Kỹ thuật cấp phát kênh động cho mạng thông tin di động sử dụng công nghệ mimo ofdma

...

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

NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ MIMO-OFDMA
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI -2011


ii

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

NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

KỸ THUẬT CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG CHO
MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ MIMO-OFDMA
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Quốc Trung
2. PGS.TS Nguyễn Văn Đức

HÀ NỘI -2011


iii

Lời cam đoan
Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tác giả, khơng sao
chép của bất kỳ người nào. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung
thực và chưa từng ñược công bố bởi bất kỳ ai
Tác giả luận án

Nguyễn Quốc Khương


iv

Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung và PGS.TS Nguyễn Văn
Đức những người ñã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi rất nhiều trong q trình
nghiên cứu và hồn thành Luận án

Cũng xin chân thành cảm ơn Viện sau Đại học, Bộ môn Kỹ thuật thông tin- Khoa
Điện tử -Viễn thông – Trường Đại học Bách khoa Hà nội ñã tạo ñiều kiện thuận lợi
để tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình

Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn đến Gia đình tơi cùng Bố mẹ, các anh chị em và bạn bè

những người đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tơi trong thời gian làm luận án.

NCS. Nguyễn Quốc Khương


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………..
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………..
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………...1

1. Mục đích nghiên cứu ………………………………………………………….1
2. Cấu trúc luận án……………………………………………………….……..

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN ................................ 8
1.1 Hệ thống một anten thu phát - kênh SISO .................................................... 9
1.1.1
Đặc ñiểm phân bố và dung lượng kênh truyền ....................................... 9
1.1.2
Dung lượng các hệ thống đa sóng mang SISO-OFDM......................... 12
1.2 Hệ thống nhiều anten thu phát - kênh MIMO ............................................ 14
1.2.1
Mơ hình và dung lượng kênh MIMO ................................................... 14
1.2.1.1
Tầm quan trọng của giá trị kỳ dị nhỏ nhất..................................... 15
1.2.1.2
Dung lượng hệ thống đóng (Closed loop) - kênh khơng tương quan
16
1.2.2

Trường hợp kênh có tương quan (Correlated channel) ......................... 17
1.2.3
Dung lượng của hệ thống đa sóng mang MIMO-OFDM ....................... 20
1.2.4
Ước lượng kênh và khôi phục dữ liệu trong hệ thống OFDM và MIMOOFDM 21
1.2.5
Ước lượng kênh cho hệ thống SISO-OFDM ........................................ 21
1.2.5.1
Ước lượng theo phương pháp bình phương nhỏ nhất (LS) ............ 22
1.2.5.2
Ước lượng theo phương pháp tối thiểu hóa sai lỗi bình phương nhỏ
nhất (MMSE) 23
1.2.6
Ước lượng kênh cho hệ thống MIMO-OFDM ..................................... 24
1.2.7
Khôi phục dữ liệu MIMO-OFDM ........................................................ 27
1.3 Kết luận......................................................................................................... 29

CHƯƠNG 2. TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM.......... 30
2.1 Tổng quan về kỹ thuật tiền mã hóa ............................................................. 31
2.1.1
Tiền mã hóa cho hệ thống SISO .......................................................... 31
2.1.2
Tiền mã hóa cho hệ thống MIMO ........................................................ 32
2.2 Tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM .................................................. 33
2.2.1
Thiết kế bảng mã ................................................................................. 36
2.2.2
Phương pháp lựa chọn ma trận tiền mã hóa ......................................... 38

vi

2.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 38
2.4 Kết luận......................................................................................................... 41

CHƯƠNG 3. CẤP PHÁT KÊNH CHO MẠNG DI ĐỘNG DÙNG CÔNG
NGHỆ OFDMA .......................................................................................... 42
3.1 Nguyên lý OFDMA....................................................................................... 43
3.2 Trường hợp hệ thống một ô với nhiều thuê bao ......................................... 47
3.2.1
Tổng quan về các phương pháp cấp phát kênh cho hệ thống OFDMA . 47
3.2.1.1
Một số nghiên cứu về điều chế thích ứng cho hệ thống OFDMA .. 48
3.2.1.2
Kỹ thuật cấp phát dựa trên tính phân tập người sử dụng. (MultiUser
Diversity) 50
3.2.2
Dung lượng kênh Rayleigh nhiều người dùng ...................................... 50
3.2.2.1
Trường hợp có ñiều khiển công suất ............................................. 50
3.2.2.2
Trường hợp không ñiều khiển cơng suất ....................................... 52
3.2.3
Phương pháp cấp phát kênh động tối đa dung lượng ............................ 54
3.2.3.1
Mơ tả thuật tốn cấp phát kênh ..................................................... 55
3.2.3.2
Kết quả mô phỏng ........................................................................ 57
3.3 Trường hợp mạng nhiều ô với nhiều thuê bao ............................................ 59

3.3.1
Khái niệm cấp phát kênh cho hệ thống mạng nhiều ô .......................... 59
3.3.1.1
Mơ hình cấp phát kênh ................................................................. 60
3.3.1.2
Tái sử dụng tần số ........................................................................ 61
3.3.2
Tổng quan về các phương pháp cấp phát kênh cho mạng nhiều ô. ....... 62
3.3.3
Cơ sở lý thuyết của cấp phát kênh OFDMA cho trường hợp nhiều ô ... 65
3.3.4
Dung lượng tối đa của mạng nhiều ơ ................................................... 66
3.3.4.1
Trường hợp mạng gồm 2 ô ........................................................... 66
3.3.4.2
Trường hợp tổng qt mạng gồm nhiều ơ ..................................... 69
3.3.4.3
Tính gần đúng dung lượng tối ña của hệ thống ............................. 71
3.3.5
Đề xuất phương pháp cấp phát kênh theo vị trí .................................... 75
3.3.5.1
Mơ hình hệ thống ......................................................................... 77
3.3.5.2
Thuật toán cấp phát kênh theo vị trí .............................................. 78
3.3.5.3
Kết quả mơ phỏng ........................................................................ 80
3.3.6
Đề xuất phương pháp cấp phát kênh ñảm bảo chất lượng dịch vụ ........ 89
3.3.6.1
Mơ hình hệ thống ......................................................................... 89

3.3.6.2
Thuật tốn cấp phát kênh đề xuất.................................................. 89
3.3.6.3
Kết quả mơ phỏng ........................................................................ 93
3.3.7
So sánh ưu nhược ñiểm các phương pháp cấp phát kênh ..................... 96
3.4 Kết luận......................................................................................................... 97


vii

CHƯƠNG 4. CẤP PHÁT KÊNH CHO MẠNG DI ĐỘNG DÙNG CƠNG
NGHỆ MIMO-OFDMA........................................................................... 100
4.1 Trường hợp mạng một ơ với nhiều thuê bao ............................................ 101
4.1.1
Các ñặc ñiểm hệ thống MIMO-OFDMA ........................................... 101
4.1.1.1
Dung lượng của hệ thống............................................................ 101
4.1.1.2
Trường hợp có điều khiển cơng suất ........................................... 102
4.1.1.3
Trường hợp khơng điều khiển cơng suất ..................................... 103
4.1.2
Tổng quan các phương pháp cấp phát kênh MIMO-OFDMA ............ 104
4.1.3
Đề xuất phương pháp cấp phát kênh cho hệ thống MIMO-OFDMA .. 106
4.1.3.1
Mơ hình hệ thống ....................................................................... 106
4.1.3.2
Kết quả mô phỏng và nhận xét ................................................... 109

4.2 Trường hợp mạng nhiều ơ ......................................................................... 112
4.2.1
Mơ hình hệ thống .............................................................................. 114
4.2.2
Thuật tốn cấp phát kênh và tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDMA
116
4.2.3
Kết quả mô phỏng ............................................................................. 118
4.3 Kết luận....................................................................................................... 120

KẾT LUẬN

….……………………………………………………………………….……………

121

………

125

……….……...…………………………………...………………

126

DANH SÁCH CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


viii

CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMC

Adaptive Modulation and Codding

Mã hóa và điều chế thích ứng

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu trắng (nhiễu cộng)

A/D

Analog/Digital

Chuyển đổi Tương tự/Số

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ bit lỗi

BS

Base Station

Trạm thu phát gốc

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu ñồng kênh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

Channel State Information

CSMA/
CD
DAB

Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detect
Digital Audio Broadcasting

Thông tin trạng thái của kênh
truyền
Đa truy nhập theo cảm nhận sóng
mang có phát hiện xung ñột
Phát thanh số

DCA

Dynamic Channel Allocation

Cấp phát kênh ñộng

DSA

Dynamic Subcarrier Allocation

Cấp phát sóng mang động

DL

DownLink

Đường xuống

DVB-T

Truyền hình số mặt đất

FDD

Digital Video Broadcasting –
Terrestrial
Frequency Division Duplex

FDM

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Chuyển ñổi Furier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

HIPER
LAN/2
IEEE

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

ISI

High Performance Local Area
Network type 2
Institute of Electrical and
Electronic Engineers
Inter-Symbol Interference

ICI

Inter-Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

Song công phân chia theo tần số

Viện của các kỹ sư ñiện và ñiện tử
Nhiễu xuyên kí hiệu


ix

LS

Least square

Bình phương nhỏ nhất

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MISO

Multiple Input Single Output

Hệ thống nhiều ñầu vào nhiều ñầu
ra
Hệ thống nhiều ñầu vào một ñầu ra

MMSE

Minimum Mean Square Error

Trung bình bình phương tối thiểu

MS

Mobile Station

Trạm di động

OFDM

QAM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
Quadrature amplitude modulation

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
Điều chế biên độ cầu phương

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ lệ lỗi kí hiệu

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một ñầu vào một ñầu ra

SIMO

Single Input Multiple Output

Hệ thống một ñầu vào nhiều ñầu ra

SNIR
SNR

Signal to Interference-plus-Noise
Ratio
Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng
nhiễu
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

STC

Space-Time Coding

Mã hóa khơng gian thời gian

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

UL

Up Link

Đa truy cập phân chia theo thời
gian
Đường lên

Wifi

Wireless Fidelity

Mạng khơng dây chuẩn 802.11

WF

Water Filling

Phương pháp đổ nước

WiMax

Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Zero Forcing

Khả năng khai thác liên mạng trên
toàn cầu ñối với truy cập vi ba
Bộ lọc ép không

OFDMA

ZF


x

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
ρ

Tỷ số giữa cơng suất tín hiệu trên cơng suất nhiễu (SNR)

κ

Tỷ số giữa bán kính hai vịng trong trong một ơ

τ

Trễ truyền dẫn của kênh truyền

η

Hiệu quả tái sử dụng tần số

λ

Giá trị kỳ dị của ma trận

ε

Bậc của tổn hao trong khơng gian tự do

β

Biến có giá trị thay đổi tùy thuộc vào môi trường biểu diễn tổn hao kênh
truyền

σ2

Biểu diễn phương sai của nhiễu cộng

µ

1/ µ tương đương với độ cao của cột nước trong thuật tốn “đổ nước”

δ

Phương sai của các biến ngẫu nhiên độc lập có cùng phân bố Gauss

ξ

Thành phần trung bình tín hiệu tổng hợp trong phân bố Rice

ν

Biên ñộ ñỉnh của thành phần LOS trong phân bố Rice

τ

Trễ truyền dẫn của kênh truyền

|.|

Phép tính det của ma trận

||.||p

Tính norm cấp p của ma trận

(.)H

Chuyển vị và lấy liên hiệp phức cho ma trận hay một biến

⊗

Phép nhân Kronecker cho ma trận

CN(0,σ2)

Biểu diễn phân bố chuẩn có giá trị trung bình bằng khơng và phương sai
là σ2

fD

Tần số doppler

Ht+

Nghịch ñảo Moore-Penrose của ma trận

IM

Ma trận ñơn vị có kích thước M×M

Lc

Độ dài kênh vơ tuyến – tính bằng số mẫu tín hiệu

|M|

Đối với tập M thì dùng để tính số phần tử của tập M – Biểu thức cũng


xi

dùng tính giá trị tuyệt đối
Mms

Tổng số th bao MS trong toàn hệ thống

MT

Số lượng anten phát

MR

Số lượng anten thu

NFFT

Số lượng sóng mang con của hệ thống OFDM

Np

Độ dài khoảng bảo vệ mỗi kí hiệu OFDM

Nbs

Tổng số BS bằng tổng số ơ trong tồn hệ thống

TS

Thời gian một kí hiệu OFDM

Vec(H) Phép tính biến ma trận thành vector


xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1
Hình 1-2
Hình 1-3
Hình 1-4
Hình 1-5
Hình 1-6

Hình 1-7
Hình 1-8
Hình 1-9
Hình 1-10
Hình 1-11
Hình 1-12
Hình 1-13
Hình 1-14
Hình 2-1
Hình 2-2
Hình 2-3
Hình 3-1
Hình 3-2
Hình 3-3
Hình 3-4
Hình 3-5
Hình 3-6
Hình 3-7
Hình 3-8
Hình 3-9
Hình 3-10
Hình 3-11
Hình 3-12
Hình 3-13
Hình 3-14
Hình 3-15
Hình 3-16
Hình 3-17
Hình 3-18

Mơ hình hệ thống vơ tuyến
Minh họa tính chất truyền dẫn đa đường của tín hiệu vơ tuyến
(a) Đáp ứng xung (b) ñáp ứng tần số của kênh truyền
Đồ thị hàm mật ñộ phân bố xác suất Rice và Rayleigh
So sánh dung lượng kênh Rice và Rayleigh
So sánh dung lượng kênh Rayleigh trong trường hợp có và khơng áp
dụng thuật tốn “ñổ nước- Water filling “
Hệ thống nhiều anten thu phát
Dung lượng kênh MIMO
Hàm mật ñộ phân bố các giá trị kỳ dị (λi) của ma trận kênh MIMO
Dung lượng kênh MIMO có tương quan
Cấu trúc tín hiệu truyền trong hệ thống OFDM [1]
So sánh kết quả giữa hai phương pháp ước lượng kênh LS và MMSE
Sơ ñồ khối hệ thống MIMO-OFDM
So sánh các phương pháp ước lượng kênh khác nhau- Trường hợp
kênh khơi phục hồn hảo
Sơ đồ hệ thống tiền mã hóa MIMO-OFDM
Trường hợp kênh truyền được khơi phục hồn hảo tại bên thu
Trường hợp kênh truyền khơng được khơi phục hồn hảo tại bên thu
Phân chia sóng mang con cho các thuê bao trong hệ thống OFDMA
Phân bổ tập các sóng mang con tới các MS
Hàm mật độ xác suất kênh Rayleigh với số lượng thuê bao khác nhau
Dung lượng kênh Rayleigh với số lượng thuê bao khác nhau
Dung lượng tối đa của một ơ
Hệ thống OFDMA
Cấu trúc khung MAC đề xuất
SER So sánh giữa lý thuyết và mơ phỏng trường hợp số thuê bao
khác nhau [4]
So sánh dung lượng hệ thống trong các trường hợp khác nhau
Mơ hình mạng cấp phát kênh tập trung và phân tán. (a) cấp phát kênh

tập trung ñược quản lý bởi trung tâm ñiều khiển, (b) cấp phát kênh
phân tán, các BS hoạt ñộng không cần hệ thống ñiều khiển trung tâm
Hệ thống mạng hai ô
Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai ô ñến dung lượng toàn hệ thống
Dung lượng hệ thống trong trường hợp 19 ơ hình lục giác
Tỷ lệ số ơ được cấp phát trên tổng số ơ tồn mạng
Nhiễu đồng kênh trong mạng vơ tuyến cùng tần số
Nhiễu đồng kênh đường xuống trong hệ thống OFDMA-FDD
Mơ hình hệ thống 7 ô sử dụng lại 100% tần số
So sánh giữa phương pháp cấp phát kênh ñề xuất và phương pháp cấp


xiii

Hình 3-19
Hình 3-20
Hình 3-21
Hình 3-22
Hình 3-23
Hình 3-24
Hình 3-25
Hình 3-26
Hình 3-27
Hình 3-28
Hình 3-29
Hình 3-30
Hình 3-31
Hình 3-32
Hình 3-33
Hình 4-1

Hình 4-2
Hình 4-3
Hình 4-4
Hình 4-5
Hình 4-6
Hình 4-7
Hình 4-8
Hình 4-9
Hình 4-10
Hình 4-11

phát kênh ngẫu nhiên Nmax=16
Hiệu quả cấp phát kênh trong trường hợp Nmax khác nhau
So sánh hiệu quả cấp phát kênh của hệ thống trong trường hợp khơng
điều khiển và có điều khiển cơng suất
So sánh dung lượng hệ thống trong trường hợp không điều khiển và
có điều khiển cơng suất
So sánh phương pháp cấp phát sóng mang tốt nhất theo đề xuất và
phương pháp cấp phát sóng mang ngẫu nhiên - với các mức ngưỡng
khác nhau
So sánh chất lượng hệ thống trong trường hợp sai lệnh vị trí do MS di
chuyển trong trường hợp cấp phát sóng mang tốt nhất
Quan hệ giữa dung lượng và mức ngưỡng trong trường hợp có điều
khiển cơng suất
Quan hệ giữa dung lượng và mức ngưỡng trong trường hợp khơng
điều khiển cơng suất
Mơ hình sử dụng lại một phần tần số
So sánh trường hợp tái sử dụng tần số với các giá trị khác nhau.
Trường hợp κ = 1 tương đương với mơ hình khơng phân tập sóng
mang như hình

Lưu đồ thuật tốn cấp phát kênh đảm bảo chất lượng dịch vụ
Hiệu quả của phương pháp cấp phát kênh trong trường hợp có và
khơng có điều khiển cơng suất P=Pmax
Dung lượng hệ thống trong trường hợp SINRmin=10dB
So sánh chất lượng truyền dẫn của phương pháp MPM trong trường
hợp có và khơng điều khiển cơng suất
So sánh hiệu quả cấp phát kênh
So sánh giữa các phương pháp về mặt dung lượng cấp phát
Mơ hình mạng một ơ MIMO-OFDMA
Hệ thống MIMO-OFDMA
Thuật tốn cấp phát kênh động MIMO-OFDMA
So sánh giữa ZF and MMSE
Tỷ lệ lỗi SER trong trường hợp số lượng thuê bao khác nhau
Trường hợp khi thay ñổi tần số Doppler - hệ thống gồm 5 thuê bao với 50 kí hiệu trên một khung MAC [44].
Trong trường hợp khi thay đổi số kí hiệu trên một khung MAC – hệ
thống gồm 5 thuê bao, với tần số Doppler bằng 50Hz
Mạng nhiều ô MIMO-OFDMA
Kết quả cấp phát kênh cho hệ thống MIMO 2×2
Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh đến chất lượng tiền mã hóa và
khơng tiền mã hóa
Trường hợp kênh khơi phục hồn hảo-So sánh chất lượng hệ thống
trong các trường hợp có tiền mã hóa và khơng tiên mã hóa. Với trung
bình 6 th bao / 1 ơ
κ


xiv

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3-1

Hệ số tỷ lệ cho các phương thức ñiều chế

Bảng 3-2

Quan hệ giữa tốc ñộ bit và khoảng cách đã di chuyển của MS-với
thơng tin cập nhật vị trí là 32bit-tốc độ di chuyển của MS là 5m/s

Bảng 3-3

Các tham số dùng để mơ phỏng hệ thống


1

MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số là nhiệm vụ quan trọng ñầu tiên của bất kỳ
mạng thơng tin vơ tuyến nào. Có nhiều kỹ thuật ñược sử dụng nhưng trong luận án
này chỉ ñề cập ñến hai kỹ thuật là kỹ thuật tiền mã hóa dữ liệu trước khi truyền đi và
kỹ thuật tối ưu việc cấp phát kênh cho các thuê bao.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh theo
các sóng mang trực giao lần đầu tiên được đề xuất năm 1950, hoàn thành việc
nghiên cứu trong những năm 70 của thế kỷ 20. Tuy OFDM ra ñời sau nhưng từ năm
90 trở lại đây nó thực sự được ứng dụng rộng rãi trong các mạng thông tin như phát
thanh số (digital audio broad-casting (DAB) [107] truyền hình số mặt ñất (digital
video broadcasting for terrestrial transmission mode (DVB-T) [108], mạng nội bộ
tốc ñộ cao kiểu 2 (high performance local area network type 2 (HIPER- LAN/2)
[106], phát thanh số toàn cầu (digital radio mondiale - DRM) [109], và ñường dây

thuê bao số bất ñối xứng (asymmetric digital subscriber line - ADSL) [105],… và
ngày nay thì OFDM đã được chấp nhận một cách rộng rãi như là một kỹ thuật nền
tảng của mạng thông tin vô tuyến và là một trong các ứng cử viên sáng giá cho các
mạng di ñộng thế hệ 3G, 4G, LTE [111].
Khác với các công nghệ mạng truyền thống như TDM (Time Division
Multiplexing), FDM (Frequency Division Multiplexing), OFDM có những đặc điểm
riêng của nó là khả năng chống pha-dinh đa đường tốt, số lượng sóng mang con rất
lớn, nhưng lại rất nhạy cảm với sai lệch tần số và chất lượng tín hiệu sẽ suy giảm
nhanh nếu đồng bộ khơng được tốt. Chính vì vậy việc áp dụng OFDM trong môi
trường nhiều người sử dụng (OFDMA=Orthogonal Frequency Division Multiple
Access) còn hạn chế nhất là trong trường hợp ở ñường lên khi mà nhiều thuê bao
cùng truyền thông tin tới trạm thu phát gốc (BS). OFDMA [114] ñược biết như là
hệ thống OFDM với nhiều người sử dụng phân chia theo các sóng mang trực giao.
Kỹ thuật này có thể thấy tương tự như kỹ thuật FDMA.


2

Thêm vào đó, các hệ thống thơng tin vơ tuyến ñược trang bị với số lượng anten thu
phát ngày ngày càng nhiều hơn mà lý thuyết [22] ñã chứng minh rằng dung lượng
của hệ thống kênh nhiều ñầu vào nhiều ñầu ra (MIMO) tỷ lệ với giá trị nhỏ nhất của
số lượng anten phát và thu (min(MT,MR)). Tuy nhiên dung lượng của hệ thống
MIMO còn phụ thuộc vào sự tương quan về không gian giữa các anten thu phát
[79], dung lượng của kênh MIMO sẽ lớn nhất trong trường hợp kênh không tương
quan [70]. Nếu sự tương quan lớn lên thì dung lượng sẽ giảm với giới hạn dưới
tương đương với hệ thống một ñầu vào một ñầu ra (SISO). MIMO-OFDMA là sự
kết hợp giữa OFDMA và hệ thống gồm nhiều anten thu nhiều anten phát (MIMO).
Tổng quan các nghiên cứu về kỹ thuật cấp phát kênh và nâng cao hiệu quả sử
dụng băng tần cho hệ thống MIMO-OFDMA trong và ngoài nước như sau
Trong nước:

-

Các nghiên cứu về OFDMA và ứng dụng trong các mạng di ñộng thế hệ 3G, 4G
ñược ñề cập trong [2], [3]. Trong [2], [3], Đức ñề xuất phương pháp cấp phát
kênh ñộng phân tán áp dụng cho mạng OFDM ña người dùng hoạt ñộng ở chế
độ ghép song cơng phân chia theo thời gian (TDD). Phương pháp ñề xuất cho
phép mạng tái sử dụng tồn bộ tần số, đồng thời giảm nhiễu đồng kênh (CCI)
và tăng dung lượng tồn mạng. Việc giảm nhiễu đồng kênh và tăng dung lượng
mạng có thể thực hiện được nếu tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của
kênh phân tập ña ñường ñược khai thác triệt ñể. Bên cạnh đó, tính chất giống
nhau của kênh hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink) khi hệ thống
hoạt ñộng ở chế độ TDD cũng được áp dụng trong thuật tốn ñề xuất với mục
ñích giảm nhiễu ñồng kênh. Trong cơ chế cấp phát kênh được đề xuất, các cụm
sóng mang con ñược cấp phát cho việc truyền dữ liệu giữa một máy phát và một
máy thu chỉ khi các kênh con tương ứng với các liên kết giữa máy phát kể trên
tới các máy thu có khả năng bị gây nhiễu, bị suy hao sâu.

Ngoài nước:


3

-

Có nhiều giải pháp nâng cao thơng lượng của hệ thống thông tin thông qua việc
áp dụng các kỹ thuật mã hóa tín hiệu, phân tập anten hay điều chế ñặc biệt. Một
trong các kỹ thuật ñó là kỹ thuật tiền mã hóa (precoding). Tiền mã hóa là mã
hóa tín hiệu trước khi truyền đi. Các tín hiệu dữ liệu trước khi ñược truyền ñi từ
anten phát sẽ ñược mã hóa dựa trên các đặc điểm của kênh truyền kết nối giữa
bên phát và thu. Do cần phải phản hồi về bên phát thông tin trạng thái kênh

truyền (CSI) nên hiệu quả thực sự của kỹ thuật tiền mã hóa hồn tồn phụ thuộc
vào tốc độ bit kênh hồi tiếp. Việc sử dụng bảng mã là một giải pháp hiệu quả
trong trường hợp này [21], [59]. Ngoài việc thiết kế một bảng mã tối ưu thì việc
lựa chọn được từ mã thích hợp nhất với kênh truyền từ bảng mã cũng góp phần
vào nâng cao khả năng làm việc của hệ thống [40], [42].

-

Trong trường hợp hệ thống MIMO-OFDMA một ô với một hoặc nhiều anten
thu phát [83], các phương pháp cấp phát kênh thường ñặt ra một số tiêu chí với
các điều kiện cấp phát cho trước, như u cầu tối đa thơng lượng hệ thống [10]
[41], [30], hay giới hạn tổng cơng suất là khơng đổi [32], [102] hoặc tối thiểu
hóa cơng suất trong khi u cầu tốc ñộ bit hay tỷ lệ lỗi bit của các thuê bao phải
ñáp ứng yêu cầu chất lượng dich vụ [34], [49] hoặc địi hỏi sự cơng bằng quyền
truy nhập mạng giữa các thuê bao. [19], [20], [31], [43]. Ngoài ra nhờ vào tính
phân tập khơng gian của hệ thống nhiều anten (MIMO-OFDMA), kỹ thuật cấp
phát kênh có thể dựa trên các phương pháp mã hóa khơng gian thời gian [56],
[61], [68] hoặc sử dụng kỹ thuật lựa chọn cặp anten thu phát giữa BS và các MS
để tối ưu cơng suất bức xạ tín hiệu giữa các cặp anten [33], [73], [103].

-

Đối với trường hợp hệ thống gồm nhiều BS, việc tối ña dung lượng hệ thống
thường ñược ñặt lên hàng ñầu [14], [27], [48], [84]. Tuy nhiên trong mạng
nhiều ơ, do có ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh nên kỹ thuật cấp phát kênh
thường lấy tiêu chí giảm tối ña nhiễu ñồng kênh trong khi tăng ñược hiệu quả
sử dụng băng thông [26] hoặc tăng số kênh cấp phát [12], [14], [54], [24], [65].
Chú ý rằng tăng số lượng kênh cấp phát khơng đồng nghĩa với băng thơng của
hệ thống sẽ tăng lên [5], [45]. Một ñặc ñiểm của các hệ thống nhiều ô là sự

4

phức tạp trong biểu diễn tốn học bởi tính đa biến của hàm khơng lồi. Vì vậy
việc biểu diễn các phương trình tính tốn dung lượng hệ thống với mạng nhiều
ơ một cách chính xác là rất khó mà trong nhiều nghiên cứu thì các kết quả được
tính gần đúng [26], [48] hoặc cơng cụ mơ phỏng sẽ được sử dụng. Việc liên kết
giữa các BS thông qua trung tâm ñiều khiển cũng ñược thực hiện nhằm tăng
hiệu quả sử dụng băng thơng hệ thống. Dung lượng hệ thống cịn có thể mở
rộng ra trong trường hợp hệ thống nhiều ơ với kênh MIMO. Thêm vào đó việc
kết hợp hoạt ñộng giữa các BS và các kỹ thuật tiền mã hóa có thể tối ưu hiệu
quả sử dụng phổ tần hệ thống ở mức cao nhất [88], [104].
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu và tìm ra các giải pháp và các vấn đề cịn tồn tại nhằm nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần của các hệ thống vơ tuyến bằng kỹ thuật tiền mã hóa
và phương pháp cấp phát kênh ñộng cho hệ thống mạng di ñộng một ơ đến
nhiều ơ có từ một đến nhiều anten thu phát sử dụng cơng nghệ MIMOOFDMA.
Các vấn đề cần giải quyết của luận án
-

Với việc sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa, chất lượng của tín hiệu nhận được phụ
thuộc vào chất lượng của kênh truyền được khơi phục tại bên thu, bảng mã sử
dụng để mơ tả kênh truyền và phương pháp lựa chọn ma trận tiền mã hóa tối ưu
từ bảng mã. Do vậy đưa ra được một phương pháp tìm kiếm ma trận kênh
truyền tối ưu từ bảng mã là một vấn ñề luận án cần giải quyết.

-

Trong trường hợp hệ thống nhiều thuê bao, luận án tập trung nghiên cứu và ñưa
ra các giải pháp nhằm là giảm nhiễu đồng kênh, nâng cao thơng lượng, hiệu quả

sử dụng phổ tân và ñảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thuê bao trong hệ
thống. Các nghiên cứu được trình bày trong bản luận án này có thể chia ra thành
hai trường hợp. Trường hợp thứ nhất là đối với các hệ thống một ơ, trong
trường hợp này chỉ có một BS và nhiều MS nằm trong sự quản lý của BS.
Trường hợp thứ 2 là hệ thống gồm nhiều ô. Đối với trường hợp này việc cấp


5

phát kênh phức tạp hơn do có ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh giữa các ơ và
giữa các sector trong cùng một ô. Trong mỗi một trường hợp trên lại phân ra hai
trường hợp nhỏ hơn là trường hợp hệ thống chỉ có một anten thu phát (SISO) và
trường hợp hệ thống nhiều anten thu phát (MIMO).
-

Trường hợp hệ thống nhiều ô sử dụng công nghệ MIMO-OFDMA, luận án
nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh ñến chất lượng của tín hiệu tiền mã
hóa khi áp dụng phương pháp cấp phát kênh theo vị trí mà tác giả đã đề xuất.

2 . Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án
-

Vấn ñề ñồng bộ coi như ñã ñược giải quyết trong cả trường hợp ñường lên và
xuống.

-

Bộ khuếch ñại tín hiệu đầu vào máy thu được coi là lý tưởng và tuyến tính trên
tồn bộ băng tần số.

-

Đối với các hệ thống OFDMA thì băng thơng của hệ thống là cố định, số sóng
mang con trên tồn hệ thống là cố định. Kỹ thuật cấp phát kênh động có nghĩa
là mỗi th bao có thể được cấp phát một hay nhiều sóng mang con ở tại một
thời điểm bất kỳ.

-

Trong phần cấp phát kênh cho mạng nhiều ô – luận án chủ yếu nghiên cứu thuật
toán cấp phát cho trường hợp mạng sử dụng kỹ thuật FDD (Frequency Division
Duplex). Tuy nhiên các kết quả và thuật toán cấp phát có thể mở rộng cho cả
trường hợp TDD (Time Division Duplex).

-

Đối với vấn ñề chất lượng dịch vụ của hệ thống mà luận án đề cập, thì các tham
số chất lượng dịch vụ của hệ thống ở ñây ñược hiểu là tỷ số tín hiệu trên nhiễu
(SNR), tỷ số tín hiệu trên nhiễu ñồng kênh và nhiễu Gauss (SINR), mức cơng
suất nhiễu đồng kênh hay tỷ lệ lỗi bit của hệ thống chứ không mở rộng ra cho
các trường hợp các tham số khác.

3. Phương pháp nghiên cứu


6

-

Phương pháp tính tốn giải tích được áp dụng để phân tích và giải các phương

trình tốn học liên quan tới ma trận mơ tả các mơ hình kênh vơ tuyến. Tính tốn
dung lượng, tỷ lệ lỗi bít và khả năng cấp phát kênh cho hệ thống.

-

Phương pháp mô phỏng cũng được sử dụng để tìm ra các quy luật và giá trị tối
ưu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ.

4. Cấu trúc luận án
Luận án ñược chia thành 4 chương có nội dung như sau
Chương 1: Trình bày những khái niện cơ bản của thông tin vô tuyến. Trong chương
này có mơ tả về kênh vơ tuyến với số lượng anten thu phát lớn hơn hay bằng một và
các đặc điểm của nó. Việc khơi phục kênh truyền ñối với hệ thống sử dụng công
nghệ OFDM và MIMO-OFDM là một thủ tục quan trọng nó đảm bảo cho việc tái
tạo lại thơng tin truyền đi có chính xác hay khơng cũng được trình bày trong
chương này.
Chương 2: Trình bày về kỹ thuật nâng cao dung lượng của hệ thống MIMO-OFDM
bằng kỹ thuật tiền mã hóa thơng qua việc phản hổi các ñặc ñiểm của kênh truyền tới
bên phát. Chương này trình bày nguyên lý cơ bản của tiền mã hóa và phương pháp
sử dụng bảng mã để giảm bớt số bit thông tin cần thiết cho việc truyền lại các thông
tin trạng thái của kênh. Kỹ thuật lựa chọn ma trận tiền mã hóa và đề xuất của tác giả
cũng được trình bày ở đây [46]. Các kết quả mơ phỏng cho thấy ưu điểm của kỹ
thuật tiền mã hóa trong cả hai trường hợp kênh khơi phục hồn hảo và khơng hồn
hảo. Cuối cùng là kết luận của chương
Chương 3: Trình bày về kỹ thuật cấp phát kênh cho hệ thống mạng di động dùng
cơng nghệ OFDMA. Trong chương này chia thành hai phần, phần thứ nhất trình bày
về dung lượng và kỹ thuật cấp phát kênh cho trường hợp hệ thống có một ơ với
nhiều th bao sử dụng cơng nghệ OFDMA. Đặc điểm của phần này là việc lợi
dụng tính chất phân tập về kênh truyền trong mơi trường nhiều th bao để cải thiện
dung lương hệ thống. Các kết quả cho thấy dung lượng hệ thống tăng lên khi tăng

số lượng thuê bao [4]. Trong phần thứ hai của chương trình bày về trường hợp


7

mạng nhiều ô, nhiều thuê bao với kỹ thuật tái sử dụng 100% hay một phần tần số.
Các về ảnh hưởng của nhiễu và ñặc ñiểm dung lượng hệ thống mạng nhiều ơ cũng
được chỉ ra ở đây. Tiếp theo đó trong phần này trình bày về các kỹ thuật cấp phát
kênh cho mạng nhiều ô tái sử dụng tần số với hệ số bằng 1 và ñề xuất hai phương
pháp cấp phát kênh- phương pháp thứ nhất dựa trên vị trí của các thuê bao [5] và
phương pháp thứ hai là kỹ thuật cấp phát kênh ñảm bảo chất lượng dịch vụ [45].
Cuối cùng của chương là kết luận.
Chương 4: Nghiên cứu về dung lượng và kỹ thuật cấp phát kênh trong trường hợp
mạng di động sử dụng cơng nghệ MIMO-OFDMA. Trong chương này việc cấp phát
kênh áp dụng cho trường hợp hệ thống gồm nhiều anten thu phát. Phần đầu chương
trình bày kỹ thuật cấp phát kênh MIMO-OFDMA cho trường hợp hệ thống một ô.
Các nghiên cứu cho thấy dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
số lượng thuê bao, cấu trúc khung truyền MAC, tần số Doppler [44]. Phần tiếp theo
của chương áp dụng kỹ thuật câp phát kênh cho trường hợp mạng nhiều ô. Trong
phần này, kỹ thuật nâng cao dung lượng hệ thống bằng phương pháp tiền mã hóa
cũng được sử dụng ở ñây ñể nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu ñồng kênh ñến hiệu
quả của việc tiền mã hóa trong hệ thống. Phần cuối cùng của chương là kết luận
Cuối cùng là kết luận và phương hướng phát triển cho ñề tài


8

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN
Một hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm hai phần là phát và thu với số lượng anten
thu phát có thể lớn hơn hay bằng 1. Trong trường hợp tổng quát có thể coi gồm MT

anten phát, MR anten thu và MS dịng dữ liệu (xem Hình 1-1).

Hình 1-1: Mơ hình hệ thống vơ tuyến

Có thể phân chia hệ thống vơ tuyến thành các nhóm chính dựa trên số lượng anten
thu phát như sau:
-MT=MR=1

SISO

Hệ thống một ñầu vào một ñầu ra

-MT=1 và MR>1

SIMO

Hệ thống một ñầu vào nhiều ñầu ra

-MT>1 và MR=1

MISO

Hệ thống nhiều ñầu vào một ñầu ra

-MT>1 và MR>1

MIMO

Hệ thống nhiều ñầu vào nhiều ñầu ra

Số lượng anten thu phát trong các hệ thống vơ tuyến sẽ ảnh hưởng đến ñộ phức tạp,
chất lượng tín hiệu và dung lượng của hệ thống. Trong các hệ thống vơ tuyến thì
việc thiết kế các tín hiệu dữ liệu truyền, tín hiệu dẫn đường, phương pháp khơi phục
kênh truyền và dữ liệu hồn toàn phụ thuộc vào số lượng anten thu phát cụ thể
nhằm đảm bảo tối ưu hóa q trình thu phát thơng tin.
Trong chương này sẽ trước hết sẽ trình bày về các đặc điểm và dung lượng của kênh
vơ tuyến SISO và MIMO. Tiếp theo đó là trình bày về các phương pháp khôi phục
kênh truyền và dữ liệu.


9

1.1 Hệ thống một anten thu phát - kênh SISO
1.1.1 Đặc ñiểm phân bố và dung lượng kênh truyền
Trong truyền dẫn vơ tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ, tán xạ, nhiễu
xạ trên những vật thể, xe cộ, bức tường… một số sự phản xạ này sẽ ñến máy thu,
theo nhiều ñường, và ñược ñề cập như là mơi trường đa đường (multipath) [1].

Hình 1-2 Minh họa tính chất truyền dẫn đa đường của tín hiệu vơ tuyến

Mỗi đường truyền này sẽ có những khoảng cách truyền khác nhau, và do đó tạo ra
những khoảng thời gian truyền khác nhau. Nếu truyền tín hiệu RF trong mơi trường
đa đường, kết quả sẽ thu được tín hiệu là tập hợp của những thành phần đa đường
Hình 1-3(a). Trong đó mỗi một xung thể hiện một đường truyền với thời gian trễ τ
phụ thuộc vào quãng ñường của tín hiệu đã truyền đi. Trên hình Hình 1-3 (b) là ñáp
ứng tần số của kênh. Đáp ứng tần số của kênh cho ta biết kênh có hay khơng phụ
thuộc vào tần số [1].
Việc nghiên cứu sự phân bố biên độ đường bao của tín hiệu RF nhận được từ bên
phát là rất quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sự phân bố này có thể phân ra thành
nhiều loại nhưng trong luận án này chỉ ñề cập ñến hai phân bố là phân bố Rice cho

“micro-cell” và phân bố Rayleigh cho “macro-cell”. Trong số các tia sóng truyền
đến có chứa thành phần truyền thẳng đến máy thu thì lúc này phân bố sẽ là Rice.
Trong trường hợp này, các thành phần ña ñường ngẫu nhiên ñến bộ thu với những
góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu tầm nhìn thẳng (LOS). Ảnh hưởng của


10

tín hiệu LOS (có cơng suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có
cơng suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Rice rõ rệt hơn. Khi thành phần LOS bị suy
yếu, tín hiệu tổng hợp có đường bao theo phân bố Rayleigh. Vì vậy, phân bố Ricean
trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần LOS mất đi [67].

Hình 1-3 (a) Đáp ứng xung (b) ñáp ứng tần số của kênh truyền

Hàm mật ñộ xác suất của phân bố Rice [67].
 ξ − (ξ 2 + v2 2 )
 vξ 
2δ

I0  2 
p (ξ ) =  δ 2 e
δ 
0


v≥0

(1-1)

v<0

Ở ñây ξ là thành phần trung bình tín hiệu tổng hợp, v là biên ñộ ñỉnh của thành
phần LOS, δ là phương sai của các biến ngẫu nhiên độc lập có cùng phân bố Gauss,
I0: là hàm Bessel sửa ñổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Rice thường được mơ tả bởi thơng số K được định nghĩa như là tỷ số giữa
cơng suất tín hiệu xác định thành phần LOS và cơng suất các thành phần đa đường:

K=

v2
2δ 2

(1-2)

Hay viết dưới dạng dB ta có:

K(dB) = 10log

v2
(dB)
2δ 2

(1-3)

Hệ số K xác ñịnh phân bố Rice và ñược gọi là hệ số Rice. Khi v tiến đến khơng, dẫn
đến K tiến đến െ∞[dB thành phần LOS bị suy giảm về biên ñộ, phân bố Rice trở
thành phân bố Rayleigh (xem Hình 1-4). Hàm tốn học mơ tả phân bố Rayleigh như
sau:

11

ξ2

ξ − 2
p (ξ ) = 2 e 2δ
δ

(1-4)

Hình 1-4: Đồ thị hàm mật ñộ phân bố xác suất Rice và Rayleigh

dung lượng kênh truyền thơng tin được tính
∞

 P | h |2 
 p(h)dh (bps/Hz)
C = ∫ log 2 1 +
(1-5)
2
σ


0
Trong đó P là cơng suất tín hiệu nhận ñược, σ2 là công suất nhiễu Gauss, h là hệ số

của kênh truyền,

Ph = ξ , p(h) và p(ξ) có cùng phân bố xác suất. Tỷ số

SNR= P / σ 2 gọi là tỷ số giữa cơng suất tín hiệu trên cơng suất nhiễu.

Trên Hình 1-5 là dung lượng của kênh Rayleigh (ñường dưới cùng) và Rice (các
ñường nằm bên trên) trong các trường hợp v khác nhau (v tăng dần đi từ dưới lên).
Ta có nhận xét rằng dung lượng của kênh Rayleigh nhỏ hơn dung lượng của kênh
Rice. Điều này rõ ràng có thể hiểu được do kênh Rayleigh hồn tồn là do tín hiệu
phản xạ tạo thành nên độ suy hao trong tín hiệu truyền lớn cịn kênh Rice có tia nhìn
thẳng với qng đường đi ngắn và khơng có vật cản nên tín hiệu nhận được tốt hơn
do vậy dung lượng kênh truyền là cao hơn. Tuy nhiên trong mơi trường thực tế đối
với các hệ thống thơng tin vơ tuyến đặc biệt với các hệ thống di động thì việc địi
hỏi tín hiệu có tầm nhìn thẳng là rất khó mà trong phần lớn trường hợp tín hiệu nhận
được ở bên thu hồn tồn do tín hiệu phản xạ (ví dụ một máy điện thoại di ñộng ñặt
trong nhà). Do vậy các nghiên cứu về truyền tín hiệu với kênh phân bố Rayleigh