Ứng dụng mã turbo vào hệ thống mimo ofdm nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống thông tin không dây

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TẠ HỒNG HÀ

ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ
THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009


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 :

Tiến Sĩ Đỗ Hồng Tuấn

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 HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Tạ Hồng Hà

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

20-10-1984

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành:
MSHV:

Kỹ Thuật Điện Tử
01407672

1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÃ TURBO VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM NHẰM NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................................................
..............................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Sĩ Đỗ Hồng Tuấn
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


Lời Cảm Ơn
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa
Điện-Điện tử, đặc biệt là các thầy cô trong bộ
môn Viễn Thông đã cung cấp những kiến thức
nền tảng giúp em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng
Tuấn đã tận tình chỉ bảo, động viên tạo điều
kiện tốt nhất cho em thực hiện luận văn trong
suốt thời gian vừa qua.

Sau cùng là lời cảm ơn đến gia đình người
thân và đồng nghiệp và bạn bè, nhất là các bạn
đại học Bách Khoa cùng lớp đã luôn động viên
tinh thần và giúp đỡ tôi về trang thiết bị trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tp.HCM, 07/2009.
Tạ Hồng Hà


Tóm Tắt Luận Văn

Tóm Tắt Luận Văn
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ thống thơng
tin khơng dây tương lai địi hỏi dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu quả
hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn, khả năng chống lại hiện tượng fading đa đường tốt hơn.
Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ khơng cịn khả năng đáp
ứng được các u cầu của hệ thống thông tin tương lai. Một trong những giải pháp được đưa
ra là sự kết hợp giữa hệ thống MIMO , kỹ thuật OFDM và mã hóa kênh truyền Turbo.
Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin không dây trong chương 1.
Chương 2 sẽ đi vào phân tích kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao của OFDM từ đó
chứng minh OFDM có khả năng truyền thông tốc độ cao, sử dụng băng thông hiệu quả, chống
được nhiễu liên sóng mang ICI và chống được fading chọn lọc tần số. Chương 2 cũng sẽ phân
tích tác dụng của khoảng bảo vệ CP trong việc chống lại nhiễu ISI và khả năng cân bằng tín
hiệu hiệu quả bằng bộ Equalizer trong miền tần số. Chương 3 sẽ tìm hiểu hệ thống MIMO,
phân tích kỹ thuật mã hóa khơng gian-thời gian STC và đưa ra mơ hình hệ thống MIMO, mơ
tả rõ hơn hai hệ thống MIMO tiêu biểu là Alamouti và V-BLAST nhằm cho thấy khả năng
phân tập và ghép kênh của hệ thống MIMO trong kênh truyền fading đa đường tán xạ cao.
Các phân tích về hệ thống MIMO bị giới hạn ở hệ thống băng hẹp, vì vậy kết hợp với kỹ thuật
OFDM sẽ giúp cho hệ thống MIMO có thể ứng dụng vào hệ thống băng rộng tốc độ cao. Cấu
trúc mã hóa, nguyên lý giải mã của mã Turbo cùng giải thuật giải mã lập MAP, Log-MAP,

Max-Log-Map, SOVA được trình bày trong chương 4. Chương 5 sẽ dùng các phân tích về kỹ
thuật OFDM trong chương 2 và hệ thống MIMO trong chương 3 làm tiền đề đi vào phân tích
và thiết lập mơ hình của hệ thống MIMO-OFDM tiêu biểu là MIMO-OFDM Alamouti và
MIMO-OFDM V-BLAST, sau đó ứng dụng bộ mã hóa Turbo vào hệ thống MIMO-OFDM
VBLAST nhằm tăng khả năng sửa sai, giảm BER cho hệ thống thông tin không dây. Chương
6 sẽ đưa ra kết luận và một số hướng phát triển đề tài. Cuối chương 2, 3, 4 và 5 là kết quả mô
phỏng kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, mã Turbo, hệ thống MIMO-OFDM và hệ thống
Turbo MIMO-OFDM nhằm kiểm chứng các phân tích lý thuyết.

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang v


Mục Lục

Mục Lục
Tóm Tắt Luận Văn ..................................................................................... v
Mục Lục ..................................................................................................... vi
Danh Sách Từ Viết Tắt............................................................................. vii
Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu ...........................................................ix
Chương 1 Giới Thiệu Chung .................................................................... 1
1.1 Kênh Truyền Vô Truyến ......................................................................... 2
1.2 Các Phương Thức Ghép Kênh............................................................... 11
1.3 Mơ Hình Hệ Thống Thơng Tin Khơng Dây.......................................... 12
1.4 Mã Hóa Kênh Truyền............................................................................ 14

Chương 2 Kỹ Thuật OFDM ..................................................................... 16
1.1 Giới Thiệu.............................................................................................. 16
1.1.1 Sự phát triển của OFDM .........................................................................16

1.1.2 Ưu điểm và khuyết điểm của OFDM ......................................................18

1.2 Nguyên Lý Của Kỹ Thuật OFDM......................................................... 19
1.2.1 Sóng mang trực giao................................................................................19
1.2.2 Mơ hình OFDM.......................................................................................21

2.3 Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM................................................................. 30
Mơ phỏng hệ thống OFDM ..............................................................................36

Chương 3 Hệ Thống MIMO .................................................................... 45
3.1 Giới Thiệu.............................................................................................. 45
3.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO .....................................................................45
3.1.2 Lịch sử hệ thống MIMO..........................................................................45
3.1.3 Các độ lợi trong hệ thống MIMO............................................................46

3.2 Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian STC ................................................... 47
3.2.1 Mơ hình hệ thống MIMO ........................................................................48
3.2.2 Dung lượng hệ thống MIMO ..................................................................49
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang vi


Mục Lục

3.2.3 Mã hóa khơng gian-thời gian khối STBC ...............................................53
3.2.4 Mã hóa khơng gian-thời gian lưới STTC ...............................................60
3.2.5 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST ..............................................63

3.3 Mô Phỏng Hệ Thống MIMO................................................................. 75

3.3.1 Sơ đồ Alamouti .......................................................................................75
3.3.2 V-BLAST ................................................................................................77

Chương 4 Mã Turbo................................................................................. 79
4.1 Mã Turbo – PCCC................................................................................. 79
4.1.1 Tổng quan về mã Turbo ..........................................................................79
4.1.2 Đường bao xác suất lỗi của mã Turbo ....................................................84
4.1.3 Bộ xáo trộn ..............................................................................................89
4.1.4 Kết thúc Trellis........................................................................................95
4.1.5 Kỹ thuật xóa bit .......................................................................................96
4.1.6 Các ứng dụng của mã Turbo. ..................................................................97

4.2 Iterative Decoding of Turbo Codes ..................................................... 100
4.2.1 Tổng quan về các giải thuật giải mã......................................................100
4.2.2 Likelihood .............................................................................................101
4.2.3 Giải thuật MAP .....................................................................................105
4.2.4 Giải thuật Log-MAP..............................................................................107
4.2.5 Giải thuật Max-Log-MAP.....................................................................111
4.2.6 Bộ giải mã SISO....................................................................................113
4.2.7 Giải thuật SOVA ...................................................................................118
4.2.8 Tiêu chí ngừng giải mã..........................................................................131

4.3 Mô Phỏng Mã Turbo ........................................................................... 132

Chương 5 Hệ Thống Turbo MIMO-OFDM .......................................... 135
5.1 Giới Thiệu............................................................................................ 135
5.2 Hệ Thống Turbo MIMO–OFDM ........................................................ 138
5.2.1 Mơ hình hệ thống MIMO–OFDM ........................................................138
5.2.2 Mơ hình hệ thống Turbo MIMO–OFDM..............................................140
5.2.3 Mơ hình hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ..............................141

5.2.4 Mơ hình hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST ............................145
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang vii


Mục Lục

5.3 Mô Phỏng Hệ Thống Turbo MIMO-OFDM ....................................... 149
5.3.1 Hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST .....................................................149
5.3.2 Hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST ..........................................150
5.3.4 Hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh........152

Chương 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề Tài............................... 157
6.1 Kết Luận .............................................................................................. 157
6.2 Hướng Phát Triển Đề Tài .................................................................... 158

Tài Liệu Tham Khảo .............................................................................. 159

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang viii


Danh Sách Từ Viết Tắt

Danh Sách Từ Viết Tắt
3GPP
A/D
ACF

ADSL
AEX
APP
AWGN
BER
BLAST
BPF
BPSK
BS
BSC
CCSDS
CDM
CE
CRC
CSI
CWEF
D/A
DAB
D-BLAST
DFT
DPSK
DVB
DVB - H
DVB - RCS
DVB - RCT
DVB - T
ETSI
FDM
FEC
FFT

FIR
GPP
GOD
GSM
HDSL
ICI
IDFT
IEEE
IFFT
I.I.D
ISI
LAN
LLR
LOS
LPF
LS
MAP
Mbps

HVTH: Tạ Hồng Hà

3rd-Generation Partnership Project
Analog to Digital
Auto-Correlation Function
Asymmetric Digital Subscriber Line
Average Excess delay
A Posteriori Probability
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Bell-Laboratories Layered Space-Time Code

Band Pass Filter
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Binary Symmetric Channel
Consultative Committee for Space Data Systems
Code Division Multiplexing
Cross Entropy
Cyclic Redundancy Check
Channel State Information
Conditional Weight Enumerate Function
Digital to Analog
Digital Audio Broadcasting
Diagonal – Bell-Laboratories Layered Space-Time
Discrete Fourier Transform
Differential Phase Shift Keying
Digital Video Broadcasting
DVB - Handheld
DVB - Return Channel via Satellite
DVB - Return Channel via Terrestrial
DVB - Terrestrial
European Telecommunications Standards Institute
Frequency Division Multiplexing
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform.
Finite Impulse Response
Generation Partnership Project
Generalized Orthogonal Design
Global System for Mobile Communication
High-bit-rate Digital Subscriber Line
InterCarrier Interference

Inverse Discrete Fourier Transform
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Inverse Fast Fourier Transform
Independent and Identically Distributed
InterSymbol Interference
Local Area Network
Log-Likelihood Ratio
Light Of Sight
Low Pass Filter
Least Square
Maximum A Posteriori Probability
Mega Bit Per Second

Trang vii


Danh Sách Từ Viết Tắt

MIMO
MISO
ML
MMSE
MMSE-IC
MRRC
MS
MSps
NLOS
OFDM
P/S
PAM

PAPR
PCBC
PCCC
PDF
PEF
PRK
QAM
QPSK
RF
RMS
RSC
S/P
S-DMB
SC
SCR
SDR
SIMO
SINR
SISO
SISO
SLL
SLVA
SNR
SOVA
STC
STBC
STMLD
STTC
T-DMB
TDM

TCC
TGn
V-BLAST
V-OFDM
Wi-Fi
WiMAX
WLAN
WSSUS
ZF
ZF-IC
ZF-OIC

HVTH: Tạ Hồng Hà

Multiple Input Multiple Output
Multiple Input Single Output
Maximum Likelihood
Minimum Mean Square Error
MMSE – Interference Cancellation
Maximal-Ratio Receive Combining
Mobile Station
Mega Symbol Per Second
NonLight Of Sight
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Parallel to Serial
Pulse Amplitude Modulation
Peak to Average Power Ratio
Parallel Concatenated Block Code
Parallel Concatenated Convolutional Code
Probability Density Function

Parity-check Enumarating Function
Phase Reversal Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Frequency
Root Mean Square
Recursive Systematic Convolutional
Serial to Parallel
Satellite - Digital Multimedia Broadcasting
Singlecarrier Communication
Sign Change Ratio
Sign Difference Ratio
Single Input Multiple Output
Signal to Interference plus Noise Ratio
Single Input Single Output
Soft-In Soft-Out
Side Lobe Level
Serial List Viterbi Algorithm
Signal to Noise Ratio
Soft-Output Viterbi Algorithm
Space-Time Code
Space-Time Block Code
Space-Time Maximum Likelihood Decoder
Space-Time Trellis Code
Terrestrial - Digital Multimedia Broadcasting
Time Division Multiplexing
Telemetry Channel Coding
Task Group N
Vertical – Bell-Laboratories Layered Space-Time
Vector – Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Wireless – Fidelity
Worldwide Interoperability for Microwave Access
Wireless Local Area Network
Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter
Zero-Forcing
Zero-Forcing – Interference Cancellation
Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation

Trang viii


Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu

Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu
Hình 1.0.1 Sơ đồ hệ thống thơng tin khơng với các khối cơ bản .......................................................... ..1

Hình 1.1-1 Các hiện tượng xảy ra trong q trình truyền sóng.................................................. 2
Hình 1.1-2 Tín hiệu gốc và 2 thành phần multipath................................................................... 3
Hình 1.1-3 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian. .......................................... 3
Hình 1.1-4 Đáp ứng tần số của kênh truyền ............................................................................... 4
Hình 1.1-5 Tín hiệu tới phía thu theo L đường .......................................................................... 5
Hình 1.1-6 Kênh truyền thay đổi theo thời gian......................................................................... 8
Hình 1.1-7 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean.............................................................. 11
Hình 1.3-1 Phân loại hệ thống thơng tin khơng dây................................................................. 13
Hình 1.1-1 FDM truyền thống.................................................................................................. 16
Hình 1.1-2 Hệ thống thơng tin đa sóng mang MC ................................................................... 17
Hình 1.1-3 Băng thơng được sử dụng hiệu quả trong OFDM.................................................. 18
Hình 1.1-4 Các sóng mang con chồng lấn nhau trong OFDM ................................................. 18
Hình 1.2-1 Ba tín hiệu sin trực giao ......................................................................................... 20
Hình 1.2-2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM................................................................................... 21

Hình 1.2-3 Bộ S/P và P/S ......................................................................................................... 22
Hình 1.2-4 Bộ Mapper và Demapper ....................................................................................... 22
Hình 1.2-5 Bộ IFFT và FFT ..................................................................................................... 23
Hình 1.2-6 Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal....................................... 24
Hình 1.2-7 Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading ................................... 25
Hình 1.2-8 Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ ........................................................................ 26
Hình 1.2-9 Bộ D/A và lọc thơng thấp và bộ A/D ..................................................................... 27
Hình 1.2-10 Bộ RF phía phát và thu........................................................................................ 28
Hình 1.2-11 Bộ Equalizer miền tần số .................................................................................... 30
Hình 2.3-1 Đáp ứng xung của kênh truyền ............................................................................. 30
Hình 2.3-2 Đáp ứng tần số của kênh truyền ............................................................................. 31
Hình 2.3-3 Sơ đồ khối hệ thống SC.......................................................................................... 31
Hình 2.3-4 Đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải ................................................................. 31
Hình 2.3-5 Tín hiệu SC trước mạch lọc thơng dải ................................................................... 32
Hình 2.3-6 Tín hiệu SC sau mạch lọc thơng dải....................................................................... 32
Hình 2.3-7 Tín hiệu SC bị fading chọn lọc tần số .................................................................... 32
Hình 2.3-8 Tín hiệu SC bị fading và nhiễu Gauss.................................................................... 33
Hình 2.3-9 Tín hiệu SC sau bộ lọc thơng dải phía thu ............................................................. 33
Hình 2.3-10 Tín hiệu SC .......................................................................................................... 34
Hình 2.3-11 Phổ tín hiệu SC..................................................................................................... 34
Hình 2.3-12 Đồ thị Ber của hệ thống hệ thống đơn sóng mang .............................................. 35
Hình 2.3-13 Hệ Thống OFDM dùng để mơ phỏng. ................................................................. 36
Hình 2.3-14 Đáp ứng tần số của mạch lọc thơng thấp ............................................................. 37
Hình 2.3-15 Tín hiệu OFDM trên kênh I trước mạch lọc thơng thấp ..................................... 37
Hình 2.3-16 Tín hiệu OFDM trên kênh I phát ra kênh truyền................................................. 37
Hình 2.3-17 Tín hiệu OFDM trên kênh I bị fading ................................................................. 38
Hình 2.3-18 Tín hiệu OFDM trên kênh I bị fading và nhiễu Gauss........................................ 38
Hình 2.3-19 Tín hiệu OFDM trên kênh I sau bộ lọc thơng thấp phía thu ............................... 38
Hình 2.3-20 Tín hiệu OFDM kênh I miền thời gian. ............................................................... 39
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang ix


Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu

Hình 2.3-21 Phổ tín hiệu OFDM kênh I................................................................................... 39
Hình 2.3-22 Tín hiệu OFDM kênh Q miền thời gian. .............................................................. 40
Hình 2.3-23 Phổ tín hiệu OFDM kênh Q ................................................................................. 40
Hình 2.3-24 Đồ thị Ber của hệ thống OFDM........................................................................... 42
Hình 2.3-25 Đồ thị Ber của hệ thống SC và OFDM ............................................................... 42
Hình 2.3-26 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper BPSK và QPSK................................ 44
Hình 2.3-27 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper 16-PSK và 16-QAM......................... 44
Hình 2.3-28 BER hệ thống OFDM ứng với bộ Mapper 64-QAM ........................................... 44
Hình 3.1-1 Beamforming giúp tăng hiệu suất cơng suất và độ bao phủ .................................. 46
Hình 3.1-2 Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền ..................................................... 46
Hình 3.1-3 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR ............................................................... 47
Hình 3.2-1 N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song .......................................................... 49
Hình 3.2-2 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương .................................. 50
Hình 3.2-3 Sơ đồ hệ MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu ................................................... 51
Hình 3.2-4 Định lý Waterfilling ............................................................................................... 51
Hình 3.2-5 Phân phối cơng suất khi mức SNR cao .................................................................. 52
Hình 3.2-6 Phân phối cơng suất khi mức SNR thấp................................................................. 52
Hình 3.2-7 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu .......................................................... 54
Hình 3.2-8 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti....................................................... 54
Hình 3.2-9 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu......................................................... 57
Hình 3.2-10 Sơ đồ mã lưới ...................................................................................................... 61
Hình 3.2-11 Bộ mã lưới k = 1 , K = 3 và n = 2 ....................................................................... 61
Hình 3.2-12 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1 , K = 3 và n = 2 ....................................... 61
Hình 3.2-13 Lưới mã STTC 4-PSK 4 trạng thái với 2 anten phát............................................ 62

Hình 3.2-14 Lưới mã STTC 8-PSK 8 trạng thái với 2 anten phát............................................ 62
Hình 3.2-15 STTC 16-QAM 16 trạng thái với 2 anten phát ................................................... 63
Hình 3.2-16 Hệ thống V-BLAST ............................................................................................ 65
Hình 3.2-17 Máy thu V-BLAST Zero-forcing ......................................................................... 69
Hình 3.2-18 Máy thu V-BLAST MMSE................................................................................. 74
Hình 3.3-1 Đồ thị BER sơ đồ Alamouti và MMRC với bộ mapper BPSK và QPSK.............. 75
Hình 3.3-2 Đồ thị BER sơ đồ Alamouti và MMRC với bộ mapper 8-PSK và 16-PSK........... 76
Hình 3.3-3 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper BPSK .............................................. 77
Hình 3.3-4 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper QPSK .............................................. 77
Hình 3.3-5 Đồ thị BER hệ thống MIMO với bộ mapper 16-PSK............................................ 78
Hình 4.1-1 Hệ thống thơng tin với các khối cơ bản ................................................................. 79
Hình 4.1-2 Hàm E (r ) tăng khi r tăng hoặc C tăng .................................................................. 81
Hình 4.1-3 Sơ đồ mã hóa Turbo tốc độ R = 1/3....................................................................... 83
Hình 4.1-4 Sơ đồ mã hóa Turbo tổng qt ............................................................................... 83
Hình 4.1-5 Bộ mã hóa mã chập r = 1 / 2 , m = 2 ...................................................................... 84
Hình 4.1-6 Bộ mã hóa RSC r = 1 / 2 , m = 2 ............................................................................ 84
Hình 4.1-7 Sơ đồ mã hóa Turbo R=1/3.................................................................................... 90
Hình 4.1-8 Bộ xáo trộn giả ngẫu nhiên với chiều dài N=8 ...................................................... 91
Hình 4.1-9 Bộ xáo trộn khối 4 × 4 ........................................................................................... 91
Hình 4.1-10 Cách chọn vị trí hốn vị cho bộ xáo trộn Semi-random...................................... 93
Hình 4.1-11 Hình kỹ tht xố ln phiên từng bit parity ...................................................... 93
Hình 4.1-12 Bộ xáo trộn khối 3 × 3 ......................................................................................... 94
Hình 4.1-13 Mỗi bit thơng tin có một bit Parity tương ứng .................................................... 94
Hình 4.1-14 Kết thúc Trellis.................................................................................................... 95
Hình 4.1-15 Sơ đồ bộ mã hóa Turbo trong CCSDS TCC ....................................................... 98
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang x

Danh Sách Hình Vẽ và Bảng Biểu

Hình 4.1-16 Sơ đồ bộ mã hóa Turbo 3GPP tốc độ R = 1/3..................................................... 99
Hình 4.1-17 Sơ đồ mã hóa Turbo trong chuẩn DVB và Wimax ............................................ 100
Hình 4.2-1 Hàm Likelihood ................................................................................................... 102
Hình 4.2-2 mã hóa RSC tổng quát tốc độ R = 1/2 ................................................................ 105
Hình 4.2-3 Trellis của bộ mã hóa mã chập hệ thống có hồi tiếp ........................................... 106
Hình 4.2-4 Sơ đồ giải mã Turbo sử dụng giải thuật Log-MAP............................................. 111
Hình 4.2-5 Bộ giải mã SISO.................................................................................................. 113
Hình 4.2-6 Sơ đồ giải mã Turbo sử dũng bộ giải mã SISO................................................... 117
Hình 4.2-7 Bộ mã hóa RSC và Trellis tương ứng ................................................................. 119
Hình 4.2-8 Trellis mã hóa chuỗi bit 1011.............................................................................. 119
Hình 4.2-9 Trellis giải mã chuỗi bit thu được dùng giải thuật Viterbi.................................. 120
Hình 4.2-10 Đường sống sót và đường bị loại bỏ trong Treliss ............................................. 121
Hình 4.2-11 Sơ đồ giải mã Turbo sử dụng giải thuật SOVA ................................................ 131
Hình 4.3-1 Đồ thị BER mã Turbo ứng với số lần giải mã lập từ 1 đến 10............................. 133
Hình 4.3-2 Đồ thị BER mã Turbo ứng với kích thước Frame 256, 1024 và 4096................. 133
Hình 4.3-3 Đồ thị BER mã Turbo dùng RSC 4 trạng thái và RSC 8 trạng thái .................... 134
Hình 5.2-1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM .................................................................... 138
Hình 5.2-2 Sơ đồ khối điều chế OFDM ................................................................................. 138
Hình 5.2-3 Sơ đồ khối giải điều chế OFDM ......................................................................... 138
Hình 5.2-4 Ma trận kênh truyền ............................................................................................. 139
Hình 5.2-5 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM ......................................................... 140
Hình 5.2-6 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ......................................... 141
Hình 5.2-7 Sơ đồ khối hệ thống Turbo MIMO-OFDM Alamouti ......................................... 141
Hình 5.2-8 Máy phát MIMO-OFDM VBLAST..................................................................... 145
Hình 5.2-9 Sơ đồ khối điều chế OFDM ................................................................................. 145
Hình 5.2-10 Máy thu MIMO-OFDM VBLAST..................................................................... 148
Hình 5.2-11Sơ đồ khối giải điều chế OFDM ......................................................................... 148
Hình 5.2-12 ZF/MMSE Decoder............................................................................................ 148

Hình 5.3-1 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper BPSK ............... 149
Hình 5.3-2 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper QPSK............... 150
Hình 5.3-3 Đồ thị BER hệ thống MIMO-OFDM VBLAST với bộ mapper 16-PSK ............ 150
Hình 5.3-4 Đồ thị BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM, với mã Turbo m = 2, N = 512....... 151
Hình 5.3-5 Hệ thống phát MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh liên luồng......... 152
Hình 5.3-6 Hệ thống thu Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ giải xáo trộn kênh liên
luồng ....................................................................................................................................... 153
Hình 5.3-7 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh ............... 153
Hình 5.3-8 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST, R = 1/2 1/3 ............................. 154
Hình 5.3-9 Hệ thống phát Turbo MIMO-OFDM với bộ giải xáo trộn kênh và bộ cân bằng độ
tin cậy ..................................................................................................................................... 155
Hình 5.3-10 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST với bộ xáo trộn kênh ............. 155
Hình 5.3-11 BER hệ thống Turbo MIMO-OFDM V-BLAST, R = 1/2, 1/3 .......................... 155
Bảng 4.1.1 Hàm xáo trộn ngẫu nhiên chiều dài N=8 ............................................................... 91
Bảng 4.1.2 Hàm xáo trộn dịch vòng với N = 8 , a = 5 , r = 0 ................................................. 92
Bảng 5.1.1 Các chuẩn thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai.............................................. 136
Bảng 5.1.2 Một số chuẩn không dây băng rộng sử dụng MIMO-OFDM .............................. 137
Bảng 5.3.1 Thông số kênh truyền Pedestrian B của ITU ....................................................... 151

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang xi


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Chương 1 Giới Thiệu Chung

Thông tin không dây phát triển đã phát triển rất mạnh mẽ trở thành một phần vô cùng
quan trọng của ngành công nghiệp truyền thông. Công nghệ không dây được ứng dụng

khắp nơi trong cuộc sống như thông tin vệ tinh, thông tin mặt đất, hệ thống di động tế
bào, mạng LAN không dây, Sensor network… Một hệ thống thông tin không dây với
các khối chính được minh họa như trong hình 1.0.1, q trình truyền thơng tin như
sau: dữ liệu số nhị phân cần được truyền đi sẽ được mã hóa sửa sai, sau đó biến đổi
thành dạng tương tự và được đưa ra hệ thống Anten phát truyền qua môi trường vơ
tuyến, hệ thống Anten phía thu sẽ nhận tín hiệu và xử lý sau đó thực hiện giải điều chế,
giải mã sửa sai trả lại thông tin gốc ban đầu.

Hình 1.0.1 Hệ thống thơng tin khơng dây

Chương 1 sẽ giới thiệu những kiến thức nền tảng cho từng khối trong sơ đồ trên,
chương 2, 3, 4 sẽ lần lượt đi vào tìm hiểu phân tích cụ thể kỹ thuật điều chế OFDM, hệ
thống Anten MIMO, mã hóa kênh truyền Turbo, chương 5 mô ta hệ thống kết hợp các
kỹ thuật trình bày trong chương 2, 3, 4 và cuối cùng đi đến kết luận trong chương 6.

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 1


Chương 1: Giới Thiệu Chung

1.1 Kênh Truyền Vô Truyến
Hiện tượng Shadowing và Multipath
Tín hiệu vơ tuyến truyền qua khơng gian theo một quãng đường dài hay sóng đi xuyên
qua các vật thể có kích thước lớn, cơng suất tín hiệu trung bình tại phía thu sẽ bị suy
hao tỷ lệ theo quãng đường mà sóng đi qua. Hiện tượng này gọi là Shadowing hay
Large-scale Fading, và máy thu trong trường hợp này bị che khuất (shadowed).
Bên cạnh hiện tượng Shadowing cịn có hiện tượng Multipath hay cịn gọi là SmallScale Fading. Tín hiệu truyền qua kênh truyền vơ tuyến sẽ lan tỏa và va chạm vào các
vật cản phân tán rải rác trên đường truyền và gây ra các hiện tượng:

a) Phản xạ

b) Tán xạ

c) Nhiễu xạ

Hình 1.1-1 Các hiện tượng xảy ra trong q trình truyền sóng

• Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.(Hình 1.1.1a )
• Tán xạ: khi sóng đập vào các vật có bề mặt khơng bằng phẳng và các vật này có
chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.(Hình 1.1.1b )
• Nhiễu xạ: khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài
bước sóng.(Hình 1.1.1c )
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vơ số bản sao tín hiệu, một số bản sao này
sẽ tới được máy thu theo nhiều đường khác nhau (Multipath) (hình 1.1.2). Do các bản
sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các quãng đường dài ngắn
khác nhau nên: thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ
pha giữa các thành phần này là khác nhau và sự suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa
các thành phần này là khác nhau. Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao
này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao mà tín hiệu thu được tăng cường

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 2


Chương 1: Giới Thiệu Chung

hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha hay tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu

cực khi các bản sao ngược pha [1].

Hình 1.1-2 Tín hiệu gốc và 2 thành phần multipath

Các kênh truyền có thể được phân loại theo nhiều các khác nhau dựa trên các tiêu chí
khác nhau. Tuỳ theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn
lọc tần số (frequency selective fading) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective
fading), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay kênh truyền biến đổi
chậm (slow fading channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền
có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền
Rayleigh hay Ricean.

Hình 1.1-3 Kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian.

Hình 1.1.3 mơ tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian,
khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau, tín
hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm kích xung
khác nhau.
Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 3


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, khơng bằng
phẳng trên một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền
sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số
hay khơng cịn tùy thuộc vào băng thơng của tín hiệu truyền đi. Nếu trong tồn khoảng

băng thơng của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn
lọc tần số, hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số
của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh
truyền là kênh truyền chọn lọc tần số. Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp
ứng bằng phẳng trong cả dải tần vơ tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng
trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.

Hình 1.1-4 Đáp ứng tần số của kênh truyền

Hình 1.1.4 cho ta thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng
thơng lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thơng nhỏ
khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng.
Vừa rồi ta mới mơ tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xét định lượng các thông số
của kênh truyền [2].

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 4


Chương 1: Giới Thiệu Chung

M

Hình 1.1-5 Tín hiệu tới phía thu theo L đường

Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1.1.5
(chưa tính đến nhiễu) có dạng :
L

y(t) = ∑ α i x(t − τ i )

(1.1)

i =1

Với

α i = α i (t )∠φi (t ) hệ số suy hao biên độ và xoay pha
τ i = τ i (t ) thời gian trễ có giá trị thực.

Tổng qt tín hiệu tới máy thu có dạng sau
+∞

y (t ) =

∫ x(t − τ ).h(t ,τ )dτ = x(t) * h(t,τ )

(1.2)

−∞

Với

h(t,τ ) là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền.
L

h(t,τ ) = ∑ α i (t ).δ [τ − τ i (t )]

(1.3)

i =1

Từ (1.3) ta có đáp ứng hàm truyền thay đổi theo thời gian:
+∞

H(t, f) =

∫ h(t,τ )e

- j2πfτ

dτ

(1.4)

-∞

Mỗi kênh truyền đều có một đáp ứng xung, do đó mỗi kênh truyền có thể đặc trưng
bằng hàm tự tương quan ACF (AutoCorrelation Function):
R h (t1 , t2 ,τ 1 ,τ 2 ) = E[h* (t1 ,τ 1 ).h(t2 ,τ 2 )] = E[h* (t1 ,τ 1 ).h(t1 + Δt ,τ 1 + Δτ )]

(1.5)

+∞

E[f(x)] =

∫ f ( x). p

X

( x).dx )

(1.6)

−∞

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 5


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Hàm tự tương quan ACF quá phức tạp (theo 4 biến t1, t2, τ 1, τ 2 ) nên để đơn giản
trong phân tích ta giả sử các thành phần phản xạ là dừng theo nghĩa rộng và không
tương quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter).
WSS: quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc vào Δt = t2 − t1
US: các thành phần phản xạ là độc lập nhau
Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:
R h (t1 , t1 + Δt ,τ 1 ,τ 1 + Δτ ) = R h (Δt ,τ ) = Ph (Δt ,τ 1 ).δ (τ 1 − τ 2 )

(1.7)

Với Ph (Δt ,τ 1 ) là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)
Khi Δt = 0 , Ph (τ ) = Ph (Δt ,τ ) được gọi là profile trễ công suất (Power Delay Profile
hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mơ tả cơng suất trung
bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền. Do đó cơng suất ra của tín hiệu được tính
theo cơng thức

+∞

P = ∫ PH (τ )dτ

(1.8)

-∞

Lấy biến đổi Fourier (1.7) ta được:
+∞

R H (Δt , Δf ) = ∫ R h (Δt ,τ )e − j 2πΔfτ dτ

(1.9)

-∞

Ta sẽ dùng công thức này để phân loại kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền
phẳng (Frequency Nonselective Fading), kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi
chậm.
Nếu Δt = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa
các khoảng tần số Δf của kênh truyền.
+∞

R H (Δf ) = R H (0, Δf ) = ∫ R h (τ )e − j 2πΔfτ dτ

(1.10)

-∞

Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số (Δf ) C , tại đó tỉ số

RH (Δf )
xấp xỉ 1. Tức là
RH (0)

đáp ứng của kênh truyền được xem là bằng phẳng trong khoảng (Δf ) C . Khoảng tần số
này gọi là Coherence bandwith.

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 6


Chương 1: Giới Thiệu Chung

• Nếu kênh truyền có (Δf ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu
được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số. Tín
hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng.
• Nếu kênh truyền có (Δf ) C lớn hơn nhiều so với băng thơng của tín hiệu
được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần
số hay kênh truyền phẳng.
Tương tự như Coherence bandwith, hai thông số quan trọng thường được dùng khi xét
kênh truyền có chọn lọc tần số hay không người ta thường xét tới thời gian trễ giới hạn
trung bình TAEX (Average Excess delay) và thời gian trải trễ hiệu dụng τ RMS (RMS
delay spread) của kênh truyền [5]:
L

T AEX =

∑τ
k =1
L

k

.Pk

(1.11)

∑ Pk
k =1

L

τ RMS =

∑ (τ
k =1

k

− T AEX ) 2 .Pk
L

∑P
k =1

Với

(1.12)

k

Tk thời gian trễ của bản sao thứ k, Pk là công suất của bản sao thứ k

Thông thường kênh truyền là chọn lọc tần số nếu τ RMS so sánh được với Tsymbol .
Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm
Kênh truyền vơ tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu như cấu trúc
của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi
theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi. Hình 1.1.6 cho
thấy cơng suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công
suất không đổi tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian.
Tương tự như khái niệm kênh truyền chọn lọc hay không chọn lọc theo tần số, khái
niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương
đối, nếu kênh truyền khơng thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol ,
thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền khơng chọn lọc thời gian (Time
HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 7


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Nonselective Fading) hay kênh truyền biến đổi chậm (Slow Fading), ngược lại nếu
kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol , thì kênh truyền đó được gọi là
kênh truyền chọn lọc thời gian (Time Selective Fading), hay kênh truyền biến đổi
nhanh (Fast Fading).
Cường Độ
Tín Hiệu

0

t

Hình 1.1-6 Kênh truyền thay đổi theo thời gian

Môi trường trong nhà ít thay đổi nên có thể xem là Slow Fading, mơi trường ngồi trời
thường xun thay đổi nên được xem là Fast Fading. Trong các cell di động, khi thuê
bao di chuyển, sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa thuê bao và trạm gốc theo thời gian,
tức là địa hình liên tục thay đổi. Điều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay
đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại
máy thu một lượng tần số
Δf = ± f 0

v
c

(1.13)

Với f 0 là tần số tại máy phát, v là vận tốc của thuê bao MS, c là vận tốc ánh sáng
Thuê bao di chuyển càng nhanh thì Δf càng lớn và ngược lại.
Từ (1.9), nếu Δf = 0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả tương
quan giữa các khoảng thời gian Δt của kênh truyền[2].
+∞

R H (Δt ) = ∫ R h (Δt ,τ )dt

(1.14)

-∞

Phổ công suất Doppler được định nghĩa là biến đổi Fourier của R H (Δt ) :
+∞

+∞

-∞

-∞

D H (f) = ∫ R H (Δt )e − j 2πfΔt dΔt ⇔ R H (Δt ) = ∫ D H (f)e + j 2πfΔt df

HVTH: Tạ Hồng Hà

(1.15)

Trang 8


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Mọi kênh truyền đều có một khoảng thời gian (Δt ) C , tại đó

RH (Δt )
xấp xỉ 1. Tức là
RH (0)

đáp ứng của kênh truyền được xem là biến đổi không đáng kể trong khoảng (Δt ) C .
Khoảng thời gian đó được gọi Coherence time.

• Nếu kênh truyền có (Δt ) C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một ký tự Tsymbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc
thời gian (time selective channel) hay kênh truỵền nhanh (fast channel).
• Nếu kênh truyền có (Δt ) C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một ký tự Tsymbol
của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền khơng
chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow
channel).

Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không
tồn tại đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight), đường LOS là đường mà ánh sáng
có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bị cản trở. Nếu kênh truyền
không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh được đường
bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleight nên kênh truyền được gọi là
kênh truyền Rayleigh fading. Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp
của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ. Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây
là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng
NLOS (NonLight Of Sight) không đóng vai trị quan trọng, tức là khơng có ảnh hưởng
quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân
bố Rice nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Ricean fading [2].
Ta đã biết tín hiệu tại máy thu có dạng (1.1)
L

y(t) = ∑ α i x(t − τ i )
i =1

Các hệ số suy hao α i là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng:
α = α r (t ) + jα i (t ) = a(t )eφ (t )
HVTH: Tạ Hồng Hà

(1.15)
Trang 9


Chương 1: Giới Thiệu Chung

Biên độ a(t ) = α r2 (t ) + α i2 (t )
Góc pha φ (t ) = tg −1

(1.16)

α i (t )
α r (t )

(1.17)

Nếu có rất nhiều bản sao tín hiệu đến từ rất nhiều đường khác nhau tại máy thu, thì ta
có thể áp dụng thuyết giới hạn trung tâm (central limit theorem), khi này có thể xem
các hệ số α r (t ) và α i (t ) là các quá trình ngẫu nhiên Gauss.
Nếu α r (t ) và α i (t ) là các q trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì
•

a(t ) sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh
p(a ) =

a

σ

2

.e

−

a2

2σ 2

0≤a≤∞

(1.18)

phương sai của quá trình Gauss là σ 2 = var( α r (t ) ) = var( α i (t ) )
•

φ (t ) = tg −1

α i (t )
có phân bố đều trong khoảng [0,2π ]
α r (t )

(1.19)
(1.20)

Ta nói kênh truyền là Rayleigh fading.
Nếu α r (t ) và α i (t ) là các q trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì
•

a(t ) sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice

α ⎛ αA ⎞ −
p(α ) = 2 .I 0 ⎜ 2 ⎟.e
σ
⎝σ ⎠

α 2 + A2
2σ 2

0 ≤α ≤ ∞

I0(x) là hàm Bessel loại 1 bậc 0: I 0 ( x) =

1
2π

2π

∫e

(1.21)
x cos θ

dθ

(1.22)

0

A2 là công suất của đường LOS của kênh truyền.

Ta nói kênh truyền là Ricean fading.
Đặt K =

A2
, K được gọi là hệ số Ricean. K=0 tương ứng A=0 hàm phân bố Ricean
2σ 2

trở thành hàm phân bố Rayleigh. Hình 1.1.7 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF
Rayleigh ( K = 0 hay K = −∞ [dB] ) và Ricean với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB]

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 10


Chương 1: Giới Thiệu Chung

p(α )

Phân phối Rayleigh K = −∞ [dB]

0.6

Phân phối Ricean

0.4

0.2

K = 3 [dB]

2σ

0

4σ

K = 9 [dB]
6σ

α

Hình 1.1-7 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean

1.2 Các Phương Thức Ghép Kênh
Kênh truyền vô tuyến là tài nguyên của mỗi quốc gia, do đó nó cần được sử dụng thật
hiệu quả. Dải tần số này được quy định chặt chẽ và được phân bổ một cách giới hạn
cho từng mục đích cụ thể như thơng tin di động, phát thanh, truyền hình…Vì vậy các
phương thức ghép kênh khơng ngừng được nghiên cứu và phát triển để có thể sử dụng
thật hiệu quả kênh truyền vơ tuyến. Có 4 phương thức ghép kênh phổ biến là FDM,
TDM, CDM và OFDM. [3]
Ghép kênh theo tần số FDM
Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra đời đầu tiên, một băng thông lớn
sẽ được chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn không chồng lấn, giữa các khoảng
tần số này cần có một khoảng bảo vệ để có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần số
mong muốn. Mỗi kênh dữ liệu sẽ chiếm một tần số với băng thông nhỏ này tồn trục
thời gian dù có sử dụng hay khơng sử dụng, điềy này dẫn tới lãng phí băng thơng. Đây
là phương thức được sử dụng sớm nhất, lâu nhất, và kém hiệu quả nhất.
Ghép kênh theo thời gian TDM
Tiếp theo sau kỹ thuật FDM, kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing) ra đời với

hiệu suất sử dụng kênh truyền cao hơn. Với TDM trục thời gian được chia thành nhiều
khe thời gian. Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng
thời gian nhất định. Luồng bit tốc độ thấp của mỗi kênh sẽ được ghép lại thành một

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 11


Chương 1: Giới Thiệu Chung

luồng bit tốc độ cao duy nhất, và đưa lên kênh truyền. Do đó TDM cần sự đồng bộ
chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu.
Ghép kênh theo mã CDM
Trong kỹ thuật CDM (Code Division Multiplexing) tất cả kênh sẽ sử dụng đồng thời
cùng một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng một tập mã trực giao,
mỗi kênh sẽ được gán một mã duy nhất. Dữ liệu của cáck kênh trước khi phát đi sẽ
được nhân với một mã trải phổ để giãn phổ của tín hiệu ra tồn băng thơng, ở phía thu
dữ liệu sẽ được khôi phục bằng cách nhân lại với mã trải phổ tương ứng. CDM là một
kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp đòi hỏi sự đồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật điều khiển
cơng suất chính xác.
Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh ra
đời từ khá lâu, tương tự như kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM, một băng thông lớn
sẽ được chia thành nhiều băng thông nhỏ hơn. Trong FDM giữa các băng thông nhỏ
này phải có một khoảng tần số bảo vệ, điều này dẫn tới lãng phí băng thơng vơ ích do
các dải bảo vệ này hồn tồn khơng chứa đựng tin tức. OFDM ra đời đã giải quyết vấn
đề này, bằng cách sử dụng tập tần số trực giao, do đó khơng cần dải bảo vệ, nên sử
dụng hiệu quả và tiết kiệm băng thơng hơn hẳn FDM.

1.3 Mơ Hình Hệ Thống Thơng Tin Khơng Dây
Dựa trên số anten ở phía phát và phía thu, các hệ thống thơng tin khơng dây có thể
được phân loại thành 4 hệ thống cơ bản: SISO, SIMO, MISO và MIMO (hình 1.3.1.)

HVTH: Tạ Hồng Hà

Trang 12