Đánh giá các phương pháp ước lượng kênh truyền cho hệ thống thông tin hợp tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỔ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------

BK
TP.HCM

SVTH: ĐỖ KHÁNH THUYÊN

ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH
TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HỢP TÁC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SỸ

GVHD: TS. CHẾ VIẾT NHẬT ANH
TS. HỒ VĂN KHƯƠNG

TP.HCM- 6/2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. CHẾ VIẾT NHẬT ANH
TS. HỒ VĂN KHƯƠNG
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 11 tháng 07 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
2. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
3. TS. HOÀNG TRANG
4. TS. CHẾ VIẾT NHẬT ANH
5. TS. TRƯƠNG QUANG VINH
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tích Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chun ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

ĐỖ KHÁNH THUYÊN .......................... MSHV: 11140062

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1985 ......................................... Nơi sinh: Bến Tre ...........
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử .............................................. Mã số : 605270 .............
TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH
TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HỢP TÁC
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin hợp
tác.
- Mô phỏng hệ thống bằng Matlab.
- Đánh giá ưu khuyết điểm của từng phương pháp.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 ....................................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2013 ...................................................
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. CHẾ VIẾT NHẬT ANH ..........................................
TS. HỒ VĂN KHƯƠNG ................................................

Tp. HCM, ngày 25 tháng 6 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã cung cấp
kiến thức làm nền tảng giúp tơi có đủ khả năng hồn thành luận văn này
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Hồ Văn Khương và TS. Chế Viết
Nhật Anh đặc biệt là thầy Khương đã hết lòng hỗ trợ, hướng dẫn trong suốt thời gian
thực hiện luận văn
Cuối cùng, xin cảm ơn ba mẹ, những người đã nuôi nấng dạy dỗ con nên người.
Cảm ơn những người thân trong gia đình cũng như bạn bè, đồng nghiệp ln động
viên, giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng như nghiên cứu.
Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

Đỗ Khánh Thuyên

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mạng vơ tuyến chuyển tiếp đã được đề xuất như một công cụ mạnh mẽ để nâng
cao hiệu suất của truyền thông tốc độ cao trên kênh truyền fading không dây. Một số
tiêu chuẩn chuyển tiếp đã hoặc đang được quy định cho điện thoại di động hệ thống
truyền thông băng thông rộng thế hệ tiếp theo. Hầu hết các nghiên cứu hiện tại về
truyền thông hợp tác giả định thông tin trạng thái kênh (CSI) là hồn hảo ở phía thu.
Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ số của kênh truyền fading cần phải được ước lượng
trước tiên, sau đó mới có thể sử dụng trong q trình tách sóng. Do đó luận văn này tập
trung vào ước lượng kênh truyền trong mạng chuyển tiếp khuếch đại - chuyển tiếp

(AF). Phân tích hiệu suất của các ước lượng được đánh giá dựa trên lỗi bình phương
trung bình (MSE) và đồng thời xác định các điều kiện cần thiết để tăng độ chính xác
ước lượng.

ii


ABSTRACT
Wireless relay networks has been proposed as a powerful means to enhance the
performance of high-rate communications over fading channels. Several relay
standards have been or are being specified for next-generation mobile broadband
communication systems. Most of the current researches on relay commnications
assumes the availability of perfect channel state information (CSI) at the receivers.
However, in practice, the fading channel coefficients need to be first estimated and
then can be used in the detection process. Thus this thesis focuses on channel
estimation for amplify-and-forward (AF) relay networks. The performance of the
channel estimator are evaluated in terms of the mean squared error (MSE) metric. Also,
we determine conditions required to increase estimation accuracy.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, luận văn là công trình nghiên cứu của tơi dưới sự hướng
dẫn của TS. Hồ Văn Khương và TS. Chế Viết Nhật Anh, các kết quả trình bày là
chính xác, trung thực.

iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. ii
ABSTRACT ................................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC ....................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... ix
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu hệ thống thơng tin hợp tác ....................................................................... 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 2
1.3 Những đóng góp của đề tài ....................................................................................... 3
1.4 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................... 4
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 4
1.4.2 Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 4
1.4.3 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 4
1.5 Bố cục của luận văn .................................................................................................. 4
CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN .................................................................... 6
2.1 Kênh truyền vô tuyến ................................................................................................ 6
2.1.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 6
2.1.2 Ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu .................................................................... 7
2.1.3 Các thơng số của kênh truyền đa đường ............................................................ 11
2.1.4 Phân loại kênh truyền ........................................................................................ 14
2.1.5 Phân bố Rayleigh và phân bố Rician ................................................................. 17
2.2 Kỹ thuật phân tập .................................................................................................... 18
2.2.1 Phân tập thời gian .............................................................................................. 19

v

2.2.2 Phân tập không gian........................................................................................... 19
2.2.3 Phân tập tần số ................................................................................................... 20
2.3 Ước lượng kênh truyền ........................................................................................... 21
2.3.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 21
2.3.2 Các bộ ước lượng kênh truyền ........................................................................... 22
2.3.3 Các phương pháp ước lượng kênh truyền.......................................................... 23
2.4 Mạng truyền thông hợp tác ..................................................................................... 24
2.4.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 24
2.4.2 Mạng chuyển tiếp .............................................................................................. 26
2.4.3 Ưu điểm của mạng hợp tác ................................................................................ 28
2.5 Kết luận chương ...................................................................................................... 28
CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG HỢP TÁC AF ....... 30
3.1 Khảo sát các cơng trình nghiên cứu ........................................................................ 30
3.2 Mơ hình hệ thống .................................................................................................... 34
3.2.1 Mơ hình kênh truyền tổng qt .......................................................................... 34
3.2.2 Ước lượng kênh sử dụng chuỗi huấn luyện ....................................................... 38
3.3 Ước lượng kênh truyền ........................................................................................... 39
3.3.1 Phương pháp LS ................................................................................................ 39
3.3.2 Phương pháp LS mở rộng SLS (Scaled LS) ...................................................... 43
3.3.3 Phương pháp MMSE ......................................................................................... 46
3.4 Kết luận chương ...................................................................................................... 51
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG......................................................................... 53
4.1 Ước lượng LS .......................................................................................................... 55
4.2 Ước lượng SLS........................................................................................................ 59
4.3 Ước lượng MMSE................................................................................................... 64
4.4 Đánh giá các phương pháp ước lượng .................................................................... 69
4.5 Kết luận chương ...................................................................................................... 73
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 75

vi

5.1 Kết luận ................................................................................................................... 75
5.2 Hướng phát triển ..................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 77
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................................... 80

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AF

Amplify-and- Foward

AWGN

Additive White Gassian Noise

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BLUE

Best Linear Unbiased Estimator

CSI

Channel State Information

DF

Decode-and-Forward

LMMSE

Linear Minimum Mean Square Error

LOS

Line of Sight

LS

Least Square

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSE

Mean Square Error

PDF

Probability Density Function

QOSTC

Quasi-Othorgonal Space Time Code

SLS

Scale Least Square

SNR

Signal to Noise Ratio

STBC

Space Time Block Code

STC

Space Time Coding

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2. 1: Phân loại kênh truyền fading diện hẹp ......................................................... 15
Bảng 4. 1: Thông số mô phỏng với phương pháp ước lượng SLS ................................ 59

Bảng 4. 2: Thông số mô phỏng ước lượng SLS với phân bố công suất khác nhau ....... 63
Bảng 4. 3: Thông số mô phỏng với phương pháp ước lượng MMSE ........................... 65
Bảng 4. 4: Thông số mô phỏng ước lượng MMSE với phân bố công suất khác nhau .. 68
Bảng 4. 5:Thông số mô phỏng các phương pháp ước lượng ......................................... 69

ix


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2. 1: Hiện tượng truyền sóng đa đường................................................................. 10
Hình 2. 2: Hiệu ứng Doppler.......................................................................................... 11
Hình 2. 3: Phổ Doppler .................................................................................................. 13
Hình 2. 4: Phân bố Rayleigh .......................................................................................... 17
Hình 2. 5: Phân bố Rician .............................................................................................. 18
Hình 2. 6: Quá trình ước lượng kênh truyền cơ bản ...................................................... 21
Hình 2. 7: Mơ hình mạng hợp tác .................................................................................. 25
Hình 2. 8: Mơ hình mạng chuyển tiếp điển hình ........................................................... 26
Hình 2. 9: Mơ hình Giải mã – chuyển tiếp..................................................................... 27
Hình 2. 10: Mơ hình Khuếch đại – chuyển tiếp ............................................................. 28
Hình 3. 1: Mơ hình chuyển tiếp dùng N relay ............................................................... 32
Hình 3. 2: Pilot truyền thống và superimposed pilot ..................................................... 33
Hình 3. 3:Mơ hình kênh truyền ...................................................................................... 35
Hình 4. 1: Ước lượng LS với M thay đổi ....................................................................... 56
Hình 4. 2: Ước lượng LS với M thay đổi ....................................................................... 57
Hình 4. 3: Ước lượng LS với M=N................................................................................ 57
Hình 4. 4: Ước lượng LS với huấn luyện tối ưu và huấn luyện ngẫu nhiên .................. 58
Hình 4. 5: Ước lượng kênh LS: phân bố công suất relay không cân bằng .................... 59
Hình 4. 6: Ước lượng SLS với M thay đổi .................................................................... 60
Hình 4. 7: Ước lượng SLS với N thay đổi ..................................................................... 61

Hình 4. 8: Ước lượng SLS với M=N ............................................................................. 61
Hình 4. 9: Ước lượng SLS với huấn luyện tối ưu và huấn luyện ngẫu nhiên ................ 62
Hình 4. 10: Ước lượng kênh SLS với phân bố cơng suất relay khơng cân bằng ........... 63
Hình 4. 11: So sánh ước lượng SLS và LS-SLS. ........................................................... 64
Hình 4. 12: Ước lượng MMSE với M thay đổi.............................................................. 65
Hình 4. 13: Ước lượng MMSE với N thay đổi. ............................................................. 66
Hình 4. 14: Ước lượng MMSE với M=N. ..................................................................... 66
Hình 4. 15: Ước lượng MMSE với huấn luyện tối ưu và huấn luyện ngẫu nhiên ......... 67
Hình 4. 16: Ước lượng kênh MMSE với phân bố công suất relay không cân bằng ...... 68
Hình 4. 17: So sánh các phương pháp ước lượng với M=N=2 ...................................... 70
Hình 4. 18: So sánh các phương pháp ước lượng với M=N=4 ...................................... 70
Hình 4. 19: So sánh các phương pháp ước lượng với M=N=8 ...................................... 71

x


Hình 4. 20: So sánh các phương pháp ước lượng với M=2, N=4 .................................. 72
Hình 4. 21: So sánh các phương pháp ước lượng với M=2, N=8. ................................. 72
Hình 4. 22: So sánh các phương pháp ước lượng với M=4, N=8. ................................. 73

xi


Chương 1: Mở đầu

1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin hợp tác
Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vơ tuyến nói chung và thơng tin di động nói riêng

trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của cơng nghệ truyền thơng vơ
tuyến. trong đó phải kể đến công nghệ MIMO (Multiple Input Multiple Output). Nhìn
chung, cơng nghệ MIMO nâng cao chất lượng tín hiệu nhận được và làm tăng tốc độ
truyền dữ liệu bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu kỹ thuật số để định hình và
kết hợp các tín hiệu được truyền từ nhiều đường truyền vô tuyến được tạo ra bởi việc
sử dụng nhiều ăngten thu và ăngten phát
Tuy nhiên, trên thực tế việc trang bị nhiều ăngten trên thiết bị di động đầu cuối gặp
nhiều khó khăn do giới hạn kích thước thiết bị. Để vượt qua khó khăn này, một mơ
hình mới được đưa ra đó là hệ thống thông tin hợp tác (cooperative communucations)
Kỹ thuật truyền thông hợp tác cho phép các người dùng điện thoại di động lân cận
với một ăngten đơn (còn gọi là các relay) chia sẻ anten của họ để truyền hợp tác, tương
tự như trong một môi trường truyền đa anten ảo và kết hợp được những ưu điểm của kỹ
thuật phân tập và kỹ thuật truyền chuyển tiếp. Kết quả là có thể đạt được phân tập
khơng gian và cải thiện hiệu suất truyền tải của hệ thống truyền thông hợp tác, đạt
được lợi thế tương tự như trong hệ thống MIMO mà không cần dùng thêm ăngten.
Hơn nữa, với tính linh hoạt cao, truyền thơng hợp tác có thể được tích hợp với các
kỹ thuật khác mà khơng đánh mất ưu điểm của mình. Ví dụ: truyền thơng hợp tác có
thể kết hợp với kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao (OFDM), sử dụng đầy đủ
khả năng chống fading chọn lọc tần số, có thể kết hợp với mã hóa hoặc mơ hình mã
hóa khơng- thời gian đạt được độ lợi mã hóa, ... Do đó, thơng tin hợp tác có giá trị đáng
kể cho nghiên cứu và sẽ là một trong những chủ đề nóng có thể có tác động lớn đến sự

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 1: Mở đầu

2
phát triển của truyền thông không dây trong tương lai, đến kỹ thuật điều chế đa sóng
mang và kỹ thuật đa anten.
Truyền thơng dựa trên mơ hình các relay thường được chia làm hai giai đoạn. Giai
đoạn I, nguồn phát quảng bá thông tin đến các relay. Trong giai đoạn II, các relay chọn
hoạt động đơn giản là khuếch đại và truyền lại thơng tin đến đích, hoặc giải mã thơng
tin sau đó mới truyền đi. Phương pháp đầu gọi là Khuếch đại – chuyển tiếp AF
(amplify-and-forward), phương pháp sau gọi là Giải mã – chuyển tiếp DF (decode-andforward). Nhiều mơ hình phân tập mạng hợp tác và các kỹ thuật mã hóa khơng - thời
gian (STC: space time coding) đã được phát triển cho cả AF và DF.
Trước khi hưởng được các lợi thế do mạng chuyển tiếp đem đến, địi hỏi phải có
thơng tin chính xác về trạng thái kênh truyền CSI (channel state information) tại bộ thu
(đối với AF) hoặc cả tại relay và bộ thu (đối với DF). Vì vậy địi hỏi phải ước lượng
kênh truyền trong thơng tin hợp tác.

1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trong bất cứ hệ thống thông tin vơ tuyến nào, việc xác định được đặc tính kênh
truyền là rất quan trọng. việc ước lượng kênh truyền chính xác sẽ giúp việc khôi phục
thông tin ban đầu từ tín hiệu thu được đạt độ tin cậy cao, giảm tỷ lệ lỗi của hệ thống.
Việc ước lượng kênh có thể sử dụng nhiều bộ ước lượng kênh truyền khác nhau: LS,
MMSE, BLUE, LMMSE, Kalman, ... chọn lựa một bộ ước lượng phù hợp giúp hệ
thống hoạt động hiệu quả hơn.
Đề tài này sẽ nghiên cứu về các phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống
thông tin hợp tác như LS, MMSE, và phương pháp cải tiến của LS là SLS từ đó đưa ra
nhận xét, đánh giá đối với các phương pháp nghiên cứu về độ phức tạp của giải thuật,
các địi hỏi về thơng tin thống kê kênh truyền,... song song với việc ước lượng kênh, đề

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương

Chương 1: Mở đầu

3
tài còn thiết kế tối ưu cho cả chuỗi huấn luyện gửi từ nguồn và ma trận tuyến tính tiền
mã hóa tại các relay.
1.3 Những đóng góp của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu ba phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống thông
tin hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp. Các bộ ước lượng dựa trên việc sử dụng chuỗi
huấn luyện, trong đó cung cấp sự cân bằng khác nhau về chất lượng và kiến thức tiên
nghiêm của thống kê bậc hai của kênh truyền. Trước hết, phương pháp truyền thống
bình phương tối thiểu (LS) được xem xét, phương pháp này không yêu cầu bất kỳ kiến
thức về thơng số kênh. Sau đó, một phiên bản tinh tế của ước lượng LS được đề xuất
(được gọi là bộ ước lượng LS tỷ lệ (SLS)). Ước tính SLS cung cấp một hiệu suất cải
thiện đáng kể so với các phương pháp LS nhưng đòi hỏi vết (trace) của ma trận hiệp
phương sai kênh truyền và công suất nhiễu nhiễu máy thu phải được biết. Cuối cùng,
bộ ước lượng kênh lỗi trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) được nghiên cứu. Kỹ
thuật này cho kết quả tốt hơn cả bộ ước lượng LS và SLS, nhưng nó địi hỏi phải có
đầy đủ kiến thức tiên nghiệm của ma trận hiệp phương sai kênh và công suất nhiễu
máy thu. Hệ thống thơng tin hợp tác cịn được kết hợp bộ mã không – thời gian để tận
dụng khả năng phân tập của hệ thống relay, việc tối ưu chuỗi huấn luyện đối với từng
phương pháp cũng được phân tích.
Ngồi ra đề tài cịn khảo sát các tham số khác ảnh hưởng đến chất lượng của việc
ước lượng như: số lượng relay, phân bố công suất ở các relay, ma trận tiền mã hóa, ...
đối với các phương pháp ước lượng nêu trên.

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh

TS. Hồ Văn Khương


Chương 1: Mở đầu

4

1.4 Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng trong mạng hợp tác gồm: LS, MMSE,
SLS nhằm đánh giá ưu điểm, nhược điểm và phạm vi áp dụng của từng kỹ thuật. Ngoài
việc thiết lập các cơng thức tính tốn lý thuyết cho từng phương pháp.

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là các phương pháp ước lượng kênh
truyền trong thông tin hợp tác bao gồm:
 Một thiết bị phát, M relay , một thiết bị thu tất cả đều trang bị ăngten đơn (single
antenna).
 Relay dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF).
 Kênh truyền giữa các thiết bị khảo sát là kênh truyền Rayleigh.
 Thiết bị thu sử dụng các phương pháp ước lượng kênh truyền: LS, SLS, MMSE
để ước lượng kênh truyền.

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây
dựng mơ hình kết hợp với mô phỏng trên Matlab. Kết quả của lý thuyết và mô phỏng
sẽ được so sánh với nhau nhằm đảm bảo tính chính xác, thực tế của đề tài. Bên cạnh
đó, kết quả mô phỏng thể hiện trực quan hơn về các tham số ảnh hưởng đến chất lượng
toàn hệ thống: số lượng relay, công suất phân bố trên các relay, ...

1.5 Bố cục của luận văn
Bố cục luận văn chia là 5 chương:
Chương 1 – Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin hợp tác. Nêu lên những
đóng góp, mục tiêu và phương pháp nghiên cứu đề tài.
HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 1: Mở đầu

5
Chương 2 – Kiến thức tổng quan: Trình bày những kiến thức tổng quan có liên quan
đến q trình nghiên cứu:
 Kênh truyền vơ tuyến và ảnh hưởng của kênh truyền lên hệ thống.
 Các kỹ thuật phân tập trong vô tuyến.
 Các kỹ thuật ước lượng kênh truyền.
 Hệ thống thông tin hợp tác.
Chương 3 – Ước lượng kênh truyền trong mạng hợp tác AF: trình bày các công
thức lý thuyết của ước lượng kênh truyền sử dụng các phương pháp LS, MMSE, SLS
kết hợp tối ưu chuỗi huấn luyện.
Chương 4 - Kết quả mô phỏng: trình bày và đánh giá các kết quả mơ phỏng trên
matlab.
Chương 5 – Kết luận và hướng phát triển: Nêu lên các kết quả đạt được của đề tài
và hướng phát triển đề tài.

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh

TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
6

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN
2.1 Kênh truyền vô tuyến
2.1.1 Giới thiệu
Khi nghiên cứu hệ thống thơng tin, việc tạo ra mơ hình kênh đóng một vai trò
quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Do bản chất thay
đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hưởng to lớn đến hoạt
động của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế thành
công một hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính
của kênh truyền vơ tuyến cũng như mơ hình hố kênh truyền hợp lý.
Khi truyền qua kênh vô tuyến di động, tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều
so với tín hiệu tại bộ phát. Ngồi ngun nhân gây bởi nhiễu nhiệt (được mơ hình hóa
bởi AWGN), cịn phải xét đến những ảnh hưởng quan trọng của các đặc tính kênh
truyền vơ tuyến như:
 Hiện tượng đa đường (multipath): là kết quả của sự phản xạ, tán xạ và khúc xạ
của sóng điện từ phát khi gặp phải các vật cản tự nhiên hoặc nhân tạo. Do đó ở
ăngten thu sẽ có sự tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau với các
thời gian trễ khác nhau, suy hao khác nhau và độ lệch pha khác nhau. Sự xếp
chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha
thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu.
 Hiện tượng Doppler: gây ra bởi các đối tượng di chuyển trong kênh truyền vô
tuyến. Sự thay đổi về pha và biên độ của các sóng tới do sự thay đổi vị trí của
đối tượng dẫn đến hiện tượng đa đường biến đổi theo thời gian. Chỉ cần một sự
di chuyển rất nhỏ (khoảng bằng độ dài bước sóng) là có thể tạo ra một tín hiệu

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
7

hoàn toàn khác ở máy thu. Sự biến đổi của tín hiệu do hiện tượng đa đường biến
đổi theo thời gian còn gọi là hiệu ứng fading nhanh (fast fading).
 Hiện tượng vật che chắn (shadowing): gây ra bởi vật cản trở cố định trên
đường truyền như các ngọn đồi, các toà nhà cao tầng, ... làm suy giảm biên độ
của tín hiệu. Khác với hiệu ứng Doppler, hiện tượng này chỉ thay đổi tính chất
của nó trên một khoảng cách lớn, do đó sự thay đổi biên độ tín hiệu do hiện
tượng che chắn còn gọi là fading chậm (slow fading).
 Suy hao trên đường truyền (path loss): mô tả sự suy giảm công suất trung bình
của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Trong không gian tự do, công
suất trung bình giảm theo bình phương khoảng cách truyền giữa trạm gốc và
trạm cuối. Trong kênh truyền vô tuyến di động, thường không tồn tại đường
truyền thẳng (LOS – Line of Sight), cơng suất tín hiệu giảm theo các luỹ thừa
bậc cao hơn, tiêu biểu là từ 3 đến 5. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn
và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất.
Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát chi tiết hơn các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến.

2.1.2 Ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu
2.1.2.1 Suy hao theo khoảng cách truyền:
Mơ hình truyền sóng trong khơng gian tự do được dùng để xác định cường độ tín
hiệu tại nơi thu khi môi trường giữa ăngten phát và ăngten thu là dạng có thể nhìn
thẳng LOS và khơng bị ảnh hưởng của méo. Công suất tại anten thu đặt cách anten

phát một khoảng cách d được cho bởi phương trình Friis trong khơng gian tự do:
P( )=

(4 )

(2.1)

trong đó Pt: là cơng suất phía phát (W)
Pr: là cơng suất thu được (W)

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
8

Gt: là độ lợi anten phát
Gr: là độ lợi anten thu
d: là khoảng cách truyền (m)
L: là hệ số mất mát (L≥1)
: là khoảng cách bước sóng (m).
Có thể viết lại cơng thức Friis như sau:

( )

=

1 4

1 1

=

1 4

1 1

(2.2)

Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là:
(

)=

(

= −10

)−

(
− 10

)
+ 20

+ 20

− 147.6(

)

(2.3)

2.1.2.2 Hiện tượng vật che chắn
Shadowing là hiện tượng gây ra bởi sự hiện diện của các chướng ngại vật cố định
trong môi trường truyền dẫn của tín hiệu. Tốc độ di chuyển của mobile khơng ảnh
hưởng đến các đặc tính ngắn hạn của hiện tượng shadowing. Thay vào đó, địa hình
xung quanh trạm phát sóng và thu sóng cũng như chiều cao của anten là các yếu tố ảnh
hưởng đến hiện tượng shadowing. Hiện tượng này được mơ hình hóa như là một q
trình ngẫu nhiên thay đổi chậm theo thời gian. Giả sử bỏ qua tất cả các hiện tượng làm
suy yếu tín hiệu khác, tín hiệu nhận được ở phía thu sẽ là:
( ) = ( ) ( ),

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

(2.4)

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
9

trong đó s(t) là tín hiệu phát, và g(t) là q trình ngẫu nhiên mơ tả hiệu ứng shadow.
Với một khoảng cách quan sát cho trước, giả sử g(t) là một giá trị hằng số g, được mơ

hình hóa bởi một biến ngẫu nhiên phân bố log-normal có hàm mật độ cho bởi:
( )=

√

exp −
0

Chú ý rằng ln

(

)

≥0

(2.5)

< 0.

là một biến ngẫu nhiên phân bố Gauss với trung bình μ và

variance σ2. Điều này mang ý nghĩa vật lý rằng μ và σ2 là trung bình và variance của sự
mất mát cơng suất đo được tính bằng decibel gây ra bởi hiện tượng shadowing. Trong
mơi trường tế bào, σ là một hàm phụ thuộc vào địa hình và độ cao anten, có giá trị
trong khoảng từ 4 đến 12 dB.
2.1.2.3 Hiệu ứng đa đường:
Đa đường trong truyền vô tuyến tạo nên hiệu ứng fading diện hẹp, có 3 hiệu ứng
quan trọng nhất là:
 Sự thay đổi đột ngột mật độ cơng suất tín hiệu trên khoảng cách di chuyển nhỏ

hoặc trong khoảng thời gian nhỏ.
 Sự điều chế tín hiệu ngẫu nhiên do những dịch Doppler khác nhau trên những
tín hiệu đa đường khác nhau.
 Sự trải về thời gian gây nên bởi trễ trong truyền đa đường.

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
10

Hình 2. 1: Hiện tượng truyền sóng đa đường
Tín hiệu khi truyền từ bộ phát truyền đến nơi thu đi theo nhiều đường khác nhau,
mỗi đường là bản sao của tín hiệu gốc. Sự lệch nhau về khoảng cách đường truyền gây
nên trễ và sự dịch pha so với tín hiệu gốc. Kết quả tại bộ thu, tín hiệu có biên độ và pha
khác rất nhiều so với tín hiệu gốc. Nếu các tín hiệu cùng pha với nhau, fading làm tăng
cường độ tín hiệu tại nơi thu, ngược lại, nó sẽ triệt tiêu tín hiệu tạo nên hiện tượng
fading sâu.
2.1.2.4 Hiệu ứng Doppler:
Hiệu ứng Doppler hình thành do sự dịch tần khi có sự di chuyển của bộ phát và bộ
thu như hình 2.2. Bản chất của hiện tượng này là khi phát tín hiệu ở tần số sóng mang
f0, tín hiệu thu được sẽ khơng nhận được chính xác ở chính xác trên tần số sóng mang
f0 mà bị dịch đi cả hai phía cới độ dịch là fDmax gọi là tần số Doppler. Sự dịch tần số này
ảnh hưởng đến sự đồng bộ của hệ thống thơng tin vơ tuyến.
Giả thiết góc tới của hướng thứ n so với hướng chuyển động của máy thu là

, khi

đó tần số Doopler của tuyến này là:
=

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

cos (

)

(2.6)

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh
TS. Hồ Văn Khương


Chương 2: Kiến thức tổng quan
11

trong đó

, , lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương

đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu

= 0 thì tần số Doppler

lớn nhất sẽ là:
=

(2.7)

Hình 2. 2: Hiệu ứng Doppler

2.1.3 Các thông số của kênh truyền đa đường
2.1.3.1 Thông số tán xạ thời gian (Time Dispersion):
Để so sánh những kênh truyền đa đường khác nhau và để phát triển một vài thiết
kế chung cho hệ thống vô tuyến, người ta dùng những thơng số mang tính định lượng
tổng như: độ trễ trung bình vượt mức (mean excess delay), trải trễ hiệu dụng (rms
delay spread) và trải trễ vượt mức (excess delay spread). Đây là những thơng số có thể
xác định được từ một hàm Power Delay Profile.Tính chất phân tán thời gian của những
kênh đa đường băng rộng thông thường nhất được xác định bởi độ trễ trung bình vượt
mức ( ̅) và trải trễ hiệu dụng ( ) của chúng.
Trễ trung bình vượt mức là moment thứ nhất của hàm Power Delay Profile và
được xác định như sau:
̅=

HVTH: Đỗ Khánh Thuyên

∑
∑

=

∑ ( )
∑ ( )

(2.8)

GVHD: TS. Chế Viết Nhật Anh

TS. Hồ Văn Khương