Nghiên cứu giải thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống mimo ofdm

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

-----------------

PHAN CHÁNH PHONG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH
TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 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:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
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 2009

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TP. HCM, ngày …. tháng ….. năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

: PHAN CHÁNH PHONG

Phái

: Nam

Ngày tháng năm sinh

: 25/04/1982

Nơi sinh

: Phú Yên

Chuyên ngành

: Kỹ thuật điện tử

MSHV

: 01407351

I.

TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Giải Thuật Ước Lượng Kênh Truyền Trong Hệ Thống
MIMO-OFDM

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Tìm hiểu lý thuyết MIMO-OFDM: kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM và
phân tập đa antenna phát & thu MIMO, cơng thức tốn, tính ứng dụng, nhất là nêu ra các
mặt ưu điểm cũng như các mặt hạn chế cần khắc phục.
• Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM sử dụng các chuỗi pilot.
• Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM sử dụng phương pháp ước
lượng mù.
• Mơ phỏng giải thuật bằng phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi
của chúng.
• Đánh giá kết quả mơ phỏng, kết luận và kiến nghị.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ tên):
TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


Lời cảm ơn
Cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử – Viễn thông trường Đại học Bách khoa
Tp.HCM đã thắp sáng và truyền đạt cho tôi nguồn kiến thức vô cùng quý báu là cơ
sở và nền tảng cho quá trình thực hiện đề tài .
Cảm ơn cơ Phan Hồng Phương đã định hướng và nhiệt tình chỉ dẫn những
kiến thức và kinh nghiệm cần thiết trong suốt thời gian vừa qua.
Cảm ơn gia đình và người thân ln nhắc nhở và dõi theo tôi, cho tôi niềm
tin và nghị lực hoàn thành đề tài này.
Cảm ơn những bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tơi hồn
thành tốt cơng việc cũng như khóa học này.
Xin trân trọng ghi nhớ không bao giờ quên!
Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2009


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này sẽ tìm hiểu phương pháp ước lượng kênh truyền trong hệ

thống MIMO-OFDM dựa trên pilot và phương pháp ước lượng mù. Phần trình bày
của luận văn, các kết quả mô phỏng các phương pháp sẽ được đưa ra đồng thời
trong phần lý thuyết tương ứng để đánh giá, nhận xét. Nội dung luận văn có cấu
trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan
Trình bày mục đích của đề tài,đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu
đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài; chỉ ra
những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Chương 2: Kênh truyền vô tuyến
Trong hệ thống truyền thông không dây, thông tin kênh truyền vô tuyến là yếu tố
quyết định hệ thống truyền tin. Trong phần này ta sẽ xem xét đánh giá các yếu tố
ảnh hưởng của kênh truyền vơ tuyến lên tín hiệu là large scale fading và small
scale fading, các yếu tố gây nhiễu. Cuối cùng ta sẽ mô tả chi tiết kênh truyền chọn
lọc tần số, là kênh truyền phổ biến thường gặp ở hệ thống MIMO-OFDM trong
thực tế.
Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM
Trình bày khái quát về kĩ thuật OFDM: khái niệm, các thành phần trong sơ đồ
khối điều chế, ưu điểm. Tổng quan hệ thống MIMO và cuối cùng là sự kết hợp kĩ
thuật MIMO và OFDM thành hệ thống MIMO-OFDM. Phần cuối của chương này
ta sẽ trình bày mơ hình tín hiệu trong hệ thống MIMO-OFDM sẽ được sử dụng
trong các chương tiếp theo và phần mô phỏng hệ thống.
Chương 4: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM
Ta sẽ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh truyền chủ yếu hiện này là
chèn pilot và ước lượng mù. Trong phương pháp ước chèn pilot, ta sẽ trình bày
thuật tốn ước lượng kênh truyền, thiết kế chuỗi huấn luyện giúp tối ưu số phép


toán thực hiện, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp và đánh giá
so sánh các phương pháp với nhau. Trong phần ước lượng mù, ta sẽ tìm hiểu thuật

tốn ước lượng mù và các giải thuật tính tốn.
Chương 5: Kết quả mơ phỏng
Giới thiệu chương trình mơ phỏng và trình bày tổng kết các mơ phỏng minh họa
đã trình bày cho các chương 4 bằng MATLAB 7.4.0. Chương trình mơ phỏng gồm
có 3 phần chính là ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng khối, pilot dạng lược
và ước lượng mù. Đánh giá hệ thống qua các tiêu chuẩn MSE, SER và so sánh các
phương pháp với nhau. Phần cuối là đánh giá chung và hướng phát triển của đề tài.


Luận văn cao học

-1-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

MỤC LỤC
Chương 1
TỔNG QUAN................................................................................... 7
1.1. Mục đích........................................................................................................... 7
1.2. Tình hình nghiên cứu ....................................................................................... 9
Chương 2
KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN....................................................... 13
2.1. Suy hao đường truyền .................................................................................... 13
2.2. Hiện tượng Doppler........................................................................................ 13
2.3. Fading............................................................................................................. 15
Chương 3
HỆ THỐNG MIMO-OFDM .......................................................... 18
3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM ........................................................................ 18
3.1.1. Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................ 19
3.1.2. Ưu điểm ................................................................................................... 21

3.1.3. Nhược điểm ............................................................................................. 21
3.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM................................................................................. 21
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM........................................................ 22
3.2.2. Cấu trúc khung......................................................................................... 23
3.2.3. Mã hoá kênh truyền ................................................................................. 24
3.2.4. Độ lợi hệ thống MIMO............................................................................ 24
Chương 4
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG ............. 27
MIMO-OFDM......................................................................................................... 27
4.1. Ước lượng kênh dùng pilot khối (block-type pilot) ...................................... 27
4.1.1. Mơ hình tín hiệu ...................................................................................... 27
4.1.1.1. Mơ hình tín hiệu trong SISO-OFDM................................................ 27
4.1.1.2. Mơ hình tín hiệu trong MIMO-OFDM ............................................. 28
4.1.2. Giải thuật Least Mean Square ................................................................. 30
4.1.3. Tổng quan ước lượng kênh dùng pilot dạng khối ................................... 30
4.1.3.1. Ý tưởng của phương pháp................................................................. 30
4.1.3.2. Mơ hình hệ thống .............................................................................. 31
4.1.4. Thiết kế pilot khối.................................................................................... 35
4.1.5. Đánh giá thông số ảnh hưởng.................................................................. 35
4.1.5.1. Chiều dài của phần mở rộng CP ....................................................... 35
4.1.5.2. Khoảng cách giữa các TS ................................................................. 36
4.1.5.3.Hiệu ứng Doppler .............................................................................. 36
4.1.6. Ưu khuyết điểm của phương pháp........................................................... 36
4.2. Ước lượng kênh dựa vào pilot dạng lược (comb-type pilot) ......................... 36
4.2.1. Mơ hình tín hiệu ...................................................................................... 36
4.2.2.Tổng quan ước lượng kênh dùng pilot dạng lược .................................... 38
4.2.2.1. Khái niệm comb-type pilot ............................................................... 38
4.2.2.2.Mơ hình hệ thống ............................................................................... 39
4.2.3.Thiết kế comb-type pilot........................................................................... 42
4.2.4. Thông số ảnh hưởng hiệu quả phương pháp ........................................... 45

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-2-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

4.2.4.1. Độ dài phần mở rộng CP .................................................................. 45
4.2.4.2. Tần số Doppler.................................................................................. 45
4.2.5. Ưu khuyết điểm phương pháp ................................................................. 45
4.3. Phương pháp tiền mã hoá Precoding.............................................................. 46
4.3.1. Cài đặt hệ thống và giả định .................................................................... 46
4.3.2. Tiền mã hố tuyến tính ............................................................................ 47
4.3.3. Ước lượng kênh mù ................................................................................. 48
4.4. Ước lượng kênh mù dựa trên không gian con nhiễu...................................... 50
4.4.1. Hệ thống MIMO-OFDM với Mt ≤ Mr ..................................................... 53
4.4.2. Hệ thống MIMO-OFDM với Mt > Mr ..................................................... 59
4.5. Phương pháp dựa trên thống kê bậc hai và bậc cao ....................................... 63
4.5.1. Giới thiệu ................................................................................................. 63
4.5.2. Xác định MIMO nxn ............................................................................... 65
Chương 5
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................ 72
5.1. Ước lượng sử dụng pilot ................................................................................ 72
5.1.1. Block-Type Pilot...................................................................................... 72
5.1.1.1 Đáp ứng với các điều chế khác nhau ................................................. 72
5.1.1.2. Thông số khoảng cách giữa các pilot (d_f)...................................... 74
5.1.1.3. Thông số tần số Doppler của kênh truyền ........................................ 76

5.1.1.4. Ảnh hưởng của độ dài CP ................................................................. 78
5.1.2. Comb-Type Pilot ..................................................................................... 80
5.1.2.1 Đáp ứng với các điều chế khác nhau ................................................. 80
5.1.2.2.Thông số tần số Doppler của kênh truyền ........................................ 81
5.1.2.3. Thông số độ dài CP........................................................................... 83
5.1.3. So sánh 2 phương pháp pilot ................................................................... 85
5.2. Phương pháp ước lượng mù dựa trên thống kê bậc 2 và bậc cao .................. 87
5.3. So sánh phương pháp ước lượng mù và ước lượng dựa trên pilot................. 89
5.4. Đánh giá và hướng phát triển đề tài ............................................................... 91
5.4.1. Đánh giá................................................................................................... 91
5.4.2. Hướng phát triển của đề tài ..................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 92

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-3-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Các Từ Viết Tắt
CP

Cyclic Prefix

FFT

Fast Fourier Transform

HSDPA

High-Speed Downlink Packet Access

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter Symbols Interference

LTE

Project Long Term Evolution

MIMO

Multiple-Input and Multiple-Output

MSE

Mean Squared Error

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SER

Symbol Error Rate

SVD

Singular Value Decomposition

TS

Training Sequences

UMTS

Universal Mobile Telecommunicactions

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-4-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Mục Lục Hình
Hình 2. 1: Hiện tượng Doppler ................................................................................. 14

Hình 2. 2: Fading phẳng............................................................................................ 15
Hình 2. 3: Fading lựa chọn tần số ............................................................................. 17
Hình 3. 1: Băng tần FDM và OFDM ........................................................................ 19
Hình 3. 2: Sơ đồ hệ thống OFDM............................................................................. 19
Hình 3. 3: Sơ đồ bộ phát tín hiệu MIMO-OFDM..................................................... 22
Hình 3. 4: Sơ đồ bộ thu tín hiệu MIMO-OFDM....................................................... 23
Hình 3. 5: Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM ................................................... 24
Hình 4. 1: Sơ đồi khối bộ phát trong hệ thống TS .................................................... 31
Hình 4. 2: Chèn TS với D_f =2................................................................................. 32
Hình 4. 3: Sơ đồ khối bộ thu TS channel estimation ................................................ 32
Hình 4. 4: Tách TS symbol và Data Symbol với D_f =2 ......................................... 33
Hình 4. 5: Symbol OFDM, 16 subcariers, 4 pilot-tones ........................................... 38
Hình 4. 6: Sơ đồ khối bộ phát dùng pilot-tones ........................................................ 39
Hình 4. 7: Ví dụ chèn pilot-tones với khoảng cách Pilot-tones là 2 ......................... 40
Hình 4. 8: Sơ đồ khối hệ thống thu (pilot-tones) ...................................................... 40
Hình 4. 9: Symbol OFDM sau khối FFT .................................................................. 41
Hình 4. 10: Pilot Remove.......................................................................................... 42
Hình 4. 11: Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM với Mt anten phát và Mr anten thu... 51
Hình 4. 12: Hệ thống OFDM với các sóng mang ảo cho anten phát thứ i và anten thu
thứ j ........................................................................................................................... 51
Hình 4. 13: Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM tương đương với Mt anten phát và
qMr anten thu ............................................................................................................ 61
Hình 5. 1: Đáp ứng MES (a) và SER (b) theo SNR của các phương thức điều chế
khác nhau trong ước lượng kênh block-type pilot .................................................... 74
Hình 5. 2: Ảnh hưởng thơng số khoảng cách giữa các pilot. D_f = 2;5;10 .............. 76
Hình 5. 3: Ảnh hưởng của tần số Doppler 6.389Hz, 127.77Hz , 255.56Hz ............. 78
Hình 5. 4: Ảnh hưởng của thơng số khoảng bảo vệ (CP). GI=2;5;10 ...................... 79
Hình 5. 5: Đáp ứng MSE, SER theo SNR của các phương thức điều chế khác nhau.
................................................................................................................................... 80
Hình 5. 6: Ảnh hưởng của tần số Doppler f_d=6.389Hz, 127.77Hz , 255.56Hz ..... 82

Hình 5. 7: Ảnh hưởng thông số độ dài CP. CP=2;5 và 10........................................ 84
Hình 5. 8: So sánh 3 mơ hình trong mơi trường fdmax=50Hz ................................. 86
Hình 5. 9: So sánh 3 mơ hình trong mơi trường fdmax=200Hz ............................... 87
Hình 5. 10: Ước lượng của hệ thống 2x2 sử dụng thống kê bậc 2 và bậc 3 dựa trên
chiều dài dữ liệu T=8192, SNR=20, chiều dài DFT N=128. a) Đáp ứng biên độ. b)
Đáp ứng pha. ............................................................................................................. 89
Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-5-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Hình 5. 11: So sánh MSE của ước lượng dựa trên pilot và ước lượng mù............... 90

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-6-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Mục Lục Bảng
Bảng 5. 1: ONMSE được tính dựa trên 50 lần mơ phỏng tương ứng với các SNR và
chiều dài tín hiệu khác nhau...................................................................................... 88
Bảng 5. 2: So sánh 2 phương pháp sử dụng SVD và Joint Diagonalization với

SNR=20dB, DFT N=128. ......................................................................................... 89

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

Chương 1

-7-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

TỔNG QUAN

1.1. Mục đích
Gần đây, sự quan tâm được tập trung vào các kĩ thuật điều chế cung cấp tốc độ dữ
liệu cao thông qua các kênh vô tuyến băng rộng cho các ứng dụng khác nhau bao
gồm đa phương tiện không dây, truy cập Internet không dây và các hệ thống thông
tin di động thế hệ tương lai. Kĩ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là kĩ thuật điều chế hứa hẹn tạo đơn giản việc cân bằng hoá các kênh
chọn lọc tần số. Công thức điều chế OFDM đã tồn tại nhiều thập kỉ. Tuy nhiên,
những năm gần đây, các kĩ thuật này đã di chuyển ra ngoài phạm vi sách vở và
nghiên cứu phịng thí nghiệm và được áp dụng thực tế trong các hệ thống giao tiếp
hiện đại. Kĩ thuật này được được sử dụng trong truyền dẫn số liệu số vô tuyến và
hữu tuyến như là WLAN, WiMax, ADSL, truyền hình số và radio số. Tiện ích chính
là sự cài đặt đơn giản, và nó thiết thực cho các kênh chọn lọc tần số. Giao tiếp
MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) cho phép sử dụng nhiều anten phát và
thu có thể tăng khả năng dung lượng kênh. Vì vậy, các hệ thống MIMO-OFDM kết
hợp OFDM với MIMO có thể cung cấp truyền chất lượng cao hơn, đạt được tốc độ

dữ liệu cao hơn thông qua các kênh vô tuyến băng rộng.
Hiện nay, các nhà cung cấp di động ở Việt Nam như Mobiphone, VietTel,
VinaPhone đang triển khai mạng 3 G với chuẩn HSDPA (High-Speed Downlink
Packet Access). HSDPA là giao thức giao tiếp điện thoại di động trong họ HSPA,
cũng gồm 3,5G, 3G+ và turbo 3G, cho phép các mạng dựa trên UMTS (Universal
Mobile Telecommunications) có tốc độ truyền cao hơn. HSDPA hiện thời hỗ trợ tốc
độ down-link 1.8,3.6,7.2 và 14Mbps. HSPA+ cho phép tốc độ downlink lên đến 56
Mbit/s và uplink tới 22 Mbit/s với kĩ thuật MIMO và điều chế bậc cao hơn 64QAM.
Các phiên bản HSPA+ trong tương lai hỗ trợ tốc độ lên tới 168Mbps sử dụng đa
sóng mang.
Xu hướng đang diễn ra trong ngành truyền thông không dây là sự nổi lên của
MIMO-OFDM ở các lớp vật lý của các chuẩn truyền thông mới. Trên thực tế, sự
Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-8-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

hiện diện của MIMO-OFDM trong lớp vật lý của các giao thức như là WiMAX,
3GPP LTE và IEEE 802.11n là kết quả trực tiếp của nhu cầu tốc độ số liệu cao hơn
của khách hàng mà không cần sử dụng thêm độ rộng băng tần kênh. Có khả năng
MIMO-OFDM sẽ tiếp tục là cột trụ cơ bản của các công nghệ truyền thông băng
rộng tương lai.
WiMAX đang được tăng cường mạnh lên và đang ở tư thế sẵn sàng trở thành
một phần của các đồ dùng cá nhân như laptop, media player cá nhân, các thiết bị
PDA và thậm chí là di động. Biểu hiện của sự tăng trưởng WiMAX là sự phát triển
của thị trường bán dẫn WiMAX và những tuyên bố về các thiết bị MS (trạm di

động) và BS (trạm gốc) được chứng thực từ những nhà cung cấp thiết bị hàng đầu.
Những nhà nghiên cứu thị trường xác nhận rằng WiMAX đang bước vào năm phôi
thai với hơn 200 sự triển khai hạ tầng cơ sở đang thực hiện và chờ đợi các nền tảng
di động WiMAX cấp cao hơn từ những nhà cung cấp hàng đầu vào 2009.
OFDM/WiMAX sẽ tiếp tục tăng trưởng cùng với sự gia tăng sử dụng Internet
để cung cấp truy cập băng rộng không dây trên vùng rộng một cách tiện lợi mà
không cần dây cáp hoặc dây DSL. Tuy nhiên, với các ứng dụng di động, nó phải đối
mặt với sự cạnh tranh từ LTE, công nghệ này cho sự tiêu thụ công suất pin thấp hơn
và u cầu khuếch đại cơng suất ít nghiêm ngặt hơn mà điều này có thể dẫn đến các
thiết bị cầm tay di động băng rộng có giá chấp nhận hơn.
Qua một số kết quả kiểm tra thực nghiệm ở trung tâm nghiên cứu, Nokia
Siemens Network (liên minh giữa Nokia và Siemens) công bố rằng công nghệ
MIMO ảo (virtual MIMO) của họ có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu (up-link) từ thiết
bị di động đến trạm kết nối (base station) từ 54 Mbps lên đến 108 Mbps trong mạng
di động thế hệ mới nhất 3GPP LTE (Long Term Evolution). Công nghệ virtual
MIMO cho phép 2 thiết bị di động sử dụng công nghệ SDMA (Space Division
Multiple Access) có thể phối hợp với nhau để truyền dữ liệu đồng thời về trạm gốc
trên 1 kênh truyền vật lý. Theo Nokia Siemens network, virtual MIMO không
những cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp đơi mà cịn cho phép giảm năng
lượng tiêu thụ của thiết bị di động nhằm kéo dài thời gian sử dụng pin.
Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

-9-

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Hiện nay trên thị trường cũng có phổ biến các thiết bị Wifi chuẩn 802.11n sử

dụng cơng nghệ MIMO OFDM. Ví dụ card D-LINK DWA 140 gắn vào cổng USB
máy tính hỗ trợ 802.11n cho phép tốc độ lên đến 300Mbps, giá khoảng 50 USD.
Như vậy các kĩ thuật OFDM, MIMO hay kết hợp cả MIMO-OFDM ngày
càng được sử dụng rộng rải trong thông tin vô tuyến, di động. Tuy nhiên, trong bất
cứ hệ thống thơng tin vơ tuyến nào thì vấn đề xác định đặc tính kênh truyền là rất
quan trọng. Đặc biệt là trong hệ thống MIMO-OFDM thì vấn đề này là tiêu chí quan
trọng để đánh giá độ tin cậy hệ thống. Việc ước lượng kênh truyền chính xác sẽ giúp
khơi phục thơng tin ban đầu từ tín hiệu thu được đạt độ tin cậy cao nhất, giảm tỷ lệ
lỗi của hệ thống. Do đó trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu kĩ thuật
OFDM, MIMO, hay MIMO-OFDM kết hợp, các đặc tính kênh truyền vơ tuyến từ
đó ước lượng kênh truyền của hệ thống.
1.2. Tình hình nghiên cứu
Việc nghiên cứu MIMO hay OFDM đã được quan tâm từ khá lâu. Đã có nhiều bài
báo đăng các kết quả nghiên cứu của các trường đại học và các phịng thí nghiệm
trên thế giới về các vấn đề và giải thuật ứng dụng trong hệ thống MIMO và OFDM
nói riêng. Tuy nhiên, các bài báo đề cập đến vấn đề ước lượng kênh trong hệ thống
kết hợp MIMO-OFDM mới chỉ xuất hiện trong các tạp chí nước ngồi vào những
năm gần đây. Còn ở trong nước, việc nghiên cứu về các công nghệ cải thiện chất
lượng mạng không dây cũng được sự quan tâm lớn.
So các hệ thống SISO, ước lượng kênh trong MIMO khó khăn hơn do số liên
kết phát-thu độc lập nhau cần phải ước lượng. Về phương pháp ước lượng kênh
truyền thì có rất nhiều phương pháp khác nhau nhưng ta có thể chia thành 2 phương
pháp chủ đạo là sử dụng pilot và phương pháp mù.
Phương pháp sử dụng pilot là chèn các tín hiệu biết trước ở phía phát tín hiệu
và dựa trên tín hiệu đầu thu để ước lượng đặc tính mơi trường truyền, có ưu điểm về
chất lượng, tuy nhiên việc truyền các chuỗi huấn luyện không thõa mãn với một số

Học viên: Phan Chánh Phong

Luận văn cao học

- 10 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

hệ thống do chịu nhiều ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, dung lượng hệ thống giảm
do phải truyền chuỗi huấn luyện.
Phương pháp mù là dựa vào hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được, bằng
cách xử lý thống kê tín hiệu ta có thể lấy thơng tin kênh truyền được lưu trên tín
hiệu đó. Các tài liệu liên quan ước lượng kênh mù cho hệ thống SISO và SIMO khá
nhiều, tuy nhiên tài liệu cho hệ thống MIMO còn rất hạn chế, một vài vấn đề được
nghiên cứu như là sự mở rộng của các phương pháp SIMO. Ví dụ phương pháp
khơng gian con (subspace) tổng qt hố các phương pháp dựa trên không gian con
đang sử dụng cho ước lượng hệ thống OFDM SISO để ước lượng MIMO OFDM.
So với truyền chuỗi huấn luyện, ước lượng kênh mù yêu cầu lưu dữ liệu dài.
Vì vậy, nó hạn chế với các kênh biến đổi chậm theo thời gian và có độ phức tạp cao.
Bằng việc sử dụng các phương pháp ước lượng kênh mù (blind channel estimation),
hệ thống vơ tuyến gói cũng có thể được thiết kế để tối đa throughput. Ngồi các hệ
thống giao tiếp, cịn ứng dụng trong xử lý tín hiệu đa phương tiện mở rộng với nhiều
kênh dữ liệu và nhiều nguồn tín hiệu giao thoa và méo kênh không biết. Ước lượng
kênh mù và khôi phục tín hiệu trong giao diện nhiều user sẽ được ứng dụng mạnh
mẽ trong các mơi trường khác nhau. Khó khăn của việc xác định nhiều user và khơi
phục tín hiệu mù gồm các kênh không biết trước, thiếu thông tin đồng bộ, các vấn
đề near-far, và số nguồn kích hoạt khơng biết…
Ta có thể tham khảo một số bài báo nghiên cứu liên quan đến việc ước lượng
kênh MIMO-OFDM sau:
Zhou et al [1] đã đề xuất phương pháp ước lượng kênh mù dựa trên không
gian con (subspace method) cho hệ thống MIMO-OFDM mã hố khơng gian-thời
gian sử dụng tiền mã hố tuyến tính và phương pháp khơng gian con dựa trên nhiễu

[2]- [4].
Bolcskei et al [5] đề xuất giải thuật để ước lượng kênh mù và cân bằng hệ
thống MIMO-OFMD sử dụng thống kê bậc hai tạo ra bằng việc cài đặt tiền mã hố
anten module khơng bất biến chu kì.

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 11 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Zeng và Ng [7] đề xuất kĩ thuật không gian con dựa trên phương pháp không
gian nhiễu cho ước lượng kênh MIMO trong uplink của các hệ thống OFDM đa
anten đa user.
Tuy nhiên các phương pháp mù trình bày trong các bài báo trên có một số
hạn chế. Ví dụ phương pháp tiền mã hố phải tiến hành mã hố tín hiệu phát trước
khi truyền, cịn phương pháp khơng gian con tồn tại tính khơng rõ (ambiguity) của
kênh mà cần một số kĩ thuật bổ xung để xử lý.
Trong luận văn này tác giả sẽ tiến hành khảo sát các phương pháp ước lượng
khác nhau, đánh giá các thông số ảnh hưởng đối với từng phương pháp và so sánh
chúng với nhau. Đối với ước lượng dựa trên pilot, tác giả sẽ khảo sát và mô phỏng
cả hai phương pháp ước lượng dựa trên pilot dạng khối và dạng lược. Đối với
phương pháp ước lượng mù, tác giả sẽ nghiên cứu một số phương pháp tiêu biểu,
sau đó tập trung vào phương pháp ước lượng mù dựa trên thống kê tín hiệu do một
số ưu điểm so với các phương pháp khác mà sẽ được trình bày trong luận văn. Nội
dung luận văn có cấu trúc như sau:
Chương 1: Tổng quan

Trình bày mục đích của đề tài,đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học
và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Phân tích, đánh giá các cơng trình nghiên cứu đã
có của các tác giả trong và ngồi nước liên quan mật thiết đến đề tài; chỉ ra những
vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Chương 2: Kênh truyền vô tuyến
Trong hệ thống truyền thông không dây, thông tin kênh truyền vô tuyến là yếu tố
quyết định hệ thống truyền tin. Trong phần này ta sẽ xem xét đánh giá các yếu tố
ảnh hưởng của kênh truyền vơ tuyến lên tín hiệu là large scale fading và small scale
fading, các yếu tố gây nhiễu. Cuối cùng ta sẽ mô tả chi tiết kênh truyền chọn lọc tần
số, là kênh truyền phổ biến thường gặp ở hệ thống MIMO-OFDM trong thực tế.
Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM
Trình bày khái quát về kĩ thuật OFDM: khái niệm, các thành phần trong sơ đồ khối
điều chế, ưu điểm. Tổng quan hệ thống MIMO và cuối cùng là sự kết hợp kĩ thuật
Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 12 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

MIMO và OFDM thành hệ thống MIMO-OFDM. Phần cuối của chương này ta sẽ
trình bày mơ hình tín hiệu trong hệ thống MIMO-OFDM sẽ được sử dụng trong các
chương tiếp theo và phần mô phỏng hệ thống.
Chương 4: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM
Ta sẽ nghiên cứu các phương pháp ước lượng kênh truyền chủ yếu hiện này là chèn
pilot và ước lượng mù. Trong phương pháp ước chèn pilot, ta sẽ trình bày thuật tốn
ước lượng kênh truyền, thiết kế chuỗi huấn luyện giúp tối ưu số phép toán thực hiện,
các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp và đánh giá so sánh các

phương pháp với nhau. Trong phần ước lượng mù, ta sẽ tìm hiểu thuật tốn ước
lượng mù và các giải thuật tính tốn.
Chương 5: Kết quả mơ phỏng
Giới thiệu chương trình mơ phỏng và trình bày tổng kết các mơ phỏng minh họa đã
trình bày cho các chương 4 bằng MATLAB 7.4.0. Chương trình mơ phỏng gồm có 3
phần chính là ước lượng kênh truyền sử dụng pilot dạng khối, pilot dạng lược và
ước lượng mù. Đánh giá hệ thống qua các tiêu chuẩn MSE, SER và so sánh các
phương pháp với nhau. Phần cuối là đánh giá chung và hướng phát triển của đề tài.

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 13 -

Chương 2

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1. Suy hao đường truyền
Nguyên nhân: các suy hao trong quá trình truyền dẫn, suy hao mát tại các antenna,
các bộ lọc. Vì vậy, cơng suất của tín hiệu nhận Pr được phụ thuộc vào khoảng cách
giữa bộ phát và bộ thu d. Tổng quát ta có:
Pr = β d − v Pt

Trong đó:

(2.1.1)

ν - hàm mũ suy hao đường truyền
β - phụ thuộc vào tần số và các hệ số khác
Pt – cơng suất phát trung bình tín hiệu

Biểu diễn dưới dạng logarithm (dB):
⎛d ⎞
Lpath = β 0 + 10v log10 ⎜ ⎟
⎝ d0 ⎠

Trong đó:

(2.1.2)

Lpath – suy hao đường truyền [dB]
β0 – suy hao đường truyền tại khoảng cách gốc d0 [dB]
ν – thường có giá trị từ 2-6, phụ thuộc vào môi trường giữa bộ phát
và bộ thu

Trong thực tế, do hiện tượng shadowing:
⎛d ⎞
Lpath = β 0 + 10v log10 ⎜ ⎟ + X
⎝ d0 ⎠

(2.1.3)

Trong đó: X biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình là 0.
2.2. Hiện tượng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu.

Ngồi ra các vật di chuyển trong mơi trường vô tuyến cũng tạo ra hiện tượng
Doppler. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị lệch đi so với
tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 14 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Hình 2. 1: Hiện tượng Doppler
Xét trường hợp bộ thu di chuyển với vận tốc v. Khi đó độ chênh lệch về đường
truyền sóng từ nguồn S đến lần lượt X và Y là:
∆l = d cosθ =v∆t cosθ

(2.2.1)

Với ∆t là khoảng thời gian xe đi từ điểm X đến điểm Y.
Khi đó sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là:
∆φ =

2π∆l

λ

=

2π v∆t

λ

cosθ

(2.2.2)

Từ đó độ dịch tần số Dopller được định nghĩa:
fd =

v

λ

cosθ

Dịch Doppler cực đại fm : f m =

(2.2.3)

vf c
khi | cosθ |=1
c

Ở đây fc là tần số sóng mang.
Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ
thu, phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ fc-fm đến fc+fm được gọi là phổ Doppler. Sử
dụng mô hình 2 chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố
đồng nhất từ 0 đến 2 π , phổ tại bộ thu xác định như sau:

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 15 Y( f ) =

2s
⎛ f − fc ⎞
⎟
⎝ fm ⎠

2

GVHD:TS. Phan Hồng Phương
, | f − f c |≤ f m

(2.2.4)

ωm 1 − ⎜

Trong đó s là cơng suất nhận trung bình. Nếu fm rất nhỏ phổ nhận được sẽ rất hẹp và
trải doppler it có tác động lên tín hiệu nhận. Nếu băng thơng tín hiệu lớn hơn nhiều
băng thơng Doppler BD=2fm thì tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của dịch Doppler.
2.3. Fading
Nguyên nhân: can nhiễu giữa hai hoặc nhiều bản sao của tín hiệu phát tới bộ thu ở
những thời điểm hơi lệch nhau được gọi là sóng đa đường. Chúng kết hợp lại ở
antenna thu và bộ lọc tương thích thành một tín hiệu tổng có biên độ và pha thay đổi
rất nhiều. Sự dao động nhanh của biên độ tín hiệu vô tuyến trong 1 khoảng thời gian

ngắn cũng như khoảng đường đi ngắn làm cho có mối quan hệ giữa thời gian và
khoảng cách tạo nên kênh truyền fading biến đổi theo thời gian. Vì vậy một kênh
truyền đa đường có thể được mơ hình hóa như một kênh tuyến tính thay đổi theo
thời gian.
a) Kênh fading phẳng (flat fading)
Kênh truyền có độ lợi hằng số và đáp ứng pha tuyến tính trong khoảng băng thơng
lớn hơn băng thơng của tín hiệu phát được gọi là kênh fading phẳng.

Hình 2. 2: Fading phẳng

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 16 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Đáp ứng xung h(t ,τ ) có thể được xấp xỉ bằng một hàm delta ở τ = 0 có biên độ biến
đổi theo thời gian. Đây là kênh dãi hẹp trong đó các đặc tính phổ của tín hiệu phát
được giữ ngun ở phía thu.
Băng thơng kênh truyền Bc được xác định thông qua trải trễ σ τ .
__

σ J = τ 2 −τ 2
L

__
2

τ =

∑ pτ
i =1
L

2
i i

∑p

(2.3.1)

(2.3.2)

i

i =1

L

τ =

∑ pτ
i =1
L

∑p
i =1

Trong đó:

i i

(2.3.3)

i

L – số đường truyền trong kênh đa đường
pi ,τ i – công suất và trễ của đường truyền thứ i

Do đó: Bc =

1
5σ τ

(2.3.4)

b) Kênh fading lựa chọn tần số
Kênh truyền có độ lợi hằng số và pha tuyến tính trong khoảng băng thơng BC nhỏ
hơn băng thơng của tín hiệu phát Bs là kênh fading lựa chọn tần số.

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 17 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Hình 2. 3: Fading lựa chọn tần số
Đây là kênh dãi rộng và tín hiệu phát sẽ bị nhiễu ISI và méo dạng. Đáp ứng xung
h(t,τ) có thể được xấp xỉ bằng nhiều xung delta:
I

h(t ,τ ) = ∑ α j (t )δ (t − τ )
j =1

Học viên: Phan Chánh Phong

(2.3.5)


Luận văn cao học

Chương 3

- 18 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

HỆ THỐNG MIMO-OFDM

3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM
Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division
Multiplexing (FDM) truyền thống. OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để
cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh truyền đơn.

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thơng tin vơ tuyến, trong đó
một tín hiệu được tách ra làm nhiều băng hẹp tại những tần số khác nhau, luồng dữ
liệu tốc độ cao được chia thành những luồng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, truyền trên
những sóng mang con trực giao. Ưu điểm đầu tiên của nó là chống lại nhiễu fading
chọn lọc tần số.
Trong hệ thống FDM cũ, tồn bộ dải tín hiệu tần số được chia thành N kênh
không chồng lấn nhau, ở giữa các kênh này là khoảng bảo vệ để tránh được chồng
phổ qua đó loại bỏ được nhiễu xuyên kênh. Nhưng làm như vậy thì lãng phí băng
thơng. OFDM đã giải quyết được vấn đề này bằng cách sử dụng dữ liệu song song
kết hợp và FDM với các kênh phụ trực giao chồng lấn lên nhau. Trong đó mỗi kênh
phụ mang một tốc độ dữ liệu được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân
bằng tốc độ cao (High Speed Equalization), chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng
như sử dụng hồn tồn dải thơng có sẵn.
Do sử dụng tập tần số trực giao, OFDM đòi hỏi phải duy trì tính trực giao để
có thể tách được tín hiệu từ các băng thơng nhỏ chồng lấp này.

Học viên: Phan Chánh Phong


Luận văn cao học

- 19 -

GVHD:TS. Phan Hồng Phương

Hình 3. 1: Băng tần FDM và OFDM
3.1.1. Sơ đồ hệ thống OFDM

Hình 3. 2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Bộ chuyển đổi dữ liệu nối tiếp - song song (Parallel to serial converter và Serial

to parallel converter)
Do băng thông kênh truyền được chia làm nhiều băng con nên băng thông
của mỗi băng con sẽ chỉ cịn rất nhỏ so với băng thơng kênh truyền, điều này đồng
nghĩa với việc tốc độ bit trên mỗi băng con sẽ nhỏ hơn. Do đó, muốn truyền dữ liệu
tốc độ cao trên kênh truyền OFDM, ở phía phát ta phải chia luồng dữ liệu tốc độ cao
này thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn thông qua bộ chuyển đổi dữ liệu nối tiếp

Học viên: Phan Chánh Phong