ứng dụng mã turbo trong hệ thống ăng ten mimo

Hệ thống này áp dụng kỹ thuật phân tập, kết hợp kỹ thuật mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông.. Các nghiên cứu

NGUYỄN QUANG ANH

ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG HỆ THỐNG ĂNG-TEN MIMO

CHUYÊN NGÀNH : VẬT LÝ ĐIỆN TỬ-HƯỚNG KỸ THUẬT

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Hoàng Thu

Hà, người thầy đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện việc nghiên cứu để

hoàn thành luận văn này

Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quí thầy cô của khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên, những người đã cung cấp kiến thức cho tôi suốt những năm Đại Học

và Cao Học Cảm ơn nhà trường đã tạo môi trường học tập tốt cho thế

hệ sinh viên chúng tôi

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn

Hữu Phương, thầy đã trực tiếp chọn đề tài này cho tôi và đã hướng

dẫn tôi trong giai đoạn đầu thực hiện

Dù cố gắng hết sức nhưng cũng không thể tránh khỏi sai sót trong luận văn, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn

Tp HCM , 09/2009

Nguyễn Quang Anh

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC……… 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU………… 13

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 15

1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ 15

1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 16

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG MIMO………… 18

2.1 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN 18

2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH 18

2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU 19

2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 21

2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO 21

2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO 21

2.5 CÁC KIỂU KÊNH TRUYỀN 24

2.5.1 KÊNH NHIỄU TRẮNG PHÂN BỐ GAUSSIAN 24

2.5.2 KÊNH TRUYỀN NHIỄU RAYLEIGH 24

2.6 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN MIMO 28

2.6.1 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH CHẬM 35

2.6.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG KÊNH TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH NHANH VÀ FADING KHỐI 36

2.7 KỸ THUẬT PHÂN TẬP……… 37

2.7.1 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN 38

2.7.2 PHÂN TẬP THỜI GIAN 41

2.7.3 PHÂN TẬP TẦN SỐ 42

2.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP THU 42

2.9 KẾT LUẬN 44

CHƯƠNG 3 - MÃ HÓA TURBO 45

3.1 GIỚI THIỆU 45

3.2 LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA TURBO CODES 45

3.3 MÃ HÓA 47

3.3.1 BỘ MÃ XOẮN TRUY HỒI RSC 48

3.3.2 BỘ TRỘN INTERLEAVER 49

3.3.3 BỘ LƯỢC BIT 51

3.3.4 BỘ KẾT THÚC 53

3.4 BỘ GIẢI MÃ TURBO 54

3.5 CÁC THUẬT TOÁN SỬ DỤNG TRONG BỘ GIẢI MÃ TURBO 62

3.5.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA THUẬT TOÁN SOFT IN/SOFT OUT 62

3.5.2 THUẬT TOÁN MAP 63

3.5.3 THUẬT TOÁN MAX LOG-MAP 68

3.5.4 THUẬT TOÁN LOG –MAP 71

3.6 BỘ TRỘN TRONG TURBO CODES 74

3.6.1 BỘ TRỘN KHỐI (BLOCK INTERLEAVER) 76

3.6.2 BỘ TRỘN BERROU-GLAVIEUX 77

3.6.3 BỘ TRỘN BÁN NGẪU NHIÊN 78

3.6.4 BỘ TRỘN GIẢ NGẪU NHIÊN 79

3.6.5 BỘ TRỘN UMTS 80

3.6.6 BỘ TRỘN BIT TỐI ƯU 81

3.7 KẾT LUẬN .82

CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG KẾT HỢP GIỮA MÃ CHỐNG LỖI

TURBO VÀ ĂNG-TEN MIMO .83

4.1 GIỚI THIỆU 83

4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83

4.2.1 MÔ PHỎNG DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 84

4.2.2 MÔ PHỎNG PHÂN TẬP THU – PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĂNG-TEN MIMO 86

4.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG KẾT HỢP TURBO-MIMO VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 90

4.3.1 MÔ PHỎNG SO SÁNH HỆ THỐNG TURBO-MIMO VỚI HỆ THỐNG TURBO ĐƠN THUẦN 94

4.3.2 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN GIẢI MÃ TRONG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 98

4.3.3 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC KÍCH THƯỚC BỘ TRỘN BIT KHÁC NHAU 100

4.3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH CÁC TỐC ĐỘ MÃ HÓA KHÁC NHAU 101 4.3.5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO TRONG MÔI TRƯỜNG FADING RAYLEIGH CHẬM 102

4.4 KẾT LUẬN 105

CHƯƠNG 5 - TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU MULTIMEDIA SỬ DỤNG HỆ THỐNG TURBO-MIMO 107

5.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 107

5.2 MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 107

5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 110

5.3.1 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG TEXT 110

5.3.2 TRUYỀN DỮ LIỆU DẠNG HÌNH ẢNH TĨNH 115

5.4 KẾT LUẬN 120

CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ

TÀI……… 121

6.1 KẾT LUẬN CHUNG 121

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3G Third-Generation wireless communication system

4G Fourth-Generation wireless communication system

ASPIC Adaptive soft parallel interference canceller

AWGN Additive White Gaussian Noise

CDF Cumulative Distribution Function

CCDF Complementary Cumulative Distribution Function

CSI Channel State Information

DAB Digital Audio Broadcasting

DVB Digital Video Broadcasting

DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial

FDMA Frequency Division Multiple Access

IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000

LOS Line-Of-Sight

MAP Maximum A Posterior Probability

MIMO Multi Input Multi Output

MISO Multi Input Single Output

MLSTBC Multi-Layer Space-Time Block Coding

MRRC Maximal Ratio Receiver Combining

MMSE Minimum Mean Square Error

MRC Maximum Ratio Combining

MSE Mean Squared Error

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAPR Peak to Average Power Ratio

PDP Power Delay Profile

PIC Parallel Group Interference Cancellation

PSNR Peak Signal to Noise Rate

SDMA Space Division Multiple Access

SFN Single Frequency Network

SGINC Serial Group Interference Nulling Cancellation

SIC Serial Interference Cancellation

SIMO Single Input Multi Output

SISO Single Input Single Output

SNR Signal to Noise Ratio

SOVA Soft output Viterbi algorithm

STBC Space-Time Block Coding

SVD Singular Value Diagonal

TDMA Time Division Multiple Access

WLAN Wireless Local Area Network

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kết quả các từ mã với các trọng số được tạo ra từ bộ chèn 75

Bảng 4.1 : Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số ăng-ten thu & phát……… 85

Bảng 4.2 : Bảng kết quả mô phỏng các phương pháp phân tập thu 88

Bảng 4.3 : Bảng kết quả mô phỏng so sánh các phương pháp phân tập thu phát……… 89

Bảng 4.4: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 94

Bảng 4.5: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO(a) 95

Bảng 4.6: Các thông số mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO 98

Bảng 4.7: Bảng so sánh thời gian đáp ứng của các thuật toán giải mã 99

Bảng 4.8 : Thời gian thực hiện mô phỏng đối với kích thước bộ chèn khác nhau trong hệ thống Turbo-MIMO (2x2) 101

Bảng 4.9: Kết quả giải mã của hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO trong môi trường Rayleigh chậm 103

Bảng 5.1: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 1 vòng lặp 112

Bảng 5.2: Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 2 vòng lặp 113

Bảng 5.3 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 3 vòng lặp 114

Bảng 5.4 : Các thông số kênh truyền mô phỏng truyền hình ảnh 117

Bảng 5.5 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở các vòng lặp khác nhau 119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền thông số 16

Hình 2.1: Hệ thống ăng-ten MIMO 4 đầu thu phát 19

Hình 2.2 : Hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-ten ở đầu phát và thu 20

Hình 2.3: Hệ thống kênh truyền giảm chậm 21

Hình 2.4 : Quan hệ giữa ngõ ra & ngõ vào của hệ thống MIMO 22

Hình 2.5 : Biễu diễn của hệ số ma trận kênh 22

Hình 2.6 : Mô hình của kênh truyền giảm đa đường 26

Hình 2.7 : Kênh truyền đa đường suy hao Rayleigh 27

Hình 2.8 : Mô phỏng đặc tính đa đường trong hệ thống truyền thông MIMO 29

Hình 2.9 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành các kênh truyền song song 30

Hình 2.10 : Mô hình kênh truyền MIMO khi nT>Nr 31

Hình 2.11: Mô hình tương đương MIMO khi n R >n T. 32

Hình 2.12 : Cấu trúc SVD của kênh truyền MIMO 32

Hình 2.13 : Dung lượng kênh MIMO thay đổi theo số lượng ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu……… 34

Hình 2.14 : Ý tưởng phân tập không gian 39

Hình 2.15 : Mô hình phân tập cực 40

Hình 2.16 : Mô hình phân tập mẫu 40

Hình 2.17 : Truyền từ mã qua kênh truyền fading 41

Hình 2.18 : Kết quả mô phỏng các bộ phân tập thu 44

Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mã hóa turbo (tốc độ mã hóa 1/3) 47

Hình 3.2 : Hệ thống mã hóa xoắn truy hồi (RSC) 48

Hình 3.3 : Bộ chèn giả ngẫu nhiên trong một bộ giải mã Turbo 51

Hình 3.4 : Quá trình lược bit thu được tốc độ mã hóa khác nhau 52

Hình 3.5a : Kết quả mô phỏng BER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng với tốc độ mã hóa khác nhau 52

Hình 3.5b : Kết quả mô phỏng FER của hệ thống mã chống lỗi Turbo tương ứng với tốc độ mã hóa khác nhau 53

Hình 3.6 : Sơ đồ khối của bộ giải mã Turbo 55

Hình 3.7 : Lưới mắt cáo với 4 trạng thái 58

Hình 3.8 : Đường biễu diễn của Turbo code trong kênh truyền AWGN 60

Hình 3.9 : Sự biến đổi chất lượng giải mã của mã Turbo khi thay đổi số vòng lặp trong quá trình giải mã Các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo (7,5) với tốc độ mã 1/3, số bit trong một khung N = 1000 bit, điều chế BPSK, kênh AWGN………… 61

Hình 3.10 : Thuật toán Viterbi mô tả bởi Bahl 63

Hình 3.11 : Tính toán các xác suất trạng thái trong thuật toán Viterbi 65

Hình 3.12 : Sự tính toán Log Likelihood Ratio (LLR) cho mỗi khoảng thời gian k……… 68

Hình 3.13 : Kết quả thể hiện BER khi sử dụng các thuật toán giải mã khác nhau Các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo (7,5) với tốc độ mã 1/2, số bit trong một khung N = 1000 bit, bộ chèn ngẫu nhiên L= 1000 bit, điều chế BPSK, kênh AWGN……… 73

Hình 3.14 : Ảnh hưởng của độ dài khung từ mã, Các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo ( 7,5 ) với tốc độ mã 1/3, số bit trong một khung N = 1000 bit, bộ chèn khối với L=169, điều chế BPSK, kênh AWGN 74

Hình 3.15: Bộ chèn nâng trọng số các từ mã hóa trong RSC2 khi so sánh với RSC1……… 74

Hình 3.16 : Mô tả dung lượng của một bộ chèn 75

Hình 3.17 : Cấu trúc bộ chèn khối với chiều dài Lπ = 12 77

Hình 3.18 : Một bộ chèn bán ngẫu nhiên với L=16 và S=2 79

Hình 3.19: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với L=8 80

Hình 3.20 : Ảnh hưởng của các bộ chèn khác nhau, các thông số của hệ thống bao gồm: mã Turbo (7,5) với tốc độ mã 1/2, số bit trong một khung N = 961 bit, điều chế BPSK, kênh AWGN 81

Hình 4.1 : Giao diện chương trình mô phỏng luận văn 84

Hình 4.2 : Giao diện mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số lượng ăng-ten thu & phát……… 84

Hình 4.3 : Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống MIMO theo số ăng-ten thu & phát……… 85

Hình 4.4 : Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống MIMO phân tập thu MRC 86

Hình 4.5: Giao diện mô phỏng phân tập thu phát MIMO 87

Hình 4.6 : Kết quả mô phỏng các p/p phân tập thu SC, EGC,MRC, thông số mô phỏng gồm 10 6 bit dữ liệu, kênh truyền AWGN, Rayleigh fading, hệ thống MIMO 2x2 kết hợp với các loại phân tập thu 87

Hình 4.7 : Kết quả mô phỏng so sánh các p/p phân tập thu phát gồm phân tập phát STBC, phân tập thu MRC và phân tập phát chọn 1 ăng-ten tối ưu Thông số mô phỏng gồm 10 6 bit dữ liệu, kênh truyền AWGN, Rayleigh fading, hệ thống MIMO 2x2 kết hợp với các loại phân tập thu 89

Hình 4.8: Mô hình hệ thống kết hợp mã Turbo và MIMO 90

Hình 4.9 : Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống Turbo- MIMO phân tập thu MRC 92

Hình 4.10 : Giao diện chương trình mô phỏng Turbo-MIMO 93

Hình 4.11: Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO Các thông số hệ thống như bảng 4 2, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 Hệ thống sửa sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp 96 Hình 4.12: Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(a) Các thông số hệ thống như bảng 4 1, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 97 Hình 4.13 : Kết quả mô phỏng so sánh các thuật toán giải mã trong hệ thống Turbo-MIMO(2x2) 99 Hình 4.14 : Kết quả mô phỏng so sánh kết quả giải mã của hệ thống Turbo- MIMO (2x2) với kích thước bộ chèn khác nhau 100 Hình 4.15 : Kết quả mô phỏng của hệ thống Turbo-MIMO (2x2) so sánh ảnh hưởng của các tốc độ mã hóa khác nhau Các thông số mô phỏng theo bảng 4.4……… 102 Hình 4.16 : Kết quả BER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b) trong môi trường Rayleigh chậm Các thông số hệ thống còn lại như bảng 4 3 Hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 Hệ thống sửa sai toàn bộ lỗi sau 6 vòng lặp 104 Hình 4.17 : Kết quả FER mô phỏng hệ thống Turbo-MIMO(b) Các thông số hệ thống như bảng 4.4, hệ thống MIMO bao gồm 2 ăng-ten phát và 2 ăng-ten thu (2×2) kết hợp phương pháp phân tập thu MRC, tốc độ mã hóa 1/3 105 Hình 5.1 : Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn multimedia Turbo-MIMO 108 Hình 5.2 : Giải thuật mô phỏng hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia Turbo- MIMO……… 109 Hình 5.3 : Giao diện chương trình truyền dẫn file dạng text trong hệ thống Turbo-MIMO……… 110

Hình 5.4 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text ở 1 vòng lặp 112

Hình 5.5 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 2 vòng lặp 113

Hình 5.6 : Kết quả mô phỏng truyền dữ liệu text khi sử dụng 3 vòng lặp 114

Hình 5.7: Giao diện mô phỏng truyền hình ảnh tĩnh 115

Hình 5.8 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 1 vòng lặp……… 117

Hình 5.9 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 2 vòng lặp……… 118

Hình 5.10 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 3 vòng lặp……… 118

Hình 5.11 : Kết quả mô phỏng truyền nhận ảnh qua hệ thống Turbo-MIMO ở 4 vòng lặp……… 119

MỞ ĐẦU

Ngày nay, đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) Có thể nói cấu trúc kết hợp kỹ thuật sửa sai mã Turbo

và MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là một trong những đề xuất làm nền tảng kỹ thuật có thể được áp dụng để triển khai cho thế hệ thông tin di động hiện tại

và tương lai Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật đa truy cập khác nhau cũng được triển khai như FDMA, TDMA, SDMA, CDMA ( Frequency, Time, Space, Code Division Multiple Access) Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không ngừng tăng lên và yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng cao

Tuy nhiên trong một số điều kiện thực tế, với các hạn chế về năng lượng, băng thông…, nhiều nghiên cứu về các kỹ thuật ứng dụng mới đã được triển khai để khắc phục những khó khăn này Một trong số đó là kỹ thuật phân tập MIMO với nhiều ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu kết hợp với mã chống lỗi Turbo Khả năng kết hợp cả hai trong một hệ thống hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ Luận văn nhằm mục đích đánh giá khả năng phối hợp giữa hai kỹ thuật này để nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu

Dịch vụ truyền thông đa phương tiện như truy cập Web, video theo yêu cầu, điện thoại IP đang ngày càng trở nên phổ biến Hệ thống đa ăng-ten thu - phát MIMO đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trong các hệ thống liên lạc không dây trong thế hệ thông tin di động thứ 3 (3G) Hệ thống này áp dụng kỹ thuật phân tập, kết hợp kỹ thuật mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông Để giải quyết tốt các ảnh hưởng đặc trưng của môi trường truyền dẫn không dây và di động, ngoài việc tận dụng ưu thế của hệ thống MIMO, luận văn nghiên cứu kết hợp mã chống lỗi Turbo vào trong hệ thống này Kết quả nghiên cứu đã xác định được các đặc trưng

cơ bản đem lại kết quả tốt cho hệ thống kết hợp

Cấu trúc luận văn bao gồm các phần sau:

™ Chương I : Giới thiệu và nêu tổng quan vấn đề

™ Chương II : Tóm lược các đặc trưng của hệ thống MIMO

™ Chương III : Trình bày các vấn đề liên quan đến mã chống lỗi Turbo

™ Chương IV : Xây dựng hệ thống kết hợp giữa mã Turbo và MIMO

™ Chương V : Trình bày về việc truyền dẫn dữ liệu multimedia sử dụng

hệ thống Turbo-MIMO

™ Chương VI : Nêu các kết luận chính và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ

Một hệ thống truyền thông số được thiết kế để gởi và nhận những tín hiệu số rời rạc Hình 1.1 thể hiện cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông số để truyền tiếng nói

Ở đầu phát, tín hiệu tương tự được chuyển đổi qua dạng số thông qua bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC (Analog to Digital Converter) Một bộ mã hóa nguồn được dùng để loại bỏ thành phần dư thừa trong tín hiệu nguồn, nén tín hiệu truyền nhằm nâng cao hiệu quả đường truyền Sau đó, một bộ

mã hóa kênh truyền được dùng để mã hóa tín hiệu nguồn bằng một cách nào đó để nơi nhận có thể điều khiển và sửa sai hiệu quả Một bộ điều biến được dùng để ánh

xạ các bit nguồn vào một chuỗi tín hiệu để truyền đi Sau đó chuỗi tín hiệu đã điều biến sẽ được truyền từ bộ phát đến bộ thu thông qua kênh truyền Nhiễu xen vào tín hiệu trong quá trình truyền là điều không mong muốn nhưng không thể tránh khỏi Nói chung, kênh truyền có thể là vô tuyến hay hữu tuyến và nó đều tạo ra nhiều loại nhiễu khác nhau

Ở đầu thu, quá trình xử lý tín hiệu là ngược lại Đầu tiên, tín hiệu thu được sẽ được đồng bộ hóa để đi qua bộ giải điều biến Bộ giải mã kênh và giải mã nguồn sẽ giải mã dòng dữ liệu nhận tùy theo thuật toán được dùng trong quá trình truyền để kết quả giải mã có ít sai sót nhất Cuối cùng các bit đã được giải mã được gởi đến

bộ chuyển đổi ngược từ dạng số sang dạng tương tự DAC (Digital to Analog Converter) để chuyển đổi tín hiệu nhận được thành nguyên dạng ban đầu

Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền thông số

1.2 MỤC ĐÍCH CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng phối hợp giữa bộ mã hóa chống lỗi

sử dụng kỹ thuật mã hóa Turbo và bộ thu – phát tín hiệu sử dụng kỹ thuật MIMO nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu Luận văn sẽ tìm cách giải quyết các vấn đề trong việc lựa chọn cách thức phối hợp tối ưu giữa hai kỹ thuật này

Kỹ thuật đa ăng-ten sẽ đóng một vai trò quan trọng trong hiện tại cũng như tương lai Hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật phân tập không-thời gian Khi một hoặc nhiều kênh bị giảm sâu, các kênh khác vẫn có thể ở trong trạng thái tốt vì vậy xác suất sai sót sẽ nhỏ, có thể gia tăng dung lượng kênh mà không cần mở rộng tần

số băng thông Đồng thời hệ thống đa ăng-ten MIMO kết hợp với mã hóa kênh truyền để tận dụng khả năng điều khiển sai sót trong kênh truyền vô tuyến

Mã chống lỗi Turbo có thể đạt được giới hạn của kênh truyền đối với kích thước bộ chèn (interleaver) lớn Chất lượng giải mã của mã Turbo phụ thuộc nhiều vào cấu trúc bộ chèn khi mã hóa các khung truyền có kích thước nhỏ Một bộ chèn tốt sẽ loại bỏ sự phụ thuộc giữa các bít để ngăn chặn kiểu sai số dạng chùm và tối thiểu ảnh hưởng của sai số nền để đạt xác suất sai sót thấp [1]

Hiện nay, các nghiên cứu và ứng dụng trên thực tế mã Turbo trong hệ thống truyền thông di động đang thu hút nhiều sự quan tâm Các nghiên cứu gần đây về

mã chống lỗi Turbo trong truyền thông di động thế hệ 3G, ứng dụng kỹ thuật phân tập không thời gian trong hệ thống MIMO bằng việc kết hợp mã hóa Turbo cần giải quyết một số vấn đề nhằm đáp ứng khả năng hoạt động theo thời gian thực, làm việc với khối dữ liệu truyền tải lớn trong một giới hạn băng thông cho phép [2] Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng nhằm nâng cao chất lượng hệ thống kết hợp là một thách thức nghiên cứu

Nhằm giải quyết những vấn đề trên, luận văn sẽ tập trung tìm hiểu về các vấn

đề cụ thể sau:

™ Tìm hiểu hệ thống ăng-ten thu phát MIMO và các phương pháp phân tập thu phát

™ Tìm hiểu mã chống lỗi Turbo và các ảnh hưởng đặc trưng

™ Xây dựng và mô phỏng một hệ thống kết hợp Turbo-MIMO

™ Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống kết hợp trên

™ Mô phỏng một hệ thống truyền dẫn dữ liệu multimedia MIMO

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG

ăng-Việc sử dụng hai hoặc nhiều ăng-ten để truyền và nhận tín hiệu là một phương pháp thông dụng để tối thiểu hóa các ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng tín hiệu của kênh truyền không dây Thông thường, các ăng-ten thu tín hiệu phải được đặt cách nhau bởi một hoặc nhiều bước sóng để chắc chắn rằng các tín hiệu nhận không tương quan với nhau [5]

2.2 ĂNG-TEN THÔNG MINH

Trong thuật ngữ qui định, một bộ thu truyền thống sử dụng chỉ một ăng-ten được gọi là hệ thống SISO (single-input-single-output) Nếu môi trường kênh truyền là giảm sâu, tín hiệu nhận có thể chứa một chuỗi các sai sót hoặc trong trường hợp hoàn toàn xấu, đường truyền sẽ bị gián đoạn Hơn nữa, các ứng dụng không dây trong tương lai yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn trong hệ thống SISO rất nhiều Vì vậy, kỹ thuật ăng-ten thông minh là một kỹ thuật dùng để giải quyết kênh truyền suy giảm chậm và cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn trong cùng một thời gian

Kỹ thuật này đã được nghiên cứu và sử dụng trong vòng 15 năm nay Về bản chất thì ăng-ten thông minh sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng nhiều ăng-ten ở một thiết bị đầu hoặc cuối duy nhất Nếu một hệ thống chỉ dùng nhiều ăng-ten ở đầu phát, nó được gọi là hệ thống MISO (multi-input-single-output) Nếu nhiều ăng-ten chỉ được dùng ở đầu thu, nó được gọi là SIMO (single-input-multi-output) Thông

tin bao gồm từ nhiều ăng-ten khác được kết hợp thì sự truyền tín hiệu sẽ đáng tin cậy hơn

2.3 HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN Ở ĐẦU PHÁT VÀ ĐẦU THU

Hệ thống truyền thông không dây dùng nhiều hơn một ăng-ten ở cả đầu thu lẫn đầu phát và các dòng dữ liệu được truyền song song một cách đồng thời trên cùng một băng truyền, nó được gọi là hệ thống multi-input-multi-output (MIMO) Một hệ thống MIMO thừa hưởng tất cả những thế mạnh của hệ thống MISO/SIMO

và tối ưu hóa hơn nữa những thế mạnh của hệ thống đa ăng-ten Hệ thống truyền thông MIMO được xem như đóng một vai trò then chốt trong hệ thống truyền thông thế hệ thứ 4 có tốc độ bit cao đến trên 300Mbps Bởi vì hệ thống truyền thông MIMO có thể gia tăng dung lượng kênh mà không cần mở rộng tần số băng thông [10]

Hình 2.1: Hệ thống ăng-ten MIMO 4 đầu thu phát

Hình 2.1 mô tả một hệ thống MIMO với 4 ăng-ten lần lượt ở bộ truyền và nhận Các bit ở cùng một gói dữ liệu được phân phối lần lượt đến các bộ phát và truyền đồng thời đến các ăng-ten thu khác nhau

Hình 2.2 chỉ ra sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông số với nhiều ten nhận và thu kết hợp với mã hóa kênh truyền Một bộ chèn bit được dùng để ngẫu nhiên hóa các bit dữ liệu nhằm giảm ảnh hưởng của các bit lỗi dạng chùm (chuỗi của các bit lỗi liên tục nhau) Sau đó, dòng bit dữ liệu sẽ đi qua một bộ chuyển đổi nối tiếp ra song song để phân phối dữ liệu ra các ăng-ten phát khác nhau Mỗi dòng bit dữ liệu song song sẽ đi qua mỗi bộ điều biến khác nhau tương ứng và ánh xạ vào một dòng dữ liệu khác để truyền đi Bên cạnh đó, bộ thu sẽ giải điều biến các dòng bit dữ liệu song song thu nhận được và bộ chuyển đổi song song

ăng-ra nối tiếp sẽ kết hợp các dòng bit dữ liệu song song thành một dòng dữ liệu duy nhất Sau đó, dòng tín hiệu này được đi qua bộ giải chèn trước khi qua bộ giải mã

để thu được thông tin ban đầu

Thế mạnh của việc sử dụng hệ thống MIMO là sử dụng kỹ thuật phân tập không-thời gian Khi một hoặc nhiều kênh bị suy giảm mạnh, các kênh khác vẫn có thể ở trong trạng thái tốt vì vậy xác suất sai sót sẽ nhỏ hơn trong kênh suy giảm chậm SISO [5]

Hình 2.2 : Hệ thống truyền thông số với nhiều ăng-ten ở đầu phát và thu [44,tr.25]

Trong thực tế, hệ thống tự động yêu cầu gởi lại khi phát hiện sai sót ARQ được bổ sung vào hệ thống MIMO

2.4 TOÁN HỌC TRONG HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO

2.4.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SISO

Mô hình hệ thống Single-Input-Single-Output được thể hiện ở hình 2.3 Nếu

x là tín hiệu truyền và y là tín hiệu nhận, ta có:

n x

y=α + (2.1) Trong đó, α là hệ số suy giảm Rayleigh và n là nhiễu Gaussian xen vào quá trình truyền nhận, cả hai đều là biến ngẫu nhiên Nếu là kênh truyền giảm nhanh, thìα thay đổi sau mỗi lần truyền x Tuy nhiên, nếu kênh truyền giảm chậm, thì α

sẽ như nhau trong khối đó do đặc tính kênh truyền

Hình 2.3: Hệ thống kênh truyền giảm chậm

2.4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO

Giả sử hệ thống truyền thông không dây với số lượng ăng-ten phát là M và

số lượng ăng-ten thu là N, thường gọi là hệ thống MIMO MxN Một hệ thống như vậy thường được mô tả mối quan hệ ở ngõ vào-ra như sau:

r = Hs + n (2.2) trong đó, H∈C N×M là ma trận kênh truyền bao gồm thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền giữa M ăng-ten phát và N ăng-ten thu Giá trị của H cũng có thể được

hiểu như là tỷ số điện thế các sóng nhận được ở ăng-ten thu, và điện thế các sóng ở các ngõ phát Mô hình toán học được diễn tả như sau:

Hình 2.4 : Quan hệ giữa ngõ ra & ngõ vào của hệ thống MIMO

Trong hình 2.4, vector s∈C M× 1 thể hiện cho các đặc trưng của phía phát,

Hình 2.5 : Biễu diễn của hệ số ma trận kênh [18, tr 10]

Trong mô hình này, mỗi đường p được mô tả bởi ma trận chuyển cực

xạ, nhiễu xạ, tán xạ với các vật thể chắn trong kênh truyền

Giá trị Hij được mô tả như sau:

j

) , (θ Φ và p

i

),(θ Φ là chỉ thị của các thành phần đa đường ở lần lượt ăng-ten phát thứ j và ăng-ten nhận thứ i P là số lượng của các đường truyền liên quan

Mỗi ăng-ten thu đều nhận được tín hiệu từN T ăng-ten phát Khi N T=1, kênh MIMO suy giảm về trường hợp kênh một đầu vào – nhiều đầu ra (SIMO) Tương

tự, khi N R=1, kênh MIMO suy giảm về trường hợp kênh nhiều đầu vào – một đầu

ra (MISO) Khi cả N T=1, và N R=1, kênh MIMO đơn giản hóa thành một kênh đơn hoặc kênh một đầu vào – một đầu ra (SISO)

Nói chung việc thiết kế bộ mã hóa kênh truyền, điều chế và ánh xạ trong hệ thống đa ăng-ten MIMO sẽ khác biệt so với hệ thống đơn ăng-ten cũ SISO Đó chính là sự xuất hiện thêm của chiều không gian Do một ăng - ten phát sẽ phát lần lượt đến tất cả các ăng-ten ở đầu thu hay nói cách khác, mỗi ăng-ten ở đầu thu sẽ lần lượt thu các tín hiệu không tương quan ở tất cả các ăng-ten phát phía đầu phát Đây chính là đặc tính của hệ thống sử dụng nhiều ăng-ten Kỹ thuật truyền dữ liệu

qua hệ thống đa ăng-ten MIMO gọi là kỹ thuật không – thời gian (space-time technique)

Tùy thuộc vào bên phát hoặc bên thu biết thông số kênh truyền fading CSI (Channel state information) mà sự lựa chọn kỹ thuật cụ thể cho hệ thống MIMO có thể thay đổi Ở đầu phát sẽ khó biết được thông tin kênh truyền fading CSI hơn đầu thu do ở phía thu có thể ước lượng các thông số kênh

2.5 CÁC KIỂU KÊNH TRUYỀN

Chúng ta chú trọng đến 2 kiểu kênh truyền thường được dùng trong hệ thống truyền thông không dây: đó là kênh truyền AWGN và kênh truyền giảm Rayleigh

2.5.1 KÊNH NHIỄU TRẮNG PHÂN BỐ GAUSSIAN

Ở đây, tín hiệu nhận là tổng của các tín hiệu truyền và nhiễu với hàm mật độ xác suất Gaussian được cho bởi:

Loại kênh truyền (GEO) vệ tinh và hệ thống truyền thông trong không gian rộng thường không chỉ là AWGN Ở đây các tín hiệu truyền bị suy hao nhiều do khoảng cách truyền xa và nhiều những ảnh hưởng gây thiệt hại tín hiệu khác, như là nhiễu suy hao đa đường hoặc do những thiết bị nhân tạo

2.5.2 KÊNH TRUYỀN NHIỄU RAYLEIGH

Một loại kênh truyền khác thường xuất hiện trong hệ thống truyền thông không dây là kênh truyền giảm Có rất nhiều lý do gây nên sự truyền giảm Một nguyên nhân phổ biến là sự đa đường tự nhiên của môi trường truyền Hình 2.6 thể hiện kiểu mẫu đơn giản nhất của một kênh truyền đa đường Tín hiệu truyền đến bộ nhận từ nhiều đường khác nhau, mỗi đường đều có một thời gian suy hao khác nhau

và một thời gian trễ τi Kết quả là một tập hợp bản sao của tín hiệu truyền ở đầu thu với biên độ theo thời gian và pha khác nhau Các đường đơn lẻ không thể khác biệt

ở bộ nhận và tín hiệu tổng hợp sẽ là tổng của các tín hiệu bản sao Sự đa dạng thời gian tự nhiên của mỗi đường truyền riêng lẻ nghĩa là, thỉnh thoảng các bản sao sẽ được thêm vào hoặc bớt đi và hình thành nên một tín hiệu suy giảm theo chu kỳ ở

bộ thu Loại suy hao này thường xuất hiện trong các kênh truyền thông không dây trên mặt đất khi một bộ thu di chuyển trong vùng xuất hiện đa đường Ví dụ, một xe tải di chuyển trong vùng có nhiều nhà cao tần Ngoài ra nó còn xuất hiện nếu một

bộ thu cố định đặt trong một trường tán xạ thời gian Ví dụ như một người dùng ở vị trí cố định nhận một tín hiệu đa đường gây ra do một vật chuyển động

Xem xét một tín hiệu truyền của một sóng mang chưa điều biến

s(t)= cos2πf c t ,trong đó f c là tần số sóng mang Mỗi đường truyền i sẽ có một khoảng thời gian trễ τi (t) và hệ số suy giảm αi (t) Bỏ qua nhiễu được thêm vào, tín hiệu nhận được cho bởi:

và θi (t)= 2πf cτi (t) Để đơn giản việc phân tích thống kê của αI (t),αQ (t), ta xem như

hệ số suy giảm αi (t) là ngẫu nhiên, các biến không tương quan với mật độ phân bố hàm đồng nhất Nó cũng được xem như sự dịch chuyển pha θi (t) cũng không tương quan và phân bố đồng đều trong khoảng [0,2π] dẫn đến 2 thành phần đồng pha và lệch pha 900 αI (t) và αQ (t) là 2 quá trình ngẫu nhiên độc lập thống kê theo hàm phân bố Gaussian

Hình 2.6 : Mô hình của kênh truyền giảm đa đường

Biên độ suy hao trong quá trình suy giảm được cho bởi

φ = tan−1αQ

αI (2.11)

và là một quá trình phân bố ngẫu nhiên đồng nhất

Hình 2.7 : Kênh truyền đa đường suy hao Rayleigh

Một kênh suy hao đa đường dùng bộ lọc tuyến tính thời gian của quá trình Gaussian αI (t) và αQ (t) được mô tả ở hình 2.7 Lọc thấp qua trong mô hình này tạo

ra sự tương quan mạnh giữa suy hao biên độ và pha trong các bit lân cận Trong đó, các pha của thành phần đa đường sẽ cản trở sự ảnh hưởng giao thoa của vài symbol

kế cận, suy giảm biên độ sẽ thấp hoặc là không có trong suốt một chu trình của symbol Kết quả là một chùm symbol hỏng ở ngõ ra của bộ giải điều biến

Đa số mã hóa khối và mã hóa xoắn được thiết kế để đối phó với các sai sót độc lập ngẫu nhiên do kênh truyền gây nên Một kênh truyền chứa nhiều sai sót, ví

dụ như AWGN được gọi là "không bộ nhớ", xác suất của một symbol bị sai sót không phụ thuộc vào symbol trước hoặc sau nó Một kênh đa đường ở hình 2.7 được gọi là "có bộ nhớ", khi có lọc thấp qua các biến ngẫu nhiên sẽ gây ra các sai sót đối với các symbol liên tục Một bộ chèn truyền thống sẽ hổ trợ quá trình giải

mã bằng cách ngẫu nhiên hóa tại phía phát ở giữa các bộ mã hóa và đầu thu tại các

vị trí của symbol sai để tránh sai sót dạng chùm, gây khó khăn trong việc giải mã Lợi ích của bộ chèn sẽ làm cho một kênh " có bộ nhớ" thành ra " không bộ nhớ"

2.6 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG ĐA ĂNG-TEN MIMO

Năm 1998, Foschini va Gans tìm hiểu về giới hạn cuối cùng của băng thông, các nhà nghiên cứu đã dùng thuật toán MEAs (multiple-element arrays) hoặc chuỗi

để nâng cao tốc độ truyền không dây nhằm giải quyết bài toán về môi trường truyền dẫn NLOS (Non Line-of-sight)

Theo thuyết của Shannon, dung lượng được đo đạc bằng tốc độ truyền lớn nhất đối với một đường truyền vẫn đảm bảo được độ tin cậy nhất định Độ tin cậy được coi là khả năng truyền dẫn dữ liệu với một xác suất lỗi nhỏ tùy ý Nói một cách khác, thuyết Shannon nói rằng giới hạn chính trong một kênh truyền thông do nhiễu gây ra không gây ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền thông mà sẽ ảnh hưởng đến tốc độ kênh truyền Thông qua việc thiết kế mã, việc truyền thông tin không có lỗi có thể đạt được, nếu tốc độ mã hóa kênh nhỏ hơn dung lượng kênh [18, tr 2]

Tuy nhiên, thuyết này lại không đề cập cách làm thế nào để xây dựng một hệ thống như vậy Do vậy, để tiến gần đến giới hạn này, cần phải kết hợp với kỹ thuật

mã hóa kênh truyền

Dung lượng của một hệ thống truyền dẫn không dây phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhiễu, số lượng ăng-ten truyền và nhận ở đầu phát và đầu thu, số lượng của các thành phần phản xạ, đa đường trong môi trường truyền [18, tr 3]

Xét một trường hợp đơn giản là chỉ có một ten ở đầu phát và một ten ở đầu thu (SISO) Giả sử rằng nhiễu kênh truyền là nhiễu Gaussian (AWGN), dung lượng kênh truyền C được mô tả bởi công thức:

ăng-C = Log2(1 +ρ0) bits/s/Hz(bps/Hz) (2.12) Trong đó, ρ0 = pD,av

N0 là trung bình tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), N 0 là

công suất của nhiễu xen vào, pDav là công suất thu trung bình Dung lượng được

tính từ công suất trên cũng được xem là hiệu suất phổ

Trong lý thuyết thông tin, hệ thống bao gồm ăng-ten ở đầu phát lẫn đầu thu được biết đến như là một hệ thống truyền thông đa ăng-ten MIMO, có đặc tính đa

không gian của đa kênh nhằm nâng cao tối đa tốc độ của hệ thống truyền dẫn không dây Trong hệ thống MIMO, đặc tính đa đường của ăng-ten đóng một vai trò then chốt, và đây cũng chính là lợi điểm lớn nhất khi một đường truyền bị giảm mạnh, thì các đường còn lại vẫn có khả năng hoạt động tốt nhằm nâng cao tốc độ dữ liệu Điều này được mô tả trong hình 2.8

Hình 2.8 : Mô phỏng đặc tính đa đường trong hệ thống truyền thông MIMO Định nghĩa chung về dung lượng hệ thống truyền dữ liệu là tốc độ truyền lớn

nhất có thể đạt được sao cho xác suất lỗi nhỏ tùy ý

Ban đầu, ta giả sử rằng thông qua ước lượng kênh truyền, ma trận kênh truyền không biết tại nơi phát trong khi nó được biết chính xác tại nơi thu

Dựa vào lý thuyết phân tách ma trận SVD cho ma trận H với kích thước (nR x nT) bất kỳ, ta có:

H = UDV H (2.13)Trong đó U và V là ma trận vuông đồng nhất (nR x nR) và (nT x nT), D là ma trận đường chéo không âm với kích thước (nR x nT), Các ma trận này đều có những tính chất sau đây: UU H =I n R và VV H = I n T

trong đó I n R và I n T là ma trận đơn vị có kích thước (nR x nR) và (nT x nT) Các phần

tử của ma trận đường chéo D sẽ mang các giá trị không âm và bằng căn bậc hai của trị riêng ma trận HHH Gọi λ là trị riêng (eigen value) của ma trận HHH, được cho bởi :

HH H y=λy, y≠0 (2.14) Trong công thức trên, y là vectơ cột (nR x 1), λ là trị riêng (eigenvector) Các phần tử đường chéo của D là các giá trị duy nhất của H Bên cạnh đó, các cột của ma trận V là những vectơ riêng của HHH, các cột của ma trận U là những vectơ riêng của HHH Phương trình (2.14) trở thành:

r = UDV H x + n (2.15) Nhân hai vế của phương trình trên cho ma trận UH:

U H r = U H UDV H x + U H n (2.16)

Đặt r’ = UHr, x’ = VHx, n’ = UHn Các ma trận UH, VH xem như là hệ số tỷ lệ Vectơ n’ có phần thực và phần ảo là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0 Kênh truyền ban đầu có dạng :

r' = Dx’ + n’ (2.17)

Số trị riêng khác 0 ký hiệu là u chính là hạng của ma trận D Tương ứng ma trận H (nR x nT), hạng của ma trận là m = min(nR,nT) Ta đặt λ là các giá trị riêng ikhác không của H, với i = 1,2,…,u Thế (2.13) vào phương trình (2.16), các thành phần tín hiệu nhận được có dạng như sau:

u i

n x

Công thức (2.18) thể hiện các thành phần tín hiệu nhận '

i

r với i = u+1, u+2,…,m hoàn toàn không phụ thuộc vào tín hiệu phát xi mà chỉ phụ thuộc vào x'i, đồng nghĩa là độ lợi kênh truyền bằng 0 Cho nên hệ thống MIMO ban đầu có thể được xem như gồm u kênh truyền song song riêng lẽ, mỗi đường truyền thứ i có thông số kênh tương ứng là λ Trong trường hợp số ăng-ten phát nhiều hơn số iăng-ten thu, nT > nR, hạng của ma trận H nhỏ hơn nR, kênh truyền MIMO có mô hình tương đương như hình 2.10

Hình 2.10 : Mô hình kênh truyền MIMO khi nT>Nr

Ngược lại, nT < nR, ta có mô hình tương đương như hình 2.11

Hình 2.11: Mô hình tương đương MIMO khi n R >n T

Trong 2 mô hình tương đương ở trên, tuy các kênh truyền không ghép xen kẽ với nhau nhưng dung lượng kênh truyền sẽ là tổng dung lượng của các kênh

Từ mô hình hệ thống MIMO được biểu diễn qua phép biến đổi SVD, ta có thể mô tả kênh truyền MIMO thông qua cấu trúc đơn SVD (Singular Value Diagonal) như hình 2.12

Hình 2.12 : Cấu trúc SVD của kênh truyền MIMO

n'

1 '

Trong hệ thống với nT ăng-ten phát, công suất phát của mỗi ăng-ten trong mô hình tương đương MIMO là P/nT, ước lượng dung lượng kênh truyền bằng công thức của Shannon cho bởi [18, tr 2-3]:

H Giả sử rằng m = min(nR,nT) là số lượng ăng-ten nhỏ nhất của 2 đầu thu phát Quan hệ giữa vectơ riêng và trị riêng được cho bởi :

(λI m −Q)y=0, y≠0 (2.22) Trong đó, ma trận Wishart Q được định nghĩa như sau:

T R H

n n H H

n n HH Q

,

,

(2.23)

Vì vậy λ là trị riêng của Q nếu và chỉ nếu λI m −Q là ma trận duy nhất Do

đó, det(λI m − Q) = 0, nghiệm của phương trình này là các giá trị λ Đa thức p(λ ) iđược cho như sau:

với λ là nghiệm của đa thức p(λ ) và bằng với trị riêng của ma trận kênh truyền iThế λ= −n Tσ2

P vào phương trình (2.18) ta được:

thông số kênh truyền Trong luận văn này, ta quan tâm đến dung lượng của hệ thống MIMO thông qua kênh truyền suy giảm Rayleigh chậm, Rayleigh nhanh và fading khối

2.6.1 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO TRONG MÔI

TRƯỜNG TRUYỀN GIẢM RAYLEIGH CHẬM

Trong môi trường truyền thực tế, các phần tử của ma trận kênh truyền là biến ngẫu nhiên, có phân phối Rayleigh, pha đồng dạng, kỳ vọng của bình phương biên

xác suất để một mức dung lượng cụ thể ký hiệu là PC Xác suất thiếu hụt (outage probability) ký hiệu là Pout là xác suất không đạt được mức dung lượng xác định và bằng 1 – PC

• Xác suất thiếu hụt: với một tốc độ bit R cho trước và công suất tín hiệu

trên nhiễu là SNR hoặc ρ và một tốc độ bit R cho trước, xác suất mà

dung lượng kênh truyền không đủ để đường truyền tin cậy là:

Nếu các thành phần của ma trận truyền thay đổi ngẫu nhiên và giữ nguyên chỉ trong khoảng thời gian 1 ký tự truyền, đây là mô hình của kênh truyền fading Rayleigh nhanh Chúng ta đi tìm biểu thức thông số kênh truyền MIMO trong môi trường truyền giảm này

Dung lượng của kênh truyền MIMO trong môi trường fading thay đổi nhanh

có thể thu được bằng cách ước lượng giá trị trung bình của C như sau :

Kênh truyền MIMO trong môi trường truyền giảm Rayleigh thay đổi nhanh với ma trận kênh truyền H có thể xem như tương đương như hệ thống với u≤ min(n T,n R)

kênh truyền song song, dung lượng kênh truyền là:

Với λ là trị riêng của ma trận kênh truyền H Mặc khác, ta có thể viết lại dung ilượng kênh truyền MIMO trung bình trong kênh truyền giảm Rayleigh thay đổi nhanh là

và L n k −m (x) là đa thức Laguerre bậc k như sau :

đa ăng-ten MIMO sử dụng kỹ thuật phân tập không thời gian để nâng cao chất lượng kênh truyền Kỹ thuật thuật phân tập sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

2.7 KỸ THUẬT PHÂN TẬP

Trong lĩnh vực truyền thông không dây vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rất rộng rãi với mục đích làm giảm ảnh hưởng của suy hao đa đường nhằm nâng cao, cải tiến độ tin cậy, tốc độ của kênh truyền mà không cần phải tăng công suất phát hoặc tăng băng thông đường truyền Kỹ thuật phân tập sử dụng nhiều bản

sao của tín hiệu phát tại nơi thu thông qua việc truyền nhận thông tin liên tục từ nhiều ăng-ten phát lẫn ăng-ten thu, tất cả mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường truyền giảm đa đường [18,tr 27-30]

Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với nhau Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể không bị suy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm tối đa ảnh hưởng của suy hao tín hiệu và cải thiện tốc độ cũng như độ tin cậy của kênh truyền thông tin Mặc dù kỹ thuật phân tập có thể cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR nhưng cũng có ảnh hưởng đến dung lượng của

hệ thống

Phân loại việc phân tập dựa trên các đặc tính của mỗi đường truyền, khu vực truyền nhận cụ thể Phân tập thời gian có thể thu được thông qua bộ chèn và mã hóa kênh Nếu đặc tính của kênh truyền là chọn lọc tần số, sử dụng phương pháp nhảy tần thì gọi là phân tập tần số Phân tập không gian sử dụng nhiều ăng-ten phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian, sự phân cực của ăng-ten, miền tần số và miền thời gian

2.7.1 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN

Thông thường, phân tập không gian còn gọi là phân tập ăng-ten Nếu nhiều ăng-ten được phân bố ở phía thu trong khi chỉ có một ăng-ten ở đầu phát, ta gọi là phân tập thu Ngược lại, nếu nhiều ăng-ten được phân bố ở phía phát, trong khi đó chỉ có một ăng-ten ở phía thu thì ta có phân tập phát Nếu ở đầu thu và phát số lượng ăng-ten đều lớn hơn hai thì ta có phân tập thu phát kết hợp Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông vô tuyến, thường sử dụng công nghệ truyền sóng viba Phân tập ăng-ten là sử dụng nhiều ăng-ten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các ăng-ten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho các tín hiệu không tương quan với nhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các ăng-ten tùy thuộc vào độ cao của ăng-ten, môi trường lan