Mô phỏng hệ thống thông tin vô tuyến đa anten luận văn tốt nghiệp đại học

Thực tế hiện nay, MIMO đã được áp dụng rộng rãi cho các mạng truy nhập gói tốc độ cao HSPA, 4G LTE, các mạng cục bộ không dây WLAN… Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO để đánh giá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN ĐA ANTEN

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Sinh viên thực hiện : Phan Duy Tùng

VINH – 2011

Lời nói đầu

Mạng thông tin di động thê hệ thứ 3 (3G) đã được đưa vào thương mại hóa rộng rãi từ vài năm trước Hiện nay, công nghệ di động sau 3G đang được các tổ chức đặc biệt là 3GPP quan tâm nghiên cứu và triển khai trên thế giới Tại Việt Nam, sự kiện Viettel Telecom thử nghiệm thành công mạng 4G LTE ngày 12/5/2011, vừa qua với tốc độ lên tới 75Mbps đã khởi đầu cho cuộc chạy đua tiến lên 4G giữa các nhà mạng Tuy nhiên, để đáp ứng những yêu cầu cao về tốc độ và chất lượng đó, các thế hệ mạng sau 3G phải có những cải tiến về mặt kỹ thuật so với các thế hệ trước đó Một trong những kỹ thuật đã

và đang được quan tâm nghiên cứu, triển khai ứng dụng là kỹ thuật đa anten (MIMO-Multiple Input Multiple Output)

Kỹ thuật MIMO rất có triển vọng trong các hệ thống di động thế hệ sau Bởi lẽ, nó không chỉ cho phép đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn

mà còn có tính khả thi về phần cứng và phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biến đổi tương tự số tốc ADC độ cao Thực tế hiện nay, MIMO đã được áp dụng rộng rãi cho các mạng truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), 4G LTE, các mạng cục bộ không dây (WLAN)…

Với mục đích tìm hiểu sâu về kỹ thuật MIMO để đánh giá tính ưu việt của nó so với các hệ thống đơn anten (SISO-Single Input Single Output)

truyền thống, em đã chọn đề tài “Mô phỏng hệ thống thông tin vô tuyến đa

anten”.

Do nhiều mặt hạn chế, đồng thời trong quá trình tìm hiểu, các nhìn nhận vấn đề còn mang tính chủ quan nên đề tài không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Thầy cô và các bạn để đồ án hoàn thiện hơn

Trong quá trình học tập và thực hiện đồ án này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các Thầy trong Khoa Điện tử Viễn thông - Đại học Vinh, gia đình, bạn bè cùng lớp và đặc biệt là TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Vì vậy, cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy cô, gia đình và các bạn

Tóm tắt đồ án

Mô hình truyền thông nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) đã đem lại hiệu suất sử dụng phổ vượt xa các kỹ thuật truyền dẫn thông thường Dung lượng của các hệ thống MIMO trong môi trường pha-đinh Rayleigh tăng tuyến tính với số anten Trong những năm gần đây, nó đã và đang được tập trung nghiên cứu và đề xuất như một hình mẫu cho các mô hình truyền thông không dây thế hệ mới trong môi trường truyền dẫn giàu pha-đinh

Đồ án này gồm 3 chương đã tìm hiểu chi tiết về hệ thống MIMO Chương 1 trình bày về các đặc tính cơ bản của kênh truyền vô tuyến như là đặc tính suy hao, hiện tượng pha-đinh Chương này cũng nêu các mô hình kênh truyền thông không dây Phân tiếp theo, Chương 2 của đồ án trình bày các kỹ thuật MIMO phổ biến hiện nay Ở đầu thu, đó là các kỹ thuật phân tập thu và tách sóng tín hiệu Chương này đã trình bày 4 kỹ thuật phân tập thu và

5 kỹ thuật tách sóng tín hiệu Còn ở phía phát, đó là các kỹ thuật phân tập phát và mã hóa không gian-thời gian, Chương 2 đã giới thiệu 3 kỹ thuật phân tập phát và kỹ thuật mã hóa khối không gian thời gian (STBC) Phần cuối cùng của đồ án, trong Chương 3 tiến hành mô phỏng cho hệ thống MIMO phân tập phát không gian-thời gian, phân tập thu kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC) kết hợp tách sóng hợp lẽ tối đa (MLD) và sử dụng mã STBC Các kết quả mô phỏng thu được nhằm xác nhận những đánh giá định tính về dung lượng và tỉ

lệ lỗi bit (BER) của hệ thống

Multiple-input multiple output (MIMO) communication architecture has spectral efficiencies far beyond those offered by conventional techniques The channel capacity of the MIMO architecture in independent Rayleigh channels scales linearly as the number of antennas In recent years, it has focused to research and apply as a new paradigm for wireless communications in rich multipath environment

This thesis consists of three chapters to found out detailly about MIMO system Chapter 1 presented the basic characteristics of radio channel such as attenuation, fading This chapter also describes the models of wireless communication The next section, Chapter 2 presented popular techniques of MIMO that has been used At receiver, it is the received diversity and signal detection techniques This chapter has presented 4 techniques of received diversity and 5 signal detection ones At transmit side, it is the techniques of transmit diversity and space-time coding (STC) Chapter 2 has introduced three techniques of transmit diversity and space time block encoding (STBC) method Chapter 3 was conducted simulations for MIMO that using space time transmit diversity combine STBC and maximum ratio combining (MRC) addition maximum likelihood detector (MLD) at receiver side The simulated results has obtained one again confirm that the capacity of MIMO increase linearly and bit error rate (BER) reduce when number of antenna increase

Mục lục

Trang

1.4.3 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rice 21

1.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây 23

1.5.1 Hệ thống SISO 23

1.5.4 Hệ thống MIMO 24

Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Mô hình kênh AWGN 3

Hình 1.2 Mô hình truyền sóng đa đường 5

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh Pha-đinh 6

Hình 1.4 Kênh truyền thay đổi theo thời gian 10

Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Rice 12

Hình 1.6 Phân loại hệ thống thông tin không dây 13

Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO vô tuyến Error: Reference source not found Hình 2.2 Mô hình tương đương kênh truyền SISO 18

Hình 2.3 Mô hình tương đương kênh truyền MISO 19

Hình 2.4 Mô hình tương đương kênh truyền SIMO 19

Hình 2.5 Phương pháp kết hợp chọn lọc 25

Hình 2.6 Phân phối xác suất của SNR cho phương pháp SC 27

Hình 2.7 Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập 28

Hình 2.8 Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa 29

Hình 2.9 Phân phối xác suất SNR của MRC 32

Hình 2.10 Sơ đồ máy thu 2 nhánh MRC và một bộ tách tín hiệu tối ưu 34

Hình 2.11 Phẩm chất BER của MRC với M nhánh phân tập, đ/chế BPSK 38

Hình 2.12 Sơ đồ MRT N nhánh phân tập có đường phản hồi 39

Hình 2.13 Sơ đồ cấu hình N nhánh phân tập phát giữ chậm 40

Hình 2.14 Mô hình phân tập không gian-thời gian 41

Hình 2.15 Sơ đồ máy phát mã STBC Alamouti 2x1 41

Hình 2.16 Sơ đồ Alamouti với 2 anten phát và 2 anten thu 45

Hình 2.17 Phương pháp phân kênh theo không gian 48

Hình 2.18 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM 48

Hình 2.19 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 48

Hình 2.20 Phẩm chất BER của các bộ tách tín hiệu cho MIMO SDM 4 4 × 56

Hình 3.1 Lược độ xây dựng mô hình mô phỏng 61

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa sai số, độ phức tạp và thời gian mô phỏng 62

Hình 3.3 Mô hình mô phỏng Monte-Carlo cho các hệ thống MIMO trên kênh truyền pha-đinh Rayleigh 63

Hình 3.4 BER lý thuyết và mô phỏng SIMO STBC 2 1 × điều chế BPSK 67

Hình 3.5 Phẩm chất BER của MRC 1x2, SISO, MISO 2x1 68

Hình 3.6 So sánh phẩm chất BER MIMO 2x2 với MIMO 2x1 và SISO 70

Hình 3.7 Dung lượng kênh truyền các hệ thống MIMO 72

Danh mục bảng biểu

Trang

Bảng 2.1 Quy luật mã hóa không gian-thời gian Alamouti 42

Bảng 2.2 Thuật toán tách tín hiệu QR 54

Bảng 2.3 Thuật toán tách tín hiệu V-BLAST 55

Bảng 3.1 Bảng so sánh giữa BER lý thuyết và mô phỏng Alamouti 63

Bảng 3.2 Giá trị BER của các phương pháp SISO, MRC 2x1 69

Bảng 3.3 Bảng so sánh giá trị BER của SISO, Alamouti, MIMO 2x2 70

Bảng 3.4 Giá trị dung lượng kênh truyền các hệ thống MIMO 72

Danh mục quy ước toán học

arg(x) Giá trị trung bình của x

Danh mục từ viết tắt

3GPP Third Generation Partnership

Project

Nhóm cộng tác 3GPP

A

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gao-xơ trắng cộng

B

BEP Bit Error Probability Xác suất lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế dịch pha nhị phân

C

CDF Cummulative Distribution Function Hàm phân bố tích luỹ

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãCSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

E

EGC Equal Gain Combiner Bộ kết hợp đồng tăng ích

F

FDD Frequency Division Duplex Song công theo tần số

I

ISI InterSymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các ký hiệu

L

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

M

MIMO Multi Input-Multi Output Nhiều đầu vào – nhiều đầu raMISI Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào - một đâu raMLD Maximum-Likelihood Detection Tách tín hiệu khả năng cực đạiMMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương

cực tiểuMSE Mean Square Error Sai số trung bình bình phương

MRC Maximum Ratio Combiner Bộ kết hợp tỷ lệ cực đại

MRT Maximum Ratio Transmit Phát tỉ lệ tối đa

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PEP Pairwise Error Probability Xác suất lỗi cặp từ mã

SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh theo không gian

SIMO Single Input Multiple Output Một đầu vào - nhiều đầu raSISO Single Input Single Output Một đầu vào - một đầu ra

SIC Successive Interference

Cancellation

Triệt nhiễu nối tiếp

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp

STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian – thời gianSTTD Space-Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian – thời

gianSTS Space-Time Spreading Trải không gian- thời gian

STMLD Space-Time Maximum Likelihood

Chương 1 Tổng quan về kênh truyền vô tuyến

1.1 Giới thiệu chung

Trong mạng thông tin vô tuyến, ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất So với kênh truyền hữu tuyến là

ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến chịu tác động hoàn toàn ngẫu nhiên của nhiều yếu tố và quá trình phân tích phức tạp Các ảnh hưởng chính của kênh truyền vô tuyến có thể chia ra làm các nhóm sau: (i) suy hao tín hiệu, (ii) ảnh hưởng của tạp âm; (iii) bị che khuất, phản xạ, tán xạ… bởi các chướng ngại vật trên đường truyền gây ra hiện tượng pha-đinh Phần tiếp theo sẽ trình bày cụ thể ảnh hưởng của các yếu tố này lên kênh vô tuyến

1.2 Suy hao

Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, cây cối … và do phản xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách

và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết

kế Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền qua một khoảng cách R:

  (1.1)

Trong đó:

P R: Công suất tín hiệu thu được (W)

λ: bước sóng của sóng mang

Hoặc có thể viết lại là:

mô hình cũng khó khăn hơn Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn, chúng ta có công thức suy hao đường truyền như sau:

L pt = −10log10G T −10log10G R −20log10h BS −20log10h MS −40log10R (1.4)

với h BS, h MS<< R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station)

1.3 Tạp âm AWGN

Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong các hệ thống Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách chính xác các tính hiệu phát và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau nhưng có thể phân thành tập âm

nhân tạo và tạp âm tự nhiên [2] Nguồn tạp âm nhân tạo có thể xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà.

Việc thiết kế tốt các mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay sử dụng các phương pháp lọc Tuy nhiên, có một nguồn tạp

âm tự nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt Tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển động nhiệt của các điện tử ở trong tất cả các linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác Tạp âm này có các tính chất: có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không, công suất có mật độ phổ đều, được cộng với tín hiệu nên do đó được gọi là tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN: Addiive White Gaussian Noise)

1.3.1 Kênh tạp âm AWGN

Kênh vô tuyến đơn giản nhất thường được sử dụng để mô tả một kênh truyền dẫn là mô hình kênh tạp âm AWGN Trong mô hình này, tín hiệu thu

( )

r t được giả sử bị ảnh hưởng bởi suy hao không đổi và trễ không đổi, tín hiệu thu là tổng của tín hiệu phát ( ) và tạp âm trắng n t( ) có phân bố Gao-

xơ [2] như Hình vẽ 1.1

Hình 1.1 Mô hình kênh AWGN

Mô hình kênh đơn giản này có vai trò quan trọng về mặt lý thuyết và thực tế Đây là mô hình chính xác cho nhiều kênh thông tin như các kênh thông tin vệ tinh, kênh thông tin không gian Tuy nhiên, trong rất nhiều hệ thống thông tin, ngoài tạp âm cộng tính các kênh còn bị tác động của rất nhiều

các yếu tố khác nhau Đối với các kênh này, mô hình AWGN không còn phù hợp nữa, do đó chúng ta phải xây dựng các mô hình kênh phức tạp và chính xác hơn Một trong những kênh thường xảy ra trong thông tin vô tuyến là kênh pha-đinh

1.4 Hiện tượng pha-đinh

Pha-đinh là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

Đối với các hệ thống truyền dẫn thông qua thông tin vệ tinh viễn thông, pha-đinh chủ yếu gây ra bởi sự hấp thụ, thay đổi của khí quyển trong những điều kiện đặc biệt như mưa rào Đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất, các yếu tố gây ra pha-đinh gồm:

- Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng ngắn

- Sự hấp thụ gây bởi các phần tử khí, hơi nước, mưa, , sự hấp thụ này phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (>10 GHz)

- Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí

- Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển

- Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường (các tín hiệu đa đường)

Một nguyên nhân quan trọng khác gây ra pha-đinh, đặc biệt trong thông tin di động, là do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Tương

tự, khi các chướng ngại chuyển động kênh vô tuyến cũng có tính chất biến đổi theo thời gian và các dao động của tín hiệu thu là ngẫu nhiên

Hình vẽ 1.2 mô tả một đường liên lạc giữa trạm gốc (BS-Base Station)

và trạm di động (MS-Mobile Station) Liên lạc giữa MS và BS thông qua nhiều đường, mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu tới máy thu

là tổng của tín hiệu trên tất cả các đường này Do biên độ, pha và độ trễ pha

khác nhau nên các tín hiệu kết hợp với nhau làm cho cường độ tín hiệu tại điểm thu thăng giáng một cách ngẫu nhiên.

Hình 1.2 Mô hình truyền sóng đa đườngTùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel) Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân

bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice

1.4.1 Kênh truyền đinh chọn lọc tần số và kênh truyền đinh phẳng

pha-Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không bằng phẳng trong một dải tần số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading

MS BS

Hướng chuyển động

channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.

Hình vẽ 1.3 cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32 MHz đến 96 MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu

có băng thông nhỏ khoảng 2 MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền pha-đinh phẳng

a) Kênh chọn lọc tần số b) Kênh không chọn lọc tần số

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của kênh Pha-đinhTrên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định lượng thông số của kênh truyền Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như Hình 1.2 (chưa tính đến nhiễu) có dạng [3]:

( ) ( )

1

L

i i i

- WSS nghĩa là quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phụ thuộc

Khi ∆ =t 0, ( )p h τ = p h( , )∆t τ được gọi là hồ sơ trễ công suất mô tả công suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền Do đó công suất ra của tín hiệu được tính theo công thức:

Nếu ∆t =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả

tương quan giữa các khoảng tần số f∆ của kênh truyền:

( ∆ Khoảng tần số này gọi là Coherence Bandwith:

Nếu kênh truyền có ( ∆f ) C nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được

truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số (frequecy selective channel) Tín hiệu truyền qua kênh truyền này sẽ bị méo nghiêm trọng

Nếu kênh truyền có ( ∆f ) C lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu được

truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective channel) hay kênh truyền phẳng (flat channel)

1.4.2 Kênh truyền biến đổi nhanh, kênh truyền biến đổi chậm

Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, công viên, có thể được xây dựng thêm hay bị phá hủy đi… Hình vẽ 1.5 cho thấy công suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian.

Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự Tsymbol, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel), ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) Môi trường trong nhà ít thay đổi nên có thể xem là pha-đinh chậm, môi trường ngoài trời thường xuyên thay đổi nên được xem là pha-đinh nhanh Trong các cell di động, khi thuê bao MS (Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS (Base Station) theo thời gian, tức là địa hình thay đổi liên tục Điều này có nghĩa là kênh truyền của ta liên tục thay đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số :

MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại Sau đây ta sẽ

xét kĩ hơn các thông số xác định kênh truyền là kênh đinh chậm hay đinh nhanh

pha-Từ (1.13) nếu ∆ f =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian, mô tả tương quan giữa các khoảng thời gian ∆ t của kênh truyền:

- Nếu kênh truyền có (∆t) C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự

Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel)

- Nếu kênh truyền có (∆t) C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự

Tsymbol của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel)

Hình 1.4 Kênh truyền thay đổi theo thời gianCường độ tín hiệu

1.4.3 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rice

Tùy theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyên thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS

là đường mà ánh sáng có thể truyền trực tiếp từ máy phát tới máy thu mà không bị cản trở) Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và

lý thuyết người ta chứng minh được đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh truyền pha-đinh Rayleigh Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ, và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng NLOS (Non-Light Of Sight) không đóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rice nên kênh truyền được gọi là kênh truyền pha-đinh Rice

Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng:

Góc pha

)(

)()

t

t tg

Nếu αr (t) và αi (t) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì

( )t

α sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh [3]:

2 2

α σαασ

−

= 0≤ ≤ ∞α (1.23) Phương sai của quá trình Gauss: σ2 = var(αr(t)) = var(αi(t)) (1.24)

) (

) ( )

t

t tg

φ = − có phân bố trong khoảng [0,2π ] (1.25)

ta có kênh truyền pha-đinh Rayleigh

Nếu αr (t) và αi (t) là các quá trình Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì ( )α t sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice [3]:

2 2 2

2 0

α αα

2

1 )

K = , K gọi là hệ số Rice K = 0 tương ứng A = 0 hàm phân

bố Rice trở thành hàm phân bố Rayleigh Hình vẽ 1.5 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh (K = 0 hay K =− ∞ [dB]) và Rice với hệ số K = 3 [dB] và K = 9 [dB]

Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Rice

1.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây

Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành bốn hệ thống cơ bản là SISO, SIMO, MISO, và MIMO như Hình vẽ 1.6

Hình 1.6 Phân loại hệ thống thông tin không dây

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-

Fi hay Bluetooth Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon:

Nhằm cải thiện chất lượng hệ thống, một phía sử dụng một anten, phía còn lại sử dụng đa anten Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining) Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, có thể xấp xỉ theo biểu thức (1.29).

2

C = +N SNR bit/s/Hz (1.30)

1.5.4 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả phía phát và phía thu

Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo biểu thức (1.31)

C=log (12 + N N SNR T R ) bit/s/Hz (1.31)

Dung lượng hệ thống trong trường hợp đạt độ lợi ghép kênh cực đại có thể xác định theo biểu thức (1.32).

C =min(N N T R).log (12 +SNR) bit/s/Hz (1.32)

Với các ưu điểm về hiệu suất, triệt can nhiễu, dung lượng và chất lượng

hệ thống MIMO đang được nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống thông tin tương lai

1.6 Kết luận

Chương 1 đã trình bày mô hình kênh đơn giản, đặc tính suy hao, hiện tượng pha-đinh trên kênh truyền vô tuyến và bốn mô hình các hệ thống vô tuyến Đi sâu tìm hiểu kỹ hiện tượng pha-đinh, các nguyên nhân, các loại kênh pha-đinh trong thông tin vô tuyến và các tính chất, đặc trưng của nó Trong chương đã chỉ ra rằng khi tồn tại tia nhìn thẳng giữa máy phát và máy thu thì mô hình thống kê Rice là phù hợp để mô tả kênh pha-đinh, còn trong trường hợp không có tia nhìn thẳng giữa máy phát và máy thu thì mô hình thống kê Rayleigh được sử dụng để mô tả kênh pha-đinh

Chương 2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu trong đa anten

Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về một số kỹ thuật được sử dụng trong công nghệ MIMO

2.2 Mô hình kênh MIMO

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng cả phân tập phát và phân tập thu với N anten phát mà M anten thu như Hình vẽ 2.1 Kênh truyền giữa các anten máy phát (Tx) va anten máy thu (Rx) được gọi là một kênh đa đầu vào-đa đầu ra (Multiple Input-Multiple Output) Một hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được gọi là hệ thống MIMO Các trường hợp đặc biệt M=1 hoặc N=1 tương ứng chúng ta có hệ thống phân tập thu SIMO và phân tập phát MISO như đã trình bày trong Chương 1

Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO vô tuyến

Kênh truyền đơn giữa anten máy thu m và anten máy phát n được ký hiệu là h mn Tương tự như các hệ thống phân tập phát hoặc thu ở Chương 2, để tránh ảnh hưởng giữa các anten phát hoặc các anten thu với nhau, khoảng cách yêu cầu tối thiểu giữa các phần tử anten ở các mảng anten phát hoặc thu

R =E ss là ma trận tương quan của s, z là vector tạp âm của các phần tử

z m được mô phỏng bởi các số phức Gauss độc lập được phân bố như nhau và

có công suất trung bình σ 2 tức là, { H} 2

M

E zz =σ I biểu diễn một ma trận đơn

vị với M dòng và M cột.

2.3 Dung lượng kênh truyền MIMO

2.3.1 Dung lượng kênh truyền cố định

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

đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của kênh truyền chịu ảnh hưởng của tập âm nhiễu cộng trắng Gauss do Shannon tìm ra năm

1948 và được biểu diễn theo công thức như sau [1]

2

W log (1 ) [ / ]

Trong đó: W là băng thông kênh truyền [Hz], ρ là tỉ số công suất tín

hiệu trên tạp âm (SNR)

Hình 2.2 Mô hình tương đương kênh truyền SISO

a Kênh SISO: Trong trường hợp tín hiệu truyền qua một kênh truyền

cố định có độ lợi h như Hình vẽ 2.2 thì chúng ta có tỉ số SNR tại đầu vào máy thu như công thức (2.7)

2

2

S R

S O

N

P h P

h P

b Kênh MISO: Tương tự như kênh truyền SISO, đối với trường hợp

kênh truyền phân tập phát MISO ở Hình vẽ 2.3 ta có thể tính được SNR và dung lượng kênh truyền lần lượt như (2.9) và (2.10)

h

z

2 1

MIS

1

1 N

n S N n

n N

N là hệ số chuẩn hóa công suất

c Kênh truyền SIMO: kênh truyền SIMO với một đầu vào và M đầu ra

là sẽ bao gồm M nhánh phân tập thu như Hình vẽ 2.4 Tỉ số SNR trên một nhánh phân tập là:

2 2

S m m

1

N

s N

Hình 2.4 Mô hình tương đương kênh truyền SIMONhận thấy rằng, dung lượng kênh truyền SIMO và MISO tỉ lệ thuận với logarit cơ số 2 của số lượng anten phân tập.

d Mô hình kênh MIMO: Đối với trường hợp kênh MIMO như mô tả ở

Hình vẽ 2.1, chúng ta có mỗi liên hệ thu phát được biểu diễn bằng phương trình (2.13)

Trong đó U, V thỏa mãn UU H =U U H =I m và VV H =V V H =I n được

gọi là các ma trận unitary D là ma trận đường chéo có kích thước M x N gồm

N A giá trị đơn không âm, trong đó giá trị các phần tử trên đường chéo là căn

bậc 2 của các giá trị eigenvalue của ma trận Wirshart được xác định như sau:

Các cột của ma trận U là vector eigen của HH còn các cột của ma trận H

V là vector eigen của HH Số các giá trị eigen khác không của H HH chính H

bằng hạng của ma trận này

Nếu M=N thì D là một ma trận đường chéo Nếu N>M thì D gồm một

ma trận đường chéo MxM và sau đó là N –M cột bằng không

Trong trường hợp số anten phát lớn hơn số anten thu, D sẽ được tạo ra

từ ma trận vuông bậc M và tiếp sau là N-M cột bằng 0 như ma trận (2.16)

1/2 1 1/2 2

Trong đó, 'y @U y H , 's @V s H và 'z @U z H Do D là một ma trận chéo với r =min( , )M N phần tử đầu tiên khác 0, nên thông qua phép biến đổi

SVD, kênh MIMO đã được phân tích thành r kênh song song hữu ích N r−

kênh còn lại không đóng vai trò gì cả Kí hiệu các giá trị eigenvalue khác 0 của ma trận Φ là λi , ta có thể biểu diễn công thức (2.18) ở dạng r kênh song

song như sau:

' i 'i 'i 1,2, ,

trong đó λi biểu diễn biên độ độ lợi kênh truyền tương đương thứ i Dung

lượng kênh truyền MIMO vì vậy là tổng dung lượng của r kênh song song

Giả sử công suất phát trên các anten phát là như nhau và được chuẩn

hóa thành S

T

P P

Tương tự, công suất tạp âm kênh i được tính như sau:

P N

λρ

i

P C

N

λσ

MIMO

H r

N C

N

ρρ

kênh truyền tăng tuyến tính theo r, tức là số anten tối thiểu sử dụng ở phía thu

hay phát Chứng minh này sẽ được mô tả kỹ ở phần tính toán dung lượng kênh truyền cho kênh Rayleigh ở phần sau [1, tr.72-75]

2.3.2 Dung lượng kênh truyền Rayleigh Pha-đinh

Mục 2.3.1 đã tìm hiểu về dung lượng kênh truyền MIMO trong trường hợp kênh truyền cố định Trong thực tế do tác động của Pha-đinh, kênh truyền biến động theo thời gian và thường được mô hình hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Ma trận kênh truyền H trong trường hợp

này là một ma trận chứa các biến số ngẫu nhiên Gauss phức độc lập với giá trị

trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1 Tức là, E{h mn }=1.

Giả sử kênh truyền Pha-đinh biến đổi chậm, tức là độ lợi kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian bằng 1 khung có độ dài liên tiếp các symbols Giả sử thêm rằn máy thu ước biết (ước lượng) chính xác ma trận

kênh H Dung lượng kênh truyền trong trường hợp này thường được gọi là

dung lượng ergodic và được tính bằng cách lấy giá trị trung bình của tất cả

N

ρρ

MIMO M

N H

MIMO M

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

tính theo số lượng anten tối thiểu sử dụng ở máy phát hay máy thu Điều này được mô tả thông qua kết quả mô phỏng máy tính ở Hình vẽ 2.5 [1, tr.76] Một nhận xét tiếp theo khi so sánh (2.26) với (2.9) chúng ta thấy rằng dung lượng kênh MIMO Pha-đinh Rayleigh có thể đạt đến gấp r =min( , )M N lần dung lượng kên truyền SISO cố định Hai nhận xét này cho chúng ta thấy rõ tầm quan trọng của việc sử dụng kênh truyền MIMO trong thông tin vô tuyến

Cần chú ý rằng để đạt được dung lượng kênh MIMO nói trên, các phần

tử h mn của ma trận H cần là các biến Gauss phức và độc lập lẫn nhau Điều

này tương đương với môi trường truyền dẫn giữa máy phát và máy thu là môi trường Pha-đinh Rayleigh giàu tán xạ

Từ công thức (2.25) chúng ta dễ dàng tính được dung lượng của các kênh SIMO và MISO cho trường hợp Pha-đinh Rayleigh bằng cách đặt N=1 hoặc M=1.

2.4 Các phương pháp truyền dẫn trên kênh truyền MIMO

Kết quả phân tích dung lượng kênh truyền MIMO đã thúc đẩy một làn sóng nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn hiệu quả trên kênh truyền MIMO Tiếp theo công trình chung chung với Gan, Foschini đã đề xuất một hệ thống truyền dẫn theo từng lớp (layer) kết hợp với mã hoá nhằm đạt được dung lượng kênh truyền mong muốn như kết quả phân tích Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của Foschini cho thấy dung lượng kênh tuyền MIMO thực tế là một đường giới hạn trên (upper-bound) có thể đạt được nhờ kết hợp các phương pháp mã hoá và thuật toán có độ phức tạp hay giữ chậm không có giới hạn Vì vậy, để có được các hệ thống truyền dẫn MIMO có hiệu quả có thể ứng dụng trong thực tế, các công trình nghiên cứu về MIMO đã tập trung vào việc đề xuất các phương pháp truyền dẫn thoả mãn được sự cân bằng giữa

độ lợi thu được từ kênh MIMO và độ phức tạp cần thiết Các phương pháp truyền dẫn này có thể phân loại thành hai nhóm sau [1, tr.76-77):

a Phân kênh theo không gian (SDM - Spartial Division Multiplexing):

phương pháp này tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách truyền đồng thời một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các anten phát và sử dụng các máy thu có độ phức tạp thấp để duy trì tỉ số lỗi bít cho phép Phương

pháp này cho phép thu được độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) lớn.

b Mã không gian-thời gian (STC - Space Time Code): khác với phương

pháp ghép kênh theo không gian, mã không gian-thời gian kết hợp việc mã hoá giữa các luồng tín hiệu để tối đa hoá độ lợi phân tập (diversity gain) nhằm giảm thiểu tỉ lệ lỗi bít (BER)

Kỹ thuật truyền dẫn sử dụng mã hóa không gian-thời gian kết hợp với phân tập thu (phát) được sử dụng rộng rãi hơn cả Do đó, phần tiếp theo

Chương 2 sẽ trình bày về các kỹ thuật phân tập thu phát và mã hóa không gian-thời gian sử dụng trong các hệ thống MIMO

2.5 Kỹ thuật kết hợp đa anten thu

2.5.1 Mô hình tín hiệu

Giả sử tín hiệu s(t) được truyền qua môi trường pha-đinh Rayleigh tới

máy thu sử dụng phân tập không gian với M nhánh phân tập Sau khi tách sóng cao tần, tín hiệu thu tại nhánh phân tập (anten) thứ m , m∈{1,2, ,M} , được biểu diễn như sau:

2.5.2 Kết hợp chọn lọc (SC)

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh hoạ ở Hình vẽ 2.5 Tại một

thời điểm t, mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỉ số tín

hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn ra tín hiệu ở nhánh có tỷ số SNR lớn nhất Trong thực tế, việc đo lường

tỷ số SNR rất khó thực hiện và, vì vậy, tín hiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất tín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn

Hình 2.5 Phương pháp kết hợp chọn lọc

a Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giả sử tín hiệu thu được tại các

nhánh phân tập là không tương quan và có phân phối Rayleigh với công suất trung bình 2 2 1 { }2

2

m E y m

ς = ς = , trong đó ký hiệu E{.} biểu thị phép toán lấy

giá trị trung bình thống kê (ensemble average) Hàm mật độ của đường bao

m m

2

2

1{ }

Mạch chọn lọc logic

Đầu ra

Mạch cao tần

Mạch cao tần

m= m

Hình 2.6 Phân phối xác suất của SNR cho phương pháp SC [1]

Hình vẽ 2.6 biểu diễn phân phối xác suất của SNR cho phương pháp

kết hợp phân tập lựa chọn tần số với M nhánh phân tập sử dụng công thức

(2.36)

Thông qua hình vẽ ta có thể thấy được hiệu quả của việc tăng số lượng

nhánh phân tập M Cụ thể là việc tăng số lượng anten cho phép giảm nhỏ xác

suất SNR thấp hơn một giá trị cho trước, hay nói cách khác, làm tăng xác xuất SNR lớn hơn một giá trị cho trước Ngoài ra từ công thức (2.29) chúng ta cũng nhận thấy rằng, tăng số lượng nhánh phân tập giúp tăng độ lợi phân tập một cách đáng kể Mức độ độ lợi thu được của phương pháp kết hợp chọn lọc được so sánh với các phương pháp khác ở Hình vẽ 2.7 So với các phương pháp khác, phương pháp kết hợp lựa chọn có độ lợi phân tập thấp nhất

Hình 2.7 Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập [1]

2.5.3 Kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC)

Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa được Kahn đề xuất năm 1954 Sử dụng phương pháp này, tín hiệu của M nhánh phân tập được nhân với trọng số (weighted) cân xứng theo tỉ lệ SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng pha rồi kết hợp (cộng) với nhau Sơ đồ cấu hình một bộ kết hợp tỉ lệ tối

đa được trình bày như Hình vẽ 2.8

Mạch cao tần

Đầu ra

1

ω

Mạch cao tần

2

ω

Mạch cao tần

M

ω

+

Hình 2.8 Phương pháp kết hợp tỉ lệ tối đa

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) trung bình: Tín hiệu thu được tại một nhánh phân tập, sau khi được chuyển về băng tần gốc được biểu diễn như biểu thức (2.27) Sau khi được đồng pha và nhân trọng số, đường bao tín hiệu kết hợp là:

M

m m m

mrc M

m m m

h

ωγ