Mô hình kênh dựa trên các bộ lọc và đánh giá dung lượng cho các hệ thống

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................... i
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. iii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ................ 3
1.1 Hệ thống thông tin vô tuyến .................................................................. 3
1.2 Đặc điểm của kênh truyền vô tuyến ..................................................... 4
1.3 Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng ............................ 4
1.4 Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian ...................................... 5
1.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian ................................. 5
1.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh .............................................. 5
1.4.3 Xung Dirac........................................................................................ 5
1.5 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian ....................... 7
1.6 Bề rộng độ ổn định tần số của kênh ..................................................... 7
1.7 Hiệu ứng Doppler ................................................................................... 8
1.8 Kênh phụ thuộc thời gian .................................................................... 10
1.9 Bề rộng ổn định về thời gian của kênh............................................... 10
1.10 Các mô hình kênh cơ bản .................................................................. 12
1.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh ......................................................... 12
1.10.2 Kênh theo phân bố Rice................................................................. 12
1.11 Quan hệ tín hiệu phát tín hiệu thu và mô hình kênh...................... 12
1.12 Mô tả toán học của kênh ................................................................... 13
1.12.1Hàm tự tương quan của đáp ứng xung của kênh vô tuyến ............. 14
1.12.2Hàm công suất trễ ........................................................................... 14


1.12.3Hàm tương quan của hàm truyền đạt của kênh .............................. 15
1.13 Kết luận chƣơng ................................................................................. 16
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO .............................................................. 17

2.1 Tổng quan về hệ thống MIMO ........................................................... 17
2.2 Các kỹ thuật phân tập ......................................................................... 17
2.2.1 Phân tập thời gian ........................................................................... 18
2.2.2 Phân tập tần số ................................................................................ 18
2.2.3 Phân tập không gian........................................................................ 19
2.3 Độ lợi trong hệ thống MIMO .............................................................. 20
2.3.1 Độ lợi beamforming........................................................................ 20
2.3.2 Độ lợi ghép kênh không gian.......................................................... 20
2.3.3 Độ lợi phân tập ............................................................................... 21
2.4 Hệ thống MIMO OFDM ..................................................................... 22
2.4.1 Điều chế QAM ................................................................................ 22
2.4.2 Mã khối không gian thời gian STBC .............................................. 26
2.5 Kết luận chƣơng ................................................................................... 30
CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH ................... 31
3.1 Tổng quan ............................................................................................. 31
3.2 Phỏng tạo kênh sử dụng bộ lọc ........................................................... 31
3.3 Phỏng tạo kênh sử dụng phƣơng pháp Rice...................................... 33
3.4 Bộ lọc FIR ............................................................................................. 35
3.4.1 Lý thuyết bộ lọc FIR ....................................................................... 35
3.4.2 Các thông số của bộ lọc .................................................................. 36
3.4.3 Bộ lọc có pha tuyến tính ................................................................. 37
3.4.4 Thiết kế bộ lọc ................................................................................ 38
3.5 Kết luận chƣơng ................................................................................... 41
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ............................................... 42
4.1 Giới thiệu chƣơng................................................................................. 42


4.2 Tạo quá trình xác suất tuân theo phân bố Rayleigh ........................ 42
4.2.1 Bộ lọc hàm truyền đạt phổ Doppler................................................ 43
4.2.2 Hệ số tuân theo phân bố Rayleigh .................................................. 45

4.3 Kênh truyền cho hệ thống SISO ......................................................... 48
4.3.1 Tạo hệ số kênh ................................................................................ 49
4.3.2 Hệ thống SISO OFDM ................................................................... 53
4.4 Kênh truyền cho hệ thống MIMO ...................................................... 57
4.4.1 Xây dựng hệ số kênh tương quan ................................................... 59
4.4.2 Đánh giá hệ thống MIMO OFDM .................................................. 62
4.5 Kết luận chƣơng ................................................................................... 63
KẾT LUẬN .................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 65


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu của tác giả khác. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng
một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các
tài liệu tham khảo.

Nguyễn Văn Vinh


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt

Giải nghĩa tiếng Anh

Giải nghĩa tiếng Việt

1

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Nhiễu tạp âm trắng

2

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

3

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

4

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

5

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc
ngược

6

IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform

Biến đổi Fourier nhanh
ngược

7

LTE

Long Term Evolution

Công nghệ mạng 4G

8

MIMO

Multiple Input Multiple
Output

Hệ thống đa anten phát
thu

9

OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

10

STBC

Space Time Block Code

Mã hóa khối không gianthời gian

11

STTC

Space Time Trellis Code

Mã không gian thời gian
Trellis

12

SFBC

Space Frequency Block
Code

Mã hóa khối không giantần số

13

QAM

Quadrature amplitude
modulation

Một kỹ thuật điều chế
biên độ

14

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

i


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM4 .............................................................24
Bảng 2-2: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM16 ...........................................................25
Bảng 2-3: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM64 ...........................................................26
Bảng 4-1: Bảng hệ số tính toán ma trận tương quan .................................................59

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến ......................................................... 3
Hình 1.2: Truyền dẫn phân tập đa đường................................................................... 4
Hình 1.3: Mô tả đáp ứng xung của kênh .................................................................... 6
Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh ........................................................................... 7
Hình 1.5: Độ rộng ổn định của kênh .......................................................................... 8
Hình 1.6: Mật độ phổ của tín hiệu thu ....................................................................... 9
Hình 1.7: Hàm tự tương quan thời gian của kênh trong sự so sánh với bề rộng ổn
định về mặt thời gian của kênh ............................................................ 11
Hình 1.8: Quan hệ tín hiệu thu và tín hiệu phát ....................................................... 12
Hình 1.9: Ví dụ hàm công suất trễ của kênh ............................................................ 15
Hình 1.10: Tự tương quan tần số của kênh .............................................................. 16
Hình 2.1: Hệ thống MIMO....................................................................................... 17

Hình 2.2: Độ lợi beamforming ................................................................................. 20
Hình 2.3: Độ lợi ghép kênh không gian ................................................................... 21
Hình 2.4: Độ lợi phân tập ......................................................................................... 21
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM ................................................................ 22
Hình 2.6: Sơ dồ điều chế QAM................................................................................ 22
Hình 2.7: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ............................................ 27
Hình 2.8: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti......................................... 27
Hình 3.1: Phỏng tạo kênh theo phương pháp sử dụng bộ lọc. ................................. 31
Hình 3.2: Tạo ra hệ số kênh truyền của một tuyến .................................................. 32
Hình 3.3: Phổ công suất trễ rời rạc của đáp ứng xung của kênh truyền .................. 33
Hình 3.4: Tạo hệ số kênh truyền bằng phương pháp Rice. ...................................... 34
Hình 3.5: Hệ thống tuyến tính bất biến trong miền n .............................................. 35
Hình 3.6: Đáp ứng xung ........................................................................................... 36
Hình 3.7: Biểu diễn các tham số của bộ lọc ............................................................. 36
Hình 4.1: Tạo quá trình xác suất tuân theo phân bố Rayleigh ................................. 42

iii


Hình 4.2: Kết quả đáp ứng xung của bộ lọc ............................................................. 44
Hình 4.3: Kết quả hàm truyền đạt của bộ lọc Doppler ............................................ 45
Hình 4.4: Mật độ xác xuất biên độ thu được với phân bố Rayleigh theo lý thuyết . 46
Hình 4.5: Hàm tự tương quan của hệ số sử dụng bộ lọc và sử dụng phương pháp
Rice ....................................................................................................... 47
Hình 4.6: Sơ dồ kênh truyền cho hệ thống SISO ..................................................... 48
Hình 4.7: Đáp ứng kênh rời rạc................................................................................ 49
Hình 4.8: Kênh truyền trong trường hợp f d = 100 Hz ............................................ 51
Hình 4.9: Kênh truyền trong trường hợp f d = 10 KHz .......................................... 52
Hình 4.10: Tự tương quan kênh truyền tại tần số f1 ................................................. 53
Hình 4.11: Sơ đồ hệ thống SISO OFDM ................................................................. 54

Hình 4.12: Tỉ lệ SER khi sử dụng kênh truyền theo lý thuyết và kênh truyền
được ước lượng Linear ......................................................................... 55
Hình 4.13: Đánh giá SER hệ thống OFDM khi sử dụng hai phương pháp điều
chế là QAM16 và QAM64 ................................................................... 56
Hình 4.14: Kênh truyền MIMO ............................................................................... 57
Hình 4.15: Hệ số tuân theo phân bố Rayleigh tương quan ...................................... 60
Hình 4.16: Sự phụ thuộc của các hệ số kênh H11 , H12 , H 21 , H 22 theo tần số và
thời gian ................................................................................................ 61
Hình 4.17: Mô hình kênh cho hệ thống MIMO OFDM........................................... 62
Hình 4.18: SER của hệ thống MIMO OFDM khi sử dụng hai phương pháp điều
chế khác nhau QAM16 và QAM64 ..................................................... 63

iv


LỜI MỞ ĐẦU
Phỏng tạo kênh truyền là bước quan trọng để giúp các nhà thiết kế hệ thống
có thể đưa ra các lựa chọn về thiết kiết hợp lý để có thể đạt được hiệu năng tốt nhất
cho hệ thống. Trước khi thiết kế một hệ thống thu phát vô tuyến nói chung, điều đầu
tiên là phải nghiên cứu các đặc tính kênh truyền, từ đó lựa chọn các phương pháp
mã hóa kênh, mức điều chế ở băng cơ sở và các phương pháp cân bằng kênh, lọc
nhiễu bổ xung nhằm tăng khả năng khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhất.
Để thực hiện được một mô hình kênh giống với mô hình kênh trong thực tế
thì chúng ta cần hai điều quan trọng. Điều đầu tiên là đo đạc môi trường truyền dẫn
trong thực tế để có được các số liệu tính toán và xác suất của kênh. Tiếp sau đó là
dựa vào các thông tin đo đạc được chúng ta sẽ dùng các phương pháp phỏng tạo
khác nhau để có thể tạo ra được kênh truyền gần giống với thực tế. Chúng ta có thể
phỏng tạo kênh truyền bằng một số phương pháp như: phỏng tạo kênh sử dụng bộ
lọc, phỏng tạo kênh bằng phương pháp Rice... Nội dung của luận văn này sẽ tập
trung vào việc tạo kênh truyền dựa trên phương pháp bộ lọc. Sau khi đã có kênh

truyền thì sử dụng để đánh giá hệ thống MIMO với các kỹ thuật được sử dụng hiện
nay như các kỹ thuật điều chế QAM16, QAM64…
Luận văn sẽ sử dụng mô hình kênh được thiết kế để đánh giá hệ thống MIMO
là đề tài phù hợp với sự phát triển hiện nay. Như chúng ta đã biết thì ngày nay các
hệ thống dẫn vô tuyến như LTE, Wimax, HiperLAN/2, hệ thống phát thanh số
DRM sử dụng công nghệ MIMO đã giúp tăng lượng thông tin truyền tải trên kênh
truyền vô tuyến, sử dụng cùng một dải băng truyền dẫn trên các anten.
Với những yêu cầu được đưa ra thì nội dung của luận văn được chia thành 4
chương như sau:
 Chƣơng 1. Lý thuyết về kênh truyền vô tuyến
Trong chương này ta tổng quát lại lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, với một
số khái niệm như fading đa đường, kênh chọn lọc và không chọn lọc tần số, thời

1


gian, … cũng như cách đánh giá một mô hình kênh tuyến. Nội dung chương tham
khảo ở Tài liệu [1].
 Chƣơng 2: Hệ thống MIMO
Trong chương này ta nghiên cứu rõ kỹ thuật MIMO cùng các kỹ thuật phân
tập, kỹ thuật điều chế QAM để phục vụ cho việc mô phỏng ở Chương 4.
 Chƣơng 3: Các phƣơng pháp phỏng tạo kênh
Nghiên cứu hai phương pháp phỏng tạo kênh sử dụng bộ lọc và phương pháp
Rice. Sau đó tìm hiểu về thiết kế bộ lọc FIR là bộ lọc được sử dụng để tạo bộ lọc có
phổ Doppler.
 Chƣơng 4: Thiết kế kênh và mô phỏng
Đưa thiết kế và mô phỏng cho bộ lọc có hàm truyền là phổ Doppler, tạo kênh
và đưa vào đánh giá hệ thống OFDM SISO, MIMO.
Trong quá trình thực hiện đồ án này, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn
không thể tránh được những thiếu xót do nhận thức chưa đúng về một nội dung nào

đó, nên em rất mong muốn được sự chỉ dẫn của các thầy cô.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS. Hà Duyên Trung là
người đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý sửa chữa. Tiếp đó em xin cảm ơn PGS. TS
Nguyễn Văn Đức cũng đã có những giúp đỡ lớn để em có thể hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy.

2


CHƢƠNG 1
1.1

LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Hệ thống thông tin vô tuyến

Nguồn tin

Mã nguồn

Mã kênh

Điều chế

Kênh vô

tuyến

Tín hiệu đích

Giải mã
nguồn

Giải mã kênh

Giải điều chế

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến
Hình 1.1 là một mô hình đơn giản của hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin
trước hết qua mã hóa nguồn để giảm lượng thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa
kênh để tránh lỗi do kênh truyền gây ra. Sau đó tín hiệu sẽ được điều chế để có thể
truyền đi xa với các mức điều chế phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi
tín hiệu ở máy phát được phát đi thì tín hiệu thu được sẽ được trải qua các bước
ngược lại để thu được được tín hiệu ở máy thu. Chất lượng của tín hiệu sẽ phụ thuộc
vào điều kiện kênh truyền và các phương pháp mã hóa khác nhau.
Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến.
Môi trường truyền dẫn có thể là trong một tòa nhà, ngoài trời, hoặc phản xạ trên các
tầng điện ly. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất
khác nhau.

3


1.2

Đặc điểm của kênh truyền vô tuyến
Là môi truyền truyền dẫn sóng điện từ từ máy phát tới máy thu. Trong quá

trình truyền kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss,
Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, đa đường … Trong kênh truyền vô tuyến thì

chịu tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu giao thoa là rất lớn. Ngoài ra do kênh
truyền vô tuyến và truyền dẫn đa đường nên còn chịu ảnh hưởng của đa đường và
Fading chọn lọc tần số[1].
1.3

Khái niệm về kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng
Anten
phát

Anten
thu

Hình 1.2: Truyền dẫn phân tập đa đường
Tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu được đi theo nhiều hướng khác
nhau do tác động của các vật cản nên bị tán xạ, phản xạ và khúc xạ, … Mỗi một tín
hiệu trên một đường khác nhau có tần số khác nhau cho dù kể cả bên độ là như
nhau. Hiện tượng này chính là Fading ở miền tần số. Kênh truyền phân tập đa
đường gây lên fading ở miền tần số thì được gọi là kênh phụ thuộc tần số
(Frequency Selective Channel). Bản chất của kênh phụ thuộc tần số là hàm truyền
đạt của kênh sẽ thuộc vào giá trị tần số của tín hiệu phát.

4


Trên thực tế, số lượng các đường tín hiệu từ máy phát đến máy thu không
phải là hai đường, mà là vô số, trong đó chỉ có một đường trong tầm nhìn thẳng sẽ
có cường độ thu lớn nhất và trễ truyền dẫn là nhỏ nhất.
1.4

Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian

1.4.1 Khái niệm về kênh không phụ thuộc thời gian
Kênh không phụ thuộc vào thời gian là kênh truyền dẫn trong trường hợp

không có chuyển động tương đối giũa máy phát và máy thu.
Cả đáp ứng xung và hàm truyền đạt của kênh này đều không phụ thuộc vào thời
gian.
1.4.2 Khái niệm về đáp ứng xung của kênh
Là một dãy xung thu được ở máy thu khi máy phát phát đi một xung cực ngắn
gọi là xung Dirac  (t ) .
1.4.3 Xung Dirac
Xung  (t ) được gọi là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau:

5


 (t )  0


   (t )  1


(t  0)
(t = 0)

(1.1)

Với định nghĩa trên về xung Dirac thì trong kênh không phụ thuộc vào thời gian,
đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn dưới dạng toán học như sau:
Np

h( )   ak  (   k )
k 1

Trong đó:
h( ) : đáp ứng xung của kênh

ak : hệ số suy hao tuyến thứ k
Np

: số tuyến từ máy phát đến máy thu

 k : trễ truyền dẫn tuyến k

 : biến trễ truyền dẫn
h(τ)

Trễ truyền dẫn τ

Hình 1.3: Mô tả đáp ứng xung của kênh

6

(1.2)


1.5

Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian

Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh

Ta có:
H ( j ) F h( )

H ( j ) 



Np



k 1

 j
j
 h( )e d   ak e k

(1.3)

Trong đó, F là phép biến đổi Fourier.
Dựa vào hàm truyền đạt của kênh ta có thể biết được ở miền tần số nào tín hiệu
bị suy hao hay tương ứng với độ fading lớn, hoặc là ở miền tần số nào tín hiệu ít bị
suy hao. Hầu hết các hệ thống truyền dẫn băng rộng đa đường đều có fading ở miền
tần số. Độ phụ thuộc tần số phụ thuộc vào trễ truyền dẫn của kênh và bề rộng của
băng tần tín hiệu.
1.6

Bề rộng độ ổn định tần số của kênh
f c 

1

(1.4)

 max

f c cho chúng ta biết bề rộng độ ổn định tần số của kênh,  max là trễ truyền

dẫn lớn nhất của kênh. Tùy thuộc vào bề rộng băng tần của hệ thống so với bề rộng
ổn định của kênh mà kênh được định nghĩa là phụ thuộc vào tần số hay không.

7


B

Hình 1.5: Độ rộng ổn định của kênh
Nếu độ rộng ổn định tần số kênh lớn hơn nhiều so với bề rộng băng tần của hệ
thống  fc 

B thì kênh là không phụ thuộc vào tần số. Trái lại kênh được gọi là

phụ thuộc vào tần số.
1.7

Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

làm cho phổ của tín hiệu truyền đi bị dịch đi một lượng f D so với tần số trung tâm
sóng mang.

Tần số Doppler phụ thuộc mạnh vào góc giữa hướng truyền sóng và hướng
chuyển động của máy thu hoặc mát phát, bên cạnh đó là vận tốc chuyển động tương
đối giữa máy thu và máy phát cũng như tần số trung tâm sóng mang, cụ thể công
thức như sau:
v
f D  cos( )
c

8

(1.5)


Trong đó f D , v , c và  lần lượt là tần số Doppler, vận tốc chuyển động tương đối
giữa máy phát và thu, vận tốc ánh sáng và góc lệch giữa hướng truyền sóng và
hướng chuyển động của máy thu.
Nếu như  = 0 thì tần số Doppler sẽ là lớn nhất:
f D ,max 

v
f0
c

(1.6)

Phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau:
A

, f 0  f D ,max  f  f 0  f D ,max


2
 f  f0 

 yy  j 2 f    1  

 f max 


0, otherwise


(1.7)

A
f

Hình 1.6: Mật độ phổ của tín hiệu thu
Tuy nhiên, do hiệu ứng fading đa đường, có nhiều đường sóng từ máy phát
đến máy thu, do đó góc lệch  cũng sẽ khác nhau. Ta có tần số Doppler ở từng
đường là:

9


v
f Dk  cos(k )
c

(1.8)

Với k = 1 ... N p tương ứng với số đường sóng từ máy phát đến máy thu do hiệu ứng
fading đa đường.
1.8

Kênh phụ thuộc thời gian
Sự dịch chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu sinh ra hiệu ứng Doppler

và hiện tượng phụ thuộc thời gian của kênh. Sự phụ thuộc thời gian của đáp ứng
xung kênh vô tuyến được biểu diễn ở phương trình sau[1]:
Np

h( , t )   ak e



j 2 f Dk k

k 1


 (   k (t))

(1.9)

t là thời gian tuyệt đối và τ là trễ truyền dẫn của kênh.
Đáp ứng xung của kênh là biểu diễn toán học của kênh trong miền thời gian.
Khi đó biến đổi Fourier của kênh cho ta hàm truyền đạt của kênh. Vậy hàm truyền
đạt là biểu diễn toán học của kênh trong miền tần số.
Hàm truyền đạt của kênh được biểu diễn như sau[1]:
H ( j , t ) 

1.9



Np



k 1

j
 h( , t )e d   ak e



j 2 f Dk l  k



e  j k (l)

(1.10)

Bề rộng ổn định về thời gian của kênh
Dựa vào dịch chuyển tần số Doppler, tác giả Proakis đưa ra đại lượng đặc

trưng cho độ ổn định về thời gian của kênh, là căn cứ để xác định xem kênh có phụ
thuộc thời gian hay không. Cụ thể:
(t )c 

(1.11)

1
2 f D ,max

10


Trong đó:
(t )c : độ ổn định thời gian của kênh

f D ,max : tần số dịch Doppler lớn nhất.
Ts : độ rộng thời gian của một mẫu tín hiệu.

Tùy thuộc vào bề rộng ổn định của kênh về thời gian của kênh và độ dài mẫu
tín hiệu sẽ cho ta kết quả liệu kênh vô tuyến được gọi là kênh phụ thuộc thời gian
hay không.

Ts

Hình 1.7: Hàm tự tương quan thời gian của kênh trong sự so sánh với bề rộng
ổn định về mặt thời gian của kênh
Nếu bề rộng ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài của
một mẫu tín hiệu của hệ thống.

 t  c  Ts

(1.12)

Thì kênh truyền dẫn được coi là không phụ thuộc vào thời gian.
Trong trường hợp ngược lại,  t  c  Ts kênh được coi là phụ thuộc vào thời gian.

11


1.10

Các mô hình kênh cơ bản
Chúng ta sẽ xem xét hai loại mô hình kênh cơ bản là: mô hình kênh theo phân

bố Rayleigh và mô hình kênh theo phân bố Rice.
1.10.1 Kênh theo phân bố Rayleigh
Hàm truyền đạt của kênh là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian và tần
số. Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố
Rayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thỏa mãn:
 Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, tức là không có
tuyến có công suất vượt trội.
 Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác
nhau.
 r2
 r 2 R
f y  r    2
R

 0
2

(1.13)

1.10.2 Kênh theo phân bố Rice
Trong trường hợp tuyến truyền dẫn có tuyến trong tầm nhìn thẳng thì công
suất của tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với tuyến khác. Xác suất của biên độ hàm
truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice.
1.11

Quan hệ tín hiệu phát tín hiệu thu và mô hình kênh
Sơ đồ tổng quát về mối quan hệ giữa máy phát, máy thu và kênh vô tuyến.

Hình 1.8: Quan hệ tín hiệu thu và tín hiệu phát

12


Quan hệ toán học giữa máy phát, máy thu và đáp ứng xung của kênh:
y(t )  x(t )* h( ) 



 x(t   )h( )d

(1.14)



Trong đó,
x(t ) : tín hiệu phát ( là một hàm xác định)

h( ) : đáp ứng xung của kênh
y (t ) : tín hiệu nhận được tại máy thu

* : là phép chập toán học

Biến đổi FFT ta có phương trình sau:
Y ( j)  H ( j). X ( j)

(1.15)

Hệ thống vô tuyến được mô tả bởi phương trình toán học như trên được gọi
là tuyến tính (linear system) và nhân quả.
Trường hợp tín hiệu nguồn phát đi là một quá trình xác suất, khi đó mối quan
hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh truyền thông qua phép lấy tích phân như
trên là không tồn tại. Đối với các quá trình xác suất sẽ không tồn tại phép biến đổi
Fourier.
Để xây dựng mối liên hệ này, người ta sử dụng các hàm tự tương quan và các
hàm tương quan chéo của các quá trình xác suất này, vì phép biến đổi Fourier có thể
thực hiện được cho các hàm tự tương quan.
1.12

Mô tả toán học của kênh
Kênh truyền là một quá trình xác suất tùy vào môi trường truyền dẫn. Các tính

chất xác suất này có thể biểu diễn về mặt toán học thông qua các phép biểu diễn
như hàm tự tương quan hoặc phổ công suất.

13


1.12.1 Hàm tự tương quan của đáp ứng xung của kênh vô tuyến
Hàm tự tương quan của đáp ứng xung của kênh vô tuyến được định nghĩa như

sau:

hh (1 , 2 , t1 , t2 )  E[h* (1, t1 ) * h( 2 , t2 )]

(1.16)

E[] : hàm kỳ vọng .

h* : hàm liên hợp phức của đáp ứng xung.

Trường hợp kênh được giả thiết là kênh quá trình dừng theo nghĩa rộng và
tán xạ không tương quan (WSSUS), ta có công thức tính hàm tự tương quan đáp
ứng xung của kênh như sau:

hh (1 , 2 , t )  E[h* (1 , t ) * h( 2 , t  t )]=hh (1, t )* (1  2 )

(1.17)

Mô hình WSSUS sẽ được sử dụng để phân tích các đặc tính của kênh.
1.12.2 Hàm công suất trễ
Nếu cho t  0 khi đó hàm tự tương quan đáp ứng xung của kênh trở thành hàm
công suất trễ của kênh.

 ( )  hh ( , t  0)  E[h* ( )h( )]

(1.18)

Hàm công suất trễ  ( ) cho biết phân bố công suất tín hiệu đối với trễ truyền dẫn.
Hàm công suất trễ luôn có xu hướng giảm dần biên độ theo trễ truyền dẫn.

14


Hình 1.9: Ví dụ hàm công suất trễ của kênh
1.12.3 Hàm tương quan của hàm truyền đạt của kênh
Biến đổi Fourier của hàm tự tương quan đáp ứng xung kênh vô tuyến, ta được
hàm tự tương quan của truyền đạt của kênh.

hh (1,  2 , t )

F

HH (1,2 , t )

(1.19)

Cụ thể:

HH (1, 2 , t )  E[ H * (1,t)H ( 2 ,t+t)]
(1.20)

 



  E[h ( , t ) h( , t  t )]e
*

1

2

j (11  2 2 )

d 1d  2

 

Đối với mô hình kênh WSSUS

hh (1,  2 , t )

F

HH (1,2 , t )

(1.21)

Hàm tự tương quan của kênh với mô hình WSSUS chỉ phụ thuộc vào khoảng chênh
lệch tần số  .

15


 Hàm tự tương quan tần số của kênh
Khi t  0 ta có hàm tương quan tần số của kênh HH ( )
HH ( ) chính là biến đổi Fourier của hàm công suất trễ của kênh  ( )

Hình 1.10: Tự tương quan tần số của kênh
 Hàm tự tương quan thời gian của kênh

Khi   0 của hàm truyền đạt của kênh ta được hàm tự tương quan thời gian
của kênh.
Người ta đã chứng minh được biến đổi ngược Fourier của phổ Jake chính là hàm
tự tương quan thời gian của kênh. Biến đổi ngược Fourier của hàm tương quan thời
gian của kênh chính là hàm Bessel loại thứ nhất bậc không. Do vậy:

HH (t )  J 0 (2 f D,max t )
1.13

(1.22)

Kết luận chƣơng
Chương I cho ta một cách nhìn tổng quan về lý thuyết kênh truyền vô tuyến,

hiệu ứng fading và … ảnh hưởng đến tín hiệu phát tại phía thu. Những cơ sở lý
thuyết này chính là tiền đề để xây dựng mô hình kênh và đánh giá các kết quả mô
phỏng trong các chương sau.

16


CHƢƠNG 2

2.1

HỆ THỐNG MIMO

Tổng quan về hệ thống MIMO

Máy

Máy
.
.
.

phát

.
.
.

thu

Hình 2.1: Hệ thống 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.
Một số ưu nhược điểm của hệ thống MIMO như sau:
 Tăng độ phân tập của kênh truyền fading, do đó có thể giảm xác suất lỗi.
 Tăng dung lượng của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu.
 Tuy nhiên chi phí cho thiết bị cao hơn nhiều (do sử dụng nhiều anten phát và
thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.
2.2

Các kỹ thuật phân tập
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

17