BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đặng Thị Phượng

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MIMO-OFDM CHO MẠNG
DI ĐỘNG 4G

Chuyên ngành :

Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

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

Hà Nội – 2013


MỤC LỤC
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT............................................................................................. 4
DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU.........................................................................................9
MỞ ĐẦU...................................................................................................................10
CHƯƠNG 1 ..........KỸ THUẬT MÃ HÓA KÊNH VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH CHO HỆ
THỐNG MIMO-OFDM .................................................................................................... 12
1.1

Kỹ thuật OFDM ................................................................................................ 12

1.1.1

Khái niệm OFDM .......................................................................................... 12

1.1.2

Các ưu nhược điểm của OFDM ..................................................................... 12

1.2

Kỹ thuật MIMO ................................................................................................ 14

1.2.1

Khái niệm MIMO ........................................................................................... 14

1.2.2

Các kỹ thuật MIMO ....................................................................................... 15

1.2.3

Ưu điểm của kỹ thuật MIMO ......................................................................... 21

1.3

Các kỹ thuật mã hóa kênh ............................................................................... 21

1.3.1


Space time block codes (STBC- Mã khối không gian-thời gian): ................. 21

1.3.2

VBLAST (Vertical Bell Lab) ......................................................................... 24

1.3.3

Space frequency block codes (SFBC-Mã khối không gian-tần số) ............... 26

1.4

Các kỹ thuật khôi phục kênh truyền MIMO-OFDM.................................... 27

1.4.1

Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM .............................................................. 27

1.4.2

Phương pháp ước lượng kênh cho hệ thống MIMO-OFDM: ........................ 29

[1]


1.4.2.1

Tổng quan về ước lượng kênh ............................................................... 29

1.4.2.2


Ước lượng kênh trong miền tần số ........................................................ 30

1.4.2.3

Ước lượng kênh trong miền thời gian ................................................... 31

1.4.2.4

Phương pháp ước lượng kênh dựng bộ lọc LS cho hệ thống MIMO-

OFDM

32

CHƯƠNG 2 ...... KIẾN TRÚC HỆ THỐNG VÀ THAM SỐ KÊNH TRUYỀN 4G-LTE
HƯỚNG XUỐNG .............................................................................................................. 38
2.1

Tổng quan 4G-LTE .......................................................................................... 38

2.1.1

Giới thiệu chung ............................................................................................. 38

2.1.2

Những đặc điểm nổi bật của mạng di động 4G-LTE ..................................... 40

2.2


Kiến trúc hệ thống 4G-LTE hướng xuống ..................................................... 41

2.3

Các tham số hệ thống ....................................................................................... 44

2.4

Tham số kênh truyền........................................................................................ 44

2.5

Kênh truyền LTE ............................................................................................. 45

2.5.1

Mơ hình kênh truyền chuẩn............................................................................ 45

CHƯƠNG 3 ........................................... PHƯƠNG PHÁP PHỎNG TẠO KÊNH MIMO
............................................................................................................................................. 46
3.1

Mơ hình kênh MIMO tương quan băng hẹp ................................................. 46

3.2

Mơ hình kênh MIMO tương quan băng rộng................................................ 49

3.3


Tính tốn tham số cho mơ hình băng rộng .................................................... 54

3.3.1

Phương pháp Exact Doppler Spread (MEDS) mở rộng: ................................ 54

3.3.2

Phương pháp LPNM: ..................................................................................... 55

[2]


3.4
3.4.1

Các đặc tính tương quan .................................................................................. 55
Hàm tương quan chéo không gian – thời gian – tần số của mô hình kênh

MIMO băng rộng ........................................................................................................ 55
3.4.2

Tương quan tần số của mơ hình kênh MIMO băng rộng: .............................. 57

CHƯƠNG 4 .................................................................................. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
............................................................................................................................................. 59
4.1

Lựa chọn mơ hình kênh ................................................................................... 59


4.2

Kết quả minh họa hàm tương quan chéo 2D-CCF ........................................ 60

4.3

Mơ hình hệ thống mơ phỏng: .......................................................................... 62

4.4

Các kết quả đạt được ....................................................................................... 63

KẾT LUẬN.........................................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................69

[3]


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt

Giải nghĩa tiếng Anh
Multiple

Giải nghĩa tiếng Việt

Multiple Hệ thống đa anten phát

Input


1

MIMO

2

OFDM

3

LTE

4

4G

5

GSM

6

CDMA

7

STBC

Space Time Block Code


8

STTC

Space Time Trellis Code

9

SFBC

10

STMLD

Output

thu

Orthogonal

Frequency Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

tần số trực giao

Long Term Evolution

Cải tiến lâu dài


The fourth Generation of Mạng di động thế hệ thứ
mobile communication

4

Global System for Mobile Hệ thống di động toàn
communications
Code

cầu
Multiple Đa truy nhập phân chia

Division

Access

Space

theo mã

Frequency

Mã hóa khối khơng gianthời gian
Mã khơng gian thời gian
Trellis

Block Mã hóa khối khơng gian-

Code


tần số

Space-Time

Maximum

Likelyhood Decoder

[4]

Bộ giải mã hợp lẽ tối đa


Peak

to

Average

Power Tỉ số đỉnh – công suất

11

PAPR

12

AWGN


13

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

14

RMS

Root Mean Square

Trải trễ trung bình

15

CSI

16

DFT

17

FCF

18


CCF

Cross Corelation Function

Hàm tương quan chéo

19

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi fourier nhanh

20

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

21

ICI

Inter-carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang


22

IDFT

23

IFFT

Ratio

trung bình

Additive

White

Gaussian

Noise

Nhiễu tạp âm trắng

Information of the Channel Thông tin về trạng thái
State

kênh

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc


Frequency

Correlation

Function

Inverse

Discrete

Fourier Biến đổi Fourier rời rạc
ngược

Transform
Inverse

Hàm tương quan tần số

Fast

Fourier Biến đổi Fourier nhanh
ngược

Transform

[5]


24


ISI

Inter-symbol Interferece

Nhiễu xuyên ký tự

25

MS

Mobile Station

Trạm di động

26

MSE

Mean Square Error

Sai số quân phương

27

QAM

28

QPSK


29

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

30

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

31

TS

Training Sequence

Tín hiệu dẫn đường

32

PDP

Power Delay Profile


Đặc tính cơng suất trễ

Quadrature

Amplitude

Modulation
Quadrature

Phase

Keying

[6]

Shift

Điều chế QAM

Điều chế khoá pha


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu ..............14
Hình 1-2 Mơ hình lựa chọn kết hợp ..........................................................................18
Hình 1-3 Mơ hình tối ưu hóa tỷ lệ kết hợp................................................................19
Hình 1-4 Mơ hình phân tập phát vịng đóng ............................................................20
Hình 1-5 Minh họa sơ đồ STBC cho trường hợp 2 anten phát .................................23
Hình 1-6 Minh họa sơ đồ VBLAST cho trường hợp 2 anten phát ...........................25

Hình 1-7 Minh họa sơ đồ SFBC cho trường hợp 2 anten phát .................................26
Hình 1-8 Cấu trúc máy phát MIMO-OFDM .............................................................28
Hình 1-9 Cấu trúc máy thu MIMO-OFDM ..............................................................28
Hình 1-10 Cấu trúc đơn giản hoá của máy phát MIMO-OFDM (sử dụng mã hố
STBC)........................................................................................................................35
Hình 1-11 Cấu trúc đơn giản hố của máy thu MIMO-OFDM ................................35
Hình 2-1 Quá trình phát triển lên LTE ......................................................................39
Hình 2-2 Sơ đồ khối phía phát LTE downlink ..........................................................42
Hình 2-3 Sơ đồ khối phía thu LTE đường xuống .....................................................43
Hình 3-1 Mơ hình một vịng trịn cho một phần tử 2x2 MIMO với các phần tử phân
tán xung quanh MS ...................................................................................................47
Hình 3-2 Phân chia vịng trịn phân bố thành L cặp khác nhau. ...............................50

[7]


Hình 3-3 Tương quan tần số FCF của mơ hình tham chiếu và mơ phỏng tương ứng
mơ hình EVA-9 path .................................................................................................58
Hình 4-1 Hàm đặc tính cơng suất trễ mơ hình kênh EVA-ITU ................................60

(

)

Hình 4-2 Giá trị tuyệt đối của hàm CCF-2D | r deNB ,dUE | với giá trị dUE = l 2 .........61
Hình 4-3 Giá trị tuyệt đối của hàm CCF-2D | r (deNB ,dUE ) | với giá trị  eNB = 10 .....61
Hình 4-4 SER của hệ thống MIMO-OFDM dùng STBC, với các khoảng cách anten
thu, phát khác nhau ...................................................................................................64
Hình 4-5 SER của hệ thống MIMO-OFDM dùng VBLAST, với các khoảng cách
anten thu, phát khác nhau ..........................................................................................65

Hình 4-6 SER của hệ thống MIMO-OFDM dùng SFBC, với các khoảng cách anten
thu, phát khác nhau ...................................................................................................65
Hình 4-7 SER của hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp sử dụng các loại
mã khác nhau .............................................................................................................66

[8]


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Các tham số hệ thống LTE ........................................................................44
Bảng 2-2 Các tần số Doppler xác định cho mơ hình kênh LTE. ..............................44
Bảng 2-3 Các đặc tính cơng suất trễ của mơ hình kênh LTE ...................................44
Bảng 4-1 Tham số mơ hình kênh EVA-ITU .............................................................59
Bảng 4-3 Các tham số hệ thống và kênh truyền 4G-LTE .........................................62

[9]


MỞ ĐẦU
Ngày nay, hệ thống thông tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ
với nhiều ứng dụng rộng khắp trong mọi lĩnh vực, dịch vụ và cuộc sống hằng ngày.
Cùng với đó các cơng nghệ và kỹ thuật trong truyền thông vô tuyến cũng không
ngừng được nghiên cứu và phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng gia tăng về
tốc độ, dung lượng, giá thành của người tiêu dùng. Có rất nhiều thế hệ thơng tin di
dộng được triển khai trên thế giới 1G, 2G, 3G... Công nghệ điện thoại di động phổ
biến nhất thế giới-thế hệ 2- GSM đang bị cạnh tranh mạnh mẽ bởi các công nghệ
mới tiên tiến và hấp dẫn cung cấp nhiều loại hình dịch vụ hơn, nó đang dần bị thay
thế bởi các công nghệ mới hỗ trợ các dịch vụ tiện ích giải trí như Internet, truyền
hình... và cơng nghệ di động thế hệ mới nhất với đặc tính hướng đến tính hội tụ, đó
chính là hệ thống thơng tin di động mạng tổ ong Long Term Evolution (LTE)- được

coi như đại diện chính của thế hệ mạng thứ 4 (4G).
Cơng nghệ LTE đã được nghiên cứu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP2 từ đầu
những năm 2004 và hiện nay đã được chuẩn hóa cơng nhận rộng rãi trên tồn thế
giới với chuẩn LTE và LTE Advanced theo nhiều phiên bản khác nhau. Các nhà
phát hành mạng, nhà sản xuất điện thoại trên thế giới cũng đã và đang dần có các
sản phẩm thương mại 4G-LTE đầu tiên. Ở Việt Nam việc triển khai mạng di động
4G-LTE vẫn chỉ dừng lại ở bước triển khai thử. Do đó việc nghiên cứu, khảo sát
đánh giá hiệu năng, lựa chọn các thông số hệ thống LTE nhận được rất nhiều sự
quan tâm của giới khoa học. Để nâng cao kiến thức của mình về lĩnh vực này cũng
như là tìm hiểu các phương pháp tối ưu ứng dụng cho mạng 4G, đề tài sẽ trình bày
về: “Ứng dụng cơng nghệ MIMO-OFDM cho mạng di động 4G”.
Sau những cố gắng nỗ lực học hỏi, nghiên cứu, luận văn đã thu được những
kết quả bước đầu về việc sử dụng phương pháp phỏng tạo kênh MIMO với tham số
kênh LTE, cùng với đó là kết quả mơ phỏng phân tích tỷ lệ lỗi ký tự (SER) cho hệ
[10]


thống 4G-LTE trong việc sử dụng các phương pháp mã hóa khác nhau, từ đó đưa ra
khuyến nghị ứng dụng cho hệ thống.
Luận văn được nghiên cứu từ việc tìm hiểu, phân tích các ưu nhược điểm của
các phương pháp, kỹ thuật sẵn có, từ đó phân tích và so sánh để đưa ra phương pháp
tối ưu cho hệ thống mạng di động 4G-LTE.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Nguyễn
Văn Đức,và các thầy cô trong khoa Điện tử-Viễn thông cùng các bạn đã giúp đỡ
giúp tác giả hoàn thành luận văn này.

[11]


CHƯƠNG 1 KỸ THUẬT MÃ HÓA KÊNH VÀ ƯỚC

LƯỢNG KÊNH CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Để nắm bắt được lý thuyết về công nghệ OFDM và MIMO cùng phương pháp
ước lượng kênh cho hệ thống, chương này sẽ trình bày các đặc điểm về OFDM,
MIMO cùng các phương pháp mã hóa kênh cho hệ thống là STBC, VBLAST, SFBC.

1.1

Kỹ thuật OFDM

1.1.1 Khái niệm OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexer) [1]: Ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao: Là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa
sóng mang trong đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ
thấp hơn, do vậy lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống.
Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn nhờ việc đưa vào một
khoảng thời gian bảo vệ (GI) trong mỗi symbol OFDM, với điều kiện chiều dài
khoảng bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh. (TG ≥ τMAX). Do đó OFDM
là kỹ thuật điều chế được sử dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thông không
dây để khắc phục hiệu ứng phân tập đa đường.
1.1.2 Các ưu nhược điểm của OFDM
Ưu điểm:
• OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng cách cho phép chồng lấn
những sóng mang con lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi phục dữ liệu. Phù
hợp thiết kế hệ thống băng rộng (hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao).
[12]



• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hồn tồn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi
bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
• OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon
lọc tần số thành các kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng, do vậy
hệ thống OFDM chịu fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng
mang đơn.
• Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng
mang ICI có thể loại bỏ.
• IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế
và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện.
Nhược điểm:
• Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Đường bao biên
độ của tín hiệu phát khơng bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch
đại công suất ở cả phía phát và phía thu. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số tín hiệu
đỉnh trên cơng suất trung bình (PARR) cao thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều
chế. Điều này sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang
digital và từ digital sang analog.
• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ để tránh nhiễu ISI nhưng lại làm giảm một phần
hiệu suất đường truyền do khoảng bảo vệ khơng mang thơng tin khơng có ích.
• OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai số
đồng bộ. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ
thống đơn sóng mang. Tần số offset của các sóng mang gây nhiễu cho các
sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của
các bộ giải điều chế. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ
thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM

[13]


1.2


Kỹ thuật MIMO

1.2.1 Khái niệm MIMO
MIMO là kỹ thuật truyền thông tin tận dụng sự phân tập (không gian, thời
gian, tần số...) bằng cách sử dụng nhiều anten ở cả phía phát và phía thu. Kỹ thuật
MIMO có thể tăng một cách đáng kể hiệu năng của hệ thống mà không cần yêu cầu
tăng dung lượng kênh truyền. Do được sử dụng trong hệ thống băng rộng và tốc độ
truyền dữ liệu lớn, kênh MIMO chịu ảnh hưởng nặng nề của hiệu ứng lựa chọn tần
số. Hình 1-1 là một ví dụ mơ hình hệ thống MIMO đơn giản.

s1

s2

s Nt

TX1

RX1

TX1

RX2

TX Nt

RX Nr

x1


x2

xN r

H
Hình 1-1 Mơ hình hệ thống MIMO sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu

Tín hiệu nhận được tại phía thu có dạng :

x = H .s + n
Trong đó : - s : tín hiệu phát
- x : tín hiệu thu được
- n : nhiễu trên kênh truyền
- H : ma trận đáp ứng của kênh truyền.

[14]

(1.1)


 h11 ... h1Nt 


H =  ...
... 
h

 Nr 1 ... hNr Nt 
1.2.2 Các kỹ thuật MIMO

MIMO sử dụng nhiều anten phát hoặc nhiều anten thu và phát
nhằm có được độ lợi phân tập sau khi tổng hợp tín hiệu ở thiết bị thu, về
cơ bản có các kỹ thuật MIMO thông dụng:
Phân tập không gian
Phân tập không gian có ưu điểm đó là khi các anten có khoảng
cách thích hợp thì hệ thống có thể tránh được phần lớn hiện tượng suy
giảm sâu (deep fades). Và điều này có thể đạt được mà khơng cần sử
dụng thêm băng thơng hay tăng cơng suất truyền .
Tăng ích dãy
Những lợi ích đạt được khi sử dụng hệ thống nhiều anten tại phía thu
gồm có
-

Tăng ích phân tập (diversity gain) : đạt được do sự tăng lên thống
kê số lượng kênh truyền giữa phía phát và phía thu.

-

Tăng ích dãy (array gain): tỷ số SNR tăng tỷ lệ với số anten thu .
Đạt được do sự tổng hợp tín hiệu nhận được trên hệ thống anten
thu.
Với hệ thống gồm 1 anten phát , Nr anten thu ( 1x Nr ), kênh

truyền là kênh phẳng, gọi hi là đáp ứng kênh truyền từ anten phát tới anten
thu i, với i (1, Nr ) . Tín hiệu thu được tại mỗi anten :

[15]

(1.2)



yi = hi x + ni = hx + ni

(1.3)

Hệ số SNR cho tín hiệu thu được tại mỗi anten
i =

h



2

(1.4)

2

 2 là cơng suất nhiễu .

Tổng hợp tín hiệu trên hệ thống anten thu :
Nr

Nr

i =1

i =1

y =  yi = Nr hx +  ni .


(1.5)

Tỷ số SNR sau khi kết hợp :
2

N h
N h
 = r 2 = r 2
Nr


2

(1.6)

Từ công thức (1.6) ta thấy: tỷ số SNR tăng tuyến tính với số lượng anten thu.
Tăng ích phân tập và giảm tỷ lệ lỗi bit
Mục tiêu chính của phân tập không gian là tăng độ tin cậy của hệ
thống thông tin bằng cách giảm độ nhạy cảm đối với hiện tượng fading.
Độ tin cậy của hệ thống thường được đo bằng xác xuất xảy ra lỗi bit
(BEP: Bit error probabylity) : ( Khi không sử dụng phân tập khơng gian )

Pb  c1 −1

(1.7)

Trong đó: c1 là các hằng số, phụ thuộc vào cách thức điều chế tín
hiệu
γ : là hệ số SNR

[16]


Nếu sử dụng Nt anten phát và Nr anten thu
Bậc phân tập (diversity order) : Nd = Nr Nt : là số kênh khơng tương quan
giữa phía phát và phía thu.
Trong Nd kênh, xác xuất để tất cả các kênh xấu là rất thấp. Do đó
phân tập khơng gian giúp cải thiện chất lượng truyền. Giá trị trung bình
của BEP khi có sử dụng phân tập khơng gian:

Pb  c2 − Nd

(1.8)

Từ công thức (1.8) ta thấy: xác suất xảy ra lỗi bit giảm khi tăng số
lượng anten thu.
Tăng dung lượng kênh truyền
Theo Shannon dung lượng của một kênh truyền với bề rộng băng
tần B và bị can nhiễu trắng với tỷ số của cơng suất tín hiệu trên tạp âm
trung bình là γ được cho bởi cơng thức :

C = B log2 (1+  )

(1.9)

Ở đây : C là dung lượng kênh
B : băng thông kênh
γ : là hệ số SNR
Bởi vì hệ thống phân tập anten làm tăng hệ số SNR , do đó cũng
làm tăng dung lượng kênh C. Ta cũng để ý rằng, trong các kênh có hệ số

SNR thấp thì log(1 +  )   , do đó kỹ thuật phân tập làm tăng dung lượng
kênh theo một hàm tuyến tính ở một giới hạn nào đó.
Phân tập thu
[17]


Dạng phổ biến nhất của phân tập khơng gian chính là phân tập thu,
và thường sử dụng 2 anten thu. Có thể thấy được các ví dụ của dạng này
như là các anten của access point trong mạng wifi. Trong kỹ thuật phân
tập thu, khơng có một u cầu cụ thể nào cho phía phát, tuy nhiên ở phía
thu yêu cầu một quá trình xử lý Nr luồng dữ liệu nhận được và kết hợp
chúng theo thuật toán nhất định. Có thể sử dụng 2 thuật tốn kết hợp: kết
hợp lựa chọn (SC) và tối đa hóa tỷ lệ kết hợp (MRC).
-

Kết hợp lựa chọn: Là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Trong
thuật toán này tại mỗi thời điểm sẽ chỉ lựa chọn một luồng có tín
hiệu lớn nhất trong Nr luồng tín hiệu nhận được.

h1
h2
Phát

x

Lựa
chọn
anten
có tín
hiệu tốt

nhất

hNt
y

Hình 1-2 Mơ hình lựa chọn kết hợp

Do bỏ qua những luồng tín hiệu cịn lại, phương pháp kết hợp này chưa
phải là tối ưu. Tuy nhiên, do tính đơn giản, khơng yêu cầu cao về phần
cứng, trong một số trường hợp phương pháp này vẫn được lựa chọn.
-

Tối đa hóa tỷ lệ kết hợp: Theo đúng như tên gọi, thuật toán này hợp
kết hợp thông tin từ tất cả các nhánh sao cho có được tỷ lệ thơng tin
trên nhiễu là lớn nhất

[18]


q1
h1
h2

q2
Phát

x

hNt


q Nt
y
Hình 1-3 Mơ hình tối ưu hóa tỷ lệ kết hợp

MRC làm việc bằng cách đánh trọng số cho mỗi nhánh qi = qi e j , tín
i

hiệu nhận được trên mỗi nhánh được biểu diễn dưới dạng x(t ).hi , với
hi = hi e ji . Tín hiệu tổng hợp được biểu diễn theo biểu thức [3]:
Nr

y (t ) = x(t ) | qi || hi | exp  j (i + i )
i =1

(1.10)

Nếu ta chọn pha trong trọng số nhánh là i = −i , tỷ số tín hiệu trên
nhiễu sẽ là[3]:
Nr

 MRC =

 x ( | qi | | hi |) 2
i =1

(1.11)

Nr

 2  | qi |2

i =1

Trong đó :  x là năng lượng truyền tín hiệu
Biểu thức đạt giá trị lớn nhất khi thỏa mãn điều kiện :
qi*

2

= h1 /  2

[19]


Khi đó ta có :
Nr

 MRC =

 x ( hi )2
i =1

2

Nr

=  i

(1.12)

i =1


Như vậy, nếu như chọn được trọng số kết hợp hợp lý, giá trị SNR kết
hợp sẽ bằng tổng giá trị SNR của các nhánh.
Phân tập phát
Phân tập phát là kỹ thuật sử dụng nhiều anten tại phía phát để
truyền tín hiệu. Vì tín hiệu được phát trên hệ thống anten có ảnh hưởng
lẫn nhau, nên q trình xử lý tín hiệu phải được thực hiện tại cả phía phát,
thu để đạt được sự phân tập và làm giảm đi sự giao thoa tín hiệu trong
khơng gian. Phân tập phát thực sự hấp dẫn đối với các hệ thống phụ thuộc
nhiều vào cơ sở hạ tầng, như Wimax, vì nó làm giảm bớt gánh nặng cho
hệ thống các anten phát (về mặt công suất cũng như kích thước)
Phân tập phát được chia làm 2 loại chính: vịng đóng và vịng mở.
Trong hệ thống vịng mở khơng u cầu phía phát phải có đầy đủ thơng
tin về kênh truyền. Ngược lại, trong hệ thống vịng đóng cần có một
đường feedback để cung cấp thơng tin về kênh truyền cho phía phát.

Hình 1-4 Mơ hình phân tập phát vịng đóng

[20]


Thơng tin có được về kênh truyền phục vụ nhiều mục đích khác
nhau ở phía phát nhằm tăng chất lượng truyền dẫn, ví dụ như thay đổi
mức độ điều chế dựa vào thông tin kênh truyền…
1.2.3 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO
-

Với tài nguyên băng thông đắt và hiếm, số lượng các trạm gốc bị
hạn chế, nhờ có việc sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu sẽ
làm tăng tốc độ truyền dữ liệu nhờ vào kỹ thuật phân kênh không

gian mà không cần mở rộng băng thông.

-

Tăng tốc độ truyền và dung lượng hệ thống.

-

Độ lợi phân kênh không gian: Độ lợi công suất thu được từ việc sử
dụng nhiều anten ở cả 2 phía của kênh truyền vô tuyến mà không
cần tăng công suất máy phát hay mở rộng băng tần

Các kỹ thuật mã hóa kênh

1.3

1.3.1 Space time block codes (STBC- Mã khối khơng gian-thời gian):
• Mã hóa:
STBC mã hóa bằng cách sắp xếp trực giao thứ tự các tín hiệu tại các anten
phát. Ta có matrix tính hiệu phát X ([X_ij] với i tượng trưng cho anten Tx phát thứ i
và j là symbol phát thứ j của anten i).
-

Xét trường hợp 2 anten phát, 2 anten thu, được Mã hố Alamouti: Block
Matrix tín hiệu có dạng (với s1 và s2 là 2 symbol tín hiệu liên tiếp nhau, n1,
n2 tương ứng là nhiễu trên các ăng ten)

X  = 

s1

s2 
*
*
s2 − s1 

[21]

(1.13)


Tín hiệu tại anten thu
y1 = h11s1 + h21s2* + n1

(1.14)

y2 = h11s2 − h21s1* + n2

Tín hiệu ước lượng của s1 và s2 sẽ được tổng hợp theo không gian-thời gian từ
tín hiệu y1 và y2
s1 = y1h11* + y2*h12

s1 = (|| h11 ||2 + || h21 ||2 )s1 + n1h11* + n2*h12

(1.15)

s2 = y1*h21 + y2 h11*

s2 = (|| h11 ||2 + || h21 ||2 )s2 + n1*h21 + n2h11*
Nhận xét:
Sau khi tổng hợp trực giao không gian-thời gian, năng lượng nhiễu khơng thay

đổi nhưng năng lượng tín hiệu tăng (Space-Time diversity gain)
Với Space-Time Block Code Alamouti (mã khối không gian-thời gian
Alamouti), tốc độ dữ liệu không bị suy giảm (full rate) nhưng ta vẫn đạt được độ lợi
phân tập tương đương với trường hợp 2 anten thu.
Với số lượng anten thu > 1, tín hiệu ở từng anten thu sẽ được tổng hợp như trên,
sau đó sẽ được tổng hợp MRC lại với nhau (ta sẽ có thêm độ lợi phân cực thu)
-

Trường hợp anten phát bất kỳ, được tổng quát hóa bởi Tarokh:

Tarokh tổng quát hóa matrix STBC cho số anten phát bất kỳ (Tx = 3,4,5,6,8 ...)
cho tín hiệu thực (BPSK, PAM v.v..). Tuy nhiên đối với tín hiệu phức (modulation
QPSK, M-PSK M-QAM ...), để đảm bảo full-diversity, Tarokh chứng minh không
tồn tại ma trận phát cho trường hợp số anten phát lớn hơn 4 và đối với số aten phát
[22]


3 và 4 thì khơng tồn tại full-rate matrix [2], maximum rate = 3/4. Ma trận tín hiệu
trực giao cho 3, 4 anten phát cho tín hiệu thực và phức.
Full-rate matrix cho 3 anten phát (3 Tx)
s1
X = − s2
− s3

s2
s1
s1

s3
s3

s2

(1.16)

Full-rate matrix cho 4 anten phát (4 Tx)
s1
− s2
X =
− s3
− s4

s2
s1
s4
− s3

s3
− s4
s1
s2

s4
s3
− s2
s1

(1.17)

Nt-Nr là số lượng anten phát-thu; Eb/No la hệ số năng lượng tín hiệu thơng
tin/nhiễu; BER là tỷ lệ lỗi bít.

Time

X (2)

Space

*

X (1)

X (1)

− X * (2)

X (2M )

X (2M − 1)

X (2M − 1) − X (2M )
*

*

OFDM
modulator

OFDM
modulator

Tx1


Tx2

Hình 1-5 Minh họa sơ đồ STBC cho trường hợp 2 anten phát

• Giải mã
Tại phía thu, tín hiệu nhận được sẽ được giải mã bằng phương pháp ML
(Maximum Likelihood). Tín hiệu thu được sẽ được gán về chịm sao gần nhất và từ
đó đưa ra giá trị ước lượng tín hiệu phát. Vì phía phát sử dụng phương pháp mã hóa
[23]


sắp xếp trực giao các tín hiệu nên phía thu sử dụng phương pháp giải mã đơn giản
để giải mã ra tín hiệu ban đầu.
• Ưu điểm STBC
-

Cùng một mức năng lượng tín hiệu Eb (năng lượng phát ở anten là Eb/Nt),
BER của STBC giảm (performance tăng) khi số lượng anten tăng. Độ lợi này
có được chính là độ lợi phân tập không gian-thời gian (space-time diversity)
của STBC.

-

Tác động fast-fading của kênh truyền được cải thiện đáng kể với MIMO
STBC.

-

STBC được mã hóa và giải mã đơn giản nhờ vào các giải thuật xử lý tuyến

tính, nên STBC phù hợp với các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO.

• Nhược điểm:
Tuy có nhiều ưu điểm nhưng STBC trong cùng điều kiện về băng thơng tín hiệu
và cùng kỹ thuật điều chế tín hiệu (signal modulation) khơng làm tăng tốc độ dữ
liệu truyền so với kỹ thuật SISO truyền thống.
1.3.2 VBLAST (Vertical Bell Lab)
• Mã hóa:
V-BLAST là một trong những kỹ thuật SM (Spatial Multiplexage) được biết đến
nhiều nhất và được phát triển bởi phịng thí nghiệm Bell Labs.

VBLAST có sơ

đồ mã hóa khác so với STBC, ở đó các tín hiệu được sắp xếp dọc cho từng ăng ten
phát.

[24]