Nghiên cứu thiết kế các phương pháp mã hóa không gian thời gian cho mạng di động 4G

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

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG PHÁP
MÃ HĨA KHƠNG GIAN – THỜI GIAN
CHO MẠNG DI ĐỘNG 4G

Chun ngành :

Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGUYỄN VĂN ĐỨC

Hà Nội – 2013


Mục lục
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 7
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG.
........................................................................................................................................ 10
1.1

Giới thiệu .......................................................................................................... 10

1.1.1
1.2

Mơ hình hệ thống thu phát vô tuyến .......................................................... 11

Những thách thức của kênh vô tuyến băng thông rộng .................................... 13

1.2.1

Suy hao đường truyền ................................................................................ 13

1.2.2

Hiệu ứng che khuất .................................................................................... 16

1.2.3

Fading ........................................................................................................ 17

1.3

Hệ thống MIMO ............................................................................................... 19

1.3.1

Mơ hình MIMO ......................................................................................... 19

1.3.1

Dung lư ng hệ thống MIMO ..................................................................... 20

1.3.2

Phân tập...................................................................................................... 23

CHƯƠNG II: MÃ HĨA KHƠNG GIAN THỜI GIAN ................................................ 31
2.1

Mã khối không gian – thời gian (STBC) .......................................................... 31

2.1.1

S đồ Alamouti .......................................................................................... 32

2.1.2

Giải mã Maximum Likelihood .................................................................. 33

2.1.3

S đồ Alamouti mở rộmg .......................................................................... 36

2.2

Mã lưới không gian – thời gian (STTC) ........................................................... 42

2.2.1

S đồ .......................................................................................................... 42

2.2.2

Thiết kế từ mã không - thời gian ............................................................... 47

2.2.3

Mã hóa/giải mã STTC trong các kênh fading phẳng ................................. 49

2.3

Mã lớp không gian – thời gian (V-Blast). ........................................................ 52

2.3.1

Kiến trúc V-BLAST .................................................................................. 52

1


2.3.2

Bộ thu V-Blast Zero-Forcing ..................................................................... 54

2.3.3

Bộ thu V-Blast Minimum Mean-Squared Error ........................................ 62

CHƯƠNG III: KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VÀ THAM SỐ KÊNH TRUYỀN 4G-LTE
HƯỚNG XUỐNG .......................................................................................................... 68

3.1

Tổng quan 4G-LTE .......................................................................................... 68

3.1.1

Giới thiệu về công nghệ LTE .................................................................... 68

3.1.2

Những đặc điểm nổi bật của mạng di động 4G-LTE................................. 72

3.2

Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống ....................................................... 73

3.3

Các tham số hệ thống ....................................................................................... 76

3.4

Tham số kênh truyền ........................................................................................ 76

3.5

Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA ........................................... 77

3.5.1

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ............... 77

3.5.2

Nguyên lý c bản của công nghệ OFDMA ............................................... 81

3.5.3

Ưu điểm của công nghệ OFDMA .............................................................. 83

CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................... 84
4.1

S đồ hệ thống MIMO OFDM đư c sử dụng .................................................. 85

4.2

Các chuẩn 3GPP đã sử dụng trong hệ thống .................................................... 86

4.2.1

Định dạng khung dữ liệu. .......................................................................... 86

4.2.2

Cấu trúc khe dữ liệu( Slot). ........................................................................ 87

4.2.3

Tín hiệu quy chiếu( cell-specific reference signal). .................................. 88

4.3

Kết quả mô phỏng............................................................................................. 89

KẾT LUẬN .................................................................................................................... 94

2


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt

Giải nghĩa tiếng Anh
Multiple Input Multiple
Output

Giải nghĩa tiếng Việt
Hệ thống đa anten phát
thu

1

MIMO

2

OFDM

Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

3

LTE

Long Term Evolution

Cải tiến lâu dài

4

4G

The fourth Generation of
mobile communication

Mạng di động thế hệ thứ 4

5

GSM

Global System for Mobile
communications

Hệ thống di động toàn cầu

6

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia
theo mã

7

STBC

Space Time Block Code

Mã hóa khối khơng gianthời gian

8

STTC

Space Time Trellis Code

Mã khơng gian thời gian
Trellis

9

SFBC

Space Frequency Block Code

Mã hóa khối khơng giantần số

10

STMLD

Space-Time Maximum
Likelyhood Decoder

Bộ giải mã h p lẽ tối đa

11

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỉ số đỉnh – công suất
trung bình

12

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Nhiễu tạp âm trắng

13

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

14

RMS

Root Mean Square

Trải trễ trung bình

15

CSI

Information of the Channel
State

Thơng tin về trạng thái
kênh

3

16

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

17

FCF

Frequency Correlation
Function

Hàm tư ng quan tần số

18

CCF

Cross Corelation Function

Hàm tư ng quan chéo

19

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

20

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

21

ICI

Inter-carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

22

IDFT

23

IFFT

24

V-BLAST

25

SINR

Inverse Discrete Fourier
Transform
Inverse Fast Fourier
Transform
Diagonal-Bell Laboratories
Layered Space-Time
Signal to Interference plus
Noise Ratio

Biến đổi Fourier rời rạc
ngư c
Biến đổi Fourier nhanh
ngư c
Mã lớp khơng gian – thời
gian
Tỉ lệ cơng suất tín hiệu
trên nhiễu.

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình hệ thống thơng tin số vơ tuyến ......................................................... 12

Hình 1.2: Q trình truyền trong khơng gian tự do....................................................... 15
Hình 1.3: Hiệu ứng che khuất trên đường truyền tín hiệu ............................................. 17
Hình 1.4: Thời gian trễ τ tương ứng với thời gian đáp ứng kênh truyền. ...................... 18
Hình 1.5: Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu ................ 20
Hình 1.6
ênh truyền nhiễu Gauss tr ng song song .................................................. 21
Hình 1.7 : Mơ hình kết hợp lựa chọn ............................................................................. 25
Hình 1.8: Mơ hình kết hợp tối đa hóa tỷ lệ kết hợp ....................................................... 26
Hình 1.9: Mơ hình phân tập phát vịng đóng ................................................................. 30
Hình 2.1 Sơ đ lamouti 2 anten phát v 1 anten thu ................................................... 32
Hình 2.2 ác sym ol phát v thu trong sơ đ lamouti ................................................ 33
Hình 2.3: Sơ đ hệ thống g m 2 anten phát v M anten thu. ........................................ 36
Hình 2.4: ết hợp Maximum Ratio với 1 v 2 anten ..................................................... 38
Hình 2.5: Sơ đ khối mã lưới STT . .............................................................................. 42
Hình 2.6 Sơ đ mã lưới .................................................................................................. 43
Hình 2.7
mã lưới k 1
3 v n 2 ................................................................... 44
Hình 2.8 ưới mã v sơ đ tr ng thái với k 1
3 v n 2 .................................. 44
Hình 2.9: Mã hóa lưới khơng - thời gian với 4-PSK ..................................................... 50
Hình 2.10 Hệ thống V-BLAST ........................................................................................ 53
Hình 2.11 Máy thu V-BLAST Zero-forcing .................................................................... 59
Hình 2.12 Máy thu V-BLAST MMSE ............................................................................. 66
Hình 3.1 Sơ đ khối phía phát TE downlink ................................................................ 74
Hình 3.2 Sơ đ khối phía thu TE đường xuống ........................................................... 75
Hình 3.3 Sơ đ hệ thống thơng tin sử dụng điều chế OFDM ........................................ 79
Hình 3.4 Dải ăng tần sử dụng trong OFDM ............................................................. 80
Hình 3.5 ấp phát dữ liệu đến các user ........................................................................ 81
Hình 3.6 Sơ đ khối hệ thống OFDM .......................................................................... 82

Hình 4.1 Sơ đ hệ thống ên phát. ................................................................................. 85
Hình 4.2: Sơ đ hệ thống ên thu. ................................................................................. 85
Hình 4.3 ấu trúc frame cho chế đ FDD ..................................................................... 86
Hình 4.4: ấu trúc frame cho chế đ TDD.................................................................... 86
Hình 4.5 ấu trúc mapping dữ liệu ............................................................................... 87
Hình 4.6 ác vị trí tương tứng của tín hiệu pilot........................................................... 89
Hình 4.7 SER của hệ thống TE MIMO-OFDM với Q M4 Q M16 Q M64 ............ 90
Hình 4.8 SER của phương pháp ước lượng tuyến tính v
lọc S. ............................ 90
Hình 4.9 SER của phương pháp
lọc S v
lọc MMSE. ........................................ 91
Hình 4.10 MSE của phương pháp
lọc S v
lọc MMSE. ..................................... 91

5


Hình 4.11 SER của các lo i mã hóa khơng gian thời gian ứng với tham số ds và du khác
nhau ................................................................................................................................ 92

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
ảng 1.1:
ảng 3.1:
ảng 3.2:
ảng 3.3:

ảng 3.4:

ác kí hiệu các tham số của kênh truyền vô tuyến. ...................................... 14
ác đặc điểm chính của cơng nghệ TE. ...................................................... 69
ác tham số hệ thống TE ............................................................................ 76
ác tần số Doppler xác định cho mơ hình kênh TE. .................................. 76
ác đặc tính cơng suất trễ của mơ hình kênh TE ....................................... 76

7


LỜI NĨI ĐẦU
Với sự tích h p giữa Internet và các ứng dụng multimedia trong truyền dẫn
không dây thế hệ mới yêu cầu tốc độ truyền dẫn dữ liệu cao trên nền băng tần rộng.
Nhưng tần số vô tuyến là hữu hạn nên để dẫn tốc độ cao chỉ đạt đư c khi kỹ thuật xử lý
tín hiệu hiệu quả h n. Hiện nay, mạng di động 4G đư c coi là hệ thống mạng di động
mới nhất đư c triển khai. Hệ thống đ i hỏi phải có dung lư ng cao h n tin cậy h n sử
dụng băng thông hiệu quả h n khả năng kháng nhiễu tốt h n. Hệ thống thông tin
truyền thống và các phư ng thức gh p kênh c không c n có khả năng đáp ứng đư c
các yêu cầu của hệ thống thông tin tư ng lai. Những nghiên cứu về lý thuyết thông tin
cho thấy hệ thống nhiều anten thu phát (MIMO) kết h p với kỹ thuật OFDM cho độ l i
lớn về dung lư ng kênh vô tuyến. Kênh MIMO đư c tạo với nhiều phần tử anten ở hai
đầu kênh truyền. Mã không gian thời gian là kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm mục đích đạt
đư c dung lư ng tốt nhất cho hệ thống MIMO.
Cơng nghệ LTE đã đư c nghiên cứu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP2 từ đầu
những năm 2004 và hiện nay đã đư c chuẩn hóa cơng nhận rộng rãi trên toàn thế giới
với chuẩn LTE và LTE Advanced theo nhiều phiên bản khác nhau. Các nhà phát hành
mạng, nhà sản xuất điện thoại trên thế giới c ng đã và đang dần có các sản phẩm
thư ng mại 4G-LTE đầu tiên. Ở Việt Nam việc triển khai mạng di động 4G-LTE vẫn
chỉ dừng lại ở bước triển khai thử. Do đó việc nghiên cứu, khảo sát đánh giá hiệu năng

lựa chọn các thông số hệ thống LTE nhận đư c rất nhiều sự quan tâm của giới khoa
học. Để nâng cao kiến thức của mình về lĩnh vực này c ng như là tìm hiểu các phư ng
pháp tối ưu ứng dụng cho mạng 4G đề tài sẽ trình bày về: Nghiên cứu thiết kế các
phư ng pháp mã hóa khơng gian - thời gian cho mạng di động 4G .
Sau những cố gắng nỗ lực học hỏi, nghiên cứu, luận văn đã thu đư c những kết
quả bước đầu về việc sử dụng phư ng pháp phỏng tạo kênh MIMO với tham số kênh
8


LTE, cùng với đó là kết quả mơ phỏng phân tích tỷ lệ lỗi ký tự (SER), sai số kênh
truyền (MSE) cho hệ thống 4G-LTE trong việc sử dụng các bộ lọc ước lư ng kênh
truyền khác nhau, từ đó đưa ra khuyến nghị ứng dụng cho hệ thống.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã tận tình chỉ bảo
giúp đỡ tơi trong suốt thời gian hồn thành luận văn. Với thời gian và kiến thức
cịn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Tơi mong sẽ nhận
được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cơ và các bạn để phát triển đề tài này tốt hơn nữa.

9


CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ CỦA KÊNH TRUYỀN
VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG.
Trong chương n y chúng ta sẽ tìm hiểu những thách thức lớn của kênh truyền
vô tuyến ăng thông r ng phụ thu c v o thời gian. hững ảnh hưởng n y ao g m có
suy hao đường truyền hiệu ứng che khuất v fading đa đường. go i ra tơi xin trình
y về kênh truyền MIMO.

1.1

Giới thiệu

Những dịch vụ đang đư c phát triển phổ biến hiện nay như : truy cập Internet

thư ng mại điện tử e-mail video theo yêu cầu

Đối tư ng sử dụng thông tin di động

rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát
triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G Fourth-Generation).
4G có yêu cầu kỹ thuật dung lư ng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng
thông cho ph p lại hữu hạn. Yêu cầu đó đã th c đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa
đầu vào-đa đầu ra MIMO Multi Input Multi Output và đạt đư c nhiều thành công
đáng kể. Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao xen
nhiễu fading hiệu ứng Doppler v.v

gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín

hiệu tại đầu thu. Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể trong trong việc giảm fading
đa đường. MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát đầu thu áp dụng kỹ thuật phân
tập mã hoá nhằm tăng dung lư ng kênh truyền cải thiện hiệu quả phổ mà không phải
tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu tr c MIMO đã đư c đề xuất và đạt
đư c nhiều hiệu quả to lớn như cấu tr c khơng gian-thời gian lớp dọc của ph ng thí
nghiệm Bell V-BLAST Vertical-Bell Laboratories Layered Space-Time mã hố khối
khơng gian-thời gian STBC Space-Time Block Coding mã hố Trellis khơng gianthời gian STTC Space-Time Trellis Coding

10


Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng đặt biệt là các
kênh fading lựa chọn tần số nhiễu liên ký tự Inter-Symbol Interference xuất hiện do
độ trễ của kênh truyền làm tăng tốc độ lỗi bit BER Bit Error Rate một cách đáng kể.

Để giải quyết vấn đề này một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang tên gh p kênh
phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing đư c áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn. OFDM chuyển kênh truyền
băng rộng fading lựa chọn tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng băng h p và
triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ có chiều dài lớn h n độ trễ của kênh truyền vào tín
hiệu đã đư c điều chế. Nhờ những ưu điểm nổi bật mà OFDM đã đư c ứng dụng rộng
rãi trong phát thanh số DAB Digital Audio Broadcasting
Digital Video Broadcasting

truyền hình số DVB

mạng cục bộ chất lư ng cao HIPERLAN High

Performance Local Area Networks), mạng cục bộ vô tuyến WLAN Wireless Local
Area Network theo chuẩn 802.

.a

Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM các nhà thiết kế đã kết
h p cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểm của ch ng MIMO-OFDM
làm nền tảng cho sự phát triển 4G. Trong tư ng lai nhiều nghiên cứu sẽ đự c phát
triển để cải tiến chất lư ng của hệ thống MIMO-OFDM như về thiết kế các bộ thu ước
lư ng kênh truyền đồng bộ v.v

1.1.1 Mô hình hệ thống thu phát vơ tuyến
Tất cả các hệ thống thơng tin số đều có thể mơ hình hóa thành một s đồ khối
như hình 1.1). Ngay cả với các hệ thống mạng khơng dây phức tạp, tồn bộ hệ thống
có thể chia thành các khối liên kết với nhau bao gồm khối phát, kênh truyền và khối
bên thu.

11


Hình 1.1: Mơ hình hệ thống thơng tin số vơ tuyến
Bên phát nhận các gói tin dưới dạng các bit từ các lớp giao thức cao h n và
chuyển ch ng thành các sóng điện từ để đưa tới bên nhận. Những bước quan trọng
trong thông tin số là mã hóa và điều chế. Bộ mã hóa thơng thường thêm các bit dư thừa
để có thể sửa sai đư c lỗi ở bên nhận. Bộ điều chế chuẩn bị tín hiệu dạng số cho kênh
vô tuyến và các thông tin điều khiển. Tín hiệu số điều chế đư c chuyển thành các dạng
sóng tư ng tự qua bộ biến đổi số tư ng tự (DAC và sau đó lại đư c chuyển lên băng
tần sóng vơ tuyến (RF). Tín hiệu RF này khi đó đư c bức xạ thành sóng điện từ qua
anten thích h p.
Ở bên thu thực hiện các bước ngư c lại với bên phát. Sau khi chuyển các sóng
vơ tuyến (RF) xuống tần số thích h p và lọc ra tín hiệu ở các tần số khác nhau, tín hiệu
ở băng tần c sở đư c chuyển thành tín hiệu số bởi bộ chuyển đổi tư ng tự thành số
(ADC). Tín hiệu số này có thể đư c giải điều chế và giải mã bởi một mạch số tích h p
để có thể khơi phục lại dạng bit như bên phát.
Mục đích chính của phần này là giải thích những yếu tố c bản ảnh hưởng tới
tín hiệu thu đư c trong hệ thống vơ tuyến và làm thế nào để có thể mơ hình hóa sử
dụng tập các tham số. Giá trị tư ng đối của các tham số này sẽ đư c chi tiết hóa trong
bảng (1.1 và đư c nói kĩ trong nội dung dưới, chúng ta sẽ nhận ra đư c tất cả các

12


điểm khác nhau khi thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến. Đồng thời trong phần
này, chúng ta sẽ giới thiệu mơ hình kênh truyền tổng qt và thảo luận về khả năng mở
rộng mà ảnh hưởng đến mô hình.

1.2

Những thách thức của kênh vơ tuyến băng thơng rộng

1.2.1 Suy hao đường truyền
Sự khác nhau đầu tiên và rõ nhận ra nhất giữa kênh truyền vô tuyến và hữu
tuyến là độ lớn của công suất đến bên nhận là bao nhiêu. Giả thiết chúng ta sử dụng
một anten đẳng hướng như ở hình dưới năng lư ng của tín hiệu truyền đi dưới dạng
các mặt cầu song song nhau, vì vậy năng lư ng nhận đư c ở anten với khoảng cách d
sẽ tỉ lệ nghịch với diện tích của mặt cầu 4 d2. Theo công thức tổn hao trong không
gian tự do, hoặc công thức Friis, công suất bên nhận đư c xác định như sau:

2Gt Gr
Pr  Pt
4d 2

(1.1)

Trong đó Pr và Pt lần lư t là công suất thu đư c và công suất phát ra, và
bước sóng. Xét với mơ hình TDL của phư ng trình

.

là

Pr/Pt là giá trị trung bình của

độ l i kênh có nghĩa là Pr/Pt = E||h||2 trong đó E[.] thể hiện cho giá trị mong muốn,
hay ý nghĩa toán học. Nếu anten định hướng đư c sử dụng ở bên phát hay bên thu, sẽ
có độ l i Gt hay Gr đạt đư c, và công suất bên máy thu sẽ tăng lên nhờ độ tăng ích này.
Mặt khác ta lại có c  f c     c / f c như vậy công suất nhận đư c sẽ tỉ lệ nghịch

với bình phư ng tần số sóng mang. Mặt khác, với cùng một cơng suất phát, khoảng
cách truyền tin sẽ giảm khi sử dụng tần số sóng mang cao h n. Đây là một yếu tố quan
trong có hệ thống thơng tin tốc độ cao, bởi vì muốn có băng thơng lớn thì tần số phải
cao.

13


Mơi trường truyền sóng ở mặt đất khơng phải là khơng gian tự do. Nó là sự
phản xạ từ mặt đất hoặc các vật thể khác sẽ làm tăng công suất nhận đư c bởi vì có
nhiều tia sóng đến bên thu. Tuy nhiên, bởi vì sóng phản xạ thường bị dịch pha 1800, sự
phản xạ ở khoảng cách tư ng đối xa (vài km) nên tạo ra các nhiễu giao thoa và phư ng
trình xấp xỉ hai tia đư c sử dụng tính tốn tổn hao đường truyền là:

Gt Gr ht2 hr2
Pr  Pt
d4

(1.2)

Với anten đẳng hưởng thì Gt = Gr = 1
Kí hiệu

Tham số
Bậc suy hao
Độ lệch loga chuẩn
Trải tần Doppler
Kênh thời gian kết h p
Độ trải trễ của kênh lớn nhất
Độ trải trễ của kênh RMS

a

Băng thông của kênh truyền
Độ trải góc RMS
ảng 1.1: ác kí hiệu các tham số của kênh truyền vô tuyến.

14


Hình 1.2: Q trình truyền trong khơng gian tự do
Tín hiệu truyền trong không gian tự do bị suy hao ở một vài điểm. Đầu tiên,
chiều cao của anten đóng một vai trị quan trọng trong q trình truyền dẫn. Bên phát
luôn luôn đặt ở trạng thái sẵn sàng nhất. Thứ hai bước sóng hay tần số sóng mang phụ
thuộc không xuất hiện từ công thức điều này không thấy đư c ở trong thực tế. Thứ ba,
và chủ yếu, khoảng cách độc lập thay đổi theo d-4 k o theo đó là sự suy hao năng
lư ng phụ thuộc nhiều h n vào khoảng cách trong hệ thống mặt đất h n là trong khơng
gian tự do.
Để có một cái nhìn tổng qt h n về mơi trường truyền, mơ hình thực nghiệm
đã đư c triển khai sử dụng các số liệu thực tế. Một trong những công thức suy hao tổng
quát và đ n giản nhất của thực nghiệm đó là:


d 
Pr  Pt P0  0 
d 

(1.3)

15

Trong cơng thức (1.3) có thêm ba thành phần là P0, d0 và α. P0 là công suất suy
hao đo đư c trên khoảng cách tham chiếu là d0 và thường đư c chọn là 1m. Trên thực
tế, P0 thường đư c lấy xấp xỉ là một vài dB. α là số m suy hao và đại lư ng này đư c
cho trong bảng trên.

1.2.2 Hiệu ứng che khuất
Như ch ng ta đã thấy, mơ hình suy hao cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa công
suất bên thu và bên phát theo khoảng cách. Tuy nhiên, rất nhiều các yếu tố khác ngồi
khoảng cách có thể ảnh hưởng lớn tới tổng cơng suất ở đầu bên thu. Ví dụ như cây cối
và các tòa nhà ở giữa bên phát và bên thu có thể gây ra sự suy giảm tạm thời độ lớn của
tín hiệu bên nhận. Khi mơ hình hóa sự xuất hiện của các đối tư ng vật chắn trong mơi
trường truyền tin là điều khá khó khăn phư ng pháp phư ng pháp tiêu chuẩn để đánh
giá sự thay đổi của biên độ tín hiệu đư c giới thiệu là hiệu ứng thay đổi ngẫu nhiên gọi
là sự che khuất. Với hiệu ứng che khuất, công thức suy hao đường truyền thực tế là:


d 
Pr  Pt P0   0 
d 

(1.4)

Trong đó  là một mẫu của quá trình che khuất ngẫu nhiên. Do đó cơng suất
bên thu bây giờ đư c mơ hình là một quá trình ngẫu nhiên. Vì vậy, hình dáng qng
đường truyền tin có ý nghĩa quan trọng với cơng suất ở đầu vào máy thu trong đó 
gây ra sự sai khác so với giá trị mong đ i. Chúng ta có thể nhấn mạnh rằng vì hiệu ứng
che khuất đư c gây ra bởi các vật thể lớn, cụ thể so với khoảng cách. Do vậy, hiệu ứng
che khuất thường đư c cho là fading tỷ lệ lớn.

Giá trị hiệu ứng che khuất  tiêu biểu đư c mơ hình như là biến số ngẫu nhiên
loga chuẩn đó là:

16


  10x /10 , trong đó x ~ N (0, s2 ),

(1.5)

Với N (0, s2 ) là phân bố Gaussian với giá trị trung bình là 0 và bậc tự do là  s2 .
Với công thức này độ lệch chuẩn  s có đ n vị là dB. Giá trị đặc trưng cho  s nằm
trong dải 6-12dB. Hiệu ứng che khuất là một hiệu ứng quan trọng trong mạng vơ tuyến
bởi vì nó gây ra SINR bên thu biến đổi theo thời gian dài. Ở một số tế bào, hiệu ứng
này gây ra việc thông tin tốc độ cao với độ tin cậy không đảm bảo. Việc thiết kế hệ
thống c ng như các trạm thu phát phải tuân theo hiệu ứng che khuất loga chuẩn qua
phân tập tối đa biến thiên theo cơng suất phát.

Hình 1.3: Hiệu ứng che khuất trên đường truyền tín hiệu
Xét trong vùng có phạm vi nhỏ thì hiện tư ng suy hao đường truyền và che
chắn là không đáng kể và có giá trị cho phép mà khơng làm ảnh hưởng đến chất lư ng
tín hiệu thu tại máy thu.

1.2.3 Fading
Một trong những yếu tố ảnh hướng của kênh vô tuyến là fading. Không giống
như suy hao đường truyền hoặc hiệu ứng che khuất, gây ra sự suy hao tỷ lệ lớn do
khoảng cách hoặc các vật cản, fading là do bên phía trạm thu nhận đư c rất nhiều

17

phiên bản khác nhau của cùng một tín hiệu. Các mẫu tín hiệu khác nhau đến bên thu là
do ảnh hưởng của việc phản xạ, tán xạ

hay c n gọi là hiệu ứng đa đường.

Khi một số tia phản xạ đến gần nhau, hiệu ứng kết h p như mô tả ở hình dưới.
Phụ thuộc vào sự sai khác về pha giữa các tín hiệu đến, nhiễu có thể đư c gia tăng
hoặc suy giảm điều này gây ra sự sai khác rất lớn về biên độ của tín hiệu nhận đư c
cho dù khoảng cách là ngắn. Mặt khác, khi di chuyển trạm phát và trạm thu một
khoảng khá ngắn thì có thể ảnh hưởng rất lớn về biên độ của tín hiệu nhận đư c, ngay
khả khi suy hao đường truyền và hiệu ứng che khuất có thể không thay đổi.
Để làm rõ h n những xem xét này, chúng ta sử dụng mơ hình kênh truyền như
phư ng trình h[k,t]=h0δ[k t] + h1δ[k-1 t] + … + hvδ[k-v,t]. Khi trạm phát và trạm thu
có sự dịch chuyển tư ng đối nhau đáp ứng kênh truyền h(t) sẽ thay đổi. Đáp ứng kênh
truyền này có thể đư c xem xét phụ thuộc 2 biến: một biến trễ là τ và một biến thời
gian t như hình 1.4). Vì kênh truyền thay đổi theo khoảng cách và thời gian, các giá
trị của h0,h1 … hv có thể hồn tồn khác ở thời điểm t và thời điểm t+Δt. Bởi vị kênh
truyền biến thiên theo cả τ và t, chúng ta phải sử dụng phư ng pháp thống kê để thảo
luận xem đáp ứng kênh truyền là gì.

Hình 1.4: Thời gian trễ τ tương ứng với thời gian đáp ứng kênh truyền.

18


Một hàm quan trọng và nền tảng nhất sử dụng thống kê để mô tả kênh truyền
fading là hàm tự tư ng quan hai biến, (Δτ Δt). Mặc dù nó có nhiều h n hai biến và do
đó đ i hỏi phải sử dụng phư ng pháp vẽ 3 biến, hàm tự tư ng quan có thể sử dụng đầy
đủ như hàm hai biến đ n giản, At(Δt) và Aτ(Δτ) khi đó cả Δτ và Δt phải đư c thiết lập

giá trị 0. Hàm tự tư ng quan đư c định nghĩa như:
(Δτ Δt)

E[h(τ1,t1)h*(τ2,t2)]
E[h(τ1,t1)h*(τ2 t+Δt)]
E[h(τ t)h*(τ+Δτ t+Δt)]

(1.6)

Trong đó ở bước đầu tiên, chúng ta giả thiết rằng đáp ứng kênh truyền là như
nhau. Ở bước thứ hai, chúng ta giả thiết rằng đáp ứng kênh truyền của tín hiệu đến ở
thời gian khác nhau, τ1 và τ2 là không tư ng quan.

1.3

Hệ thống MIMO

1.3.1 Mơ hình MIMO
Một hệ thống thơng tin điểm điểm đa anten băng h p gồm có N T anten phát và
Nr anten thu có thể đư c biểu diển bởi mơ hình rời rạc thời gian như sau :
 y1   h11
y  
 2   h21
 .   .


 .   .
 .   .

 

 y N R  hN R 1

h12
h22
.
.
.
hN R 2

.
.
.

.
.

.
.

.
.

.

.
.

19

h1NT   x1   n1 

h2 NT   x2   n2 
.  .   . 
    
.  .   . 
.  .   . 
   
hN R NT   x NT  n NT 

(1.7)


s1

s2

s Nt

TX1

RX1

TX1

RX2

TX Nt

RX Nr

x1

x2

xN r

H

Hình 1.5: Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu
Mô hình đư c biểu diễn đ n giản dưới dạng
y = Hx + n.

(1.8)

Với y  C NR biểu diễn tín hiệu nhận từ NR chiều NR anten). x  C N biểu diễn
T

tín hiệu nhận từ NT chiều NT anten ). n  C N kí hiệu nhiễu Gauss trắng N (0, 2 ).
R

H  C N R  Nt là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij kích thước NR×NT, hij có

biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên mỗi hệ số hij biểu diễn độ l i của kênh truyền từ
anten phát j đến anten thu i.
1.3.1

ung ư ng hệ thống

I

Giả sử rằng ch ng ta có N kênh truyền

chiều song song bị các nguồn nhiễu

Gauss có phư ng sai  12 ,..., N2 có tác động như hình 1.8. Dung lư ng mỗi kênh đ n
đư c tính theo định lý Shanon dung lư ng của hệ các kênh song song là tổng dung
lư ng của các kênh đ n :
N
 n2  Pn

)

B
log 2 ( 2 )
(1.9)

2
n
n
n
n 1
n 1
n 1
Với  là hệ số nhân Lagrange đư c chọn sao cho tổng công suất phát là
N

C  B log 2 (1 

Pn

N

)  B log 2 (
2

N

P   Pn
n 1

20


N (0, 1 )
2

x

y1

1

N (0, 

2
N

)

xN

yN

Hình 1.6

ênh truyền nhiễu Gauss tr ng song song

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và đư c xem là bất
biến suốt thời gian và tổng cơng suất phát tín hiệu từ NT anten phát phía thu đư c giữ
khơng đổi là P.
Dung lư ng của kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể đư c tính thơng
qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song theo phân bố
Gauss độc lập và vô hướng .

Với U  C N

R N R

H=UDVH
(1.10)
H
N N
và V  C
là các ma trận unitary (U .U  I NR ,V .V H  I NT ) ,
T

T

D  R NR NT là ma trận đường ch o với các hệ số thực không âm d1  d 2  ...  d N chính

là các giá trị đ n single value của ma trận H với N

min N T,NR hạng của H bằng

với số trị đ n khác khơng. Bình phư ng các trị đ n chính là các trị riêng n của ma
trận H.HH hay HHH .
d n  n

(1.11)

Các trị riêng n của ma trận HHH hay HHH đư c định nghĩa là vector thỏa mãn:
( HH   n I NR ) y  0 với y  0 là vector NR x 1)

21

(1.12a)


( H  H  n I NT ) y  0 với y  0 là vector NT x 1)

(1.12b)

Để đ n giản các trị riêng có thể đư c xác định theo biểu thức sau
(W  n I N ) y  0

Với

với y  0 là vector N

 HH H , N R  NT
W  H

H H , N R  N T

(1.13)
(1.14)

Biểu thức kênh truyền sẽ đư c viết lại như sau
y  Hx  n  UDV H x  n

(1.15)

Nhân hai vế của biểu thức với UH ta đư c biểu thức
U H y  U H UDV H x  U H n

(1.16)

Đặt ~
y  U H y, ~
x  V H x, n~  U H n, ta có biểu thức :
~
y  D~
x  n~

(1.17)

Nếu NT>NR: chỉ có NR tín hiệu đầu tiên thuộc ~x tách ra đư c. Nếu NTcó NT tín hiệu đầu tiên thuộc ~x có ích NR-NT cuối c ng khơng chứa thơng tin.
Ngồi ra dung lư ng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ l i gh p kênh
cung cấp bởi kỹ thuật mã hố khơng gian thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh
truyền đư c biết tại cả n i phát và thu hệ thống có thể cung cấp độ l i phân tập cực
cao và độ l i gh p kênh cực đại dung lư ng hệ thống trong trường h p phân tập cức

đại có thể xác định theo:
C = log2(1+NT.NR.SNR)

(1.18)

Dung lư ng hệ thống trong trường h p đạt độ l i gh p kênh cực đại có thể xác
định theo:
C = min(NT,NR). log2(1+SNR)

22

(1.19)


1.3.2 Phân tập
1.3.2.1 Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, một vài tần số đư c d ng để phát cùng một tín hiệu. Các
tần số cần cách nhau một khoảng lớn h n băng thông kết h p để tạo pha-đing độc lập.
Băng thông kết h p sẽ khác nhau với các môi trường khác nhau. Trong những hệ
truyền thơng di động, những bản sao tín hiệu phát đư c đưa tới n i thu dưới dạng dư
thừa trong miền tần số bằng tín hiệu trải phổ. Các kỹ thuật trải phổ sẽ hiệu quả khi
băng thông kết h p của kênh là nhỏ. Tuy nhiên khi băng thông kết h p của kênh lớn
h n dải thông tin tín hiệu trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ so với chu kỳ ký hiệu (kênh
phẳng . Trong trường h p này, trải phổ sẽ không hữu hiệu trong việc phân tập tần số.
C ng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm hiệu suất phổ có dư thừa trong
miền tần số.

1.3.2.2 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể đạt đư c bằng cách phát những mẫu tín hiệu giống
nhau trong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có đư c các tín hiệu pha-đing khơng

tư ng quan tại đầu thu. Yêu cầu của phư ng pháp này là khoảng thời gian giữa các lần
phát bản sao phải ít nhất bằng thời gian kết h p của kênh. Trong truyền thông di động,
mã sửa sai đư c kết h p với bộ xáo trộn để đạt đư c phân tập thời gian. Trong trường
h p này, những bản sao của tín hiệu phát thường đư c đưa tới bên thu dưới dạng dư
thừa trong miền thời gian bằng bộ mã sửa sai. Khoảng thời gian tách biệt giữa các bản
sao của tín hiệu phát đư c tạo ra bằng bộ xáo trộn để thu đư c pha-đing độc lập tại lối
vào của bộ giải mã. Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải mã trễ, kỹ thuật này thường rất
hiệu quả với môi trường pha-đing nhanh tốc độ di chuyển lớn) khi mà thời gian kết
h p là nhỏ. Với kênh pha-đing chậm, một bộ xáo trộn lớn có thể dẫn tới trễ rất lớn và
không thể dùng cho những ứng dụng thời gian thực như video âm thanh

23

Chính vì


vậy, phân tập thời gian không thể giúp giảm đư c suy hao pha-đing. Một như c điểm
đó là mơ hình này tạo ra sự dư thừa miền thời gian nghĩa là làm lãng phí băng thơng.

1.3.2.3 Phân tập khơng gian
Phân tập không gian là kỹ thuật phổ biến trong truyền thơng khơng dây và cịn
gọi là phân tập anten. Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những anten sắp xếp cùng
nhau trong khơng gian để truyền nhận tín hiệu. Những anten đư c đặt cách nhau một
khoảng thích h p để các tín hiệu trên từng anten khơng tư ng quan. Khoảng cách này
thay đổi theo độ cao anten mơi trường lan truyền tần số. Thường thì khoảng cách này
bằng một vài bước song là đủ để có đư c những tín hiệu khơng tư ng quan. Trong
phân tập khơng gian, những bản sao tín hiệu phát thường đư c gửi tới máy thu dưới
dạng dư thừa trong miền không gian. Không như phân tập thời gian và phân tập tần số,
phân tập không gian không làm suy giảm hay mất mát về hiệu suất phổ. Tính chất này
cho thấy đây là kỹ thuật thích h p với sự phát triển công nghệ truyền thông vô tuyến

tốc độ dữ liệu cao trong tư ng lai.
Một ưu điểm lớn của phân tập khơng gian là khi các anten có khoảng cách thích
h p thì hệ thống có thể tránh đư c phần lớn hiện tư ng suy giảm sâu ( deep fades ).
L i ích này có thể đạt đư c mà không cần sử dụng thêm băng thông hay tăng cơng suất
truyền. Ngồi ra, hệ thống MIMO c n có các ưu điểm khác:
-

Tăng độ tin cậy của hệ thống giảm lỗi bit lỗi ký tự

-

Tăng dung lư ng hệ thống.

-

Mở rộng v ng phủ sóng.

-

Giảm cơng suất phát yêu cầu.

24