MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................1
MỞ ĐẦU...................................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY..............................6
1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập.............................................................6
1.1.1 Kênh truyền dẫn fading................................................................................6
1.1.2 Các kỹ thuật phân tập.................................................................................10
1.2 Các kỹ thuật kết hợp phân tập............................................................................11
1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining)..............................................13
1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining).......................................14
1.3 Kỹ thuật mã hóa không-thời gian......................................................................16
1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding)...........................................17
1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood).....................................................21
1.4 Hệ thống MIMO................................................................................................22
1.5 Tóm tắt chương 1...............................................................................................24
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC......................................25
2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác...........................................................................25
2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward)...................................................27
2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward)....................................................34
2.1.3 Một số kiểu hợp tác khác............................................................................39
2.2 Hệ thống MIMO hợp tác...................................................................................40
2.2.1 Không có kết hợp tín hiệu...........................................................................42
2.2.2 Có kết hợp tín hiệu.....................................................................................45
2.3 Ước lượng kênh trong hệ thống truyền thông hợp tác.......................................49


Trang 2

2.4 Tóm tắt chương 2...............................................................................................53
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT PHÂN TÁCH NGUỒN MÙ..........................................54
3.1 Vấn đề phân tách nguồn mù..............................................................................54

3.2 Phân tích thành phần độc lập (ICA)...................................................................56
3.2.1 Nguyên lý ước lượng trong ICA.................................................................57
3.2.2 Tiền xử lý tín hiệu.......................................................................................59
3.2.3 Thuật toán FastICA.....................................................................................60
3.2.4 Tính không xác định của ICA.....................................................................66
3.3 Thuật toán BSS khác.........................................................................................67
3.3.1 Thuật toán JADE........................................................................................67
3.3.2 Phân tích thành phần thưa (SCA)...............................................................69
3.4 Tóm tắt chương 3...............................................................................................71
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BSS TRONG HỆ THỐNG MIMO HỢP
TÁC......................................................................................................................... 72
4.1 Ước lượng kênh trong hệ thống MIMO hợp tác................................................72
4.2 Uớc lượng mù kênh truyền ở máy relay............................................................74
4.3 Kết quả mô phỏng.............................................................................................76
4.3.1 Thông số mô phỏng....................................................................................76
4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp.............................................................................77
4.3.3 Không có kênh trực tiếp..............................................................................84
4.4 Tóm tắt chương 4...............................................................................................88
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................................90


Trang 3

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền thông hợp tác được nghiên cứu trong vài năm gần đây có thể khai
thác được tính phân tập không gian ngay khi các máy thu phát chỉ có một anten, do
đó có thể giảm được kích thước, độ phức tạp và chi phí cho thiết bị. Đây là một kỹ
thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người dùng có thể hoạt động như
một trạm chuyển tiếp (máy relay) hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác. Tùy theo
cách máy relay thực hiện xử lý và chuyển tiếp tín hiệu đến máy đích mà ta có các

kiểu hợp tác khác nhau, trong đó kiểu hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp (AF Amplify-and-Forward) được xem là đơn giản nhất vì máy relay chỉ thực hiện
khuếch đại tín hiệu và sau đó truyền đến máy đích. Tùy theo hệ số khuếch đại mà
kiểu AF được chia thành hai loại: AF có hệ số khuếch đại cố định và AF có hệ số
khuếch đại biến thiên. Kiểu AF dùng hệ số khuếch đại biến thiên cho hiệu quả tốt
hơn so với hệ số khuếch đại cố định vì nó được tính theo hệ số kênh truyền giữa
máy nguồn và máy relay (kênh s-r), đảm bảo tín hiệu do máy relay truyền đến máy
đích có công suất ổn định và bằng với công suất tín hiệu do máy nguồn truyền [7].
Trong hệ thống MIMO (Multiple - Input Multiple - Output ) hợp tác, theo tài liệu
[1], thông tin kênh s-r cũng cần có ở máy đích để khôi phục tín hiệu. Do đó, trong
các đề tài nghiên cứu hiện nay về hệ thống hợp tác thường sử dụng cách ước lượng
thông tin kênh s-r trực tiếp ở máy đích dựa vào chuỗi huấn luyện do máy nguồn gởi
[1],[2]. Cách này có ưu điểm là máy nguồn không cần phải gởi chuỗi huấn luyện
cho máy relay, tránh được lỗi lượng tử khi chuyển thông tin kênh từ máy relay đến
máy đích, tiết kiệm được băng thông và công suất truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khi
thông tin kênh s-r được ước lượng ở máy đích thì máy relay chỉ sử dụng hệ số
khuếch đại cố định được tính theo trị thống kê của kênh truyền nên làm giảm hiệu
quả hệ thống so với sử dụng hệ số biến thiên. Do đó đề tài này hướng đến thực hiện
ước lượng mù ma trận kênh truyền s-r ở máy relay mà không cần sử dụng chuỗi
huấn luyện, thông tin kênh sau ước lượng được sử dụng để tính hệ số khuếch đại
biến thiên.


Trang 4

Ước lượng mù ma trận kênh truyền là một ứng dụng của kỹ thuật phân tách nguồn
mù (BSS - Blind Source Separation). Mục tiêu chính của đề tài là áp dụng kỹ thuật
BSS ở máy relay trong mạng MIMO hợp tác để ước lượng ma trận kênh s-r mà
không cần dùng chuỗi huấn luyện. Khi đó máy relay dùng hệ số khuếch đại biến
thiên được tính theo hệ số kênh truyền ước lượng nên cho hiệu quả tốt hơn so với
dùng hệ số khuếch đại cố định. Luận văn được trình bày theo 4 chương như sau:

-

Chương 1 trình bày về hiện tượng fading trong truyền thông không dây và
các kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Kỹ thuật mã
hóa STBC (Space-Time Block Code ) và hệ thống MIMO cũng được trình
bày để có khái niệm cơ bản trong hệ thống MIMO hợp tác.

-

Chương 2 trình bày cơ bản về truyền thông không dây hợp tác với hai kiểu
hợp tác phổ biến là AF và DF (Decode-and-Forward). Chương này cũng
trình bày cách tính hệ số khuếch đại tối ưu trong hệ thống MIMO hợp tác
kiểu AF và vấn đề ước lượng kênh hợp tác ở máy đích dựa trên chuỗi huấn
luyện kênh.

-

Chương 3 là nội dung cơ bản của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS). Nội
dung chính của chương là ước lượng mù các tín hiệu thực và tín hiệu phức
bằng kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA - Independent Component
Analysis) và thuật toán JADE.

-

Chương 4 là thực hiện ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền
ở máy relay trong hệ thống MIMO hợp tác. Hai thuật toán ước lượng được
sử dụng là FastICA và JADE. Phần cuối của chương trình bày kết quả mô
phỏng trên máy tính hiệu quả của hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ
thuật BSS.


Kết quả của đề tài thể hiện hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuật
BSS ở máy relay. Khi đó máy relay có thể ước lượng được ma trận kênh s-r mà
không cần dùng chuỗi huấn luyện kênh, nên hệ số khuếch đại biến thiên được dùng
thay cho hệ số cố định để cải thiện hiệu suất cho hệ thống, nâng cao hiệu quả sử
dụng băng thông nên đặc biệt hữu ích trong các mạng truyền tin băng hẹp trong


Trang 5

thực tế. Vì còn nhiều hạn chế nên đề tài không tránh được sự thiếu sót, tác giả mong
nhận được ý kiến đánh giá, góp ý để hoàn thiện đề tài tốt hơn.


Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về truyền thông không dây và kỹ thuật
phân tập không gian trong hệ thống có nhiều anten thu phát. Phần 1 của chương tóm
tắt về kênh fading đa đường và các kỹ thuật phân tập. Nội dung của phần 2 và phần
3 là các kỹ thuật kết hợp phân tập và kỹ thuật mã hóa được dùng trong phân tập
không gian khi máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten thu phát sóng. Cuối cùng
là tóm tắt về hệ thống MIMO khi máy thu và máy phát đều có nhiều anten.
1.1

Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập

1.1.1 Kênh truyền dẫn fading
Trong các hệ thống truyền thông không dây, tín hiệu được lan truyền trong không
gian gần mặt đất và tầng khí quyển nên bị ảnh hưởng bởi các vật thể xung quanh
trong môi trường lan truyền. Tín hiệu có thể lan truyền từ máy phát đến máy thu

theo nhiều đường khác nhau nên gây ra các thay đổi về pha, biên độ, góc đến của tín
hiệu ở máy thu, hiện tượng này được gọi là fading đa đường. Đây chính là nguyên
nhân gây suy giảm đáng kể chất lượng thông tin nhận ở máy thu. Kênh truyền
fading được phân loại thành các kiểu khác nhau: fading chậm và fading nhanh,
fading phẳng và fading lựa chọn tần số.
Nếu xét về mặt thời gian, kênh truyền fading được gọi là kênh fading chậm nếu
thời gian của một symbol tín hiệu truyền nhỏ hơn thời gian ổn định (coherent time)
của kênh truyền, ngược lại, kênh được gọi là kênh fading nhanh. Trong kênh truyền
fading chậm, kênh truyền ảnh hưởng giống nhau đến một số symbol nên sinh ra lỗi
cụm, trong khi đó kênh fading nhanh sẽ ảnh hưởng khác nhau đến các symbol khác
nhau. Xét về mặt tần số, nếu băng thông của tín hiệu truyền nhỏ hơn băng thông ổn
định (coherent bandwidth) của kênh truyền thì kênh được gọi là kênh fading phẳng
(flat-fading) và hệ thống còn được gọi là hệ thống băng hẹp, trong đó các thành
phần phổ của tín hiệu bị ảnh hưởng như nhau trên kênh truyền. Ngược lại, trong hệ
thống băng rộng, băng thông tín hiệu truyền lớn hơn băng thông ổn định của kênh


Trang 7

truyền thì kênh được gọi là kênh fading lựa chọn tần số (frequency selective fading)
[23].
1.1.1.1

Mô hình toán học

Trong các hệ thống truyền thông thực tế, tín hiệu của người dùng được máy phát
chuyển đổi lên một tần số sóng mang cho trước để truyền trên kênh vô tuyến và
máy thu sẽ chuyển tín hiệu về lại dạng băng tần gốc (baseband). Việc chuyển đổi
tần số của tín hiệu không ảnh hưởng đến quá trình xử lý tín hiệu băng gốc ở máy
phát và máy thu nên để đơn giản, các tín hiệu được biểu diễn ở dạng băng gốc. Mô

hình băng gốc thời gian rời rạc (discrete-time baseband equivalent model) biểu diễn
tín hiệu băng gốc ở dạng các mẫu rời rạc theo thời gian. Giả sử kênh truyền là
flatfading, x n[

] là tín hiệu truyền thứ n, h n[ ] là hệ số kênh khi truyền x n[ ], hệ

thống bị ảnh hưởng bởi nhiễu AWGN (Additive White Gaussian Noise) w[n] có trị
trung bình bằng 0 và phương sai σw2 . Công thức toán học biểu diễn tín hiệu thu
được y n[

] qua kênh truyền flat-fading được biểu diễn như sau [5]:
y n[

]= Ph n x n[ ] [ ]+ w n[ ]

(1.1)

trong đó P là công suất máy phát. Vì kênh truyền biến đổi ngẫu nhiên nên các hệ số
kênh truyền h n[

] cũng là một biến ngẫu nhiên, có phân bố theo nhiều mô hình

khác nhau. Trong môi trường truyền dẫn đa đường không có đường truyền thẳng
(LOS), kênh fading đa đường có thể xem là tập hợp của các đường NLOS độc lập.
Theo định lý giới hạn trung tâm, hệ số kênh fading là số ngẫu nhiên phức có phần
thực và ảo là biến ngẫu nhiên Gaussian có trị trung bình bằng 0, phương sai ηh2.
Biên độ của kênh là h n( ) có phân bố Rayleigh và pha φ( )n =∠h n( ) phân bố điều
trên (0, 2π).
Kênh truyền trong trường hợp này còn gọi là kênh Rayleigh fading. Trong trường
hợp kênh truyền giữa máy phát và máy thu có đường truyền thẳng thì được gọi là

kênh Rician fading.


Trang 8

1.1.1.2

Dung lượng kênh fading

Kênh truyền dẫn là phương tiện mang thông tin từ máy phát đến máy thu nên khả
năng mang thông tin của nó là một yếu tố cơ bản quan trọng. Dung lượng kênh là
một đại lượng thể hiện khả năng mang tin của kênh truyền dẫn, được định nghĩa là
tốc độ truyền tin giữa máy phát và máy thu lớn nhất mà vẫn đảm bảo xác suất tín
hiệu thu bị lỗi ở mức nhỏ tùy ý. Một hệ thống truyền thông có dung lượng kênh
càng lớn thì tốc độ truyền tin càng cao, lượng thông tin được truyền càng nhiều hơn
trong một đơn vị thời gian.
Chất lượng kênh truyền thay đổi ngẫu nhiên nên dung lượng kênh cũng là một biến
ngẫu nhiên. Ta xét kênh truyền flat-fading, tín hiệu thu có mô hình toán học như
Công thức (1.1) được viết lại một cách tổng quát như sau:

y = Phx + w

(1.2)

trong đó x là tín hiệu ngõ vào kênh truyền có giới hạn công suất E x[| | ]2 ≤ 1, P là
công suất của máy phát. Giả sử máy thu phát biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh
truyền (CSI - Channel Sate Information), tức là biết các hệ số kênh truyền h, dung
lượng kênh được tính là [5]:



P h 2
+

C = log2 1
2

 σw 

(

(1.3)

)

= log2 1+SNR h 2

Nếu kênh truyền biến thiên theo quá trình ngẫu nhiên ergodic, và máy phát không
biết CSI, dung lượng kênh truyền có thể được tính theo trị trung bình, còn gọi là
dung lượng ergodic:



(

C= Eh 2 log 1 SNR2

)

+h2


(1.4)


Trang 9


Ta dễ dàng thấy được dung lượng kênh tỉ lệ thuận với tỉ số công suất tín hiệu so với
nhiễu (SNR - Signal-to-Noise Ratio). Tín hiệu thu có công suất càng lớn so với
nhiễu, hay nói cách khác hệ thống truyền thông được khử nhiễu tốt, dung lượng
kênh sẽ càng lớn.
Ngoài đại lượng dung lượng kênh truyền, đại lượng dung lượng outage cũng là một
đại lượng phổ biến đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền tin với kênh truyền
fading. Outage là hiện tượng dữ liệu không thể khôi phục thành công ở máy thu.
Dung lượng outage được xác định theo xác suất xảy ra hiện tượng outage. Nếu tốc
độ truyền tin của hệ thống có kênh truyền flat-fading là R thì hiện tượng outage xảy
ra khi R lớn hơn dung lượng kênh truyền:
log (12 +SNR h 2 ) < R

(1.5)

Do đó, xác suất xảy ra hiện tượng outage là :

Pout R( ) = Pr log

( (1+SNR h ) < R)
2

2

(1.6)


(

)

= Pr SNR h 2 < 2R −1

Với kênh truyền Rayleigh fading, đường bao của hệ số kênh truyền có phân bố
Rayleigh nên xác suất outage bằng [5]:

−

Pout R( ) 1= −exp

2R −1 
SNRηh2 

(1.7)

Như vậy, để đảm bảo tín hiệu khôi phục được ở máy thu thì ta phải truyền tín hiệu
với tốc độ thỏa mãn hiện tượng outage không xảy ra, tức tốc độ truyền của hệ thống
không lớn hơn dung lượng của kênh truyền.


Trang 10

1.1.2 Các kỹ thuật phân tập
Hiện tượng fading ảnh hưởng mạnh đến chất lượng truyền tin trong hệ thống nên
để hạn chế ảnh hưởng của nó, phương pháp đơn giản nhất là tăng thêm một lượng
công suất phát, còn gọi là khoảng dự trữ fading, để bù lại sự suy giảm của tín hiệu.

Một phương pháp phổ biến khác là sử dụng kỹ thuật phân tập. Kỹ thuật phân tập
tăng hiệu quả truyền tin cho hệ thống bằng cách truyền độc lập nhiều bản sao của
tín hiệu trên kênh truyền đa đường, khi đó xác suất xảy ra tất cả các bản sao tín hiệu
truyền bị suy giảm mạnh do fading được giảm đáng kể nên hiệu quả khôi phục tín
hiệu sẽ cao hơn. Việc truyền nhiều bản sao tín hiệu có thể được thực hiện trong
miền thời gian, tần số hoặc không gian.
Phân tập thời gian: tín hiệu được truyền lặp lại trong các khe thời gian cách nhau
một khoảng dài hơn độ thời gian ổn định của kênh. Kỹ thuật mã hóa kênh kết hợp
với đan xen là một phương pháp phân tập thời gian. Phân tập thời gian có hiệu quả
với kênh fading nhanh như trong môi trường có tính di động cao giữa các máy thu
phát vì khi đó, thời gian ổn định của kênh là rất nhỏ. Trong trường hợp kênh fading
chậm thì phân tập thời gian ít hiệu quả hơn vì độ trễ (khoảng cách) giữa các lần
truyền sẽ lớn.
Phân tập tần số: cùng một tín hiệu được truyền trên các sóng mang có tần số khác
nhau và cách nhau một khoảng lớn hơn khoảng băng thông ổn định của kênh để các
kênh là độc lập. Rõ ràng kỹ thuật này làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông trong
hệ thống.
Phân tập không gian: được sử dụng khi máy phát và/hoặc máy thu có nhiều anten,
nên còn được gọi là phân tập anten, khi đó tín hiệu và bản sao của nó được truyền
trên các anten khác nhau. Các anten được đặt cách nhau một khoảng cách đủ xa tùy
theo bước sóng (λ) của sóng mang và môi trường truyền dẫn. Trong môi trường có
nhiều tán xạ gần mặt đất, khoảng cách anten trong máy di động thường là λ/2 đến λ
và trong trạm cố định (base station) là khoảng 10λ.


Trang 11

Phân tập hợp tác: đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép
người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đến
người khác. Máy chuyển tiếp (máy relay) cùng với máy nguồn hợp tác truyền tín

hiệu đến máy đích, tạo nên một mảng anten ảo mặc dù mỗi máy chỉ có một anten.
Mảng anten ảo này tương tự như mảng anten vật lý, có thể giảm ảnh hưởng của hiện
tượng fading vì cho phép máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu từ các đường
khác nhau tương tự như khi máy có nhiều anten.
1.2

Các kỹ thuật kết hợp phân tập

Kỹ thuật phân tập không gian là kỹ thuật được dùng phổ biến trong các hệ thống
truyền thông hiện nay, với sự phát triển của công nghệ linh kiện điện tử nên có thể
tích hợp nhiều hơn một anten vào thiết bị cầm tay. Nếu máy thu có nhiều anten thì
tại một thời điểm máy thu sẽ thu được nhiều bản tín hiệu khác nhau ở các anten
khác nhau, các tín hiệu này có thể được kết hợp với nhau trước khi được đưa vào bộ
tách tín hiệu để cải thiện chất lượng khôi phục tín hiệu gốc. Đây là một kỹ thuật
nhằm khai thác tính đa đường của kênh vô tuyến ở máy thu, còn gọi là khai thác
tính phân tập thu.
Ta xét phương pháp kết hợp tín hiệu thông qua hệ thống SIMO (Single - Input
Multiple - Output ) tổng quát như Hình 1.1, trong đó máy thu có Nr anten và sử
dụng phương pháp kết hợp để kết hợp các bản tín hiệu thu ở các anten thành tín hiệu
tổng hợp sử dụng cho việc khôi phục dữ liệu. Giả sử kênh truyền dẫn vô tuyến là
kênh flat-fading và tín hiệu được đồng bộ chính xác, nhiễu liên ký tự (ISI Intersymbol Interference) được loại bỏ bởi các bộ cân bằng. Tín hiệu truyền là các
symbol ngõ ra của bộ điều chế tín hiệu với x[n] là symbol được truyền trong lần
truyền thứ n, có năng lượng đơn vị E x n{| [ ]|2} =1. Tín hiệu nhận được ở anten thứ
k của máy thu là:
yk [n]= Phk [n x n]

[ ]+ w [n]
k

(1.8)



Trang 12

trong đó P là công suất phát tại anten, hk = h ek jφ là hệ số kênh truyền giữa anten
k

phát và anten thu thứ k, w nk [ ]∼CN(0,σk2) là nhiễu AWGN ở anten thu thứ k. Từ
Công thức (1.8), ta có tỉ số SNR của tín hiệu ở anten thu thứ k là:
2

P hk

γk

=

σk2

(1.9)

Giả sử thông tin kênh truyền là các hệ số h k, được biết ở máy thu bằng cách ước
lượng kênh truyền thì trước khi thực hiện tách tín hiệu, máy thu sẽ kết hợp tuyến

Hình 1.1: Mô hình hệ thống SIMO
tính các bản tín hiệu thu được từ các anten để nâng cao tỉ số SNR. Tín hiệu sau khi
kết hợp là:
N

z n[


]

=

∑ α y [ ]n
r

k

k

(1.10)

k=1

trong đó các trọng số αk được xác định tùy theo phương pháp kết hợp tín hiệu được
sử dụng ở máy thu. Các phương pháp kết hợp phổ biến nhất là SC (Selection
Combining), EGC (Equal-Gain Combining ) và MRC (Maximal Ratio Combining)
có độ phức tạp tính toán và hiệu quả khác nhau. Trong đó SC là phương pháp đơn
giản nhất, nó chỉ lựa chọn tín hiệu có tỉ số SNR cao nhất từ các tín hiệu thu được và


Trang 13

bỏ qua các tín hiệu còn lại. Phương pháp EGC và MRC có hiệu quả cao hơn so với
phương pháp SC nhưng cũng có tính phức tạp hơn. Hai phương pháp này lựa chọn
hệ số αk có cùng mục đích là bù lại sự sai pha tín hiệu do ảnh hưởng của kênh
truyền và cho ra tín hiệu tổng hợp có tỉ số SNR tốt nhất.
1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining)

Phương pháp EGC sẽ nhân tín hiệu nhận được ở anten thứ k với một số phức αk để
bù lại sự sai pha của tín hiệu:

ak = e−φ , k =1,2,..., Nr

(1.11)

k

Các hệ số αk có pha khác nhau, nhưng có cùng độ lớn và không phụ thuộc vào giá
trị SNR của tín hiệu ở mỗi anten, do đó giảm được tính phức tạp cho hệ thống. Tín
hiệu tổng hợp ở ngõ ra của bộ kết hợp EGC là:
Nr

zEGC [ ]n =∑αk y nk [

]

k 1

=

(1.12)


Nr



[ ] ∑Nr − jφ k [ ]

k

= P∑ h x nk  + e
 k=1 
k=1

wn

và tỉ số SNR của tín hiệu ngõ ra bộ kết hợp EGC là:

E P∑Nr hk x n[

]

2

 ∑Nr k 2

γEGC = E ∑Nrek−=1jφk w nk[ ]
 (1.13) 


2



∑

  = P


kN=r1

σhk2


Trang 14



k=1



k=1

Xác xuất xảy ra hiện tượng outage, là xác xuất tỉ số SNR nhỏ hơn một giá trị
ngưỡng nào đó, tức

Pr

(γ

EGC

<γ0 ), của hệ thống SIMO dùng EGC được cho ở Hình

1.2 với γ0 =1. Ta thấy rằng tốc độ giảm của xác suất outage tỉ lệ thuận với số anten
ở máy thu. Vì máy thu có nhiều anten sẽ thu được nhiều bản sao của tín hiệu, xác
suất thu được bản sao có chất lượng tốt sẽ cao hơn, cho ra tín hiệu kết hợp có tỉ lệ
SNR cao nên chất lượng hệ thống sẽ tốt hơn. Phương pháp EGC nhân các tín hiệu

nhận được với hệ số có cùng độ lớn, xem chất lượng các tín hiệu thu được là như
nhau nên không thể giảm ảnh hưởng của nhiễu trong tín hiệu thu được. Nhược điểm
này được khắc phục trong phương pháp MRC.
1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining)
Trong phương pháp MRC, các hệ số αk được chọn theo liên hợp phức của
hệ số kênh truyền và tỉ số SNR của anten thu thứ k:

αk = hk* /σk2 = h ek − jφk /σk2

(1.14)


Trang 15

Hình 1.2: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng EGC [5]

Các hệ số αk có độ lớn khác nhau tùy theo anten, có thể bù sự sai pha cho tín hiệu
thu ở anten tương ứng và và có xét đến nhiễu ở anten đó. Những tín hiệu thu ở anten
có nhiễu lớn, hay có tỉ số SNR thấp sẽ được nhân với hệ số có độ lớn nhỏ và ngược
lại nên phương pháp MRC có thể cực đại tỉ số SNR của tín hiệu ngõ ra và tối thiểu
được xác suất xảy ra hiện tượng outage cho hệ thống. Tín hiệu ở ngõ ra của bộ kết
hợp MRC:
N

zMRC [ ]n =∑ αk
r

(

Ph x nk [ ]+w nk [


])

k=1

∑



= P

h

Nr k 2

k=1



[]

∑

h

Nr k* k

σk2 x n +

[]


(1.15)

σk2w n

k=1

Từ Công thức (1.15), ta có tỉ số SNR của tín hiệu ngõ ra bộ tổ hợp MRC:

P∑kN=r1 hk22 2P∑Nr hk22 2 ∑Nr

∑
γMRC = 

k
2

σk  2 = Nk=r1 hσk2  =

*

r

γk

k=1

(1.16)

N


E∑k σhk2w nk [
=1

k

]




k=1

σk 

Như vậy SNR của tín hiệu sau MRC là tổng SNR của tín hiệu ở tất cả anten thu.
Hình 1.3 cho ta xác suất xảy ra hiện tượng outage của hệ thống SIMO khi dùng


Trang 16

MRC tùy theo số anten ở máy thu. Cũng như phương pháp EGC, nếu số anten thu
càng nhiều, ta thu được nhiều tín hiệu hơn, kết quả là tỉ số SNR của tín hiệu sau kết
hợp cao hơn, ước lượng tín hiệu gốc chính xác hơn. Xác suất outage suy giảm mạnh
khi số anten càng lớn vì máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu hơn. So với
phương pháp EGC, phương pháp MRC cho kết quả tốt hơn 1-2 dB vì MRC có xét
đến chất lượng của tín hiệu thu ở mỗi anten qua tỉ số SNR của mỗi tín hiệu. Tín hiệu
thu nào có chất lượng tốt hơn được nhân với trọng số cao hơn, do đó tăng tỉ số SNR
ở ngõ ra của MRC. Phương pháp MRC được xem là phương pháp có tỉ số SNR cao
nhất trong số các phương pháp kết hợp tuyến tính.


Hình 1.3: Xác suất outage của hệ thống SIMO dùng MRC [5]
Các phương pháp kết hợp trên cũng có thể được dùng khi máy thu chỉ có một anten
nhưng máy phát có nhiều anten, khi đó máy thu cũng thu được nhiều tín hiệu từ
máy phát và kết hợp chúng lại trước khi đưa vào bộ tách tín hiệu.
1.3

Kỹ thuật mã hóa không-thời gian

Khi máy phát có nhiều anten thì tín hiệu được phân bố truyền trên tất cả anten để
khai thác tính phân tập không gian ở máy phát. Trước khi được truyền, tín hiệu


Trang 17

được tiền xử lý bởi các kỹ thuật khác nhau tùy theo trạng thái thông tin kênh truyền
CSI ở máy phát. Phương pháp tạo búp sóng truyền (Transmit Beamforming) được
dùng khi máy phát biết đầy đủ thông tin CSI, khi đó tín hiệu phát được nhân với
trọng số bù cho các ảnh hưởng của kênh truyền và làm cực đại tỉ số SNR ở tín hiệu
thu. Tuy nhiên, trong thực tế máy phát khó biết được thông tin kênh truyền tức thời
vì kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi theo thời gian. Nếu máy phát chỉ biết một
phần thông tin CSI, ví dụ như chỉ biết biên độ mà không biết pha kênh truyền, thì có
thể áp dụng kỹ thuật lựa chọn anten (Antenna Selection) để chọn các anten có kênh
truyền tốt nhất để truyền phát tín hiệu nhằm tăng khả năng chống nhiễu, tăng hiệu
quả khôi phục tín hiệu ở máy thu. Phương pháp mã hóa không-thời gian (STC Space-Time Coding) được dùng khi máy phát không biết thông tin về CSI, là trường
hợp phổ biến nhất trong hệ thống truyền thông không dây thực tế. Khi đó, tín hiệu
cần truyền được mã hóa trong cả miền không gian và thời gian, nên tín hiệu được
truyền trên nhiều anten qua các lần truyền khác nhau [5],[12].
1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding)
Phương pháp mã hóa không-thời gian thực hiện mã hóa tín hiệu trong cả miền

không gian và thời gian, kết quả là nó tạo ra bản sao của một tín hiệu. Mỗi tín hiệu
và bản sao của nó được truyền trên các anten khác nhau trong các lần truyền khác
nhau. Mục đích của mã hóa STC là cực đại độ lợi phân tập và giảm ảnh hưởng của
fading và nhiễu trong kênh truyền MIMO. Mã hóa STC có hai kiểu thường được
nghiên cứu và sử dụng là mã hóa khối không-thời gian (STBC - Space-Time Block
Code) và mã hóa lưới không-thời gian (STTC - Space-Time Trellis Code).
Kiểu mã hóa STTC là một dạng của kiểu mã hóa lưới (mã chập) cho độ lợi phân tập
bằng số anten phát và độ lợi mã hóa phụ thuộc vào số trạng thái của lưới. Tuy nhiên,
mã STTC yêu cầu máy thu có bộ giải mã Viterbi có độ phức tạp lớn để khôi phục
tính hiệu gốc nên không phổ biến trong các thiết bị cầm tay đơn giản. Kiểu mã
STBC cho độ lợi phân tập bằng với STTC nhưng có độ lợi mã hóa thấp hơn, ưu


Trang 18

điểm là bộ giải mã đơn giản hơn so với STTC và có thể thực hiện bằng xử lý tuyến
tính [12].
Hệ thống dùng mã hóa STC được mô tả như Hình 1.4, dữ liệu truyền được điều chế
M mức thành chuỗi các tín hiệu symbol. Giả sử máy phát có N t anten, khối mã hóa
STC dùng k symbol để mã hóa thành Nt chuỗi tín hiệu có chiều dài T tạo thành một
ma trận từ mã S kích thước Nt xT như Công thức (1.17). Các chuỗi tín hiệu, tức các
dòng của ma trận S, được truyền song song đến máy thu và cần T lần truyền để
truyền hết cả chuỗi tín hiệu. Do đó, tốc độ mã hóa của STC là R = k T/ , tức là k
symbol được truyền trong T lần truyền. Nếu R = 1 ta gọi bộ mã hóa có tốc độ tối đa
(full rate).
s1 s1 [ ]2
s T1 [ ]
[ ]1 s2 [ ]2
... s T2 [ ]


2
...
...  s
...
[ ]1
sN [ ]2 ... TNt [ ]
S =s
 ...
... 



(1.17)

t

sN [ ]1
t

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống dùng mã hóa không-thời gian
Thông thường, để giảm tính phức tạp cho bộ giải mã và khai thác đầy đủ tính phân
tập của kênh truyền MIMO, các ma trận S được thiết kế theo kiểu trực giao, tạo nên
kiểu mã hóa STC trực giao, tức là:

S S.H =αINt

(1.18)

trong đó α là hằng số, INt là ma trận đơn vị và khi đó máy phát sử dụng từ mã trực
giao như trên sẽ có độ lợi phân tập tối đa (full diversity gain) bằng Nt.



Trang 19

Mã hóa Alamouti là một kiểu của mã hóa STBC trực giao (OSTBC - Orthogonal
Space-Time Block Code) được dùng khi máy phát có 2 anten. Ma trận từ mã S của
mã hóa Alamouti dùng k = N t = 2 symbol x[n] liên tiếp để mã hóa STBC tạo nên 1
bộ từ mã S trực giao có T = 2:
x[1] −x*[2]
S2 =



[]

x 2

*

[]

(1.19)

x1

Từ mã S2 được truyền trên 2 anten ở máy phát trong 2 chu kỳ truyền liên tiếp nên có
tốc độ mã hóa R=1 và độ lợi phân tập bằng 2. Mã hóa Alamouti được sử dụng rộng
rãi vì nó có độ lợi phân tập tối đa, tốc độ tối đa (R=1) và là kiểu mã hóa trong tiêu
chuẩn hệ thống WCDMA, CDMA-2000.
Kiểu mã hóa Alamouti được cho ở Công thức (1.19) là ma trận từ mã tối ưu duy

nhất trong trường hợp máy phát có 2 anten. Ma trận từ mã OSTBC được thiết kế tối
ưu khi thỏa mãn khai thác tối đa độ phân tập và tối thiểu số lần truyền T cần để
truyền hết từ mã. Công thức (1.20) là một kiểu mã hóa OSTBC khi máy phát có 3
anten, đạt độ phân tập bằng 3 và tốc độ mã hóa R = 3/4.
x1 −x2* −x3*


−x3* 

*

=

S3 x2
x3

x1
0

0

0
x1*

(1.20)

x2* 

Tổng quát, trong trường hợp máy phát có số anten Nt = 2n thì ma trận OSTBC được
thiết kế như sau [9]:


(

)

S n− (x1,...,xn)

S2n x1,...,xn+1 =

21

x In+1 2n−1

−xn*+1



S2 1Hn− (x1,...,xn)

(1.21)


Trang 20

với xi là các symbol phức sau điều chế, S1(x1) = x1 và n = 1,2,3,…Phương pháp
thiết kế ma trận mã hóa OSTBC như trên có tốc độ mã hóa là R =(n+1) / 2n . Ví
dụ với n = 1, tức máy phát có 2 anten thì ma trận từ Công thức (1.21) giống như
Công thức (1.19). Khi máy phát có 4 anten, n = 2, ta có ma trận mã hóa OSTBC
được thiết kế từ Công thức (1.21) sẽ là:
x1 −x2* −x3*


S x x x4 ( 1,2, 3 ) =xx32x01*
(1.22)

 0

−x2

x3

0

x01*

−xx2*3* 


x1 

và có tốc độ đạt mã hóa là R = 3/4. Mã hóa OSTBC cho độ phân tập tối đa nhưng
tốc độ mã hóa tối đa chỉ bằng ¾ trong trường hợp máy phát có 3 hoặc 4 anten. Khi
số anten phát lớn hơn 4, tốc độ mã hóa sẽ giảm và khó thiết kế mã hóa OSTBC để
đạt được tốc độ mã hóa cao. Nhược điểm này có thể được khắc phục bởi kiểu mã
hóa STBC gần trực giao (quasi-orthogonal STBC). Ví dụ trong trường hợp máy
phát có 4 anten, ma trận mã hóa gần trực giao sau cho phép đạt tốc độ mã hóa tối
đa:
x1 −x2* −x3*

x4 


S4 =xx23 −xx1*4 −xx14* −x3 
*


x4

*

*

*

x3

x2

(1.23)

−x2 

x1 

Từ Công thức (1.23) ta thấy mã hóa gần trực giao S 4 có k = 4 symbol được truyền
và cần T = 4 lần truyền nên tốc độ mã hóa đạt được là R = 1, lớn hơn so với tốc độ
mã hóa trong Công thức (1.22). Theo tài liệu [9] thì kiểu mã hóa STBC gần trực


Trang 21

giao cho ta hiệu quả tốt khi truyền tín hiệu với tốc độ cao nhưng có tỉ số SNR thấp,

và ngược lại, kiểu mã hóa STBC trực giao có hiệu quả khi tín hiệu có SNR cao
nhưng được truyền với tốc độ thấp.
1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood)
Mã hóa STBC thường được giải mã bởi bộ giải mã ML, đây là một bộ giải mã có
độ tính toán phức tạp phụ thuộc vào số điểm trong sơ đồ chòm sao (constellation)
của phương pháp điều chế tín hiệu được dùng. Giả sử kênh truyền vô tuyến là kênh
flat-fading, có nhiễu AWGN w n[

]∼CN(0,σ ) , tín hiệu thu được tại một anten cho
2

ở Công thức (1.8) được viết tổng quát như sau:

y = Phs + w

(1.24)

Các tín hiệu thu được kết hợp thành tín hiệu z trước khi được giải mã. Giả sử máy
thu biết được các hệ số kênh truyền, bộ giải mã ML sẽ khôi phục tín hiệu dựa vào
chòm sao của điều chế M mức sao cho tối thiểu xác suất lỗi [23]:
ˆ

min Pe ≜ Pr(s ≠ s )

(1.25)

trong đó sˆ là tín hiệu được khôi phục. Công thức (1.25) tương đương với cực đại
xác suất ước lượng đúng tín hiệu truyền khi máy thu biết hệ số kênh truyền:

max Pr(s = s z hˆ |

(1.26)
Tín hiệu cần ước lượng là các symbol trong chòm sao X của kiểu điều chế được
dùng. Giả sử máy thu biết được kiểu điều chế tín hiệu, tín hiệu ước lượng sˆ từ
Công thức (1.26) là một điểm trong X sao cho:
2

sˆ = argmin z −

Phx

(1.27)
x∈Χ

trong đó X là chòm sao của kiểu điều chế M mức được dùng. Nhược điểm của
phương pháp giải mã ML là số phép tính tăng theo hàm mũ của mức điều chế. Chất


Trang 22

lượng của tín hiệu khôi phục phụ thuộc vào độ chính xác của kênh truyền được ước
lượng ở máy thu.
1.4

Hệ thống MIMO

MIMO là hệ thống có nhiều anten thu phát sóng ở cả máy phát và máy thu như
Hình 1.5, do đó có thể sử dụng cả phương pháp tiền mã hóa cho máy phát và
phương pháp kết hợp tín hiệu cho máy thu để tăng hiệu quả truyền tin. Kênh truyền
dẫn trong hệ thống này còn được gọi là kênh truyền MIMO, có dung lượng kênh
phụ thuộc trạng thái thông tin kênh truyền được biết ở máy phát. Trong phần này ta

xem xét về dung lượng của kênh MIMO khi máy phát không biết thông tin CSI và
sử dụng kỹ thuật mã hóa STBC như trên.
Giả sử các kênh truyền trong hệ thống MIMO cũng là kênh flat-fading và nhiễu
AWGN. Vì máy phát không biết được CSI nên công suất phát P của nó được chia
điều cho Nt anten. Mô hình tín hiệu thu phát được viết tổng quát như sau:
Y=

Hs+ w

(1.28)

P
Nt
trong đó ma trận H kích thước N r x Nt là ma trận kênh truyền MIMO, s là tín hiệu


truyền có hiệp phương sai Rs = E ss 

H



 và w là nhiễu AWGN. Giả sử máy thu

không biết CSI, ma trận R s có dạng Rs = (1/ N It ) N , khi đó dung lượng ergodic của
t

kênh MIMO là [5]:



Trang 23

Hình 1.5: Mô hình hệ thống MIMO

HH


 
SNR
C = EH log2 det INr +

(1.29)

H



Khi tỉ số SNR lớn, dung lượng C trong Công thức (1.29) được biểu diễn xấp xĩ theo
số anten thu phát:
C

~ min

(N N , )log SNR
t

r

2


(1.30)

Như vậy, khi máy phát không có thông tin kênh truyền thì dung lượng ergodic của
hệ thống MIMO tăng tuyến tính với

min

(N N , ). Hình 1.6 so sánh về dung lượng
t

r

ergodic của các hệ thống SISO, MISO, SIMO và MIMO khi chỉ có máy thu biết
thông tin CSI. Kênh truyền SISO cho dung lượng kênh thấp nhất so với các hệ
thống khác do không khai thác được tính phân tập như ở hệ thống có nhiều anten.
Dung lượng của kênh MIMO cao nhất và tăng lên khi tăng số anten thu phát sóng.
So sánh dung lượng kênh giữa SIMO và SISO, giữa MISO và SISO, ta thấy khi
không có thông tin CSI ở máy phát thì tăng số anten ở máy thu sẽ cho hiệu quả cao
hơn tăng anten ở máy phát vì máy thu có thể biết CSI bởi thực hiện ước lượng kênh
truyền nên khai thác tốt hơn tính phân tập không gian so với máy phát.


Trang 24

Hình 1.6: Dung lượng kênh truyền hệ thống MIMO [5]
1.5

Tóm tắt chương 1

Chương này đã tóm tắt về kênh truyền dẫn vô tuyến và kỹ thuật phân tập không

gian khi máy thu phát có nhiều anten. Phương pháp tiền mã hóa STC và hệ thống
MIMO cải thiện được chất lượng tín hiệu thu và tăng dung lượng kênh truyền ngay
cả khi không có thông tin kênh truyền ở máy phát. Để đơn giản bộ giải mã, kiểu mã
hóa STBC trực giao được sử dụng thay cho STTC, mà cũng cho ta cùng độ lợi phân
tập nhưng tốc độ mã hóa không được tối đa. Để đạt tốc độ cao hơn, kiểu mã hóa
STBC gần trực giao được sử dụng. Các tín hiệu thu được ở máy thu được kết hợp
tuyến tính bằng một số kỹ thuật kết hợp tín hiệu như MRC, EGC. Nếu xét về tính
hiệu quả, kỹ thuật MRC cho ta tín hiệu có tỉ số SNR lớn nhất trong số các kiểu kết
hợp tuyến tính. Kỹ thuật MRC được thực hiện bằng cách nhân mỗi tín hiệu thu
được với một hệ số để bù lại sai pha và phụ thuộc vào tỉ số SNR của tín hiệu, nếu
tín hiệu có SNR cao thì được nhân với hệ số lớn hơn và ngược lại. Tuy nhiên, kỹ
thuật MRC yêu cầu tính toán phức tạp nên phương pháp EGC được sử dụng trong
trường hợp ưu tiên tính đơn giản cho hệ thống.


Trang 25

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật cho phép các người dùng có thể truyền giúp
bản tin của người khác đến máy đích, như vậy có thể mở rộng khoảng cách truyền
tin hoặc tăng hiệu quả truyền tin trong hệ thống. Chương này trình bày tổng quan về
khái niệm và các kỹ thuật cơ bản trong hệ thống truyền thông hợp tác. Phần 1 của
chương trình bày hai kiểu hợp tác cơ bản và phổ biển là hợp tác kiểu khuếch
đạichuyển tiếp (AF - Amplify-and-Forward) và hợp tác kiểu giải mã-chuyển tiếp
(DF - Decode-and-Forward), với các máy thu phát chỉ có một anten. Vấn đề phân
bố công suất giữa máy nguồn và máy relay cũng được xem xét cho mỗi kiểu hợp
tác. Chất lượng của hệ thống hợp tác được đánh giá qua tỉ số SNR của tín hiệu thu ở
máy đích và dung lượng kênh trong hệ thống. Phần 2 của chương trình bày về hệ
thống MIMO hợp tác kiểu AF khi các máy thu phát có nhiều anten. Phần cuối là vấn
đề ước lượng kênh truyền trong mạng hợp tác khi có sử dụng chuỗi huấn luyện

kênh.
2.1

Kỹ thuật truyền thông hợp tác

Kỹ thuật truyền thông MIMO có nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong hệ
thống truyền thông hiện nay nhờ khai thác tốt tính phân tập không gian nhưng yêu
cầu các máy thu phát phải có nhiều anten. Trong thực tế, vì những hạn chế của kích
thước, năng lượng và chi phí của thiết bị vô tuyến, đặc biệt là thiết bị cầm tay di
động, nên việc đặt nhiều anten vào thiết bị là không tối ưu. Ngoài ra, truyền sóng vô
tuyến có đặc tính tự nhiên là phát quảng bá (broadcast), khi máy nguồn (source)
phát tín hiệu cần truyền đến máy đích (destination) thì một thiết bị thứ 3 nào đó
trong không gian lan truyền tín hiệu vẫn nhận được tín hiệu do máy đích phát ra và
xem nó là can nhiễu. Nếu máy thứ 3 có thể thực hiện một vài xử lý tín hiệu đối với
tín hiệu thu được và phát chuyển tiếp đến máy đích giúp máy đích có thể nhận được
một phiên bản khác của tín hiệu được truyền, khi đó máy thứ 3 được gọi là máy
chuyển tiếp (relay) như trong Hình 2.1. Hệ thống truyền thông có phương thức hợp
tác truyền tín hiệu giữa các máy như trên còn gọi là truyền thông hợp tác.