Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống thông tin băng

Do vậy, trước khi thiết kế một hệ thống thu phát vô tuyến nói chung, điều đầu tiên là phải nghiên cứu các đặc tính kênh truyền, từ đó lựa chọn các phương pháp mã hóa kênh, mức điều chế ở

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Trần Quốc Toản

Đề tài luận văn: Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống

thông tin băng rộng MIMO-OFDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

Mã số SV: CB120749

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 17/4/2015 với các nội dung sau:

Sửa lại tên chương 5, thay bằng kết luận chung

……… …………

Ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS VŨ VĂN YÊM

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN 4

1.1 Khái niệm về mô hình kênh truyền vô tuyến 4

1.1.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường 4

1.1.2 Một số khái niệm 6

1.1.3 Hiệu ứng Doppler 9

1.1.4 Độ ổn định về thời gian của kênh 10

1.1.5 Kênh không phụ thuộc thời gian 10

1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian 11

1.1.7 Kênh không phụ thuộc tần số 12

1.1.8 Kênh phụ thuộc tần số 12

1.2 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh 14

1.3 Kết luận chương 15

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO –OFDM 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 Kỹ thuật MIMO 16

2.2.1 Hệ thống SISO 16

2.2.2 Hệ thống SIMO 18

2.2.3 Hệ thống MISO 20

2.2.4 Hệ thống MIMO 21

2.3 Kỹ thuật OFDM 24

2.3.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 25

2.3.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang 26

2.3.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 27

2.3.4 Hệ thống MIMO-OFDM 31

2.4 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KÊNH BĂNG RỘNG VÀ CHỌN LỌC TẦN SỐ CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM 40

3.1 Giới thiệu chương 40

3.2 Mô hình kênh OneRing 40

3.2.1 Mô hình kênh OneRing không chọn lọc tần số 41

3.2.2 Mô hình kênh OneRing chọn lọc tần số 42

3.2.3 Hàm tương quan 45

3.3 Mô hình kênh SCM 48

3.3.1 Phân bố hình học 48

3.3.2 Tính toán các tham số 50

3.3.3 Góc phát AOD 50

3.3.4 Góc tới AOA 50

3.3.5 Hàm tương quan 50

3.4 So sánh giữa hai mô hình kênh OneRing , SCM và phạm vi áp dụng 53

3.4.1 Ý nghĩa của hàm tương quan chéo không gian SCCF trong việc lựa chọn đặt hệ thống anten MIMO 53

3.4.2 Kịch bản mô phỏng 53

3.4.3 Ưu nhược điểm của các mô hình kênh và phạm vi áp dụng mô phỏng 59

3.5 Kết luận chương 60

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH 61

4.1 Giới thiệu chương 61

4.2 Khôi phục kênh truyền 61

4.2.1 Sắp xếp chuỗi dữ liệu tham khảo trên miền thời gian và tần số 61

4.2.2 Bộ tạo dữ liệu tham khảo 64

4.2.3 Khôi phục kênh dùng thuật toán Linear 66

4.2.4 Khôi phục kênh dùng hàm SI 66

4.2.5 Khôi phục kênh dùng thuật toán Wiener 68

4.2.6 Quy tắc sắp xếp dữ liệu tham khảo cho hệ thống MIMO 70

4.3 Mô phỏng hệ số kênh truyền ước lượng bằng phương pháp Wiener, SI và Linear 72 4.4 Kết luận chương 82

KẾT LUẬN CHUNG 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của tác giả khác Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

TRẦN QUỐC TOẢN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A

ACF : Temporal autocorrelation function ADC : Analog Digital Converter

AOA : Angle of Arrival

AOD : Angle of Departure

B

C

CCF : Cross Correlation Function

CRC : Cyclic Redundancy Check

D

DFT : Discrete Fourier Transform

DSP : Digital Signal Processing

DVB-T2 : Digital Video Broadcasting

L

M

MAC : Media Access Control

MIMO : Multi Input Multi Output

MISO : Multi Input Single Output

MMSE : Minimum mean square error

MRC : Maximal Ratio Combining

QAM : Quadrature amplitude modulation

QPSK : Quadrature Phase Shift Keying

R

S

SCM : Spatial Channel Model

SFBC : Space Frequency Block Coding

SIMO : Single Input Multi Output

SISO : Single Input Single Input

SNR : Signal Noise Ratio

STBC : Space Time Block Coding

W

Wifi : Wireless Fidelity

Wimax : Worldwide Interporability For Microware Access WSSUS : Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering

Z

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Phân chia hệ thống thu phát căn cứ vào số lượng anten thu và phát 16

Bảng 2-2: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM4 33

Bảng 2-3: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM16 34

Bảng 2-4: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM64 35

Bảng 3-1: Lựa chọn môi trường mô phỏng LTE Extended Vehicular A case C, băng tần 5 MHz, model C 54

Bảng 3-2: Giá trị công suất trễ của các tuyến dựa theo môi trường mô phỏng LTE Extended Vehicular case C, băng tần 5 MHz, model C 54

Bảng 3-3: Các tham số cho mô hình kênh SCM áp dụng cho môi trường mô phỏng sub-urban macro cell 55

Bảng 3-4: Bảng góc lệch AoA và AoD offset tương ứng với từng path, kênh SCM model 55

Bảng 4-1: Bảng tham số giá trị chuẩn LTE dành cho kênh PDSCH 63

Bảng 4-2: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi các mô hình kênh khác nhau 75

Bảng 4-3: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot 78

Bảng 4-4: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi sử dụng các phương pháp cân bằng kênh khác nhau 81

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Tổng hợp tín hiệu đa đường tại anten thu 4

Hình 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tần số sóng mang khác nhau 5

Hình 1-3: Tín hiệu đa đường bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ do các vật chắn 6

Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh 7

Hình 1-5: Hàm truyền đạt của kênh 8

Hình 1-6: Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian 11

Hình 1-7: Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số 12

Hình 1-8: Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số 13

Hình 1-9: Phân bố dữ liệu Data và Pilot trên khe thời gian và tần số 13

Hình 1-10: Quan hệ giữa tín hiệu phát, kênh truyền và tín hiệu nhận 14

Hình 2-1: Hệ thống SISO 17

Hình 2-2: Hệ thống SIMO 18

Hình 2-3: Hệ thống MISO 20

Hình 2-4: Hệ thống MIMO 21

Hình 2-5: Hệ thống MIMO 2x2 22

Hình 2-6: Mã hóa STBC [6] 22

Hình 2-7: Hệ thống điều chế đơn sóng mang phía phát 25

Hình 2-8: Hệ thống điều chế đa sóng mang FDM phía phát 26

Hình 2-9: Sóng mang con trực giao trong miền thời gian 28

Hình 2-10: Phổ tín hiệu sóng mang trực giao trong miền tần số 29

Hình 2-11: Chèn khoảng bảo vệ ở cuối ký hiệu OFDM 30

Hình 2-12: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM 31

Hình 2-13: Sơ đồ điều chế QAM 32

Hình 2-14: Chòm sao điều chế QAM4 33

Hình 2-15: Chòm sao điều chế QAM16 34

Hình 2-16: Chòm sao điều chế QAM64 35

Hình 2-17: Sắp xếp các ký hiệu QAM trên lưới thời gian và tần số 37

Hình 3-1: Mô hình hình học phân bố điểm tán xạ cho kênh OneRing 41

Hình 3-2: Vòng tròn tán xạ cho mô hình kênh OneRing lựa chọn tần số 43

Hình 3-3: Phân bố các điểm tán xạ trong một cụm tán xạ 44

Hình 3-4: Hàm CCF ở phía phát BS 46

Hình 3-5: Hàm CCF phía thu MS 47

Hình 3-6: Hàm CCF 3D phía BS và MS 47

Hình 3-7: Mô hình hình học phân bố các điểm tán xạ của kênh SCM 48

Hình 3-8: Hàm CCF phía phát với  d u 0 52

Hình 3-9: Hàm CCF phía thu với  d s 0 52

Hình 3-10: Hàm CCF 3D phía phát và thu 53

Hình 3-11: Hàm CCF ở hai phía thu và phát với mô hình kênh OneRing 56

Hình 3-12: Tỷ số SER phía thu khi thay đổi khoảng cách cặp anten phát s 57

Hình 3-13: Hàm CCF ở hai phía thu và phát với mô hình kênh SCM 58

Hình 3-14: Tỷ số SER phía thu khi thay đổi khoảng cách cặp anten phát d s 59

Hình 4-1: Hàm truyền đạt kênh tại vị trí đặt dữ liệu tham khảo 62

Hình 4-2: Sắp xếp dữ liệu có ích và dữ liệu tham khảo trong miền thời gian và tần số 62

Hình 4-3: Khối ước lượng và cân bằng kênh MIMO-OFDM ở phía thu 64

Hình 4-4: Bộ tạo chuỗi dữ liệu tham khảo cho kênh PDSCH chuẩn LTE 65

Hình 4-5: Nội suy hệ số kênh tại vị trí dữ liệu bằng phương pháp Linear 66

Hình 4-6: Khôi phục kênh dựa trên hàm SI 67

Hình 4-7: Bộ lọc Wiener 68

Hình 4-8: Hệ thống MIMO 2x2 71

Hình 4-9: Quy tắc sắp xếp dữ liệu tham khảo trên các anten của hệ thống MIMO 2x2 72

Hình 4-10: So sánh giá trị SER khi sử dụng hệ số kênh chính xác và hệ số kênh ước lượng sử dụng QAM64 74

Hình 4-11: Chất lượng hình ảnh nhận được khi sử dụng các phương pháp ước

lượng kênh khác nhau, SNR = 16 dB 74 Hình 4-12: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh

OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Wiener 76 Hình 4-13: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh

OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh SI 76 Hình 4-14: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh

OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Linear 77 Hình 4-15: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh

OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Wiener, SI, Linear 77 Hình 4-16: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử

dụng ước lượng kênh Linear 79 Hình 4-17: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử

dụng ước lượng kênh SI 79 Hình 4-18: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử

dụng ước lượng kênh Wiener-Hop 80 Hình 4-19: Tỷ số SER thu được khi kết hợp các phương pháp ước lượng và cân

bằng kênh MMSE và ZF 81

LỜI NÓI ĐẦU

Kênh truyền vô tuyến là một khâu quan trọng và phức tạp nhất trong một hệ thống truyền dẫn số liệu vô tuyến nói chung Nó quyết định chất lượng và khả năng khôi phục tín hiệu tại phía thu Có hai đặc trưng của kênh truyền vô tuyến là: suy hao và nhiễu Chính bởi hai yếu tố này làm cho tín hiệu nhận được tại anten thu bị sai lệch so với dữ liệu phát đi, gây nên những khó khăn hoặc không thể khôi phục tín hiệu Do vậy, trước khi thiết kế một hệ thống thu phát vô tuyến nói chung, điều đầu tiên là phải nghiên cứu các đặc tính kênh truyền, từ đó lựa chọn các phương pháp mã hóa kênh, mức điều chế ở băng cơ sở và các phương pháp cân bằng kênh, lọc nhiễu bổ xung nhằm tăng khả năng khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhất Tổng quát hóa thành công thức toán học một mô hình kênh và tiến hành mô phỏng nó trong một số điều kiện giả lập sẽ được tiến hành trước khi triển khai và kiểm tra thử nghiệm hệ thống ngoài thực địa Việc mô phỏng như vậy sẽ tiết kiệm thời gian và có thể đạt đến mức chính xác cao nếu việc xây dựng mô hình kênh đó càng sát với các điều kiện thực tế Lưu ý rằng, với một công thức toán học cho một

mô hình kênh, chúng ta chỉ có thể áp dụng nó trong một số điều kiện đầu vào ràng buộc nhất định với một hệ thống cụ thể đi kèm Nội dung của đồ án sẽ nghiên cứu sâu

về mô hình kênh vô tuyến trong hệ thống phân tập MIMO, sử dụng kỹ thuật điều chế mới nhất hiện nay là OFDM

Lý do đề tài chọn việc nghiên cứu mô hình kênh cho hệ thống MIMO-OFDM vì: Thứ nhất, đây là hai kỹ thuật mới nhất hiện nay cộng thêm sự đáp ứng kịp thời của phần cứng trong việc xử lý những phép toán phức tạp, được thực hiện bởi các chip xử lí tín hiệu số chuyên dụng DSP Thứ hai, xu hướng hội tụ công nghệ điều chế số OFDM là sự lựa chọn của nhiều các hệ thống truyền dẫn vô tuyến như LTE, Wimax, HiperLAN/2, hệ thống phát thanh số DRM Kỹ thuật MIMO cho phép tăng lượng thông tin truyền tải trên kênh truyền vô tuyến, sử dụng cùng một dải băng truyền dẫn trên các anten Trong mô hình kênh MIMO, chúng ta sẽ nghiên cứu

các yếu tố như: khoảng cách các anten phát, các anten thu, góc lệch đi đặt anten sao cho tín hiệu nhận được tại đầu thu có cường độ là tốt nhất

Nội dung đồ án được chia thành 5 chương:

 Chương 1 Mô hình kênh vô tuyến

Trong chương này ta tổng quát lại lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, với một

số khái niệm như fading đa đường, kênh chọn lọc và không chọn lọc tần số, thời

gian, … cũng như cách đánh giá một mô hình kênh tuyến Lý thuyết về mô hình

kênh vô tuyến tham khảo Tài liệu [1]

 Chương 2: Hệ thống MIMO-OFDM

Trong chương này ta nghiên cứu rõ kỹ thuật MIMO và OFDM, tiếp đó, ta đưa

ra một hệ thống MIMO-OFDM tổng quát bao gồm phần điều chế QAM, điều chế băng cơ sở OFDM kết hợp với mã hóa STBC Dữ liệu truyền qua kênh truyền ( SCM hoặc OneRing) Ở phía thu, thực hiện quá trình giải điều chế OFDM, ước lượng kênh truyền, giải mã các bit tín hiệu sau quá trình giải điều chế QAM Sơ đồ

này sẽ sử dụng cho việc mô phỏng ở Chương 3 và Chương 4

 Chương 3: Mô hình kênh băng rộng và chọn lọc tần số cho hệ thống MIMO-OFDM

Trong chương này ta sẽ nghiên cứu công thức toán học của hai mô hình kênh MIMO băng rộng là OneRing và SCM Đây là hai mô hình kênh đều được 3GPP và 3GPP+ đề xuất cho việc mô phỏng mô hình kênh cho hệ thống LTE MIMO-OFDM Nội dung của luận văn sẽ đánh giá các hàm SCCF của từng mô hình kênh với dữ liệu đầu vào mô phỏng dựa trên chuẩn LTE Extended Vehicular A case C,

B=5MHz, sub-urban macro cell Hai mô hình kênh được sử dụng cho việc mô

phỏng ở Chương 4

 Chương 4: Thuật toán ước lượng kênh và cân bằng kênh

Trong chương này ta nghiên cứu lý thuyết về quá trình khôi phục kênh ở phía thu căn cứ và dữ liệu tham khảo đã biết trước Cụ thể có ba phương pháp khôi phục kênh là Linear , SI và Wiener-Hop Các phương pháp nội suy này cho kết quả chính xác khác nhau tùy theo tính phức tạp cũng như các dữ liệu đầu vào ở từng phương pháp khác nhau Chúng ta cũng sẽ tiến hành mô phỏng các phương pháp ước lượng kênh kết hợp với cân bằng kênh là ZF và MMSE để thấy rõ được sự khác nhau giữa các phương pháp này

Đóng góp của bản thân trong nội dung đồ án:

- Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu hai mô hình kênh SCM và OneRing

trong Tài liệu [6] [7], tác giả đã đóng góp thêm phần so sánh các hàm tương quan

chéo của hai mô hình kênh này cũng như chỉ ra các ưu nhược điểm của từng mô

hình và phạm vi áp dụng mô phỏng (Mục 3.4 Chương 3)

- Căn cứ vào các thuật toán ước lượng kênh và cân bằng kênh tham khảo

trong Tài liệu [1], tác giả đã tiến hành mô phỏng sự khác nhau giữa chất lượng tín

hiệu thu được khi sử dụng hệ số kênh ước lượng và hệ số kênh chính xác, cũng như

sự khác nhau giữa các phương pháp ước lượng kênh ( Linear, SI và Wiener) và cân bằng kênh ( ZF và MMSE)

Trong quá trình thực hiện đồ án này, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu xót do nhận thức chưa đúng về một nội dung nào

đó, nên em rất mong muốn được sự chỉ dẫn của các thày cô

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Phạm Văn Tiến, là người đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý sửa chữa, tiếp đó là PGS TS Nguyễn Văn Đức cũng đã có những giúp đỡ lớn để em có thể hoàn thành luận văn Em xin chân

thành cảm ơn các thầy

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN

1.1 Khái niệm về mô hình kênh truyền vô tuyến

1.1.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường

Sóng vô tuyến truyền trong không gian có thể ở môi trường đô thị, đồng bằng, đồi núi (macro cell, micro cell) hoặc trong một phạm vi hẹp là các tòa nhà (pico cell, femto cell)

Thực tế là: các tia sóng vô tuyến khi lan truyền trong không gian do tác động của các vật cản nên bị tán xạ, phản xạ hoặc nhiễu xạ … theo các hướng khác nhau,

dẫn đến tín hiệu nhận được tại anten thu là tổng hợp của tín hiệu đa đường Hình 1-1 giả sử có luồng tín hiệu theo hai đường khác nhau đến anten thu với trễ truyền dẫn tương ứng là 1 và 2với 2 > 1 , tín hiệu nhận được tại anten thu:

Hình 1-1: Tổng hợp tín hiệu đa đường tại anten thu [1]

Tín hiệu nhận được tại anten thu bị suy giảm so với tín hiệu phát trong miền thời gian do hiệu ứng fading

Vậy fading là gì ?

Fading được hiểu chung là sự suy hao của tín hiệu phát nhận được tại máy

thu do kênh truyền dẫn gây ra [1]

Nghiên cứu sự thăng giáng của tín hiệu thu được do hiệu ứng fading tại máy

thu ở các tần số khác nhau: f1 và f2 ( với f2  f1) nhận thấy mức độ suy hao cũng khác nhau với cùng một công suất phát đi Hiện tượng này được gọi là fading miền

tần số (Hình 1-2)

Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số

gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Thực chất của hiện

tượng kênh phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số của tín hiệu phát, sẽ được trình bày kỹ hơn ở mục 1.1.8

Hình 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tần số sóng mang khác nhau [1]

Trên thực tế, số lượng các đường tín hiệu từ máy phát đến máy thu không

phải là hai đường, nhưng là vô số, trong đó chỉ có một đường trong tầm nhìn thẳng

sẽ có cường độ thu lớn nhất và trễ truyền dẫn là nhỏ nhất

Hình 1-3mô tả mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường

Hình 1-3: Tín hiệu đa đường bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ do các vật chắn [1]

1.1.2 Một số khái niệm

1.1.2.1 Xung Dirac

Trước khi đi sâu nghiên cứu đến các loại mô hình kênh vô tuyến, ta đề cập

đến khái niệm về xung Dirac ( )t hay xung đơn vị

Xung ( )t được gọi là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau [1]:

( ) 0 (t 0) ( ) 1 (t = 0)

t t

Về mặt vật lý, xung Dirac là một xung điện rất hẹp, biên độ là 1

1.1.2.2 Đáp ứng xung của kênh

Đáp ứng xung của kênh là một chuỗi xung thu được ở máy thu khi máy phát

phát đi một xung Dirac ( )t (Hình 1-4) Trong kênh không phụ thuộc vào thời gian,

đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn dưới dạng toán học như sau [1]:

Mô hình mô tả đáp ứng xung của kênh như sau:

Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh [1]

1.1.2.3 Hàm truyền đạt của kênh

Biến đổi Fourier trong miền thời gian sang miền tần số, ta được hàm truyền

đạt của kênh (Hình 1-5)

Đáp ứng xung của kênh [1]:

k k

Lợi ích của việc phân tích hàm truyền đạt của kênh là ta có thể biết được

vùng tần số nào tín hiệu bị suy hao mạnh nhất (fading sâu – deep fading), vùng tần

số nào tín hiệu bị suy hao ít hơn Đối với các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong

môi trường truyền dẫn phân tập đa đường, fading trong miền tần số là điều không

tránh khỏi Căn cứ vào trễ truyền dẫn lớn nhất max , tác giả Proakis đưa ra khái

niệm về độ ổn định tần số của kênh f cnhư sau [1]:

max

1

cf



  (1.4)

Về ý nghĩa, độ ổn định tần số f c cho biết vùng tần số trong đó fading trong

miền tần số được xem là phẳng, tức là suy hao trong miền tần số là như nhau trong vùng f c đó

1.1.3 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát

và máy thu, làm cho phổ của tín hiệu truyền đi bị dịch đi một lượng fD so với tần

số sóng mangtrung tâm

Tần số Doppler phụ thuộc mạnh vào góc giữa hướng truyền sóng và hướng chuyển động của máy thu hoặc mát phát, bên cạnh đó là vận tốc chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát cũng như tần số sóng mang trung tâm, cụ thể công thức như sau [1]:

cos( )

D

v f

 (1.5)

Trong đó, f D, v, c và  lần lượt là tần số Doppler, vận tốc chuyển động tương đối giữa máy phát và thu, vận tốc ánh sáng và góc lệch giữa hướng truyền sóng và hướng chuyển động của máy thu

Tuy nhiên, do hiệu ứng fading đa đường, có nhiều đường sóng từ máy phát

đến máy thu, do đó góc lệch  cũng sẽ khác nhau Ta có tần số Doppler ở từng đường là:

cos( )

k

v f

 (1.6)

Với k = 1 N tương ứng với số đường sóng từ máy phát đến máy thu do p

hiệu ứng fading đa đường

1.1.4 Độ ổn định về thời gian của kênh

Dựa vào dịch chuyển tần số Doppler, tác giả Proakis đưa ra đại lượng đặc trưng cho độ ổn định về thời gian của kênh, là căn cứ để xác định xem kênh có phụ thuộc thời gian hay không Cụ thể [1]:

Gọi T s là độ rộng thời gian của một mẫu tín hiệu

1.1.5 Kênh không phụ thuộc thời gian

Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh trong đó bề rộng ổn định về thời gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu Ngược lại là kênh phụ thuộc thời gian Cụ thể [1]:

(  t )c  Ts (1.8)

Về bản chất, kênh không phụ thuộc thời gian là kênh trong đó đáp ứng xung

và hàm truyền đạt của kênh khôngphụ thuộc vào thời gian

Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian như sau [1]:

k k

Với kênh không phụ thuộc thời gian, hàm truyền đạt của kênh luôn không

đổi ở mọi thời điểm phát tín hiệu

1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian

Ngược lại nếu độ ổn định thời gian của kênh nhỏ hơn rất nhiều độ dài một

mẫu tín hiệu, ta có kênh phụ thuộc thời gian [1]:

(  t )c  Ts (1.11)

Hình 1-6: Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian [1]

Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian như sau [1]:

(2 ) 1

1.1.7 Kênh không phụ thuộc tần số

Gọi B là độ rộng băng tần tín hiệu phát đi, nếu:

c

B  f Kênh phụ thuộc tần số hay kênh chọn lọc tần số (frequency

selective channel)

c

B  f Kênh không phụ thuộc tần số hay kênh không chọn lọc tần số

(non-frequency selective channel)

Hình 1-7: Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số [1]

Về bản chất, kênh không phụ thuộc tần số là kênh trong đó suy hao fading

trong băng tần tín hiệu phát đi là như nhau (fading phẳng)

1.1.8 Kênh phụ thuộc tần số

Đối với các kênh truyền dẫn băng rộng (B lớn), khoảng cách giữa máy phát và

máy thu xa nhau (max lớn), khi đó B f c ta có kênh chọn lọc tần số (Hình 1-8)

Hình 1-8: Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số [1]

Kênh chọn lọc tần số gây suy hao khác nhau ở miền tần số trong dải băng tần của tín hiệu, làm cho việc khôi phục tín hiệu phát ở phía thu rất khó khăn Để giải quyết vấn đề đó, trong các hệ thống thu vô tuyến, người ta thường sử dụng kỹ thuật

ước lượng kênh trong miền tần số và miền thời gian (Channel Estimation) để ước

lượng sự thay đổi của kênh trong băng tần tín hiệu Trong chuỗi tín hiệu phát đi,

người ta chèn một chuỗi tín hiệu dẫn đường (pilot) trong cả miền thời gian và miền

tần số tại những vị trí xác định Phía thu sẽ tạo lại chuỗi tín hiệu dẫn đường này và

so sánh với tín hiệu pilot nhận được, từ đó xác định được hệ số kênh (đáp ứng xung)

tại vị trí pilot Hình 1-9

Hình 1-9: Phân bố dữ liệu Data và Pilot trên khe thời gian và tần số

Sau khi xác định được hệ số kênh tại vị trí pilot, cần nội suy hệ số kênh tại

những vị trí đặt dữ liệu (Data) Có một số phương pháp nội suy như: Nội suy tuyến

tính (Linear), nội suy Winner Các phương pháp nội suy khác nhau cho kết quả

chính xác ở mức độ khác nhau Thuật toán của phương pháp nội suy tuyến tính

tương đối đơn giản nhưng chỉ phù hợp nếu kênh thăng giáng không nhiều và ít có

đột biến suy hao ở một vùng tần số nào đó, ngược lại phương pháp nội suy Winner

tương đối phức tạp nhưng cho kết quả nội suy tốt hơn

Hệ số kênh và tín hiệu nhận được tiếp tục cho qua bộ cân bằng kênh (

Equalizer) để tìm ra được tín hiệu phát đi gần đúng nhất Có một số phương pháp cân

bằng kênh như: ZF và MMSE Các bộ cân bằng kênh này được gọi là các bộ lọc

Các kênh truyền vô tuyến hầu hết là kênh phụ thuộc tần số, do đó nội dung

của đồ án chủ yếu nghiên cứu và mô phỏng các mô hình kênh băng rộng và chọn

lọc tần số

1.2 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh

Hình 1-10 là sơ đồ tổng quát về mối quan hệ giữa máy phát, máy thu và

kênh vô tuyến

Hình 1-10: Quan hệ giữa tín hiệu phát, kênh truyền và tín hiệu nhận [1]

Quan hệ toán học giữa máy phát, máy thu và đáp ứng xung của kênh:

Hệ thống vô tuyến được mô tả bởi phương trình toán học như trên được gọi

là tuyến tính (linear system) và nhân quả

Trường hợp tín hiệu nguồn phát đi là một quá trình xác suất, khi đó mối quan

hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và kênh truyền thông qua phép lấy tích phân như trên là không tồn tại Đối với các quá trình xác suất sẽ không tồn tại phép biến đổi Fourier

Để xây dựng mối liên hệ này, người ta sử dụng các hàm tự tương quan và các hàm tương quan chéo của các quá trình xác suất này, vì phép biến đổi Fourier

có thể thực hiện được cho các hàm tự tương quan

1.3 Kết luận chương

Chương I cho ta một cách nhìn tổng quan về lý thuyết kênh truyền vô tuyến

và hiệu ứng fading ảnh hưởng đến tín hiệu phát tại phía thu Trong các Chương III

ta sẽ đi sâu nghiên cứu hai mô hình kênh băng rộng và chọn lọc tần số cụ thể là OneRing và SCM Sau đó áp dụng các mô hình kênh này vào hệ thống MIMO-OFDM cụ thể để đánh giá tỷ lệ lỗi bit sau quá trình giãi mã tín hiệu

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO –OFDM 2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này tác giả xin trình bày về lý thuyết và công thức toán của hai kỹ thuật mới nhất hiện nay là kỹ thuật phân tập đa anten MIMO và điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Tiếp đó, đồ án sẽ đưa ra một mô hình hệ thống

MIMO-OFDM tổng quát để tiến hành phân tích và mô phỏng đặc tính chống nhiễu

và dung lượng kênh của hệ thống Việc nghiên cứu một mô hình hệ thống tổng quát MIMO-OFDM như trên là bài toán đầu tiên trước khi nghiên cứu các hệ thống sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM thực tế phức tạp hơn, ví dụ hệ thống LTE-4G

2.2 Kỹ thuật MIMO

MIMO (Multi Input-Multi Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu

để truyền và nhận tín hiệu Căn cứ vào số lượng anten phát và anten thu, có thể chia

hệ thành hệ thống SISO, SIMO, MISO và MIMO Kết hợp kỹ thuật MIMO và các phương mã hóa không gian, thời gian thích hợp sẽ nâng cao dung lượng kênh rõ rệt

Bảng 2-1: Phân chia hệ thống thu phát căn cứ vào số lượng anten thu và phát [2]

2.2.1 Hệ thống SISO

Đây là hệ thống đơn giản nhất và truyền thống trong hệ thống thu phát vô

tuyến, trong đó chỉ dùng một anten phát và một anten thu (Hình 2-1)

Hình 2-1: Hệ thống SISO [2]

Dung lượng kênh được đánh giá dựa trên các mô hình kênh truyền khác nhau

- Với mô hình kênh Gauss [2]:

C = log 2 (1+SNR) (bps/Hz) (2.1)

Trong đó,

C: là dung lượng kênh, đặc trưng bởi số bit tín hiệu truyền trên một đơn vị

tần số

SNR: là tỷ số tín hiệu trên nhiễu phía thu

- Với mô hình kênh Rayleigh [2]:

2

0

| |log (1 P h ) ( ) (bps/Hz)

Clà dung lượng kênh

P là công suất tín hiệu nhận được

2

 là công suất nhiễu Gauss

h là hệ số kênh truyền

Trường hợp tín hiệu được điều chế đa sóng mang ( ví dụ OFDM) truyền trên

kênh SISO, khi đó dung lượng kênh bằng tổng dung lượng trên từng sóng mang con

Cụ thể [2]:

2 1

Trong đó,

2 2

Các hệ thống sử dụng kỹ thuật SISO hiện nay gồm: hệ thống phát thanh,

truyền hình số mặt đất DVB-T2, WiFi Indoor cá nhân chuẩn 802.11bgn

2.2.2 Hệ thống SIMO

Hệ thống SIMO sử dụng một anten phát và nhiều anten thu dữ liệu (Hình 2-2)

Hình 2-2: Hệ thống SIMO [2]

Với cách bố trí anten như Hình 2-2, phía thu sẽ nhận được cùng một tín hiệu

phát đi trên nhiều anten thu với các mức năng lượng khác nhau phụ thuộc vào các

hàm H1 Hn Để có thể khôi phục được tin hiệu X, người ta có thể sử dụng phương

pháp kết hợp với tỷ lệ lỗi tối đa MRC (Maximal Ratio Combining) hoặc phương

pháp giải mã trung bình, trong đó phía thu sẽ giải mã lần lượt tín hiệu nhận được

trên từng anten thu và cộng kết hợp tín hiệu lấy giá trị trung bình trước khi quyết

định vị trí của từng mẫu tín hiệu điều chế trên vòng tròn QAM

Phương pháp MRC:

Ta có quan hệ giữa tín hiệu thu, tín hiệu phát, kênh truyền và nhiễu [2]:

(2.6)

Gọi X là tín hiệu giải mã được theo phương pháp MRC [2]:

MR  H

  (2.11)

Trường hợp đơn giản nhất là MT = 1 và MR = 2

2.2.3 Hệ thống MISO

Hệ thống MISO sử dụng nhiều anten phát và một anten thu

Hình 2-3: Hệ thống MISO Với cách bố trí hệ thống anten phát và thu như Hình 2-3, dữ liệu phát X1

Xn sẽ cùng đến anten thu với suy hao ở mỗi đường là khác nhau Thông thường với

hệ thống MISO, người ta thường kết hợp với beamforming trên các anten theo

nguyên tắc như sau: Nhân tín hiệu phát đi trên mỗi anten với một số tương ứng nghịch đảo pha của kênh truyền, khi đó tín hiệu nhận được tại phía thu luôn có biên

độ cực đại [2]

Giả sử có MT = 2 và MR = 1

1 2

1 2

[H H ]

j j

1 2 1 2

ˆ(| H | | H |) (| H | | H |)

(2.14)

2.2.4 Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu (Hình 2-4)

Hình 2-4: Hệ thống MIMO [2]

Kỹ thuật MIMO được xem là một trong những kỹ thuật mới nhằm cải thiện

đáng kể dung lượng kênh, đặc biệt thích hợp cho các mạng vô tuyến yêu cầu tốc độ

cao như LTE, Wimax, WiFi chuẩn ac … nhưng cũng làm tăng tính phức tạp trong

việc khôi phục tín hiệu phát ở phía thu Kỹ thuật MIMO kết hợp với một hoặc vài

kiểu phân tập, mỗi một cách kết hợp như vậy cho ra đời một kỹ thuật mã hóa và

cách giải mã tín hiệu khác nhau Có ba kỹ thuật phân tập chính:

- Phân tập không gian: Là kỹ thuật trong đó tín hiệu phát đi trên các anten

Do nội dung của đồ án không đi sâu về các loại mã hóa không gian-thời

gian-tần số nên ở đây tác giả chỉ xin điểm qua lý thuyết về kỹ thuật mã hóa STBC

nhằm mục phụ cho kết quả mô phỏng Chương 3 và Chương 4 Các công thức toán

mã hóa và giải mã STBC tham khảo ở Tài liệu [6]

2.2.4.1 STBC

STBC (Space Time Block Coding) được gọi là phương pháp mã hóa không

gian, thời gian, trong đó kết hợp hai phương pháp phân tập là phân tập không gian

và phân tập thời gian Để đơn giản, ta xét hệ thống anten MIMO 2x2 Phương pháp

mã hóa STBC cho MIMO2x2 còn được gọi là Alamouti 2x2 [6]:

Hình 2-5: Hệ thống MIMO 2x2

Giả sử dòng tín hiệu đầu vào làx x1, 2(Hình 2-4)

Mã hóa tín hiệu phía phát:

- Tín hiệu nhận được trên khe thời gian thứ hai [6]:

n n

2 *

2 * 2

 Sử dụng bộ lọc MMSE

1 1 1

2 *

2 * 2

Trong đó, ma trận 1

A là ma trận nghịch đảo của ma trận A

Lưu ý rằng, tín hiệu nhận được

1 1 1 2

2 * 1

2 * 2

( )( )

y y y y

 

 

  giải mã được sẽ không chính xác với tín hiệu đã phát đi nhưng sẽ

tốt hơn so với hệ thống không sử dụng mã hóa STBC Tiêu chuẩn đánh giá khả

năng chống nhiễu và khôi phục tín hiệu dựa vào tỷ số BER hoặc SER

2.3 Kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường

hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ

trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn

lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín

hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ

thuật điều chế FDM thông thường

Hiện nay, kỹ thuật OFDM được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống thông tin

vô tuyến Mặc dù lý thuyết OFDM ra đời khá sớm nhưng do những hạn chế của phần

cứng thời điểm đó không cho phép thực hiện các phép toán phức tạp như vậy, nên lý thuyết này chưa thể thực hiện được Sau đó, hai nhà khoa họcWeistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự ra đời của các chip DSP chuyên dụng thực hiện các phép toán nhanh FFT và IFFT mà lý thuyết về OFDM đã được nghiên cứu trở lại và trở thành hướng nghiên cứu của các phòng nghiên cứu trên toàn thế giới

Chúng ta cùng điểm qua một số đặc điểm chính của kỹ thuật điều chế đơn sóng mang, đa sóng mang FDM và đa sóng mang trực giao OFDM để có cái nhìn

tổng quát Lý thuyết về điều chế OFDM tham khảo ở Tài liệu [1]

2.3.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang là kỹ thuật đầu tiên được sử dụng trong truyền thông thông tin vô tuyến và hữu tuyến Theo đó, toàn bộ băng tần được cấp phát Bsẽ sử dụng để truyền đi một kênh dữ liệu Gọi tốc độ lấy mẫu dữ liệu từ tương tự sang số làR sc, độ rộng xung của một mẫu tín hiệu là T sc, ta có mối quan hệ

2.3.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang được chia toàn bộ băng tần của hệ thống thành N C băng con và sóng mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau f 0n

Phương pháp này còn được gọi là kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM

Hình 2-8 là sơ đồ hệ thống điều chế đa sóng mang:

Hình 2-8: Hệ thống điều chế đa sóng mang FDM phía phát

Gọi Blà khoảng cách giữa hai sóng mang liên tiếp, ta có công thức sau:

C

B B N

Tốc độ dữ liệu ở một băng con là:

Nhận xét: Hệ thống điều chế đa sóng mang FDM đã sử dụng hiệu quả phổ

tốt hơn kỹ thuật điều chế đơn sóng mang bằng việc chia nhỏ băng tần và truyền trên

mỗi băng con một kênh tín hiệu, do đó truyền tải được nhiều kênh thông tin hơn

Tuy nhiên, điểm hạn chế của phương pháp này là các băng con cần khoảng bảo vệ

để tránh nhiễu lên nhau làm giảm hiệu quả sử dụng phổ

2.3.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

Như đã trình bày ở trên, điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là thực chất

một dạng đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng

mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi sóng mang phụ trực giao với nhau Nhờ tính

trực giao này, trên kênh truyền cho phép phổ của các sóng mang con chồng lấn lên

nhau mà bên thu vẫn có thể giải mã được Điều này làm cho hiệu quả sử dụng phổ

tín hiệu tăng lên rõ rệt

2.3.3.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu

Ta xem xét tính trực giao của cặp tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số

a) Trực giao trên miền thời gian

Về mặt toán học, một tập ( )t gồm p phần tử Các phần tử trong ( )t được

gọi là đôi một trực giao với nhau khi thỏa mãn điều kiện sau đây [1]:

* 0

, p=q ( 0)( ) * ( )

Hình 2-9: Sóng mang con trực giao trong miền thời gian

s

T là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu

Hình 2-9 mô tả ba tín hiệu trực giao trong miền thời gian là các hàm sinx,

sin 2x và sin 4x

b) Trực giao trên miền tần số

Khi biểu diễn tất cả các tín hiệu ( )t trên miền tần số, biên độ phổ của từng tín hiệu sẽ chồng lấn lên nhau một cách có quy luật, sao cho điểm cực đại của tín hiệu này phải là điểm không các tín hiệu còn lại

Hình 2-10 chỉ bốn tín hiệu trực giao trong miền tần số

Hình 2-10: Phổ tín hiệu sóng mang trực giao trong miền tần số

2.3.3.2 Điều chế OFDM

Tạo ra các sóng mang trực giao:

Phổ của sóng mang phụ thứ p bị dịch đến đúng đến vị trí của sóng mang p

thông qua phép nhân phức ejps t , với s 2 s 2 1

Chèn khoảng bảo vệ chống nhiễu ISI:

Ưu điểm rõ rệt nhất của điều chế OFDM là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ băng tần Tuy nhiên, xét trong miền thời gian, nếu trễ truyền dẫn cực đạimaxlớn hơn T s, khi đó sẽ xuất hiện nhiễu liên ký tự ISI gây giảm khả năng khôi phục tín hiệu phát tại