Luận văn thuật toán Đa truy nhập cho mạng thông tin di Động sử dụng công nghệ mimo ofdma

Hiện tại hệ thông 3G đã và đang triển khai mạnh mẽ trên thẻ giới, ở Việt Nam hệ thống 3G đã triển khai vả đã cung cấp các dịch vụ, xu hưởng chung của con người lả tiếp tục phát lên hệ t

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG BAI TIOC BACT KTIOA ITA NOL

`

LÊ ĐÌNH TRƯỜNG

'THUẬT TOÁN ĐA TRUY NHẬP CHO MẠNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MIMO-OFDMA

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Diện Tử

LUAN VAN THAC SY KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỦ VIỄN TIÔNG

NGUGLHUGNG DAN: PGS.TS NGUYÊN VĂN ĐỨC

TIÀ NỘI - 10/2010

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học nảy là do tôi nghiên cửu vả thực

hiện đưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Văn Đức Các kết quả tham khảo từ

các nguồn tải liêu cũng như các công trình nghiên cứu khoa học khác được trích dẫn

đây đủ Nếu có gỉ sai phạm vẻ bản quyền, tôi xin hoàn toản chịu trách nhiệm trước

MUC LUC

LÊ GAM ĐỒ AÑ na nung tonggga ta gö gái 20 88g

DANH MỤC TỪ VIỆT TẮT, st01terrrrre

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

CHUONG 1: HE THONG MIM©

1.1 Kênh MIMO Qe ccssessissseessssnsneeentsesssssnsecevee

1.2 Các Kỹ thuật phân tập tỉn hiệu 2

1.2.1 Phân tập tần số

1.2.2 Phân tập thời gian

1.2.3 Phân tập không gian

1.5.3 Mã hóa không gian -thời gian lớp BLAST

CHƯƠNG 2 : HỆ THÔNG MIMO-OFDM

2.1 Hệ thống MIMO -OFDM

2.1.1 Mô hình hệ thông MIMO -OFDM

2.1.2 M6 hinh hé thong MIMO-OFDM Alamouti

3.2 Dung lượng của hệ thông MIMO ~ OEDM

CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP CHO HỆ THONG

3.1 Công nghệ đa truy cấp OFDMA

3.3 Thuật toán cấp phát kênh đông cho hệ thống MIMO-OEDMA 54

CHUONG 4 KET QUA MO PHONG THUAT TOAN CAP PHAT KENH DONG

4.3 Với tnrong hop str dung m6 hinh kénh Monte Carlo hoac Rayleigh cho cả hai

phương pháp ZF và MMSE,, c2 nhe 4.4 Nhân xét thuật toán và kết luận co

DANH MUC TU VIET TAT

1 3GPP 3rd Generation Partnership Project

2 [ADC analog-to-digital converter

3_ | AWGN Additive White Gaussian Noise

5_| BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code

6 | BPF Band Pass Filter

7 |BPSK Binary Phase Shift Keying

8 | BTS Base transceiver station

9 | CDMA Code Division Multiplexing Access

10 | CSMA Camier Sense Multiple Access

II |CSI Channel State Information

12 | CSMA Carer Sense Multiple Access

Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time

13_| D- BLAST Code

14 | DẠC Digital-to-analog converter

15 |DCA Dynamic Channel Allocation

lá | DFT Discrete Fourier Transform

17 |FDMA Frequency Division Multiplexing Access

18 | FFT Fast Fourier Transform

19_ | GSM Global System for Mobile Communications

20 | HiperLAN2 High Performance Radio Local Area Network Type 2

21 |ICI Inter Carrier Interference

22 |IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

23 | IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

24 |IFFT Inverse Fast Fourier Transform

26 | ISI InterSymbol Interference

27 | MIMO Multiple Input Muliple Output

28_ | MISO Multiple Input single Output

29 |MMSE Minimum Mean Sqare Error

30_| MMSE-IC MMSE-Interference Cancellation

31_ | MS Mobile Station

32 |NLOS Non Light Of Sight

33_ | OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

34_ | OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

Lê Đình Trưởng - Lớp KT Điện Tử 16a 2008-2010 Trang 4

35_| QAM Quadrature Amplitute Modulation

3ó | QPSK Quadrature Phase Shift Keying

38 |SC SingleCarrier Communication

39_| SIMO Single Input Multiple Output

40_| SISO Single Input Single Output

41_| SNR Signal to noise

42 |STBC Space-Time Block Code

43_| STMLD Space-Time Maximum Likelihood Decoder

44 | STTC Space-Time Trellis Code

45_| TDMA Time Division Multiplexing Access

46 |V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time

47 |WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

48_| WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hinh trực quan của một hệ thông MIMO

Hình 1.2 Mô hình kênh MIMO vô tuyền [2]

Hình 1.3 Phân tập theo thời gian

Hinh 1.4 Các phương pháp phân tập ascent

Hình 1.5 Mô hình tương đương của kênh truyền SISO [2]

Hình 1.6 Mô hình tương đương của kênh truyền MISO [2]

Hình 1.7 Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO [2]

Hình 1.8 Dung lượng kênh MIMO pha dinh Rayleigh [2]

Hinh 1.9 So d6 Alamouti 2 anten phat va 1 anten thu [7]

Hinh 1.10, Cac symbol phat va thu trong sơ đỗ Alamouti [7]

Hinh 1.11 Alamouti 2 anten phát và M anten thu [7]

Hình 1.12 Sơ đồ mã lưới

Hình 1.13 Bộ mã lưới k= 1, K= 3 vàn =2

Hình 1.14 Lưới mã và sơ đỏ trạng thái với k= 1, K =3 và n=

Hình 2.1 Sơ đồ khỏi hệ thông MIMO -OFPM [16]

Hình 2.2 Sơ đỏ khỏi bộ phát OFDM [16]

Hinh 2.3 Sơ đỏ khỏi bộ thu OFDM [16]

Hình 2.4 Ma trận kênh truyền [7]

Hinh 2.5 May phat MIMO-OFDM Alamouti [2]

Hinh 2.6 May thu MIMO -OFDM Alamouti [2]

Hình 2.7 Máy phát MIMO -OFDM VBLAST [15) 5-5-5522

Hình 2.8 máy thu MIMO -OFDM VBLAST [15]

Hinh 3.1 OFDM va OFDMA [9]

Hình 3.2 Ví dụ của biểu đỗ tân só, thời gian với OFDMA [9]

250

Hình 3.3 Biểu đỗ tân số thời gian với 3 người dùng nhảy tân a, b, e đêu có 1 bước

nhảy với 4 khe thời gian [9] 51

Lé Dinh Truong — Lop KT Điện Tir 2 — Khoa 2008-2010 Trang 6

Hình 3.4 6 mẫu nhảy tân trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau [9] 52 Hình 3.5 Tổng quan hệ thông sử dụng OFDMA [9] - oe

Hình 3.6 Mẫu tin hiệu dẫn đường trong OEDMA [9]

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng cho mô hình kênh Monte Carlo khi thay đổi số MS

theo phương pháp ZF - 20000 n0 0020 neo Sĩ Hình 4.2 Kết quả mô phỏng cho mỏ hình kênh Rayleigh khi thay déi sé MS theo

phương pháp ZF ¬ seeessssseoc SS

Hinh 4.3 Kết quả mô phỏng cho mô hình kênh Monte Carlo khi thay đổi số ký tự

Hình 4.4 Kết quả mô phỏng cho mô hình kênh Rayleigh khi thay đổi số ký tự trên

Hinh 4.9 Kết quả mô phỏng cho mô hình kénh Monte Carlo cho phuong phap ZF

Hinh 4.10 Két qua mé phéng cho mé hinh kénh Rayleigh cho phuong phip ZF va

MMSE khi thay đổi s6 MS — J ol „62

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng cho mô hình kênh Monte Carlo cho phương pháp ZF

và MMSE khi thay đổi số ký tư trên khung MAC 6 Hình 4.12 Kết quả mô phỏng cho mô hình kênh Rayleigh cho phương pháp ZF và

MMSE khi thay đổi sô ký tự trên khung MAC HP sec (6,

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 7

LOI NOI DAU

Hiện nay nhu cẩu vẻ thông tín vô tuyển trên toàn cầu đang có xu hướng tăng

rất nhanh như các hệ thống thông tin di động tế bảo, internet vả các dịch vụ đa

phương tiên khác kéo theo các yêu cầu về dung lượng hệ thống phải cần được cải

thiện Trong khi đó, sự giới hạn vẻ phỏ tần số như đang chóng lại trảo lưu trên, không đủ khả năng để đáp ứng được như cầu ngảy cảng lớn Song song với việc tiếp tục triển khai các địch vụ thỏng tin không dây thể hệ thử 3 (3G), các hệ thông thông tin không dây thể hệ thứ 4 (4G) cũng đã và đang được nhận dạng vả thiết kế

Các chuẩn 4G và cả các bộ tiêu chuẩn 3G (3GPP và 3GPP2) đều chỉ ra công, nghệ đa truy cập phân chúa tân số trực giao (OEDMA) lả lựa chọn tôi tru cho công,

nghệ truyền dẫn lớp vật lý với hai ưu điểm chính của bản thân công nghệ này là

nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tân số và tránh nhiều phân tập đa đường Một tru

điểm nổi bật khác của OFDMA là khả năng kết hợp với kỹ thuật xứ lý tín hiệu đa anten phat va thu (MIMO) cho phép cải thiện dung lượng của hệ thông Sự kết hop của hai kỹ thuật nảy đã và đang dành được nhiều sự quan tầm của các nhà nghiên

cửu và được đánh giá lả xu hướng chủ đạo cho các hệ thông đữ liệu tốc độ cao trong,

tương lai

Hiện tại hệ thông 3G đã và đang triển khai mạnh mẽ trên thẻ giới, ở Việt Nam hệ

thống 3G đã triển khai vả đã cung cấp các dịch vụ, xu hưởng chung của con người

lả tiếp tục phát lên hệ thông cỏ dụng lượng cao hơn nữa chỉnh vi thế hệ thông 4G sẽ

là tất yêu trong tương lai, do vậy sau thời gian nghiên cứu vả được PGS.TS Nguyễn

'Văn Đức hướng dẫn em chọn đề tải

Em xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn Văn Đúc đã tận tỉnh hướng dẫn và

giúp đỡ em trong suốt thời gian qua

CHUONG 1: HE THONG MIMO

Trong gan 10 nam qua mạng vô tuyển (không dây) đã phát triển với tốc độ

chóng mặt Cỏ rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ, nhiều chuẩn vô tuyến đã

va đang được chuẩn hóa Công nghệ mạng không dây là hảu như gần gũi nhất với

nhiều người đó lả công nghệ mạng thông tin đi động tế bảo Đây chỉnh là mang điện

thoại đi động 2G, 3G.Tên thông dụng má mọi người hay gọi là mạng GSM/CDMA hay UMTS/WCDMA/CDMA2000 Ngày nảy công nghệ được để xuất sử dụng trong các mạng 4G là MIMO-OFDM Trong Chương nảy giỏi thiệu các mô hủnh, các kỹ thuật phân tập cũng như dụng lượng của hệ thông MIMO Toản bộ nội dung, trong chương này được tham khảo trong tài liệu [2] và được tổng hợp từ các tải liêu khác

1.1 Kênh MIMO

Hé théng MIMO (Multiple Input Multiple Output) duoc dinh nghia la tuyén thông tín điểm -điểm với đa anten tai phía phát và phía thu

Hệ thông MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng

vùng bao phú hệ thẳng vô tuyển mả không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống Chỉ phi phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu chính lá việc tăng chỉ phí triển khai hệ thông anten, không gian cẳn thiết cho hệ thổng cũng tăng lên, đỏ phúc tạp

của hệ thống xử lý số tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyển sử dụng cả phân tập phát vả thu với N

anten phát và M anten thu như hình vẽ sau [2]:

Kênh 0/+ VMIMO

Tx

Hình 13 Mô hình kênh MIMO vô tuyển [2]

Kênh truyền giữa các anten mát phát ( Tx ) vả anten máy thu ( Rx ) như mỏ

tả được gọi là kênh đa đâu vào - da dau ra MIMO ( Multiple Input — Multiple Output ) Một hệ thông truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thông truyền

dẫn MIMO Trong các trưởng hợp đặc biệt khi N = 1 và M = 1, tương ứng chúng ta

có các hệ thông phân tập thu SIMO và phát MISO Kênh truyền đơn giữa anten máy

thủ m vả anten máy phát n được ký hiệu là h„„ Tương từ như các hệ thông phân tập phát hoặc thu, để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát hoặc các anten thu với nhau thì khoảng cách yêu câu tối thiểu giữa các phản tứ anten ở các mảng anten phát hoặc thu lả 4\2 Kénh MIMO trong trưởng hợp nảy được gọi là kênh MIMO không

tương quan Trong trường hợp pha đỉnh Rayleigh bằng phẳng không cỏ tương quan, hạa được mô hình hóa bằng một biển số Gauss phức có giá trị trung bình bằng 0 vả phương sai bằng 1 Một kênh MIMO gồm N anten phát vả M anten thu thường,

được biểu diễn bởi một ma trận số phức gồm M hàng và N cột như sau [2] :

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 10

hị hy hụy

“Tín hiệu thu được biểu diễn như sau [2]

yị =hiisi + lụa; + + hịySy + Z4

nhiệm vụ của chúng ta là cần phải lẫy được các tin hiểu sị, s›, , sự nghĩa là chúng

ta phải đi giải hệ phương trình ( 1.2 ) và điều kiện để có thể giải được là M >N

1.2 Các Kỹ thuật phân tập tín hiệu

Trong truyền thông không dây di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng rông rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường vả cải tiền độ tin cậy của kênh

truyền mả không yêu càu tăng công suất phát hoặc tăng băng tần cần thiết Kỹ thuật phân tập yêu câu nhiều bản sao tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mang cùng một thông, tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading ý tưởng cơ bản của

phân tập là nêu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao cúa tin hiệu một cách độc lập thỉ

những mẫu nảy bị suy giảm cũng độc lập với nhau Điều nảy cỏ nghĩa là khi một

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 11

đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đ ưởng tín hiệu khác có thể không bị suy giảm

Vi vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hướng của

fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

Có nhiều cách để đạt được phân tập Phân tập thời gian có thẻ thu được qua

mã hoá (Coding) và xen kênh (Interleaving), phân tập tần số nêu đặc tỉnh của kênh

truyền lả chọn lọc tản sỏ, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu

đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn

Trong thực tẻ, kỹ thuật phần tập có thẻ ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của anten, miền tần số vả miễn thời gian

nhau Trong truyền thông đi động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được

cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miễn tẫn số còn được gọi là trải phd, vi

dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa song mang vả nhảy tân Kỹ thuật trải phố rất

hiệu quả khi băng thông nhất quản của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông

nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỷ của tin hiệu Trong trường hợp nảy, trải phổ là không hiệu quả để cung, cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tồn hao hiệu suất băng thông tủy thuộc vào sự đư thừa thông tin trong củng băng tân số

1.2.2 Phân tập thời gian

Phan tập theo thời gian cỏ thể thu được qua mã hỏa vả xen kênh Sau đây ta

sẽ so sánh hai trường hợp: truyền kỷ tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 12

xekem [ONMỀẨUUT _MESN SI)

Hình 1.3 Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x: bị triệt tiêu bởi fading nều không dùng bộ

xen kênh, nều dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mắt một ký tự và ta có thể phục

hỏi lại từ 3 ky tự ít bi anh hudng bei fading

Phân tập thời gian có thẻ đạt được bằng cách truyền dữ liệu giỏng nhau qua

những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tin hiệu fading không tương quan với

nhau, Khoảng cách thời gian yêu cầu it nhất bằng thời gian nhất quản của kênh

truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading Ma điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thông

không mã hóa, Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh

để đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp nảy, các phiên bản của tin hiệu

phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tin hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được

fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vi tốn thời gian cho bộ xen kênh dân đến trì

hoãn việc giải mã, kỹ thuật nảy thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở

đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đổi với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì cỏ thế dẫn đền trị hoãn đáng kể

1.2.3 Phân tập không gian

Phan tap không gian còn gọi lả phân tập anten Phân tập không gian được sử

dụng phể biển trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian

sử dụng nhiều anten hoặc chuối array được sắp xếp trong không gian tại phía phát

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 13

hoặc phía thu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đú lớn sao cho tín

hiệu không tương quan với nhau Yêu câu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc

vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tản số làm việc Khoảng cách điền

hình khoảng vài bước sóng lả đủ đẻ các tín hiệu không tương quan với nhau Trong

phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền den noi thu tao nên sự dư thửa trong miền không gian Không giỏng như phân tập thởi gian vả tần

số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suât băng thông Đặc tính nảy rất

quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai

anten thu anten phát phát và thu

Hình 1.4 Các phương pháp phân tập 'Tủy thuộc vảo việc sử dụng nhiễu anten hoặc ở nởi phát hoặc nơi thu mả

người ta chia phân tập không gian thảnh 3 loại: phân tập anten phát (hẻ thống MISOh), phân tập anten thu (hệ thống SIMOh), phân tập anten phát và thu (hệ

thong MIMO) Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu dé

nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu

phát được kết hợp một cách hoản hảo để tăng SNR của tín hiệu thu vả làm giảm bớt

fading đa đường

Trong hệ thông thực tế, để đạt được BER của hệ thông theo yêu cảu, ta kết hợp hai hay nhiều hệ thông phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiều chiều

(multi-demnsional diversity)

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 14

1.4 Dung lượng kênh truyền hệ thong MIMO

Dung lương kênh truyền được định nghĩa là tốc độ có thể truyền dẫn

với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nao đó Dung lượng của một kênh truyền chiu

trong đó W là băng tân của kênh truyền tính bằng đơn vị Hz, p là tý số công suất tín

hiệu trên tạp âm ( SNR )

Hình 1.5 Mô hình tương đương của kênh truyền SISO [2]

Đối với kênh SISO : Trong trường hợp truyền tín hiệu qua một kênh truyền cô định

có độ lợi h như hình ( 1.6 ), chúng ta có tỷ số SNR tại đầu vào máy thu như sau [2]

Pa _ Pahl _ „-

Dung lượng trong trường hợp nảy có thể được tính bằng [2]

€zso = Wlogz(I+pjh|) — [bit] (19)

Đổi với kênh MISO : Tương tự như kênh truyền SISO, đối với các trường hợp kênh

truyền phân tập phát ( MISO ) ở hình vẽ ( 1.7 )

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 15

Hinh 1,6, Mô hình tương đương của kênh truyền MISO [2]

Tỷ số SN vả dung lượng kênh truyền được tính như sau [2]

trong đó hệ số được sử dụng đẻ chuẩn hỏa công suất phát

Đổi với kênh SIMO : đối với kênh truyền SIMO ở hình ( 18 ), tỷ số SNR trên một

2à Hình 17 Mô hình tương đương của kênh truyén SIMO [2]

Để ý rằng dung lượng của các kênh truyền phân tập thu ở công thức ( 1.11) va

(1.13) tăng theo quy luật logarithm theo số lượng anten phân tập

Đổi với trưởng hợp kênh MIMO mô tả như hình vế ( 1.2) tỷ số SNR ở kênh thứ ¡,

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 17

lượng kênh truyền trong trường hợp nảy thường được gọi là dung lượng ergodic và được tính bằng cach lay gia tri trung bình theo tất cả các thực thể của H Tức là chúng ta có [2]

Ex { W log: det (1, + N HH} [bis]nêuM<N

Ey {Wlog: det (1, + HH} [bis]nêuM>N (1.16)

De y rang do cac phan ti cia H 1a cac bién so ngau nhién, nén néu ap dụng quy luật số lớn chúng ta cỏ [2]

Giả sử M =N chúng ta thấy rõ ngay rằng dung lượng kênh truyền MIMO tăng

tuyến tỉnh theo số lượng anten tối thiêu dùng ở máy phát hay máy thu Điều này

được mô tả rõ thông qua kết quả mô phỏng máy tính ở hình vẽ ( 1.8 ), Một nhận xét

tiếp theo có thẻ thấy là nêu so sánh biểu thức ( 1.13 ) với biểu thức ( 1.17 ) chúng ta

có thể thấy rằng dung lượng kênh truyền MIMO pha đỉnh Rayleigh có thẻ đạt đến

gấp r = min(M,N) lân dung lượng một kênh truyền SISO có định Cân chú ý rằng để đạt được dung lượng kênh MIMO nói trên, các phân tử h„„ của ma trận kênh H can

là các biển Gauss phức và độc lập lẫn nhau Điều này tương đương với môi trường,

truyền dẫn giữa máy phát và máy thu là một môi trường pha đình Rayleigh giảu tán

xạ

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2— Khóa 2008-2010 Trang 18

Hình 1.8 Dung lượng kênh MIMO pha đính Rayleigh [2]

1.5 Mã Hóa Không Gian -Thời Gian STC

Khi khoảng cách giữa các anten khả nhỏ nên tín hiệu tại các anten là các

phiên bản giỏng nhau bị trễ, trong các hệ thống MIMO sử dụng hệ thống mã hóa không gian -thời gian STC (Space-Time Code), các anten được thể kế với khoảng,

cách đủ lớn để các tín hiệu tại các anten không ảnh hưởng lẫn nhau Môi trường vô

tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và cỏ tán xạ mạnh khiến tín hiệu

thu được tử các anten hoản toàn độc lập Thay vì tìm cách chống lại hiện tượng đa đường, ủ mã hỏa không gian thời gian lợi dụng tính chất nảy để nâng cao dung

lượng kênh truyền Với 1 chuỗi symbol vào, bê mã hỏa không gian thời gian sẽ chọn các điểm tương ứng trên giản đỏ chỏm sao đề truyền đỏng thời tại tất cả các

anten qua đỏ tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập Cỏ 3 loại mã hóa không gian -thời gian là

~ _ Mãhóa không gian - thời gian khối STBC (Space-Time Block Code)

~_ Mãhóa không gian - thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code)

~_ Mã hóa không gian - thời gian lớp BLAST (Bell-Laboratories Layered Space-Time)

Lé Dinh Truong — Lop KT Điện Tir 2 — Khoa 2008-2010 Trang 19

Trước tiên ta sẽ xem xét mô hình hệ thông MIMO khi hệ thông sử dụng mã

hóa không gian thời gian, sau đó ta sẽ xét dung lượng hệ thông và xét từng loại mã

hóa không gian thời gian

1.5.1 Mã hóa không gian thời -gian khối STB

STBC thực hiện mã hóa một khói các ký tự đầu vào thành một ma trận đâu

1a với các hàng tương ứng các anten phát (không gian) và cột trong ứng thứ tự phát

(thời gian) STBC cho phép phân tập đây đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ

mã của bộ mã, quá trình giải mã đơn giản, đựa trên các bộ giải mã tương quan tôi đa

ML (Maximun Likelihood)

- So dé Alamouti

Trong sơ đỏ Alamouti (hình 1.9) bộ mã hóa space -time eneoder sẽ mã hóa 2 ký tư

liên tiếp [e¡ e:] với e¿,c› thuộc chòm sao điêu chế thành ma trận [7]

(118)

(119)

Trong chu kỳ thứ nhất bộ phát sẽ phát đông thời 2 tín hiệu c; và c: ra 2 anten 1 vả 2,

chu Ki tiếp theo, bộ phát sẽ phát 2 tín hiệu ~c:` và c¡ˆ ra 2 anten 1 vả 2 (hình 1.10)

Hinh 1.10 Cac symbol phat va thu trong so đỏ Alamonti [7]

Giả sử kênh truyền quasi -static, độ lợi kênh truyền không đổi qua 2 chu ky symbol

A()=h(t+T)=h =ae™ (1.20)

hy(t) = h,(t+T) = hy = ae”

Voi T la chu ky Symbol

‘Tin hiệu tại máy thu chu kỳ 1 và chu ky 2 [7]

(121)

(1.22)

Việc giai ma ¢,, ế, dựa trên việc tìm 2 giá trị sx.x; © S{s,,5,, 5,,}a0 cho tin hiéu

thu được khi truyền xị, x› qua kênh truyền sẽ giống rị, r: nhất [7]

(123)

Hk, EM 5,.5 p08)

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tir 2— Khoa 2008-2010 Trang 21

TTa thấy việc giải mã đồng thởi Z¡,£: tương đương việc giải mã riêng lẻ #,,ẽ: [7]

= argmii| P (il yo) ]N =0 +), “eK 4+6h)x)

=mgmi( + (af Hel bal + '~h[~lø+zJ ) d20

tìm mìn của biểu thức trong ngoặc nên ta có thể bỏ qua |;| và |(/; + )|` trong

biểu thức tìm c, Tương tự ta có thể bỏ qua |z[ và | ;/; +z7»)| trong biểu thức tim

"Nếu kênh truyền không tương quan hy, h› sẽ không tương quan nguồn nhiều 7/,7,

sẽ có phương sai xắp xi gap 2 lan nhiều gốc

Hệ thống củn cấp phân tập đôi đo hề số (j„[ +|0.| }

Biểu thức tim @,2, trở thảnh [7]

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tir 2— Khoa 2008-2010 Trang 22

Ha’ — De’) + (yu)? +4)? pps)

Đới với tin hiệu PSK |x, [nên ([ + J;|` ~0|x và

Không ảnh hưởng tới việc tìm min của biểu thức, biểu thức quyết định(1.28) trở

nén đơn giản hơn [7]

Sơ đồ Alamoti có thể được mở rộng sử dụng 2 anten phát và M anten thu như

hình 1.11 Trong trường hợp này tín hiệu thu được có dạng sau [7]

bị n;Ì=bu nh

Hình 1.11 Alamouti 2 anten phát và M anten thu [7]

Bộ kết hợp sẽ tạo ra các tín hiệu ước lượng [7

= ig Past Hil + Peal’ ++ Val +l

Hig + Di grt, — gyn, + Mhgrng, <2 Igy Mags + Mest,

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2 — Khoa 2008-2010 Trang 24

STBC hoạt động trên việc thiết kế trực giao ma trận mã, Sơ đồ Alamouti chính

là sơ đồ STBC cơ bản và tiêu biểu nhất cho thiết kế trực giao (orthogonal

design) với tốc độ mã R=1 độ phân tập D = 2

1.5.2 Mã hóa không gian -thời gian lới STTC

STTC cho phép phân tập đầy đủ và đô lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở xông cho trường hợp MIMO Câu trúc mã chập đặt biệt phủ hợp với truyền thông vũ

tru va vệ tỉnh, đo chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vảo phương pháp giải mã phức tạp

Nếu như STBC xử lý độc lập từng khối kí tự đầu vào để tạo ra một chuỗi các vevtor

mã độc lập, thì STTC xử lý từng chuỗi ký tự đầu vào để tạo ra từng chuỗi vector

mã phụ thuộc vào trạng thái mã trước đó của bộ mã hóa

Bộ mã hóa tạo các vector mã bằng cách dịch chuyên các bịt dữ liệu qua thanh ghi

dich qua K tang méi tầng có k bit Một bộ n phép công nhị phân với đầu vào lả K

tang sé tao ra vector ma n bit cho mdi k bit dau vao Tai một thời điểm, k bít dữ liệu

đầu vào sẽ được dịch vào tàng đầu tiên của thanh ghi dich, k bit ctia tang dau sẽ

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tử 2 — Khóa 2008-2010 Trang 25

được dịch vào k bịt của tầng kế Mỗi lần dịch k bịt đữ liệu vảo sẽ tạo ra một vector

mã n bịt

'Tốc độ mã là R.= kín

K là số tầng của thanh ghi địch được gọi là constraint length của bộ mã Hinh dưới

cho ta thấy rõ mỗi vector mã trong mã lưới phụ thuộc vảo kK bit, bao gồm k bịt dữ

liêu vảo tần đầu tiên và (K-1) k bít của K~1 tầng cuối của bộ mã hoá, K-1 tầng cuối

này gọi lả trạng thải của bộ mã hoá, trong khi đó chỉ cỏ k bit dữ liệu đầu vào trong

mã khối ảnh hướng tới vector ma

tl ge oe 'Tới bộ điều chế

Mã lưới được biểu điển thông qua lưới mã (code trellis) hoặc sơ đỏ trạng thái (state

điagram) mô tả sự biển đổi từ trạng thái hiện tại sang trạng thái kể tiếp tuỷ thuộc k

bịt dữ liệu đầu vào

Vi du: B6 ma ludi k= 1,K =3 van=2

Lé Dinh Truong — Lop KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 26

“Trạng thái “Trang thái 7

Hình 1.14 Lưới mã và sơ đồ trạng thải với k= 1, K= 3 vàn

Tin hiệu nhận được tại máy thu sẽ được bộ giải mã tương quan tôi đa không gian -

thời gian STMLD ( 8pace-Time Maximum Likelihood Decoder) giải mã Bộ

STMLD sẽ được thực hiện thảnh giải thuật vector Viterbi, đường mã nảo có metric tích luỹ nhỏ nhất sẽ được chọn lả chuỗi dữ liệu được giải mã Độ phúc tạp của bộ

giải mã tăng theo hảm mũ với số trạng thái trên giản đỏ chòm sao và số trạng thái

mã lưới, một bộ mã STTC có bậc phân tập là D truyền dữ liệu với tốc độ R bps thì

độ phức tạp của bộ giải mã tỉ lệ với hệ số 2#

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 27

STTC cung cap độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên khi

tăng số trạng thái của lưới mã Tuy nhiên độ phức tạp của STBC thấp hơn nhiều đô

phức tạp của STTC, do STBC được mã hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các giải

thuật xử lỷ tuyến tính, nên STBC phủ hợp với các ứng dung thực tẻ trong hệ thống

MIMO hơn STTC

1.5.3 Mã hóa không gian -thời gian lớp BLAST

Sau khi khám phá ra khi các đường tán xạ đủ lớn kênh truyền đa đường vô

tuyển có khả năng cung cấp một đung lượng khá lớn nhờ vào các kiến trúc xử lý

thích hợp Năm 1996, G.J Foschisi thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc

D -BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) sử dụng đa anten phát và thu với kỹ thuật mã hóa phân lớp theo đường chéo, từng khối dữ liệu sẽ

được truyền theo đường chéo Trong môi trường tán xạ Rayleigh, kiến trúc này có

thể cung cấp dung lượng tăng tuyến tính theo số anten phát vả anten thu (với giả sử rằng số anten phát vả thu là bằng nhau) và có thẻ đạt tới gân 90% dun ghrong

Shanon Tuy nhiên sự phức tạp của kiến trủc D -BLAST khó có thẻ thực hiện được

Năm 1996 Wolniansky cùng với Foschini, Golden và Valenzuela đã đưa ra kiến

tric V -BLAST, kien trúc nảy đã thực hiện thực thời gian thực trong phòng thi

nghiệm Bell với hiệu suất băng thông lẫn đầu tiên lên tới 20-40 bps/Hz tại mức tỉ số

tin hiệu trên nhiều SNR từ 24 đến 34 đB

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 28

CHUONG 2 : HE THONG MIMO-OFDM

Lời giới thiệu

Các hệ thông thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiên chất lượng dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường, Đổi với các

hệ thông thông tin thống chất lượng tin hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suất phát, dung lượng hệ thống cỏ thể tăng khi tăng băng thông Tuy nhiên công

suất cũng chỉ có thẻ tăng tới một mức giới hạn nảo đỏ vỉ công suất phát cảng tăng thi hé thong cang gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ thong của hệ thông cũng không thẻ tăng mãi lên vi việc phân bố băng thông đã

độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dung tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chon loc tan so duoc chia thanh N kênh truyền con có băng thông nhỏ

hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng OEDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đảng kẻ bằng cách cho phép cân

bằng tin hiệu trong miễn tần số Tử những ưu điểm noi bat ctia hé thong MIMO va

kỹ thuật OFDM, việc két hợp hệ thông MIMO vả kỹ thuật OFDM là một giải pháp

hửa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai Nội dung của

2.1 Hệ thong MIMO -OFDM

2.1.1 M6 hinh hé thong MIMO -OFDM

Câu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO -OFDM bao gồm hệ MIMO

Ng anten phát và Nạ anten thu, kỹ thuật OEDM sử dụng N sóng mang phụ

Data Seat STC PPL mansiver] 3-9 ara Resne | | STC | ,Ƒ Spat [Dạ

Mupper | "| Eneoder 1 vì Deeoder [| bemsmer

Ề ae

œw | / ””” V[ œmw

Tester TN, Re; Recher

Hình 2.1 Sơ đỗ khối hệ thông MIMO -OFDM [16

—l Tae cm ETT| eer Z| few | 9] mượn | ad | |amsre|— [mem er | cote}

—lcBem,COl xe || mem Remon seveer| $ | connor teeta [>] sane |e

Hình 2.3 Sơ đồ khối bé thu OFDM [16]

Symbol thu được từ anten thu thứ ¡, tại sóng mang phụ thử k của symbol OFDM co

thể biểu điển như sau [16]

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 30

Véi X, lasymbol phat trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM

Vk) la nhiéu Gauss tai anten thu thi ¡ trong miễn tân só, tức là N -FFT của nhiều trong miền thời gian v,()

là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ ¡ tại sóng mang

phụ thứ n 4,(k)chỉnh là N-FFT của đáp ứng xung của kẻnh truyền €,(/)

từ anten phát thứ j tới anten thu thứ ¡ Nêu mảy thu có thể ước lượng chính

xác trạng thái kênh truyền thì 2,(&) sẽ được biết chính xác img với mỗi

symbol OFDM

Để hiểu rõ hơn vẻ bản chất của hệ thống MIMO -OFDM, biểu thức (2.1) sẽ

được thiết lập ch tiết ở phân sau

Kênh truyền hệ thông MIMO -OFPM có thể mô tả thông qua ma tran H như sau

Hình 2.4 mô tả rõ hơn ma trận H, kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền

chọn lọc tần số thành N kênh truyền con fading phẳng Hệ thông MIMO -OFDM tương đương với hệ thông MIMO

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 31

Mũ trận kênh truyền H

4,0) 4,0)

4:0 4,0)

Hình 2.4 Ma tran kênh truyền [7]

Tiếp theo ta sẽ xét hệ thông MIMO -OEFDM Alamouti với mục đích đạt đô

lợi phân tập tối đa nhằm tôi ưu chất lượng hệ thông vả ta sẽ xét hệ thống MIMO - OFDM V-BIAST với mục đích đạt độ lợi lớn nhất nhằm tăng tối đa dung lượng hệ

thong thông tin không đây trong môi trường fading chọn lọc tần số

2.1.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti

Hình 2.5 lả sơ đỏ hệ thống MIMO -OFDM Alamouti với các khối cơ bản

nhất Sơ đồ Alamouti được áp dụng nhằm đạt được độ lợi phân tập lớn nhất trong

mỗi trường fading chọn lọc tằn số với cấu trúc phản cứng khá đơn giản

Hinh 2.6 May thu MIMO -OFDM Alamouti [2]

Tại phía phát dữ liêu sau khi được bộ mapper điều chế sẽ được đưa qua biển đối nối tiếp sang song song vả đưa vào 2 vector N symbol X, va Xs

“Ta kí hiệu F là ma trận biển đổi IFFT và F lả ma trận biển đổi FET [12]

“Trong chu kỷ symbol thứ k +1, Xị sẽ được cho qua bộ đáo vả lẫy liên hiệp phức khi

cho qua IFFT đề tạo ra khối N symbol [12]

(2.4c)

Với ký hiệu cho lién hop etia X

Sau khi s : được chẻn khoảng bảo vệ CP, vector dữ liệu sẽ được đưa ra anten thứ hai Cũng trong chu kỳ symbol thứ k +1, X: sẽ được cho qua bộ đảo vả lấy liên

hiệp phức trước khi cho qua IFFT đề tạo ra khỏi N symol [12]

Lê Đình Trường - Lớp KT Điện Tit 2— Khoa 2008-2010 Trang 33