Kỹ thuật MIMO và ứng dụng

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

KỸ THUẬT MIMO VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Quang Hiếu

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên

Nguyễn Công Phương


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đặng Quang Hiếu, người đã

trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu,
sự tận tình hướng dẫn và những lời động viên của cô đã giúp tôi vượt qua nhiều khó
khăn trong q trình thực hiện luận văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn quý thầy, cô giảng dạy chương trình cao học thuộc
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền dạy cho tôi những kiến thức quý báu,
những kiến thức này rất hữu ích và đã giúp tơi rất nhiều khi thực hiện nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ
và tạo điều kiện cho tôi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Công Phương


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ............. 1
1.1 Một số vấn đề truyền tin trong môi trường vô tuyến ........................................... 1
1.1.1 Méo biên độ................................................................................................... 3
1.1.1.1 Mơ hình fading Rayleigh ....................................................................... 3
1.1.1.2 Mơ hình fading Rician ........................................................................... 3
1.1.1.3 Thống kê của fading ............................................................................... 4
1.1.2 Suy hao đường truyền .................................................................................... 5
1.1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường ............................................................... 7

1.1.4 Tạp âm trắng Gauss ....................................................................................... 7
1.1.5 Hiện tượng Doppler ...................................................................................... 8
1.2 Các mơ hình hệ thống thông tin không dây. ........................................................ 9
1.2.1 Hệ thống SISO .............................................................................................. 9
1.2.2 Hệ thống MISO ........................................................................................... 10
1.2.3 Hệ thống SIMO ........................................................................................... 10
1.2.4 Hệ thống MIMO .......................................................................................... 11
1.3 Kết luận chương ................................................................................................. 11
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MIMO ............................................................................ 13
2.1. Giới thiệu............................................................................................................ 13
2.1.1 Khái niệm về hệ thống MIMO .................................................................... 13
2.1.2 Ưu nhược điểm của kỹ thuật MIMO ........................................................... 14
2.2 Sơ lược phân tập................................................................................................. 14
2.2.1 Phân tập thời gian. ....................................................................................... 15
2.2.2 Phân tập tần số ............................................................................................ 16


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2.2.3 Phân tập không gian .................................................................................... 16
2.2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập ............................................................. 17
2.2.4.1 Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (SC) .......................................... 17
2.2.4.2 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) ............................................................... 18
2.2.4.3 Bộ tổ hợp với tỉ số tối đa (MRC) ......................................................... 18
2.3 Mã hóa khơng gian-thời gian ............................................................................. 21
2.3.1 Mã khối không gian thời gian STBC .............................................................. 21
2.3.2 Mã lưới không gian thời gian STTC ............................................................... 24
2.4 Mơ hình hệ thống MIMO ................................................................................... 26
2.4.1 Mơ hình Alamouti ........................................................................................... 30
2.4.2 Mơ hình V-BLAST ......................................................................................... 37

2.5 Kết luận chương ................................................................................................. 50
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDM ........................................................................... 51
3.1 Giới thiệu............................................................................................................ 51
3.2 Khái niệm chung ................................................................................................ 52
3.2.1 Hệ thống đơn sóng mang ............................................................................ 52
3.2.2 Hệ thống đa sóng mang ............................................................................... 52
3.2.3 Tín hiệu trực giao ........................................................................................ 53
3.3 Sơ đồ hệ thống OFDM băng cơ sở..................................................................... 55
3.4 Cơ sở toán học .................................................................................................... 56
3.4.1 Trực giao ..................................................................................................... 56
3.4.2 IFFT/FFT..................................................................................................... 56
3.5 Các kỹ thuật cơ bản trong OFDM ...................................................................... 57
3.5.1. Sơ đồ điều chế/giải điều chế ....................................................................... 57
3.5.2 Mã hóa kênh ................................................................................................ 58
3.5.3 Sắp xếp ........................................................................................................ 59
3.5.4 Kỹ thuật IFFT/FFT trong OFDM................................................................ 60
3.5.5 Tiền tố lặp CP.............................................................................................. 62
3.5.6 Ước lượng kênh........................................................................................... 64


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3.5.6.1 Khái niệm ............................................................................................. 64
3.5.6.2 Ước lượng kênh trong miền tần số....................................................... 66
3.5.6.3 Ước lượng kênh trong miền thời gian .................................................. 66
3.7. Kết luận chương ................................................................................................. 68
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MIMO ..................................................... 69
4.1 Giới thiệu............................................................................................................ 69
4.2 Hệ thống MIMO-OFDM .................................................................................... 70
4.2.1 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM ............................................................... 70

4.2.2 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ............................................... 73
4.2.3 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM V-BLAST ............................................. 77
4.3 Kết luận chương ................................................................................................. 81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................. 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 84


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
A
AMPS

Advance Mobile Phone Service

AWGN

Addition White Gaussian Noise
B

BER

Bit Error Rate

BLAST

Bell labs Layered Space Time
C

CDMA

Code Division Multiple Access

CP

Cyclic Prefix

CNR

Carrier Noise Rate

CSI

Channel State Information
D

DFT

Discrete Fourier Transform
E

EGC

Equal Gain Combiner
F

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FEC

Forward Error Correcting

FFT

Fast Fourier Transform
G

GSM

Global System For Mobile Communication
I

IS-95

Interim Standard 95

IS-136

Interim Standard 136

ISI

InterSymbol Interference

ITU

International Telecom Union

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ICI

InterChannel Interference
M

MS

Mobile Station

MIMO

Multi Input Multi Output

MMSE

Minimum Mean Square Error

MRC

Maximum Ratio Combiner

ML

Maximum Likelihood
N

NMT450

Nordic Mobile Telephone 450

NTT

Nipon Telegraph and Telephone
O

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P

PDC

Personal Digital Cell

PSK

Phase Shift Keying

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PSAM

Pilot Signal Assisted Modulation

PLL

Phase Lock Loop

pdf

Power Density Function
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation
R

RS

Reed-Solomon code
S

SC

Selection Combiner

STC

Space Time Coding

STBC

Space Time Block Coding

STTC

Space Time Trellis Coding

SNR

Signal to Noise Ratio


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

T
TACS

Total Access Communication System

TDMA

Time Division Multiple Access

TC

Turbo convolutional code
W

WCDMA

Wideband CDMA

WIFI

Wireless Fidelity

WIMAX

World Interoperability Microwave Access


DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh. ................................................................ 3
Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K. .................................. 4
Hình 1.3: Mơ hình hiện tượng Doppler. ..................................................................... 8
Hình 2.1: Tổng quan hệ thống MIMO ...................................................................... 13
Hình 2.2: Mơ hình phân tập khơng gian. .................................................................. 16
Hình 2.3: Mơ hình bộ tổ hợp kiểu lựa chọn. ............................................................. 17
Hình 2.4: Bộ tổ hợp kiểu quét. .................................................................................. 18
Hình 2.5: Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại. .......................................................... 19
Hình 2.6: Phương pháp tỉ số cực đại với 1Tx và 2Rx. .............................................. 20
Hình 2.7: Mơ hình hệ thống băng gốc. ..................................................................... 22

Hình 2.8: Ma trận mã STBC. .................................................................................... 23
Hình 2.9: Sơ đồ mã lưới ............................................................................................ 24
Hình 2.10: Mơ tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 ....................................... 25
Hình 2.11: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 .......................... 25
Hình 2.12 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành các kênh truyền ......................... 28
song song ................................................................................................................... 28
Hình 2.13: Mơ hình phân tập khi NT >NR ................................................................. 28
Hình 2.14: Mơ hình phân tập khi NTHình 2.15: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu ........................................... 30
Hình 2.16: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti ....................................... 31
Hình 2.17: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu ......................................... 34
Hình 2.18: Hệ thống V-BLAST.................................................................................. 38
Hình 2.19: Máy thu V-BLAST Zero-forcing.............................................................. 43
Hình 2.20 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu .................................. 44
Hình 2.21: Máy thu V-BLAST MMSE ....................................................................... 49
Hình 3.1: Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang. .............................................. 52
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống đa sóng mang. .................................................................. 52


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.3a: Bốn sóng mang trực giao nhau. .............................................................. 53
Hình 3.4a: Kỹ thuật đa sóng mang. .......................................................................... 54
Hình 3.4b: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. ............................. 54
Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống OFDM. ............................................................................. 55
Hình 3.6: Chùm tín hiệu M_QAM ............................................................................. 58
Hình 3.7: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM. ................................................................. 62
Hình 3.8: Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường......... 63
Hình 3.9: Tín hiệu Pilot trong miền thời gian và tần số. .......................................... 65
Hình 3.10: Tín hiệu pilot trong miền tần số. ............................................................. 65

Hình 4.1: Các chuẩn thơng tin khơng dây của IEEE ................................................ 70
Hình 4.2: Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM ............................................................. 71
Hình 4.3: Ma trận kênh truyền .................................................................................. 72
Hình 4.4: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti .......................................................... 73
Hình 4.5: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti ............................................................. 73
Hình 4.6: Máy phát MIMO-OFDM VBLAST............................................................ 77
Hình 4.7: Máy thu MIMO-OFDM VBLAST.............................................................. 80
Hình 4.8: ZF/MMSE Decoder ................................................................................... 80


LỜI NĨI ĐẦU

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thơng không dây ngày càng tăng cao. Các hệ thống
thông tin tương lai địi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng
thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống
và các phương thức ghép kênh cũ khơng cịn có khả năng đáp ứng được các yêu cầu
của hệ thống thơng tin tương lai.
Cơng nghệ MIMO có ưu điểm là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng
tầm phủ sóng trên cùng một băng thơng, đồng thời giảm chi phí truyền tải. Cơng
nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất từ
một anten tại một vị trí nào đó. Trong cơng nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng
nhiều anten để truyền sóng theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thơng
tin. Dữ liệu truyền sau đó sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã
được ấn định. Tuy nhiên, một vấn đề khác đặt ra là chất lượng của tín hiệu tại phía
thu bị ảnh hưởng rất nhiều bởi nhiễu trong quá trình truyền. Bởi vậy, để để tăng
dung lượng và chất lượng cho hệ thống thơng tin khơng dây thì một trong những
giải pháp được đưa ra là sự kết hợp giữa công nghệ MIMO và kỹ thuật OFDM.
Nội dung luận văn này trình bày tổng quan về hệ thống MIMO và ứng dụng,
cụ thể ở đây là kết hợp giữa MIMO và OFDM ứng dụng trong hệ thống thông tin

không dây. Nội dung đồ án chia làm 4 chương:
Chương 1: Một số vấn đề truyền tin trong môi trường vô tuyến
Chương 2: Kỹ thuật MIMO
Chương 3: Kỹ thuật OFDM
Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật MIMO
Học viên

Nguyễn Công Phương


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG
VƠ TUYẾN
1.1 Một số vấn đề truyền tin trong mơi trường vô tuyến
Ở phần này, ta tập trung vào những vấn đề tồn tại và khó khăn khi truyền tin
trong môi trường vô tuyến, cụ thể là trong các hệ thống thông tin di động.
Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế
nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ
thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời gian
hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống. Nhưng phổ tần dành
cho thơng tin di động thì có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng
kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật
độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống khơng
cao.
Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do fading và
nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển. Các hệ thống thông tin di
động thế hệ ba sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số
liệu tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền
thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2MHz. Nhưng tốc độ cực đại

này chỉ có trong các ơ pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14.4 Kbps sẽ được
đảm bảo cho di động thông thường ở các ô macro.
Những khó khăn trên sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật MIMO và ứng dụng
khi kết hợp MIMO-OFDM trong các hệ thống thôn tin không dây. Trong đồ án này
sẽ tập trung trình bày kỹ thuật này.
Mơi trường vơ tuyến trong thông tin di động
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hồn hảo của tín hiệu khác. Tuy nhiên,
trong một kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận
được sẽ là sự tổng hợp của các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ,

1


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín
hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc thu di chuyển
(hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vơ tuyến phụ thuộc vào các đặc tính
kênh truyền. Do đó, việc hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là
vấn đề rất quan trọng.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là mơi trường truyền sóng điện từ giữa máy
phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading
nhiều tia… Trong kênh truyền vơ tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu
giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu
ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.
Sự phản xạ: xuất hiện khi sóng điện từ được truyền đi, va đập trên một vật có
chiều dài rất lớn so với bước sóng của sóng điện từ. Phản xạ xuất hiện từ mặt đất,
các tòa cao ốc…

Sự nhiễu xạ: xuất hiện khi đường truyền vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu bị
một bề mặt có cạnh nhọn chặn lại, những sóng phụ do vật cản tạo ra ở khắp nơi. Ở
tần số cao, nhiễu xạ cũng như phản xạ phụ thuộc vào dạng hình học của vật thể,
biên độ, pha và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ. Mặc dù cường độ
trường giảm nhanh khi bộ thu đi vào vùng chắn (vùng tối), cường độ nhiễu xạ cũng
có và thường là đáng kể để tạo tín hiệu có ích.
Sự tán xạ: xuất hiện khi sóng lan truyền qua mơi trường mà độ dài của các
vật thể là nhỏ so với bước sóng và số vật cản trên đơn vị thể tích mơi trường là rất
lớn. Các bề mặt nhấp nhô, những vật thể nhỏ, sự thay đổi bất thường của kênh
truyền tạo ra sóng tán xạ. Thực tế thì tán lá rậm, bảng đường, cột điện tạo ra hiện
tượng tán xạ trong thơng tin di động.
Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng
thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục
được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các
kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật

2


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự
và đồng bộ sóng mang.
1.1.1 Méo biên độ
1.1.1.1 Mơ hình fading Rayleigh
Mobile Station (MS) khơng chỉ nhận tín hiệu phát mà cịn nhận nhiều phiên
bản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.
Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu nhiên
trong khoảng [0, 2 π ]. Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận được có
đặc tính nhiễu Gaussian thơng dải. Vì vậy hàm pdf của các thành phần đồng pha và

vng pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình khơng và phương sai
đồng nhất theo định lý giới hạn trung tâm. Hình bao pdf của chúng theo phân bố
Rayleigh:
P(r )
=

r

σ

2

e− r

2

/ 2σ 2

,r ≥ 0

(1.1)

σ 2 là phương sai

Và phân bố của θ là:
p (θ=
)

1
, 0 ≤ θ < 2π

2π

(1.2)

Hình 1.1: Hàm pdf theo phân bố Rayleigh.
1.1.1.2 Mơ hình fading Rician
Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trội
như đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vng pha khơng cịn có

3


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

trung bình khơng dù phương sai của chúng vẫn giống nhau. Khi đó hàm pdf của tín
hiệu nhận được có phân bố Rician:

 r − ( A +2r ) Ar
 e 2σ I 0 ( 2 ) r ≥ 0
p(r ) = σ 2
σ

0
r≤0

2

2

(1.3)

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 loại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ
khác:
K=

A2
2σ 2

(1.4)

Nếu khơng có thành phần trội A=0, I0 = 1, hàm pdf Rician suy giảm thành
hàm pdf Rayleigh. Khi A khá lớn so với σ , phân bố là xấp xỉ Gaussian. Vì vậy có
thể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading. Về mặt BER fading
Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.

Hình 1.2: Hàm pdf Rician với những giá trị khác nhau của K.
1.1.1.3 Thống kê của fading
a) Fast fading
Tín hiệu băng tần gốc thay đổi nhanh như thế nào so với tốc độ thay đổi của
kênh sẽ quyết định một kênh là slow fading hay fast fading. Trong một kênh fast
fading, đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh trong một chu kỳ symbol. Và thường

4


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

do phản xạ nhiều tia của sóng truyền, do các vật thể tán xạ như nhà cửa hoặc rừng

cây… Người ta thường xét fading trong từng 1/2 bước sóng. Hình bao của tín hiệu
nhận được có fast fading thường theo phân bố Rayleigh hoặc Rician.
Hai thông số quan trọng của fast fading là tốc độ vượt mức và thời gian
fading trung bình. Tốc độ vượt mức định nghĩa là tổng số lần bị fading trong một
khoảng thời gian chia cho chính khoảng thời gian đó. Nếu biết được thời gian
fading trung bình ta có thể chọn kỹ thuật mã hóa kiểm sốt lỗi thích hợp trong
truyền dẫn số. Cịn thời gian fading trung bình là tổng thời gian của từng fading chia
cho tổng số lần xảy ra fading. Giá trị này dùng để ước đoán số bit bị lỗi trong một
lần fading. Điều này lại được sử dụng để chọn phương thức mã hóa kênh thích hợp
trong hệ thống. Trong thực tế fast fading chỉ xuất hiện với tốc độ dữ liệu rất thấp.
b) Slow fading
Slow fading là sự thay đổi của suy hao được lấy trung bình trong khoảng vài
mét và chủ yếu là do phân bố địa hình và môi trường xây dựng giữa MS và BS.
Thông thường Slow fading phân bố theo hàm lognomal, vì vậy hình bao của tín
hiệu nhận được tính theo đơn vị dB tuân theo phân bố Gaussian. Slow fading còn
được gọi là hiện tượng bóng mờ.
Một kênh được gọi là fast fading hay slow fading khơng hẳn nó là kênh
fading phẳng hay kênh fading lựa chọn tần số. Fast fading chỉ đề cập đến tốc độ
thay đổi của kênh do sự chuyển động. Một số người thường nhầm lẫn giữa thuật
ngữ fast fading và slow fading với thuật ngữ fading diện rộng và fading diện hẹp.
Cần nhấn mạnh rằng fast fading và slow fading liên quan đến mối quan hệ giữa tỉ lệ
thời gian thay đổi trong kênh và tín hiệu phát, mà khơng liên quan đến mơ hình suy
hao đường truyền.
1.1.2 Suy hao đường truyền
Tại anten phát, các sóng vơ tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là
sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để
truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng
lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ

5

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

cơng suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu. Hay nói cách khác là cường độ
sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.
Cơng suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R:

 λ 
PR = PT GT G R 

 4πR 

2

(1.5)

PR : Cơng suất tín hiệu thu được (W).
PT : Cơng suất phát (W).
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng).
Gp : Độ lợi anten phát.

λ : Bước sóng của sóng mang.
R: Khoảng cách truyền.
Hoặc ta có thể viết lại là:

PT  4πR  1 1  4π  2 2 1 1
=
=  R f


PR  λ  GT G R  c 
GT G R
2

2

(1.6)

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
=-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB

(1.7)

Nói chung truyền dẫn trong khơng gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể
xây dựng mơ hình chính xác cho các tuyến thơng tin vệ tinh và các tuyến liên lạc
trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm
vi ngắn. Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di
động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc
tạo ra các mơ hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vơ
tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về khơng gian tự do khơng được thỏa, chúng
ta có cơng thức tính suy hao đường truyền như sau:

L pl = −10 log GT − 10 log G R − 20 log hBS − 20 log10 hMS − 40 log R
Với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

6

(1.8)

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

1.1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản
xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng
dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng
trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu
thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải
trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống khơng có cách khắc phục.
1.1.4 Tạp âm trắng Gauss
Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thơng và có phân
bố Gaussian về biên độ. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu
cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu
Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt
mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất
lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian
trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc
điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thơng tin vơ tuyến có thể được mơ
hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng (AWGN).
Như vậy tín hiệu khi truyền qua kênh truyền AWGN phải thêm vào một tín
hiệu ngẫu nhiên khơng mong muốn phân bố theo hàm Gauss:
1
p( x) =
σ 2π

e

−

( x − µ )2

(1.9)

2σ 2

7


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

1.1.5 Hiện tượng Doppler
Ù

Vl

θ

θ
X

Di động

Y

v

Hình 1.3: Mơ hình hiện tượng Doppler.
Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóng
mang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền fC. Xét trường hợp khi MS
di chuyển với vận tốc không đổi v với góc θ so với tín hiệu đến. Tín hiệu nhận
được là:
=
S (t ) Re { A exp [ j 2π ( fC − f D )t ]}

(1.10)

Trong đó A là biên độ, fC là tần số phát, fD là dịch Dopper.
fD =

v

λ

cos(θ )=

vf c
cos(θ )
c

(1.11)

Như vậy tần số nhận là:
f r = fC - f D

(1.12)

Dịch Dopper cực đại:
fm=

vf c
c

(1.13)

Tần số dịch Doppler có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào đầu thu di chuyển
về phía đầu phát hay đi cách xa đầu phát. Trong mơi trường thực tế, tín hiệu đến
theo các đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc đến khác nhau. Xét một
sóng phát dạng sin, thay vì là một độ dịch Doppler đơn giản ta nhận được đoạn phổ
trải rộng từ f c (1 − v / c) đến f c (1 + v / c) để chỉ sự trải phổ Doppler. Khi mọi hướng

8


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

của trạm di động hoặc mọi góc đến giả sử có xác suất bằng nhau (phân phối đều ),
mật độ phổ cơng suất của tín hiệu nhận được tính theo công thức:
S( f ) =

K
2π f M

1
f − fc 2
1− (
)

fm

(1.14)

Với K là hằng số.
Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:
Rs (τ ) = K .cos(2π f cτ ) J 0 (2π f mτ )

(1.15)

J0 là hàm Bessel bậc khơng.
Dịch Doppler có thể gây ra các vấn đề quan trọng nếu kỹ thuật truyền dẫn
nhạy cảm với lệch tần số sóng mang chẳng hạn như kỹ thuật OFDM.
1.2 Các mơ hình hệ thống thơng tin khơng dây.
1.2.1 Hệ thống SISO

Hình 1.8: Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng
một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một
bộ điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát
hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung
lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức
Shanon:
C = log2 (1+SNR)

9

bit/s/Hz

CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

1.2.2 Hệ thống MISO

Hình 1.9: Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống
MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thơng qua kỹ thuật Alamouti từ
đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và
vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống
tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công
thức:
C = log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz
1.2.3 Hệ thống SIMO

Hình 1.10: Hệ thống SIMO
Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống
SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các
anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thơng qua các giải thuật
beamforming hoặc MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết

10


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu,
được tính theo cơng thức:
C = log2 (1+M.SNR) bit/s/Hz
1.2.4 Hệ thống MIMO

Hình 1.11: Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ
thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ
vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại
nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngồi ra
dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp
bởi kỹ thuật mã hố khơng gian - thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền
được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và
độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có
thể xác định theo cơng thức:
C = log2 (1+M.N.SNR) bit/s/Hz
Hệ thống này sẽ được nghiên cứu nhiều hơn trong chương 2.
1.3 Kết luận chương
Kỹ thuật MIMO ra đời đã tạo ra rất nhiều ưu điểm cho hệ thống thơng tin vơ
tuyến nói chung hay di động nói riêng. Khi kết hợp với kỹ thuật OFDM sẽ cho hiệu
năng phổ cao, thích ứng với truyền dẫn đa đường trong hệ thống truyền dẫn không

11


CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ TRUYỀN TIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN

dây, tận dụng được sự phân tập anten từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu,
chống được hiện tượng Fading ảnh hưởng đến hệ thống băng rộng.
Các chương sau sẽ trình bày chi tiết từng kỹ thuật MIMO, OFDM và ứng
dụng trong các hệ thống thông tin không dây khi kết hợp MIMO-OFDM.

12

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MIMO

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MIMO
2.1. Giới thiệu
2.1.1 Khái niệm về hệ thống MIMO
Kỹ thuật MIMO (multiple input multiple output) trong truyền thông là kỹ
thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu.

Hình 2.1: Tổng quan hệ thống MIMO
Vào năm 1984, Jack Winters thuộc phịng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng
sáng chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vơ tuyến. Năm 1985, đồng nghiệp
của Winters tại phịng thí nghiệm Bell là Jack Salz đã xuất bản cơng trình về MIMO
dựa tên những nghiên cứu của Winters. Từ năm 1986 tới năm 1995, nhiều bài báo
về MIMO liên tục được đưa ra. Vào năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại
học stanford, Greg Raleigh và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa
đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ
trong hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện
tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996
G.J.Foschini thuộc phịng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAS (Diagonal-

13