HC VIN k THUT QUAN s PHM TH MAI h

i

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG
KHÓA: 8
HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA
MẠNG CHUYỂN TIẾP MIMO

NĂM 2014


ii

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHẠM THỊ MAI HƯƠNG
KHÓA: 8
HỆ ĐÀO TẠO DÂN SỰ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 5252020109

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TỐI ƯU HÓA

MẠNGCHUYỂN TIẾP MIMO

Cán bộ hướng dẫn PGS. TS Trần Xuân Nam


iii
NĂM 2014
BỘ QUỐC PHÒNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA: VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ
Phê chuẩn
Ngày

tháng

năm 2014

CHỦ NHIỆM KHOA

Độ mật:
Số:

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Phạm Thị Mai Hương Lớp: ĐTVT-8B
Ngành: Kỹ thuật điện - điện tử

Khóa: 8

Chuyên ngành: Điện tử viễn thông

1. Tên đề tài:
Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu mạng chuyển tiếp MIMO
2. Các số liệu ban đầu: ……………………………………………………………
…………………………………………………………………………………….……
……………………………………………………………………………….…………
………………………………………………………………………….
3. Nội dung bản thuyết minh:
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác MIMO.
Chương 2: Tối ưu mạng hợp tác MIMO.


iv
Chương 3: Kết hợp tối ưu máy thu phát trong các hệ thống MIMO chuyển tiếp không
tái sinh.
4. Số lượng, nội dung các bản vẽ và các sản phẩm cụ thể (nếu có):
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………….
5. Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Trần Xuân Nam, Thượng tá, Phó chủ nhiệm khoa Vô
tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự.

Ngày giao: 14/01/2014

Ngày hoàn thành: 20/04/2014
Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2014

Chủ nhiệm bộ môn

Cán bộ hướng dẫn

Thượng tá, PGS-TS Trần Xuân Nam

Học viên thực hiện
Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 20 tháng 04 năm 2014


i
MỤC LỤC

MỤC LỤC……...……………………………………………………………..i
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................. …….iv
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ...................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO….......3
1.1 Truyền thông hợp tác… ......................................................................................... 2
1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác ............................................................ 2
1.1.3 Ứng dụng của truyền thông hợp tác..................................................................... 4
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO.................................................................................... 4
1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến ................................................... 4
1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu .......................................................................... 7
1.2.3 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh MIMO ................................................. 11
1.3 Các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO ......................................... 14
1.4 Tóm tắt chương.................................................................................................... 16
Chương 2: TỐI ƯU MẠNG HỢP TÁC MIMO……………………...……..18
2.1 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng ....................................................... 17

2.1.1 Mô hình tín hiệu................................................................................................ 17
2.1.2 Công thức bài toán ............................................................................................ 18

(

)

(

)

2.1.3 Tối ưu W ,U , F cho bài toán P1 .................................................................... 19
2.1.4 Tối ưu W ,U , F cho bài toán P2 ..................................................................... 24


ii
2.1.5 Mở rộng đối với các kiến trúc không tuyến tính ................................................ 25
2.1.6 Mở rộng đối với các kênh pha-đinh chọn lọc tần số .......................................... 27
2.2 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều đa chặng ........................................................ 28
2.3 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặngđa chuyển tiếpsong song ................. 30
2.4 Tối ưu hệ thống MIMO một chiều hai chặng cóliên kết Nguồn-Đích ................... 31
2.5 Tối ưu hệ thống MIMO hai chiều hai chặng ......................................................... 32
Chương 3: KẾT HỢP TỐI ƯU MÁY THU PHÁT TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMO
CHUYỂN TIẾP KHÔNG TÁI SINH………………………………….36
3.1 Đặt vấn đề............................................................................................................ 35
3.2. Mô hình hệ thống đề xuất ................................................................................... 36
3.3 Kết quả mô phỏng................................................................................................ 40
3.3.1 Mô hình mô phỏng............................................................................................ 40
3.3.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 41
3.4. Tóm tắt chương................................................................................................... 43

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

MIMO

Multiple Input-Multiple Output

Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra

MISO

Multiple Input – Single Output

Nhiều đầu vào - một đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combiner

Kết hợp tỉ lệ tối đa

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSE

Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương

SDM

Spatial Division Multiplexing

SNR

Signal to Noise Ratio

Sai số bình phương trung bình
nhỏ nhất

Ghép kênh phân chia theo không
gian
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút ...................................... 3
Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc. ...................................................... 8
Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại. ................................................ 9
Hình 1.4: Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập . ............................ 10
Hình 1.5: Ba phương pháp truyền dẫn điển hình trên kênh MIMO ............................. 12
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống M  N MIMO-SDM. ................................................ 13
Hình 1.7: Một số bộ tách tín hiệu cho hệ thống MIMO-SDM .................................... 14
Hình 1.8: Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho hệ thống MIMO-SDM. .................... 15
Hình 2.1: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO tuyến tính một chiều hai chặng................ 17
Hình 2.2: Sơ đồ khối tương đương của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng khi
không có đường trực tiếp ........................................................................................... 21
Hình 2.3: BER của một hệ thống MIMO một chiều hai chặng với các tiêu chuẩn tối ưu
khác nhau. ................................................................................................................. 24
Hình 2.4: Công suất tiêu thụ khi Đích sử dụng máy thu tuyến tính hoặc DFE. ........... 25
Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO một chiều đa chặng. .......................... 28
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống MIMO một chiều hai chặng đa nút chuyển tiếp.................. 31
Hình 2.7: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO tuyến tính hai chiều hai chặng........... 33
Hình 3.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác MIMO một chiều hai chặng,
không tái sinh, tuyến tính. .......................................................................................... 36


v
Hình 3.2:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s = N r = N d = 4. ......................................... 41
Hình 3.3:Phẩm chất BER theo SNR2 khi cố định SNR1=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s = N r = N d = 4. ......................................... 42
Hình 3.4: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của QPSK với N s = N r = N d = 4. ......................................... 42
Hình 3.5: Phẩm chất BER theo SNR1 khi cố định SNR2=20dB tối ưu theo hai tiêu
chuẩn ZF và MMSE của 8-PSK với N s = N r = N d = 4. ......................................... 43

vi

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý Ý nghĩa

Ví dụ

Biến số

x

Vec-tơ

s

Ma trận

H

E{.}

Phép tính kỳ vọng

E{x }

t r(· )

Phép toán lấy vết của ma trận

tr(H )

Chuẩn Frobenious của ma trận

W

@

Phép toán định nghĩa

H srd @ H rd Fr H sr

IK

Ma trận đơn vị bậc K

I2

Phép toán lấy chuyển vị

HT

×
()

Phép toán lấy chuyển vị Hermitian

HH

log()
×

Lô ga rít tự nhiên

log (8)

Chữ thường,
in nghiêng
Chữ thường, in
nghiêng, đậm
Chữ hoa, in
nghiêng, đậm

2

·

2

T

()×

H

2

2


vii
Ma trận đường chéo kích thước

A = diag {an }
n = 1, 2,..., K

£

M´ N

éX ù
êë úûi,j

K ´ K với các phần tử trên đường

{

F k = diag F k1 , F k2 , F k3

chéo an
Tập ma trận kích thước M ´ N với
các giá trị phức
Phần tử thứ i , j của ma trận X

U Î £ 2´ 2

éE ù ; m = 1, 2,..., M

êë úûm ,m

}


1
LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin, tốc
độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của người dùng về các dịch
vụ vô tuyến tăng rất nhanh. Kết quả dẫn đến những bức bách về nhu cầu mở rộng
vùng phủ, nâng cao chất lượngvà đặc biệt là gia tăng tốc độ truy nhập.
Các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới như các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation), các hệ thống phát triển dài hạn tiên tiến LTE
(Long-Term Evolution), cáchệ thống truy nhập vô tuyến băng rộngWiMAX
(Worldwide Interoperability via Microwave Access), hay mạng cục bộ vô tuyến Wi-Fi
(Wireless Fidelity) đã cho phép người dùng có thể đạt được tốc độ truy nhập hàng
trăm Mbps.
Một trong các giải pháp then chốt nhằm đạt được tốc độ truyền dẫn cao đã được xác
định rõ là truyền dẫn trên kênh đa đầu vào-đa đầu ra MIMO (Multiple Input-Multiple
Output) và truyền thông hợp tác.
Đã có rất nhiều giải pháp tối ưu cho các mạng hợp tác MIMO như lựa chọn nút
trung gian tốt nhất làm nút Chuyển tiếp, các kỹ thuật lựa chọn ăng-ten. Đặc biệt là
hàng loạt các kỹ thuật tối ưu cho các ma trận tại các nút mạng.
Từ ý nghĩa khoa học và thực tiễn trên em nhận thấy, việc nghiên cứu cơ sở lý
thuyết và các giải pháp tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác có vai trò hết sức quan
trọng. Vì vậy, trong đồ án này em xin tập trung nghiên cứu những khái niệm và các kỹ
thuật tối ưu cho các hệ thống MIMO hợp tác. Nội dung đồ án của em gồm:
Chương 1:Làm rõ những nội dung căn bản về truyền thông hợp tác và kỹ thuật
MIMO.

Chương 2:Tổng hợp những công trình nghiên cứu liên quan đến tối ưu hóa
mạng truyền thông hợptác MIMO-AF đã đượcthực hiện.
Chương 3:Phân tích bài toán đồng thời tối ưu Nguồn-Đích cho một hệ thống MIMO
một chiều hai chặng, không tái sinh, tuyến tính, mô phỏng lại một số kết quả đã được


2
nghiên cứu, mở rộng khảo sát cho trường hợp 8-PSK và trường hợp có đường liên kết
trực tiếp.
Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, em mong
được sự góp ý của các Thày giáo và các bạn đọc nói chung. Em xin gửi lời cảm ơn tới
Thày giáo hướng dẫn PGS-TS Trần Xuân Nam, các Thày giáo nghiên cứu sinh và các
Thày giáo trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông tin vì đã giúp đỡ em rất nhiều trong
định hướng cũng như thực hiện nội dung đồ án tốt nghiệp đại học. Em cũng xin gửi
lời cảm ơn đến các Thày giáo trong Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân
sự và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên em hoàn thành đồ án này.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO

1.1 Truyền thông hợp tác
1.1.1 Khái quát chung về truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác (cooperative communication) là sự cộng tác của một hay nhiều
nút trung gian trên đường truyền để truyền tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích. Do quá
trình truyền dẫn giữa nút nguồn và đích được hỗ trợ bởi các nút trung gian nên tạo
thành các đường tín hiệu khác nhau đến phía thu[45] . Nếu vị trí các trạm trung gian
cách xa nhau đủ lớn, các đường tín hiệu trở nên độc lập với nhau và vì vậy tạo nên các
đường phân tập không gian.
Theo số chặng chuyển tiếp có hệ thống truyền thông hợp tác đơn chặng (single hop)
và hệ thống truyền thông hợp tác đa chặng (multiple hop). Theo số nút chuyển tiếp có
hệ thống truyền thông hợp tác đơn nút và hệ thống truyền thông hợp tác đa nút. Hình

1.1 là một mô hình hệ thống truyền thông hợp tác đa nút[45] .


3

H sr1

H r1d

H sd
H srK

H rK d

Hình 1.1: Mô hình một hệ thống truyền thông hợp tác đa nút[45] .
1.1.2 Các giao thức truyền thông hợp tác
Một khía cạnh quan trọng của quá trình truyền thông hợp tác là kênh chuyển
tiếp xử lý tín hiệu nhận được từ nút Nguồn. Phương thức xử lý khác nhau dẫn đến
giao thức truyền thông hợp tác cũng khác nhau. Tổng quát, các giao thức truyền thông
hợp tác có thể được phân loại thành các giao thức chuyển tiếp cố định và các giao
thức chuyển tiếp thích nghi. Trong chuyển tiếp cố định, các nguồn kênh được phân
chia giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp theo một giao thức cố định. Quá trình xử lý
tại nút Chuyển tiếp không theo giao thức đã sử dụng. Trong giao thức chuyển tiếp
khuếch đại-chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) cố định, nút Chuyển tiếp nhận
bản tin sau đó khuếch đại và phát bản tin đó tới nút Đích. Một khả năng khác của quá
trình xử lý tại nút Chuyển tiếp là giải mã tín hiệu nhận được, mã hóa lại và sau đó phát
tới máy thu. Loại chuyển tiếp này gọi là giao thức chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp
((DF: Detect-and-Forward) cố định.
Chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng thực hiện nhưng có nhược điểm là
hiệu quả sử dụng băng thông thấp. Bởi vì một nửa số tài nguyên kênh được phân bổ

cho nút Chuyển tiếp để phát, vì vậy làm hạn chế tốc độ truyền. Điều này đặc biệt đúng
khi khi kênh giữa Nguồn-Đích tốt, lúc này tỷ lệ phần trăm các gói tin phát đi từ Nguồn
được nhận chính xác tại đích là rất cao, do đó việc chuyển tiếp sẽ lãng phí. Các kỹ
thuật chuyển tiếp thích nghi cố gắng khắc phục vấn đề này.


4
Trong chuyển tiếp lựa chọn, nếu tỷ số tín hiệu trên tập âm (SNR: Signal-toNoise Ratio) của tín hiệu nhận được tại nút Chuyển tiếp vượt quá một giá trị ngưỡng
nào đó thì tại nút Chuyển tiếp thực hiện công việc giải mã-chuyển tiếp hiệu đó. Mặt
khác, nếu kênh truyền giữa nút Nguồn và nút Chuyển tiếp chịu tác động của nhiễu và
pha đinh dẫn tới tỷ số SNR thấp hơn giá trị ngưỡng thì nút Chuyển tiếp ở trạng thái
rỗi. Ngoài ra, nếu nút Nguồn biết rằng nút Đích không giải mã đúng thì nút Nguồn có
thể phát lại thông tin tới nút Đích hoặc thông qua nút Chuyển tiếp để trợ giúp chuyển
tiếp thông tin, quá trình này gọi là chuyển tiếp tăng cường. Trong trường hợp này, cần
thiết có một kênh phản hồi từ nút Đích tới các nút Nguồn và nút Chuyển tiếp.
1.1.3Ứng dụng của truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác có thể được ứng dụng rộng rãi trong các mạng thông tin vô
tuyến như mạng thông tin di động tế bào, mạng ad hoc di động (MANET: Mobile Ad
hoc Network) và mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Network). Kỹ
thuật truyền thông hợp tác nhờ vào việc chuyển tiếp dữ liệu qua các nút (trạm) trung
gian vì vậy cho phép kéo dài cự ly liên lạc giữa nút Nguồn và nút Đích cũng như mở
rộng phạm vi vùng phủ. Hơn nữa do các đường chuyển tiếp được truyền phân tán
trong không gian nên cho phép hệ thống thu được độ lợi phân tập không gian (spatial
diversty gain) nhờ đó tăng dung lượng kênh truyền và chất lượng truyền dẫn tín hiệu.
Mặt khác, nhờ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng, các nút trung gian có thể sử
dụng công suất phát thấp hơn trong khi vẫn bảo đảm được yêu cầu chất lượng dịch vụ,
và làm giảm đáng kể can nhiễu đến hệ thống.
Các công nghệ truyền dẫn hợp tác và chuyển tiếp đã dần dần được đưa vào các
chuẩn mạng khác nhau, để phát triển hệ thống thông tin di động đáp ứng các nhu cầu
về chất lượng, độ tin cậy, tốc độ dữ liệu, các yêu cầu về dịch vụ. Các công nghệ này

đã được đưa vào trong các chuẩn IEEE 802.16j và LTE cải tiến (Long Term
Evolution-Advanced). Truyền thông hợp tác cũng được ứng dụng trong hệ thống vô
tuyến nhận thức và các mạng cảm biến.
1.2 Kỹ thuật truyền dẫn MIMO
1.2.1 Các kỹ thuật phân tập trong thông tin vô tuyến


5
Trong thông tin vô tuyến quá trình truyền dẫn luôn chịu ảnh hưởng bởi các hiện tượng
pha-đinh. Pha-đinh được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào tham số
xem xét, yêu cầu của hệ thống mà có: pha-đinh phạm vi rộng, pha-đinh phạm vi
hẹp, pha-đinh phẳng, pha-đinh chọn lọc theo thời gian, pha-đinh chọn lọc tần
số, pha-đinh nhanh và pha-đinh chậm. Với các mô hình kênh khác nhau như: kênh
pha-đinh Rayleigh, kênh pha-đinh Rice, kênh pha-đinh Nakagami. Các hệ thống thông
tin khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng của các hiện tượng pha-đinh khác nhau [25] , vì vậy,
biện pháp khắc phục ảnh hưởng của các loại pha-đinh cũng khác nhau.
Để hạn chếảnh hưởng của pha-đinh và nâng cao chất lượng truyền thông, trong thông
tin vô tuyến sử dụng một số biện pháp kỹ thuật như: phương pháp bù pha-đinh, kỹ
thuật phân tập, kỹ thuật san bằng, trong đó các phương pháp phân tập được sử dụng
khá phổ biến[1] ,[25] .
Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của mộtsố đường truyền có các tham số thống
kê độc lập, nhưng truyền tải cùng mộtthông tin giống nhau. Bản chất của phương pháp
phân tập là tín hiệu đượctruyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của
hiệu ứng pha-đinhkhác nhau. Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu
được vớichất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu. Do đó, nếu kết
hợpcác tín hiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một tín hiệutổng
hợp chịu ảnh hưởng của pha-đinh ít hơn. Kết quả này đồng nghĩa vớiviệc tín hiệu
được truyền đi với độ tin cậy cao hơn.
Theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụngtrong thông tin vô tuyến có
thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số, phân tập phân cực và

phân tập không gian[1] .


Phân tập thời gian
Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đinh, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởng

pha-đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽ
không tương quan với nhau. Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt đủ
lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên
sự phân tập về thời gian.


6
Khoảng thời gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đinh không
tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time) của kênh
truyền. Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu
suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian.


Phân tập tần số
Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, có thể sử dụng một tập hợp các

tần số để truyền đi cũng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số. Khoảng cách giữa
các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ (coherence bandwwidth),
để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng không tương quan với nhau. Nhược
điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốn phổ tần số. Ngoài ra, do các
nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao
tần riêng.


Phân tập phân cực
Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên hai phân cực trực giao trong môi

trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập. Vì vậy, hai phân cực này có
thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực. Do chỉ tồn tại hai phân cực
sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo được chỉ là hai.
Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tin hiệu phát cần chia
đều cho hai nhánh, và vì vậy, chất lượng tín hiệu thu cũng bị suy giảm đi 2 lần hay
3dB.


Phân tập không gian
Phân tập không gian là sử dụng nhiều ăng-ten ở máy thu, máy phát hoặccả ở

phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không giankhác nhau.
Khoảng cách cần thiết giữa các ăng-ten tối thiểu là một nửa bướcsóng ( 2) . Khi sử
dụng nhiều ăng-ten ở máy phát, ta có hệ thống phân tập không gian phát, và có phân
tập không gian thu nếu sửdụng nhiều ăng-ten thu. Trường hợp phân tập không gian
mà sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thusẽ tạo nên một hệ thống truyền


7
dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tập thu, kênh truyền vô tuyến giữa các
ăng-ten máy phát và ăng-ten máy thu được gọi là kênh MIMO.
Phương pháp phân tập được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong thông tin vô
tuyến là phân tập không gian.Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không
làm suy giảmhiệu suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần, dễ sử dụng và trên
lýthuyếtkhông có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập.
1.2.2 Một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu
a) Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu

Khi tín hiệu s(t ) được truyền qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới máy thu
sử dụng phân tập không gian với M nhánh phân tập, khi đó máy thu sẽ thu được M
tín hiệu nhánh. Từ M tín hiệu nhánh trên, để tín hiệu ở đầu ra bộ kết hợp có chất
lượng tốt hơn, có thể sử dụng ba phương pháp kết hợp phân tập không gian:


Kết hợp chọn lọc (SC: Selection Combining)
Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh họa như Hình 1.2. Tại một thời

điểm t , mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỷ số tín hiệu trên
tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn ra tín hiệu ở
nhánh có tỷ số SNR lớn nhất. Trong thực tế, việc đo lường tỷ số SNR rất khó thực
hiện và, vì vậy, tínhiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất tín hiệu và tạp âm lớn
nhất sẽ được chọn.


8
2

1

y1  t 

y2  t 

M

yM  t 

y  t

Hình 1.2: Mô hình phương pháp kết hợp chọn lọc[1] .


Kết hợp số cực đại (MRC: Maximal-Ratio Combining)
Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại được Kahn đề xuất năm 1954. Sử dụng

phương pháp này, tín hiệu của M nhánh phân tập được nhân trọng số (weighted) cân
xứng theo tỉ số SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng pha rồi kết hợp
(cộng) với nhau. Thực tế, phương pháp kết hợp tỉ số cực đại là phương pháp kết hợp
cho độ lợi lớn nhất. Phương pháp kết hợp này còn được gọi là phương pháp kết hợp
tối ưu (optimum combining). Sơ đồ cấu hình một bộ kết hợp tỉ số cực đại được trình
bày ở Hình 1.3.


9
1

y1  t 

w1

2

y2  t 
w2

M

yM  t 

wM

y  t
Hình 1.3: Mô hình phương pháp kết hợp tỷ số cực đại[1] .


Kết hợp đồng độ lợi (EGC: Equal-Gain Combining)
Tuy phương pháp MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ lợi phân tập lớn

nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu, nhưng phương pháp này yêu
cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp wm , do đó tương đối phức tạp. Hơn
nữa, độ lợi thu được của phương pháp MRC không lớn hơn nhiều so với phương pháp
kết hợp chọn lọc. Điều này có nghĩa là phần lớn độ lợi phân tập thu được từ nhánh
phân tập có công suất lớn nhất và nếu một phương pháp kết hợp có thể thu được độ lợi
từ nhánh phân tập đó thì tổng độ lợi thu được hầu như không thay đổi. Quan sát này
dẫn đến một phương pháp phân tập mới, kỹ thuật kết hợp phân tập đồng độ lợi (EGC:
Equal-Gain Combining), đơn giản hơn phương pháp MRC. Sử dụng phương pháp kết
hợp EGC, tín hiệu tại các nhánh được đồng pha (co-phasing) giống như trong trường
hợp MRC, nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng độ lớn, rồi kết hợp với
nhau. Trường hợp đơn giản nhất là đặt độ lợi của các trọng số bằng hằng số đơn vị.
Như vậy, phương pháp kết hợp EGC chỉ là một trường hợp đặc biệt của phương pháp
MRC.