BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

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

LÊ XN GIAO

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ
MƠ HÌNH MIMO ÁP DỤNG CHO 4G
Chun ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số : 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học :TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG

Hà Nội - 2008


MỤC LỤC
Trang
.....................................................................................................................................IV
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU...........................................................I
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................VIII
LỜI NĨI ĐẦU............................................................................................................IX
CHƯƠNG I...............................................................................................................XII
TỔNG QUAN VỀ MIMO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO

...............................................................................................................................XII
1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO. .XII
1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO........................................................XII
1.1.2 Ưu điểm MIMO................................................................................XIV
1.1.3 Nhược điểm MIMO............................................................................XV
1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO.................................................XV
1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn........................................................................XV
1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian , tần số, mã.........................................XV
1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực...................................................XV
1.2.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng
.......................................................................................................................XV
1.2.4.1 Beamforming................................................................................XV
1.2.4.2 Beamformer.................................................................................XVI
1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul..............................XVII
1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit..............................................XVIII
1.2.7 Các khái niệm về phân tập.............................................................XVIII
1.2.7.1 Phân tập đa đường.......................................................................XIX
1.2.7.2 Phân tập vĩ mô.............................................................................XIX
1.2.7.3 Phân tập thời gian.........................................................................XX
1.2.7.4 Phân tập anten thu........................................................................XX
1.2.7.5 Phân tập anten phát.......................................................................XX
CHƯƠNG II...........................................................................................................XXII
NGHIÊN CỨU XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỘ TRÌNH TIẾN TỚI 3G VÀ
4G CỦA MẠNG THƠNG TIN VƠ TUYẾN TRÊN THẾ GIỚI.....................XXII
2.1 Tổng quan mạng TT vơ tuyến hiện tại....................................................XXII
2.2 Nghiên cứu lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thông
tin vô tuyến trên thế giới...............................................................................XXIII
2.2.1 Tổng quan kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN của LTE trong
3GPP.........................................................................................................XXIII
2.2.2 Lộ trình tiến tới mạng TT vô tuyến 3G & 4G của mạng thơng tin vơ

tuyến trên thế giới.....................................................................................XXIV
2.2.2.1 Các tính năng chung của E – UTRAN....................................XXIV
2.2.2.2 Kiến trúc mơ hình E- UTRAN..............................................XXVIII


2.2.3 Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN và lộ trình tiến tới 4G.
....................................................................................................................XXX
2.2.3.1Kế hoạch nghiên cứu phát triển E- UTRAN..............................XXX
2.2.3.2 Lộ trình tiến tới 4G..................................................................XXXI
CHƯƠNG III.......................................................................................................XXXII
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ MƠ HÌNH MIMO ĐƯỢC ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG
TRONG VIỆC XÂY DỰNG MẠNG THƠNG TIN THẾ HỆ 4G................XXXII
3.1 Mơ hình MIMO tổng qt....................................................................XXXII
3.2 Các mơ hình hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân chia giá trị đơn
SVD(Singular Value Decomposition)........................................................XXXV
3.2.1 Mơ hình hệ thống SVD MIMO....................................................XXXV
3.2.2 Mơ hình hệ thống SVD MIMO tối ưu.................................................XL
3.2.3 Dung lượng kênh SVD MIMO.........................................................XLI
3.3 Các mơ hình phân tập thu.......................................................................XLIII
3.3.1 Mơ hình phân tập anten thu tổng qt............................................XLIII
3.3.2 Mơ hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc.................................XLIV
3.3.3 Mơ hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại...........................XLVI
3.3.4 Mơ hình phân tập anten thu kết hợp thu tỷ lệ cực đại với tách sóng khả
giống cực đại (MRRC- Maximum Ratio Receive Combining).............XLVII
3.4 Các mơ hình phân tập phát.....................................................................XLIX
3.4.1 Mơ hình phân tập anten phát tổng quát..........................................XLIX
3.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát với M anten thu...............................LIII
3.4.3 Mã khối không gian thời gian STBC tổng quát.................................LV
3.4.3.1 Thiết kế STBC.............................................................................LVI
3.4.3.2 Mã Alamouti.............................................................................LVII

3.4.3.3 Các STBC bậc cao.....................................................................LVII
3.4.3.4 Hệ thống phân tập lựa chọn anten thích ứng...............................LX
3.4.3.5 Tiền mã hóa phân tập tuyến tính.................................................LXI
3.5 Các mơ hình MIMO ghép kênh không gian..........................................LXIII
3.5.1 D-BLAST (Diagonal-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã khơng gian
thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo đường chéo)..................LXIV
3.5.2 V-BLAST (Vertical-Bell-Labs Layered Space-Time: Mã không gian
thời gian phân lớp phịng thí nghiêm Bell theo chiều đứng)...................LXIV
3.5.3 W-STC (Wrapped STC: Mã không gian thời gian quấn nhau).......LXV
CHƯƠNG IV........................................................................................................LXVI
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ MƠ HÌNH MIMO KHẢ
DỤNG CHO 4G DỰA TRÊN CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................LXVI
4.1 Cấu hình và các tiêu chí thực hiện mơ phỏng để đánh giá...................LXVII
4.2 Các mơ hình và các giả thiết cho việc đánh giá..................................LXVIII
4.3 Các giá trị hiệu năng đối với LTE sử dụng các sóng mang 5MHz FDDLXX
4.4 Đánh giá LTE trong 3GPP dựa trên mô phỏng động..........................LXXII
4.4.1 Các yêu cầu hiệu năng của LTE....................................................LXXII
4.4.2 Đánh giá hiệu năng LTE................................................................LXXII


4.4.3 Hiệu năng LTE với sóng mang FDD băng thơng 20 MHz..........LXXIII
4.5 Đánh giá lợi ích của kỹ thuật MIMO trong WiMAX.........................LXXIV
4.6 Kết luận...............................................................................................LXXVII
CHƯƠNG V....................................................................................................LXXVIII
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........LXXVIII
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................LXXX
PHỤ LỤC...........................................................................................................LXXXI
TÓM TẮT LUẬN VĂN.......................................................................................XCVI



-I-

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU
3G
3GPP
3GPP2
4G
ACI
AMPS
ARQ
AWGN
BER
BLAST
BPSK
CCI
CSI
CDF
CDMA
D-BLAST
DOA
E-GPRS
E-RAN
E- UTRAN
FEC
FDMA
GERAN
GPRS
HARQ
HSDPA
HSPA

HSUPA
Inter AS

Third Generation Mobile
Communications System
3rd Generation Partnership Project
3rd Generation Partnership Project 2
Fourth Generation Mobile
Communication System
Adjacent - Chanel Interference
Advanced Mobile Phone System
Automatic Repeat reQuest
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Bell Labs Layered Space-time
architecture
Binary Phase Shift Keying
Modulation
Co channel Interference
Channel State Information
Cumulative Distribution Function
Code Division Multiple Access
Diagonal-Bell-Labs Layered
Space-Time
Direction Of Arrival
Enhanced General Packet Radio
Service
Evolved Radio Access Network
Enhanced Universal Terrestrial
Radio Access Network

Forward Error Correction
Frequency Division Multiple
Access
GSM EDGE Radio Access
Network
General Packet Radio Service
Hybrid Automatic Repeat reQuest
High Speed Downlink Packet
Access
High Speed Packet Access
High Speed Uplink Packet Access
Inter Access System mobility

Hệ thống thông tin di động thế hệ
ba
Đề án của các đối tác thế hệ ba
Đề án thứ 2 của các đối tác thế hệ ba

Hệ thống thông tin di động thế hệ
bốn
Nhiễu kênh liền kề
Hệ thống điện thoại DĐ tiên tiến
Yêu cầu phát lặp tự động
Tạp âm Gauss trắng cộng
Tỷ số bit lỗi
Kiến trúc không gian thời gian
phân lớp của phịng thí nghiệm Bell
Điều chế khóa dịch pha hai trạng
thái
Nhiễu đồng kênh

Thơng tin trạng thái kênh
Hàm phân bố tích lũy
Đa truy nhập phân chia theo mã
Mã không gian thời gian phân lớp
phịng thí nghiêm Bell theo đường
chéo
Tạo búp dựa trên phương tới
Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp cải
tiến
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
phát triển
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
toàn cầu tăng cường
Hiệu chỉnh lỗi trước
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Mạng truy nhập vô tuyến GSM
EDGE
Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp
u cầu phát lại tự động lai ghép
Truy cập gói đường xuống tốc độ
cao
Truy cập gói tốc độ cao
Truy cập gói đường lên tốc độ cao
Ký hiệu cho quản lý di động giữa


-II-

MM
IMS

IMT
ISI
LTE
MIMO
MBMS
ML
MISO
MME
MMSE
MRC
MRRC
MS
NACK
OFDM
PCRF
PSK
QAM
QPSK
QoS
RX
SAE
SE
SER
SIR
SINR
SM
SNR
SISO
STBC
STC

SVD
SSDT

Management
IP Multimedia Subsystem
International Mobile
Telecommunication
Inter Symbol Interference
Long Term Evolution
Multiple Input Multiple Output
Multimedia Broadcast Multicast
Service
Maximum Likelihood
Multiple Input Single Output
Mobility Management Entity
Minimum Mean Square Error
Maximum Ratio Combiner
Maximum Ratio Receive
Combiner
Mobile Station
Not Acknowledge
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Polcy and Charging Rules
Function
Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Modulation
Quality of Service

Receiver
System Architecture Evolution
Spectrum Efficiency
Symbol Error Rate
Signal to Interference Ratio
Signal to Interference plus Noise
Ratio
Spatial Multiplexing
Signal to Noise Ratio
Single Input Single Output
Space Time Block Code
Space Time Coding
Singular Value Decomposition
Site Selection Diversity
Transmission

các hệ thống truy nhập
Hệ thống con đa phương tiện IP
Thông tin di động quốc tế
Nhiễu giữa các ký hiệu
Phát triển dài hạn
Nhiều đầu và nhiều đầu ra
Dịch vụ quảng bá đa phương tiện
Khả giống cực đại
Nhiều đầu vào một đầu ra
Thực thể quản lý di động
Sai lỗi bình phương trung bình cực
tiểu
Kết hợp tỉ lệ cực đại
Kết hợp thu tỉ lệ cực đại

Trạm gốc
Không công nhận nhận
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Chức năng các qui tắc tính cước và
chính sách
Điều chế dịch phase
Điều chế biên cầu phương
Điều chế khóa dịch pha cầu
phương
Chất lượng dịch vụ
Máy thu
Phát triển kiến trúc hệ thống
Hiệu suất phổ tần
Tỷ lệ lỗi ký hiệu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
âm
Ghép kênh khơng gian
Tỷ số tín hiêu trên tạp âm
Một đầu vào một đầu ra
Mã khối không gian thời gian
Mã hố thời gian khơng gian
Phân chia giá trị đơn
Truyền dẫn phân tập lựa chọn trạm


-III-

TD-SDMA

TX
UE
ULA
UMTS
URA
UPE
UTRA
UTRAN
V-BLAST
WCDMA
WiMAX
W-STC
ZF

Time Division-Synchronous Code
Division Multiple Access
Transmitter
User Equipment
Uniform Linear Array
Universal Mobile
Telecommunications System
Uniform Rectangular Array
User Plan Entity
UMTS Teresstrial Radio Access
UMTS Teresstrial Radio Access
Vertical-Bell-Labs Layered SpaceTime
Wideband Code Division Multiple
Access
Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Wrapped STC
Zero Forcing

Đa truy nhập phân chia theo mã
đồng bộ - phân chia theo thời gian
Máy phát
Thiết bị người sử dụng
Mảng anten tuyến tính đồng nhất
Hệ thống thơng tin di động tồn
cầu
Mảng anten chữ nhật đồng nhất
Thực thể mặt phẳng người sử dụng
Truy nhập vô tuyến UMTS
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS
Mã không gian thời gian phân lớp
phịng thí nghiêm Bell theo chiều
đứng
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
Khả năng tương hợp tồn cầu đối
với truy nhập vi ba
Mã khơng gian thời gian quấn nhau
Ép buộc về không


-IV-

KÝ HIỆU
A
b

B
BC
Bd
C
ES
ƒc
h
hnm
H
Gx+
Nr
Nt
Ni
Nb
Nu
N0
P
Prn

Paverage
R1, R2, R3
Rb
rc
Rtb
RS
RSource
SE
Tb
TC
T

Tr{}
X
Y
Wx+
σ
σ2
β
∆f

Biên độ đỉnh của tín hiệu vượt trội
Các bít thơng tin được phát bởi nguồn phát
Băng thơng tổng
Băng thông nhất quán
Độ rộng băng tần của số liệu hay thông tin
Dung lượng
Năng lượng ký hiệu
Tần số trung tâm
Vector kênh
Độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m
Ma trận kênh
Ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng
Số anten thu
Số anten phát
Độ sâu của bộ đan xen trong mạch mã hóa và đan xen
Số búp sẽ phát
Số người sử dụng
Mật độ phổ công suất AWGN (W/Hz)
Cơng suất
Xác suất lỗi bít
Xác suất lỗi trung bình

Tên của các điểm tham khảo trong mơ hình E-UTRAN
Tốc độ bit
Tỷ lệ mã
Tốc độ bit tổng của hệ thống
Tốc độ ký hiệu
Tốc độ nguồn phát
Dung lượng tức thời
Thời gian bit
Thời gian nhất quán
Chu kỳ ký hiệu
Vết của ma trận
Ma trận điều chế khơng gian thời gian
Ma trận Nb×L của các tín hiệu thu
Ký hiệu của Wx có thêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống
Giá trị trung bình quân phương của tín hiệu thu của từng thành
phần Gauss
Cơng suất trung bình theo thời gian của tín hiệu thu của từng
thành phần Gauss
Biến ngẫu nhiên của điện áp đường bao tín hiệu thu
Băng thơng sóng mang con của hệ thống OFDM


-V-

η

Tạp âm Gauss phức


-VI-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu.....................XIV
Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau.........................XVII
Hình 1.3 -Dẫy truyền dẫn đa anten.......................................................................XVII
Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit...................................................XVIII
Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao (OSTBC) 2x2...............................................................................................................XXI
Hình 2.1 -Mơ hình phát triển của mạng TTDĐ từ 2G trở đi...............................XXIII
Hình 2.2 -Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E- UTRAN................XXV
Hình 2.3 -Trễ mặt phẳng U..................................................................................XXVI
Hình 2.4 -Kiến trúc mơ hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp khơng chuyển
mạng......................................................................................................................XXIX
Hình 2.5 -Kiến trúc mơ hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng
chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt.......................................................XXIX
Hình 2.6 -Kiến trúc mơ hình E-UTRAN theo TR 23.822....................................XXX
Hình 2.7 -Kế hoạch nghiên cứu tiêu chuẩn E-UTRAN.......................................XXXI
Hình 2.8 -Lộ trình phát triển 3GPP......................................................................XXXI
Hình 2.9 -Lộ trình phát triển các cơng nghệ TT di động lên 4G.........................XXXI
Hình 3.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu.................XXXIII
Hình 3.2 -Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng
song song tương đương dưạ trên SVD...........................................................XXXVIII
Hình 3.3 -BER cho các kênh khơng gian phađinh phẳng điều chế BPSK trong
AWGN.......................................................................................................................XL
Hình 3.4 -Mơ hình SVD MIMO tối ưu...................................................................XLI
Hình 3.5 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp chọn lọc......................................XLV
Hình 3.6 -Mơ hình phân tập anten thu kết hợp tỷ lệ cực đại................................XLVI
Hình 3.7 -MRRC hai nhánh..............................................................................XLVIII
Hình 3.8 -Sơ đồ phân tập hai nhánh phát với một máy thu của Alamouti.................L
Hình 3.9 -Sơ đồ phân tập phát hai nhánh với hai máy thu Alamouti....................LIII

Hình 3.10 -Cấu trúc mã STBC................................................................................LVI
Hình 3.11 -Hệ thống phân tập chọn lọc anten..........................................................LX
Hình 3.12 -Sơ đồ hệ thống SM với ba anten phát và ba anten thu......................LXIII
Hình 3.13 -Thí dụ về cấu trúc các mã khơng gian thời gian phân lớp dử dụng cho
phép kênh không gian. a) D-BLAST, b) V-BLAST và c)W-STC........................LXV
Hình 3.14 -Tách lớp hai trong số bốn lớp của D-BLAST. B) Mã hóa V-BLAST.
................................................................................................................................LXV
Hình 4.1 -Thơng lượng người sử dụng đường xuống trung bình và biên ô phụ thuộc
vào lưu lượng được phục vụ. Truyền sóng thành phố điển hình...........................LXX
Hình 4.2 -Thơng lượng người sử dụng đường xuống trung bình và biên ơ phụ thuộc
lưu lượng được phục vụ. T ruyền sóng người đi bộ A.........................................LXXI
Hình 4.3 -Thơng lượng người sử dụng đường lên trung bình và biên ơ phụ thuộc lưu
lượng được phục vụ. Truyền sóng thành phố điển hình.....................................LXXII


-VII-

Hình 4.4 -Thơng lượng người sử dụng đường lên trung bình và biên ơ phụ thuộc lưu
lượng được phục vụ. Truyền sóng người đi bộ A...............................................LXXII
Hình 4.5 -Thơng lượng trung bình người sử dụng phụ thuộc hiệu suất phổ tần đối
với các sóng mang băng thơng 5MHz và 20 MHz............................................LXXIV
Hình 4.6 -BER cho AMC QPSK r1/2 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng
(ma trận B)...........................................................................................................LXXV
Hình 4.7 -BER cho AMC QPSK r3/4 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng
(ma trận B)...........................................................................................................LXXV
Hình 4.8 -BER cho AMC QPSK r1/2 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng
(ma trận B) cho các sơ đồ MIMO vòng kín......................................................LXXVI
Hình 4.9 -BER cho AMC QPSK r3/4 trong kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng
(ma trận B) cho các sơ đồ MIMO vịng kín......................................................LXXVI



-VIII-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1 -So sánh thông số và hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên
đường xuống và HSDPA......................................................................................XXVI
Bảng 2.2 -So sánh thông số bvà hiệu suất sử dụng băng tần giữa E- UTRAN trên
đường lên và HSDPA...........................................................................................XXVI
.Bảng 3.1 -Mã hóa và chuỗi ký hiệu phát cho sơ đồ phân tạp phát hai anten...........LI
Bảng 3.2 -Định nghĩa các kênh giữa anten phát và anten thu.................................LIII
Bảng 3.3 -Ký hiệu các tín hiệu thu tại hai anten thu...............................................LIII
Bảng 4.1 -Tập các trường hợp tối thiểu mô phỏng WCDMA/HSPA và LTE...LXVII
Bảng 4.2 -Các thông số tham khảo để mô phỏng hệ thống ô vĩ mô.................LXVIII
Bảng 4.3 -Các mô hình và giả thiết cho đánh giá..............................................LXVIII
Bảng 4.4 -Mục tiêu hiệu năng LTE trong TR25.913..........................................LXXII
Bảng 4.5 -Các giả thiết cho các kết quả trên hình 4.5.......................................LXXIV
Bảng 4.6 -Độ lợi MIMO vòng hởi so với MIMO mốc vòng hở đối với AMC trong
kênh người đi bộ B sử dụng hai luồng số liệu (ma trận B)................................LXXV
Bảng 4.7 -Độ lợi MIMO vòng kín so với MIMO mốc vịng hở đối với AMC trong
kênh 4x2 MIMO người đi bộ B sử dụng hai luồng số liệu (ma trận B)..........LXXVII


-IX-

LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây cùng với sự lớn mạnh về nhu cầu sử dụng thơng tin vơ
tuyến nói chung và thơng tin di động nói riêng đã thu hút nhiều sự quan tâm,
nghiên cứu nhằm phát triển hoàn thiện các hệ thống mạng không dây tốc độ cao.
Một trong những thách thức chủ yếu trong lĩnh vực này là : “ Tốc độ xử lý cao

đồng thời tiêu thụ ít điện năng trong các thiết bị di động có như vậy mới giảm kích
thước và tăng thời gian hoạt động của các thiết bị MS trong mạng không dây”. Do
đó thúc đẩy hướng nghiên cứu phải cải tiến kỹ thuật điều chế nhằm tăng hiệu suất
giải mã cũng như chất lượng phổ của hệ thống không dây.
Kỹ thuật MIMO trong mạng vô tuyến gần đây thực sự nổi bật và nó là mơ
hình duy nhất về băng rộng đáp ứng được thách thức trên, bởi MIMO đáp ứng
được việc truyền tin trên nhiều kênh khác nhau – việc này sẽ giúp chúng ta biểu
diễn, mô phỏng hệ thống dưới dạng ma trận thu gọn và như vậy sẽ hứa hẹn nhiều kỹ
thuật xử lý tín hiệu mới ra đời.
MIMO (Multiple input Multiple output) một cách tổng quát là hệ thống
nhiều đầu vào nhiều đầu ra. Trong thông tin vơ tuyến nó là hệ đa anten phát đa
anten thu và được áp dụng nhằm:
- Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu có
nghĩa là tách dịng số liệu từ một thiết bị đầu cuối thành N dòng số liệu riêng biệt
(còn gọi là phân tập phát) có tốc độ thấp hơn (N là số anten phát). Mỗi dòng số liệu
này sẽ được điều chế ( do đó cịn có khái niệm là “ Điều chế MIMO”) vào các
Symbol ( tín hiệu) của các kênh truyền. Các dòng số liệu lúc này chỉ bằng 1/N tốc
độ dòng số liệu ban đầu được phát đồng thời, như vậy về mặt lý thuyết , ở một số
điều kiện nhất định dung lượng tăng tuyến tính với min ( N t , N r ) , trong đó N t là số
anten phát, N r là số anten thu hay hiệu suất phổ tần được tăng lên N lần. Các tín
hiệu được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi
N anten của hệ thống thu. Tóm lại khi tăng số lượng anten sẽ làm tăng hiệu suất
công suất lẫn phổ tần
- Tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó.
- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả
máy phát và thu)
- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng


-X-


tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại cơng suất.
Tín hiệu từ các anten phát hồn tồn khác biệt nhau tại vị trí của các anten thu. Khi
truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi
anten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số khơng gian. Hệ thống máy thu
có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng
thời từ các anten khác nhau.
Khái niệm “phân tập phát/thu” ( như ở trên chính là một trong những dạng của mơ
hình MIMO) đều được sử dụng cho các hệ thống 3G như WCDMA, CDMA2000.
Đây cũng là một trong số các lý do tại sao các hệ thống thế hệ 3 như WCDMA lại
cung cấp dung lượng, dịch vụ tốt hơn nhiều so với các hệ thống 2G như GSM và
IS-95
Hiện nay các tiêu chuẩn vơ tuyến được phát triển liên tục, vì thế có thể tiên đốn
rằng các chuẩn lớp vật lý tương lai sẽ chứa đựng nhiều tăng cường trong các giải
pháp sử dụng nhiều anten. Một giải pháp được tiếp nhận cho hệ thống nhiều anten
thực tế là cân nhắc giữa ghép kênh phân tập, nhiễu đa người dùng và lập biểu thơng
qua các mơ hình MIMO, mỗi mơ hình này cũng có những ưu nhược điểm nhất định
địi hỏi phải vừa nghiên cứu lý thuyết vừa có triển khai thực tiễn.
Tại Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu lý thuyết để nâng cấp mạng từ 2G lên 3G
đã được định hướng theo một lộ trình đúng đắn. Ứng dụng triển khai hệ thống
WCDMA và CDMA2000 ở một số Công ty Viễn thơng di động mang lại hiệu quả
và lợi ích cho khách hàng rất cao, với các ứng dụng truyền thơng hữu ích như điện
thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thơng tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu
dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao... cùng nhiều ứng dụng
dịch vụ viễn thông tiên tiến khác chính là mục tiêu và động lực để người ta cung
cấp và sử dụng mạng di động 3G.
Trong tương lai rất gần một số mơ hình MIMO đã tích hợp trong WiMax sẽ được
triển khai trên diện rộng toàn quốc. Trên thực tế hiện nay công nghệ MIMO là công
nghệ nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác (WLAN,
WiMax…). Hiện nay trên thế giới có rất nhiều sản phẩm của nhiều hãng ứng dụng

cho mạng khơng dây theo chuẩn 802.11a/b/g đã tích hợp MIMO nhằm tăng tốc độ (
có thể lên tới 108Mbps), mở rộng vùng truyền sóng, tăng hiệu suất phổ tần, tạo sự
tin cậy cao…
Trong luận văn này, Tôi nghiên cứu một số mơ hình MIMO ( Multiple Input
Multiple Output ) ứng dụng cho 4G. Luận văn tập chung nghiên cứu các mơ hình


-XI-

MIMO với các khái niệm cơ bản cũng như việc mơ phỏng các mơ hình này nhằm
tính tốn các thơng số như: Giới hạn dung lượng kênh, BER, SNR, xác suất lỗi bit
….Từ đó đưa nhận xét đánh giá hiệu năng của một số mơ hình đã đưa ra.
Luận văn đã: Phân tích, đánh giá, hiệu năng một số mơ hình MIMO khả dụng
cho 4G dựa trên các kết quả mơ phỏng sau đó cũng đưa ra bàn luận các kết quả này.
Nội dung các chương trong luận văn được trình bầy như sau:
Chương I: Tổng quan về MIMO, một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO.
Chương II: Nghiên cứu xu hướng phát triển và lộ trình tiến tới 3G và 4G của
mạng thông tin vô tuyến trên thế giới.
Chương III: Nghiên cứu một số mơ hình MIMO được đề xuất áp dụng trong
việc xây dựng mạng thông tin thế hệ 4G.
Chương IV: Phân tích, đánh giá hiệu năng một số mơ hình MIMO khả dụng
cho 4G dựa trên kết quả mô phỏng.
Chương V: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
Để Tơi có được những kết quả như ngày hơm nay cũng như hịan thành nội
dung luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật này, trước hết phải kể đến công lao đào
tạo của tất cả các Thầy, Cô giáo trong mái trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng, sự động viên giúp đỡ của tất cả người thân, bạn bè. Đặc biệt là sự quan
tâm, hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng - Người đã gợi
ý cho Tôi hướng nghiên cứu của luận văn, hỗ trợ giúp đỡ Tôi những kiến thức khoa
học bổ ích. Thầy đã đưa ra những nhận xét quý giá và trực tiếp hướng dẫn Tơi
trong qúa trình thực hiện luận văn này.

Tơi xin chân thành cám ơn tất cả các Thầy, Cô giáo trong Học viện Cơng
nghệ Bưu chính Viễn thơng, đặc biệt là các Thầy, Cô giáo trong khoa Quốc tế và
Đào tạo sau Đại học, các đồng chí Lãnh đạo, các anh chị đồng nghiệp trong Viễn
thông Hải Dương nơi Tôi đang công tác.
Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè của Tơi, những
người đã động viên, khuyến khích Tơi rất nhiều trong cuộc sống cũng như trong
qúa trình cơng tác và học tập.
Với năng lực và thời gian hạn chế Luận văn này không thể tránh khỏi những
khiếm khuyết. Tôi mong muốn nhận được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các
Thầy Cơ giáo cùng các anh chị đồng nghiệp.


-XII-

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MIMO
MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG HỆ MIMO
1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO, ưu, nhược điểm của hệ thống MIMO
1.1.1 Tổng quan, khái niệm về MIMO
Từ những thập niên 90 của thế kỷ trước người ta đã cảnh báo rằng nhu cầu
người dùng mạng vô tuyến sẽ gia tăng rất mạnh trong các thập niên tiếp theo, vấn
đề đặt ra là làm thế nào cải thiện tốc độ số liệu, chất lượng, dung lượng và độ linh
hoạt của hệ thống. Khi tốc độ truyền số liệu của hệ thống mạng vô tuyến được cải
thiện sẽ đồng nghĩa việc thu hút người dùng sử dụng các dịch vụ gia tăng tốc độ
cao trên mạng khác ngồi thoại thơng thường như:
- Video conferencing
- Video surveillance
- Streaming video, music
- Interactive gaming

- Mobile IP
- VoIP
Có rất nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phịng thí nghiệm đã tập
chung nghiên cứu rất sâu sắc về MIMO bởi người ta cho rằng: công nghệ MIMO
thực sự là nền tảng của hệ thống 3G, 4G và các mạng không dây khác.
Cũng ngay từ những năm 90, nhóm nghiên cứu gồm Greg Raleigh và VK
Jones đã chỉ ra những đặc tính, ưu điểm của: “truyền sóng vơ tuyến đa đường”
(Radio transmission multipath)- đây là một phương thức truyền sóng mà trước đó
người ta thường quan niệm: Khi truyền sóng đa đường sẽ làm suy yếu sóng vơ
tuyến tại phía thu. Nhưng thực tế hai Ơng đã chứng tỏ rằng: “ Khi tín hiệu vơ tuyến
được gửi từ phía phát sẽ phản xạ qua rất nhiều vật thể trong mơi trường truyền
sóng tạo thành nhiều đường riêng biệt rồi mới tới được phía thu và ta có thể tận
dụng hiện tượng này làm tăng dung lượng của hệ thống lên nhiều lần”.
Hai Ông cịn cho rằng: Nếu ta có thể coi mỗi một kênh là các đường truyền riêng
biệt thì chúng ta có thể định tuyến các đường truyền này và tách chúng ra thành các
“đường truyền ảo” . Một kênh có nhiều đường truyền ảo như trên thì cũng có thể
coi là “một bó các đường truyền ảo”. Để tận dụng bó các đường ảo này trong khi
truyền dữ liệu người ta sử dụng một hệ thống nhiều anten phát và nhiều anten thu


-XIII-

nhằm phân tập anten, hệ thống này gọi là MIMO; MIMO sẽ giải mã được luồng số
liệu tốc độ cao thơng qua các anten của nó. Mỗi một anten này sẽ tách luồng số liệu
tốc độ cao thành luồng số liệu có tốc độ thấp hơn. “ Bó các đường truyền ảo” ở trên
sẽ được dùng để truyền các luồng số liệu tốc độ thấp này một cách đồng thời.
Trong các hệ vơ tuyến tín hiệu phát được phát ra theo rất nhiều đường như vậy phải
dùng các bộ định tuyến để định tuyến được “ bó các đường truyền ảo” này. Khi nói
đến khái niệm “các đường” thì giữa những đường này phải có “khoảng cách” hay
“khe hở”, như vậy tín hiệu hồn tồn có thể nhảy từ đường này sang đường kia khi

chúng được truyền đi như vậy tại phía thiết bị thu do đó trong mơ hình MIMO phải
sử dụng các thuật toán đặc biệt hoặc các bộ vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách và khơi
phục tín hiệu thu được thành tín hiệu ngun thủy ban đầu như phía phát.
Vào cuối những năm 1990 một bước tiến sâu hơn và lý thuyết điều chế và mã hóa
đã được Tarokh cùng các tác giả khác và Alamouti thực hiện với các mã không gian
thời gian (cụ thể: Kỹ thuật phân cực đơn giản, hiệu quả sử dụng 2 anten phát được
giới thiệu bời Alamouti và được tổng quát hóa cho trường hợp nhiều anten phát bất
kỳ bởi Tarokh). Cũng đồng thời trong thời gian này, Foschini và Telatar cũng đã
chứng minh một phương pháp tăng dung lượng kênh bằng cách sử dụng hiệu quả
kích thứơc không gian. Một số trong các khái niệm này nhận được thuật ngữ chung
là "phân tập phát" hay "điều chế MIMO". Phân tập phát khơng hồn tồn là một
khái niệm mới. Các khái niệm do Witneben và Hiroike đề xuất cũng các tác giả
khác sử dụng phân tập thông qua các giải pháp xử lý hiệu quả tín hiệu. Các bài báo
đầu tiên này thiếu các nét mã hóa của vấn đề thiết kế tín hiệu nhưng thường dễ ràng
thực hiện và vì thế nhận được sự quan tâm của các kỹ sư khơng phải là các học giả
mã hóa. Các giải pháp phân tập phát hay MISO (Multi-input single-output: nhiều
đầu vào một đầu ra) đảm bảo phân tập và độ lợi hiệu năng nhưng không nhất thiết
là độ lợi phổ. Độ lợi phổ đòi hỏi khai thác chặt chẽ các kênh MIMO và bao hàm cả
sử dụng các kỹ thuật truyền dẫn nhiều anten.
Năm 1998 Phịng thí nghiệm Bell nghiên cứu đưa ra mơ hình ghép kênh
khơng gian (spatial multiplexing) nhằm cải tiến hiệu suất hệ MIMO.
Như vậy ta có thể định nghĩa MIMO trong hệ thống thơng tin vô tuyến như
sau: “Nếu một hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng nhiều anten ở cả phía phát lẫn
phía thu thì ta gọi nó là một hệ thống MIMO”.


-XIVh1.1
TX 1

h1,2


TX 2

RX 1

RX 2

Máy phát

Máy thu
h1, Nr

TX Nt

RX Nr

Hình 1.1 -Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu
Hiện nay IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa
ra các chuẩn 802.11n là chuẩn cho mạng vô tuyến thế hệ sau. Trong chuẩn này tốc
độ truyền số liệu có thẻ lên tới 100Mb/s hoặc hơn nữa – đây là con số mà tại thời
điểm hiện nay chỉ có áp dụng MIMO thì mạng vơ tuyến theo chuẩn 802.11a/b/g
mới đạt được. Trong chuẩn này qui định sóng radio sử dụng cho anten để truyền
một dòng dữ liệu –đây là dạng điển hình của anten thơng minh thay cho một hệ
anten. Anten thông minh là kỹ thuật anten mảng, nhưng MIMO lại ghép nhiều
mảng anten thành một mảng anten thơng minh để truyền đồng thời dịng dữ liệu rát
lớn – đây là yếu tố làm tăng dung lượng mạng vô tuyến. Qui định trong thiết kế của
chuẩn này cũng làm giảm méo tín hiệu và nhiễu thơng qua các chuẩn về chuyển
mạnh của hệ đa anten, phân tập lựa chọn, tần số tạo bước sóng và tổ hợp các phân
tập thích ứng (Adaptive diversity combining).
1.1.2 Ưu điểm MIMO

Với tất cả đặc tính kể trên ta có thể kết luận vắn tắt về các ưu điểm của hệ MIMO
như sau:
- Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu.
- Tăng cường khả năng chống phading thậm chí phần nào khai thác được nó.
- Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng và điều khiển hướng phát xạ không tại cả
máy phát và thu)
- Giảm mức công suất phát trên đường truyền từ anten phát nhờ sẽ giảm điện năng
tiêu thụ và đơn giản hóa các vấn đề thiết kế bộ khuếch đại công suất.


-XV-

1.1.3 Nhược điểm MIMO
- Chi phí giá thành cho thiết bị cao hơn (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, và phải
dùng các bộ vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…)
- Giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.
1.2 Một số khái niệm cơ bản trong hệ MIMO
1.2.1 Tài nguyên truyền dẫn
Tài nguyên truyền dẫn đựơc chia thành hai loại: "không gian" và "thời gian".
Trong chiều "không gian", đơn vị rời rạc được coi là "anten", còn trong chiều "thời
gian" đơn vị rời rạc được coi là " chu kỳ ký hiệu" hay "thời gian ký hiệu". Sự khác
biệt căn bản giữa hai kích thước này là kích thước thời gian về căn bản là trực giao
trong khi đó kích thước khơng gian: các ký hiệu được phát đồng thời từ các anten
đồng kênh gây nhiễu cho nhau
1.2.2 Trực giao căn bản: Thời gian , tần số, mã.
Ngoài khái niệm ghép kênh phân chia theo thời gian, chiều "thời gian" trực
giao căn bản có thể chỉ thị ghép kênh phân chia theo tần số hoặc ghép kênh phân
chia theo mã. Để đảm bảo tính trực giao trong chiều thời gian, cần loại bỏ nhiều
giữa các ký hiệu trong các kênh đa đường. Điều này có nghĩa cần sử dụng cân bằng
hợp lý khi ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc khoảng bảo vệ khi ghép kênh

phân chia theo tần số trực giao (OFDM).
1.2.3 Phân tách không gian hay phân cực
Chiều "khơng gian" có thể chỉ thị các anten hoạt động trong các vùng cách ly
không gian hay trong các phân cực khác nhau. Do môi trường tán xạ địa phương
khác nhau, các anten được đặt đủ cách ly trong không gian sẽ tạo ra các kênh
phađinh hầu như độc lập. Điều kiện "đủ" ở đây phụ thuộc và môi trường. Trong các
ô vĩ mô ở vùng nông thôn, có thể cần cách ly vài bước sóng để các anten khơng
tương quan với nhau, cịn trong mơi trường trong nhà chỉ cần một nửa bước sóng là
đủ. Đối với phân cực, tỷ lệ ghép phân cực vng góc quyết định phân cực có đảm
bảo phân tập hay tạo nên các kênh song song cận trực giao.
1.2.4 Beamforming-Kỹ thụật hướng búp sóng, Beamfomer- tạo búp sóng
1.2.4.1 Beamforming
Là kỹ thuật xử lý tín hiệu vơ tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu
dạng anten mảng (anten mảng trong beamforming là dùng các phần tử anten đặt sát
nhau, sau đó điều chỉnh pha cấp sóng cho anten để tạo búp sóng hẹp; điều chỉnh pha
các phần tử anten nhằm hướng về máy di động. Do phát hẹp nên không gây nhiễu ở


-XVI-

cự ly xa) để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi angten phát và độ
nhạy phí thu. Nhiễu trong tín hiệu nhận được khi dùng kỹ thuật beamforming sẽ
giảm, bởi vì beamforming lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần
tử anten mảng. Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều
chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu. Đồng thời khi đang
truyền tín hiệu người ta có thể nâng cơng suất của tín hiệu một cách trực tiếp.
Tại phía thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổ hợp lại khả
giống như mẫu ban đầu, đồng thời cũng tại phí thu các bộ tạo búp sóng tại các anten
sẽ điều chỉnh các biên độ của tín hiệu thơng qua các trọng số của nó như vậy tín
hiệu nhận được sẽ được khơi phục như mong muốn.

1.2.4.2 Beamformer
Q trình tạo búp sóng thơng thường xây dựng trên cơ sở sử dụng mảng
anten được áp dụng cho các hệ thống TTDĐ thế hệ sau cho cả khái niệm mảng
anten thích ứng và mảng anten cố định. Khi trang bị mảng anten thích ứng, BS có
thể tạo búp đặc biệt cho người sử dụng. Trong trường hợp này nhìn từ phía người sử
dụng các kênh sẽ khác nhau, vì thế không thể sử dụng các kênh chung để ước tính
kênh. Thay vào đó các ký hiệu hoa tiêu riêng được phát trong các kênh riêng đường
xuống sẽ được sử dụng để ước tính kênh cho tách sóng nhất qn.
Các tùy chọn tạo búp và các khái niệm phân tập phát được trình bầy ở trên
khác nhau ở một số điểm quan trọng. Chẳng hạn, tạo búp nhằm hướng búp sóng
trong khơng gian đến người sử dụng nhờ vậy giảm nhiễu đến các người sử dụng
khác trong ô. Trong trường hợp này phương phát (hay mẫu phát xạ) trùng với
phương thu cực đại và các búp có hướng được tạo ra bởi các dàn anten được hiệu
chỉnh chẳng hạn bằng mảng tuyến tính đồng dạng (Hình 1.2) hoặc mảng trịn đồng
dạng. Kỹ thuật tạo búp thực hiện điều chỉnh pha và biên độ nguồn sóng cáp cho các
phần tử anten mảng để điều chỉnh phương pháp phát/thu của anten mảng. Việc
điều chỉnh này thực hiện bằng cách chọn các trọng số cho từng laọi anten. Có hai
laọi tạo búp cơ bản: Tạo búp dựa trên phương tới (DOA: Direction of Arrival)
hay vật lý và tạo búp eigen hay toán học


-XVII-

Hình 1.2 - Mảng tuyến tính đồng dạng có nt phần tử cách nhau
1.2.5 Khái niệm thiết kế hệ MIMO theo dạng Modul
Giải pháp thiết kế modul là giải pháp trong đó số lượng anten được tăng nhưng gây
ảnh hưởng ít nhất đến các bộ phận khác của hệ thống. Dẫy truyền dẫn
MIMO/MISO bao gồm các phần tử sau (xem hình 1.3):
• Nguồn phát các bit thơng tin b với tốc độ nguồn Rsource. Từ nguồn này các bit
thông tin được đưa đến mạch mã hóa và đan xen. Thơng thường các mạch

này là bộ lập mã có tỷ lệ mã r c và bộ đan xen có độ sâu N i. Đầu ra là một
luồng (hay một vectơ) của các bit được mã hóa
• Các bit được mã hóa được đưa đến bộ điều chế để ánh xạ M bit vào vectơ
điều chế phức x. Ta ký hiệu số ký hiệu phức được phát đồng thời trong
khoảng thời gian một ký liệu là tốc độ ký hiệu: R s (Rs là số luồng ký hiệu
phát song song).
• Luồng các ký hiệu trên được đưa đến bộ điều chế không gian thời gian, tại
đây chuỗi gồm RsL ký hiệu điều chế được ánh xạ vào ma trận X L×Nb,
trong đó L là độ dài khối của ma trận điều chế (hay mã khơng gian thời gian)
cịn Nb là số búp sẽ phát. Như vậy ma trận X chuẩn bị các ký hiệu để phát
trên khoảng thời gian L

Hình 1.3 -Dẫy truyền dẫn đa anten


-XVIII-

Đầu ra cuả bộ điều chế không gian thời gian được đưa đến bộ tạo búp. Bộ tạo
bpt sẽ tạo ra Nb búp trong số Nt nguồn phát vào không gian (các anten hoặc các
phân cực). Hoạt động của bộ tạo búp được trình bày bằng một ma trận W NbxNt
• Cuối cùng các tín hiệu sẽ được truyền trên các búp sóng này được chuyển lên
tần số vơ tuyến và được phát vào không gian
1.2.6 Kỹ thuật đổ dầy nước và chất tải bit
Đổ đầy nước (water filling) là kỹ thuật trong đó cơng suất của
các kênh khơng gian được điều chỉnh dựa trên độ lợi của các kênh.
Các kênh có độ lợi cao hơn sẽ được cấp nhiều cơng suất hơn.
Nhược điểm của phương pháp này là nó làm tăng thêm PAPR (Peak
to Average Power

Ratio – Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất)


trung bìnhtrong OFDM

.
Hình 1.4 -Kỹ thuật đổ đầy nước và chất tải bit
σ = N 0 / 2 là mật độ phổ công suất tạp âm song biên.
2

Chất tải bit (bit loading) là kỹ thuật điều chỉnh tăng số lượng các
ký hiệu cho các kênh có độ lợi cao hơn. Điều này có thể thực hiện
bằng cách tăng tỷ lệ mã và (hoặc) thay đổi sơ đồ điều chế. Để sử
dụng kỹ thuật này ta phải tạo lập một bảng theo dõi độ lợi kênh và
các điều kiện SNR . Nhược điểm của phương pháp này là tăng độ
phức tạp trong máy thu vì máy thu phải giải mã và giải điều chế
trong các kênh khác nhau.
1.2.7 Các khái niệm về phân tập
Trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh
hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia
tăng công suất phát hay băng thơng.
Như vậy có thể khẳng định rằng phân tập – là một trong những kỹ thuật quan
trọng được đưa ra áp dụng trong MIMO. Trong quá trình nghiên cứu và triển khai,


-XIX-

hiện nay người ta đưa ra các kỹ thuật phân tập sau đây:
- Phân tập đa đường (chọn lọc tần số)
- Phân tập thời gian sử dụng yêu cầu phát lại tự động ARQ (chọn lọc thời
gian)
- Phân tập thu sử dụng nhiều anten thu (phân tập không gian thu)

- Phân tập phát sử dụng nhiều anten phát (phân tập không gian phát)
- Chuyển giao mềm (phân tập vĩ mô)
1.2.7.1 Phân tập đa đường
Các công nghệ CDMA sử dụng trải phổ, vì là kênh băng rộng nên máy thu
có khả năng phân biệt một số lượng lớn các thành phần đường truyền. Mỗi thành
phần này thể hiện một kênh ngẫu nhiên độc lập và việc kết hợp các thành phần này
theo năng lượng của từng thành phần được đánh trọng số và được lấy trung bình
một các hợp lý sẽ giảm được phađinh tín hiệu so với từng thành phần riêng lẻ. Phân
tập có thể được thực hiện bởi máy thu tuyến tính hay phi tuyến trên cơ sở máy thu
RAKE hay bộ cân bằng. Rõ ràng rằng các môi trường khác nhau có các trải đa
đường khác nhau và số lượng các phần tử khả phân giải đôi khi nhỏ. Chẳng hạn
trong các kênh trong nhà, các phần tử đến trễ chủ yếu trong thời gian một chip và vì
thế chỉ có một hệ số kênh (hay nhánh) là khả phân giải. Trong môi trường này ta
cần sử dụng giải pháp phân tập khác.
1.2.7.2 Phân tập vĩ mô
Phân tập vĩ mô được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu quả mạng. Tín hiệu
phát từ MS trên đường lên sẽ đến nhiều BS và vì các hệ số kênh của các BS này là
độc lập vì thế việc kết hợp tín hiệu từ nhiều BS sẽ đảm bảo phân tập. Mặt khác do
băng thông trong mạng cố định bị hạn chế nên khơng thể kết hợp tín hiệu tối ưu
(liên quan đến các anten phân tập). Tuy vậy ít nhất giải pháp kết hợp kiểu chọn lọc
là có thể thực hiện nếu xét từ quan điểm rẳng chỉ cần thu đúng tín hiệu được phát tại
ít nhất một BS. Trên đường xuống, nhiều bản copy của cùng một tín hiệu được phát
đi từ các nguồn (BS) cách biệt trong không gian cũng sẽ tạo nên các đường truyền
phađinh độc lập tại MS. Tiêu chuẩn bao hàm cả tùy chọn phân tập vĩ mô dựa trên
hồi tiếp với tên gọi là SSDT (Site Selection Diversity Transmission: truyền dẫn
phân tập lựa chọn trạm). SSDT nhằm giảm nhiễu đến các người sử dụng khác trong
hệ thống bằng cách phân bổ công suất tối ưu hơn trong ô. Trong SSDT, các ô (các
BS) được ấn định một nhận dạng tạm thời (ID). MS định kỳ thông báo ID của ô sơ
cấp đến các BS bằng cách sử dụng trường báo hiệu (hồi tiếp) đường lên. Kênh dành



-XX-

riêng này trong các ô khác (được gọi là các ô không phải sơ cấp) bị tắt. ID của ô sơ
cấp này được thông báo từ 1 đến 5 lần trong khung 10ms, tùy thuộc vào khuôn dạng
báo hiệu được chọn.
1.2.7.3 Phân tập thời gian
Các hệ thống thông tin di động thế hệ sau đều hỗ trợ giao thức HARQ
( Hybrid Automatic Repeat Request). Trong các giao thức này. Khi nhận được
khơng cơng nhận (NACK) từ phía thu, máy phát phía phát sẽ phát lại hoặc tồn bộ
bản tin bị lỗi kể cả các bit chẵn lẻ hoặc chỉ phát bổ sung thêm các các bit chẵn lẻ.
Phân tập thời gian hay chọn lọc thời gian của kênh có thể được khai thác nếu khung
phát lại đến phía thu sau một khoảng thời gian đủ dài (sau thời gian nhất qn
kênh). Ngồi HARQ, một dạng phân tập thời gian thơng thường được sử dụng là
việc kết hợp giữa đan xen và mã hóa kênh hiệu chỉnh lỗi trước (FEC Forward Error
Correction).
1.2.7.4 Phân tập anten thu
Khi nhiều anten thu được sử dụng, ta nói máy thu sử dụng phân tập anten thu
(Rx). Phân tập Rx có thể được sử dụng tại BS để tăng dung lượng đường lên và
vùng phủ sóng. Do giá thành và không gian chiếm, phân tập anten thu không phổ
biến tại máy đầu cuối. Tuy nhiên phân tập Rx là một trong các kỹ thuật phân tập
hiệu suất nhất và thường dược sử dụng khi cần cải thiện hiệu năng cũng như vùng
phủ.
1.2.7.5 Phân tập anten phát
Các phương pháp phân tập anten thu cung cấp phân tập khơng gian cho các
đầu cuối chỉ có một anten thu và cải thiện hiệu năng cũng như vùng phủ đường
xuống mà không gây phức tạp cho máy đầu cuối. Thông thường các phần tử anten
phát được đặt khá gần nhau. Trong trường hợp này lý lịch trễ gần như giống nhau
đối với mọi phần tử. Các giải pháp phân tập phát (Tx) vịng kín được nghiên cứu
cho chế độ FDD để hỗ trợ hai anten phát. Cả hai giải pháp phân tập vịng kín và

vịng hở đều được nghiên cúu sử dụng trong các chế độ FDD và TDD.
- Phân tập vòng hở. Các khái niệm phân tập vòng hở đầu tiên đã được đề
xuất trong quá trình tiêu chuẩn hóa 3G dựa trên phân tập phát phân chia mã (phân
tập phát trực giao) và phân tập phát chuyển mạch theo thời gian. Phân tập phát
chuyển mạch theo thời gian [TSTD] được áp dụng cho một số kênh chung. Trong
TSTD, tín hiệu phát được chuyển mạch trên hai anten phát theo thời gian. Sau đó
một giải pháp phân tập phát không gian thời gian (STTD) hiệu quả hơn dựa trên mã


-XXI-

khối không gian thời gian do Alamouti phát triển đã được nghiên cứu áp dụng cho
các hệ thống TTDĐ thế hệ sau.
Phương án mã Alamouti được sử dụng trong STTD như sau:

Trong đó cột 1 chứa các ký hiệu được phát đi từ anten 1 còn cột 2 chứa các ký hiệu
được phát đi từ anten 2. Các ký hiệu này là các ký hiệu điều chế QPSK. Sơ đồ phân
tập phát O-STBC được mơ tả trên hình 1.5

x1 , x2

x1 , − x2*
O-STBC

x2 , x1*

Hình 1.5 -Bộ điều chế STTD sử dụng mã khối không gian thời gian trực giao
(O-STBC) 2x2.
- Chế độ vịng kín. Chế độ vịng hồi tiếp đầu tiên được đề xuất trong 3G
dựa trên phân tập phát chọn lựa (STD), trong đó chỉ một bit được sử dụng để lựa

chọn anten phát phù hợp. Sau đó một số cải thiện đã đựơc đề xuất trong q trình
tiêu chuẩn hóa 3G.