fading. Khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm
thì các đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Sự kết hợp hợp lý của
các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ
tin cậy của đường truyền.

-

Tăng phạm vi phủ sóng

-

Tăng khả năng ước tính kênh ở phía thu

1.3.3 Nhược điểm
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đã nêu vẫn có những trở ngại gặp phải khi sử
dụng hệ thống anten MIMO:
• Chi phí cho lắp đặt hệ thống anten MIMO
• Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

13 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

1.4 Bài toán đặt ra
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng
dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ
thống thông tin thống chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất,
dung truyền lượng hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất
cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì công suất phát càng tăng thì hệ
thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thống
của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên vì việc phân bố băng thông đã được định
chuẫn sẵn.
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệu
quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng
kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng
công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống. Kỹ thuật OFDM là một
phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading
chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc
độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền
chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ

hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ được
hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật
OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân
bằng tín hiệu trong miền tần số.
Do đó, bài toán đặt ra là nghiên cứu dung lượng và các phương pháp
ước lượng kênh truyền của hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật
MIMO – OFDM. Dựa trên cơ sở lý thuyết có được, tiến hành xây dựng chương
trình mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab. Kết quả thu được sẽ giúp ta
tìm ra các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả, độ tin cậy của hệ thống.
Đồng thời, nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật mới tối ưu cho hệ thống
MIMO – OFDM.

14 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

1.5 Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu lý thuyết, bao gồm:
• Nghiên cứu kỹ thuật OFDM
• Nghiên cứu hệ thống MIMO
• Nghiên cứu hệ thống MIMO-OFDM

-

Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM, bao gồm:
• Mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO-OFDM

• Mô phỏng ước lượng kênh hệ thống MIMO-OFDM

-

Từ lý thuyết nghiên cứu và kết quả mô phỏng, rút ra kết luận, đánh giá hiệu
năng, ưu nhược điểm của hệ thống, đánh giá khả năng ứng dụng của hệ
thống trong thực tiễn.

-

Đưa ra hướng phát triển cho đề tài.

15 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CHẤT LƯỢNG
KÊNH TRUYỀN
Trong thông tin vô tuyến, đặc điểm của kênh truyền có tầm quan trọng rất lớn vì
chúng ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn và dung lượng hệ thống. Trong
chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số đặc tính đặc trưng nhất của kênh truyền
như: suy hao đường truyền, các hiện tượng fading, Doppler, và nhiễu trắng Gauss.
Các hệ thống thông tin luôn luôn mong muốn khắc phục nhiều nhất các ảnh hưởng
này để đạt được chất lượng thông tin cao và dung lượng lớn.

2.1 Suy hao đường truyền
Tín hiệu thu được luôn luôn bị suy hao so với tín hiệu bên phát do các hiện tượng
như: sự hấp thụ, sự phản xạ bởi các vật cản, sự nở rộng về mọi hướng của tín

hiệu… Ngay cả khi dùng anten định hướng sóng vẫn được mở rộng theo hình cầu
(dù là mật độ năng lượng tập trung theo một hướng). Suy hao truyền dẫn trung bình
phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm. Cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình
phương khoảng cách theo công thức sau:
2

2

PT ⎛ 4π R ⎞ 1 1 ⎛ 4π ⎞ 2 2 1 1
=⎜
=⎜
⎟
⎟ R f
PR ⎝ λ ⎠ GT GR ⎝ c ⎠
GT GR

( 0.1)

L pt ( dB ) = PT ( dB ) − PR ( dB )

= −10 lg GT − 10 lg GT + 20 lg R − 47.6( dB )

Với PR : công suất nhận(W)
PT : Công suất phát (W)
GR : độ anten thu
GT : độ lợi anten phát

16 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

( 0.2)


Nghiờn cu ỏnh giỏ dung lng v c lng kờnh truyn h thng thụng tin MIMO-OFDM

f: tn s phỏt (Hz)
R: khong cỏch mỏy thu mỏy phỏt (km)
Lpt : h s suy hao trong khụng gian t do (dB)

2.2 Cỏc hin tng fading
QoS l mt trong cỏc vn quan trng nht ca IMS. QoS cho mt phiờn
multimedia c th c quyt nh bi nhiu nhõn t nh bng thụng ln nht.
Bng thụng ln nht cú th c cp phỏt cho ngi dựng da trờn ng ký ca
ngi dựng hoc da trờn tỡnh trng hin ti ca mng.

Taựn xaù1
Phaỷn xaù2ù
3
LOS
Nhieóu
xaù

L

Hỡnh 0.1 Tớn hiu ti anten thu theo L ng

Fading a ng
Tớn hiu phỏt ra, s i theo nhiu ng di ngn khỏc nhau n anten thu. Chỳng
cú th b phn x, tỏn x, v nhiu x bi cỏc vt th khỏc nhau to ra vụ s bn
sao tớn hiu ti mỏy thu. Do ú, cỏc bn sao ny chu nh hng suy hao khỏc nhau

v cú tr pha khỏc nhau. Tớn hiu thu c cú th c tng cng nu chỳng

17
Nguyn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

đồng pha, nhưng cũng có thể bị triệt tiêu, khiến cho tín hiệu thu được không ổn
định.
Fading chọn lọc tần số và fading phẳng
Kênh truyền fading chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau
trong một dải tần số, do đó mà tín hiệu tại các tần số khác nhau đi qua kênh truyền
sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền mà trong toàn khoảng băng
thông tín hiệu, đáp ứng tần số là bằng phẳng thì đó là kênh không chọn lọc tần số
hay kênh fading phẳng. Ngược lại, ta nói kênh đó là kênh truyền chọn lọc tần số.
Fading nhanh và fading chậm

Hình 0.2 Cường độ tín hiệu thay đổi theo thời gian

Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc
của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên, mọi kênh truyền đểu biến đổi
theo thời gian. Hình 2.2 cho thấy hiện tượng công suất tín hiệu được thay đổi theo
thời gian dù tín hiệu có công suất phát đi không đổi.
Kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chỉ mang tính tương đối. Nếu kênh
truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một ký hiệu Tsymbol thì kênh
18 
Nguyễn Huy Phong CH2010B

Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

truyền là không chọn lọc thời gian hay kênh truyền biến đổi chậm hay slow fading.
Ngược lại, thì kênh truyền sẽ là chọn lọc thời gian hay fast fading.

2.3 Hiện tượng Doppler
Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần
Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự
chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Khi nguồn phát và nguồn thu
chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi. Khi
nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi.
Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :
∆f = ± f 0

v
c

( 0.3)

Trong đó ∆f là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc
tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng.

2.4 Nhiễu trắng Gauss
Nhiễu trắng Gauss là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân
theo phân bố Gauss. Theo phương thức tác động, nhiễu Gauss là nhiễu cộng. Vậy
dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu trắng Gauss
cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra) là
loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu trắng Gauss cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc
biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành

phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu trắng Gauss cộng tác động trên từng
kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa
mãn các điều kiện của nhiễu trắng Gauss cộng

19 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

2.5 Kết luận chương
Chương này đã trình bày một số khái niệm cơ bản và những ảnh hưởng thường gặp
nhất của kênh truyền vô tuyến trong quá trình truyền dẫn tín hiệu. Ở 2 chương tiếp
theo ta sẽ đi tìm hiểu về kĩ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division
multiplexing) và hệ thống MIMO ( Multiple Input Multiple Output) để hiểu được
khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số, fading đa đường của hệ
thống OFDM và khả năng tăng được chất lượng và dung lượng kênh truyền của hệ
thống MIMO.

20 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

CHƯƠNG 3 OFDM
3.1 Giới Thiệu
Trong thập niên vừa qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) đã được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng
dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. OFDM được xem là kỹ thuật

tương lai của các hệ thống thông tin vô tuyến. Chương này sẽ tìm hiểu về cơ sở lý
thuyết và hệ thống truyền dẫn OFDM.

3.2 Cơ sở lý thuyết OFDM
3.2.1 Sóng mang trực giao
•

Ý tưởng:

Ý tưởng OFDM là truyền dẫn song song nhiều băng con chồng lấn nhau trên
cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống. Việc xếp chồng lấn các băng tần
con này không chỉ đem lại hiệu quả sử dụng phổ tần mà còn có tác dụng phân tán
được lỗi cụm khi truyền qua kênh. Nhưng làm thế nào để có thể chồng lấn các băng
con để truyền đi mà sau đó vẫn có thể tách chúng ra được? Điều này có thể làm
được là nhờ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.
Trước hết ta cần hiểu được thế nào là trực giao, và cách áp dụng tính trực
giao này vào hệ thống truyền dẫn OFDM như thế nào?
•

Điều kiện trực giao và nguyên tắc phép giải điều chế OFDM:

Để đảm bảo trực giao chuẩn cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con
phải thoả mãn điều kiện sau:

i= j
i≠ j

⎧1 ;
1 ts +T
si (t ).s*j (t )dt = ⎨

∫
T ts
⎩0 ;

( 3.1)

Trong đó: si (t), sj (t) là các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM.

21 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

⎧ e j 2π f ∆ft
sk (t ) = ⎨
⎩0

; k = 1;2;3;...N

;

( 3.2)

∆f : khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con
T : thời gian ký hiệu
N : số sóng mang con
ts : dịch thời gian
Theo phương trình trên, ta thấy nếu hai sóng mang phụ i và j (chúng là hai sóng
mang khác biệt i ≠ j ) trực giao với nhau thì tích phân của một sóng mang với liên

hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0. Trong trường hợp tích phân với chính nó,
thì kết quả sẽ là hằng số khác 0 (trường hợp trực giao chuẩn thì hằng số này bằng
1). Đó chính là nguyên tắc phép giải điều chế OFDM. Để trực quan hơn, ta có thể
xem xét quá trình tích phân qua diện tích đường cong như dưới đây.
Diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
2π k

∫ sin(ωt )dt

=0

( 3.3)

0

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau
thì quá trình này cũng bằng 0. Đó chính là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho
thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ
bằng không. Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.

Hình 3.1 Tích phân của sóng hình sin

22 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

Hình 3.2 Tích phân của hai sóng hình sin khác tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá
trị trung bình của nó luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải
điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ
dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.

Hình 3.3 Tích phân của hai sóng hình sin cùng tần số

23 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng
cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang được
tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện tích phân tất
cả các sóng mang còn lại về không. Sau đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu
quả, và xác định được giá trị symbol của nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện
nhanh chóng cho mỗi sóng mang, cho đến khi tất cả các sóng mang được giải điều
chế.
•

Minh họa tính trực giao:

OFDM đạt tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu
thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo
ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang. Tần số băng tần cơ sở của
mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là
toàn bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu. Do đó
các sóng mang con là trực giao với nhau.

Hình 3.4 dưới đây là kiến trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.
Các hình 1, 2, 3, 4 thể hiện các sóng mang con riêng lẻ tương ứng 10, 20, 30, và 40
Hz. Hình a biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian, hình b biểu diễn tín hiệu trên miền
tần số . Pha ban đầu của toàn bộ các sóng mang con này là 0. Hình 5 thể hiện tín
hiệu OFDM tổng hợp của 4 sóng mang con trên trong miền thời gian và miền tần
số.
Tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM được thể hiện một cách
tường minh ở hình 3.5. Trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một
đáp ứng tần số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đường bao chính hẹp, với đỉnh
suy giảm chậm khi biên độ của tần số cách xa trung tâm. Tính trực giao được thể
hiện là đỉnh của mỗi sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng
mang con khác. Hình 3.5 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần cấp phát cho hệ
thống thì hiệu quả sử dụng phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với cơ chế FDM
truyền thống.

24 
Nguyễn Huy Phong CH2010B


Nghiên cứu đánh giá dung lượng và ước lượng kênh truyền hệ thống thông tin MIMO-OFDM

Hình 3.4 Minh họa tín hiệu OFDM trong miền thời gian và miền tần số

Hình 3.5 Dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang so với phổ tín hiệu

25 
Nguyễn Huy Phong CH2010B