Đánh giá chất lượng mã khối không gian thời gian trong hệ thống MIMO OFDM

Hệ th ng MIMO có thể tĕngăđ l i phân t p, hoặcăđ l iădungăl ng trên các kênh truyền fading phẳng.. Sau cùng việc mô ph ng các mô hình hệ th ng MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC v

TÓM T T

OFDMăđemăl i nh ng l iăíchănh ăhiệu qu s d ng phổ và thích h p cho truyền

d n t căđ caoătrênăkênhăfadingăđaăđ ng Hệ th ng MIMO có thể tĕngăđ l i phân

t p, hoặcăđ l iădungăl ng trên các kênh truyền fading phẳng Đ i v i truyền d n

t căđ cao, kênh MIMO chọn lọc t n s (fading không phẳng) có thể chuyển sang

m t t p các kênh con fading phẳng bằng cách k t h p gi a MIMO và kỹ thu t

OFDM,ăđiều này có thể gi măđ phức t p của b thu và có thể gi i quy tăđ c v n

đề fadingăđaăđ ng m t cách hiệu qu

Hệ th ng MIMO-OFDM hiệnă nayă đƣă đ c ch p nh n nh ă lƠă m t tiêu chuẩn

truyền d n t căđ cao, mang l i hiệu qu và ch tăl ng dịch v t t cho các hệ th ng

vô tuy năbĕngăr ng các th hệ t ngă lai Hệ th ng MIMO-OFDM v i mã hóa

kh i không gian-th i gian (STBC) có kh nĕngăch ng l i nhăh ng của các hiện

t ng nh ăđaăđ ng, fading chọn lọc t n s m t cách h t sức hiệu qu ăH năth , tỉ

s SER đ tăđ c là nh và đ phức t p mã hóa th p

Lu năvĕnănƠy t p trung nghiên cứu việc mã hóa, gi i mã kh i không gian-th i

gian (STBC), mã không gian-t n s (SFC), mã không gian-th i gian-t n s (STF),

mô hình hệ th ng MIMO-OFDM Sau cùng việc mô ph ng các mô hình hệ th ng

MIMO, MIMO-OFDM dựa trên mã hóa STBC, SFC và STF s đ c xây dựng và

phân tích ch tăl ngăd iămôiătr ng truyền d n fading Rayleigh

Các k t qu mô ph ng chỉ ra rằng hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC đƣăđ t

đ c hiệu qu BER t tă h nă hệ th ng MIMO-OFDM khi không s d ng mã hóa

STBC K t qu mô ph ngăđƣăchứngămìnhăđ c kh nĕngăkiểm soát l i của hệ th ng

khi s d ngămƣăSTFăđ c c i thiệnăh năso v i mã STBC và SFC

ABSTRACT

The advantages of OFDM systems are high spectral efficiency and suitable for

high-data-rate transmission over a multi-path fading channel MIMO systems may

be implemented by number of different ways to obtain either a diversity gain or a

capacity gain in flat fading channels For high-data-rate transmission, the

frequency-selective MIMO channels (non-flat fading channel) can be transformed

into a set of parallel frequency-flat MIMO channels by combining MIMO and

OFDM techniques, which can decrease the receiver complexity and deal with the

multi-path fading efficiently

MIMO-OFDM combined system has been currently accepted as an official

standard to support high data rate, efficient and high-quality service for next

generation broadband wireless communication systems MIMO-OFDM system with

space time block code (STBC) has excellent performance against Multi-path effects

and frequency selective fading, what's more, the BER and the coding complexity is

low

The thesis concentrated on the basic theory of STC, SFC and STFC codes,

MIMO, and MIMO-OFDM system models Finally, simulation model of MIMO,

MIMO-OFDM systems based on STBC is built and its transmission performances

under Rayleigh fading channel is analyzed The simulation results show that the

MIMO-OFDM system based on STBC outperforms other MIMO-OFDM system

without STBC in BER performance By the simulation results, we have

demonstrated that the ability of controlling error of system which used STFC codes

was improved more than the system which used STBC and SFC codes

M C L C

LÝ LịCH KHOA HọCầầầầầầầầầầầầầầầầầầ ầầầầ ii

L IăCAMăĐOANầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầầ iii C Mă N v

TÓM T T LU NăVĔN vi

ABSTRACT vii

M C L C viii

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xvi

DANH SÁCH CÁC B NG xviii

CH NG 1 GI I THI U T NG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnhăvực nghiên cứu, các k t qu trongăvƠăngoƠiăn căđƣă công b 1

1.2 ụănghĩaăkhoaăhọc của đề tài 3

1.3 M căđíchăcủaăđề tài 4

1.4 Nhiệm v củaăđề tài và gi i h năđề tài 5

1.5 Ph ngăphápănghiênăcứu 5

CH NG 2 KÊNH TRUY N VÔ TUY N 6

2.1 Khái niệm kênh vô tuy n [3][10] 6

2.2 Fading suy gi m diện r ng [2][10] 6

2.3 Fading diện hẹp [2][10] 6

2.3.1 Hiệnăt ngăđaăđ ng (multipath) 7

2.3.2 Hiệu ứng dịch Doppler 7

2.3.3 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 8

2.3.4 Phân lo i Fading diện hẹp 8

2.4 Các mô hình kênh fading 9

2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh 9

2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean 10

2.4.3 Mô hình fading chọn lọc t n s 10

2.5 K t lu n 11

CH NG 3 K THU T ĐI U CH ĐA SịNG MANG TR C GIAO OFDM 12

3.1 Gi i thiệu 12

3.2 Mô hình hệ th ng 13

3.3 M t s uăkhuy tăđiểm chính của kỹ thu t OFDM 18

3.3.1 uăđiểm 18

3.3.2 Khuy tăđiểm 18

3.4 K t lu n 19

CH NG 4 H TH NG NHI U ANTEN MIMO 20

4.1 Gi i thiệu 20

4.2 Các kỹ thu t Phân t p 20

4.3 Mô hình hệ th ng MIMO 22

4.4 Dungăl ng hệ th ng 23

4.5 K t lu n 25

CH NG 5 MÃ HÓA TRONG H TH NG MIMO-OFDM 26

5.1 Gi i thiệu [3] 26

5.2 Mã kh i không gian th i gian (STBC) 26

5.2.1 M t s tiêu chuẩn về mã kh i không gian-th i gian 27

5.2.2 S ăđ Alamouti 28

5.3 Gi i mã STBC 29

5.4 Mã Kh i không gian ậth i gian trực giao (OSTBC) 32

5.4.1 M t s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu thực 32

5.4.2 M t s mã OSTBC cho chòm sao tín hiệu phức 34

5.5 Mã không gian-t n s SFC 35

5.5.1 Gi i thiệu 35

5.5.2 Thi t k mã SF t căđ 1 (SF-rate 1) [13],[15],[16] 36

5.6 MÃ KHÔNG GIAN-TH I GIAN-T N S STFC [14],[16] 37

5.6.1 Gi i thiệu 38

5.6.2 Thi t k mã STF t căđ 1 (STF-rate ) 38

5.7 K t lu n 39

CH NG 6 S Đ H TH NG STBC-MIMO-OFDM 41

6.1 Mô hình hệ th ng MIMO mã hóa STBC 41

6.1.1 Hệ th ng hai Anten phát, m t anten thu 41

6.1.2 Hệ th ng hai Anten phát, hai anten thu 43

6.2 Hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC 44

6.2.1 Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM 44

6.2.2 Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC 47

6.2.3 Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa SFC 54

6.2.4 Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STFC 55

CH NG 7 K T QU MÔ PH NG TRÊN MATLAB 58

7.1 S đ mô ph ng 54

7.2 Các k t qu mô ph ngădungăl ng 54

7.3 Các k t qu mô ph ng hệ th ng SISO, SIMO, MISO, MIMO 57

7.4 Mô ph ng hệ th ng MIMO-OFDM 62

7.5 Mô ph ng hệ th ng MIMO mã hóa STBC 68

7.6 Mô ph ng hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC 74

7.7 Mô ph ng hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa SF 76

7.7.1 SF-rate 1 76

7.7.2 SF-rate N 81

7.8 Mô ph ng hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STF 83

7.8.1 STF-rate1 91

7.8.2 STF-rate N 91

7.8.3 Mô ph ng hệ th ng MIMO mã hóa v i mã hóa STBC, SFC-rate1&2 và

STFC-rate 1&2 92

Ch ng 8 K T LU N VÀ KI N NGH 93

8.1 K t lu n 103

8.2 Các ki n nghị 104

TÀI LI U THAM KH O 105

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tr ng

CSI Channel State Information Thông tin tr ng thái kênh truyền

DFT Discrete Fourier Transform Bi năđổi Fourier r i r c

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình s

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Bi năđổi ng c fourier r i r c

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Bi năđổiăng c fourier nhanh

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

MISO Multiple Input Single Output Nhiều ngõ vào m t ngõ ra

MMSE Minimum Mean Square Error L iăbìnhăph ngătrungăbìnhănh nh t

MRC Maximum Ratio combination K t h p tỉ s cựcăđ i

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo t n s trực giao

PDF Probability Density Function Hàm m tăđ xác su t

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều ch pha vuông

SIMO Single Input Multiple Output M t ngõ vào nhiều ngõ ra

SISO Single Input Single Output M t ngõ vào m t ngõ ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ s tín hiệu trên nhiễu

STBC Space-Time Block Code Mã kh i không gian-th i gian

STFC Space-Time-Frequency Code Mã kh i không gian-th i gian-t n s

STTC Space-Time Trellis Code Mã xo n không gian-th i gian

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Mô hình kênh truyềnăđaăđ ng[18] 7

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler 7

Hình 3.1: S ăđ kh i hệ th ngăOFDMăc ăb n 13

Hình 3.2: Khái niệm CP 15

Hình 4.1: S ăđ nguyên lý của hệ th ng MIMO [17] 23

Hình 4.2: Mô hình kênh SISO, SIMO, MISO, MIMO 24

Hình 5.1: Ma tr n mã STBC 27

Hình 5.2:ăS ăđ kh i mã hóa ST Alamouti 28

Hình 5.3: B thuăchoăs ăđ Alamouti 29

Hình 5.4: Mã hóa SF-rate 1[16] 36

Hình 5.5: C ăch truyền mã STF 38

Hình 5.6: Mã hóa STF-rate N 38

Hình 6.1: S ăđ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu[19] 42

Hình 6.2: S ăđ mã STBC v i hai anten phát và hai anten thu [19] 43

Hình 6.3: Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM 45

Hình 6.4: Mô hình hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC 48

Hình 6.4: Mô hình MIMO-OFDM- Alamouti tiêu biểu 53

Hình 7.1: S ăđ mô ph ng hệ th ng MIMO-OFDM 59

Hình 7.2: Mô ph ngădungăl ng hệ th ng 60

Hình 7.3: Mô ph ngădungăl ng Ergodic 60

Hình 7.4: SER của các hệ th ng SISO, SIMO, MISO, MIMO 63

Hình 7.5: SER của các hệ th ngăSISO,ăMISOă(thayăđổi s anten phát) 64

Hình 7.6: SER của các hệ th ngăMISO,ăMIMOă(thayăđổi s anten thu) 64

Hình 7.7: SER của các hệ th ng có cùng mức phân t p (không mã hóa) 65

Hình 7.8: SER của hệ th ng MIMO-OFDMăthayăđổi s anten phát 67

Hình 7.10: MIMO-OFDM ậ SERăkhiăthayăđổi L 69

69

Hình 7.11: MIMO-OFDM ậ SER cung mức phân t p (không mã hóa) 69

Hình 7.12: SER của hệ th ng MIMO-STBCătĕngăs anten phát 71

Hình 7.13: SER của hệ th ng MIMO-STBCăkhiăthayăđổi s anten thu 72

Hình 7.14: SER của hệ th ng MIMO-OFDM v i MIMO-STBC-G2 73

Hình 7.15 : SER của hệ th ng MIMO-OFDM v i MIMO-STBC-G4 73

Hình 7.16a: BER của hệ th ng MIMO-OFDM-STBC phân t p phát 75

Hình 7.16b: BER của hệ th ng MIMO-OFDM-STBC phân t p thu 75

Hình 7.17: BER của hệ th ng MIMO-OFDM, MIMO-STBC, 76

MIMO -OFDM-STBC 76

Hình 7.18: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten phát 79

Hình 7.19: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 79

Hình 7.20: MIMO-OFDM-SF-rate1 ậtĕngăđ ng phân t p 80

Hình 7.21: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ SERăkhiătĕngăs anten thu 82

Hình 7.22: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ Phân t p t n s 83

Hình 7.23: MIMO-OFDM-SF-rate2 ậ cùng mức phân t p 83

Hình 7.24: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân t p phát 85

Hình 7.25: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân t p thu 86

Hình 7.26: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân t p th i gian 86

Hình 7.27: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậ SER phân t p t n s 87

Hình 7.28: MIMO-OFDM-STF-rate1 ậcùng mức phân t p 87

Hình 7.29: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân t p thu 89

Hình 7.30: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân t p th i gian 89

Hình 7.31: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER phân t p t n s 90

Hình 7.32: MIMO-OFDM-STF-rate2 ậ SER cùng mức phân t p 90

Hình 7.33: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 1 91

Hình 7.34: MIMO-mã hóa STBC, SF và STF-rate 2 92

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

B ng 5.1: Các giá trị của T theo tiêu chuẩn thi t k toàn t c [10] 33

B ng 7.1: Các thông s mô ph ng hệ th ng SIMO, MISO, MIMO 59

B ng 7.2: Soăsánhădungăl ng của các hệ th ng MIMO 61

B ng 7.4: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO 62

B ng 7.5: So sánh BER gi a hệ th ng anten SISO và MIMO 63

B ng 7.6: So sánh hệ th ng MIMO phân t p thu t i SER= 3 10 dB 65

B ng 7.7: So sánh hệ th ng MIMO cùng mức phân t p t i SER= 3 10 dB 66

B ng 7.9: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM phân t p thu t i BER=10  33dB 68

B ng 7.10: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM cùng mức phân t p t i BER=10  3dB 70 B ng 7.12: So hệ th ng MIMO-STBC phân t p phát t i BER=10  3dB 71

B ng 7.13: So sánh hệ th ng MIMO-STBC phân t p thu t i BER=10  3dB 72

B ng 7.14: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM v i MIMO-STBC(G2) 74

t i BER=10  3dB 74

B ng 7.15: So hệ th ng MIMO-OFDM v i MIMO-STBC(G4) 74

t i BER=103 dB 74

B ng 7.16: So hệ th ng MIMO-OFDM mã hóa STBC t i BER= 3 10 dB 76

B ng 7.17: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM, MIMO-STBC và MIMO-OFDM mã hóa STBC t i BER=10  3dB 77

B ng 7.18: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_OFDM-SFC t căđ 1 78

B ng 7.19: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM -SFC BER= 3 10 dB 80

B ng 7.20: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM -SFC BER=10  3dB 80

B ng 7.21: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_OFDM-SFC t căđ N 81

B ng 7.22: So sánh hệ th ng MIMO-OFDM -SFC BER=103dB 82

B ng 7.24: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_OFDM-SFC t căđ 1 84

B ng 7.25: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO_OFDM-SFC t căđ N 88

B ng 7.26: Các thông s mô ph ng hệ th ng MIMO mã hóa STBC, SFC, STF 91

ph ngătiện trênăInternet,ăđiện tho iădiăđ ng hiện đƣăcó mặt kh p mọiăn i,ănhuă

c u về truyềnăthôngăăđaăph ngătiện di đ ng đƣăvƠăđangăphátătriển r m r ,ăđòiăh i yêu c u về bĕngăthôngăcǜngănh dungăl ng ngày càng tr nên c păbáchăh năbaoă

gi h t Việc nghiên cứu để tìmăraăcácăph ngăphápăm i, các thi t bị m i đƣăvƠăđangădiễn ra kh păn iătrênătoƠnăth gi i nhằmăchoăraăđ i các s n phẩm th hệ k ti p

ch tăl ngăh n,ăphùăh păh n, và tin c yăh n nhằm th a mãn nhu c u vô t n của con

ng i c về ch tăl ng l n đaăd ng dịch v m ng

Các hệ th ngăthôngătinăkhôngădơyăluônăđ c nghiên cứu nhằm c i thiện ch t

l ngădungăl ngăcǜngănh ăkh nĕngăch ng l i hiệnăt ngăđaăđ ng.ăĐ i v i các

hệ th ng thông tin truyền th ng ch tăl ng tín hiệu có thể c i thiện bằngăcáchătĕngăcông su t phát; t ngătự dung l ng kênh truyền cǜng có thể tĕngăkhiătĕngăbĕngăthông Tuy nhiên công su tăcǜngăchỉ có thể tĕngăt i m t mức gi i h nănƠoăđóăvìăcông su tăphátăcƠngătĕngăthìăhệ th ng càng gây nhiễu cho các hệ th ng thông tin xungăquanh,ăbĕngăthôngă của hệ th ngăcǜngăkhôngăthể tĕngă mƣiălên đ c vì việc phân b bĕngăthôngăđƣăđ căđịnh chuẩn sẵn Các kỹ thu t phân t păđ c s d ng

r ng rãi nhằm gi m nhă h ng củaă fadingă đaă đ ng và c i thiệnă đ tin c y của truyền d n mà không ph iătĕngăcôngăsu t phát hoặc m r ngăbĕngăthông [2][11]

V i sự bùng nổ của công nghệ kỹ thu tănh ăkỹ thu t x lý s tín hiệu (DSP), đặc biệt là công nghệ VLSI, kỹ thu t ghép kênh phân chia theo t n s trực giao (OFDM)ăđƣăvƠăđangăđ c quan tâm nhiềuăh n,ăứng d ng nhiềuăh nătrongăviệc c i

thiện hiệu qu bĕngăthôngăchoăhệ th ng vô tuy n bĕngăhẹp (narrowband), kênh fading là kênh fading phẳngă (flată fading),ă ph ngă phápă mƣă hóaă khôngă gian-th i giană(ST)ăđƣăđ căđề xu tăđể khai thác phân t p không gian và th i gian [8] Còn bĕngă thôngă r ng ( broadband), kênh fading là kênh lựa chọn t n s (selection frequency fading) Kỹ thu t ghép kênh phân chia t n s trực giao (OFDM) chuyển cácăkênhăfadingăđaăđ ng lựa chọn t n s thành các kênh fading phẳng song song,

vì v y nó có thể làm gi m nhăh ng của fading V i m t kho ng b o vệ đủ l n, kỹ thu t OFDM còn lo i b đ c hiệu ứng ISI Ngoài ra việc s d ng kỹ thu t OFDM còn gi măđ phức t p của b cân bằng vƠătĕngăhiệu qu s d ng phổ [2]

Bài báo nĕmă1996ăvƠă1999,ăcác tác gi Foschini và Telatar [20], [22] đƣăchứng minh rằng hệ th ng thông tin có nhiều anten (MIMO-Multiple-Input Multiple-Output) cóădungăl ngăcaoăh nănhiều so v i các hệ th ng chỉ có m t anten (SISO) BƠiăbáoăđƣă chỉ ra rằng việc c i thiệnădungăl ng g nănh ă tĕngătuy n tính v i s

l ng anten phát hoặc anten thu K t qu này cho th yătínhă uăviệt của hệ th ng nhiều anten và ngày càng có nhiều sự quanătơmăđặc biệtătrongălĩnhăvực này, nhiều công trình nghiên cứu đƣăđ c thực hiện nhằm c i ti n cǜngănh ăkháiăquátăhóaăcác

k t qu của họ

Bài báo của các tác gi V.Tarokh,ăN.Seshadri,ăandăA.ăR.ăCalderbankă(1998),ăđƣă

s d ng mã không gian-th i gian (Space-time codes) cho các hệ th ng vô tuy n t c

đ cao [4] K t qu là các symbols đƣăđ c mã hóa và đ c truyềnăđ ng th i trên

t t c các anten, sauăđó đ c gi i mã bằng gi i thu t phát hiện t ngăđ ng t iăđa (ML - maximum likelihood decoder) Cách làm này r t hiệu qu vì nó k t h p gi a

việc s a l i v i phân t păđ ng truyền để tĕngădungăl ng hệ th ng

Cǜngătrong nĕmă1998,ăbài báo của tác gi Alamouti [5] đƣăđề c mã kh i không gian-th i gian (STBC)ăđ năgi n h n, h p d n h nănh có đ phức t p mã th p, cho

đ phân t păđ y và toàn t c thích h păchoămôiătr ng fading ch m STBC có thể tĕngădungăl ng bằngăcáchăkhaiăthácăđ phân t păkhôngăgian.ăĐiềuănƠyăđặc biệt h u íchătrongătr ng h p tr i phổ (delay spread) th p (ít bị phân tán t n s ) V i việc dùng nhiềuăh năm t anten phát hay thu, hình thành m t kênh nhiềuăđ u vào nhiều

đ u ra (MIMO),ătaăcóăđ căcácăph ngăphápăphơnăt p, ví d nh ăphơnăt p không gian, phân t p th i gian hay phân t p t n s ĐơyălƠăm t trong nh ngăđ t phá quan

trọng nh t trong kỹ thu t truyền thông hiệnăđ i

M t đặcăđiểm cực kỳ quan trọng của hệ th ng nhiều anten MIMOăđó là kh nĕngăbi n nhăh ng của truyền d n đaăđ ng, theo truyền th ngătr căđơyăđ c coi là m tăđiểm b t l i cho các kênh truyền vô tuy n, thành m t l iăđiểm Việcătĕngătính phân t p MIMO s giúp gi m xác su t sai vƠă tĕngă kh nĕngă s d ng kênh truyền [3]

Bài báo nĕmă2011ăcủa các tác gi Muhammad Sana Ullah, Mohammed Jashim Uddin đƣăphân tích ch tăl ng hệ th ng MIMO dựaătrênăs ăđ mã hóa của Alamouti vƠăph ngăphápăk t h p tỉ s cựcăđ i (MRC) K t qu mô ph ngăđƣăđ tăđ c v i tỉ

s BER r t t t, ngay c khi SNR th p [11]

Từ nh ngă uăđiểm nổi b t của hệ th ng MIMO và kỹ thu t OFDM, việc k t

h p hệ th ng MIMO và kỹ thu t OFDM hiệnăđangălà m t gi i pháp đ y hứa hẹn và đƣăđ c ch p nh nănh ălƠăs ăđ truyền d n cho các hệ th ngăkhôngădơyăbĕngăthôngă

r ngătrongăt ngălai Hiện t i MIMO-OFDMăđangăđ c ứng d ng trong WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 [2],[3]

T i h i nghị khoa họcăIEEEănĕmă2011, các tác gi ZHANG jie, LIU liang, LI jin [1] đƣănghiên cứu và đ aăraăcác k t qu cho th y rằngăcácăs ăđ mã Alamouti (STBC) k t h p v i hệ th ng MIMO-OFDM chính là m t sự k t h p hoàn h o cho việc c i thiện nhằmătĕngădungăl ngăkênhăđ ng th i gi m tỉ s BER m tăcáchăđángă

kể

1.2 ụ nghƿa khoa h c của đ tài

Hệ th ng MIMO có thể tĕngădungăl ng kênh truyền, s d ngăbĕngăthôngăr t

hiệu qu nh ghép kênh không gian (V-BLAST), c i thiện ch tăl ng của hệ th ng đángăkể nh vào phân t p t i phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không c n tĕngăcôngăsu tăphátăcǜngănh ătĕngăbĕngăthôngăcủa hệ th ng Điều này làm th a mãn các yêu c u bức thi t về dịch v đangăđ c phát triển phổ bi n hiệnănayănh : m ng truy c p Internet, ADSL, th ngăm iăđiện t , e-mail, video theo yêu c uăầ

V i nh ngă uăđiểm nổi b t của mình, hiện nay OFDMăđƣăđ c ứng d ng r ng rãi c trong vô tuy n và h u tuy n nh : trong phát thanh s DAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình s DVB (Digital Video Broadcasting), M ng ADSL,

m ng c c b ch tă l ng cao HIPERLAN (High Performance Local Area Networks), m ng c c b vô tuy n WLAN (Wireless Local Area Network) theo chuẩnă802.11.aăầ[2],[3]

Ngoài việc c i ti n t căđ d liệu, hệ th ng OFDM/MIMO cung c p c hai phân

t p không gian và t n s ăĐể khai thác nh ng l i th này, m t lo t các mã STBC (SpaceăTimeăBlockăCode),ăSTF/SFă(SpaceăTimeăFrequency/SpaceăFrequency)ăđ c

đề xu t [13 ậ 20] Cácă uăđiểm của hệ th ngăMIMOăvƠăđiều ch OFDMăđƣăđ c k t

h p l iăchoăraăđ i hệ th ng MIMO-OFDM Việc k t h p hệ th ng MIMO và kỹ thu t OFDM là m t gi i pháp hứa hẹn cho các th hệ thôngătinăkhôngădơyă bĕngă

r ngătrongăt ngălai.ăHiện t i, hệ th ng MIMO-OFDMăđƣăđ c chọn làm nền t ng cho sự phát triển hệ th ngăthôngătinădiăđ ng th hệ thứ t ă- 4G[3]

Nghiên cứu cácă ph ngă phápă mƣă hóaă trongă hệ th ng MIMO-OFDMă để đ t

đ c đ l i phân t p t iăđaănhằm t iă uăhóa ch tăl ng hệ th ng thông tin vô tuy n trongămôiătr ng fading chọn lọc t n s là v năđề h t sức c n thi t Chính vì l đóătôi quy tăđịnh chọnăđề tƠiăắ đánhăgiáăch tăl ng mã STBC cho hệ th ng MIMO-OFDMă”

thị tỷ s l i ký tự (Symbol Error Rate-SER)ăt ng ứng v i các mức công su t tín

hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio-SNR) khác nhau

1.4 Nhi m v c ủa đ tài và gi i h n đ tài

Đề tài t p trung nghiên cứu về mã kh i không gian-th i gian (STBC), về các hệ

th ng k t h p MIMO-OFDM và hệ th ng k t h p MIMO-OFDM dựa trênăc ăs mã hóa STBC

- T p trung mô ph ng, phân tích và so sánh các k t qu đ tăđ c về dungăl ng

và SER trong từngătr ng h păđể lƠmăc ăs cho việcăđánhăgiá

- Các tr ng h p mô ph ng đƣăđ c gi i h n trong ph m vi thông tin về tr ng thái kênh truyền (channelăstateăinformation:ăCSI)ăđ c bi tătr c, trong môiătr ng truyền gi tĩnhă(quasi-static) và chịuătácăđ ng b i fading Rayleigh

- Tuy nhiên trong quá trình thực hiện, tôi đƣăm r ng, nghiên cứu thêm các lo i

mã không gian-t n s (SFC) và mã không gian-th i gian-t n s (STFC)ăđể có thêm nhiều d liệu so sánh Từ c ăs lý thuy t và các k t qu mô ph ngăđ tăđ c cho

th y nh ngă uăkhuy tăđiểm củaămƣăSTBCăcǜngănh ăkh nĕngăứng d ng của các lo i

mã hóa trong hệ th ng MIMO-OFDM

N i dung lu năvĕnăg măcóă08ăch ng nh ăsau:

- Ch ngă1:ăGi i thiệu tổng quan

- Ch ngă2:ăKênh truyền vô tuy n

- Ch ngă3: Kỹ thu tăđiều ch đaăsóngămangătrực giao OFDM

- Ch ngă4: Hệ th ng nhiều Anten MIMO

- Ch ngă5: Mã hóa trong hệ th ng MIMO-OFDM

- Ch ngă6: S ăđ hệ th ng STBC/SFC/STFC-MIMO-OFDM

- Ch ngă7: Các k t qu mô ph ng trên Matlab

- Ch ngă8: K t lu năvƠăh ng nghiên cứu

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

Dựa trên bài báo IEEE, các t p chí khoa học, các lu năvĕn, công trình nghiên

cứu khoa học về lĩnhăvực có liên quan của các tác gi trongăvƠăngoƠiăn c Từ đóătổng h p, phân tích lý thuy t và mô ph ng k t qu tính toán bằng ph n mềm Matlab

Ch ng 2 KÊNH TRUY N VÔ TUY N

2.1 Khái ni m kênh vô tuy n [3][10]

Khi truyền trên kênh vô tuy nădiăđ ng, ngoài các nhăh ng b i suy hao, can nhiễu, tín hiệu nh n còn chịu nhăh ng b i các hiệnăt ng ph n x , khúc x , nhiễu

x , tán x , hiệu ứng dịch Doplerầ, các hiệnă t ng này đ c gọi chung là hiện

t ng fading K t qu là máyăthu,ătaăthuăđ c r t nhiều phiên b n khác nhau của tín hiệu Các phiên b năthuăđ c này cǜngăs r t khác nhau c về biênăđ và về pha

so v i tín hiệu banăđ u.ăĐiều này đƣălàm nhăh ngăđángăkể đ n ch tăl ng kênh truyền Có 02 lo i fadingăc ăb năđóălƠăfadingăsuyăgi m diện r ng (Large-Scale Path Loss) và fading suy gi m diện hẹp (Small-Scale Fading and Multipath)

2.2 Fading suy gi m di n r ng [2][10]

Là s ̣ăsuyăgiảmăcôngăsuơtătrungăbốnhăcủaătốnăhiê ̣uăkhiătruyê năt ămayă phátăđ nămáyăthu doăhiê ̣năt ̣ngăcheăchĕn, h p th vƠăsuyăhao doăanten,ầ

Trong không gian tự do, sóng luônăđ c lan truyền ra theo d ng hình c u và do

đó m tăđ công su t s gi m tỷ lệ v i diện tích bề mặt của hình c u này Công su t

t i phía thu trong không gian tự do đ c cho b iăph ngătrìnhăFriis:

2 t

t t

λ G G P

t i nh ng th iăđiểm trễ khác nhau Ta xét các y u t nhăh ngăđ n fading diện hẹp sau :

2.3.1 Hi n t ng đa đ ng (multipath)

Hình 2.1: Mô hình kênh truyềnăđaăđ ng

K t qu của phân t păđaăđ ng là t iăđ u thu s thuăđ c r t nhiều phiên b n khác nhau c về biênăđ vƠăđ lệch pha so v i tín hiệuăphátăbanăđ u

Fading có thể lƠă uăđiểm khi các tín hiệuăđaăđ ng cùng pha v iănhauălƠmătĕngă

c ngăđ tín hiệu bên thu, và cǜngăcóăthể gây ra triệt tiêu các tín hiệuăđaăđ ng khi chúng ng c pha v i nhau gây ra hiệnăt ng fading sâu (deep fading)

2.3.2 Hi u ng d ch Doppler

Hình 2.2: Hiệu ứng dịch Doppler

C A D

B

Receiver Transmitter

Trực ti p Nhiễu x

Ph n x

Tán x

Thu sóng Phát sóng

Khi ngu n tín hiệu và bên thu chuyểnăđ ngăt ngăđ i v i nhau, t n s tín hiệu thu không gi ng bên phía phát Khi chúng di chuyển cùng chiềuă(h ng về nhau) thì t n s nh năđ c l năh năt n s tín hiệuăphát,ăvƠăng c l i khi chúng di chuyển

ra xa nhau thì t n s tín hiệuăthuăđ c là gi m xu ng.ăĐơyăgọi là hiệu ứng Doppler

f v

Do nhăh ng của các v t c n tr trênăđ ng truyền, ví d nh ăcácătoƠănhƠăcaoă

t ng, đ i, núi,ầălƠmăchoăbiênăđ tín hiệu bị suy gi m

2.3.4 Phân lo i Fading di n h ẹp

Dựa vào nhăh ng của hiệu ứng phân t păđaăđ ngăng i ta phân thành 02

lo iăkênhăfadingănh ăsau:

- Fading phẳng (flat fading): Khiăbĕngăthôngăcủa tín hiệu nh h năbĕngăthôngă

k t h p, t t c các thành ph n t n s đều bị suy gi m cùng mức fading, ta có fading phẳng hay còn gọi là fading không chọn lọc t n s (frequency nonselective fading)

- Fading chọn lọc t n s (frequency selective fading):ăNg c l i,ăkhiăbĕngăthôngătín hiệu l năh năbĕngăthôngăk t h p, các thành ph n t n s có phổ l năh năbĕngă

thông k t h p bị fading m tăcáchăđ c l p, d năđ n hiệnăt ng làm méo tín hiệu, làm

xu t hiện nhiễu xuyên ký tự (ISI - Inter Symbol Interference)

Dựa trên dịch Doppler, Fading của kênh truyềnăđ c chia làm 2 lo i là fading

ch m và fading nhanh

- Fading nhanh: N u kho ng tín hiệu l nă h nă th i gian k t h p Tc thì kênh

truyềnănƠyăt ngăđ ngăv i kênh truyềnăfadingănhanh.ăNóiăkhácăđiălƠăbiênăđ ,pha ,

th i gian tr i trễ thayăđổiănhanhăh năt căđ thayăđổi của tín hiệu phát

- Fading ch m: Ng c l i, n u kho ng tín hiệu nh h năkho ng Tc thì toàn b

tín hiệu bị tácăđ ng b i kênh truyềnăđ căxemănh ălƠăkênhătruyền fading ch m

2.4 Các mô hình kênh fading

Kênh truyền fading Rayleigh hoặc Rician là mô hình h u d ng để mô t các

hiệnă t ng thực trong thông tin vô tuy n (wireless communications) Các hiện

t ng này bao g m hiệu ứng tán x đaă đ ng, sự phân tán th i gian, hiệu ứng

Doppler v.v gây ra do sự dịch chuyểnăt ngăđ i gi a máy phát và máy thu

2.4.1 Mô hình kênh fading Rayleigh

Trênăđ ng d n chính từ máyăphátăđ n máy thu, các phiên b n khác nhau của

tín hiệu (do trễ về mặt th i gian) s t p h p máy thu Các tín hiệuăphátăđi ph n x

trên các v tă ch ng ng iă khácă nhauă trênă đ ng truyền s đ n máy thu theo các

đ ng khác nhau T t c các tín hiệuănóiătrênăđ c k t h p l i t i máy thu gây ra

hiệu ứngă đaă đ ng.ă Thôngă th ngă quáă trìnhă fadingă đ că đặcă tr ngă b i phân b

rayleigh n uă đ ng truyền khôngă cóă đ ng truyền thẳng (NLOS ậ Non Line of

r

σpdf r

Hiệnămôăhìnhăđƣăđ c áp d ng trong các chuẩn IEEE802.16a, IEEE-2004,

IEEE 802.16e-2005

2.4.2 Mô hình kênh fading Ricean

Khi t n t i đ ng truyền thẳng từ máyă phátă đ n máy thu, lúc đó tín hiệu từ

đ ng truyền thẳng (LOS) s chi mă uăth so v iăcácăđ ng tán x đ c l p th ng

kê khác T ngătự hàm m tăđ xác su t củaăbiênăđ hàm truyềnăđ căxácăđịnhănh ă

Fading lựa chọn t n s đ c mô hình b i nhiễu liên ký tự (ISI),ătrongătr ng

h p này, m i quan hệ gi a ngõ ra và vào là:

J 1 j

V i: αj là phân b Gaussian phứcăđ c l păvƠăη(t)ălƠănhiễu Trong mô hình fading

Rayleigh, chúng là các bi n chuẩn ng u nhiên Gaussian phức M tătr ng h păđặc

2.5 K t lu n

Cácăđặcătr ngăcủa kênh truyền vô tuy n,ăcǜngănh ămôăhìnhăcácăkênhătruyềnăđƣă

đ c nghiên cứu Từ đóăhiểu rõ b n ch t của việc truyền tín hiệu nhằm giúp ích cho

việc mô ph ng sau này

Trongăch ngăti p theo, s trình bày các v năđề kỹ thu t trong OFDM, mô hình tín hiệu và hệ th ng của nó

Ch ng 3

TR C GIAO OFDM

3.1 Gi i thi u[2], [3]

Chúng ta đƣăbi t cácă kênhăfadingăđaăđ ng làm suy gi m ch tăl ng của tín

hiệu s đ ng th i làm gi m t căđ truyền d n Mặc dù các kỹ thu t cân bằngănh :ăTuy n tính, phi tuy n,ăvƠă căl ng chu i dựa trên các b cân bằng làm gi m nh

h ng của nhiễu ISI, các c i ti nănƠyăđ tăđ c v iăđ phức t p cao M t sự thay th

hiệu qu cho các b cân bằngăđể gi i quy t v năđề nhiễuăISIăđóăchínhălƠăkỹ thu t ghépăkênhăđaăsóngămang trực giao OFDM (bằng cách chèn thêm các kho ng b o vệ CP)

Để s d ng hiệu qu bĕngăt n, các sóng mang điều ch đ c đặt càng g n nhau càng t tănh ngăkhôngăđ c gây ra b t kỳ nhiễuăICIănƠoăđ ng th i ph i có kh nĕngămang nhiều bit thông tin M t cách t iă u,ăbĕngăthôngăcủa m i sóng mang s nằm

liền kề nhau,ădoăđóăs không có sự lƣngăphíăbĕngăthông Trong thực t , m t kho ng

b o vệ ph iăđ căđặt gi a các sóng mang nên r tăphí.ăĐể truyền d liệu t căđ cao thì chu kỳ symbol ng n, do:

sym

1

R =

R là t căđ truyền, Tsym là chu kỳ symbol

Tuyănhiên,ătrongămôiătr ngăđaăđ ng, T sym ng n d năđ nătĕngăISI,ăvƠădoăđóăs

gi m hiệu su t OFDM gi i quy t 2 v năđề này v i kỹ thu t ghép kênhăvƠăđiều ch

đ căđáoăcủa nó OFDM chia dòng d liệu t căđ cao sang dòng d liệu song song

t căđ th păh năvƠădoăđóăkéoădƠiăchuăkỳ symbol giúp lo i b ISI.ăNóăcǜngăchoăphépăbĕngăthôngăcủa các sóng mang con ch ng lên nhau mà không có ICI bằngăcáchăđiều

ch trựcăgiaoăcácăsóngămangăcon.ăDoăđó,ăOFDMăđ căxemănh ălƠăm t kỹ thu tăđiều

ch cho truy c păbĕngăthôngăr ng trong m tămôiătr ng phân tán

3.2 Mô hình h th ng[2], [3]

Hình 3.1:ăS ăđ kh i hệ th ngăOFDMăc ăb n Trong s ăđ Hình 3.1: chu i bităvƠoăđ uătiênăđ c nhóm l i thành các kh i kích

th c log2(M), đ c điều ch bĕngăt năc ăs M-QAM hoặc QPSK t o ra các tín

hiệuăđaămức X Thông qua b chuyểnăđổi n i ti p ra song song S/P, d liệuăđ u vào

đ c chia thành NFFT symbol song song X[0], X[1],ăầ.,ăX[N-1] v i t căđ d liệu

gi mă điă NFFT l n M i symbol s đ c phát trên m tă sóngă mangă conă t ngă ứng

đ c lựa chọn sao cho chúng trực giao v iănhau.ăĐể phát s(t), các thành ph n t n s (N symbol) s đ c chuyểnăđổi sang miền th i gian nh phép bi n đổiăng c IDFT

K t qu thuăđ c là chu i x[m]= x[0],ầ.x[N-1],ăđ c biểu diễnănh ăsau:

Trong tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004,ă điều ch d liệuă đ c lựa chọn là QAM,ătrongăđóăMălƠăs symbol trong b năđ chòm sao Giá trị tiêu biểu cho M là

M-16, 64, và 256, tùy thu c vào t căđ d liệu c n thi tăvƠăcácăđiều kiện kênh M t

kh i g m Nc symbol d liệu phức    N -1 c

k=0

X k đ c nhóm l i và chuyểnăđổi thành songăsongăđể t oăthƠnhăđ u vào cho b điều ch OFDM.ăĐể trìnhăbƠyăđ năgi n và

dễ hiểu, chúng ta s d ng ma tr năđể mô t mô hình toán học.ăĐặt X m là symbol OFDM thứ m trong miền t n s :

c

2 2

c c

c c

2

- j N N

x mNx(mN +1)

Để ch ng l i tr i trễ do hiệnăt ng đaăđ ng trong các kênh vô tuy n, các m u

miền th i gian x m đ c m r ng tu n hoàn bằng cách sao chép Ng m u cu i cùngăvƠădánăvƠoăphíaătr cănh ătrongăhình 3.2

Hình 3.2: Khái niệm CP Đặt u m lƠăsymbolăOFDMăđ c m r ng tu n hoàn

N ×1 tot tot

M t trong nh ng thách thứcăđ i v i các kênh vô tuy n đóălà luôn bị nhăh ng

b i hiệnăt ng đaăđ ng N u tr i trễ đaăđ ng t ngăđ i l n so v i chu kỳ symbol thì b n sao củaăsymbolătr c s ch ng l p lên symbol hiện t i t o ra nhiễu liên ký tự ISI.ăĐể lo i b nhiễu ISI này, ng iătaăđƣăc ng thêm m t kho ng b o vệ CP vào cho

m i symbol OFDM Đ dài của CP, Ng ph iăđ c chọnădƠiăh nătr i trễ thực t L,

tức là Ng ≥ăL Kho ng b o vệ CP còn có m t nhiệm v cực kỳ quan trọng khác n a đóălƠ duy trì tính trực giao gi aăcácăsóngă mangăconăđể không x y ra hiệnăt ng nhiễu liên kênh ICI Do symbolăOFDMăđ c m r ng chu kỳ vƠăđiềuănƠyăđ m b o các b n sao trễ của symbol OFDM luôn luôn là s nguyên l n của chu kỳ trong kho ng th i gian FFT, miễn là sự trì hoãn nh h năkho ng b o vệ CP Trong tiêu chuẩn IEEE 802.11a, Ng ít nh t là 16

Trong lu năvĕnănƠy, mô hình kênh vô tuy năđ c chọn là kênh fading Rayleigh lựa chọn t n s g nătĩnh Kênh g nănh ăkhông thay đổi trong su t kho ng truyền m t symbol OFDM Do v y kênh truyềnăđaăđ ng có thể đ cămôăhìnhăt ngăđ ngă

m t b lọc FIR b c (L ậ 1) v i các hệ s b lọc là {h0, h1,ăầ,ăhl,ăầ,ăhL ậ 1}.ăĐặt

m

h là vect ăCIR (Đápăứng xung của kênh):

0,m 1,m m

L-2,m L-1,m L×1

hh

=hh

Ta có hmchiều dài L, u m chiều dài Nc + Ng, d nă đ n r m có chiều dài M=(N + Ng) + L ậ 1 = Ntot + L - 1

Ta th y L-1 m uăđ u tiên của r m có sự hiện diện của symbolăăOFDMătr c

và L ậ 1 m u cu i cùng bị phân tán vào symbol OFDM ti p theo nên ta có thể b qua

Để lo i b ISI, ta chuyểnăđổi vect r m (Ntot xă1)ăsangăvect y m (Ncx1)

bằng cách c t Ng m uăđ u tiên có thể bị nhăh ng b i y u t ISI.ăĐể lo i b hoàn toàn ISI, Ng ≥ăLăph iăđ c th a.ăĐơyălƠăm t tác đ ngăđ oăng c của việc m r ng chu kỳ đ c thực hiện máy phát Chuyểnăđổi này đ c thể hiện d ng tích ma

Y mNY(mN +1)

để l y l i thông tin nhị phơnăđ uăvƠo,ăt ngăứng v i việc mã hóa, chèn và ánh x phía máy phát

3.3 M t s u khuy t đi m chính của k thu t OFDM[2], [3]

3.3.1 u đi m

S d ng d i t n r t hiệu qu do cho phép ch ng phổ gi a các sóng mang con

Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳngăbĕngăhẹp, các

hệ th ng OFDM chịuăđựng fading lựa chọn t n s t tăh nănh ng hệ th ngăđ năsóngămang

OFDM lo i trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu gi a các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào m t kho ng th i gian b o vệ CPătr c m i symbol

N u s d ng các biện pháp xen k và mã hóa kênh thích h p thì có thể kh c

ph căđ c hiệnăt ng suy gi m xác su t l i trên symbol do các hiệu ứng chọn lọc

t n s kênh gây ra Quá trình cân bằngăkênhăđ c thực hiệnăđ năgi năh năviệc s

d ng các kỹ thu t cân bằng thích nghi trong hệ th ngăđ năsóngămang

Quá trình thực hiệnăđiều ch và gi iăđiều ch bằng phép bi năđổi FFT làm gi m

đ phức t p của OFDM N u s d ng k t h p v iăđiều ch vi sai thì không c n ph i

thực hiệnăquáătrìnhă căl ng kênh

OFDM ít bị nhăh ng v i kho ng th i gian l y m u (sample timing offsets)

h năsoăv i hệ th ngăđ năsóngămang

OFDM chịuăđựng t t nhiễu xung v i và nhiễu xuyên kênh k t h p

3.3.2 Khuy t đi m

Symbol OFDM bị nhiễuă biênă đ v i m t kho ngă đ ng l n Vì t t c các hệ

th ng thông tin thực t đều bị gi i h n công su t, tỷ s PARR cao là m t b t l i nghiêm trọng của OFDM n u dùng b khu chăđ i công su t ho tăđ ng miền bão hòaăđều khu chăđ i tín hiệu OFDM N u tín hiệu OFDM tỷ s PARR l năh năthìăs gây nên nhiễuăxuyênăđiều ch ăĐiềuănƠyăcǜngăs tĕngăđ phức t p của các b bi n đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ng n (clipping) tín hiệu cǜngăs làm xu t hiện c méo nhiễuă(distortion)ătrongăbĕngăl n bức x ngoƠiăbĕng OFDM nh y v i t n s offset và sự tr t của sóng mang h năcácăhệ th ngăđ năsóng mang V năđề đ ng b t n s trong hệ th ng OFDM phức t păh năhệ th ng

đ năsóngămang.ăT n s offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm gi m ho tăđ ng của các b gi iăđiều ch m t cách tr m trọng Vì v y,ăđ ng b t n s là m t trong nh ng nhiệm v thi t y u c n

ph iăđ t trong b thu OFDM

3.4 K t lu n

Kỹ thu t ghépăkênhăđaăsóngămangătrực giao OFDM là m t trong nh ng kỹ thu t

hiệu qu cho việc truyền tín hiệu trên các kênh fading chọn lọc t n s OFDM chia

m tăkênhăbĕngăr ng (kênh fading chọn lọc t n s )ăthƠnhăcácăkênhăbĕngăhẹp (kênh fading phẳng).ă Điều này h t sứcă cóă ýă nghĩaă trongă việc k t h p v i các hệ th ng MIMO ( hệ th ng chỉ thực sự hiệu qu trongămôiătr ng fading phẳng) s đ c đề

c p ch ngăti p theo

Ch ng 4

H TH NG NHI U ANTEN MIMO

4.1 Gi i thi u[2]

Hệ th ng MIMO (multiple input multiple output) hiệnă đangă đ c quan tâm

r ng rãi trong các hệ th ng thông tin liên l c V iăýăt ng s d ng nhiều anten phát

và nhiều anten thuăđể truyền đ ng th i d liệu, hệ th ngăMIMOăđƣăđ c thi t k

v i m căđíchălàm tĕngădungăl ng kênh truyền, c i thiện tỉ s tín hiệu trên nhiễu SNR t iăđ u thu Gi s việc truyền d nălƠălýăt ng thì dungăl ng tĕngăg nănh ătuy n tính v i s l ng anten

Hiện nay MIMO đƣălà m t ph n quan trọng của các chuẩn thông tin không dây

nh ălƠăIEEEă802.11nă(Wifi),ăLTE,ăWimaxăvƠăHSPA+.ă

uăđiểm của hệ th ng MIMO:

Tĕngăđ phân t p của kênh truyềnăfading,ădoăđóăcóăthể gi m xác su t l i

Tĕngădungăl ng của kênh truyềnădoăđóăcóăthể tĕngăđ c t căđ d liệu

Tuy nhiên chi phí cho thi t bị caoăh nănhiều (do s d ng nhiều anten phát và thu), cùng v i gi i thu t x lý tín hiệu phức t păh n

4.2 Các k thu t Phân t p[3]

Trong thông tin vô tuy n, kỹ thu t phân t păđ c s d ng r ng rãi M căđíchăchính của việc phân t pă lƠă để gi m nhă h ng của hiệnă t ngă fadingă đaă đ ng,

đ ng th iălƠmătĕngăđ tin c y truyền d n mà không c n ph iătĕngăcôngăsu t phát

hoặcăthayăđổiăbĕngăthông.ăKỹ thu t phân t p c n nhiều b n sao của tín hiệu phát t i

n iăthu,ăt t c mang cùng m tăthôngătinănh ngăcóăsự t ngăquanăkhácănhauătrongămôiătr ngăfading.ăụăt ng là n uăn iăthuănh n hai hay nhiều b n sao của tín hiệu

m tăcáchăđ c l p thì nh ng m uănƠyăcǜngăbị suy gi m m tăcáchăđ c l p v i nhau

Do v y, bằng cách k t h p m t cách thích h p các m u khác nhau s d n t i gi m nhăh ng củaăfadingăvƠădoăđóătĕngăđ tin c y của việc phát tín hiệu

Để xácăđịnh kh iăl ng phân t p, chúng ta dùng m i quan hệ gi a SNR đ u thuălƠăγăvƠăxácăsu t l i Pe ,ăđ l i phân t p là :

Có hai v năđề quan trọngăliênăquanăđ n sự phân t p M t là làm sao cung c p

đ c các b n sao của việc truyền tín hiệuăphátăđ n máy thu v i sự tiêu t nănĕngă

l ng,ăbĕngăthôngăth p nh t, mứcăđ phức t p của gi i mã là th p nh t và tiêu hao ngu n tài nguyên khác là th p nh t Hai là làm sao s d ng các b n sao của tín hiệu

đ c phát t iăđ uăthuăđể cóăđ c gi măđ c xác su t l i là cao nh t

Các b n sao của tín hiệuăphátăđ c truyền theo nhiều cách khác nhau Ví d

nh ăchúngătaăcóăthể truyền trong m t khe th i gian khác biệt, m t t n s khác biệt,

m t sự phân cực khác biệt hay m t anten khác biệt M căđíchăcủa việc này là truyền

m t hay hai b n sao của tín hiệu v i m t sự suyăhaoăđ c l p,ăsauăđóăt iăđ u thu v i

quan về fading Kho ng th i gian phân cách gi a các l n phát là ph i l năh n th i gian k t h p (coherence time) của kênh truyền hoặc nghịchăđ o của t căđ fading 1/fd = c/vfc để đ m b o các fading x y ra v i tín hiệu trong kho ng th i gian này s khôngăt ngăquanăv i nhau

4.2.3 S phân t p không gian:

Là sự phân t p anten Sự phân t p không gian s d ng nhiều anten hoặc m ng (array) đ c s p x p trong không gian t i phía phát và/hoặc phía thu Các anten

đ c phân chia nh ng kho ngăcáchăđủ l n sao cho các tín hiệuăkhôngăt ngăquană

v i nhau Trong phân t p không gian, các phiên b n của tín hiệuăphátăđ c truyền

đ năn iăthuăt o nên sự d ăthừa trong miền không gian Ngoài ra, phân t p không gianăcònălƠmătĕngădungăl ng của kênh truyền

Dựa trên s l ngăcácăantenăđ c dùng cho phát hay thu ta phân lo i phân t p không gian thành phân t p phát và phân t p thu Trong phân t p thu, nhiều anten

đ c s d ng máyăthuăđể thu các b năsaoăđ c l p của tín hiệu phát Các b n sao

của tín hiệuăphátăđ c k t h păđể tĕngăSNRăvƠăgi măfadingăđaăđ ng Trong phân

t p phát, nhiềuăantenăđ c triển khai phía phát Trong thực t các hệ th ng thông tin

để đ m b o nhu c u thì hai hoặc nhiềuăs ăđ phân t păth ngăđ c k t h p l i t o

ra phân t p nhiều chiều Hệ th ng MIMO s d ng c phân t p phát và phân t p thu

4.3 Mô hình h th ng MIMO

Trong ph n này chúng ta xét m tăkênhăMIMOăbĕngăhẹp M t hệ th ng thông tinăđiểm-điểmăbĕngăhẹp g m có Nt anten phát và Nr anten thu nh ăđƣăđ c mô t hình 4.1

Hình 4.1: S ăđ nguyên lý của hệ th ng MIMO [17]

Đ i v i hệ th ng nhiều anten g m có Nt anten phát và Nr anten thu Hệ th ng này có thể đ c biểu diễn d i d ng sau:

Theo lý thuy t Shannon,ădungăl ng hệ th ng MIMO đ c c i thiện r t nhiều

so v i SISO Nó ph thu c vào các kịch b năkhácănhau,ănh ăkênhăfading,ăthông tin

về kênh, ch tăl ng kênh truyền, v.v.ăDungăl ng kênh đ i v i các mô hình anten khácănhauăđ căphơnătíchăvƠătrìnhăbƠyăsauăđơy

4.4.1 Dung l ng kênh SISO

Dungăl ng hệ th ng SISO ph thu c vào tỉ s tín hiệu trên nhiễu và đ c xác định theo công thức Shanon:

Trong thực t , các kênh vô tuy năluônăthayăđổi về th i gian và chịu nhăh ng

b i fading ng u nhiên Vì v yădungăl ngăđ c vi t l i nh ăsau:

C = log2(1+SNR 2

đơyăH là ma tr n kênh truyền đƣăđ c chuẩn hóa

4.4.2 Dung l ng kênh MISO và SIMO

Dungăl ng hệ th ng s d ng nhiều anten phát v i m t anten thu (MISO) và

m t anten phát nhiều anten thu (SIMO)ăđ c tổngăquátănh ăsau:

1 1

t

r N N

Trongăch ngănƠyăđƣătrìnhăbƠyăcác kỹ thu t phân t p, mô hình hệ th ngăcǜngă

nh dungăl ng kênh truyền của hệ th ng MIMO

Hệ th ng MIMO là m t trong nh ng ti n b quan trọng nh tăvƠăđ y hứa hẹn trong truyền thông kỹ thu t s Nó cho t căđ truyềnăcaoăh năvƠăch tăl ng BER t t

h n.ăViệc k t h p nh ngă uăđiểm củaăMIMOăvƠăOFDMăđƣăchoăraăđ i hệ th ng MIMO-OFDM mà chúng ta s nghiên cứu ch ngăsau

Ch ng 5

MÃ HÓA TRONG H TH NG MIMO-OFDM

5.1 Gi i thi u [3]

Mã hóa không gian-th i gian STC (Space TimeăCodes)ăđ c dùng trong các hệ

th ngăMIMO,ătrongăđóăcácăantenăđ c thi t k v i kho ngăcáchăđủ l năđể các tín hiệu t i các anten không nhăh ng l nănhau.ăMôiătr ng vô tuy nătrongătr ng

h p bị các hiệnăt ngăđaăđ ng và có tán x m nh khi n tín hiệuăthuăđ c từ các antenăhoƠnătoƠnăđ c l p Thay vì tìm cách ch ng l i hiệnăt ngăđaăđ ng, mã hóa không gian -th i gian l i d ng tính ch t này (tức hiệnăt ngăđaăđ ng)ăđể nâng cao dungăl ng kênh truyền V i m t chu i symbol vào, b mã hóa không gian-th i gian s chọnăcácăđiểmăt ngăứng trên gi năđ chòmăsaoăđể truyềnăđ ng th i t i t t

c cácăantenăquaăđóătĕngăđ l iăghépăkênhăvƠăđ l i phân t p.ăMƣăSTCăđ c Phân ra làm 2 lo i chính sau:

 Mã hóa không gian-th i gian kh i STBC (Space Time Block Code)

 Mã hóa không gian-th iăgianăl i STTC (Space Time Trellis Code)

Trong lu nă vĕnă nƠyă chỉ t p trung nghiên cứu mã kh i không gian-th i gian (STBC ậ Space timeă Blockă Code)ă để đ aă vƠoă ứng d ng trong hệ th ng MIMO- OFDM

5.2 Mã kh i không gian th i gian (STBC)

Mã hóa kh i không gian-th i gian (STBC) là m t kỹ thu t mã hóa tín hiệu theo

c haiăh ng không gian và th i gian đƣăđ c s d ng r ng rãi trong các hệ th ng thông tin vô tuy n M căđíchălƠăđể phát tín hiệuăđ ng th i trên nhiều anten và t n

d ng các phiên b n d liệuăthuăđ căkhácănhauăđóăđể c i thiện kh nĕngătruyền d

liệu Mã hóa kh i không gian-th i gian s k t h p t t c các b n sao tín hiệu phía thuătheoăh ng t iă uăđể rút ra thông tin có kh nĕngănh t trong s các b n sao [12] MƣăSTBCăđ căđ aăraăd i d ng m t ma tr n M iăhƠngăt ngătr ngăchoăm t

khe th i gian, còn m i c tă t ngă tr ngă choă quáă trìnhă phátă của 1 anten trên toàn miền th i gian

t

n n

Trongăđó,ăsijălƠăsymbolăđiều ch đ c phát từ anten thứ j vào khe th i gian thứ

i đơyăcóăTăkheăth i gian và Nt anten phát và Nr anten thu

5.2.1 M t s tiêu chu ẩn v mã kh i không gian-th i gian

Tỷ lệ mã: của 1 mã kh i không gian th iăgianăđ căđịnhănghĩaănh ătỷ s gi a s symbol mà b mƣăhóaăđ aăvƠoăđ u vào của nó và s khe th i gian của 1 kh i N u 1

kh i mã hóa k symbol thì tỷ lệ mã là:

kr

T

Hiệu su t phổ của hệ th ng:

b s s