Nghiên cứu về hệ thống mimo OFDM và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HOÀNG ĐỨC ANH

HOÀNG ĐỨC ANH

KỸ THUẬT
VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDM
VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2014B
Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HOÀNG ĐỨC ANH

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG MIMO-OFDM
VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Ts.Nguyễn Quốc Khương

Hà Nội – Năm 2017


MỤC LỤC
***

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................v
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ...........................................................3
1.1 Giới thiệu chương................................................................................................................... 3
1.2 Mô hình hệ thống thu phát vô tuyến .................................................................................... 3
1.3 Phân loại mô hình hệ thống vô tuyến ................................................................................... 4
1.3.1

Mô hình hệ thống SISO.............................................................................................. 4

1.3.2

Mô hình hệ thống SIMO ............................................................................................ 4

1.3.3

Mô hình hệ thống MISO ............................................................................................ 5

1.3.4

Mô hình hệ thốngMIMO ............................................................................................ 6

1.3.5

Kỹ thuật phân tập ....................................................................................................... 9

1.4 Kết luận chương ................................................................................................................... 15

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO-OFDM ............................................................16
2.1 Giới thiệu chương................................................................................................................. 16
2.2 Hệ thống OFDM ................................................................................................................... 16
2.2.1

Sơ đồ hệ thống và nguyên lý cơ bản của OFDM ..................................................... 16

2.2.2

Ứng dụng kỹ thuật OFDM tại Việt Nam.................................................................. 19

2.2.3

Đơn sóng mang (Single Carrier) .............................................................................. 20

2.2.4

Đa sóng mang (Multi-Carrier) ................................................................................. 20

2.2.5

Sự trực giao (Orthogonal) ........................................................................................ 21

2.2.6

Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM ................................................ 22

2.2.7

Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ......................................................................... 25

2.2.8

Các đặc tính của OFDM ........................................................................................... 31

2.3 Hệ thống MIMO-OFDM ..................................................................................................... 32
2.3.1

Tổng quan hệ thống MIMO-OFDM......................................................................... 32

2.3.2

MIMO-OFDM phía phát .......................................................................................... 34

2.3.3

MIMO-OFDM phía thu............................................................................................ 34


2.3.4

Kỹ thuật ước lượng kênh trong hệ thống MIMO-OFDM ........................................ 35

2.3.5

Ưu nhược điểm hệ thống MIMO-OFDM ................................................................. 37

2.4 Mã hoá không gian thời gian............................................................................................... 38
2.4.1

Mã khối không gian – thời gian (STBC) .................................................................. 38

2.4.2

Mã lưới không gian – thời gian (STTC) .................................................................. 42

2.4.3

Mã lớp không gian – thời gian (V-Blast). ................................................................ 46

2.5 Kết luận chương ................................................................................................................... 58

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MIMO-OFDM TRONG MẠNG DI
ĐỘNG 4G-LTE .......................................................................................................59
3.1 Tổng quan mạng di động 4G-LTE ..................................................................................... 59
3.1.1

Giới thiệu về công nghệ LTE ................................................................................... 59

3.1.2

Những đặc điểm nổi bật của mạng di động 4G-LTE ............................................... 60

3.2 Hệ thống MIMO-OFDM trong LTE hướng xuống........................................................... 62
3.2.1

Sơ đồ tổng quát ........................................................................................................ 62

3.2.2

Cấu trúc của khung dữ liệu(Frame).......................................................................... 63

3.2.3

Lưới tài nguyên (Resource grid) .............................................................................. 64

3.2.4

Điều chế (Modulation) ............................................................................................. 65

3.2.5

Ánh xạ lớp (Layer mapping) ................................................................................... 66

3.2.6

Precoding cho phân tập phát .................................................................................... 68

3.2.7

Ánh xạ dữ liệu lên lưới tài nguyên ........................................................................... 69

3.2.8

Zero padding ............................................................................................................ 71

3.2.9

FFT/IFFT ................................................................................................................. 72

3.2.10

Chèn khoảng bảo vệ ................................................................................................. 72

3.2.11

MimoEqualizer sử dụng thuật toán SFD .................................................................. 73

3.3 Kết luận chương ................................................................................................................... 74

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÌM HIỀU, ĐO KIỂM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
TRẠM PHÁT SÓNG 4G-LTE (eNodeB) CỦA VIETTEL .................................75
4.1 Mô hình tổng thể hệ thống................................................................................................... 75
4.1.1

Cấu trúc phần cứng của eNodeB .............................................................................. 75

4.1.2

Cấu trúc phần mềm của eNodeB .............................................................................. 76

4.2 Quy trình đo kiểm, đánh giá hệ thống eNodeB ................................................................. 77
4.3 Bộ tiêu chuẩn đánh giá hệ thống trạm thu phát 4G-LTE ................................................ 78
4.4 Chi tiết bài đo đánh giá........................................................................................................ 78
4.5 Kết quả Đo kiểm ................................................................................................................... 80
4.5.1

Với test model 1.1 .................................................................................................... 80


4.5.2

Với test model 3.1 .................................................................................................... 83

4.6 Kết luận chương ................................................................................................................... 86
KẾT LUẬN ................................................................................................................................. 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................88


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

Hoàng Đức Anh

i


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
***
STT

Từ viết tắt

Giải nghĩa tiếng Anh

Giải nghĩa tiếng Việt

1

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa anten phát thu

2

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao

3

LTE

Long Term Evolution

Sự tiến hóa lâu dài

4

4G

The fourth Generation of mobile
communication

Mạng di động thế hệ thứ 4

5

GSM

Global System for Mobile
communications

Hệ thống di động toàn cầu

6

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

7

STBC

Space Time Block Code

Mã hóa khối không gian-thời
gian

8

STTC

Space Time Trellis Code

Mã không gian thời gian
Trellis

9

SFBC

Space Frequency Block Code

Mã hóa khối không gian-tần
số

10

STMLD

Space-Time Maximum
Likelyhood Decoder

Bộ giải mã hợp lẽ tối đa

11

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỉ số đỉnh – công suất trung
bình

12

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm trắng

13

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

14

RMS

Root Mean Square

Trải trễ trung bình

15

CSI

Information of the Channel State

Thông tin về trạng thái kênh

16

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

ii


17

FCF

Frequency Correlation Function

Hàm tương quan tần số

18

CCF

Cross Corelation Function

Hàm tương quan chéo

19

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

20

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

21

ICI

Inter-carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

22

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

23

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh ngược

24

V-BLAST

Diagonal-Bell Laboratories
Layered Space-Time

Mã lớp không gian – thời gian

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
***

Bảng 2.1: Bảng điều chế ...........................................................................................25
Bảng 2.2: Pha tín hiệu QPSK ...................................................................................29
Bảng 3.1: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE. .................................................60
Bảng 3.2: bảng ánh xạ băng tân với số resource blocks ..........................................65
Bảng 3.3: Ánh xạ kênh vật lý với điều chế ................................................................66
Bảng 3.4: ánh xạ codeword tới lớp trong ghép kênh không gian .............................67
Bảng 3.5: ánh xạ codeword với lớp trong phân tập phát .........................................68
Bảng 3.6: ánh xạ băng tần và kích thước IFFT ........................................................71
Bảng 4.1: Bảng tham số cấu hình của hệ thống eNodeB ..........................................79

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ

***

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin số vô tuyến ......................................................3
Hình 1.2: Mô hình hệ thống SISO ...............................................................................4
Hình 1.3: Mô hình hệ thống SIMO .............................................................................4
Hình 1.4: Mô hình hệ thống MISO .............................................................................5
Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát và N r anten thu.............6
Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song ............................................7
Hình 1.7: Mô hình kết hợp lựa chọn .........................................................................11
Hình 1.8: Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp ..................................................11
Hình 1.9: Mô hình phân tập phát vòng đóng ............................................................14
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống OFDM ..............................................................................16
Hình 2.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b)...........................................................................................................18
Hình 2.3: Phổ của sóng mang con OFDM .[1] ........................................................19
Hình 2.4: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] ................................................................20
Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[1] .....................................20
Hình 2.6: Phổ của sóng mang trực giao OFDM ......................................................22
Hình 2.7: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ...........................................................27
Hình 2.8: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK .................................................................29
Hình 2.9: Chùm tín hiệu M-QAM .............................................................................31
Hình 2.10: Mô hình tổng quát hệ thống mimo-ofdm.................................................33
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía phát .....................................................34
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống mimo-ofdm phía thu .......................................................34
Hình 2.13: Cấu trúc của ước lượng. .........................................................................35
Hình 2.14: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ...........................................39
Hình 2.15: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti .......................................39
Hình 2.16:: Sơ đồ khối mã lưới STTC. .....................................................................42
Hình 2.17: Sơ đồ mã lưới .........................................................................................43
Hình 2.18: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2 ...........................................................43

Hình 2.19: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 ..........................44
v


Hình 2.20: Hệ thống V-BLAST..................................................................................48
Hình 2.21: Máy thu V-BLAST Zero-forcing..............................................................52
Hình 2.22: Máy thu V-BLAST MMSE .......................................................................57
Hình 3.1:Sơ đồ tổng quát hệ thống MIMO-OFDM trong LTE .................................62
Hình 3.2: Cấu trúc frame cho chế độ FDD ..............................................................63
Hình 3.3: Cấu trúc frame cho chế độ TDD...............................................................63
Hình 3.4: Lưới tài nguyên .........................................................................................64
Hình 3.5: Điều chế QAM64 ......................................................................................66
Hình 3.6: Các vị trí tương tứng của tín hiệu pilot ....................................................71
Hình 3.7: Tạo ra khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix).......................................................73
Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể hệ thống ............................................................................75
Hình 4.2: Kiến trúc phần mềm ..................................................................................76
Hình 4.3: Sơ đồ phân hệ xử lý layer 1. .....................................................................77
Hình 4.4: Quy trình đo kiểm, đánh giá hệ thống eNodeB. ........................................77
Hình 4.5: Sơ đồ bố trí thiết bị ...................................................................................79
Hình 4.6: Sơ đồ bố trí thiết bị tại phòng LAB ...........................................................80
Hình 4.7: Giao diện kết quả máy đo .........................................................................81
Hình 4.8: Chòm sao tín hiệu và phổ tín hiệu ............................................................81
Hình 4.9: Các thông số đánh giá ..............................................................................82
Hình 4.10: Kết quả đánh giá trên máy đo .................................................................83
Hình 4.11: Chòm sao tín hiệu và phổ tín hiệu ..........................................................84
Hình 4.12: Các thông số đánh giá ............................................................................85

vi

LỜI MỞ ĐẦU
***
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của multimedia video, thoại và
thông tin dữ liệu trên internet, điện thoại di động cần yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu
cao trên băng tần rộng. Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới
để đưa ra những thế hệ kế tiếp của hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng
không dây. Do tần số vô tuyến là hữu hạn nên trong cùng một dải tần số người ta
mong muốn truyền được nhiều thông tin nhất có dung lượng cao, sử dụng băng
thông hiệu quả. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong
những giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này.
Nhưng với sự kết hợp của OFDM và hệ thống nhiều anten thu phát (MIMO)
sẽ nâng cao được chất lượng đường truyền và có dung lương tốt nhất đạt được tốc
độ truyền dữ liệu cao. Với hệ thống MIMO-OFDM đã được ứng dụng trong nhiều
hệ thống thông tin không dây hiện nay như truyền hình số mặt đất, wifi, wimax,
LTE...vv. Nhằm nâng cao hiểu biết và tiếp cận với công nghệ mới này, chính vì vậy
em đã chọn nghiên cứu đề tài Nghiên cứu về hệ thống Mimo-Ofdm và ứng dụng
nó trong mạng di động LTE, đây cũng chính là nội dung luận văn tốt nghiệp cao
học của em.
Trong quá trình làm luận văn em đã tìm hiểu các kỹ thuật khác nhau áp dụng
trong hệ thống MIMO-OFDM và đã thực hiện đo kiểm thực tế hệ thống MIMOOFDM được áp dụng trong trạm thu phát 4G – LTE do Viettel nghiên cứu sản xuất.
Với việc áp dụng phương pháp nghiên cứu vừa lý thuyết vừa thực hành đo kiểm,
luận văn đã có những kết quả tốt trong việc đánh giá chất lượng tín hiệu được xử lý
trong hệ thống trạm thu phát 4G.
Với những nỗ lực thực sự, luận văn của em đã có được một số kết quả nhất
định, mặc dù vậy, do thời gian có hạn em không thể tránh khỏi một số thiếu sót. Vì
vậy, em rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè.

1

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Quốc Khương đã tận tình chỉ
dẫn em trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp
này.

2


CHƯƠNG 1
1.1

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Giới thiệu chương
Đây là chương cơ bản, trình bày một cách khái quát nhất về mô hình hệ

thống thu phát vô tuyến và các loại mô hình đang sử dụng trong hệ thống thông tin
vô tuyến.

1.2

Mô hình hệ thống thu phát vô tuyến
Tất cả các hệ thống thông tin số đều có thể mô hình hóa thành một sơ đồ

khối như hình (1.1). Ngay cả với các hệ thống mạng không dây phức tạp, toàn bộ hệ
thống có thể chia thành các khối liên kết với nhau bao gồm khối phát, kênh truyền
và khối bên thu.

Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin số vô tuyến
Bên phát nhận các gói tin dưới dạng các bit từ các lớp giao thức cao hơn và
chuyển chúng thành các sóng điện từ để đưa tới bên nhận. Những bước quan trọng

trong thông tin số là mã hóa và điều chế. Bộ mã hóa thông thường thêm các bit dư
thừa để có thể sửa sai được lỗi ở bên nhận. Bộ điều chế chuẩn bị tín hiệu dạng số
cho kênh vô tuyến và các thông tin điều khiển. Tín hiệu số điều chế được chuyển
thành các dạng sóng tương tự qua bộ biến đổi số tương tự (DAC) và sau đó lại được
chuyển lên băng tần sóng vô tuyến (RF). Tín hiệu RF này khi đó được bức xạ thành
sóng điện từ qua anten thích hợp.
Ở bên thu thực hiện các bước ngược lại với bên phát. Sau khi chuyển các
sóng vô tuyến (RF) xuống tần số thích hợp và lọc ra tín hiệu ở các tần số khác nhau,
tín hiệu ở băng tần cơ sở được chuyển thành tín hiệu số bởi bộ chuyển đổi tương tự
3


thành số (ADC). Tín hiệu số này có thể được giải điều chế và giải mã bởi một mạch
số tích hợp để có thể khôi phục lại dạng bit như bên phát.

1.3

Phân loại mô hình hệ thống vô tuyến
Các mô hình hệ thống thông tin vô tuyến có thể được phân loại thành bốn hệ

thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO và MIMO như hình sau
Mô hình hệ thống SISO

1.3.1

s1

RX1

TX1

x1

Hình 1.2: Mô hình hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thông chỉ sử dụng
một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần, một
bộ điều chế và giải điều chế. Hế thống SISO thường dùng trong phát thanh, truyền
hình và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung
lượng của hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công
thức Shanon:
C = log2(1+SNR) (bps/Hz)

1.3.2

(1.1)

Mô hình hệ thống SIMO

RX1

s1

TX1

RX2

x1

x2


RX Nr
Hình 1.3: Mô hình hệ thống SIMO
4

xNr


Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn
lại sử dụng đa anten. Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi
là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín
hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật
beamforming hoặc MMRC(Maximal Ratio Receive Combinning). Khi máy thu biết
thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu,
có thể xấp xỉ theo công thức sau
C = log2(1+ N.SNR) (bps/Hz)

(1.2)

Với N là số anten tại phía thu
Mô hình hệ thống MISO

1.3.3

s1

s2

TX1

RX1

TX1

x1



sNt

TX Nt
Hình 1.4: Mô hình hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống
MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ
đó cải thiện lượng tín hiệu được sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và
vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống
tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công
thức sau
C = log2(1+ N.SNR) (bps/Hz)
Với N là số anten tại phía phát

5

(1.3)


Mô hình hệ thốngMIMO

1.3.4

1.3.4.1 Mô hình hệ thống

Một hệ thống thông tin điểm đa anten băng hẹp gồm có NT anten phát và Nr
anten thu có thể được biểu diễn bởi mô hình rời rạc thời gian như sau [1] :

 y1   h11
y  
 2   h21
 .   .


.

  .
 .   .

 
 y N R   hN R 1

s1

s2

sNt

h12

.

.

.

h22

.

.

.

.

.

.

.

.
hN R 2

.
.

.

.

h1NT   x1   n1 

h2 NT   x2   n2 
.  .   . 
  
.  .   . 

.  .   . 
   
hN R NT   xNT   nNT 

(1.4)

TX1

RX1

TX1

RX2





TX Nt

RX Nr

x1

x2

xNr

H
Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO sử dụng N t anten phát và N r anten thu
Mô hình được biểu diễn đơn giản dưới dạng
y = Hx + n

(1.5)

Với y  C NR biểu diễn tín hiệu nhận từ NR chiều (NR anten). x  C NT biểu
diễn tín hiệu nhận từ NT chiều (NT anten ). n  C NR kí hiệu nhiễu Gauss trắng
N (0, 2 ). H  C NR Nt là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước

NR×NT, hij có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của
kênh truyền từ anten phát j đến anten thu i.

6


1.3.4.2 Dung lượng hệ thống MIMO

Giả sử rằng chúng ta có N kênh truyền 1 chiều song song bị các nguồn nhiễu
Gauss có phương sai 12 ,..., N2 có tác động như hình 1.6. Dung lượng mỗi kênh đơn
được tính theo định lý Shanon, dung lượng của hệ các kênh song song là tổng dung
lượng của các kênh đơn [1]:
(1.6)

Với  là hệ số nhân Lagrange được chọn sao cho tổng công suất phát là
N

P   Pn
n 1

N (0, 1 )
2

x

y1

1

N (0, 

2
N

)

xN

yN

Hình 1.6: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song
Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem là
bất biến suốt thời gian và tổng công suất phát tín hiệu từ NT anten phát phía thu
được giữ không đổi là P.

Dung lượng của kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể được tính
thông qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song, theo phân
bố Gauss, độc lập và vô hướng .
H=UDVH

Với

U  C NR NR và

V  C NT NT

(1.7)

là

các

ma

trận

unitary

(U .U H  I NR ,V .V H  I NT ) , D  R NR NT là ma trận đường chéo, với các hệ số thực

không âm d1  d2  ...  d N chính là các giá trị đơn (single value ) của ma trận H với

7

N = min(NT,NR), hạng của H bằng với số trị đơn khác không. Bình phương các trị
đơn chính là các trị riêng n của ma trận H.HH hay HHH .
d n  n

(1.8)

Các trị riêng  n của ma trận HHH hay HHH được định nghĩa là vector thỏa
mãn:
( HH   n I NR ) y  0 với y  0 là vector (NR x 1)

(1.9a)

( H  H  n I NT ) y  0 với y  0 là vector (NT x 1)

(1.9b)

Để đơn giản, các trị riêng có thể được xác định theo biểu thức sau

(W  n I N ) y  0
Với

với y  0 là vector (N×1)

 HH H , N R  NT
W  H
 H H , N R  NT

(1.10)

(1.11)

Biểu thức kênh truyền sẽ được viết lại như sau
y  Hx  n  UDV H x  n

(1.12)

Nhân hai vế của biểu thức với UH ta được biểu thức
U H y  U HUDV H x  U H n

(1.13)

Đặt y  U H y, x  V H x, n  U H n, ta có biểu thức :
y  Dx  n

(1.14)

Nếu NT>NR: chỉ có NR tín hiệu đầu tiên thuộc x tách ra được. Nếu NT:chỉ có NT tín hiệu đầu tiên thuộc x có ích, NR-NT cuối cùng không chứa thông tin.
Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép
kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian_thời gian V-BLAST. Khi thông tin
kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân
tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp
phân tập cực đại có thể xác định theo:
8


C = log2(1+NT.NR.SNR)

(1.15)

Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định
theo:
C = min(NT,NR). log2(1+SNR)
1.3.5
1.3.5.1

(1.16)

Kỹ thuật phân tập

Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, một vài tần số được dùng để phát cùng một tín hiệu.
Các tần số cần cách nhau một khoảng lớn hơn băng thông kết hợp để tạo pha-đing
độc lập. Băng thông kết hợp sẽ khác nhau với các môi trường khác nhau. Trong
những hệ truyền thông di động, những bản sao tín hiệu phát được đưa tới nơi thu
dưới dạng dư thừa trong miền tần số bằng tín hiệu trải phổ. Các kỹ thuật trải phổ sẽ
hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh là nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông kết
hợp của kênh lớn hơn dải thông tin tín hiệu trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ so với
chu kỳ ký hiệu (kênh phẳng). Trong trường hợp này, trải phổ sẽ không hữu hiệu
trong việc phân tập tần số. Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm
hiệu suất phổ có dư thừa trong miền tần số.
1.3.5.2

Phân tập thời gian

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách phát những mẫu tín hiệu giống
nhau trong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có được các tín hiệu pha-đing
không tương quan tại đầu thu. Yêu cầu của phương pháp này là khoảng thời gian
giữa các lần phát bản sao phải ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh. Trong truyền

thông di động, mã sửa sai được kết hợp với bộ xáo trộn để đạt được phân tập thời
gian. Trong trường hợp này, những bản sao của tín hiệu phát thường được đưa tới
bên thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian bằng bộ mã sửa sai. Khoảng thời
gian tách biệt giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng bộ xáo trộn để thu
được pha-đing độc lập tại lối vào của bộ giải mã. Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải
mã trễ, kỹ thuật này thường rất hiệu quả với môi trường pha-đing nhanh( tốc độ di
chuyển lớn) khi mà thời gian kết hợp là nhỏ. Với kênh pha-đing chậm, một bộ xáo
trộn lớn có thể dẫn tới trễ rất lớn và không thể dùng cho những ứng dụng thời gian
thực như video, âm thanh… Chính vì vậy, phân tập thời gian không thể giúp giảm
9


được suy hao pha-đing. Một nhược điểm đó là mô hình này tạo ra sự dư thừa miền
thời gian nghĩa là làm lãng phí băng thông.
1.3.5.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thông không dây và
còn gọi là phân tập anten. Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những anten sắp
xếp cùng nhau trong không gian để truyền nhận tín hiệu. Những anten được đặt
cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu trên từng anten không tương quan.
Khoảng cách này thay đổi theo độ cao anten, môi trường lan truyền tần số. Thường
thì khoảng cách này bằng một vài bước song là đủ để có được những tín hiệu không
tương quan. Trong phân tập không gian, những bản sao tín hiệu phát thường được
gửi tới máy thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Không như phân tập thời
gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm suy giảm hay mất mát về
hiệu suất phổ. Tính chất này cho thấy đây là kỹ thuật thích hợp với sự phát triển
công nghệ truyền thông vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai.
Một ưu điểm lớn của phân tập không gian là khi các anten có khoảng cách
thích hợp thì hệ thống có thể tránh được phần lớn hiện tượng suy giảm sâu ( deep
fades). Lợi ích này có thể đạt được mà không cần sử dụng thêm băng thông hay

tăng công suất truyền. Ngoài ra, hệ thống MIMO còn có các ưu điểm khác:

1.3.5.4

-

Tăng độ tin cậy của hệ thống ( giảm lỗi bit, lỗi ký tự)

-

Tăng dung lượng hệ thống.

-

Mở rộng vùng phủ sóng.

-

Giảm công suất phát yêu cầu.

Phân tập không gian phía thu

Dạng phổ biến nhất của phân tập không gian chính là phân tập thu, và
thường sử dụng 2 anten thu. Có thể thấy được các ví dụ của dạng phân tập này như
là các anten của access point trong mạng wifi. Trong kỹ thuật phân tập thu, không
có một yêu cầu cụ thể nào cho phía phát, tuy nhiên ở phía thu yêu cầu một quá trình
xử lý N r luồng dữ liệu nhận được và kết hợp chúng theo thuật toán nhất định.
Trong mục này, chúng ta sẽ xem xét 2 thuật toán kết hợp: kết hợp lựa chọn
(SC) và tỷ lệ tối đa kết hợp (MRC). Mặc dù phân tập thu mang lại hiệu quả cao
10

trong cả môi trường fading phẳng và fading chọn lọc tần số, tuy nhiên chúng ta chỉ
xem xét trong môi trường fading phẳng, trong trường hợp này tín hiệu nhận được
bởi mỗi anten thu N r là không tương quan và có cùng công suất trung bình.
➢

Kết hợp lựa chọn
Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Trong thuật toán

này tại mỗi thời điểm sẽ chỉ lựa chọn một luồng có tín hiệu lớn nhất trong N r luồng
tín hiệu nhận được.
h1
h2
Phát

x

Lựa
chọn
anten
có tín
hiệu tốt
nhất

hNt
y

Hình 1.7: Mô hình kết hợp lựa chọn
Do bỏ qua những luồng tín hiệu còn lại, phương pháp kết hợp này chưa phải

là tối ưu. Tuy nhiên, do tính đơn giản, không yêu cầu cao về phần cứng, trong một
số trường hợp phương pháp này vẫn được lựa chọn.
➢

Tỷ lệ tối đa kết hợp
Theo đúng như tên gọi, thuật toán này hợp kết hợp thông tin từ tất cả các

nhánh sao cho có được tỷ lệ thông tin trên nhiễu là lớn nhất.
q1
h1
h2

q2
Phát

x

hNt

q Nt
y

Hình 1.8: Mô hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp

11


MRC làm việc bằng cách đánh trọng số cho mỗi nhánh qi  qi e ji , tín hiệu
nhận được trên mỗi nhánh được biểu diễn dưới dạng x(t ).hi , với hi  hi e ji . Tín
hiệu tổng hợp được biểu diễn theo biểu thức[5]:

Nr

y (t )  x(t ) qi hi exp{ j (i  i )}
i 1

(1.17)

Nếu ta chọn pha trong trọng số nhánh là i  i , tỷ số tín hiệu trên nhiễu
sẽ là[5] :
Nr

 MRC 

 x ( qi hi ) 2
i 1

Nr

 2  qi

(1.18)

2

i 1

Trong đó :  x là năng lượng truyền tín hiệu
2

Biểu thức đạt giá trị lớn nhất khi thỏa mãn điều kiện : qi*  h1 /  2 . Khi đó ta có :

Nr

 MRC 

 x ( hi )2
i 1

2

Nr

  i
i 1

(1.19)

Như vậy, nếu như chọn được trọng số kết hợp hợp lý, giá trị SNR kết hợp sẽ bằng
tổng giá trị SNR của các nhánh .
1.3.5.5 Phân tập không gian phía phát

Phân tập phát là kỹ thuật sử dụng nhiều anten tại phía phát để truyền tín hiệu.
Vì tín hiệu được phát trên hệ thống anten có ảnh hưởng lẫn nhau, nên quá trình xử
lý tín hiệu phải được thực hiện tại cả phía phát, thu để đạt được sự phân tập và làm
giảm đi sự giao thoa tín hiệu trong không gian. Phân tập phát thực sự hấp dẫn đối
với các hệ thống phụ thuộc nhiều vào cơ sở hạ tầng, như Wimax, vì nó làm giảm
bớt gánh nặng cho hệ thống các anten phát (về mặt công suất cũng như kích thước).
Phân tập phát được chia làm 2 loại chính : vòng đóng và vòng mở. Trong hệ
thống vòng mở không yêu cầu phía phát phải có đầy đủ thông tin về kênh truyền .

12

Ngược lại, trong hệ thống vòng đóng cần có một đường feedback để cung cấp thông
tin về kênh truyền cho phía phát .
➢

Phân tập phát vòng mở
Mô hình thường gặp của phân tập phát vòng mở là mã hóa không gian- thời

gian (space time coding), trong đó một đoạn mã đã được biết trước tại phía thu sẽ
được thêm vào tại phía phát. Có rất nhiều dạng mã hóa , nhưng ở đây chúng ta chỉ
tập trung vào dạng mã khối không gian – thời gian (STBC). STBC có thể được sử
dụng một cách dễ dàng và được ứng dụng trong hệ thống Wimax.
Dạng đơn giản nhất của STBC là hệ thống bao gồm 2 anten phát và 1 anten
thu. Giả sử có 2 symbol được phát đi là s1 và s2 , mã Alamouti cũng được gửi kèm
đi theo 2 symbol theo thời gian[5]:

Antenna 1

2

s1

s2

 s2*

s1*

Time 0

1

Thay vì tăng trực tiếp tốc độ dữ liệu, mã hóa không gian – thời gian tận dụng
sự phân tập không gian của kênh truyền. Xét với kênh fading phẳng, h1 (t ) là đáp
ứng của kênh truyền từ anten 1 tới phía thu, h2 (t ) là đáp ứng của kênh truyền từ
anten 2 tới phía thu. Do kênh là cố định nên trong thời gian phát đi 2 symbol ta có:

h1 (t  0) = h1 (t  T ) = h1 . Tín hiệu thu được tại anten thu r(t)[5] :
r (0)  h1s1  h2 s2  n(0).
r (T )  h1s2*  h2 s1*  n(T ).

(1.20)

Trong đó : n(.) là nhiễu trắng Guassian . Tín hiệu ước lượng sau khi kết hợp phân
tập[5] :

y1  h1*r (0)  h2 r * (T ),
y2  h2*r (0)  h1r * (T ).

(1.21)

Thay (1.20) vào (1.21) ta được :
y1  h1* (h1s1  h2 s2  n(0))  h2 (h1*s2  h2*s1  n* (T )),
 ( h1  h2 ) s1  h1*n(0)  h2 n* (T ),
2

2

13

(1.22)


Và :

y2  ( h1  h2 )s2  h2*n(0)  h1n* (T ).
2

2

(1.23)

Tỷ lệ SNR được xác định theo công thức :

( h1  h2 ) 2  x
  2 2
2
h1   h2  2 2
2

2

2

h

( h  h )  x i 1
 1 22



2
2
2

2

i

2

(1.24)

x
2

Biểu thức (1.24) khá giống với biểu thức tính tỷ lệ SNR của MRC. Tuy nhiên
trong STBC công suất phát của mỗi anten giảm đi một nửa. Nguyên nhân là do mỗi
symbol được phát đi 2 lần nên tổng năng lượng để phát đi một symbol vẫn là  x
Như vậy với mã khối không gian–thời gian Alamouti, tốc độ dữ liệu không
bị suy giảm nhưng ta vẫn đạt được độ lợi phân tập tương đương với trường hợp 2
anten thu.
Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như
trên, sau đó sẽ được tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu).
➢

Phân tập phát vòng đóng
Nếu hệ thống có một đường feedback, phía phát sẽ có được thông tin về kênh

truyền.

h1
h2
Phía phát

Phía thu

hNt



Feedback , h1 , h2 ,.., hNt



Hình 1.9: Mô hình phân tập phát vòng đóng

14