Mô hình và phương pháp triệt nhiễu trong hệ thống mimo OFDM có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian

Hình 3.1 Ảnh hưởng sai số lan truyền đến chất lượng giải mã giữa các lớp của thuật toán V-BLAST trong hệ thống MIMO-OFDM 4 × 4, điều chế QPSK và thông tin trạng thái kênh CSI hoàn hảo..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=============

ĐÀO MINH HƯNG

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA

TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

LUẬN ÁN TIÊN SY KY THUẬT

Hà Nội – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=============

ĐÀO MINH HƯNG

MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA

TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 62.52.70.05

LUẬN ÁN TIÊN SY KY THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Quốc Trung

Hà Nội – 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tác giả, không sao chép của bất kỳ người nào Các kết quả số liệu nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kỳ ai

Tác giả luận án

Đào Minh Hưng

Đào Minh Hưng

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Trung và TS Nguyễn Viết Nguyên những người đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Sau Đại học, Viện Điện tử - Viễn thông, các Thầy

Cô giáo Bộ môn Kỹ thuật Thông tin, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình Tôi cũng xin cảm ơn các Nhà khoa học đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu để luận án hoàn thiện

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình đến BGH Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, cùng ba mẹ, các anh chị em, bạn

bè và đồng nghiệp những người đã ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận án

Tác giả luận án

Đào Minh Hưng

Trang

MỞ ĐẦU……… 1

MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU……… 6

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN TRIỆT NHIỄU CHO CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM………

9 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN……… 12

CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN……… 13

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN……… 14

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO-OFDM………. 15

1.1 GIỚI THIỆU………. 15

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN……… 17

1.2.1 Suy hao đường truyền………. 17

1.2.2 Hiện tượng pha đinh đa đường ……… 18

1.2.3 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc vào tần số ………. 18

1.2.4 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc thời gian………. 20

1.2.5 Kênh pha đinh Rayleigh và kênh pha đinh Rice………. 23

1.3 HỆ THỐNG MIMO-OFDM……… 26

1.4 MÔ HÌNH TÍN HIỆU MIMO-OFDM ……… 27

1.5 ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM………

30 1.5.1 Ước lượng kênh cho hệ thống MIMO-OFDM……… 30

1.5.2 Cân bằng tín hiệu cho hệ thống MIMO-OFDM……… 38

1.6 MÃ HÓA V-BLAST TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM……… 40

1.6.1 Mô hình hệ thống V-BLAST MIMO-OFDM……… 41

1.6.2 Thuật toán tách ZF V-BLAST……… 42

1.6.4 Thuật toán tách hợp lý cực đại MLD……… 52

1.6.5 So sánh chất lượng các thuật toán……… 54

1.6.6 So sánh độ phức tạp các thuật toán……… 56

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG……… 57

Chương 2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN

59 2.1 MÔ HÌNH KÊNH MIMO TƯƠNG QUAN KHÔNG GIAN 59

2.1.1 Mô hình kênh MIMO không tương quan 59

2.1.2 Mô hình kênh MIMO tương quan băng rộng 60

2.1.3 Hàm tương quan không gian của hệ thống MIMO-OFDM băng rộng 64

2.1.4 Ảnh hưởng dịch Doppler và khoảng cách anten đến chất lượng hệ thống

66 2.1.5 Sự phụ thuộc tương quan không gian vào khoảng cách các phần tử anten

69 2.2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM

71 2.2.1 Mô tả hệ thống 71

2.2.2 Mô hình tín hiệu có ích và nhiễu ICI 74

2.2.3 Mô hình nhiễu xuyên ký hiệu ISI 80

2.2.4 Ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDM 80

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 84

Chương 3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN V-BLAST VÀ SƠ ĐỒ TRIỆT NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

86 3.1 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN GIẢI MÃ MMSE V-BLAST 86

3.1.1 Đặt vấn đề 86

3.1.2 Đề xuất cải tiến thuật toán 88

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 105

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 109

KẾT LUẬN CHUNG 110

Các đóng góp chính của luận án 110

Các hướng nghiên cứu tiếp theo 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

ACF AutoCorrelation Function Hàm tự tương quan

ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh lân cận

ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng tính

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái của kênh

truyền DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số - tương tự

DFE Decision-Feedback Equalization Cân bằng hồi tiếp quyết định DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

FEC Forward-Error Correction Sửa lỗi hướng tới

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

HDTV High Definition Television Truyền hình độ phân giải cao HIPER

LAN/2

High Performance Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ chất lượng cao kiểu 2

ICI InterChannel Interference Nhiễu xuyên kênh

LSD Linear Signal Detector Bộ tách tín hiệu tuyến tính

MAP Maximum A posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm cực đại

MMSE Minimum Mean Square Error Sai số bình phương trung bình tối

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PDP Power Delay Profile Profile trễ công suất

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không

gian SER Symbol Error Ratio Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SIC Successive Interference Cancellation Triệt nhiễu nối tiếp

SINR Signal to Interference-plus-Noise

VLSI Very Larger Scale Integration Tích hợp với mật độ cao

WiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy cập vi ba WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

τ Trễ truyền dẫn của kênh truyền

L Độ dài kênh truyền

G Độ dài khoảng bảo vệ mỗi ký hiệu OFDM

N FFT Độ dài FFT

N Số sóng mang con

B Độ rộng băng tín hiệu/ hệ thống

N t Số lượng anten phát

N r Số lượng anten thu

δ t Khoảng cách giữa hai phần tử anten phát

δ r Khoảng cách giữa hai phần tử anten thu

λ Bước sóng của sóng mang

||.||2 Euclidean norm của vector

(.)H Chuyển vị và lấy liên hiệp phức của ma trận hay một biến (.)T Chuyển vị của ma trận / vector

(.)-1 Nghịch đảo của ma trận

(.)† Nghịch đảo Moore-Penrose của ma trận

E[.] Toán tử kỳ vọng

J 0(.) Hàm Bessel bậc không loại một

diag(x) Ma trận chéo với các phần tử của vector x trên đường chéo của nó

 x Số nguyên lớn nhất nhỏ hơn hoặc bằng x

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1 Các chuẩn MIMO và các công nghệ kết hợp 8 Bảng 1.1 So sánh độ phức tạp các thuật toán ZF, MMSE, MLD 57 Bảng 2.1 Các tham số hệ thống sử dụng để mô phỏng 81

Trang

Hình 1.3 Một ví dụ về kênh truyền pha đinh Rayleigh 24 Hình 1.4 Hàm PDF phân bố Rice với các giá trị K khác nhau 25 Hình 1.5 Sơ đồ khối tổng quát mô tả hệ thống thu, phát MIMO-OFDM 26 Hình 1.6 So sánh ước lượng LS và ước lượng MMSE 35 Hình 1.7 Ước lượng kênh LS thông thường trong hệ thống MIMO-

OFDM có và không có nhiễu ISI

37

Hình 1.8 Ước lượng kênh LS cải tiến bởi Nguyen [86] trong hệ thống

MIMO-OFDM có và không có nhiễu ISI

37

Hình 1.9 So sánh ước lượng LS thông thường và cải tiến trong hệ thống

MIMO-OFDM khi có nhiễu ISI

38

Hình 1.10 Sơ đồ minh họa mã hóa BLAST: a, mã hóa D-BLAST b, mã

hóa V-BLAST

40

Hình 1.11 Cấu trúc đơn giản hệ thống V- BLAST MIMO-OFDM 41

Hình 1.14 Cấu trúc SIC ZF-VBLAST theo thứ tự tối ưu 47 Hình 1.15 BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh Rayleigh

phẳng, điều chế BPSK của thuật toán ZF V-BLAST

54

phẳng, điều chế BPSK của thuật toán MMSE V-BLAST.

Hình 1.17 So sánh BER của hệ thống 2 × 2 MIMO trên kênh pha đinh

Rayleigh phẳng, điều chế BPSK của các thuật toán ZF,

MMSE, ML V-BLAST

55

Hình 2.2 Mô hình một vòng tròn của hệ thống MIMO 2 × 2 61 Hình 2.3 Phân chia vòng tròn phân bố thành L cặp khác nhau 62 Hình 2.4 Mô hình hàm tương quan không gian với α T = α R = π/2 và

Δ = 20

66

Hình 2.5 SER của hệ thống MIMO-OFDM có ảnh hưởng tương quan

với δ t / λ = 30 và δ r / λ = 3 đối với các tần số Doppler khác

nhau

67

Hình 2.6 SER của hệ thống 2 × 2 MIMO-OFDM với các khoảng cách

giữa các phần tử anten khác nhau

68

Hình 2.7 SER của hệ thống MIMO-OFDM trong trường hợp thông tin

trạng thái kênh CSI hoàn hảo và không hoàn hảo với

Hình 2.9 Sự phụ thuộc hàm tương quan vào khoảng cách giữa 2 phần tử

anten phát δ t / λ khi khoảng cách giữa 2 phần tử anten thu

δ r / λ = 0.5, δ r / λ = 2.

70

Hình 2.11 Đồ thị biểu diễn tỷ số SER phụ thuộc vào độ dài khoảng bảo

vệ có ảnh hưởng của tương quan không gian với các khoảng

cách anten thu và phát khác nhau

82

Hình 2.12 Chất lượng hệ thống MIMO-OFDM trong các trường hợp có

và không có nhiễu trên mô hình tương quan không gian với

δ t = 11λ, δ r = 0.5λ.

83

và không có nhiễu trên mô hình tương quan không gian với

δ t = 18λ, δ r = 3λ

Hình 3.1 Ảnh hưởng sai số lan truyền đến chất lượng giải mã giữa các

lớp của thuật toán V-BLAST trong hệ thống MIMO-OFDM

4 × 4, điều chế QPSK và thông tin trạng thái kênh CSI hoàn

hảo

87

Hình 3.2 Kết quả BER của các thuật toán MMSE V-BLAST thông

thường, LSD V-BLAST, V-BLAST đề xuất đối với hệ thống MIMO-OFDM 4 × 4 trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng đối với chòm sao QPSK

97

Hình 3.3 BER của thuật toán V-BLAST đề xuất trong hệ thống

MIMO-OFDM 2 × 2, 4 × 4, 6 × 6 trên kênh pha đinh Rayleigh phẳng đối với chòm sao QPSK

97

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống phát (a), hệ thống thu V-BLAST

MIMO-OFDM đề xuất (b)

102

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện so sánh chất lượng của hệ thống

MIMO-OFDM 2 × 2 trong các trường hợp chỉ có triệt nhiễu và sử

dụng MMSE V-BLAST thông thường kết hợp triệt nhiễu

106

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện so sánh chất lượng của hệ thống

MIMO-OFDM 2 × 2 trong các trường hợp sử dụng MMSE V-BLAST thông thường và MMSE V-BLAST đề xuất kết hợp triệt nhiễu

107

Hình 3.9 So sánh chất lượng của hệ thống MIMO-OFDM 2 × 2 trong

trường hợp MMSE V-BLAST đề xuất và STBC kết hợp với triệt nhiễu

108

MỞ ĐẦU

Nhiễu là đối tượng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệ thống truyền

thông và đo lường Đối với các hệ thống truyền dẫn, nhiễu có thể là tạp âm (noise)

luôn tồn tại trong tín hiệu của bộ giải điều chế và cũng có thể là nhiễu giao thoa

(interference) của các tín hiệu trên băng tần làm việc do sự hoạt động kém hiệu quả

từ các bộ lọc Khái quát hóa nhiễu có thể là noise hay interference, đó đều là các tín hiệu, tín hiệu này có ích hay không là còn tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể Chẳng hạn như tiếng ồn từ tiếng nổ của xe hơi có thể cho ta nhận biết tình trạng máy móc của động cơ hoặc can nhiễu có thể phá hủy, ngăn chặn các tín hiệu vô tuyến chứa thông tin không có ích, những trường hợp này nhiễu là tín hiệu có ích Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn dịch vụ thông tin thì tạp âm và can nhiễu đều là những tín hiệu không có ích vì nó làm tăng các thành phần không mong muốn tại đầu ra của bộ giải điều chế Trong các hệ thống thông tin, vấn đề nhiễu được sự quan tâm khá nhiều của các nhà khoa học, nhất là trong các hệ thống thu Thông thường, các công trình nghiên cứu về nhiễu được tập trung nhiều ở các hệ thống thông tin không dây, trong thập niên 1970 – 1980 là các hệ thống thông tin vệ tinh

và từ năm 1995 đến nay là các hệ thống thông tin di động số

Ngày nay, với nhu cầu về chất lượng dịch vụ ngày càng cao của người sử dụng, các hệ thống thông tin đòi hỏi phải ổn định, tin cậy và tốc độ truyền dẫn lớn Để có những hệ thống như vậy thì kỹ thuật phân tích và loại trừ nhiễu trong tín hiệu thông tin ngày càng tinh vi hơn, hiệu quả hơn

Trước tiên, luận án giới thiệu sơ lược về các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống thông tin số

Tạp âm trắng (White Noise): Về mặt lý thuyết, tạp âm trắng được định nghĩa là

quá trình ngẫu nhiên không tương quan có mật độ phổ công suất bằng nhau trên toàn bộ dải tần số Trong thực tế, hệ thống thông tin luôn có băng tần giới hạn, và trong băng tần này nếu có một quá trình nào đó mà phổ của nó bằng phẳng, quá

trình có đặc điểm như vậy được coi như là tạp âm trắng [82] Ví dụ, hệ thống âm thanh có độ rộng băng tần 10 kHz, nhiễu có phổ phẳng trong băng tần đó thì xem như là tạp âm trắng

Tạp âm trắng có hàm mật độ xác suất tuân theo phân bố Gauss nên thường được

gọi là tạp âm trắng Gauss Tạp âm trắng Gauss có tính chất độc lập thống kê (không tương quan) Trong các ứng dụng hệ thống viễn thông, tạp âm trắng Gauss sử dụng như là nhiễu cộng nên gọi là tạp âm trắng Gauss cộng tính AWGN (Additive White Gaussian Noise) và mô hình hóa như hình 1 và hình 2

()

Tín hiệu phát

Tín hiệu thu AWGN

Hình 2: Mô hình kênh của tạp âm trắng.

Phương trình (2) cho thấy rằng phổ công suất của tạp âm trắng là hằng số

Phổ công suất của tạp âm trắng trong băng tần hữu hạn B được biểu diễn bằng:

0

)

B f f

Nhiễu xuyên ký hiệu ISI (InterSymbol Interference): ISI là nhiễu xuyên giữa

các ký hiệu (symbol), là một dạng gây méo của tín hiệu Đây là hiện tượng không

mong muốn do các ký hiệu liền kề trước gây ra khi có một tác nhân nào đó và làm giảm độ tin cậy cho hệ thống viễn thông Trong các hệ thống viễn thông, ISI xuất hiện thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường, kênh truyền có băng thông hạn chế, đáp ứng tần số không bằng phẳng hoặc các đặc tính kênh không đáp ứng yêu

cầu của tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất (the first Nyquist’s criterion) Trong hệ thống

có nhiễu ISI thì nó sẽ tác động làm cho tín hiệu ở hệ thống thu bị lỗi Nhiễu ISI trong các hệ thống thông tin đã được trình bày khá cơ bản và đầy đủ trong tài liệu [65] Nhiễu ISI phụ thuộc vào từng loại điều chế, dạng của nó có thể nhìn được nhờ

máy hiện sóng bằng đồ thị mắt hoặc biểu đồ chòm sao (constellation) Hình 3 là đồ

thị mắt của tín hiệu trước và sau khi bị nhiễm nhiễu ISI Khi không có nhiễu ISI đồ

thị mắt mở rộng (hình 3a), khi bị nhiễm nhiễu ISI đồ thị mắt hẹp hơn và khó phân biệt tín hiệu “0” hay “1” (hình 3b)

Phương pháp chung thường dùng để khử ISI là sử dụng các bộ cân bằng thích nghi, bộ lọc cos nâng hoặc đặc tính kênh truyền phải thỏa mãn điều kiện Nyquist thứ nhất

Nhiễu xuyên kênh ICI (InterChannel Interference): Nhiễu xuyên kênh ICI

gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau Tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị ảnh hưởng của tần số Doppler nên xảy ra dịch tần gây nhiễu sang kênh kề

nó và vì vậy tạo ra ICI Để khử nhiễu ICI, giữa các dải tần phải chèn các băng bảo

vệ (guard band) Nhiễu ICI đã đề cập đầy đủ trong [69] Hình 4 minh họa trường hợp nhiễu xuyên kênh ICI

Nhiễu đồng kênh CCI (CoChannel Interference): Nhiễu đồng kênh CCI được

định nghĩa như là tín hiệu không có ích tạo ra từ hai hay nhiều tín hiệu độc lập được

phát cùng một lúc trên cùng một dải tần số Nhiễu đồng kênh CCI thường xuất hiện trong hệ thống thông tin di động tế bào Tần số tái sử dụng cũng có thể gây nhiễu CCI làm giới hạn hiệu suất của hệ thống Nhiễu CCI cũng được trình bày khá đầy

đủ trong [65]

Nhiễu kênh lân cận ACI (Adjacent Channel Interference): Nhiễu kênh lân

cận ACI là do hạn chế của các thiết bị vô tuyến gây ra như độ ổn định tần số phát, băng thông máy thu, các bộ lọc phối hợp Nhiễu ACI có thể phân loại thành: nhiễu

trong băng (inband) và nhiễu ngoài băng (out of band) Khi độ rộng băng của nhiễu

có tâm nằm trong độ rộng băng tín hiệu mong muốn thì gọi là nhiễu trong băng, ngược lại khi độ rộng băng của nhiễu có tâm nằm phía ngoài độ rộng băng tín hiệu mong muốn thì gọi là nhiễu ngoài băng

Trong hệ thống thông tin di động tế bào, nhiễu ACI có thể phân thành hai loại:

 ACI trong cùng tế bào (intercell): Nếu các kênh lân cận dùng trong cùng một

tế bào thì thiết bị di động gần trạm phát nhất sẽ gây can nhiễu đối với các thiết bị di động ở xa hơn Vì vậy trong các hệ thống di động cần hạn chế việc sử dụng các kênh lân cận trong cùng một tế bào

 ACI giữa các tế bào (intracell): Trường hợp không dùng các kênh kề nhau

trong cùng một tế bào nhưng lại dùng cho các tế bào lân cận cũng gây ra nhiễu ACI Khi hai thiết bị di động ở trên hai tế bào kề nhau nhưng gần nhau tại biên, mỗi thiết

bị di động phát về trạm thu phát gốc của mình thông qua các kênh lân cận, lúc này trạm thu phát gốc sẽ thu được tín hiệu cần thiết cộng với tín hiệu của thiết bị di động của tế bào lân cận sẽ gây ra nhiễu ACI Do đó, trong hệ thống thông tin di động cần tránh sử dụng các kênh kề nhau ở hai tế bào lân cận Nhiễu kênh lân cận

so với nhiễu đồng kênh tại cùng một mức công suất nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận luôn nhỏ hơn

Trong hệ thống thông tin di động tế bào MC-CDMA (Multicarrier Code Division Multiple Access), nhiễu ACI trong cùng tế bào có thể được khử bằng cách

dùng một dãy “tap” cân bằng trên miền tần số [78] còn nhiễu ACI giữa các tế bào

có thể khử được như đã đề cập trong các tài liệu [1], [25]

Tùy theo từng hệ thống và môi trường truyền dẫn khác nhau mà xuất hiện các loại nhiễu khác nhau Do đó, tùy theo cấu trúc của từng hệ thống mà có những biện pháp cụ thể khác nhau để phân tích và triệt nhiễu

MỤC ĐÍCH VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1 Mục đích nghiên cứu

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng với sự phát triển

của kỹ thuật tích hợp với mật độ rất cao VLSI (Very Large Scale Integation) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) cho phép thực hiện các thuật

toán cũng như các hệ thống mã hóa phức tạp nhờ các thiết bị rất nhỏ có mức công suất tiêu thụ thấp Điều đó tạo điều kiện phát triển các hệ thống thông tin di động số hiện đại Sự phát triển của các công nghệ này làm động lực thúc đẩy để phát triển các loại thiết bị và dịch vụ của hệ thống thông tin số trên phạm vi toàn cầu Ngoài

ra, nhu cầu về dung lượng và việc cải thiện chất lượng của các hệ thống thông tin

cũng liên tục tăng Các ứng dụng của việc truyền dữ liệu đa phương tiện (các luồng

dữ liệu hình ảnh và tiếng nói) hoặc các mạng trò chơi trực tuyến cũng đòi hỏi phải

có hệ thống sử dụng hiệu quả phổ để cung cấp chất lượng dịch vụ phù hợp [6], [7], [94] Như đã vạch ra trong [55] cần thiết phải xây dựng và phát triển công nghệ truyền thông mới có thể đáp ứng được nhu cầu dung lượng cho hệ thống không dây tương lai Vì vậy, việc phát triển kỹ thuật vô tuyến với độ tin cậy ngày càng cao trở thành lĩnh vực “nóng” trong kỹ thuật thông tin Tuy nhiên, đây là nhiệm vụ rất khó khăn vì hệ thống không dây phải chống chọi với hiện tượng pha đinh tín hiệu, truyền dẫn đa đường, tạp âm, nhiễu và sự giới hạn băng thông Do đó, triệt nhiễu là một trong những kỹ thuật không thể thiếu khi thiết kế các hệ thống thông tin số, nhất là đối với thông tin vô tuyến

Theo lý thuyết thông tin của Shannon, dung lượng kênh là tốc độ truyền bit lớn nhất có thể mà kênh truyền đáp ứng Do đó, công thức xác định dung lượng kênh là

một hàm của độ rộng băng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) [83] Tăng công suất

tín hiệu và mở rộng băng thông kênh truyền là hai phương pháp trực quan để tăng dung lượng kênh truyền Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều không thể thực hiện được trong thực tế vì công suất tín hiệu bị ràng buộc bởi thiết bị di động, còn phổ kênh truyền bị giới hạn bởi luật tần số vô tuyến Vì vậy, đã có nhiều phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau được cải tiến với mục đích để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Trong thực tế, các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng các hệ thống với

nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (được gọi là hệ thống MIMO) có thể nâng cao rất lớn

thông lượng hệ thống, độ tin cậy và phạm vi phủ sóng mà không cần tăng công suất tín hiệu và mở rộng băng thông kênh truyền [9], [75] Trong [30] cũng đã chứng tỏ rằng với sự trợ giúp của kỹ thuật MIMO có thể tăng dung lượng, tăng kích thước phủ sóng và tăng chất lượng hệ thống Vì vậy, bằng cách thực hiện truyền dẫn MIMO và tách tín hiệu trên sóng mang con, các thuật toán MIMO có thể được áp dụng cho hệ thống thông tin băng rộng [19], [26], [29] Các hệ thống MIMO đã được quan tâm chú ý trong thập kỷ qua do các lợi ích và tiềm năng của nó, các nghiên cứu liên quan đến MIMO đã hoạt động tích cực trong những năm gần đây trong các viện nghiên cứu lẫn các viện công nghiệp [8], [20]

Ngoài ra, công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được phát triển từ những năm sáu mươi của thế

kỷ trước và được nghiên cứu bổ sung hoàn thiện trong những năm qua vì nó có ưu điểm nổi bật là sử dụng hiệu quả phổ tần số và khả năng chống lại sự phụ thuộc tần

số của kênh pha đinh nhờ vào kỹ thuật làm tăng chiều dài của ký hiệu dữ liệu [39]

Vì những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật MIMO và công nghệ OFDM, trong thời gian gần đây sự kết hợp giữa MIMO, OFDM được quan tâm nghiên cứu và là ứng viên áp dụng cho hệ thống thông tin di động tương lai

Để chứng minh điều này có thể xem trong các chuẩn ứng dụng vô tuyến Trong bảng 1 tóm tắt một số tiêu chuẩn ứng dụng kỹ thuật MIMO để nâng cao chất lượng của hệ thống thông tin [68]

Các chuẩn Công nghệ kết hợp

WiMAX 802.16 2004 OFDM/ OFDMA

3GPP Release 8 (LTE) OFDMA

Bảng 1: Các chuẩn MIMO và các công nghệ kết hợp

Trong bảng 1, chúng ta thấy rằng tất cả các chuẩn đều sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật MIMO và công nghệ OFDM ngoại trừ 3GPP phiên bản 7 Ngoài ra, mặc dù MIMO có khả năng kết hợp với bất kỳ loại điều chế hoặc kỹ thuật đa truy nhập nào nhưng các nghiên cứu đã đề nghị thực hiện kết hợp MIMO với OFDM bởi vì ngoài các hiệu quả như đã đề cập ở trên, sự kết hợp này còn có lợi thế là các phép toán đại

số ma trận đơn giản trong phép xử lý tín hiệu [54] Một lần nữa đã cho thấy rằng sự

kỳ vọng rất lớn trong việc kết hợp giữa MIMO và OFDM

Trong hệ thống MIMO-OFDM, nếu độ dài khoảng bảo vệ không nhỏ hơn trải trễ cực đại và kênh truyền không phụ vào thời gian thì hoàn toàn có thể tránh được nhiễu ISI, ICI Tuy nhiên, trong thực tế hai điều kiện trên khó được thỏa mãn, vì vậy sự xuất hiện nhiễu ISI, ICI trong hệ thống là không thể tránh khỏi Ngoài ra, trong hệ thống MIMO-OFDM còn có nhiễu đồng kênh CCI bởi các luồng tín hiệu phát đồng thời trên các anten phát Do đó, bài toán triệt nhiễu đặt ra là cần thiết nhằm tăng cường chất lượng cho hệ thống

2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

Với mục đích đã đề ra ở trên, tác giả đã chọn “Hệ thống thông tin số băng rộng MIMO-OFDM” là đối tượng nghiên cứu trong luận án của mình

Mục tiêu của luận án này là: xây dựng mô hình nhiễu cho các hệ thống

MIMO-OFDM, đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST nhằm nâng cao hiệu quả triệt

nhiễu, nghiên cứu sơ đồ triệt nhiễu cho hệ thống MIMO-OFDM Tất cả các giải pháp đề xuất đều được xem xét có tính đến ảnh hưởng của tương quan không gian

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN TRIỆT NHIỄU CHO CÁC HỆ THỐNG MIMO-OFDM

1 Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong nước

Trong bài báo [1] đã đề xuất máy thu lặp MMSEC-PIC (Minimum Mean Square Error Equalization Combining-Parallel Interference Cancellation) dựa vào sự kết

hợp giữa kỹ thuật cân bằng MMSE trên miền tần số và kỹ thuật triệt nhiễu song song phi tuyến (PIC), cùng với sử dụng thuật toán cực đại hóa kỳ vọng EM

(Expectation Maximization), ước lượng kênh bằng một số ký hiệu dẫn đường để

thực hiện triệt nhiễu giữa các tế bào cho hệ thống MC-CDMA

Trong bài báo [5] đã đề xuất các thuật toán đồng bộ cho hệ thống MC-CDMA

sử dụng kênh đồng bộ ghép theo thời gian và theo tần số để triệt được nhiễu xuyên

ký hiệu ISI và nhiễu xuyên kênh ICI

Trong [3], [4] đã đề xuất phương pháp cấp phát kênh động phân tán áp dụng cho mạng OFDM nhiều người sử dụng hoạt động ở chế độ ghép song công phân chia theo thời gian (TDD) Phương pháp đề xuất cho phép mạng tái sử dụng toàn bộ tần số, đồng thời giảm nhiễu đồng kênh CCI Việc giảm nhiễu đồng kênh CCI có thể thực hiện được nếu tính chất phụ thuộc thời gian và tần số của kênh phân tập đa đường được khai thác triệt để

2 Tóm tắt tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các công trình triệt nhiễu cho hệ thống thông tin sử dụng công nghệ OFDM và MIMO-OFDM có thể được tóm tắt, phân loại theo phương pháp nghiên cứu sau đây:

a Sửa lỗi hướng tới FEC (Forward-Error Correction): Trong tài liệu [51]

chứng tỏ FEC có khả năng để giảm các lỗi gây ra bởi ICI Phương pháp mã hóa

tương quan cũng có khả năng triệt nhiễu ICI như đã đề cập trong [104] Tuy nhiên các phương pháp này sẽ làm giảm tốc độ truyền thông tin [51]

b Tối ưu việc chọn khoảng cách giữa các sóng mang và độ dài ký hiệu OFDM:

Nhiễu xuyên kênh ICI tạo ra do sự phụ thuộc vào thời gian và trải trễ của kênh, đề xuất trong [15] đã thực hiện tối ưu khoảng cách giữa các sóng mang và độ dài của

ký hiệu OFDM để giảm tối thiểu tỷ số BER mà không cần thay đổi cấu trúc máy phát hoặc thu Hoặc trong [71], [93] cũng đã thực hiện sửa đổi tối ưu hình dạng xung để truyền các sóng mang con sao cho có thể giảm được nhiễu ICI

c Kỹ thuật tự triệt nhiễu (self-interference-cancellation techniques): Trong

phương pháp này, thông tin không chỉ được điều chế ở một sóng mang con đơn, mà còn được điều chế ở một nhóm sóng mang con, phương pháp này có khả năng tự triệt nhiễu rất hiệu quả Kỹ thuật này đã được đề xuất trong [43] và sau đó mở rộng trong [52], [103] Ý tưởng điều chế ký hiệu dữ liệu trong một nhóm các sóng mang

con với các trọng số được xác định trước để thực hiện tự triệt nhiễu (self cancelled)

cũng đã được mở rộng trong [14] cho trường hợp ICI gây ra do lệch tần số Kỹ thuật này thực hiện triệt nhiễu ICI hiệu quả nhưng làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống [10]

d Cân bằng trong miền thời gian và miền tần số: Trong kỹ thuật này, cân bằng được thực hiện trong miền thời gian trước khi thực hiện FFT ở máy thu (có thể thực hiện hồi tiếp) [67], [72], [73] Trong tài liệu tham khảo [11] đã xác định được các hệ

số của bộ lọc thời gian nhằm tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên tạp âm SINR cho cả OFDM thông thường và MIMO-OFDM Một sơ đồ triệt nhiễu rất hiệu quả gọi là

RISIC (Residual ISI Cancellation), dựa trên hủy bỏ đuôi (tail cancellation) và thiết lập lại tín hiệu thu theo chu kỳ (cyclic reconstruction) trong miền thời gian, lần đầu

tiên được đề xuất trong [21], mục đích của việc triệt nhiễu đuôi là để loại trừ méo ISI còn cấu trúc lại tín hiệu thu theo chu kỳ là để bù thành phần nhiễu ICI từ tín hiệu thu Ý tưởng triệt nhiễu này được cải thiện bằng cách thực hiện triệt nhiễu ISI

và bù ICI trong miền tần số trong [86], [92]

Một phương pháp khác được công bố trong [48], sử dụng phương pháp rút ngắn kênh để đáp ứng xung hiệu dụng của kênh truyền ngắn hơn độ dài khoảng bảo vệ

CP, vì vậy có thể triệt nhiễu ISI và ICI

e Kỹ thuật sử dụng sóng mang rỗng (null carriers): Kỹ thuật này dựa vào các

sóng mang con chưa sử dụng, độ dư thừa được cài trong miền tần số do đó có nhiều sóng mang hơn cần thiết Phương pháp này tương tự như nguyên lý chèn tiền tố

vòng CP, cho phép loại bỏ nhiễu ISI gây ra do kéo giãn tín hiệu (độ dư thừa) trong

miền thời gian, do đó độ dư thừa trong miền tần số cũng cho phép triệt được nhiễu ICI như đã đề xuất trong [18], [74], [81]

Ngoài ra, sự cân bằng để triệt nhiễu ICI do khoảng bảo vệ không đủ lớn có thể

kết hợp với cân bằng hồi tiếp quyết định DFE (Decision-Feedback Equalization) đã

được nghiên cứu trong [102] Trong [105] cũng đã nghiên cứu phương pháp cân bằng cho chất lượng cao bởi sự kết hợp sai số bình phương trung bình tuyến tính

LMMSE (Linear Minimum Mean Square Error) với triệt nhiễu nối tiếp SIC (Successive Interference Cancellation)

Từ những công trình nghiên cứu về triệt nhiễu đã được khảo sát ở trên cho thấy rằng chưa có nhiều phương pháp tối ưu Khó khăn đối với các kỹ thuật triệt nhiễu là phải tính toán, thiết kế, lựa chọn sao cho đảm bảo được tính năng mà không làm ảnh hưởng đến các thông số khác như tốc độ truyền hoặc hiệu quả sử dụng băng thông của kênh Chẳng hạn, phương pháp sửa lỗi hướng tới FEC vì phải chèn thêm thông tin vào dữ liệu ở bên phát nên làm giảm tốc độ truyền tin hoặc kỹ thuật tự triệt nhiễu hay chèn tiền tố vòng CP sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ hệ thống

Ngoài ra, cho đến nay, các nghiên cứu về triệt nhiễu trong hệ thống MIMO đã được tính toán, mô phỏng hoặc kiểm chứng chủ yếu dựa trên mô hình kênh ngẫu nhiên không tương quan mà chưa được nghiên cứu đầy đủ trên mô hình tương quan không gian Điều này làm cho các kết quả nghiên cứu chưa sát thực tế

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

1 Các vấn đề cần giải quyết của luận án

- Nghiên cứu mô hình kênh truyền tương quan không gian và các đặc tính như: ảnh hưởng của tần số Doppler, khoảng cách giữa các phần tử anten phát, thu đến chất lượng hệ thống MIMO-OFDM Khảo sát mối quan hệ giữa phẩm chất SER và hệ số tương quan kênh truyền

- Xây dựng mô hình nhiễu cho hệ thống thông tin số băng rộng MIMO-OFDM

có tính đến ảnh hưởng tương quan không gian

- Nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST hợp lý có ảnh hưởng của tương quan không gian để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng hệ thống với độ phức tạp thấp

- Nghiên cứu đề xuất sơ đồ triệt nhiễu hiệu quả cho hệ thống MIMO-OFDM bằng phương pháp kết hợp giải mã V-BLAST với kỹ thuật triệt nhiễu ISI và bù ICI trong miền tần số

- Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab để kiểm tra kết quả của các giải pháp đề xuất

2 Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án

- Điều kiện đồng bộ giữa hệ thống thu và hệ thống phát, luận án xem như đã được giải quyết Nhiễu gây ra do sự mất đồng bộ có thể tham khảo trong các tài liệu [66], [70]

- Luận án chủ yếu nghiên cứu đến kỹ thuật ghép phân chia theo không gian

SDM (Space Division Multiplexing) trong hệ thống MIMO-OFDM, không xét đến phương pháp mã hóa không gian thời gian STC (Space Time Coding) của kỹ thuật

phân tập trừ những trường hợp riêng dùng để so sánh

3 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, kế thừa các công trình đã công bố có liên quan cùng với phương pháp giải tích toán học để mô tả, phân tích các đặc tính vật lý kỹ thuật của hệ thống Các phép toán ma trận được sử dụng để mô tả các mô hình kênh, mô hình tín hiệu và các thuật toán khác nhau để tính toán hiệu năng, tỷ lệ lỗi bit…

- Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán, khảo sát, mô phỏng đánh giá và tìm kiếm các kết quả nghiên cứu

CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Luận án gồm có phần mở đầu như đã trình bày và 3 chương được tổ chức như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin MIMO-OFDM

Trong chương này trình bày các khái niệm về kênh truyền đa đường phụ thuộc vào tần số và thời gian Ngoài ra, chương này còn đề cập một cách khái quát cấu trúc hệ thống MIMO-OFDM, mô hình tín hiệu, tóm tắt phương pháp ước lượng kênh LS và khôi phục tín hiệu trong hệ thống thu MIMO-OFDM Phần kết luận của chương này, luận án đưa ra các vấn đề còn tồn tại về khía cạnh triệt nhiễu làm cơ sở cho các nghiên cứu trong chương 2, 3

Chương 2: Đề xuất mô hình nhiễu trong các hệ thống MIMO-OFDM có

ảnh hưởng của tương quan không gian

Nội dung chương này gồm 2 phần: (i) nghiên cứu mô hình kênh tương quan không gian và các đặc tính cơ bản của nó Trước tiên trình bày mô hình kênh không tương quan theo phương pháp Monte Carlo tiếp theo là kênh tương quan không gian cho hệ thống MIMO băng rộng được mở rộng từ mô hình hình học một vòng tròn

(onering) (ii) Đề xuất mô hình nhiễu cho các hệ thống MIMO-OFDM bằng phương

pháp giải tích kết hợp với các đặc trưng của kênh pha đinh đa đường khi khoảng bảo vệ lớn hơn và nhỏ hơn trải trễ cực đại của kênh Các kết quả mô hình được

đánh giá có ảnh hưởng của tương quan không gian với các khoảng cách anten khác nhau Mô hình nhiễu này làm cơ sở để tính toán cho sơ đồ triệt nhiễu đề xuất trong chương 3 Nội dung chương này gắn với bài báo 1, 2 đã công bố

Chương 3: Đề xuất cải tiến thuật toán giải mã V-BLAST và sơ đồ triệt

nhiễu trong hệ thống MIMO-OFDM

Trong chương này trước tiên trình bày thuật toán MMSE V-BLAST đề xuất, thuật toán đề xuất được thiết lập trên cơ sở các tồn tại đã đưa ra ở kết luận chương

1 Khả năng triệt nhiễu xuyên luồng (hay nhiễu đồng kênh CCI) của thuật toán giải

mã đề xuất được tính toán và mô phỏng có ảnh hưởng tương quan không gian qua

tỷ số SER Ngoài nhiễu CCI đã được triệt nhờ thuật toán tách V-BLAST, tín hiệu sau khi tách còn có nhiễu ISI, ICI như đã tính toán trong mô hình nhiễu chương 2

Do vậy, phần tiếp theo của chương này luận án đề xuất sơ đồ triệt nhiễu bằng cách kết hợp mã hóa V-BLAST đề xuất ở trên và kỹ thuật triệt nhiễu ISI, bù ICI trong miền tần số như mô tả trong [21], [86] Nội dung chương này gắn với các bài báo 3,

4 đã công bố

Phần cuối cùng của luận án là kết luận chung, các đóng góp của luận án và các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Luận án nghiên cứu mô hình nhiễu, đề xuất thuật toán tách tín hiệu MMSE V-BLAST, sơ đồ triệt nhiễu cho hệ thống MIMO-OFDM, các vấn đề này đều được đánh giá có ảnh hưởng của tương quan không gian nên cho kết quả gần với thực tế

Mô hình nhiễu xây dựng có thể sử dụng để tham khảo, phân tích và lý luận cho các công trình triệt nhiễu trong hệ thống MIMO-OFDM Ngoài ra, đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống thông tin MIMO-OFDM băng rộng, đây là hệ thống đã được đề cử sử dụng cho hầu hết các chuẩn truyền thông vô tuyến tốc độ cao 4G Vì vậy luận án có tính thời sự, khoa học và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO-OFDM 1.1 GIỚI THIỆU

Chất lượng của hệ thống thông tin không dây nói riêng và hệ thống truyền thông nói chung có thể được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản là: tốc độ truyền dẫn, phạm vi truyền dẫn và độ tin cậy truyền dẫn Thông thường, tốc độ truyền dẫn có thể tăng bằng cách giảm phạm vi truyền và độ tin cậy Ngược lại, phạm vi truyền dẫn có thể kéo dài nếu tốc độ và độ tin cậy phải chấp nhận thấp hơn, trong khi đó độ tin cậy truyền dẫn có thể được cải thiện bằng cách giảm tốc độ và phạm vi truyền dẫn Tuy nhiên, nếu sử dụng kỹ thuật MIMO kết hợp với công nghệ OFDM thì ba tham số đề cập trên có thể đồng thời được cải thiện [44]

Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM biến đổi kênh phụ thuộc vào tần số thành các kênh con pha đinh phẳng song song, tức là các tín hiệu trên các sóng mang con là pha đinh băng hẹp Trong hệ thống OFDM, giải điều chế

và điều chế được thực hiện đơn giản nhờ áp dụng kỹ thuật biến đổi Fourier nhanh

FFT (Fast Fourier Transform) và biến đổi Fourier ngược nhanh IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) Để giảm tối đa nhiễu ISI gây ra bởi trễ đa đường của kênh

truyền, mỗi ký hiệu OFDM sau khi IFFT được chèn một khoảng bảo vệ hay còn gọi

là tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) sao cho độ dài của nó lớn hơn hoặc bằng độ dài

kênh Nếu các sóng mang trong ký hiệu OFDM là trực giao và giả sử kênh truyền là bất biến thời gian, hệ thống cho phép truyền dữ liệu có độ tin cậy cao trong môi trường phân tán thời gian hoặc phụ thuộc tần số mà không cần bộ cân bằng

(equalizer) trong miền thời gian phức tạp [42] Sự trực giao giữa các sóng mang được bảo toàn nếu thỏa mãn các điều kiện sau [61]:

 Sự đồng bộ giữa máy thu và máy phát hoàn toàn chính xác

 Độ dài khoảng bảo vệ (CP) phải đảm bảo không nhỏ hơn độ dài kênh truyền

 Kênh truyền không phải là đa đường

Tuy nhiên trong các hệ thống thông tin thực tế, méo đa đường không thể tránh khỏi Vấn đề đồng bộ giữa máy phát và thu trong thông tin vô tuyến rất khó đảm bảo, còn độ dài khoảng bảo vệ nếu lớn thì giảm hiệu quả sử dụng băng thông Do

đó, sự trực giao giữa các sóng mang con khó bảo toàn nên gây ra nhiễu ICI và ISI Chất lượng của hệ thống MIMO được cải thiện dựa vào độ lợi phân tập và độ lợi ghép Độ lợi phân tập được thực hiện bằng cách một tín hiệu có thể truyền trên các môi trường pha đinh độc lập theo chiều thời gian, tần số và không gian Mã hóa

không gian – thời gian STC (Space-Time Coding), mã hóa không gian – tần số SFC (Space-Frequency Coding) và mã hóa không gian – thời gian – tần số STFC (Space- Time-Frequency Coding) đã được thiết kế sử dụng độ lợi phân tập Trong [80] Alamouti đã đề xuất mã hóa khối không gian – thời gian trực giao cho các hệ thống

có hai anten phát với bộ giải mã có độ phức tạp thấp và có độ lợi phân tập tối đa Các phương pháp mã hóa không gian – thời gian cho hệ số phân tập cực đại và tối

ưu trên kênh pha đinh MIMO phụ thuộc vào tần số đã được đề xuất trong [58], [95], [96]

Độ lợi ghép không gian được đánh giá bởi việc tăng dung lượng mà không cần tăng công suất hoặc tài nguyên băng thông Độ lợi này được thực hiện bằng cách phát các luồng dữ liệu độc lập từ các anten riêng biệt để tăng tối đa tốc độ dữ liệu

V-BLAST (Vertical Bell Labs Layered Space-Time) đã đề xuất trong [27], [64] là phương pháp hiệu quả để đạt được độ lợi ghép không gian Tuy nhiên nhiễu giữa các tín hiệu được phát đồng thời từ nhiều anten phát có thể làm tăng độ phức tạp của bộ tách tín hiệu

Như đã đề cập ở trên, kỹ thuật MIMO có thể chia thành hai nhóm: mã hóa

không gian thời gian STC (Space Time Coding) [87] và ghép phân chia theo không

gian SDM (Space Division Multiplexing) [12], [29], [30] STC làm tăng hiệu năng của hệ thống thông tin bằng cách thực hiện mã hóa trên các nhánh phát khác nhau, còn SDM cho tốc độ dữ liệu cao hơn bằng việc phát các luồng dữ liệu độc lập đồng thời trên các nhánh phát khác nhau với cùng tần số sóng mang

Trong nội dung của luận án này chủ yếu đề cập đến kỹ thuật SDM trong hệ thống MIMO-OFDM

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN

1.2.1 Suy hao đường truyền

Môi trường truyền dẫn vô tuyến là môi trường không gian thực, tín hiệu truyền qua sẽ bị yếu dần theo khoảng cách Bản chất sóng vô tuyến là sóng điện từ nên khi truyền sẽ lan tỏa ra và làm cho mật độ công suất bị suy giảm Trong không gian tự

do, sóng vô tuyến lan tỏa có dạng hình cầu và mật độ công suất sẽ giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt hình cầu này, nói cách khác cường độ trường sẽ giảm tỷ lệ với bình phương khoảng cách Mối quan hệ giữa công suất phát và công suất thu được biểu diễn theo phương trình [44]:

2

,

,

4)

R T T p q R

d L

G G P d

- L s : Hệ số suy hao hệ thống (không tính đến suy hao lan truyền)

Trong không gian tự do không xảy ra các đường truyền phản xạ, hệ số kênh

giữa anten phát p và thu anten thu q là h q,p chỉ có các đường truyền trực tiếp Nếu

hệ số suy hao của hệ thống và độ lợi của anten thu, phát chuẩn hóa bằng đơn vị,

pha của tín hiệu tại khoảng cách d q,p bằng 2d q,p/rad, thì hệ số kênh trong không gian tự do được xác định bởi [13]:

2

exp )

4 (

, 2

, 2

T p

q

d j d

P

Tuy nhiên, hầu hết những mô hình truyền thông mặt đất như hệ thống thông tin

di động, hệ thống mạng WLAN… môi trường truyền phức tạp hơn nhiều, do đó việc truyền dẫn và tính toán thiết kế cũng khó khăn hơn

1.2.2 Hiện tượng pha đinh đa đường

Trong môi trường vô tuyến di động, do có nhiều chướng ngại vật khác nhau như: nhà cửa, tòa cao ốc, cây cối… Vì vậy tín hiệu truyền sẽ bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ… tức là tín hiệu truyền từ phía phát đến phía thu theo nhiều hướng khác nhau, mỗi đường là một bản sao của tín hiệu gốc Tại máy thu, tín hiệu thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào pha của các bản sao mà:

 Tín hiệu thu được tăng cường khi các bản sao đồng pha

 Tín hiệu thu bị suy giảm khi các bản sao ngược pha

Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà phân loại kênh truyền là pha

đinh phụ thuộc tần số (frequency selective fading channel) hay kênh pha đinh không phụ thuộc tần số (frequency nonselective fading channel); kênh pha đinh biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel) Hay 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

1.2.3 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc vào tần số

Trên kênh pha đinh gồm có L đường, tín hiệu tại máy thu được biểu diễn dưới

dạng tổng quát:

  , , )

( )

, ( ) ( )

với: h  ,  là đáp ứng xung của kênh truyền, biểu diễn dưới dạng:

  , )

( )

, (

L

t a t

) , ( [

)]

, ( ) , ( [ ) , , , (

1 1

1 1

*

2 2 1 1

* 2

1 2 1

t h t h E t

t

Rhh

(1.5)

Trong biểu thức (1.5) hàm ACF phụ thuộc vào t1 t2 1 2, do đó rất phức tạp

Để đơn giản trong phép tính tích phân mà không làm mất tính tổng quát, ta giả sử

  , 

h ở trạng thái dừng theo nghĩa rộng, hàm tự tương quan ACF là hàm một

biến Hay nói cách khác các thành phần tán xạ là dừng theo nghĩa rộng không tương

quan WSSUS (Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter) Khi đó, hàm ACF

trong (1.5) chỉ phụ thuộc vào Δt = t 2 – t 1

Biến đổi Fourier biểu thức (1.5), hàm tự tương quan viết lại :

.)

,()

R f

t

(1.6) Nếu t  0, biến đổi Fourier hàm tự tương quan trên miền tần số, mô tả tương

quan giữa các khoảng tần số f của kênh truyền:

f R f

(1.7) Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số (f ) C mà trong đó

)0()

HH f R

R   , tức là trong khoảng (f ) C đáp ứng của kênh truyền là bằng

phẳng Khoảng tần số này gọi là độ rộng băng kết hợp (coherence bandwith) Nếu

kênh truyền có(f ) C nhỏ hơn so với băng thông của tín hiệu được truyền thì gọi là kênh truyền pha đinh phụ thuộc tần số, ngược lại là không phụ thuộc tần số Trong

các hệ thống thông tin băng rộng, kênh truyền luôn phụ thuộc vào tần số nên tín hiệu truyền qua sẽ bị suy hao và tín hiệu thu bị méo bởi nhiễu ISI

Hai thông số quan trọng đặc trưng kênh truyền có phụ thuộc tần số hay không là

thời gian trễ trội trung bình (average excess delay) τ aed và thời gian trải trễ hiệu dụng(root mean square delay spread) τ rmscủa kênh [77]:

P P

k k aed rms

P P

1 1

2

.)( 

với: τ k thời gian trễ của đường dẫn thứ k, P k là công suất của bản sao thứ k

Kênh truyền mà có τrms so sánh được với độ rộng ký hiệu T s thì kênh truyền là phụ thuộc tần số

1.2.4 Kênh pha đinh phụ thuộc và không phụ thuộc thời gian

1.2.4.1 Dịch Doppler

Do có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, các tín hiệu đa

đường sẽ bị dịch tần số Dịch tần số của tín hiệu thu gây ra bởi sự chuyển động tương đối gọi là dịch Doppler Mức độ dịch tần tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thiết bị di động Giả sử góc tạo bởi hướng chuyển động của thiết bị thu và hướng

truyền sóng là θ, dịch Doppler của tín hiệu thu là f D thì:

cos

trong đó: v là tốc độ chuyển động, c là tốc độ ánh sáng, f c là tần số tín hiệu phát (tần

số sóng mang) Trong môi trường truyền dẫn đa đường, dịch Doppler sẽ trải dài trên

độ rộng băng thông của sóng đa đường trong phạm vi f c ± f Dmax , với f Dmax là dịch

Doppler cực đại, xác định bằng:

1.2.4.2 Kênh phụ thuộc và không phụ thuộc vào thời gian

Dịch Doppler làm cho đáp ứng tần số của kênh phụ thuộc vào thời gian Nếu kênh truyền không phụ thuộc theo thời gian thì có đáp ứng tần số phẳng theo thời gian Tuy nhiên trong thực tế, bởi vì trong môi trường truyền dẫn tự nhiên các vật thể, tốc độ chuyển động của thiết bị di động… luôn luôn biến đổi nên mọi kênh truyền đều phụ thuộc thời gian

Khái niệm kênh truyền phụ thuộc thời gian hay không chỉ mang tính tương đối,

nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một ký hiệu T s, thì

kênh truyền đó được gọi là kênh pha đinh không phụ thuộc thời gian (time nonselective fading channel) hay kênh pha đinh biến đổi chậm (slow fading channel); ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian truyền một ký hiệu T s, thì kênh truyền đó được gọi là kênh pha đinh phụ thuộc thời gian

(time selective fading channel), hay kênh pha đinh biến đổi nhanh (fast fading channel) Môi trường truyền dẫn trong nhà (indoor) ít thay đổi nên thông thường được xem là pha đinh chậm, môi trường ngoài trời (outdoor) thường xuyên thay đổi

nên được xem là pha đinh nhanh

Từ biểu thức (1.6), nếu f = 0, hàm tự tương quan ACF phụ thuộc thời gian mô

tả sự tương quan giữa các khoảng thời gian t của kênh truyền:

.),()

(1.12) Phổ công suất Doppler D HH ( f)được xác định từ biến đổi Fourier biểu thức (1.12):

.)

()

.)

D t

R HH HH j f t

(1.14) Các kênh truyền đều tồn tại khoảng thời gian (t) C mà trong đó

)0()

HH t R

R   , tức là trong khoảng thời gian (t) C đáp ứng tần số của kênh truyền được xem là biến đổi không đáng kể,(t) C gọi là khoảng thời gian kết hợp

(coherence time) của kênh Nếu kênh truyền có (t) C nhỏ hơn nhiều so với chiều

dài của một ký hiệu T s của tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền phụ thuộc thời gian (time selective channel) Ngược lại, kênh truyền được gọi là kênh truyền không phụ thuộc thời gian (time nonselective channel)

Trên kênh phụ thuộc vào thời gian (kênh pha đinh nhanh), đáp ứng xung của

kênh không bằng phẳng trong thời gian truyền của một ký hiệu, dẫn đến méo dạng xung băng gốc làm cho tỷ số SNR suy giảm đáng kể

Hình 1.1 mô tả các loại pha đinh của kênh truyền Nếu tần số Doppler mà lớn thì kênh là pha đinh phụ thuộc vào thời gian, hoặc nếu trải trễ mà lớn kênh truyền là pha đinh phụ thuộc vào tần số

Dịch Doppler

Kênh phụ thuộc vào tần số, không phụ thuộc vào thời gian

Kênh không phụ thuộc vào tần số, không phụ thuộc vào thời gian

Kênh phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc vào thời gian

Kênh không phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc vào thời gian

Hình 1.1: Phân loại các kênh pha đinh

1.2.5 Kênh pha đinh Rayleigh và kênh pha đinh Rice

1.2.5.1 Kênh pha đinh Rayleigh

Trong kênh vô tuyến di động mặt đất, giả sử tín hiệu truyền bị che khuất NLOS

(Non Line Of Sight) và thiết bị di động chỉ thu được các tín hiệu từ các sóng phản

xạ Khi số sóng phản xạ lớn, theo lý thuyết giới hạn trung tâm, nếu hai thành phần vuông góc nhau thì tín hiệu thu được là quá trình ngẫu nhiên Gauss không tương quan có trung bình không và phương sai bằng s2, đường bao tín hiệu thu được tại mọi thời điểm tuân theo phân bố xác suất Rayleigh và có pha phân bố đều trong

khoảng –π đến π Hàm mật độ xác suất PDF của phân bố Rayleigh được xác định

bởi [77]:

.0 , 0

0 ,)

a a

p

s

a s

4292.0)2/2(

2533.1.2/

s a

s s

Hàm mật độ xác suất trong (1.15) được chuẩn hóa sao cho công suất tín hiệu

trung bình (E[a 2 ]) bằng đơn vị, phân bố Rayleigh được chuẩn hóa thành:

0 ,2)(

2

a

a ae a

p

a

Đồ thị hàm PDF của phân bố Rayleigh chuẩn hóa như trên hình 1.2

Hình 1.2: Hàm PDF của phân bố Rayleigh

Hình 1.3 là một ví dụ về đường bao của tín hiệu trên kênh pha đinh Rayleigh với dịch Doppler bằng 50 Hz

1.2.5.2 Kênh pha đinh Rice

Trong một số kịch bản truyền dẫn như hệ thống vệ tinh và các kênh vô tuyến di

động tế bào không có chướng ngại trên đường nhìn thẳng LOS (Line Of Sight) Tín

hiệu thu được có cả tín hiệu truyền thẳng và các tín hiệu phản xạ Tín hiệu truyền thẳng là tín hiệu không pha đinh, dừng, có suy hao kênh không đổi Các tín hiệu phản xạ là ngẫu nhiên độc lập Khi số các tín hiệu phản xạ là lớn, các thành phần vuông góc của các tín hiệu tán xạ có thể đặc trưng bằng quá trình ngẫu nhiên Gauss

có trung bình không và phương sai s2 Đường bao của các thành phần tán xạ tuân theo phân bố xác suất Rayleigh Tổng của tín hiệu truyền thẳng LOS có độ lớn không đổi và tín hiệu tán xạ phân bố Rayleigh cho kết quả là tín hiệu phân bố Rice Hàm PDF của phân bố Rice được cho bằng [77]:

0 ,)

2 ) ( 2

2 2 2

a

a

aD J e

a a

p

s

D a

trong đó: D 2 là công suất tín hiệu truyền thẳng, J 0 là hàm Bessel bậc không loại một

Hình 1.3: Một ví dụ về kênh truyền pha đinh Rayleigh