giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO OFDM, cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết

Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dunglượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Đặng Xuân Vinh, là trưởng khoa Điện tử - Viễn thông, là giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông - trường ĐHKH Huế người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐHKH Huế nói chung, các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.

Huế, 6/2015 Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hồng Hoạt

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục hình v

Danh mục các từ viết tắt vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 LÝ THUYẾT CƠ SỞ 2

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động 2

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động 3

1.3 Suy hao đường truyền 4

1.4 Kênh fadding đa đường 5

1.5 Méo biên độ 6

1.5.1 Mô hình fading Rayleigh 6

1.5.2 Mô hình fading Rician 6

1.5.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường 7

1.5.4 Tạp âm trắng Gauss 7

1.5.5 Hiện tượng Doppler 8

1.6 Kết luận chương 9

Chương 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 10

2.1 Giới thiệu 10

2.2 Khái niệm chung 10

2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang 10

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang 11

2.2.3 Tín hiệu trực giao 12

2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM[5] 13

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song 14

2.3.2 Điều chế sóng mang con[4] 15

2.3.3 Khối FFT và IFFT 18

2.3.4 Chèn đại lượng tiền tố lặp (CP-Cyclic Prefix) 19

2.3.5 Điều chế RF 21

2.4 Ưu điểm - nhược điểm của hệ thống OFDM 21

2.5 Kết luận chương 22

Chương 3 HỆ THỐNG MIMO 23

3.1 giới thiệu 23

3.2 Kỹ thuật phân tập 23

3.2.1 Phân tập không gian 24

3.2.2 Phân tập tần số 26

3.2.3 Phân tập thời gian 26

3.2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập 27

3.3 Mã hóa không gian thời gian-STC 30

3.3.1 Mô hình hệ thống MIMO 30

3.3.2 Dung lượng hệ thống MIMO 31

3.3.3 Mã hóa không gian thời gian khối STBC 36

3.3.4 Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC 39

3.4 Mã hóa không gian-thời gian lớp BLAST 39

3.4.1 Kiến trúc V-BLAST 39

3.4.2 Giải mã tín hiệu V-Blast 40

3.5 Ưu điểm - nhược điểm hệ thống MIMO 43

3.5.1 Ưu điểm của hệ thống MIMO 43

3.5.2 Khuyết điểm của hệ thống MIMO 44

3.6 Kết luận chương 44

Chương 4 HỆ THỐNG MIMO-OFDM 45

4.1 giới thiệu 45

4.2 Hệ thống MIMO-OFDM 46

4.2.1 MIMO-OFDM Tx 47

4.2.2 MIMO-OFDM Rx 47

4.2.3 Cấu trúc của khung (frame) của hệ thống MIMO-OFDM 48

4.3 Phân tích hệ thống MIMO-OFDM 48

4.3.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 48

4.3.2 Space-time block coded OFDM 49

4.4 Kết luận chương 54

Chương 5 MÔ PHỎNG VÀ TỔNG KẾT 55

5.1 Mô phỏng 55

5.1.1 Lưu đồ thuật toán 55

5.1.2 Kết quả mô phỏng 59

5.1.3 Kết luận 64

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Phân biệt FDM và OFDM 10

Hình 2.2 Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang 11

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống đa sóng mang 11

Hình 2.4a Bốn sóng mang trực giao nhau 12

Hình 2.4b Phổ của 4 sóng mang trực giao 13

Hình 2.5a Kỹ thuật đa sóng mang 13

Hình 2.5b Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 13

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 14

Hình 2.7 Bộ S/P và P/S[5] 15

Hình 2.8 Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK 17

Hình 2.9 Giản đồ chòm sao M-QAM 18

Hình 2.10 Bộ điều chế OFDM 19

Hình 2.11 Tiền tố lặp CP trong OFDM 20

Hình 3.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu 23

Hình 3.2 Mô hình phân tập không gian 24

Hình 3.3 Sự phân tập anten 25

Hình 3.4 Phân tập theo thời gian 26

Hình 3.5 Phương pháp kết hợp lựa chọn 28

Hình 3.6 Phương pháp kết hợp chuyển nhánh 28

Hình 3.7 Phương pháp theo tỷ lệ lớn nhất MRC 29

Hình 3.8 N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 31

Hình 3.9 Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 33

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 33

Hình 3.11 Định lý Waterfilling 34

Hình 3.12 Phân phối công suất khi SNR cao 34

Hình 3.13 Phân phối công suất khi SNR thấp 35

Hình 3.14 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và 1 anten thu 36

Hình 3.15 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 37

Hình 3.16 Hệ thống V-BLAST 40

Hình 3.17: Bộ thu vblast 42

Hình 4.1 Các chuẩn thông tin không dây của IEEE 45

Hình 4.2 Sơ đồ phát và thu của hệ thống MIMO-OFDM 46

Hình 4.2a Sơ đồ khối bộ phát OFDM 46

Hình 4.2b Sơ đồ khối bộ thu OFDM 46

Hình 4.3 Sơ đồ khối của bộ phát của hệ thống MIMO-OFDM 47

Hình 4.4 Sơ đồ khối của bộ thu của hệ thống MIMO-OFDM 47

Hình 4.5 Cấu trúc khung dữ liệu MIMO-OFDM 48

Hình 4.6 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM 49

Hình 4.7 Mô hình hệ thống STBC-OFDM 2x2 50

Hình 5.1: Lưu đồ hệ thống MIMO-OFDM 55

Hình 5.2: Lưu đồ chương trình con nhận tín hiệu 56

Hình 5.3: Lưu đồ CT con MIMO decode hệ MIMO-OFDM VBLAST 57

Hình 5.4: Lưu đồ CT con MIMO code của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 58

Hình 5.5: Lưu đồ CT con MIMO decode của hệ MIMO-OFDM ALAMOUTI 59

Hình 5.6: Kỹ thuật OFDM với CP 60

Hình 5.7: Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế 60

Hình 5.8: Các hệ thống vô tuyến 61

Hình 5.9: Hệ thống MIMO 62

Hình 5.10: Hệ thống MIMO-OFDM 62

Hình 5.11: Dung lượng hệ thống 63

Hình 5.12: Hệ thống MIMO-VBLAST 63

Hình 5.13: Hệ thống MIMO-VBLAST đa anten 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng

BLAST Bell-Laboratories Layered

Space-Time Code

Mã hóa không gian - thời gian lớp BLAST

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourie rời rạc

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh theo tần số

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform

Biến đổi Fourie rời rạc ngược

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourie rời rạc nhanhI.I.D Independent and Identically

Distributed

Mẫu độc lập và có cùng phân bố

MIMO Multiple Input Muliple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu raMISO Multiple Input single Output Nhiều đầu vào, một đầu ra

MMSE Minimum Mean Sqare Error Tổ hợp tuyến tính

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Điều chế đa sóng mang

PAPR Peak to Average Power Ratio Công suất cực đại

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao

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

SC Single Carrier Communication Cờ mang thông tin

STBC Space-Time Block Code Mã hóa không gian - thời gian khối

V-BLAST Vertical-Bell-Laboratories

Layered Space-Time

Hệ thống/thuật toán BLAST

MRC Maximum Ratio Combining kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất

STBC Space-Time Block Code Mã hóa không gian - thời gian khốiSTTC Space-Time Trellis Code Mã hóa không gian - thời gian lưới

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặcbiệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngàynay Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác độngrất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất

Vì vậy để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụngtài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả Người ta đã ứng dụng các kỹ thuậtghép kênh tiên tiến như là TDM,FDM,CDM…, kết hợp với các phương pháp khácnhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu,anten thông minh, phân tập

Một trong những kỹthuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiềutrong thực tế là hệ thống MIMO Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO

sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dunglượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn

Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một

kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM Với công nghệOFDM ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cáchtối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu

Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống OFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn

MIMO-đề được nêu ra trong lý thuyết

Nội dung của đồ án bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1 : Lý thuyết cơ sở

Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM

Chương 3: Hệ thống MIMO

Chương 4 : Hệ thống MIMO-OFDM

Chương 5: Mô phỏng và kết luận

Chương 1.

LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động

1.1.1 Giới thiệu chung

Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặc biệt làcác kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference)xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate)một cách đáng kể Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mangmang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trục giao OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thốngtruyền dẫn OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thànhnhiều kênh truyền fading phẳng băng hẹp và triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ cóchiều dài lớn hơn độ trễ của kênh truyền vào tín hiệu đã được điều chế Nhờnhững ưu điểm nổi bật mà OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh sốDAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital VideoBroadcasting), mạng cục bộ chất lượng cao HIPERLAN (High Performance LocalArea Networks), mạng cục bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network)theo chuẩn 802.11.a

Bên cạnh các kỹ thuật được nghiên cứu và thử nghiệm thì còn có các hệ thốngkhác nhau cũng làm tương tự Nổi bật hơn cả đó là hệ thống MIMO Việc sử dụngcác kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền mộtcách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc

độ truyền dẫn cao hơn

1.1.2 Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chếnhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA hoặc CDMA Các kỹthuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thờigian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ

tần dành cho thông tin di động có hạn CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thốngđáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh

do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell Do đó dung lượng hệ thốngkhông cao

Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm fading và nhiễuđồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển Các hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 3 sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệutốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh.Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2Mhz Nhưng tốc độ cực đại này chỉ

có trong các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc dộ 14,4Kbps sẽ được đảmbảo cho di động thông thường ở các ô macro

1.2 Môi trường vô tuyến trong thông tin di động

Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tínhiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác Trong mộtkênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ

là tổng hợp các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạcủa tín hiệu khác Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và cóthể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệuứng Doppler) Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênhtruyền Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đềrất qua trọng

Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máyphát và máy thu Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loạinhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fadingnhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễugiao thoa là rất lơn Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịuảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số

Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băngtần gốc thành rất nhiều các băng tần con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục

được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là cáckênh fading không lựa chọn tần số Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuậtOFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký

tự và đồng bộ sóng mang

1.3 Suy hao đường truyền

Suy hao đường truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mởrộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, lá cây và do phản

xạ từ mặt đất Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biện

độ 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 làsóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi chúng ta sử dụng anten địnhhướng 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 tỷ lệ với diện tích mặt cầu

Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua mộtkhoảng cách R:

111Equation Chapter (Next) Section 1

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do :

1.4 Kênh fadding đa đường

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ,khúc xạ, nhiễu xạ tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiềuthành phần và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác nhau Hiện tượng nàyđược gọi là truyền dẫn đa đường Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng củatín hiệu trong miền thời gian, tần số Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng nàylà: trải trễ, trải phổ tần số Doppler

Fading chậm xảy ra do sự cản trở của các tào nhà và địa hình tự nhiên nhưđồi , núi và được biết đến như fading dài kỳ

Fading nhanh xảy ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh Mobile Loạifading này còn được gọi là fading ngắn kỳ hay fading tỷ lệ nhỏ Fading tỷ lệ nhỏ

là sự thay đổi đột ngột (thay đổi nhanh) về biên độ và pha của tín hiệu khi có sựthay đổi nhỏ về khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu Tình chất của fading tỷ lệnhỏ có thể được mô tả trong miền thời gian và miền tần số Fading tỷ lệ lớn chính

là sự suy hao công suất hay suy hao đường truyền

Sự ảnh hưởng khác nhau của hiện tượng fading đối với tín hiệu vô tuyến diđộng có thể quan hệ trực tiếp tới đáp ứng xung của kênh vô tuyến di động Đápứng xung chứa tất cả các thông tin cần thiết cho việc mô phỏng hay phân tích bất

kỳ kiểu truyền dẫn vô tuyến nào qua một kênh truyền Do đó, một kênh vô tuyến

di động có thể được mô hình hóa như là một bộ lọc tuyến tính với đáp ứng xung

thay đổi theo thời gian Sự thay đổi này là do sự di chuyển của máy thu.

Để có thể hiểu rõ hơn bản chất của kênh fading đa đường, chúng ta sẽ tìmhiểu các khái niệm, hiện tượng xảy ra khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến diđộng như các thông số của kênh fading đa đường, hiệu ứng Doppler, mô hình đápứng xung, phân bố Rayleigh và Rician

1.5 Méo biên độ

1.5.1 Mô hình fading Rayleigh

Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều biếnthể của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫunhiên trong khoảng [0.2π] Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận] Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhậnđược có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải Vì vậy hàm pdf của các thành phầnđồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình không

và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm Hình bao pdf của chúngtheo phân bố Rayleigh:

2

P





, 0 ≤ θ ≤ 2π] Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận (1.6)

1.5.2 Mô hình fading Rician

Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trộinhư đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vuông pha không dùphương sai của chúng vẫn giống nhau Khi đó hàm pdf của tín hiệu nhận được cóphân bố Rician:

2 2 2

2 0

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 tại 1

Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ

khác:

2 2 2

Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading Về mặt BER fadingRician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh

1.5.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản

xạ Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảngdài hơn, và như vậy nó sẽ làm tăng lượng thu được trải rộng theo thời gian.Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng cách chênh lệch thờigian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng Trongthông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thốngkhông có cách khắc phục

là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễuGaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻthì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian

( ) 2

1 ( )

1.5.5 Hiện tượng Doppler

Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóngmang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền fC Xét trường hợp khi MS

di chuyển với vận tốc không đổi v với góc θ so với tín hiệu đến Tín hiệu nhậnđược là :

1 ( )

Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:

Từ đó giúp ta hiểu thêm các phương pháp ghép kênh để sử dụng kênh truyền

có hiệu quả hơn, cùng với việc phân tập để nâng cao chất lượng của kênh truyên

vô tuyến tốt hơn Trong đó một phương pháp ghép kênh có hiệu quả đã và đangngày càng được sử dụng rộng rãi ngày nay là kỹ thuật OFDM, cùng với hệ thốngMIMO Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nó ở các chương sau

số cao để truyền đi.

Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn Sau đó đượctách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về cácluồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu

Hình 2.1 Phân biệt FDM và OFDM.

Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trựcgiao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vàikhuyết điểm cần khắc phục

2.2 Khái niệm chung

2.2.1 Hệ thống đơn sóng mang

Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang

Hình 2.2 Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang

Với quá trình điều chế đơn sóng mang, tín hiệu được biểu diễn như sau:

l

(2.1)Trong đó a l là dữ liệu đầu vào của ký tự thứ l

2.2.2 Hệ thống đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đitrên nhiều sóng mang khác Tức là hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầuthành các luồng tín hiệu khác nhau, và điều chế mỗi dòng tín hiệu với các sóngmang khác nhau Các tín hiệu được truyền trên các kênh tần số khác nhau, sau đóghép những kênh này lại theo kiểu FDM Ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộthu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra các tínhiệu gốc ban đầu

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống đa sóng mang.

Hệ thống đa sóng mang, tín hiệu có thể được biểu diễn như sau:

1, 0 ( )

s s

Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần

số Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số

là Sin hay Sin(x)/x Biên độ hàm Sine có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ cóbiên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm Mỗi sóng mang của tín hiệu cóbiên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóngmang khác Do đó ta gọi các tín hiệu trực giao nhau

Ví dụ:

Giả sử 4 tín hiệu trực giao được điều chế bởi 4 sóng mang con hình since sau:

Hình 2.4a Bốn sóng mang trực giao nhau

Hình 2.4b Phổ của 4 sóng mang trực giao

Hình 2.5a Kỹ thuật đa sóng mang

Hình 2.5b Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau trong khoảng thời gian T nếu thỏa mãn

dạng Re( Aej(2f t k ))

những sóng mang (tone) này có tần số f k  k f cáchđều nhau một khoảng  f 1/T

2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM[5]

Các tín hiệu OFDM thường được tạo ra trong miền số do sự phức tạp khiphải tạo ra một số lượng lớn các bộ dao động khóa pha và các bộ thu trong

miền tương tự Hình 2.6 mô tả sơ đồ khối hệ của một hệ thống thu phát OFDM

tiêu biểu

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống OFDM.

Máy phát sẽ chuyển đổi chuỗi dữ liệu nối tiếp thành song song và đưa vào

bộ ánh xạ điều chế Bộ này sẽ gán biên độ và pha của các sóng mang con cho các

dữ liệu Sau đó toàn bộ biểu diễn tần số của dữ liệu sẽ được chuyển sang miềnthời gian bằng biến đổi IDFT Tiếp theo là quá trình cần thiết để phát tín hiệuOFDM trên kênh truyền ở miền tần số RF

Máy thu thực hiện quá trình ngược lại, chuyển tín hiệu RF về băng gốc để xử

lý, rồi dùng biến đổi DFT (hoặc FFT) để chuyển sang miền tần số Bộ tách điềuchế sẽ loại bỏ biên độ và pha sóng mang để trả lại dữ liệu số, dữ liệu này đượcchuyển từ song song về dạng nối tiếp ban đầu

2.3.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song

Dữ liệu vào thường là nối tiếp trong khi đó một ký hiệu OFDM bao gồmnhiều ký hiệu song song điều chế nhiều sóng mang con khác nhau nên cần phải có

bộ chuyển đổi nối tiếp - song song ở ngõ vào Dữ liệu phân phát cho mỗi ký hiệuOFDM phụ thuộc vào phương pháp điều chế và số sóng mang con Trong hệthống OFDM thích nghi, phương thức điều chế có thể thay đổi, do đó số bits trênmột sóng mang con cũng thay đổi Khi đó, bộ chuyển đổi nối tiếp - song songcũng thực hiện nhiệm vụ chèn thêm các bit phụ cho đủ số bit Ở máy thu sẽ diễn raquá trình ngược lại để khôi phục chuỗi nối tiếp ban đầu

Khi truyền qua kênh vô tuyến có fading chọn lọc tần số, fading có thể làmcho một nhóm các sóng mang con bị suy hao mạnh dẫn đến hiện tượng lỗi bit xuất

hiện theo từng cụm (do các sóng mang con bị nhiễu nằm kề cận nhau) Các bộ mãhóa sửa sai lại chỉ hoạt động có hiệu quả nếu các bit lỗi được trải đều thay vì tậptrung thành từng cụm Để khắc phục vần đề này, một số bộ chuyển đổi song songthực hiện việc phân các bit vào các sóng mang con một cách ngẫu nhiên(Scrambling) để các lỗi được phân bố gần như đều nhau theo thời gian.

Ở máy thu điễn ra quá trình giải mã ngược lại (descrambling)

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắngAWGN (không có fading):

max .log (12 / )[ ]

(2.6)Với B là băng thông của kênh truyền [Hz]

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng

dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng

bộ chuyển đổi nối tiếp song song S/P

Hình 2.7 Bộ S/P và P/S [5]

Ở phía thu, sẽ dùng bộ P/S để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành mộtluồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất

2.3.2 Điều chế sóng mang con [4]

Sau khi các bit dữ liệu được phân phát vào các sóng mang con, quá trìnhđiều chế diễn ra bằng cách ánh xạ các pha và biên độ của sóng mang con tương

ứng với ký hiệu điều chế, kết quả là mỗi ký hiệu được biểu diễn bởi 1 vector phứcgồm thành phần pha sóng mang (In-phase) và thành phần pha cầu phương(Quadrature - phase), gọi là vector IQ, ngọn của nó gọi là điểm IQ Phương phápđiều chế thường hay sử dụng.

Ở máy thu quá quá trình ánh xạ ngược lại sẽ khôi phục lại ký hiệu điều chếban đầu Do ảnh hưởng của nhiễu, các điểm IQ thu được có thể khác với điểm gốc.Máy thu sẽ xác định điểm IQ bằng cách tìm điểm IQ gốc nào nằm gần với điểm IQthu được nhất Lỗi ký hiệu sẽ phát sinh nếu nhiễu vượt quá 1/2 khoảng cách giữa 2điểm IQ kế cận Hình sau minh họa ví dụ ánh xạ điều chế 16-QAM ở máy phát vàquá trình giải điều chế ở máy thu với sự có mặt của nhiễu (SNR =18 dB)

Trong PSK Xn có biên độ không đổi và pha phụ thuộc b bit vào dn M-PSK

có M trạng thái pha phụ thuộc vào b log 2M bit vào, pha của Xn là 1 trong M góc

BPSK hay PRK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào

QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit vào

8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit vao

16-PSK có 16 pha phụ thuộc 4 bit vao

Hình 2.8 Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK

Trong sơ đồ M-QAM Xn có biên độ pha phụ thuộc b bit vào dn, QAM được

sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyến số tốc độ cao

Biểu thức tổng quát của tín hiệu M-QAM

E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

Ai,bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí ký tự trong chòm sao.Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tậphợp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là "điều chế biên độ vuông pha"

Si được phân tích thành hàm cơ sở:

1

2( )t b isin(2 f t c ); (0 t T)

T

(2.8b)

Hình 2.9 Giản đồ chòm sao M-QAM

Dạng điều chế có thể được quy định bởi số trạng thái ngõ vào M và số phức

- Phương pháp tiến hành

Chuỗi dữ liệu sau khi ra khỏi khối Signal Mapper được đưa vào IFFT

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau

Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần sốtương ứng Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha đểđưa vào khối Signal Demapper

Ta có công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm :

Biến đổi IDFT: x (t )=

2.3.4 Chèn đại lượng tiền tố lặp (CP-Cyclic Prefix)

Khi số lượng sóng mang con tăng lên, khoảng thời gian của một ký hiệuOFDM là TS trở nên lớn khi so sánh với khoảng thời gian đáp ứng xung của kênhtruyền τmax, do đó nhiễu ISI sẽ giảm bớt Tuy nhiên, để loại bỏ hoàn toàn hiệntượng ISI, và do đó bảo toàn tính chất trực giao giữa các tín hiệu trên các sóngmang con, nghĩa là đồng thời tránh được hiện tượng giao thoa sóng mang ICI, tachèn thêm đại lượng tiền tố vòng ( gọi là CP -cyclic prefix) có ý nghĩa như dải bảo

vệ ( guard band ) có thời gian:

max

g

Giữa các ký hiệu OFDM kế cận Tiền tố vòng này là một sự mở rộng tuầnhoàn trên mỗi kí hiệu OFDM, thực hiện bằng cách kéo dài thời gian các kí hiệuOFDM thành:

Không những có khả năng chống nhiễu ISI, đại lượng tiền tố vòng này còn

có tác dụng giảm sai số do lệch thời gian (time - offset) ở máy thu

Chiều dài trong miền rời rạc của tiền tố vòng này phải là :

g

S

N L

T





(2.13)Việc chèn thêm tiền tố vòng dẫn đến kết quả là chuỗi dữ liệu lấy mẫu x v

2.3.5 Điều chế RF

Sau bộ điều chế OFDM (gồm các khối ánh xạ điều chế, IFFT, chèn dải bảovệ, ) là tín hiệu rời rạc trong miền thời gian và là tín hiệu băng gốc Tín hiệu nàyphải được chuyển thành tín hiệu tương tự và đối tần lên tần số RF để phát đi Cóhai cách thực hiện nhiệm vụ này:

Cách thứ nhất là chuyển thành tín hiệu tương tự trước rồi dùng kỹ thuậttrộn tần tương tự

Cách thứ hai là dùng bộ trộn tần trong miền tần số, sau đó mới chuyểnsang dạng tương tự

2.4 Ưu điểm - nhược điểm của hệ thống OFDM

Ưu điểm của hệ thống OFDM:

Sử dụng phổ hiệu quả do phổ tần số có dạng gần như của sổ chữ nhật nếu

Thực hiện đơn giản trong miền tần số bằng cách dùng giải thuật FFT Máythu đơn giản do không cần bộ phận khử ISI và ICI nếu tiền tố vòng đủ dài

Nhược điểm của hệ thống OFDM:

OFDM có một tỉ số công suất đỉnh /trung bình (PAPR) tương đối lớn, mà tỉ

số này có xu hướng làm giảm hiệu suất của khuếch đại âm tần

Mất mát hiệu phổ do chèn khoảng dự trữ

Nhạy với hiệu ứng trải phổ Doppler hơn so với hệ thống đơn sóng mang

Nhiễu pha do sự không phối hợp giữa các bộ dao động ở máy phát và máythu có thể ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống

Phải có sự đồng bộ chính xác về tần số và thời gian, đặc biệt là tần số

2.5 Kết luận chương

Kỹ thuật OFDM hạn chế nhiễu, tiết kiệm băng thông trong truyền thông tin

di động Bên cạnh những ưu điểm thì còn những nhược điểm tồn tại Nhữngnhược điểm đó chúng ta vẫn có thể khắc phục được Nên công nghệ này được ápdụng rộng rãi trong các hệ thống như Wimax, Vowifi, trong các tiêu chuẩnIEEE Kỹ thuật này là cơ sở cho các hệ thống di dộng thứ 3, thứ 4 và các hệthống khác nữa

Chương 3.

HỆ THỐNG MIMO

3.1 giới thiệu

MIMO là hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập,

mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả phổ mà không tăngcông suất phát hay băng thông

Hình 3.1: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu.

Hij là hệ số đặc tính kênh truyền, truyền từ anten j đến anten i

Các ký thuật MIMO thường gặp: phân tập theo không gian, phân tập theothời gian, phân tập theo tần số, mã hóa khối không gian - thời gian, mã hóa lướikhông gian - thời gian, ghép kênh không gian

3.2 Kỹ thuật phân tập

Trong truyền thông không dây di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộngrãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của kênhtruyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần thiết Kỹthuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả mangcùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường fading Ýtưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao của tín hiệumột cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập Điều này có nghĩa

là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thể khôngsuy giảm Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên bản khác nhau sẽ làm giảm ảnhhưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đường truyền

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

mã hóa (coding) và xen kênh (interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênhtruyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thuđặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn

Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể ứng dụng trong miền không gian, sựphân cực của anten, miền tần số và miền thời gian

3.2.1 Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten

Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dâydùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều anten truyền hoặc dãy (row)anten được sắp xếp trog không gian tại phía phát và/hoặc phía thu Các anten đượcphân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho các tín hiệu không tương quan vớinhau Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môitrường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bướcsóng đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau

Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đếnnơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Phân tập không gian làm giảmhiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dâytốc độ cao trong tương lai Phân tập phân cực (Polarization) và phân tập góc(Angle diversity) là hai khía cạnh của phân tập không gian

Hình 3.2 Mô hình phân tập không gian

 Phân tập phân cực : Tín hiệu có phân cực đứng và phân cực ngang được

phát bởi anten có hai phân cực khác nhau và thu bởi các anten có phân cực khácnhau Sự phân cực khác nhau đảm bảo rằng hai tín hiệu không tương quan với

nhau mà không phải đặt hai anten cách nhau quá xa Khi yêu cầu về khoảng cáchanten cho phân tập anten không khả thi, phân tập phân cực được sử dụng Cùngmột anten có thể sử dụng ở các chế độ phân cực khác nhau Tuy nhiên, nó khôngthể có nhiều hơn 2 chế độ phân cực.

 Phân tập góc: thường được áp dụng khi truyền tín hiệu có tần số sóng

mang lớn hơn 10GHz Trong trường hợp này, tín hiệu phát đi bị tán xạ rất nhiềutrong không gian, tín hiệu thu được từ những hướng khác nhau sẽ độc lập vớinhau (không tương quan) Vì thế, các anten có thể đặt ở những hướng khác nhautại nơi thu để cung cấp sự không tương quan của các tín hiệu phát

Hình 3.3 Sự phân tập anten

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc ở nơi thu màngười ta chia phân tập không gian thành 3 loại:

Phân tập anten phát (MISO)

Phân tập anten thu (SIMO)

Phân tập anten phát và thu (MIMO)

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận cácphiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phátđược kết hợp một cách hoàn hảo đê tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớtfading đa đường Trong phân tập anten phát, nhiều anten được sử dụng ở nơi phát,

dữ liệu được xử lý ở nơi phát, kế đến dữ liệu được đưa đến các anten phát

Trong hệ thống thực tế, để đạt được BER của hệ thống theo yêu cầu, kết hợphai hay nhiều hệ thống phân tập thông thường để cung cấp sự phân tập nhiềuchiều (multi - dimensinal diversity)

3.2.2 Phân tập tần số

Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để cùng phát một thông tin.Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởng củafading với các tần số còn lại Khoảng tần số ở mức vài lần băng thông kết hợpkênh sẽ đảm bảo đặc tính thống kê fading của tần số khác nhau sẽ độc lập nhau.Trong thông tin di động, các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ởdạng dư thừa trong miền tần số để tạo ra trải phổ giống như trải phổ chuỗi trựctiếp, điều chế đa sóng mang, nhảy tần Kỹ thuật trải phổ có tác dụng khi băngthông kết hợp của kênh nhỏ Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơnbăng thông trải phổ, thì trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ symbol Trong trườnghợp này, trải phổ sẽ không hiệu quả để tạo ra phân tập tần số Phân tập tần số gây

ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số

3.2.3 Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh

Ta có thể so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi

độ lợi kênh truyền rất nhỏ (deep fade)

Hình 3.4 Phân tập theo thời gian

Từ hình, ta thấy rằng từ mã x2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ xenkênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồilại từ 3 ký tự bị ảnh hưởng bởi fading

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống hệt nhauqua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu fading không tươngquan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán

của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading

1

c

f v f Mã điều khiển lỗithường được sử dụng trong hệ thống truyền thông số để cung cấp độ lợi mã(coding gain) so với hệ thống không mã hóa

Trong truyền thông di động, mã điều khiễn lỗi kết hợp với xen kênh để đạtđược sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phátđến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại cácphiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu đượcfading độc lập tại ngõ vào của bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫnđến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fadingnhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền fadingchậm, nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể

Kết hợp lựa chọn: là phương pháp kết hợp phân tập đơn giản.

Xét một hệ thống phân tập anten thu với nR anten Trong hệ thống này, tínhiệu tức thời có SNR lớn nhất trong mỗi chu kỳ ký tự được chọn là ngõ ra sao choSNR ở ngõ ra bằng với tín hiệu đến tốt nhất Trong thực tế , tín hiệu có tổng côngsuất của tín hiệu và công suất nhiễu (S+N) lớn nhất sẽ được chọn, vì rất khó đểxác định SNR

Hình 3.5 Phương pháp kết hợp lựa chọn Kết hợp chuyển nhánh theo ngưỡng : Bộ thu sẽ quét tất cả các nhánh và

chọn một nhánh cụ thể có SNR lớn hơn mức ngưỡng xác định trước Tín hiệuđược chọn xem như là ngõ ra cho đến khi SNR của nó giảm xuống dưới mứcngưỡng Khi điều này xảy ra, bộ thu bắt đầu quét lại và chuyển sang chọn nhánhkhác thỏa mãn yêu cầu Phương pháp này còn gọi là sự phân tập quét (scanningdiversity)

Hình 3.6 Phương pháp kết hợp chuyển nhánh

So với phương pháp phân tập lựa chọn thì phân tập chuyển mạch kém hơn

vì nó không nhận tín hiệu tốt nhất một cách tức thời Tuy nhiên, nó đơn giảnhơn trong thực hiện vì nó không yêu cầu giám sát đồng thời và liên tục trên tất

cả các nhánh

Kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất: là phương pháp kết hợp tuyến tính Các tín

hiệu ngõ vào khác nhau được đặt các trọng số riêng và cộng với nhau để được tínhiệu ngõ ra

Ngõ ra của bộ kết hợp tuyến tính có trọng số của tín hiệu nhận được

Đặt Ai và Φ i là biên độ và pha của tín hiệu nhận được ri Gỉa sử mỗi antenthu có cùng mức công suất nhễu, trọng số αi được biểu diễn như sau:

Hình 3.7 Phương pháp theo tỷ lệ lớn nhất MRC

Trong sơ đồ này, mỗi tín hiệu riêng phải đồng pha, trọng số hóa biên độ của

nó và cộng lại với nhau Sơ đồ này yêu cầu biết được biên dộ của thông số kênhtruyền và pha của tín hiệu Vì thế, nó có thể được sử dụng kết hợp với tách sóngnhất quán nhưng không kết hợp được với tách sóng không nhất quán

Kết hợp theo độ lợi: là phương pháp kết hợp tuyến tính đơn giản nhưng

chưa tối ưu Nó không yêu cầu ước lượng biên độ fading trên mỗi nhánh Thay vì

bộ thu sẽ cho biên độ của trọng số là 1

3.3 Mã hóa không gian thời gian-STC

Khác với MIMO trong trường hợp Beamforming, khoảng cách giữa cácanten là khá nhỏ nên tín hiệu tại anten là các phiên bản giống nhau bị trễ, trong hệthống MIMO sử dụng hệ thống mã hóa không gian - thời gian STC(Space-time-code) Các anten được thiết kế với khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu tại antenkhông ảnh hưởng lẫn nhau Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiệntượng đa đường và tán xạ mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toànđộc lập Thay vì tìm cách chống lại hiện tượng đa đường, mã hóa không gian-thờigian lợi dụng tính chất này để nâng cao dung lượng kênh truyền Với một chuốisymbol vào, bộ mã hóa không gian-thời gian sẽ chọn các điểm tương ứng trêngiản đồ chòm sao để truyền đồng thời tại tất cả các anten qua đó tăng độ lợi ghépkênh và độ lợi phân tập Có 3 loại mã hóa không gian - thời gian là:

Mã hóa không gian - thời gian khối STBC (Space-Time Block Code)

Mã hóa không gian - thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code)

Mã hóa không gian - thời gian lớp BLAST (Bell-Laboratories LayeredSpace -Time)

3.3.1 Mô hình hệ thống MIMO

Một hệ thống thông tin điểm điểm đa anten băng hẹp gồm NT anten phát và

Nr anten thu có thể được biểu diễn bởi mô hình rồi rạc thời gian như sau:

Ta có thể viết lại ma trận dưới dạng

 là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức hij, kích thước

NR×NT , hij có biên độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi củakênh truyền từ anten phát j đến anten thu i

Kênh truyền MIMO Rayleigh : hij được mô hình theo I.I.D với trung bìnhbằng 0, phân bố ngẫu nhiên theo phân bố Gauss vòng mỗi chiều có phương sai1/2 (chu ý: sự phụ thuộc thời gian không đề cập ở đây nhưng x, y, n và H là cácquá trình thống kê, chúng ta giả sử rằng bộ thu có thể ước lượng chính xác trạngthái kênh truyền H Vì thế bộ thu biết được trạng thái tức thời của kênh truyền.)

3.3.2 Dung lượng hệ thống MIMO

Giả sử chúng ta có N kênh truyền 1 chiều song song bị các nguồn nhiễuGauss có phương sai 12, , có tác động như hình sau Dung lượng mỗi kênh2Nđơn được tính theo định lý Shanon, dung lượng của hệ thống song song là tổngdung lượng của các kênh đơn:

Hình 3.8 N kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song

Ma trận kênh truyền H của kênh truyền MIMO định trước và được xem làbất biến suốt thời gian và tổng công suất phát tín hiệu từ NT anten phát phía thuđược giữ không đổi là P

Dung lượng của kênh truyền phụ thuộc vào ma trận H và có thể được tínhthông qua việc phân tách H thành một tập các kênh truyền con song song, theophân bố Gauss, độc lập và vô hướng

H N

V V I )

R T

N N

 là ma trận đường chéo, với các hệ số thực không âm d1 ≥ d2 ≥ ≥

dN chính là các giá trị đơn (single value) của ma trận H với N = min (NT,NR), hạngcủa H bằng với số trị đơn khác không Bình phương các trị đơn chính là các trịriêng λn của ma trận H.HH hay HHH