TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG 4G SỬ DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP
KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Người thực hiện

:

Lớp

:

Người hướng dẫn

:

Đà Nẵng - 2012


LỜI CAM ĐOAN

Em tên là

:

Lớp

:

Là sinh viên khoa Điện Tử -Viễn Thông trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Đề tài tốt nghiệp của em là “ Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống 4G sử
dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Nội dung đồ án được
tham khảo rút ra từ các tài liệu tham khảo đã liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan
nội dung này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc cơng trình đã có từ
trước.

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ của nhu cầu thơng tin vơ tuyến nói chung và thơng tin di động
nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền
thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các cơng nghệ mới như MIMO – OFDM,
anten thông minh… giúp nâng cao hơn nữa chất lượng hệ thống. Đặc biệt là kỹ
thuật phân tập anten ứng dụng trên nền công nghệ OFDM đang được sử dụng rộng
rải cho hệ thống 4G nhằm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin
cậy tín hiệu truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng
thông.
Các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần
số và phân tập khơng gian. Trong đó phân tập khơng gian được sử dụng phổ biển.
Phân tập khơng gian cịn gọi là phân tập anten. Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều
anten ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian làm 3 loại: phân

tập anten phát, phân tập anten thu, phân tập kết hợp cả thu và phát. Cùng với kỹ
thuật phân tập nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được sử dụng để bên thu
có thể xác định được thơng tin truyền đi từ bên phát.
Trong quá trình tìm hiểu, em đã chọn đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ thống
4G sử dụng kỹ thuật phân tập kết hợp ước lượng kênh truyền”. Đây là giải pháp
kết hợp nhiều kỹ thuật giúp cải thiện chất lượng hệ thống vô tuyến, đồng thời thực
hiện mơ hình hóa và tiến hành mơ phỏng xác suất lỗi bit (BER).
Nội dung đồ án gồm 4 chương, trong đó 3 chương lý thuyết và một chương
thực hiện mô phỏng chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab.
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM.
Hệ thống 4G được xem là một nền tảng của sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm
rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần, tốc độ truyền dẫn và công suất tiêu thụ.
Với việc sử dụng các cơng nghệ tiên tiến trong đó có cơng nghệ đa truy cập phân
chia theo tần số trực giao OFDM đã giúp cho hệ thống 4G đạt được những tính
năng ưu việt trên. Nội dung chương 1 sẽ phân tích mơ hình hệ thống OFDM cũng
như các ưu điểm, nhược điểm… của công nghệ này mang lại cho hệ thống 4G.
Trang 1


Lời mở đầu

Chương 2 : Đặc tính truyền dẫn tín hiệu OFDM.
Đặc tính kênh truyền vơ tuyến có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng
trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn. Nội dung chương trình bày về đặc tính chung
của kênh truyền tín hiệu OFDM, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu
thu đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu trắng AWGN. Bên cạnh đó cịn
trình bày kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood nhằm giảm sự sai
khác của hàm truyền giữa kênh phát so với kênh thu.
Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập
Để nâng cao độ tin cậy cho tín hiệu truyền dẫn, các kỹ thuật phân tập được

sử dụng trong hệ thống 4G. Phân tập thu gồm các kỹ thuật MRC, EGC, SC, TC
giúp bên thu chọn lọc hoặc kết hợp các tín hiệu trên các anten thu nhằm tái tạo tín
hiệu phát tốt nhất. Ngồi ra, chương này cịn trình bày về các kỹ thuật phân tập phát
mã hóa khơng gian-thời gian với mơ hình Alamouti, nhờ nó mà chất lượng hệ thống
được cải thiện, mang lại hiệu quả kinh tế cao, dễ áp dụng cho cell phone.
Chương 4 : Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống 4G
Bằng cách sử dụng phần mềm Matlab, thực hiện mô phỏng đánh giá chất
lượng hệ thống 4G thông qua việc truyền và nhận tín hiệu vơ tuyến trên cơ sở sử
dụng công nghệ OFDM kết hợp các kỹ thuật phân tập và ước lượng kênh truyền.
Qua đó, đánh giá kết quả mô phỏng và đối chiếu với lý thuyết đã trình bày.
Tuy nhiên, đây là một đề tài khá phức tạp, điều kiện thời gian cũng như kiến
thức còn hạn hẹp nên phần trình bày đồ án này của em khơng thể tránh khỏi thiếu
sót. Em mong nhận được sự góp ý của thầy cơ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy
em trong suốt thời gian qua và đặc biệt cảm ơn ThS. Dư Quang Bình đã tận tình
hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này.
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Trang 2


Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AWGN

Additive White Gaussian Noise


Nhiễu trắng

AM

Amplified Modulation

Điều biên

A/D

Analog/ Digital

Bộ chuyển đổi tương tự/ số

B
BER
BPSK

Bit Error Rate

Tốc độ bit lỗi

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha 2 mức.

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp


C
CP
D
DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DEMUX

Demultiplexer

Bộ tách kênh.

D/A

Digital/ Analog

Bộ chuyển đổi số/ tương tự

Equal Gain Combining

Kết hợp cân bằng độ lợi

Fast fourier transformer

Chuyển đổi fourier nhanh.

E

EGC
F
FFT
G
GI

Guard Interval

Chuổi bảo vệ

I
ICI

Inter-carrier interference

Nhiễu liên sóng mang

IFFT

Inverse FFT

Chuyển đổi fourier nhanh ngược

ISI

Inter-symbol interference

Nhiễu giữa các biểu tượng

IMD


Inter Modulation Distortion

Nhiễu liên điều chế

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỷ số cực đại

M

O
Trang 3


Các từ viết tắt

OFDM

Orthogonal frequency

Ghép kênh phân chia


division mutiplex

theo tần số trực giao.

P
P/S
PAPR

Parallel to Serial
Peak to Average Power Ratio

C/đ song song sang nối tiếp
Tỷ lệ cơng suất đỉnh trên trung
bình

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương.

Q
QAM

Modulaion

Quadrature PSK

Điều chế cầu phương PSK

S/P

Serial to Parallel

C/Đ nối tiếp sang song song

SNR

Signal noise to ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm.

STBC

Space time coding

Mã hóa khơng gian thời gian

SC

Selection Combining

Kết hợp lựa chọn

QPSK
S


Trang 4


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................. 3
MỤC LỤC ................................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
OFDM ........................................................................................................................ 8
1.1

Giới thiệu chương .......................................................................................... 8

1.2

Tổng quan hệ thống 4G.................................................................................. 8

1.3

Công nghệ OFDM ......................................................................................... 9

1.3.1

Tính trực giao trong OFDM ........................................................................ 10

1.3.2


Tạo tín hiệu OFDM ..................................................................................... 13

1.3.3

Mơ hình hệ thống OFDM ............................................................................ 14

1.3.4

Chuyển đổi Serial/ Parallel và Parallel/ Serial ............................................ 14

1.3.5

Điều chế sóng mang con.............................................................................. 15

1.3.6

Bộ IFFT và FFT........................................................................................... 16

1.3.7

Chèn khoảng bảo vệ .................................................................................... 18

1.3.8

Bộ biến đổi D/A và A/D .............................................................................. 22

1.3.9

Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM .......................................................... 22


1.3.9.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 22
1.3.9.2 Nhược điểm ................................................................................................. 22
1.3.10 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM ở Việt Nam .................................................. 23
1.4

Kết luận chương .......................................................................................... 23

CHƯƠNG 2 : ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU OFDM ........................ 24
2.1

Giới thiệu chương ........................................................................................ 24

2.2

Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM ........................................ 24

2.3

Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền dẫn ....................... 25

2.3.1

Hiện tượng Multipath Fading ...................................................................... 25

2.3.2

Hiệu ứng Doppler ........................................................................................ 28

2.3.3


Nhiễu trắng AWGN ..................................................................................... 29

2.3.4

Nhiễu ISI ..................................................................................................... 31
Trang 5


Mục lục

2.3.5

Nhiễu ICI ..................................................................................................... 33

2.4

Kỹ thuật uớc lượng kênh truyền .................................................................. 34

2.4.1

Mục đích ước lượng kênh truyền ................................................................ 34

2.4.2

Kỹ thuật ước lượng kênh truyền Maximum Likelihood ............................. 34

2.5

Kết luận chương .......................................................................................... 37


CHƯƠNG 3 : CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP .................................................... 38
3.1

Giới thiệu chương ........................................................................................ 38

3.2

Kỹ thuật phân tập thu .................................................................................. 38

3.2.1

Khái niệm kỹ thuật phân tập thu.................................................................. 38

3.2.2

Các kỹ thuật phân tập thu ............................................................................ 39

3.2.2.1 Kỹ thuật phân tập thu MRC......................................................................... 39
3.2.2.2 Kỹ thuật phân tập thu EGC ......................................................................... 40
3.2.2.3 Kỹ thuật phân tập thu SC............................................................................. 41
3.2.2.4 Kỹ thuật phân tập thu TC ............................................................................ 42
3.3

Kỹ thuật phân tập phát ................................................................................. 43

3.3.1

Khái niệm kỹ thuật phân tập phát ................................................................ 43

3.3.2


Một số đặc điểm của kỹ thuật phân tập phát ............................................... 43

3.3.3

Phân tập phát sử dụng kỹ thuật mã hóa khơng gian- thời gian ................... 44

3.3.3.1 Hệ thống mã hóa khơng gian- thời gian ...................................................... 44
3.3.3.2 Mơ hình hệ thống Alamouti ........................................................................ 46
3.3.3.3 Mơ hình hệ thống Alamouti mở rộng 2 anten phát và 2 anten thu.............. 52
3.3.3.4 Mơ hình Alamouti mở rộng có 2 anten phát và M anten thu ...................... 55
3.4

Kết luận chương .......................................................................................... 58

CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 4G .. 59
4.1

Giới thiệu chương ........................................................................................ 59

4.2

Mơ phỏng các thuật tốn kỹ thuật phân tập thu anten ................................. 59

4.2.1

Thuật toán Threshold Combining................................................................ 59

4.2.1.1 Lưu đồ thuật tốn ......................................................................................... 59
4.2.1.2 Kết quả mơ phỏng ....................................................................................... 60

4.2.2

Thuật toán Selection Combining ................................................................. 62
Trang 6


Mục lục

4.2.2.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 62
4.2.2.2 Kết quả mơ phỏng ....................................................................................... 63
4.2.3

Thuật tốn Equal Gain Combining .............................................................. 64

4.2.3.1 Lưu đồ thuật tốn ......................................................................................... 64
4.2.3.2 Kết quả mơ phỏng ....................................................................................... 65
4.2.4

Thuật toán Maximal Ratio Combining ........................................................ 66

4.2.4.1 Lưu đồ thuật tốn ......................................................................................... 66
4.2.4.2 Kết quả mơ phỏng ....................................................................................... 67
4.2.5

Mơ phỏng so sánh chất lượng hệ thống ...................................................... 68

4.3

Mô phỏng thuật tốn mã hóa khối khơng gian – thời gian STBC ............... 70


4.3.1

Mơ phỏng thuật tốn mã hóa khối khơng gian – thời gian STBC với đáp

ứng kênh truyền hoàn hảo......................................................................................... 70
4.3.1.1 Lưu đồ thuật toán ......................................................................................... 70
4.3.1.2 Kết quả mơ phỏng........................................................................................ 71
4.3.2

Mơ phỏng thuật tốn mã hóa khối khơng gian – thời gian STBC có kết

hợp kỹ thuật ước lượng kênh truyền ML ( Maximum Likelihood).......................... 72
4.3.2.1 Lưu đồ thuật tốn ......................................................................................... 72
4.3.2.2 Kết quả mơ phỏng........................................................................................ 73
4.3.3
4.4

Mơ phỏng hệ thống STBC khi thay đổi bậc điều chế MQAM.................... 75
Mô phỏng so sánh chất lượng hệ thống khi sử dụng phương pháp phân tập

thu và phương pháp phân tập phát ........................................................................... 76
4.5

Kết luận chương .......................................................................................... 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
PHẦN PHỤ LỤC

Trang 7



Chương 1

Tổng quan về hệ thống 4G sử dụng công nghệ OFDM

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 4G SỬ DỤNG CƠNG NGHỆ OFDM

1.1

Giới thiệu chương
Mặc dù các mạng 3G có đủ các tham số cần thiết nhằm cung cấp các dịch vụ

tiên tiến nhưng công nghệ không dây tương lai đã đặt nên móng cho một thế hệ
mới, mà hiện nay gọi là thế hệ thứ 4 (4G). 4G được định nghĩa là một nền tảng của
sự hội tụ, cung cấp các ưu điểm rõ ràng về vùng phủ sóng, độ rộng băng tần,tốc độ
truyền dẫn và công suất tiêu thụ.
Để hiểu rõ hơn, chương này sẽ trình bày lý do thúc đẩy sự ra đời cũng như
các tính năng đặc biệt của hệ thống 4G. Bên cạnh đó, nội dung của chương cịn đi
sâu phân tích về cơng nghệ OFDM sử dụng trong hệ thống. Đây là một công nghệ
tiên tiến thực hiện ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nó cho phép đảm bảo
tính an tồn ở mức cao, tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu và sử dụng hiệu quả hơn dải
tần được cấp phát. Nhờ các tính năng ưu việt này mà cơng nghệ OFDM trở thành
một trong những công nghệ hàng đầu được sử dụng trong hệ thống 4G.
1.2

Tổng quan hệ thống 4G
Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều mong muốn và hướng tới các


cơng nghệ khơng dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính
năng và chất lượng cao hơn. Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế
( ITU) đã làm việc để hướng đến một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệ thứ
tư 4G. Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương
tiện tương tác, internet khơng dây, có độ rộng băng tần lớn hơn, và rõ ràng có vận
tốc truyền cũng như tính di động tồn cầu cao hơn. Các tính năng này khơng có ở hệ
thống 3G hiện nay.
Ngoài ra, vấn đề về phổ tần cũng là sự thúc đẩy chính đối với các nghiên cứu
4G trên thế giới. Vì phổ tần là nguồn tài ngun vơ tuyến cơ bản nhưng giới hạn
cho các công nghệ không dây. Các công nghệ mới hứa hẹn về một sự cải thiện gấp
10 lần hiệu quả sử dụng phổ tần so với các giải pháp đang tồn tại.
Phân tích đã cho thấy hệ thống 4G sẽ cho giá cả rẻ hơn so với 3G vì nó đuợc
xây dựng trên cơ sở mạng hiện có và khơng mất chi phí khi chuyển đổi thiết bị.
Trang 8