Nghiên cứu mã khối không gian tần số cho hệ thống MimoOFDM với Ăng ten tái cấu hình

VŨ VĂN TOẠI

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

*
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

VŨ VĂN TOẠI

NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHÔNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG
MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH

*

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

KHỐ 2015B
Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ VĂN TOẠI

NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHÔNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG

MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH

Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Thành Chuyên

Hà Nội – 2018


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Họ và tên: Vũ Văn Toại
Mã HV: CB150251
Khoá: 2015-2017
Ngành học: Điện Tử - Viễn Thơng
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU MÃ KHỐI KHƠNG GIAN TẦN SỐ CHO HỆ
THỐNG MIMO-OFDM VỚI ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH
Nội dung luận văn :Nội dung của luận văn được chia thành 03 phần chính như sau:
➢

Chương I: Tìm hiểu tổng quan về MIMO,OFDM.

➢

Chương II: Hệ thống ăng-ten tái cấu hình và mã khối không gian-tần số.

➢

Chương III: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab.

Ngày giao luận văn:……/...../2018
Ngày nộp luận văn : ……/09/2018
Ngày …. tháng 09 năm 2018

TS. Nguyễn Thành Chuyên


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………

Điểm: ........ (bằng chữ ………………..)
Ngày..........tháng 09 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Thành Chuyên

i


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MIMO ,OFDM.....................3
1.1 Kỹ thuật MIMO ..................................................................................................3
1.2 Kỹ thuật OFDM ................................................................................................16
1.3 Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền.........................................22
1.4 Khái quát hệ thống MIMO tái cấu hình ...........................................................26
1.5 Kết luận .............................................................................................................26
CHƯƠNG II HỆ THỐNG MẢNG ĂNG-TEN TÁI CẤU HÌNH VÀ MÃ KHỐI
KHƠNG GIAN - TẦN SỐ............................................................................................31
2.1 Xây dựng mơ hình và đặt vấn đề nghiên cứu ...................................................32
2.2 Biểu thức dạng đóng cho hệ số ma trận hiệp phương sai ................................35
2.3 Đánh giá năng lực kênh MIMO tái cấu hình ...................................................49
2.4 Mơ hình hệ thống cho MIMO-OFDM tái cấu hình ..........................................57
2.5 Mã khối khơng gian-trực giao bán trực giao ....................................................60
2.6 Các mã khối không gian-tần số- trạng thái bán trực giao ................................62
2.7 Mã khối không gian-tần số-trạng thái ..............................................................64
2.8 Kết luận ............................................................................................................65
CHƯƠNG III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ....................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................74

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A
AWGN

Additive white Gaussian noise

Nhiễu Gausian trắng cộng

B
BER
BPSK

Bit error rate

Tỷ lệ lỗi bít

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân
D

DoA

Direction-of-Arrival

Hướng thu tín hiệu

DoD

Direction-of-Departure

Hướng phát tín hiệu đầu ra
F

FDM

Frequency-division multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần

I
ICI

Inter-carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang lân

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi ngược Fourier nhanh

cận
IFFT

L
LOS

Line of Sight

Tầm nhìn thẳng
M

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

O
OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép theo tần số trực giao

OSTBC

Orthogonal Space-Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

P
PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ lệ cơng suất đỉnh đến

trung bình
S
SCTB

Space-Time Block Code

Mã khối khơng gian thời gian

SISO

Single-input single-output

Tín hiệu một đầu ra và một

đầu vào
V
iii


V-BLAST

Vertical-Bell Laboratories

Phịng thí nghiệm Vertical-

Bell

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý hệ thống MIMO. ..................................................................3
Hình 1.2: Kỹ thuật Beamforming. ...................................................................................4
Hình 1.3:Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền ...............................................4
Hình 1.4: Khơng gian phân tập giúp cải thiện SNR……………………………………….……...5
Hình 1.5: Mơ hình hệ thống băng gốc. ............................................................................6
Hình 1.6: Ma trận mã STBC............................................................................................7
Hình 1.7: Sơ đồ mã lưới. .................................................................................................8
Hình 1.8: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 ................................................9
Hình 1.9: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 ....................................9
Hình 1.10:Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền song song ....................12
Hình 1.11: Mơ hình phân tập khi NTHình 1.12: Mơ hình phân tập khi NTHình 1.13 Sơ đồ một hệ thống OFDM .........................................................................16
Hình 1.14 : Sơ đồ quá trình phát tin ..............................................................................18
Hình 1.15 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM ................................................................18
Hình 1.16: a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang ..............................19
Hình 1.17: Phổ của các sóng mang trực giao ................................................................20
Hình 2.1: Phân tập theo thời gian. .................................................................................23
Hình 2.2 : Sơ đồ hàm Bessel bậc nhất J2k(Dr)phần trên ứng với giá trị số nguyên
k=1,2,3,4,5,6 và J2k+1 ở phần dưới ứng với số ngun k=0,1,2,3,4,5. ...........................44
Hình 2.3: Tính hội tụ của hệ số tương quan như một hàm số của các số hạng trong tổng
kết. .................................................................................................................................45
Hình 2.4 Hệ số hiệp phương sai với 10 = 200 và 1 = 2 = 10 như một hàm của
khoảng cách anten. ........................................................................................................47

v

Hình 2.5 Hệ số hiệp phương sai với AS=100 và 1 = 10 = 00 giống như một hàm của

2 và 2 ........................................................................................................................48
Hình 2.6 Hệ số hiệp phương sai với 10 = 0 tương đương với một hàm của 1 và  2 50
Hình 2.7 Hệ số hiệp phương sai với 1 = 10 = 0 và 02 = 450 tương đương với một
hàm của 2 ....................................................................................................................50
Hình 2.8 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 so với chùm tia
anten cho các giá trị góc lan truyền khác nhau ...........................................................52
Hình 2.9 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 tại SNR thấp cho
một PAS Laplacian cắt ngắn theo phương thức hai chiều với

10 = −400 , 02 = 400 ,P1 = −1,7dBvà P2 = −5dB . ............................................................54
Hình 2.10 Dung lượng kênh Ergodic của hệ thống RE-MIMO 2  2 tại SNR cao cho
một PAS Laplacian cắt ngắn theo phương thức hai chiều với

10 = −400 , 02 = 400 ,P1 = −1,7dBvà P2 = −5dB .............................................................54
Hình 2.11: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO-OFDM có thể cấu hình lại sử dụng
ăng-ten tái cấu hình tại máy phát. ..................................................................................58
Hình 2.12 :Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM với ăng-ten tái cấu hình tại phía máy phát
.......................................................................................................................................59
Hình 3.1 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình với Mt=2,P=2,Mr=1
trong một kênh hai tia với thời gian trễ lan truyền 5s ................................................68
Hình 3.2 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình với Mt=2,P=2,Mr=1
trong một kênh hai tia với thời gian trễ lan truyền 20s ..............................................68
Hình 3.3 BER và SNR cho một hệ thống đa anten tái cấu hình trong một kênh hai tia
với thời gian trễ lan truyền 20s cho một số trạng thái bức xạ khác ...........................69
Hình 3.4 BER và số trạng thái bức xạ P một hệ thống đa anten tái cấu hình với
Mt=2,Mr=1 và SNR=9dB trong kênh hai tia với thới gian trễ lan truyền là  = 5s v

20s ..............................................................................................................................69

vi


MỞ ĐẦU
Trong tiến trình phát triển của xã hội lồi người, sự ra đời của thông tin di động là
một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một ngành cơng
nghiệp viễn thơng phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên quyết cũng như cơ
hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển, tránh nguy cơ lạc
hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh.
Kỹ thuật MIMO kết hợp với kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật
được các nhà khoa học tìm tịi và tìm hiểukhai thác tối đa các ưu điểm của hai kỹ thuật
này nhằm tìm ra được phương pháp tốt nhất cho kỹ thuật viễn thơng.Các tìm hiểucủa
các nhà khoa học đã chứng minh được ưu thế tối ưu của hệ thống khi kết hợp cơng
nghệ MIMO và cơng nghệ OFDM.Trong tìm hiểulần này đưa ra một tìm
hiểumới:“Nghiên cứu mã khối khơng gian tần số cho hệ thống MIMO-OFDM với ăngten tái cấu hình”.
Trong phần đầu tiên luận văn đi vào tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật MIMO và OFDM
phân tích đánh giá các ưu điểm,nhược điểm hai kỹ thuật này qua đó độc giả có cái
nhìn tổng quan về MIMO và OFDM.
Trong phần thứ hai của luận văn cung cấp một cơng cụ phân tích để phân tích hiệu
suất của các hệ thống khơng dây MIMO được trang bị ăng-ten có khả năng tái cấu
hình tại máy thu. Đầu tiên chúng ta nhận được các biểu thức phân tích để tính toán các
hệ số ma trận hiệp phương sai của các tín hiệu nhận được đưa vào một mảng ăng-ten
có khả năng tái cấu hình bằng cách tính đến một số đặc tính ăng-ten như độ rộng chùm
tia, khoảng cách anten, góc chỉ anten và độ lợi của anten. Trong phần này, xem xét
một bộ thu MIMO có khả năng tái cấu hình, trong đó mẫu bức xạ của từng phần tử
ăng-ten trong mảng có thể có các đặc điểm khác nhau. Ngồi ra, cịn tìm hiểukhả năng
của một hệ thống MIMO có khả năng tái cấu hình bằng cách phân tích các biểu thức.
Phần cuối của luận văn, tìm hiểu một kỹ thuật mã hóa khối ba chiều mới cho các hệ

thống MIMO-OFDM có khả năng tái cấu hình tận dụng các tính năng ăng-ten có khả
1


năng tái cấu hình để tăng cường sự đa dạng và hiệu năng của hệ thống không dây. Mã
khối được tìm hiểu đạt được nhiều lợi ích đa dạng, bao gồm: không gian - tần số và
trạng thái bằng cách truyền một mã khối qua nhiều ăng-ten phát, OFDM và trạng thái
bức xạ. Để có được sự đa dạng cho ăng-ten phát để chuyển đổi độc lập mơ hình bức xạ
thành hướng có thể được chọn theo các tiêu chí tối ưu khác nhau, ví dụ giảm thiểu mối
tương quan giữa các trạng thái bức xạ khác nhau. Mã được tìm hiểu đạt được đầy đủ
và đa dạng từ cách xét ba loại biến, giúp cải thiện đáng kể hiệu năng bit-error-rate
(BER) của các hệ thống MIMO.

2


CHƯƠNG I
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MIMO ,OFDM
1.1 Kỹ thuật MIMO
1.1.1 Hệ thống MIMO

Máy thu

Máy phát

C = log2(1+ )

C = log 2 (1 + MN  )

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO.

(Nguồn ảnh: Internet )
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa ăng-ten cả nơi phát và nơi thu. Hệ
thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa ăng-ten phát, cung cấp phân tập thu nhờ
vào đa ăng-ten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi
phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngồi ra dung
lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ
thuật mã hố khơng 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 cơng thức:
C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz.

3

(1.1)


1.1.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO.
1.1.2.1 Độ lợi Beamforming.
Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong
muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các
hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao
phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện Beamforming, khoảng cách giữa các ăng-ten
trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng  (thơng thường là  / 2 ),
Beamforming thường được thực hiện trong mơi trường ít tán xạ .Khi mơi trường tán xạ
mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh khơng gian và độ lợi phân
tập.

RX

TX

Hình 1.2: Kỹ thuật Beamforming.
1.1.2.2 Độ lợi ghép kênh khơng gian.

RX

TX

Hình 1.3:Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền.
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa ăng-ten tại phía phát và phía
thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các ăngten (hình 1.3), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà khơng cần tăng công suất phát
hay tăng băng thông hệ thống. Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các
kênh truyền song song trong hệ thống. Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại
4


dung lượng kênh truyền thuật toán V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered
Space-Time) được áp dụng.
1.1.2.3 Độ lợi phân tập.

RX

TX

Hình 1.4: Khơng gian phân tập giúp cải thiện SNR.
Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị Fading liên tục theo
không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu khơng ổn định, việc phân
tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền
Fading khác nhau (Hình 1.4), bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản

sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fading qua đó tăng độ tin cậy
của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại Fading, thuật toán
STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp
dụng.Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được Fading, ta phải
có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống.
1.1.3Kỹ thuật mã hóa khơng gian và thời gian.
1.1.3.1 Mã khối không gian thời gian STBC.
Để có thể cải thiện chất lượng lỗi của truyền dẫn nhiều ăng-ten người ta có khả
năng kết hợp mã hóa chống lỗi với thiết kế phân tập phát. Mã chống lỗi kết hợp với
các phương pháp phân tập có thể vừa đạt được độ tăng ích mã lại vừa có lợi từ việc
phân tập, tuy nhiên ta sẽ gặp phải vấn đề tổn thất về băng thông do việc dư thừa của
mã.Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian thời gian trên
băng gốc với NTăng-tenna phát và NRăng-ten thu như hình 1.5. Các dữ liệu phát đi
được mã hóa bởi bộ mã hóa khơng gian thời gian.

5


x

x 1r

1
t

x t2 x r2
Nguồn thơng tin

Bộ mã hóa
KG-TG

S/P

Bộ thu

nT
t

xtnR

x

Hình 1.5: Mơ hình hệ thống băng gốc.
Tại mỗi khoảng thời gian t, một khối gồm m symbol thông tin nhị phân được biểu diễn
bởi:

Ct = (c1t ,c2t ...cmt )

(1.2)

Được đưa vào bộ mã hóa khơng gian - thời gian. Bộ mã hóa khơng gian thời gian sẽ
ánh xạ khối dữ liệu vào nhị phân m với NT symbol điều chế từ một tập tín hiệu của M
= 2mđiểm. Dữ liệu được mã hóa sẽ được đưa tới bộ biến đổi nối tiếp / song song (S/P)
sinh ra một chuỗi NT symbol song song, được sắp xếp vào vectơ NT x1 cột.

x t = (x1t , x 2t ...x mt )T

(1.3)

Ở đây T biểu thị sự chuyển vị của ma trận, các đầu ra song song N T đồng thời được

phát bởi NTăng-ten khác nhau, ở đây symbol x it , 1 ≤ i ≤ NT được phát đi bởi ăng-ten
i và tất cả các symbol được phát trong cùng một khoảng thời gian T giây. Vectơ của
các symbol được điều chế mã được gọi là symbol không gian-thời gian.STBC (Space
Time Block Codes) là kỹ thuật mã hóa tín hiệu theo không gian và thời gian nhằm khai
thác độ lợi phân tập không gian và phân tập thời gian của kênh truyền vô tuyến.Mã
STBC được đưa ra dưới dạng một ma trận. Mỗi cột tượng trưng cho một khe thời gian,
còn mỗi hàng tượng trưng cho quá trình phát của 1 ăng-ten trên toàn miền thời gian.

6


Ăng-ten truyền

 x11


x
 T1

Khe thời gian

x1NT 


xTNT 


Hình 1.6: Ma trận mã STBC.
Trong đó, sij là symbol điều chế được phát từ ăng-ten thứ j vào khe thời gian thứ i. Ở
đây có T khe thời gian và NTăng-ten phát và NRăng-ten thu.

1.1.3.2 Các định nghĩa trong STBC-MIMO
-Tỷ lệ mã: của 1 mã khối không gian thời gian được định nghĩa như tỷ số giữa số
symbol mà bộ mã hóa đưa vào đầu vào của nó và số khe thời gian của 1 khối. Nếu 1
khối mã hóa k symbol thì tỷ lệ mã là:

r=

k
t

(1.4)

-Hiệu suất phổ của hệ thống:

=

rb rs mr kmbit
=
=
/ Hz
B
rs
Tsec

(1.5)

-Độ phân tập:
Gọi 1 từ mã là:

x = x11x12...x1NT x12x22...x2NT ...x1T xT2 ...xTNT

(1.6)

1 từ mã khác là :

x' = x1'1x1' 2 ...x1' NT x'12 x'22 ...x '2NT ...x T'1x T' 2...x 'TNT

(1.7)

Khi đó, ta có ma trận
𝑥′11 − 𝑥11
2
2
𝐷(𝑥, 𝑥′) = 𝑥′1 − 𝑥1
⋮
𝑁𝑇
𝑁
[𝑥′1 − 𝑥1 𝑇

𝑥′12 − 𝑥21
𝑥′22 − 𝑥22
⋮
𝑁𝑇
𝑁
𝑥′2 − 𝑥2 𝑇
7

…
⋯
⋱

⋯

𝑥′1𝑇 − 𝑥𝑇1
𝑥′2𝑇 − 𝑥𝑇2
⋮
𝑁𝑇
𝑁
𝑥′ 𝑇 − 𝑥𝑇 𝑇 ]

(1.8)


Nếu ma trận D có hạng đầy đủ (full rank) cho mọi cặp từ x ≠ x’ bất kỳ thì ta đạt được
sự phân tập lớn nhất có thể NTNR.
a.Mã lưới không gian thời gian STTC.
STTC cho phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được
mở rộng cho trường hợp MIMO. Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông
vũ trụ và vệ tinh, do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ
vào phương pháp giải mã phức tạp.Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu
vào để tạo ra một chuỗi các vevtor mã độc lập, thì STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu
vào để tạo ra từng chuỗi vector mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã
hóa.Bộ mã hóa tạo các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu qua thanh ghi
dịch qua K tầng mỗi tầng có k bit. Một bộ n phép cộng nhị phân với đầu vào là K tầng
sẽ tạo ra vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào. Tại một thời điểm, k bit dữ liệu đầu
vào sẽ được dịch vào tầng đầu tiên của thanh ghi dịch, k bit của tầng đầu sẽ được dịch
vào k bit của tầng kế. Mỗi lần dịch k bit dữ liệu vào sẽ tạo ra một vector mã n bit.Tốc
độ mã là Rc = k/n.
K là số tầng của thanh ghi dịch được gọi là constraint length của bộ mã. Hình
dưới cho ta thấy rõ mỗi vector mã trong mã lưới phụ thuộc vào kK bit, bao gồm k bit
dữ liệu vào tần đầu tiên và (K-1)k bit của K-1 tầng cuối của bộ mã hoá, K-1 tầng cuối

này gọi là trạng thái của bộ mã hoá, trong khi đó chỉ có k bit dữ liệu đầu vào trong mã
khối ảnh hưởng tới vector mã.
n bit

1

2

n

1

2

k

k bit
1

2
Tầng 1

k

Tầng 2

Hình 1.7: Sơ đồ mã lưới.

8

1

2
Tầng K

k


Mã lưới được biểu diễn thông qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đồ trạng thái (state
diagram) mô tả sự biến đổi từ trạng thái hiện tại sang trạng thái kế tiếp tuỳ thuộc k bit
dữ liệu đầu vào ví dụ: Bộ mã lưới k = 1, K = 3 và n = 2.
2 bit
1

1 bit

1

2

3

2

Hình 1.8: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2

Trạng thái
hiện tại

Trạng thái

kế tiếp

00 = 0

00 = 0

00, 11

01 = 1

01 = 1

11, 00

Vector mào

1
11
00

10 = 2

10 = 2

0

01
00

10

10

10, 01

11
11 = 3

3

11 = 3

01, 10

Ngõ vào

1 1 0 1 1 1

TX1

1 1 1 0 1 0

TX2

1 0 0 0 0 1

01

2
Số hóa trạng thái

Bit vào 1
Bit vào 0

Hình 1.9: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2

Tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ được bộ giải mã tương quan tối đa không gian-thời
gian STMLD (Space-Time Maximum Likelihood Decoder) giải mã. Bộ STMLD sẽ
được thực hiện thành giải thuật vector Viterbi, đường mã nào có metric tích luỹ nhỏ
nhất sẽ được chọn là chuỗi dữ liệu được giải mã. Độ phức tạp của bộ giải mã tăng theo
hàm mũ với số trạng thái trên giản đồ chòm sao và số trạng thái mã lưới, một bộ mã
9


STTC có bậc phân tập là D truyền dữ liệu với tốc độ R bps thì độ phức tạp của bộ giải
mã tỉ lệ với hệ số 2R(D-1).
STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi tăng
số trạng thái của lưới mã. Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều độ phức
tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý
tuyến tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO hơn
STTC.
b.

Mơ hình hệ thống MIMO.
Đối với hệ thống đa ăng-ten gồm có NTăng-ten phát và NRăng-ten thu.

h12
 y1   h11

y 
 2  =  h 21 h 22

  
  
 y NR  h NR 1 h NR 2

h1NT   x1   n1 

h 2NT   x 2   n 2 
  + 
   
h NR NT   x NT  n NR 

(1.9)

Với y C Nr biểu diễn tín hiệu nhận được từ NR chiều (NRăng-ten). x  C Nt biểu diễn tín
hiệu truyền đi bởi NTăng-ten. n  C Nr ký hiệu nhiễu trắng Guass với phân bố chuẩn
N (0, 2 ). H  C N R Nt là ma trận kênh truyền chứa các hệ số hij, kích thước NR×NT, hij

biễu diễn độ lợi của kênh truyền từ ăng-ten phát j đến ăng-ten thu i.
Phương sai của tín hiệu phát đi là:

Q = E(x x )
H

(1.10)

Với E là phép tính kỳ vọng và x H là phép chuyển vị và lấy liên hợp phức của x.Tổng
công suất phát đi trong 1 chu kì symbol là P. Và điều kiện ràng buộc là
P≥trace(Q)Trace là phép toán lấy hạng của ma trận.Giả sử công suất phát của mỗi ăngten là như nhau và bằng P/nT.
Nhiễu tại bộ thu được biểu diễn qua vectơ n [nR, 1]. Các thành phần nhiễu có phân
phối Guass độc lập thống kê và trung bình bằng 0. Phương sai của tín hiệu nhiễu là :

10


R = E(nn ) = 2INR
H

(1.11)

Mỗi ăng-ten thu chịu công suất nhiễu là  2
Với Pr là công suất trung bình của mỗi ăng-ten, và chúng ta giả sử rằng tổng công suất
thu được ở 1 ăng-ten bẳng tổng công suất phát Pr=P.
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại mỗi ăng-ten thu là :

SNR =
-

Pr P
=
2 2

(1.12)

Dung lượng của kênh truyền MIMO

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem là bất biến
trong suốt thời gian truyền và tổng công suất phát trên NT là P được xem là không đổi.
Theo lý thuyết tách ma trận SVD cho ma trận bất kì ta có.

H = UDV

H

(1.13)
Với D là ma trận đường chéo với các hệ số thực khơng âm có kích thước (n R x nT), U
và V là ma trận vuông (nR x nR) và (nT x nT). Các ma trận này có những tính chất trực
giao: UUH = INr và VVH = INt
Các hệ số thực của D là d1  d2  …dN với N = min(Nt,Nr) có thể tính được bằng căn
bậc hai của các trị riêng  n ma trận HH

H

dn = n

(1.14)

Tín hiệu ở phía thu nhận được là:

r = UDV H x + n
(1.15)
Nhân ma trận U H vào cả hai vế của phương trình trên và ta được:

11


r = UDV H x + U H n
(1.16)
Đặt r’ = U H r, x’ = V H x, n’ = U H n. Vectơ n’ có phần thực và phần ảo là biến ngẫu
nhiên Gaussian trung bình 0.
Vì thế kênh truyền ban đầu có thể viết lại dưới dạng như sau:

r ' = Dx ' + n
Đặt

(1.17)

 i là căn của các giá trị riêng khác 0 của HH , với i = 1, 2…u. Các thành phần
H

tín hiệu nhận được có dạng:

r ' = i xi' + ni'

i=1, 2…u

(1.18)

r ' = ni' i=u+1...N
Sơ đồ hệ thống tương đương:

Hình 1.10:Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành kênh truyền song song

Mô hình phân tập khi NT >NR

12


Hình 1.11: Mơ hình phân tập khi NTKhi NT
Hình 1.12: Mơ hình phân tập khi NT

Giả sử rằng cơng suất phát của mỗi ăng-ten trong mơ hình tương đương MIMO là
P/NT.
13


Chúng ta có thể tính dung lượng kênh truyền tổng cộng qua công thức Shannon:
u

C = Blog2 (1 +

Pri

i =1



)
(1.19)

C là tổng dung lượng kênh truyền.
B là băng thông mỗi kênh truyền đơn và Pri là cơng suất tín hiệu nhận được trên mỗi
kênh truyền đơn.

Pri =

i P
NT

(1.20)

Vì thế dung lượng tổng cộng có thể viết lại như sau:

u

C = B log 2 (1 +
i =1

i P
)
N T 2

Hay là :
u

C = Blog2 (1 +
i =1

i P
)
NT2

(1.21)

1.1.4Ưu ,nhược điểm hệ thống MIMO.
1.1.4.1 Ưu điểm.
-

Có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng.

-

Khắc phục được nhược điểm của truyền đa đường để tăng dung lượng và chất

lượng truyền dẫn.
-

Trong các hệ thống MIMO, fading ngẫu nhiên và trải trễ có thể được sử dụng

để tăng thông lượng.
-

Các hệ thống MIMO cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng băng thông

và công suất.

14


1.1.4.2 Nhược điểm.
-

Hệ thống MIMO chứa nhiều ăng-ten dẫn đến: tăng độ phức tạp, thể tích, giá

thành phần cứng so với SISO.
-

Vì điều kiện kênh phụ thuộc vào mơi trường vô tuyến nên không phải bao giờ

hệ thống MIMO cũng có lợi.
-

Khi tồn tại đường truyền thẳng (LOS), cường độ trường LOS cao hơn tại máy

thu sẽ dẫn đến hiệu năng cũng như dung lượng của hệ thống SISO tốt hơn, trong khi
đó dung lượng của hệ thống MIMO lại giảm. Lý do vì các đóng góp mạnh của LOS
dẫn đến tương quan giữa các ăng-ten mạnh hơn và điều này làm giảm ưu điểm sử dụng
hệ thống MIMO.
1.1.5 Kết Luận
✓ Công nghệ MIMO cho phép các hệ thông tin có thể đạt được dung năng cao
hơn và kết nối tin cậy hơn các hệ hiện có.
✓ Hệ MIMO bằng việc sử dụng nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thu, đã biến
nhược điểm của việc truyền đa đường thành ưu thế của nó.
✓ Hệ MIMO cho ta dung năng tăng tuyến tính với số ăng-ten mà hệ sử dụng, mà
không cần tăng độ rộng băng thông hay công suất phát.
✓ Hệ MIMO cịn có ưu điểm mạnh về mặt phân tập so với các hệ khơng dây hiện
có, tốc độ của hệ MIMO có thể được tăng khi ta sử dụng mã không gian_ thời
gian với điều kiện khoảng cách giữa các ăng-ten là đủ và trong môi trường
fading phong phú.

15


1.2 Kỹ thuật OFDM
1.2.1 Hệ thống OFDM

Nhiễu

Hình 1.13 Sơ đồ một hệ thống OFDM
(Nguồn tham khảo: Hình 1 trang 2[96])
Sơ đồ hệ thống OFDM được cho như hình 1.13. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối

tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ
điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1,
trong đó Dk = Ak + jBk. Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT:

k
j2

n
N
−
1
N −1
1
N = 1  D k .e j2fk t n (1.22)
d n =
 D k .e
Nk =0
Nk =0
(do

f
k
n = k n = f k nTs = f k t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng mang)
N
fs

Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
16