Ứng dụng mã stf vào hệ thống mimo ofdm

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

HUỲNH GIA DANH NHÂN

ỨNG DỤNG MÃ STF VÀO HỆ THỐNG
MIMO-OFDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1: ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: ...............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày….. tháng…… năm……
Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)
1. …………………………………………….
2. …………………………………………….
3. …………………………………………….
4. …………………………………………….
5. …………………………………………….
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 tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
Độc lập - Tự do -

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

Tp. Hồ Chí Minh, ngày ….. tháng …… năm ………
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Huỳnh Gia Danh Nhân………………

Phái: Nam……...

Ngày, tháng, năm, sinh: 03/05/1973……………………

Nơi sinh: Cần Thơ…

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử………………………..

MSHV: 09140018….

I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ STF VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hệ thống kênh truyền thông tin vô tuyến, hệ thống OFDM, hệ
thống MIMO và MIMO - OFDM. Khảo sát các mơ hình hệ thống thơng tin mã
hóa STC, SFC và STFC hệ thống MIMO-OFDM.
- Đánh giá chất lượng của các mơ hình này trong các trường hợp khác nhau
và chỉ ra khả năng kiểm sốt lỗi trên từng mơ hình.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

14/02/2011

IV- NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:

25/12/2011

V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả những người đã hướng dẫn và giúp đỡ
tác giả trong q trình tìm hiểu kiến thức để hồn thành luận văn này.
Trước tiên là cô PGS.TS. Phạm Hồng Liên, người đã nhiệt tình hướng dẫn
em hiểu được vấn đề và thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biện
nghiêm túc và giúp em hoàn chỉnh luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cùng sát cánh bên tôi trong
việc giải quyết các vấn đề khoa học nảy sinh khi nghiên cứu để tác giả có được
lời giải đáp, tiếp tục hướng con đường nghiên cứu để đạt kết quả cuối cùng, hoàn
thành hướng nghiên cứu của mình.
Cơng trình này đã hồn thành trong sự chờ đón, động viên và chia sẻ của
những người thân trong gia đình, những người đồng nghiệp và những người bạn.
Cảm ơn mọi người đã luôn bên tôi trong những lúc này.

Tp. Hồ Chí Minh ngày…. tháng…. năm……
Huỳnh Gia Danh Nhân


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là kết quả của quá trình tự nghiên cứu từ các bài báo khoa
học trên tạp chí IEEE, Springer, từ các ebook về hệ thống OFDM, MIMO, các
ebook về mã không gian-thời gian (STC), mã không gian-tần số (SFC) và mã
không gian-thời gian-tần số (STFC) ứng dụng trong truyền thông không dây, các
tư liệu đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo. Những kết quả nêu ra trong luận

văn là thành quả lao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên
hướng dẫn PGS.TS. Phạm Hồng Liên, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè
lớp cao học điện tử 2009-Cần Thơ. Tác giả xin cam đoan luận văn này hồn tồn
khơng sao chép lại bất kì một cơng trình nào đã có từ trước.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, MIMO-OFDM đã được chấp nhận như sơ đồ
truyền dẫn cho hầu hết các hệ thống băng thông rộng không dây thế hệ kế tiếp.
Ngoài tốc độ dữ liệu được cải tiến, hệ thống này cũng được biết đến là đạt được
phân tập không gian và tần số. Để khai thác những lợi thế này, các sơ đồ mã hóa
đã được nghiên cứu và phát triển, chẳn hạn như mã không gian-thời gian (STC),
mã không gian-tần số (SFC) và mã không gian-thời gian-tần số (STFC). Trong
luận văn này, nghiên cứu sơ đồ mã hóa, giải mã, mơ hình hệ thống và mơ phỏng
các mã này.
Trong phần lý thuyết, trước hết luận văn trình bày tổng quan về kênh truyền
vô tuyến, sự ảnh hưởng của fading đến chất lượng của hệ thống. Trong phần tiếp
theo luận văn trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, MIMO và MIMO-OFDM.
Cuối cùng luận văn trình bày lý thuyết về các mã STC, SFC và STFC.
Ở phần mô phỏng, tác giả mô phỏng các hệ thống MIMO, MIMO-OFDM,
mã STBC, SFC và STFC-rate 1 và rate 2. Thông qua các kết quả mô phỏng đã
chứng minh được khả năng kiểm soát lỗi của hệ thống khi sử dụng mã STFC
được cải thiện hơn so với mã STBC và SFC.


ABSTRACT
In recent years, MIMO-OFDM has been accepted as the wireless
transmission scheme for most of the next generation broadband wireless systems.
Apart from data-rate improvement over single antenna transmission systems,
these systems are also known to offer both frequency as well as space diversity.

In order to exploit these advantages, coding schemes have been researched and
developed, such as Space-Time codes (STC), Space-Frequency codes (SFC) and
Space-Time-Frequency codes (STFC). This thesis researches coding, decoding,
system models and simulating for these codes.
Theoretically, we firstly presented an overview of the radio channel
concentrating on the influence of fading to the quality of the system. Then the
thesis presented OFDM, MIMO and MIMO-OFDM systems. Finally, the thesis
concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes.
In the simulation, we performed simulation in cases, MIMO systems,
MIMO-OFDM sytems, coding schemes of STBC, SFC and STFC systems. By
the simulation results, we have demonstrated that the ability of controling error
of system which used STFC codes was improved more than the system which
used STBC and SFC codes.


MỤC LỤC
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

1

DANH SÁCH HÌNH VẼ

2

PHẦN 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

4

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU

5

1.1. Đặt vấn đề

5

1.2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

6

1.2.1.

Mục tiêu nghiên cứu

6

1.2.2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

6

1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

6

1.4. Bố cục của luận văn

6

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

9

2.1. Giới thiệu

9

2.2. Các cơ chế lan truyền của tín hiệu

9

2.3. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

10

2.3.1.

Hiệu ứng đa đường (Multipath)

10

2.3.2.

Hiệu ứng Doppler

11

2.3.3.

Fading

12

2.3.4.

Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

13

2.4. Mơ hình kênh truyền vơ tuyến

13

2.4.1.

Phân bố Rayleigh

13

2.4.2.

Phân bố Ricean

13

2.5. Kết luận

14

CHƯƠNG 3: OFDM

15

3.1. Giới thiệu

15

3.2. Mơ hình hệ thống

17


3.3. Kết luận

25

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT MIMO

26

4.1. Giới thiệu

26

4.2. Kỹ thuật phân tập

27

4.2.1.

Phân tập thời gian

27

4.2.2.

Phân tập không gian

28

4.2.3.

Phân tập tần số

29

4.3. Mơ hình hệ thống MIMO

29

4.4. Dung lượng hệ thống MIMO

31

4.5. Kết luận

35

CHƯƠNG 5: MIMO – OFDM

36

5.1. Giới thiệu

36

5.2. Mơ hình hệ thống

36

5.3. Kết luận

40

PHẦN 2: MÃ HĨA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

42

CHƯƠNG 6: MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN STC

43

6.1. Giới thiệu

43

6.2. Mơ hình hệ thống

43

6.3. Mã STBC

45

6.3.1.

Sơ đồ Alamouti

45

6.3.2.

Sơ đồ Alamouti mở rộng

49

6.3.3.

Sơ đồ hệ thống N anten phát và M anten thu

50

6.3.4.

STBC cho chịm sao tín hiệu thực

52

6.3.5.

STBC cho chịm sao tín hiệu phức

55

6.3.6.

Giải mã STBC

56

6.4. Kết luận

60

CHƯƠNG 7: MÃ KHÔNG GIAN – TẦN SỐ SFC

61


7.1. Giới thiệu

61

7.2. Mơ hình tín hiệu

61

7.3. Thiết kế mã

63

7.3.1.

Mã SF tốc độ 1(SFC-rate 1)

63

7.3.2.

Mã SF tốc độ N (SFC-rate N)

65

7.4. Giải mã

69

7.5. Kết luận

69

CHƯƠNG 8: MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN – TẦN SỐ STFC

70

8.1. Giới thiệu

70

8.2. Mơ hình tín hiệu

71

8.3. Thiết kế mã

73

8.3.1.

Mã STF tốc độ 1(STFC-rate 1)

73

8.3.2.

Mã STF tốc độ N (STFC-rate N)

75

8.4. Giải mã

82

8.5. Kết luận

82

PHẦN 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

83

CHƯƠNG 9: MÔ PHỎNG

84

9.1. Hệ thống MIMO

84

9.2. Hệ thống MIMO-OFDM

87

9.3. Mã hóa Khơng gian – Thời gian STC

90

9.4. Mã hóa Khơng gian – Tần số SFC

93

9.4.1.

SF-rate 1

93

9.4.2.

SF-rate N

97

9.5. Mã hóa Khơng gian – Thời gian – Tần số STFC

100

9.5.1.

STF-rate 1

100

9.5.2.

STF-rate N

104

CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

110


10.1. Kết luận

110

10.2. Hướng phát triển

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

111

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC

114


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phasee Shift Keying

CSI

Channel State Information

i.i.d

independent identically distributed

ISI

Inter Symbol Interference

LP

Linearly Precoded

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

ML

Maximum Likelihood

MRC

Maximal Ratio Combiner

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

pdf

probability density function

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

SER

Symbol Error Rate

SISO

Single-Input Single-Output

SFC

Space-Frequency code

SNR

Signal Noise Rate

STBC

Space–time block code

STC

Space-Time code

STFC

Space-Time-Frequency code

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-1-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chun ngành kỹ thuật điện tử

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mơ hình kênh truyền fading đa đường

10

Hình 2.2: Hiệu ứng Doppler

11

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản

17

Hình 3.2: Khái niệm CP và Symbol OFDM mở rộng tuần hồn

19

Hình 4.1: Kênh truyền nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra MIMO cơ bản

26

Hình 4.2: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi N > M

33

Hình 4.3: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi M > N

34

Hình 5.1: Mơ hình hệ thống N x M MIMO-OFDM

37

Hình 6.1: Mơ hình hệ thống băng gốc

43

Hình 6.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti

45

Hình 6.3: Bộ thu cho sơ đồ Alamouti

46

Hình 6.4: Sơ đồ tổng quát N anten phát và M anten thu

50

Hình 6.5: Mã hóa STBC

51

Hình 7.1: Mã hóa SF-rate 1

63

Hình 7.2: Mã hóa SF-rate N

65

Hình 8.1: Cơ chế truyền mã STF

70

Hình 8.2: Mã hóa STF-rate N

75

Hình 9.1: MIMO – SER khi thay đổi anten phát (khơng mã hóa)

85

Hình 9.2: MIMO – SER khi thay đổi anten thu (khơng mã hóa)

85

Hình 9.3: MIMO – SER cùng mức phân tập (không mã hóa)

86

Hình 9.4: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi anten phát (khơng mã hóa)

88

Hình 9.5: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi anten thu (khơng mã hóa)

88

Hình 9.6: MIMO-OFDM – SER khi thay đổi L (khơng mã hóa)

89

Hình 9.7: MIMO-OFDM – SER cung mức phân tập (khơng mã hóa)

89

Hình 9.8: MIMO-STBC – SER khi tăng số anten phát

91

Hình 9.9: MIMO-STBC – SER khi tăng số anten thu

91

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-2-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Hình 9.10: MIMO-STBC – SER cùng mức phân tập

92

Hình 9.11: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten phát

94

Hình 9.12: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số anten thu

95

Hình 9.13: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER khi tăng số đường L

95

Hình 9.14: MIMO-OFDM-SF-rate1 – SER cùng mức phân tập.

96

Hình 9.15: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số anten thu

98

Hình 9.16: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER khi tăng số đường L

98

Hình 9.17: MIMO-OFDM-SF-rate2 – SER cùng mức phân tập.

99

Hình 9.18: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập phát

101

Hình 9.19: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thu

101

Hình 9.20: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập thời gian

102

Hình 9.21: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER phân tập tần số

102

Hình 9.22: MIMO-OFDM-STF-rate1 – SER cùng mức phân tập

103

Hình 9.23: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thu

105

Hình 9.24: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập thời gian

105

Hình 9.25: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER phân tập tần số

106

Hình 9.26: MIMO-OFDM-STF-rate2 – SER cùng mức phân tập

106

Hình 9.27: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate1&2

108

Hình 9.28: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate1

108

Hình 9.29: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2

109

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-3-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


PHẦN 1

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU

1.5. Đặt vấn đề:
Những tiến bộ gần đây trong các hệ thống truyền thông không dây đã gia
tăng lưu lượng thông qua các kênh truyền và mạng không dây. Đồng thời, độ tin
cậy của hệ thống thông tin liên lạc không dây cũng không ngừng gia tăng. 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. Bằng cách dùng nhiều hơn một anten phát hay thu, hình thành
một kênh nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO),
ta có được các phương pháp phân tập, ví dụ như phân tập khơng gian hay phân
tập thời gian. Việc tăng tính phân tập MIMO sẽ giúp giảm xác suất sai.
Vấn đề thiết kế kỹ thuật MIMO mã hóa và điều chế để cải thiện chất lượng
của hệ thống truyền thông không dây đã thu hút đáng kể trong cả lĩnh vực công
nghiệp và nghiên cứu. Ở narrowband (băng hẹp), kênh fading là không chọn lựa
tần số, phương pháp mã hóa khơng gian-thời gian (ST) [1 – 7, 17] đã được đề
xuất để khai thác phân tập không gian và thời gian. Cịn ở broadband (băng thơng
rộng) kênh fading là chọn lựa tần số, điều chế OFDM có thể được sử dụng để
chuyển đổi các kênh chọn lựa tần số sang tập hợp các kênh fading phẳng song
song, sử dụng hiệu quả băng tần và loại bỏ các thuật toán cân bằng phức tạp. Các
ưu điểm của hệ thống MIMO và điều chế OFDM đã được kết hợp lại cho ra đời
hệ thống MIMO-OFDM.
Có hai phương pháp mã hóa cho các hệ thống MIMO-OFDM. Một là mã
khơng gian-tần số (SF) [8 – 14, 17] được áp dụng trong mỗi khối OFDM để khai
thác phân tập không gian và tần số. Hai là mã không gian-thời gian-tần số (STF)
[15 – 18] áp dụng trên nhiều khối OFDM khai thác phân tập không gian, thời
gian, và tần số.
Việc thiết kế mã, giải mã SF và STF cịn nhiều khó khăn, do đó để hiểu rỏ
hơn q trình này và nhằm mục đích muốn tổ chức lại có hệ thống cách thiết kế

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-5-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

các mã ST, SF và STF nên tôi đã chọn đề tài: ”Ứng dụng mã STF vào hệ thống
MIMO-OFDM”.
1.6. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2.1.


Mục tiêu nghiên cứu
Khảo sát mã khối không gian-thời gian STBC trong hệ thống MIMO,
thiết kế và giải mã SF, STF rate-1 và rate-N trong hệ thống MIMOOFDM.



Mô phỏng kết quả của từng loại mã bằng phần mềm mô phỏng
Matlab. Vẽ đồ thị tỷ số lỗi ký tự (Symbol Error Rate – SER) tương
ứng với các thông số tỷ lệ cơng suất tín hiệu trên nhiễu (Signal to
Noise Ratio – SNR) khác nhau.

1.2.2 .

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Trong luận văn này, tác giả tập trung vào hệ thống MIMO-OFDM, khảo sát
cách tạo mã và giải mã STBC, SFC rate-1 và rate-N, STFC rate-1 và rate-N để vẽ
đồ thị xác định tỷ lệ lỗi ký tự ứng với các mức tỉ lệ cơng suất tín hiệu trên nhiễu
khác nhau. Hệ thống được giới hạn trong trường hợp thông tin về trạng thái kênh
truyền (channel state information: CSI) là biết trước và trong kênh truyền giả tĩnh
(quasi-static) có fading Rayleigh.
1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Luận văn này trình bày phương thức tổng quát thiết kế mã SF, STF rate-1
và rate-N. Từ đó viết các giải thuật giải mã phù hợp nhằm ứng dụng hiệu quả
trong các hệ thống MIMO-OFDM.
1.8. Bố cục của luận văn
Luận văn được chia thành 03 phần gồm 10 chương :
Phần 1: Lý thuyết Tổng quan:
Chương 1: Mở đầu

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-6-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Trong chương này tác giả trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối
tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

nghiên cứu.
Chương 2: Kênh truyền Vô tuyến
Trong chương 2, trình bày các đặc trưng, mơ hình của kênh truyền
vơ tuyến.
Chương 3: OFDM
Trong chương 3, trình bày mơ hình hệ thống và tín hiệu của OFDM
Chương 4: Kỹ thuật MIMO
Trong chương 4, trình bày các kỹ thuật phân tập, mơ hình hệ thống
và dung lượng kênh truyền của kỹ thuật MIMO.
Chương 5: MIMO-OFDM
Trong chương 5, trình bày mơ hình hệ thống và tín hiệu của
MIMO-OFDM.
Phần 2: Mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM
Chương 6: Mã khơng gian-thời gian ST
Trong chương 6, trình bày mơ hình hệ thống, tín hiệu và quá trình
tạo mã và giải mã STBC.
Chương 7: Mã khơng gian-tần số SF
Trong chương 7, trình bày mơ hình hệ thống, tín hiệu và q trình
tạo mã và giải mã SF-rate 1 và rate N.
Chương 8: Mã không gian-thời gian-tần số STF
Trong chương 8, trình bày mơ hình hệ thống, tín hiệu và q trình
tạo mã và giải mã STF-rate 1 và rate N.
Phần 3: Mô phỏng và kết quả
Chương 9: Mơ phỏng
Trong chương 9, trình bày kết quả mô phỏng các hệ thống MIMO,
MIMO-OFDM, mã STBC, mã SF-rate 1-N và mã STF-rate 1-N.
Chương 10: Kết luận và hướng phát triển

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-7-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Chương này đưa ra các kết luận về kết quả đạt được của luận văn và hướng
phát triển thêm trong tương lai.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-8-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

CHƯƠNG 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1. Giới thiệu:
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền
hữu tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn

ngẫu nhiên và khơng dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua
kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ,
tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở
máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này
ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thơng tin vơ tuyến. Vì vậy để hạn chế
ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu,
ta phải hiểu được các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến và mơ hình hóa kênh
truyền hợp lý. Ta sẽ đi vào tìm hiểu các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của
tín hiệu và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền.
2.2. Các cơ chế lan truyền của tín hiệu:
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống
di động:


Phản xạ (Reflection) xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng
phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.



Nhiễu xạ (Diffraction) xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và
thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so
với bước sóng.



Tán xạ (Scattering) xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng
lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất
cả các hướng.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

-9-

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

2.3. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:
2.3.1.

Hiệu ứng đa đường (Multipath):

Trong một hệ thống thơng tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường
không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi
phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy,
sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi
sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện
tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation).
Đường trễ L

αL(t)
Đường LOS

τL(t)

α1(t)

τ1(t)
Đường trễ 1

Máy phát

Máy thu

TX

RX
Hình 2.1 Mơ hình kênh truyền fading đa đường

Đáp ứng xung của L đường từ máy phát đến máy thu:
L 1

h(t )     l   (t   l )

(2.1)

l 0

  l  : biên độ phức đường thứ l.

 l : Độ trễ truyền dẫn đường thứ l.
Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như
hình 2.1 (chưa tính đến nhiễu) có dạng:
L 1

y (t )     l  x(t   l )  x  t   h  t 

(2.2)

l 0

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

- 10 -

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Từ (2.1), đáp ứng tần số của kênh truyền:
L 1

H  f     (l )e  j 2 f  l

(2.3)

l 0

2.3.2.

Hiệu ứng Doppler:

Do sự di chuyển giữa máy phát và máy thu, mỗi sóng mang bị dịch đi một

lượng tần số. Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển tương ứng đó được gọi
là hiệu ứng Doppler. Tần số sẽ tăng lên khi máy phát tiến về phía máy thu, và sẽ
giảm đi khi máy phát đi ra xa máy thu. Đây gọi là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng
này tỉ lệ với tốc độ của thiết bị di động. Tại một trạm với một tín hiệu đơn âm tần
số fc được phát đi và một tín hiệu thu được với duy nhất một sóng tới có góc tới θ
so với hướng di chuyển của xe như trong hình 2.2. Khi đó ta có sự thay đổi về
pha giữa 2 điểm X và Y là:
ΔΦ 

2πΔl 2πυΔt

cos θ
λ
λ

(2.4)

Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được cho bởi cơng thức:
fd 

1 ΔΦ υ
 cos θ  f m cos θ
2π Δt
λ

(2.5)

Trong đó fc, λ, c là lần lượt là tần số sóng mang, bước sóng sóng mang, vận
tốc ánh sáng và dịch Doppler cực đại fm được tính như sau:
fm 

f
v
v c

c

(2.6)

Hình 2.2 Hiệu ứng Doppler
GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

- 11 -

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

2.3.3. Fading:
Hiện tượng Fading là sự thay đổi cường độ sóng mang cao tần gây nên bởi
sự thay đổi môi trường truyền dẫn như áp suất khơng khí và do sự phản xạ của
tín hiệu với các vật thể trên đường truyền như nước, mặt đất…
Kết hợp ảnh hưởng của hiệu ứng multipath và hiệu ứng Doppler là fading.
Fading là sự thay đổi nhanh của cường độ tín hiệu trên 1 quãng đường hoặc 1
khoảng thời gian. Khi băng thơng của tín hiệu nhỏ hơn với băng thông nhất quán,
tất cả các thành phần tần số đều bị suy giảm cùng mức fading, ta có fading không

chọn lọc tần số (frequency nonselective fading) hoặc fading phẳng (flat fading).
Ngược lại, khi băng thơng tín hiệu lớn hơn với băng thông nhất quán, các thành
phần tần số có phổ lớn hơn băng thơng nhất qn bị fading một cách độc lập, dẫn
đến hiện tượng làm méo tín hiệu, làm xuất hiện nhiễu xuyên ký tự (ISI - Inter
Symbol Interference), ta có fading chọn lọc tần số (frequency selective fading).
Sự thay đổi nhanh hay chậm của kênh truyền so với sự thay đổi của tín hiệu
sẽ xác định fading là nhanh hay chậm. Hiệu ứng Doppler là nguyên nhân của
hiện tượng fading này. Khi chu kỳ của 1 symbol của tín hiệu phát ngắn hơn thời
gian nhất quán, ta có fading chậm (slow fading), ngược lại, khi chu kỳ của 1
symbol lớn hơn thời gian nhất quán, ta có fading nhanh (fast fading).
2.3.4. Suy hao trên đường truyền
Mơ tả sự suy giảm cơng suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát
đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc
phục bằng các phương pháp điều khiển cơng suất.
Phương trình (2.7) tính cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một
khoảng cách R:
  
PR  PT GT G R 

 4R 

2

(2.7)

PR: Cơng suất tín hiệu thu được (W)

PT: Công suất phát (W)

GR: Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)

GT: Độ lợi anten phát

λ: Bước sóng của sóng mang

R: Khoảng cách truyền

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

- 12 -

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

2.3.5. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các tồ
nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm.
2.4. Mơ hình kênh truyền vơ tuyến:
Biên độ của hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo
các phân bố như phân bố Rayleigh, phân bố Ricean. Đáp ứng của kênh truyền là
một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời gian và tần số. Chúng ta khảo sát
sau đây:
2.4.1.

Phân bố Rayleigh:

Được xác định khi tồn tại nhiều đường tán xạ độc lập thống kê và khơng có
tán xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ cịn lại, tức là khơng có đường truyền
thẳng (NLOS – Non Line of Sight).
Hàm mật độ xác suất của biên độ và pha hàm truyền được xác định như ở
phương trình dưới đây:

 r  r 2 / 2 2
 e
pdf (r )    2

0
pdf ( ) 

1
2

r0
(2.8)

r0
(2.9)

0    2

Với r và  tương ứng là biên độ và pha của đáp ứng kênh:
h
r  h  hx2  hy2 ;  tan 1  x
h
 y

2.4.2.





(2.10)

Phân bố Ricean:

Xác định khi có tín hiệu truyền trực tiếp (LOS) chiếm ưu thế so với các
đường tán xạ độc lập thống kê khác.
Tương tự hàm mật độ xác suất của biên độ hàm truyền được xác định như ở
phương trình dưới đây:

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

- 13 -

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân


Luận văn thạc sĩ
Ứng dụng mã STF vào hệ thống MIMO-OFDM

Chuyên ngành kỹ thuật điện tử

  A2  r 2 


 Ar 
2 2
 r
I0  2 
pdf  r     2 e
 

0

r0

(2.11)

r 0

với I0 là hàm Bessel loại 1, bậc 0.
Tham số A là biên độ của thành phần chiếm ưu thế. Ta thường hay dùng tỉ
số K để biểu diễn tỉ số công suất giữa tín hiệu trực tiếp và đa đường.
K

A2
2 2

(2.12)

Khi K >>1, cơng suất tín hiệu trực tiếp rất trội hơn đa đường nên kênh
truyền trở thành kênh AWGN. Khi K<<1, tín hiệu trực tiếp biến mất và trở
thành kênh truyền Fading Rayleigh biểu diễn theo công thức. Trong môi trường
tế bào, K thường rất nhỏ hơn 1.
2.5. Kết luận:

Các đặc trưng của kênh truyền vô tuyến, cũng như mô hình các kênh truyền
đã được nghiên cứu. Từ đó hiểu rõ bản chất của việc truyền tín hiệu nhằm giúp
ích cho việc mô phỏng sau này.
Trong chương tiếp theo, sẽ trình bày các vấn đề kỹ thuật trong OFDM, mơ
hình tín hiệu và hệ thống của nó.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

- 14 -

HVTH: Huỳnh Gia Danh Nhân