Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MAI TỐ HỒNG

KỸ THUẬT MÃ HĨA VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1) TS. NGUYỄN QUỐC LÂN

TS.NGUYỄN QUỐC LÂN
2) TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 1: ThS. TRẦN VĂN SƯ

ThS. TRẦN VĂN SƯ
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. HỒ VĂN KHƯƠNG

TS. HỒ VĂN KHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 07 năm 2008



ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

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

---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN MAI TỐ HỒNG

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1979

Nơi sinh: Vĩnh Long

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Khoá (Năm trúng tuyển): 2006
1- TÊN ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT MÃ HÓA VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu lý thuyết MIMO-OFDM: kỹ thuật phân tập đa anten phát & thu, cơng
thức tốn, tính ứng dụng, nhất là nêu ra các mặt ưu việt cũng như các mặt hạn chế
cần khắc phục.
- Tìm hiểu và đưa ra phương pháp mã hóa & giải mã trong hệ thống MIMOOFDM: giải thuật xác suất cực đại ML (Maximum Likelihood) và giải thuật xác
suất có điều kiện tối ưu MAP (Maximum A Posterior).
- Tìm hiểu giải thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM trong kênh fading lựa
chọn tần số biến đổi theo thời gian.
- Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi
của chúng.
- Đánh giá kết quả mơ phỏng, kết luận và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CBHD 1: Tiến sĩ Nguyễn Quốc Lân
CBHD 2: Tiến sĩ Phan Hồng Phương
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1) TS. NGUYẾN QUỐC LÂN
2) TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG
TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


Lời cảm ơn

[*****\
Cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử – Viễn thông trường Đại học Bách khoa
Tp.HCM đã thắp sáng và truyền đạt cho tôi nguồn kiến thức vô cùng quý báu
là cơ sở và nền tảng cho quá trình thực hiện đề tài .
Cảm ơn cô Phan Hồng Phương đã định hướng và nhiệt tình chỉ dẫn
những kinh nghiệm cần thiết trong suốt thời gian vừa qua.
Cảm ơn những bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn
thành tốt công việc cũng như khóa học này.
Cảm ơn gia đình &người thân luôn nhắc nhở và dõi theo tôi, cho tôi niềm
tin và nghị lực hoàn thành đề tài này.

Xin trân trọng ghi nhớ không bao giờ quên!

Tp.HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008
Nguyễn Mai Tố Hoaøng


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài tập trung tìm hiểu và mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM với các mã hóa
khơng gian-thời gian khác nhau. Q trình giải mã và khơi phục tín hiệu cần phải có
các thơng tin cần thiết trạng thái kênh do đó giải thuật phải kết hợp với việc ước
lượng các tham số kênh truyền ở phía thu.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI BAO GỒM
9 Đưa ra được các giải thuật mã hóa & giải mã khơng gian-thời gian.
¾ Mã hố khối khơng gian-thời gian: mã hóa Alamouti và mã STBC.
¾ Mã hóa Turbo: mã khối Turbo và mã xoắn Turbo.
9 Đưa ra được giải thuật ước lượng ước lượng kênh truyền: giải thuật ước lượng
theo phương pháp chuỗi huấn luyện tối ưu.

9 Mô phỏng Matlab các thiết kế dựa trên các giải thuật đã tìm hiểu.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu về kỹ thuật mã hóa khơng gian-thời gian và ước lượng
kênh truyền MIMO-OFDM ứng dụng trong các mạng khơng dây được trình bày
trong 7 chương của luận văn:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Kênh truyền vô tuyến
Chương 3: Kỹ thuật MIMO-OFDM
Chương 4: Kỹ thuật mã hóa khơng gian-thời gian
Chương 5: Kỹ thuật ước lượng kênh truyền
Chương 6: Kết quả mô phỏng
Chương 7: Kết luận


HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI
Khi tiến hành thiết kế & tìm hiểu giải thuật thực hiện đề tài ta đã gặp những khó
khăn sau đây:
¾ Đối với hệ thống MIMO-OFDM, số anten phát & thu càng nhiều thì tập dữ liệu
xử lý (dạng ma trận phát & thu) càng lớn địi hỏi bộ nhớ & tốc độ máy tính tương
đối cao, nếu không thời gian xử lý sẽ tăng lên nhiều lần.
¾ Mã hóa sửa lỗi kênh truyền là khác nhau cho từng ứng dụng hệ thống thông tin,
cần phải thiết kế phù hợp để đạt được kết quả mong muốn.
¾ Giải thuật giải mã mềm địi hỏi số lần lặp giải mã nhiều lần thì kết quả càng
chính xác tuy nhiên thời gian chờ đợi cũng lâu hơn.
¾ Tham số kênh truyền thay đổi theo thời gian, vận tốc giữa nguồn & đích, điều
kiện mơi trường nên giải thuật ước lượng cần thay đổi theo các điều kiện này.
Do đó đề tài có một vài hạn chế:
¾ Mơ phỏng hệ thống MIMO-OFDM chỉ với số anten phát & thu bằng nhau trong
khi thực tế con số này là bất kỳ.

¾ Việc chọn bộ mã hóa thành phần cho khối mã hóa Turbo chỉ là mã khối và mã
vịng đơn giản.
¾ Việc giải mã mềm với số lần lặp là 5 trong khi thực tế có thể có giá trị lớn hơn
để tín hiệu thu càng giống với tín hiệu phát.
¾ Giải thuật giải mã dựa vào chuỗi huấn luyện tối ưu là biết trước ở bộ thu, tuy
nhiên nếu trong khoảng thời gian phát dữ liệu thì bộ thu không biết được thông tin
ngẫu nhiên dẫn đến việc ước lượng là khơng chính xác.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN & ÁP DỤNG
Mã hóa khơng gian-thời gian với nhiều tốc độ mã hóa khác nhau cũng như việc
lựa chọn cẩn thận các bộ mã hóa thành phần bên trong sẽ làm tăng khả năng sửa lỗi
hơn nữa cho hệ thống MIMO-OFDM. Ở bộ thu việc giải mã tương ứng sẽ có nhiều


giải thuật được đề nghị, chú ý là độ chính xác càng tăng thì việc trả giá là sự phức
tạp trong khi thực hiện.
Việc thiết kế chuỗi huấn luyện cũng rất quan trọng trong hệ thống MIMOOFDM vì nếu có càng nhiều chuỗi huấn luyện thì việc ước lượng càng chính xác
tuy nhiên điều này sẽ làm cho băng thơng truyền dữ liệu mang tin bị chiếm dụng.
Ngoài ra việc ước lượng cịn được thực hiện trong nhiều chiều khơng gian khác
nhau (thời gian, tần số).
Các tiêu chuẩn không dây dành cho mạng cục bộ đã được áp dụng rộng rãi ngày
càng thu hút mối quan tâm của mọi người về công nghiệp viễn thông và hệ thống
giáo dục thông tin vô tuyến chuyên ngành.


MỤC LỤC
---o0o--CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN....................................................................................1
1.1. Tình hình nghiên cứu .........................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài ..............................................................................................3
1.3. Ý nghĩa ................................................................................................................3

1.4. Nội dung đề tài ....................................................................................................3
1.5. Phạm vi nghiên cứu.............................................................................................4
1.6. Phương pháp thực hiện .......................................................................................4
CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.........................................................5
1.1 Suy hao đường truyền .........................................................................................7
1.2 Fading..................................................................................................................8
2.2.1. Kênh fading phẳng....................................................................................8
2.2.2. Kênh fading lựa chọn tần số .....................................................................9
2.3. Mơ hình thống kê cho kênh truyền fading ........................................................11
2.3.1. Mơ hình kênh fading phẳng....................................................................11
2.3.2. Mơ hình kênh fading lựa chọn tần số .....................................................15
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT MIMO-OFDM ..........................................................16
3.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao .......................................................18
3.1.1. Đặc điểm của kỹ thuật OFDM................................................................19
3.1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...................................................................20
3.1.3. Biểu diễn tín hiệu OFDM .......................................................................21
3.2. Kỹ thuật MIMO-OFDM....................................................................................26
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM.......................................................26
3.2.2. Biểu diễn tín hiệu MIMO-OFDM...........................................................28
3.2.3. Mã hố kênh truyền ................................................................................35
3.2.4. Ước lượng kênh truyền ...........................................................................35


CHƯƠNG 4. MÃ HĨA KÊNH TRUYỀN...........................................................36
4.1. Tốc độ mã hóa...................................................................................................36
4.2. Mã khối khơng gian-thời gian...........................................................................36
4.2.1. Mã hóa Alamouti ....................................................................................37
4.2.2. Bộ giải mã kết hợp và xác suất cực đại ..................................................39
4.2.3. Mã hóa khối khơng gian-thời gian..........................................................41
4.2.4. Giải mã khối khơng gian-thời gian .........................................................42

4.3. Mã Turbo...........................................................................................................43
4.3.1. Bộ giải mã mềm......................................................................................44
4.3.2. Mã khối Turbo ........................................................................................48
4.3.3. Mã xoắn Turbo........................................................................................51
CHƯƠNG 5. ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN...................................................55
5.1. Phương pháp ước lượng chuỗi huấn luyện tối ưu .............................................55
5.2. Phương pháp ước lượng đơn giản kênh truyền.................................................59
5.3. Đồng bộ tín hiệu MIMO-OFDM ......................................................................60
CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ................................................................62
6.1. Ước lượng kênh truyền .....................................................................................62
6.2. Mã hóa kênh truyền...........................................................................................64
6.2.1. Mã hóa Alamouti ....................................................................................64
6.2.2. Mã hóa STBC .........................................................................................64
6.2.3. Mã hóa Turbo..........................................................................................65
6.3. Ảnh hưởng của kiểu điều chế số, độ phân tập ..................................................66
6.3.1. Ảnh hưởng của kiểu điều chế số.............................................................66
6.3.2. Ảnh hưởng của độ phân tập....................................................................67
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN......................................................................................68
Tài liệu tham khảo
Phụ lục profile kênh truyền vô tuyến theo tiêu chuẩn ITU
Phụ lục ước lượng kênh truyền theo phương pháp LS


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
---o0o--WPAN

Wireless Personal Area Network

ADSL


Asymetric Digital Subcriber Line

AGC

Automatic Gain Control

AMPS

Advanced Mobile Phone Services

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

CDMA

Code-Division Multiple Access

CE

Channel Estimation

CFO

Carrier Frequency Offset


CP

cyclic prefix

CSI

Channel State Information

CT

Cordless Telephone

DAB

Digital Audio Broadcasting

DECT

Digital Cordless Telephone

DMT

Discrete MultiTone

DVB-T

Digital Video Broadcasting-Terrestrial

EDGE


Enhanced Data for Global Evolution

FDM

Frequency Division Multiplexing

FFT

Fast Fourier Transformer

GSM

Global System for Mobile Communications

GI

Guard Interval

HDSL

High speed Digital Subcriber Line

ICI

InterCarrier Interference

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers


IFFT

Inverse Fast Fourier Transformer

IMT

International Mobile Telephone

ISI

Inter Symbol Interference


ITU

International Telecommunication Union

LAN

Local Area Network

LDPC

Low Density Parity Code

LOS

Light Of Sigh

MAN


Metropolitan Area Network

MC-CDMA

Multi Code CDMA

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MMAC

Multimedia Mobile Access Communication

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAPR

Peak Average Power Ratio

PDA

Personal Digital Assistant

PDC

Personal Digital Cellular


PDF

Probability Density Function

PHS

Personal Handyphone System

QoS

Quality of Service

SER

Symbol Error Rate

SFN

Single Frequency Network

SISO

Soft In Soft Out

STBC

Space Time Block Code

STC


Space Time Code

TACS

Total Access Communications System

TDMA

Time Division Multiple Access

V-BLAST

Vertical-Bell Laboratories Layered Space Time

VDSL

Very high speed Digital Subcriber Line

WCDMA

Wideband CDMA

WLAN

Wireless LAN

WMAN

Wireless MAN



DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1. Đa thức sinh của mã Hamming ............................................................. 50
Bảng 4.2. Bảng thông số bộ mã hóa BTC theo chuẩn IEEE 802.16 WMAN ....... 51


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1. Hiện tượng đa đường trong kênh truyền vơ tuyến ......................................6
Hình 2.2. Mơ hình kênh truyền đa đường với đáp ứng xung tuyến tính thay đổi theo
thời gian.........................................................................................8
Hình 2.3. Fading phẳng...............................................................................................8
Hình 2.4. Fading lựa chọn tần số ..............................................................................10
Hình 2.5. Hiện tượng Doppler ..................................................................................10
Hình 2.6. Pdf của phân bố Rayleigh .........................................................................12
Hình 2.7. Hàm pdf của phân bố Rician với các giá trị K khác nhau ........................15
Hình 3.1. Tỉ lệ lỗi bit BER đối với tỉ số tín hiệu trên nhiễu Eb/No (dB) trong các hệ
thống đa anten phát và đa anten thu ...................................16
Hình 3.2. Hệ thống MIMO........................................................................................17
Hình 3.3. So sánh độ lợi băng thơng giữa kỹ thuật đa sóng mang FDM và kỹ thuật
OFDM .........................................................................................18
Hình 3.4. Sơ đồ khối một bộ thu phát OFDM băng gốc...........................................20
Hình 3.5. Phổ của một kênh con OFDM (a) và tín hiệu OFDM 05 sóng mang con (b)........20
Hình 3.6. a) Khái niệm về tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix)
b) Ký tự OFDM với CP.............................................................................22
Hình 3.7. Sơ đồ bộ phát tín hiệu MIMO-OFDM ......................................................26
Hình 3.8. Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM.....................................................27
Hình 3.9. Sơ đồ bộ thu tín hiệu MIMO-OFDM........................................................27

Hình 3.10. Mơ hình chi tiết hệ thống thu phát NT x NR MIMO-OFDM...................28
Hình 4.1. Bộ mã hóa STBC ......................................................................................37
Hình 4.2. Bộ mã hóa Alamouti .................................................................................37


Hình 4.3. Sơ đồ bộ giải mã Alamouti với 1 antenna thu .........................................38
Hình 4.4. Cấu trúc bộ mã hóa và giải mã Turbo khơng gian-thời gian ....................43
Hình 4.5. Bộ giải mã mềm SISO...............................................................................44
Hình 4.6. Bộ mã hóa BTC nối tiếp ...........................................................................48
Hình 4.7. Từ mã BTC ...............................................................................................48
Hình 4.8. Bộ giải mã lặp BTC...................................................................................50
Hình 4.9. Cấu trúc từ mã BTC theo chuẩn IEEE 802.16 WMAN............................50
Hình 4.10. Bộ mã hóa CTC.......................................................................................52
Hình 4.11. Bộ mã hóa RSC.......................................................................................52
Hình 4.12. Bộ giải mã CTC ......................................................................................54
Hình 5.1. Hệ thống MIMO-OFDM với 2 antenna phát và 2 thu ..............................55
Hình 5.2. OFDM với chuỗi huấn luyện tối ưu a) ⏐hi[n, l]⏐ b) hi[n, l] [9]................57
Hình 5.3. Ví dụ về thiết kế chuỗi huấn luyện tối ưu cho hệ thống MIMO-OFDM với
2 antenna phát, 64 sóng mang phụ ..................................58
Hình 5.4. Cấu trúc gói theo chuẩn truyền IEEE 802.11a..........................................61
Hình 5.5. Cấu trúc preamble đề nghị cho hệ thống MIMO ......................................61
Hình 6.1. So sánh tỉ lệ ký hiệu lỗi đối với tỷ số tín hiệu trên nhiễu khi có ước lượng
kênh truyền và thơng tin kênh truyền được biết chính xác ở bộ thu.........................62
Hình 6.2. Biểu diễn MSE đối với SNR khi giá trị GI thay đổi áp dụng ước lượng
kênh truyền theo giải thuật LS.................................................63
Hình 6.3. Biểu diễn MSE đối với SNR khi giá trị tần số Doppler thay đổi áp dụng
ước lượng kênh truyền theo giải thuật LS ...............................63
Hình 6.4. Biểu diễn BER đối với SNR khi mã hóa hệ thống với mã Alamouti khơng
gian-thời gian tốc độ mã hóa là 1 cho 2 antenna phát và 1 antenna thu ...................64
Hình 6.5. Biểu diễn (SER, SNR), (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống với mã khối

khơng gian-thời gian tốc độ mã hóa là ¾. ...............................64


Hình 6.6. Biểu diễn BER đối với Eb/N0, số lần lặp giải mã là 2 khi mã hóa hệ thống
với mã Turbo khơng gian-thời gian .........................................65
Hình 6.7. Biểu diễn BER đối với Eb/N0, số lần lặp giải mã là 4 khi mã hóa hệ thống
với mã Turbo khơng gian-thời gian .........................................65
Hình 6.8. Biểu diễn (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống Alamouti với các kiểu điều
chế QAM..................................................................................66
Hình 6.9. Biểu diễn (BER, SNR) khi mã hóa hệ thống Alamouti khi thay đổi số
antenna phát & antenna thu .....................................................67


-1-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu
Một trong những điển hình sớm nhất và thành cơng nhất của ứng dụng truyền
thơng khơng dây chính là hệ thống phát thanh quảng bá, truyền hình quảng bá, và
thơng tin vệ tinh. Vào đầu thập kỷ 80, ngành vô tuyến viễn thông hầu như chú ý
hoàn toàn vào việc thiết lập mạng điện thoại tế bào thế hệ thứ nhất 1G với kỹ thuật
truyền tin tương tự. Đến thập kỷ 90, kỹ thuật truyền tin số được giới thiệu trong
mạng di động thế hệ thứ hai 2G. Cả hai hệ thống này chủ yếu đều được thiết kế để
truyền phát tín hiệu thoại. Người ta càng quan tâm hơn nữa khi các mạng vô tuyến
cải thiện được hiệu suất hệ thống và mở rộng các dịch vụ khác nhau với nguồn tin
được đa dạng hóa như: hình ảnh, video, và dữ liệu. Điều này đã thu hút mối quan
tâm ngày càng cao của công chúng đối với công nghệ viễn thông không dây và hệ
thống giáo dục chuyên ngành thông tin vô tuyến. Nhiều cơng trình nghiên cứu cũng
như các tiêu chuẩn mới đã được thiết lập nhằm đáp ứng các đòi hỏi thực tế này.
Đến các mạng di động thế hệ 3G, nhu cầu tốc độ truyền tin cao & gia tăng hiệu

suất sử dụng phổ thực sự quan trọng trong nhiều ứng dụng phổ biến như: mạng
vùng nội bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network), mạng đô thị vô tuyến
WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), và Internet vô tuyến di động. Rõ
ràng đây là một nhiệm vụ đầy thử thách để thiết kế các hệ thống thỏa mãn điều kiện
như thế. Ứng dụng chính của chúng nhằm cung cấp cho người sử dụng một mạng
tốc độ cao tự do đối với sự kết nối vật lý, tính di động, và tính linh hoạt.
Mặt khác, do tính chất của mơi trường truyền cũng như việc có nhiều người sử
dụng với các dạng tín hiệu truyền khác nhau dẫn đến q trình cộng tín hiệu nhiễu
đa đường của kênh truyền khiến chất lượng của hệ thống thông tin bị suy giảm đáng
kể. Điều này khiến bộ thu không thể xác định được tín hiệu phát trừ khi một số bản
sao ít bị suy hao của dữ liệu phát được bộ thu nhận được. Một trong các xu hướng
nhằm cải thiện đáng kể chất lượng & dung lượng hệ thống truyền tin trong kênh

Chương 1. Tổng quan

Luận văn cao học


-2-

truyền lựa chọn tần số biến đổi theo thời gian là kết hợp phương pháp ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) với kỹ thuật phân tập (diversity) nhiều anten phát-thu MIMO-OFDM
(Multiple Input Multiple Output OFDM). Có 3 kỹ thuật phân tập sau:
- Phân tập thời gian: Kết hợp việc mã hóa kênh truyền với phân tán thời gian.
Như thế, bản sao của dữ liệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thời trong miền thời gian.
- Phân tập tần số: Các sóng tín hiệu được phát trên nhiều tần số khác nhau để
lợi dụng mơi trường truyền có cấu trúc đa đường khác nhau. Như thế, bản sao của
dữ liệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền tần số.
- Phân tập anten: Các anten được đặt cách nhau trong không gian hay được

phân cực khác nhau. Những bản sao của tín hiệu phát đến bộ thu dưới dạng dư thừa
trong miền không gian. Kỹ thuật này không cần đền bù hiệu suất băng thơng.
Nếu có thể, người ta cần thiết kế các mạng tế bào thỏa mãn các dạng phân tập
để đảm bảo hiệu suất đầy đủ. Ví dụ, nhiều mạng tế bào thường kết hợp mã hóa kênh
truyền và phân tán thời gian để có được độ phân tập thời gian nào đó. Trong nhiều
mạng đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, người ta sử dụng các bộ cân
bằng khơng tuyến tính để đạt được độ phân tập tần số khi trễ truyền chiếm đáng kể
trong thời gian tín hiệu. Phân tập anten thường được sử dụng trong các đường lên
(từ trạm di động người sử dụng đến trạm gốc) để cấp độ dự trữ tuyến và triệt nhiễu
đồng kênh.
Đáng tiếc là không phải tất cả các kỹ thuật phân tập đều có thể sử dụng cùng
lúc. Chẳng hạn như trong nhiều kênh fading chậm, không thể lựa chọn phân tập thời
gian cho các ứng dụng nhạy với trãi trễ. Nếu trãi trễ nhỏ, cũng không thể áp dụng
phân tập tần số (đa đường). Ngày nay người ta chấp nhân kỹ thuật phân tập anten ở
trạm gốc thay vì ứng dụng nó ở tay con di động (điều này là khó có thể thực hiện vì
tương tác điện từ giữa các anten với nhau trong một không gian nhỏ, và hệ số kênh
truyền tương quan cũng như hệ số ghép khoảng cách giữa các anten).

Chương 1. Tổng quan

Luận văn cao học


-3-

Vì vậy, để đảm bảo chất lượng tín hiệu cần giải quyết những vấn đề tồn tại như:
tốc độ truyền tin, băng thông sử dụng, nhiễu kênh truyền, độ bảo mật thông tin,…Tùy vào
ứng dụng cụ thể mà người ta ưu tiên giải quyết vấn đề nào bằng cách dùng những
phương pháp và giải thuật hợp lý.
OFDM là một kỹ thuật phổ biến đối với việc truyền tín hiệu vơ tuyến tốc độ

cao trong những năm gần đây và đã được chấp nhận trong một số tiêu chuẩn không
dây. Hệ thống truyền quảng bá âm thanh số DAB (Digital Audio Broadcasting);
truyền quảng bá video số DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial); nhóm
tiêu chuẩn IEEE 802.11 WLAN với IEEE 802.11a cho mạng vùng nội bộ LAN
(Local Area Network) dựa trên kỹ thuật OFDM với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54
Mbps ở dãy tần chưa hợp lệ 5 GHz, IEEE 802.11b có tốc độ truyền là 11 Mbps trên
dãy tần không hợp lệ 2.45 GHz, IEEE 802.11g tương tự như chuẩn IEEE 802.11b
nhưng tốc độ dữ liệu lên đến 54 Mbps; chuẩn IEEE 802.16a cho mạng vùng đô thị
MAN (Metropolitan Area Network) và 4G.

1.2. Mục tiêu của đề tài
9 Khảo sát các bộ mã hóa và giải mã khơng gian thời gian.
9 Ước lượng được các tham số kênh trong các môi trường truyền khác nhau.
9 Mô phỏng được hệ thống MIMO-OFDM với các điều kiện mã hóa và kênh
truyền khác nhau.

1.3. Ý nghĩa
9 Đánh giá được chất lượng hệ thống truyền tin đối với các kỹ thuật mã hóa
sửa lỗi kênh truyền khác nhau thông qua các biểu đồ BER, SER.

9 Chọn được mơ hình thu-phát phù hợp cho hệ thống MIMO-OFDM nhờ vào
các đồ thị (BER, SNR), hay (SER, SNR).

1.4. Nội dung đề tài

Chương 1. Tổng quan

Luận văn cao học



-4-

Q trình truyền tín hiệu từ bộ phát đến bộ thu có thể xảy ra can nhiễu bất cứ
lúc nào, với mong muốn tín hiệu đầu thu gần giống với tín hiệu phát, nội dung
nghiên cứu chính bao gồm:
1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu về những ứng dụng trong mạng khơng dây.
2. Tìm hiểu đặc tính kênh truyền vơ tuyến.
3. Tìm hiểu kỹ thuật MIMO-OFDM.
4. Tìm hiểu các kỹ thuật mã hoá điều khiển lỗi kênh truyền của hệ thống
MIMO-OFDM: mã không gian thời gian STC (Space Time Code) bao gồm: mã
khối không gian thời gian STBC (Space Time Block Code), mã Turbo.
5. Tìm hiểu kỹ thuật ước lượng kênh truyền MIMO-OFDM: phương pháp
ước lượng chuỗi huấn luyện tối ưu và phương pháp ước lượng đơn giản kênh truyền
6. Thực hiện chương trình mơ phỏng MATLAB minh họa kết quả đạt được.
7. Kết luận.

1.5. Phạm vi nghiên cứu
¾ Các tiêu chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.16.
¾ Các bài báo và công bố về kỹ thuật MIMO-OFDM.

1.6. Phương pháp thực hiện
Mô phỏng Matlab.

Chương 1. Tổng quan

Luận văn cao học


-5-


CHƯƠNG 2. KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN
Hiện nay, có nhiều hệ thống thông tin vô tuyến với các ứng dụng khác nhau. Hai
điển hình quan trọng là hệ thống điện thoại vô tuyến và các mạng nội bộ vô tuyến.
Các tiêu chuẩn điện thoại vơ tuyến gồm có hệ thống điện thoại cầm tay cá nhân
PHS (Personal Handyphone System), điện thoại vơ tuyến số hóa DECT (Digital
Cordless Telephone), và điện thoại không dây CT2 (Cordless Telephone).
Mạng cá nhân vô tuyến WPAN (Wireless Personal Area Network) được khai
thác cho các ứng dụng tầm ngắn. Chuẩn IEEE 802.15 được phát triển dựa trên các
tiêu chuẩn này. Bluetooth là một điển hình về cách xây dựng mạng không dây ad
hoc giữa các thiết bị lân cận với các thiết bị khác. Tiêu chuẩn Bluetooth được dựa
trên kỹ thuật nhảy tần đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division
Multiple Access) phát trên dãy tần không hợp lệ 2.45 GHz. Mục tiêu của WPAN là
để kết nối giữa các thiết bị di động và xách tay khác nhau như điện thoại tế bào,
điện thoại vơ tuyến, máy tính cá nhân, thiết bị hỗ trợ số hóa cá nhân PDA (Personal
Digital Assistant), máy nhắn tin, … WPAN cũng có thể thay thế kết nối có dây giữa
các thiết bị tiêu thụ điện khác nhau, ví dụ như bàn phím, chuột, và máy tính hay
giữa các máy tivi và bộ thu dây cáp.
Vì thế, ngành cơng nghiệp đã chủ động thiết lập các tiêu chuẩn mới. Kết quả,
thêm nhiều ứng dụng mới xuất hiện và hiệu suất trước đó của mạng được cải thiện.
Máy tính số cá nhân PDC (Personal Digital Computer), hệ thống thông tin di động
toàn cầu GSM (Global System for Mobile Communication), IS-54, IS-95, và IS-136
là một trong những điển hình sớm nhất của các chuẩn này. Mặc dù chúng được thiết
kế chủ yếu dành cho thoại, nhưng cũng hỗ trợ nhiều dịch vụ dữ liệu lên đến 9.6
Kbps. Tốc độ truyền của nhiều dịch vụ tiện ích đã được phát triển từ các chuẩn này
lên đến 100 Kbps và được gọi là thế hệ 2.5.
Mới đây, người ta đang xem xét các mạng di động 3G dịch vụ tốc độ bit cao.
Với ý tưởng truyền đa phương tiện, các hệ thống 3G nhắm đến tốc độ truyền từ

Chương 2. Kênh truyền vô tuyến


Luận văn cao học


-6-

144-384 Kbps thậm chí lên đến 2048 Mbps tương ứng với vận tốc nhanh hay chậm
của người sử dụng. Nội dung chính của chuẩn 3G được biết đến như điện thoại di
động quốc tế IMT 2000 (International Mobile Telephone). Nó bao gồm dữ liệu cải
tiến đối với chuẩn mở rộng tồn cầu EDGE (Enhanced Data for Global Evolution),
chính là hệ thống TDMA và sự nâng cấp của GSM. Ngoài ra nó cũng dựa trên 2
tiêu chuẩn CDMA băng rộng nữa. Trong đó, một là hệ thống CDMA2000 đồng bộ
và một là hệ thống băng rộng WCDMA (Wide CDMA) bất đồng bộ. Bên cạnh yêu
cầu về tốc độ cao, trong các tiêu chuẩn 3G người ta cịn có thể sử dụng nhiều dịch
vụ cùng lúc làm xuất hiện thêm đòi hỏi về cải thiện hiệu suất phổ và tăng mức độ
linh hoạt để thực thi các dịch vụ mới. Sẽ có nhiều thử thách cũng như cơ hội để thỏa
mãn những mục tiêu trên.
Điều này cho thấy kênh truyền vô tuyến ngày càng được yêu thích trong các ứng
dụng truyền dẫn tín hiệu thơng tin do một số thuận lợi sau: tính di động, dễ mang theo,
kết nối dễ dàng,…
Nhiễu và xử lý nhiễu là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến tín hiệu của
hệ thống thơng tin, trong số đó hiện tượng đa đường giữa bộ phát và bộ thu là một
trong những đặc trưng của kênh truyền vơ tuyến.

Hình 2.1. Hiện tượng đa đường trong kênh truyền vô tuyến [7].

Chương 2. Kênh truyền vô tuyến

Luận văn cao học



-7-

Việc có nhiều đường truyền giữa bộ phát và bộ thu sẽ làm cho tại bộ thu có nhiều
bản sao của tín hiệu đã được phát như: tín hiệu LOS1, nhiễu xạ2, phản xạ3, tán
xạ4,…Tất cả chúng sẽ ảnh hưởng đến cơng suất của tín hiệu thu được hoặc dưới
dạng suy hao đường truyền (large-scale fading) hoặc dưới dạng suy giảm (smallscale fading, fading).

2.1. Suy hao đường truyền
Nguyên nhân gây ra suy hao đường truyền: các mất mát trong quá trình truyền
dẫn, mất mát tại các anten, các bộ lọc. Vì vậy, cơng suất của tín hiệu nhận Pr được
phụ thuộc vào khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu d. Tổng quát ta có:
Pr = β d −ν Pt

(2.1)

Trong đó: ν - hàm mũ suy hao đường truyền
β - phụ thuộc vào tần số và các hệ số khác
Pt – cơng suất phát trung bình tín hiệu
Biểu diễn dưới dạng logarithm (dB):
⎛d ⎞
L path = β 0 + 10ν log10 ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ d0 ⎠

(2.2)

Trong đó: Lpath – suy hao đường truyền [dB]
β0 – suy hao đường truyền tại khoảng cách gốc d0 [dB]
ν – thường có giá trị từ 2-6, phụ thuộc vào môi trường giữa bộ phát
và bộ thu
Trong thực tế, do hiện tượng shadowing5:

⎛d ⎞
L path = β 0 + 10ν log10 ⎜⎜ ⎟⎟ + X
⎝ d0 ⎠

(2.3)

1

Line Of Sight – đường truyền thẳng từ bộ phát đến bộ thu
Xuất hiện khi sóng điện từ đụng vào bề mặt khơng đồng đều, cạnh sắc.
3
Xuất hiện khi sóng điện từ gặp vật thể lớn hơn bước sóng
4
Xuất hiện khi sóng điện từ gặp phải các vật thể nhỏ hơn bước sóng
5
Đo lường tại các vị trí khác nhau nhưng có cùng khoảng cách từ bộ phát đến bộ thu lại cho kết quả không
giống nhau
2

Chương 2. Kênh truyền vô tuyến

Luận văn cao học


-8-

Trong đó: X – thường từ 5-12 [dB], biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình là 0

2.2. Fading
Ngun nhân gây ra fading: can nhiễu giữa 2 hoặc nhiều bản sao của tín hiệu

phát tới bộ thu ở những thời điểm hơi lệch nhau được gọi là sóng đa đường. Chúng
kết hợp lại ở anten thu và bộ lọc tương thích thành một tín hiệu tổng có biên độ và
pha thay đổi rất nhiều. Sự dao động nhanh của biên độ tín hiệu vơ tuyến trong 1
khoảng thời gian ngắn cũng như khoảng đường đi ngắn làm cho có mối quan hệ
giữa thời gian và khoảng cách tạo nên kênh truyền fading biến đổi theo thời gian. Vì
vậy một kênh truyền đa đường có thể được mơ hình hóa như một kênh tuyến tính
thay đổi theo thời gian.

Hình 2.2. Mơ hình kênh truyền đa đường với đáp ứng xung tuyến tính thay đổi
theo thời gian [7].
Biên độ của những đường truyền trong kênh đa đường là các hàm delta ngẫu
nhiên. Sự ngẫu nhiên này chủ yếu do sự đa đường và vị trí ngẫu nhiên của các vật
thể trong mơi trường xung quanh. Do đó, người ta cần có các mơ hình thống kê để
khảo sát đáp ứng biên độ và cơng suất của tín hiệu thu.
2.2.1. Kênh fading phẳng (flat fading)
Kênh truyền có độ lợi hằng số và đáp ứng pha tuyến tính trong khoảng băng
thơng lớn hơn băng thơng của tín hiệu phát được gọi là kênh fading phẳng.

Hình 2.3. Fading phẳng [7].
Chương 2. Kênh truyền vô tuyến

Luận văn cao học


-9-

Theo hình 2.3., ta thấy: trong mìền tần số, băng thơng của tín hiệu nhỏ hơn
băng thơng của kênh truyền. Trong miền thời gian, độ rộng của đáp ứng xung nhỏ
hơn chu kỳ tín hiệu. Kết quả là, một kênh có thể là phẳng ứng với một tốc độ truyền
hoặc một chu kỳ tín hiệu được cho trước, trong khi đó cũng là một kênh truyền như

vậy nhưng nó lại khơng phẳng đối với tốc độ truyền cao hơn. Vì vậy khơng có ý
nghĩa gì cả để nói một kênh truyền là phẳng mà khơng có thơng tin nào đó về tín
hiệu được phát.
Đáp ứng xung h(t, τ) có thể được xấp xỉ bằng một hàm delta ở τ = 0 có biên độ
biến đổi theo thời gian. Mặt khác, h(t, τ) = α(t)δ(τ), trong đó δ(.) là hàm delta Dirac.
Đây là kênh dãi hẹp trong đó các đặc tính phổ của tín hiệu phát được giữ nguyên ở
phía thu.
Băng thông kênh truyền BC được xác định thông qua trải trễ στ.
στ = τ 2 − τ

2

(2.4)
L

L

τ =
2

∑ piτ i2

(2.5)

i =1
L

∑p
i =1


;

τ=

i

∑ pτ
i =1
L

i i

(2.6)

∑p
i =1

i

Trong đó: L – số đường truyền trong kênh đa đường
pi, τi – công suất và trễ của đường truyền thứ i
Do đó:

Bc =

1

(2.7)

5σ τ


2.2.2. Kênh fading lựa chọn tần số
Kênh truyền có độ lợi hằng số và pha tuyến tính trong khoảng băng thơng BC
nhỏ hơn băng thơng của tín hiệu phát BS là kênh fading lựa chọn tần số.

Chương 2. Kênh truyền vô tuyến

Luận văn cao học