ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI LÊ PHƢƠNG LINH

HỆ THỐNG MIMO ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN

Ngành: Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông
Chuyên ngành: Kĩ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀ NỘI, THÁNG 10 2014


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 4
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 8
1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO................................................ 10
1.1

Hệ thống MIMO ........................................................................ 10

1.1.1

Khái niệm hệ thống MIMO..................................................... 10

1.1.2

Mô hình toán học .................................................................... 11

1.1.3

Dung lƣợng kênh MIMO ........................................................ 12

1.2

Một số kĩ thuật trong hệ thống MIMO cơ bản....................... 13

1.2.1

Phân tập thời gian.................................................................... 14

1.2.2

Phân tập tần số. ....................................................................... 15

1.2.3

Phân tập không gian. ............................................................... 16

1.3

Độ lợi trong hệ thống MIMO. .................................................. 17

1.3.1

Độ lợi tạo búp(Beamforming)................................................. 17


1.3.2

Độ lợi ghép kênh không gian. ................................................. 18

1.3.3

Độ lợi phân tập. ....................................................................... 18

1.4

Lý thuyết tổ hợp tín hiệu ở bộ thu ........................................... 19

1.5

Kết luận chƣơng ........................................................................ 21

2 CHƯƠNG II: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN ........................................................... 23
TRONG HỆ THỐNG MIMO ....................................................................................... 23
2.1

Điều chế không gian trong hệ thống MIMO .......................... 23

2.2

Nguyên lý kĩ thuật điều chế không gian .................................. 24

2.3

Cách tính gần tối ƣu để ƣớc lƣợng đồng thời ký hiệu phát và


chỉ số anten phát ............................................................................................ 29
2.4

Tính toán SER trong trƣờng thợp gần tối ƣu dùng MRRC . 34

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

2


2.4.1

Tính SER quá trình ƣớc lƣợng ký hiệu phát ........................... 36

2.4.2

Tính lỗi trong quá trình ƣớc lƣợng chỉ số ăng-ten phát .......... 36

2.5 Ƣu, nhƣợc điểm của điều chế không gian trong hệ thống MIMO ... 39
2.5.1

Ƣu điểm ................................................................................... 39

2.5.2

Nhƣợc điểm ............................................................................. 39

2.6

Kết luận chƣơng: ....................................................................... 40


3 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SO SÁNH GIỮA CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU
CHẾ MIMO-SM VỀ TỈ LỆ LỖI BIT (BER) ............................................................. 41
3.1

MIMO thông thƣờng không sử dụng SM ............................... 41

3.2

MIMO SM với các tín hiệu 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM 42

3.3

So sánh MIMO SM khi sử dụng hệ có số lƣợng ăng-ten thu

phát khác nhau .............................................................................................. 43
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 45

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống MIMO ...................................................................... 11
Hình 1.2: Mô hình toán học hệ thống MIMO .......................................... 11
Hình 1.3: Phân tập theo thời gian ............................................................ 14
Hình 1.4: Kỹ thuật tạo búp....................................................................... 17
Hình 1.5: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền. ...................... 18

Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR ................................. 18
Hình 2.1: Điều chế không gian ánh xạ một chuỗi bit thành một điểm
chòm sao tín hiệu và chòm sao không gian Các điểm của chòm sao không gian
đóng trong ngoặc đơn. Mỗi điểm chòm sao không gian tạo thành một lớp chòm
sao tín hiệu. trên hình vẽ có 2 lớp dành cho ăng-ten thứ nhất (00) và ăng-ten thứ
4 (11) ................................................................................................................... 25
Hình 2.2: Bộ phát SM lựa chọn ăng-ten và lựa chọn loại tín hiệu phát .. 26
Hình 2.3: Kênh không dây và bộ thu ....................................................... 28
Hình 2.4 : Sơ đồ khối SM có sử dụng bộ thu i-MRC .............................. 31
Hình 2.5 Ví dụ về điều chế BPSK 4 ăng-ten phát và điều chế 4-QAM 2
ăng-ten phát ......................................................................................................... 33
Hình 2.6: Lƣu đồ tính toán SER theo MMRC ......................................... 35
Hình 3.1: So sánh BER giữa MIMO SM và MIMO không sử dụng SM 41
Hình 3.2: So sánh BER giữa các điều chế QAM ..................................... 42
Hình 3.3: So sánh giữa hệ MIMO SM MtxMr lần lƣợt 4x2, 4x4, 8x8,
8x4, 8x2 ............................................................................................................... 43

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

4


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

MIMO


Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

SIMO

Single Input Multiple Output

Một đầu vào, nhiều đầu ra

MISO

Multiple Input Single Output

Nhiều đầu vào, một đầu ra

ICI

Inter-Channel Interference

Can nhiễu giữa các kênh

IAS

Inter-Anten-Synchronize

Đồng bộ giữa các ăng-ten

STBC


Space-Time Block Code

Mã khối không thời gian

SM

Spatial Modulation

Điều chế không gian

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ lệ lỗi ký tự

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín trên ồn

BPSK


Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha bốn mức

SSK

Space Shift Keying

Khóa dịch không gian

QAM

Quadrature amplitude modulation

Điều chế biên độ cầu phƣơng

Maximum Likelyhood

Hợp lệ cực đại

Maximum Ratio Combining

Tổ hợp tỉ lệ cực đại


MMRC

Multiplexing Maximum Ratio
Combining

Ghép tổ hợp tỉ lệ cực đại

i-MRC

Iterative-Maximum Ratio Combining

Lặp tổ hợp tỉ lệ cực đại

ML
MRC

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

5


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình
nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn của các cán bộ hƣớng dẫn Các số liệu kết
quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc công bố trong
bất kì công trình nào trƣớc đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã đƣợc
trích đầy đủ theo đúng quy định.
Hà Nội, Ngày


tháng

năm 2014

Tác giả

Bùi Lê Phƣơng Linh

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

6


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận
đƣợc nhiều sự giúp đỗ và đống góp quý báu.
Đầu tiên, tác giải xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hƣớng dẫn
PGS.TS. Nguyễn Viết Kính và các thầy cô giáo trong bộ môn Thông Tin Vô
Tuyến đã tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo, bộ môn Thông tin Vô
tuyến, Khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả có thể hoàn
thành nhiệm vụ.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè các đồng
chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vƣợt qua các khó khăn để
đạt đƣợc những kết quả nghiên cứu này.

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

7



LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, hệ thống thông tin vô tuyến đặc biệt truyền thông đa phƣơng
tiện tốc độ cao trên các kênh vô tuyến fading ngày càng tăng đòi hỏi nhiều kĩ
thuật mới ra đời đáp ứng đƣợc nhu cầu của ngƣời sử dụng.Các kỹ thuật truyền
nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) với nhiều ăng-ten đƣợc trang bị ở máy phát
và máy thu là những giải pháp đầy triển vọng.
Trong kĩ thuật truyền dẫn MIMO, cả máy phát và máy thu vô tuyến đƣợc
trang bị nhiều ăng-ten, từ đó hình thành các hệ thống MIMO đƣợc gọi là kênh
MIMO. Ƣu điểm nổi bật của hệ thống MIMO là dung năng kênh tăng tuyến tính
với số lƣợng ăng-ten truyền đƣợc chứng minh bởi Foschini và Tetalar.
Để khai thác ƣu điểm của hệ thống MIMO, ba chiến lƣợc truyền dẫn
MIMO chính đƣợc các nhà nghiên cứu thế giới đề xuất đó là:
Truyền dẫn sử dụng mã khối không thời gian (STBC) để cải thiện chất
lƣợng truyền tin, giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống
Truyền dẫn sử dụng ghép kênh theo không gian để tăng tốc độ truyền tin
Truyền dẫn tổ hợp đồng thời cả ghép kênh theo không gian và mã hóa
không thời gian nhằm tăng tốc độ và độ truyền tin cậy.
Tuy nhiên các hệ thống MIMO đều gặp phải một số vấn đề nhƣ
Can nhiễu giữa các kênh (ICI), là do sự chồng chuỗi thông tin độc lập
đƣợc truyền bởi nhiều ăng-ten phát
Đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS), đại diện cho các giả định cơ sở cho
không-thời gian và trễ phân tập giữa các phƣơng pháp mã hóa;
Cần thiết nhiều chuỗi tần số vô tuyến cần thiết để truyền tải tất cả các tín
hiệu đồng thời
Trong những năm trở lại đây Mesleh [7] đã giới thiệu một khái niệm mới
là điều chế không gian (SM) nhằm khắc phục những vấn đề trên của hệ thống
MIMO trƣớc đó. Trong hệ thống MIMO-SM, bộ phát chỉ kích hoạt một ăng-ten
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN


8


phát trong một chu kì tín hiệu và phát đi tín hiệu điều chế bằng các kĩ thuật điều
chế truyền thống nhƣ BPSK hay QAM. Do chỉ có một tín hiệu đƣợc phát đi
trong mỗi chu kì bit nên vấn đề ICI đƣợc giải quyết. Vì vậy, bộ tách sóng ML độ
phức tạp thấp có thể thực hiện đƣợc tại máy thu.
Ý tƣởng về điều chế không gian khá mới mẻ mà khắc phục đƣợc nhiều
nhƣợc điểm của hệ thống MIMO lại làm giảm độ phức tạp tại bộ thu vẫn tăng
dung năng kênh mà không cần tăng băng thông. Chính vì thế tác giả chọn tìm
hiểu hệ thống MIMO sử dụng điều chế không gian làm đề tài nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu:
Tìm hiểu mô hình hệ thống MIMO-SM, nguyên lý hoạt động ở bộ phát bộ
thu, mô phỏng đồ thị tỉ lệ lỗi bit theo tỉ lệ tín trên ồn để so sánh đánh giá.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết về thông tin vô tuyến MIMO
- Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập
- Nghiên cứu kỹ thuật về điều chế không gian
- Mô phỏng điều chế để đƣa ra tỉ lệ lỗi bit.
Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, tác giả xin trình bày những nội dung
đã nghiên cứu đƣợc trong luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan hệ thống MIMO
Chƣơng II: Điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Chƣơng III: Mô phỏng so sánh giữa các điều chế MIMO-SM về tỉ lệ lỗi
bit

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

9



1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO
1.1 Hệ thống MIMO
Do sự phát triển của các dịch vụ đa phƣơng tiện, các thiết bị kết nối không
dây trên toàn thế giới nên nhu cầu về dung lƣợng trong các hệ thống thông tin
không dây đang tăng lên rất nhanh. Tuy nhiên phổ tần vô tuyến lại hạn chế, do
vậy muốn tăng dung lƣợng ta bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng tần số. Những
tiến bộ trong mã hóa nhƣ mã Turbo, mã kiểm tra chẵn lẽ mật độ thấp (LDPC) đã
có thể tiệm cận tới giới hạng dung lƣợng Shannon của hệ thống với một ăng-ten.
Tuy nhiên có thể đạt đƣợc hiệu quả phổ tần cao hơn nữa bằng việc sử dụng hệ
thống nhiều ăng-ten ở cả máy phát và máy thu.
1.1.1 Khái niệm hệ thống MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten ở máy phát và máy thu, nhằm tăng tốc độ truyền. Chuỗi tín hiệu phát đƣợc
mã hóa theo cả hai miền không gian và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời
gian (STE: Space-Time Encoder). Tín hiệu sau khi đƣợc mã hóa không gian thời gian

đƣợc phát đi nhờ N ăng-ten phát. Máy thu sử dụng phân tập thu với

M ăng-ten thu. Kênh tổng hợp giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx) có N đầu vào
và M đầu ra đƣợc gọi là kênh MIMO M ×N . Trong các trƣờng hợp đặc biệt khi
N = 1 và M = 1, tƣơng ứng chúng ta có các hệ thống phân tập thu SIMO và phân
tập phát MISO.
Để tránh ảnh hƣởng giữa các ăng-ten phát và các ăng-ten thu với nhau,
khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử ăng-ten ở các mảng ăng-ten phát
hoặc thu là ⁄ .

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

10



Hình 1.1: Hệ thống MIMO

1.1.2 Mô hình toán học
Bắt đầu từ trƣờng hợp đơn giản là kênh truyền có hệ số truyền xác định
(không có fading mà chỉ có hệ số suy giảm và ồn) và đƣợc biết trƣớc qua phép
ƣớc lƣợng kênh, băng tần hẹp bất biến với thời gian. Một hệ thống gồm N ăngten phát và M ăng-ten thu thƣờng đƣợc gọi là hệ thống MIMO MxN. Một hệ
thống nhƣ vậy thƣờng đƣợc mô tả mối quan hệ đầu vào – đầu ra nhƣ sau [1]:

(1.1)
z là vectơ tạp âm;
H là ma trận các đặc tính kênh truyền nhƣ thông tin về độ lớn, về pha của
đƣờng truyền giữa N ăng-ten phát và M ăng-ten thu.
Mô hình toán học đƣợc diễn tả nhƣ sau:

Hình 1.2: Mô hình toán học hệ thống MIMO

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

11


Ma trận H có dạng:

[

]

(1.2)


Các vecto phát, thu và tạp âm tƣơng ứng là:
s=[

]

y=[

]

z=[

]

Cách trình bày khác:
(1.3)
Mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu biểu diễn qua phƣơng trình
hệ thống:
y=√

Hs + z

(1.4)

Với PT là tổng công suất phát từ N ăng-ten phát.
1.1.3 Dung lƣợng kênh MIMO
Dung lƣợng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác
suất lỗi tƣơng đối nhỏ nào đó. Dung lƣợng của một kênh truyền chịu ảnh hƣởng
của tạp âm nhiễu Gauss trắng cộng tính:
C=W


[bits/s]

(1.5)

Trong đó:
W : băng tần của kênh truyền (Hz)
: tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNR)
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

12


Đối với kênh truyền cố định, dung lƣợng kênh truyền MIMO có thể
biểu điễn tổng quát nhƣ sau:
CMIMO =

(1.6)

{

(

) *

+

(

) *


+

Trong thực tế do các tác động của fading, kênh truyền biến động
theo thời gian và thƣờng đƣợc mô phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân
theo phân bố Rayleigh. Dung lƣợng kênh truyền đƣợc xác định:

̅̅̅̅̅̅̅̅ = {

,

(

)- *

+

,

(

)- *

+

(1.7)

1.2 Một số kĩ thuật trong hệ thống MIMO cơ bản
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập
đƣợc sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hƣởng của fading đa đƣờng và cải thiện độ
tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng

thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận đƣợc
các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông
tin nhƣng sự tƣơng quan về fading thống kê là rất nhỏ. Ý tƣởng cơ bản của phân
tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu đƣợc đƣa tới và các
mẫu đó bị ảnh hƣởng của fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng,
có những tín hiệu bị ảnh hƣởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hƣởng ít
hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hƣởng của
fading dƣới một mức cho trƣớc là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu
độc lập bị nằm dƣới mức đó. Do vậy, bằng cách tổ hợp một cách thích hợp các
mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hƣởng của fading và do đó tăng độ tin cậy
của việc phát tín hiệu. Một số phƣơng pháp phân tập đƣợc sử dụng để có đƣợc
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

13


chất lƣợng nhƣ mong muốn tƣơng ứng với phạm vi phân tập đƣợc giới thiệu,
các kỹ thuật phân tập đƣợc phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập
không gian.
1.2.1 Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian có thể thu đƣợc qua mã hóa và xen kênh. Sau đây
ta sẽ so sánh hai trƣờng hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi
kênh truyền rất nhỏ.
ht

t

Khoâng xen keânh
Töø maõ x0


Töø maõ x1

Töø maõ x2

Töø maõ x3

Xen keânh
Hình 1.3: Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng
bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể
phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hƣởng bởi fading.
Phân tập thời gian có thể đạt đƣợc bằng cách truyền dữ liệu giống nhau
qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tƣơng
quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian tƣơng quan
của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading.
fading do có chuyển động tƣơng đối giữa nguồn phát theo thời gian gây ra
hiệu ứng Doppler

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

14


1
c

f d v. f c .

(1.8)


Trong đó c: vận tốc ánh sáng
fc: tần số ánh sáng
fd: tần số doffler
ν: vận tốc dịch chuyển của nguồn phát
Mã kiểm soát lỗi thƣờng đƣợc sử dụng trong hệ thống truyền thông để
cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền
thông di động, mã kiểm soát lỗi tổ hợp với xen kênh để đạt đƣợc sự phân tập
thời gian. Trong trƣờng hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu
dƣới dạng dƣ thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản
của tín hiệu phát đƣợc quy định bởi thời gian xen kênh để thu đƣợc fading độc
lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc
giải mã, kỹ thuật này thƣờng hiệu quả trong môi trƣờng fading nhanh, ở đó thời
gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen
kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.
1.2.2 Phân tập tần số.
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát
cùng một thông tin. Các tần số cần đƣợc phân chia để đảm bảo bị ảnh hƣởng của
fading một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng
thông tƣơng quan để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không
tƣơng quan với nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu
phát thƣờng đƣợc cung cấp cho nơi thu ở dạng dƣ thừa trong miền tần số còn
đƣợc gọi là trải phổ, ví dụ nhƣ trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy
tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền
nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông
trải phổ, trải trễ đa đƣờng sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Trong trƣờng hợp này,
trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự
tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dƣ thừa thông tin trong cùng băng
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN


15


tần số.
1.2.3 Phân tập không gian.
Phân tập không gian còn gọi là phân tập ăng-ten. Phân tập không gian
đƣợc sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập
không gian sử dụng nhiều ăng-ten hoặc mảng đƣợc sắp xếp trong không gian tại
phía phát hoặc phía thu. Các ăng-ten đƣợc phân chia ở những khoảng cách đủ
lớn, sao cho tín hiệu không tƣơng quan với nhau.
Yêu cầu về khoảng cách giữa các ăng-ten tùy thuộc vào độ cao của ăngten, môi trƣờng lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài
bƣớc sóng là đủ để các tín hiệu không tƣơng quan với nhau. Trong phân tập
không gian, các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc truyền đến nơi thu tạo nên sự
dƣ thừa trong miền không gian. Không giống nhƣ phân tập thởi gian và tần số,
phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất
quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tƣơng lai.
Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều ăng-ten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu
mà ngƣời ta chia phân tập không gian thành ba loại [2]:
- Phân tập ăng-ten phát (hệ thống MISO): là kĩ thuật phân tập sử dụng
nhiều ăng-ten ở phía phát để truyền đi các tín hiệu đƣợc tổ chức theo một
phƣơng thức nào đó nhằm tạo ra các tín hiệu fading không tƣơng quan ở phía
máy thu. Máy thu có thể tổ hợp các tín hiệu thu đƣợc để làm giảm các tác động
của fading và cải thiện tỉ lệ lỗi bit của hệ thống.

- Phân tập ăng-ten thu (hệ thống SIMO):
Trong phân tập ăng-ten thu, nhiều ăng-ten đƣợc sử dụng ở nơi thu để nhận
các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên bản của tín hiệu
phát đƣợc tổ hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm
bớt fading đa đƣờng. Khi tín hiệu ăng-ten không tƣơng quan lẫn nhau thì xác
suất tất cả các tín hiệu thu đƣợc nhỏ hơn một giá trị cho trƣớc thấp hơn rất nhiều

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

16


so với xác xuất khi chỉ có một tín hiệu đơn lẻ . Do đó nếu các tín hiệu đƣợc tổ
hợp với nhau một cách thích hợp nhờ kĩ thuật phân tập thu thì tác động của hiện
tƣợng fading có thể đƣợc giảm nhiều
- Phân tập ăng-ten phát và thu (hệ thống MIMO): là sự tổ hợp của 2
phƣơng pháp phân tập trên sử dụng nhiều ăng-ten tại cả bộ phát và bộ thu để
tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
1.3 Độ lợi trong hệ thống MIMO.
1.3.1 Độ lợi tạo búp(Beamforming)
Tạo búp giúp hệ thống tập trung năng lƣợng bức xạ theo hƣớng mong
muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh đƣợc can nhiễu tới
từ các hƣớng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lƣợng kênh truyền và
tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện tạo búp, khoảng cách giữa
các ăng-ten trong hệ thống MIMO thƣờng nhỏ hơn bƣớc sóng  (thông thƣờng
là  / 2 ), tạo búp thƣờng đƣợc thực hiện trong môi trƣờng ít tán xạ .Khi môi
trƣờng tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không
gian và độ lợi phân tập.

TX

RX

Hình 1.4: Kỹ thuật tạo búp

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN


17


1.3.2 Độ lợi ghép kênh không gian.

TX

RX

Hình 1.5: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền.

Tận dụng các kênh truyền song song có đƣợc từ đa ăng-ten tại phía phát
và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ đƣợc phát độc lập và đồng
thời ra các ăng-ten (hình 1.5), nhằm tăng dung lƣợng kênh truyền mà không cần
tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống. Dung lƣợng hệ thống sẽ tăng
tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Để cực đại độ lợi
ghép kênh qua đó cực đại dung lƣợng kênh truyền thuật toán V-BLAST
(Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) đƣợc áp dụng.

1.3.3 Độ lợi phân tập.

TX

RX

Hình 1.6: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị fading liên tục
theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn
định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua

các kênh truyền fading khác nhau (hinh 1.6), bộ thu có thể lựa chọn hay tổ hợp
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

18


hay tổ hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ lỗi biet BER, chống
fading qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập, giảm
BER và chống lại fading, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC
(Space-Time Trellis Code) đƣợc áp dụng.
Thực tế, để hệ thống có dung lƣợng cao, BER thấp, chống đƣợc fading, ta
phải có sự tƣơng quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết
kế hệ thống
1.4 Lý thuyết tổ hợp tín hiệu ở bộ thu
Những phiên bản của tín hiệu đƣợc tạo ra bằng kĩ thuật phân tập khác
nhau cần đƣợc tổ hợp để nâng cao hiệu năng của hệ thống.
Giả sử rằng những ăng-ten ở bộ thu đều đƣợc cung cấp nhiều bản sao của
tín hiệu phát. Lý thuyết tổ hợp tín hiệu trình bày sau đây đƣợc ứng dụng tới các
kiểu phân tập khác nhau một cách dễ dàng. Trong thực tế nguồn của phân tập
không ảnh hƣởng đến sự tổ hợp do phân tập ăng-ten phát. Ví dụ, nhận 2 phiên
bản từ tín hiệu phát bao gồm phân tập phân cực là giống nhƣ nhận 2 tín hiệu từ 2
ăng-ten cho mục đích tổ hợp. Có 2 lý thuyết tổ hợp chính đƣợc sử dụng tổ hợp
tỉ lệ cực đại và tổ hợp lựa chọn. Ta sẽ chỉ tập trung xét trƣờng hợp tổ hợp tỉ lệ
cực đại [4] là lý thuyết cơ sở cho phần sau
Xét một hệ thống nhƣ hình 1.7 mà bộ thu nhận đƣợc M bản sao của tín
hiệu phát thông qua M đƣờng độc lập. Giả sử rm=1,2..M là tín hiệu thứ m nhận
đƣợc và đƣợc xác định bằng công thức : rm=
Trong đó ηm là một mẫu của Gauss trắng cộng tính vào bản sao thứ m của
tín hiệu. Một bộ giải mã tổ hợp những M tín hiệu nhận vào để tìm ra tín hiệu gần
giống nhất với tín hiệu phát. Chúng ta xem xét một sơ đồ tách sóng kếthợp trong

đó, bộ thu biết độ lợi đƣờng của kênh là

. Do các mẫu ồn là các biến ngẫu

nhiên Gauss độc lập, nên tín hiệu nhận đƣợc cũng là những biến ngẫu nhiên
Gauss độc lập khi cho trƣớc độ lợi đƣờng của kênh đƣợc chỉ ra cũng nhƣ tín
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

19


hiệu phát. Do đó, hàm mật độ liên kết có điều kiện của tín hiệu bộ thu là
{

∑

}

(1.9)

Trong đó No/2 là phƣơng sai của phần thực và phần ảo của Ồn Gauss
phức. Để cực đại hàm gần giống này, bộ thu cần tìm ra tín hiệu phát tối ƣu để
làm cực tiểu

∑

. Chú ý rằng với không có phân tập thì

M=1, để đơn giản thì hàm giá trị làm cực tiểu là


hoặc

cho đơn giản. Điều đó tƣơng đƣơng với việc tìm ra ̂ trong số những tín hiệu
phát có thể , giá trị gần nhất với r* .
Đối với một chòm sao có kí hiệu năng lƣợng bằng nhau, ví dụ PSK,
chúng ta có
̂=

∑

=

=arg min |∑

[

∑

∑

]

(1.10)

|

Từ đó, bộ giải mã ML là tƣơng tự với hệ thống không có phân tập nếu
thay vì dùng r* chúng ta dùng một số trung bình có trọng số của các tín hiệu
thu, ∑


. Đó chính là tổ hợp tỉ lệ cực đại.

Nói tóm lại, MRC sử dụng một bộ lọc phù hợp, đó là bộ thu tối ƣu với
mỗi tín hiệu nhận và sử dụng trọng số tối ƣu m=*m tổ hợp đầu ra của bộ lọc
phù hợp.
Nếu trung bình công suất của kí hiệu phát là Es, SNR của bộ thu thứ m là
γm=|m|2(Es/No).
Để lấy đƣợc SNR đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại, đầu tiên chúng ta tính
∑

∑

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

=∑

(1.11)
20


+∑
Do đó SNR tại đầu ra của bộ tổ hợp tỉ lệ cực đại là
∑
∑

∑

∑

(1.12)


Do đó, SNR thu thực sự của hệ thống với độ phân tập M là tƣơng đƣơng
với tổng của những SNR thu với M đƣờng khác nhau. Điều chính yếu của sự
tăng M lần trong SNR là ở mối liên quan giữa xác suất lỗi trung bình và SNR
thu trung bình. Giả sử rằng tất các đƣờng khác nhau có cùng một trung bình
SNR tức E[γm]=A. Sử dụng công thức (1.12) , SNR trung bình tại đầu ra của bộ
tổ hợp tỉ lệ cực đại là
̅ =MA

(1.13)

Sự tăng dần trong SNR trung bình đƣa đến độ lợi phân tập là M. Có thể
thấy rằng độ lợi phân tập khải dĩ cực đại này có đƣợc khi M bản sao của tín hiệu
đều có sẵn trong kênh Rayleigh fading.
Việc tăng SNR thu thực sự khi sử dụng MRC ảnh hƣởng đến xác xuất lỗi
tại bộ thu. Với hệ thống không có phân tập, xác suất lỗi trung bình là tỉ lệ nghịch
với SNR, A-1, tại SNR cao. Vì mỗi đƣờng trong M đƣờng tuân theo một phân bố
Rayleigh fading, xác xuất lỗi trung bình của hệ thống với M đƣờng Rayleigh độc
lập là tỉ lệ với A-M. Nhƣ đã định nghĩa trƣớc đó, tỉ lệ M trọng số mũ của SNR
thu đƣợc gọi là độ lợi phân tập. Do đó sử dụng MRC ta đạt đƣợc độ lợi phân tập
bằng với số đƣờng độc lập khả thi.
1.5 Kết luận chƣơng
Trong chƣơng I này đã trình bày về hệ thống MIMO khái niệm, mô hình
toán và dung lƣợng kênh MIMO. Chƣơng cũng giới thiệu một số kĩ thuật phân
tập trong hệ thống MIMO và độ lợi của hệ thống. Đặc biệt trong chƣơng này có
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

21



đề cập đến lý thuyết tổ hợp tỉ lệ cực đại ở bộ thu. Đây là phần nền tảng lý thuyết
quan trọng cho các chƣơng sau của luận văn.

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

22


2 CHƢƠNG II: ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN
TRONG HỆ THỐNG MIMO
2.1 Điều chế không gian trong hệ thống MIMO
Việc sử dụng nhiều ăng-ten cho các hệ thống truyền thông không dây đã
đƣợc quan tâm nghiên cứu rất lớn trong thập kỷ qua, cả trong giới học thuật và
ngành công nghiệp [9]. Nhiều ăng-ten trong MIMO hệ thống có thể đƣợc khai
thác trong nhiều cách khác nhau để có đƣợc độ lợi ghép, kênh fading phân tập,
hoặc độ lợi ăng-ten. Tuy nhiên, bất kể việc sử dụng nhƣ ghép kênh không gian,
phân tập, hoặc hệ thống ăng-ten thông minh, nhƣợc điểm chính của bất kỳ hệ
thống MIMO là sự gia tăng độ phức tạp và chi phí. Điều này chủ yếu là do ba
vấn đề chính
- Can nhiễu giữa các kênh (ICI), là do chồng chất nhiều chuỗi thông tin độc
lập đƣợc truyền bởi nhiều ăng-ten phát;
-

Đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS), là không thể thiếu trong các giả định cơ
sở cho các phƣớng pháp mã hóa không-thời gian và trễ phần tập;

-

Nhiều chuỗi tần số vô tuyến để truyền tải tất cả các tín hiệu đồng thời
Hơn nữa, một số mẫu thiết kế vài bộ phát đòi hỏi số lƣợng ăng-ten thu lơn


hơn số lƣợng ăng-ten phát, điều này có thể bị giới hạn vì lý do kinh tế trên điện
thoại di động, trong các ứng dụng dùng để thiết lập đƣờng xuống. Những vấn đề
này làm cho việc thực hiện thực tế của kĩ thuật MIMO trở nên khó khăn, đặc
biệt là tại các trạm điện thoại di động, phần cứng và xử lý tín hiệu kỹ thuật số
yêu cầu một năng lƣợng đáng kể. Tuy nhiên, do những ƣu điểm lớn của kỹ thuật
MIMO nó phải luôn là một mục tiêu nghiên cứu để phát triển cách tiếp cận mới
cho hệ phát nhiều ăng-ten nhằm giảm thiểu những hạn chế thực tế trong khi vẫn
giữ những lợi thế quan trọng.[6]
Điều chế không gian gần đây đã đƣợc đề xuất nhƣ một phƣơng pháp điều
chế mới của hệ thống MIMO, điều này làm giảm độ phức tạp và giá thành của kĩ
thuật nhiều ăng-ten mà không làm giảm hiệu năng hoạt động đầu cuối của hệ
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

23


thống mà vẫn đảm bảo tốc độ dữ liệu tốt. Đặc biệt hơn, thiết kế bộ phát-thu ít
phức tạp và có hiệu suất phổ cao sẽ đồng thời đat đƣợc thông qua kỹ thuật điều
chế đơn giản và kĩ thuật mã hóa một cách khéo léo nhƣ sau:
Một là chỉ một ăng-ten phát đƣợc hoạt động để truyền dữ liệu trong bất kì
khoảng thời gian tín hiệu nào. Nó cho phép SM tránh đƣợc ICI, để yêu cầu
không cần đồng bộ giữa các phần từ ăng-ten phát, và chỉ cần một chuỗi RF để
truyền dữ liệu. Điều đó là một sự khác biệt rõ ràng với kĩ thuật MIMO thông
thƣờng ở đó nhiều ăng-ten đƣợc sử dụng đồng thời truyền luồng dữ liệu. Hơn
nữa, điều này cho phép SM chỉ cần thiết kế bộ thu một luồng có độ phức tạp
thấp để giải mã hợp lệ cực đại (ML)
Hai là vị trí không gian của mỗi ăng-ten phát trong mảng ăng-ten đƣợc sử
dụng nhƣ nguồn thông tin. Điều này đạt đƣợc bằng cách thiết lập ánh xạ 1-1
giữa mỗi chỉ số ăng-ten và một khối bit thông tin để phát, tạo ra một cơ chế mã

hóa có thể đƣợc gọi là điều chế mã hóa chỉ số ăng-ten phát. Nhờ vậy mà SM đạt
đƣợc độ lợi ghép không gian so với hệ thống đơn ăng-ten truyền thống bởi phần
thông tin thêm vào là hoàn toàn truyền tải bởi vị trí của ăng-ten oát. Theo đó,
mặc dù chỉ một ăng-ten hoạt động, SM có thể đạt đƣợc lƣu lƣợng dữ liệu cao.
Hai đặc tính khác biệt trên làm SM trở thành một kĩ thuật truyền dẫn lớp
vật lý hoàn toàn mới trong đó đã tổ hợp theo một cách duy nhất, điều chế số, mã
hóa và nhiều ăng-ten để đạt đƣợc tốc độ dữ liệu cao mà độ phức tạp thực thi
thấp.
2.2 Nguyên lý kĩ thuật điều chế không gian
Điều chế không gian là một lý thuyết phát nhiều ăng-ten mà không giống
nhƣ những kĩ thuật nhiều ăng-ten khác, nhiều ăng-ten phát đƣợc xem nhƣ một
mô hình chòm sao [7].Ý tƣởng chính là để ánh xạ một khối bit thông tin vào một
điểm chòm sao trong miền tín hiệu và một điểm chòm sao trong miền không
gian, tức là tách thành 2 khối bit một mang thông tin của một tín hiệu điều chế
thông thƣờng(QAM, PSK) và một mang chỉ số duy nhất gán cho một ăng-ten
Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

24


phát, chọn từ tập hợp các ăng-ten trong mảng ăng-ten nhƣ hình 2.1

Hình 2.1: Điều chế không gian ánh xạ một chuỗi bit thành một điểm chòm sao tín hiệu và chòm sao không
gian Các điểm của chòm sao không gian đóng trong ngoặc đơn. Mỗi điểm chòm sao không gian tạo thành một lớp
chòm sao tín hiệu. trên hình vẽ có 2 lớp dành cho ăng-ten thứ nhất (00) và ăng-ten thứ 4 (11)

Bộ thu ƣớc lƣợng đơn vị thông tin để khôi phục lại khối bit thông tin. Kĩ
thuật phát và thu điều chế không gian đƣợc tính sau đây.
Ý tƣởng của việc nhúng phần thông tin để truyền vào vị trí ăng-ten là một
kĩ thuật lai giữa điều chế và MIMO trong đó tín hiệu đƣợc điều chế phụ thuộc

vào giản đồ chòm sao 3 chiều, trong đó bao gồm cả thông tin tín hiệu và thông
tin về không gian. Thí dụ với mạng ăng-ten tuyến tính Nt=4 và một điều chế
QPSK. Khi đơn vị mang thông tin chỉ là chỉ số ăng-ten phát, SM giảm nó xuống
thành điều chế SSK, điều này mà tránh đƣợc việc phụ thuộc vào bất kì phƣơng
pháp điều chế thống thƣờng và cân nhắc về độ phức tạp của bộ thu cần thiết

Đại học Công Nghệ-ĐHQGHN

25