NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê b

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU v

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

4 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

5 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3

1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG [5], [10] 3

1.2.1 Công nghệ di động thế hệ thứ 1 (1G) 3

1.2.2 Công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G) 4

1.2.3 Công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G) 5

1.2.4 Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G) 6

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN [1], [10] 7

1.3.1 Giới thiệu về truyền sóng vô tuyến 7

1.3.2 Mô hình truyền dẫn quy mô lớn 8

1.3.3 Mô hình truyền dẫn quy mô nhỏ 10

1.3.4 Một số loại nhiễu 21

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO- OFDM 23

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 23

2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYÊN VÔ TUYẾN [2], [4], [7], [8], [11],

[12] 23

2.2.1 Hệ thống SISO 23

2.2.2 Hệ thống SIMO 24

2.2.3 Hệ thống MISO 24

2.2.4 Hệ thống MIMO 25

2.2.5 Hệ thống đa người dùng 26

2.3 MÔ HÌNH MIMO TỔNG QUÁT [3], [9], [10] 28

2.4 Hệ thống OFDM-MIMO 29

2.4.1 Truyền dữ liệu sử dụng đa sóng mang 29

2.4.2 Thực hiện rời rạc đa sóng mang 32

2.4.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) 37

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM 40

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 40

3.2 TỔNG QUAN KỸ THUẬT SDMA 40

3.3 TỔNG QUAN KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 41

3.3.1 Giới thiệu chung 41

3.3.2 Phân loại các kỹ thuật tiền mã hóa 43

3.3.3 Kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-OFDM 44

3.4 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA ZERO FORCING 45

3.5 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA BLOCK DIAGONALIZATION 47

3.6 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA DIRTY PAPER CODING 50

3.7 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TOMLINSON-HARASHIMA 53

3.8 LỰA CHỌN THUÊ BAO 56

3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 58

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 58

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 59

4.3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 60

4.3.1 Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền má hóa tuyến tính 60

4.3.2 Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền mã hóa 61

4.3.3 Khảo sát BER của các kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến 62

4.3.4 Khảo sát BER của các kỹ thuật khi thay đổi số thuê bao 63

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: FDMA 4

Hình 1.2:TDMA 5

Hình 1.3: CDMA 6

Hình 1.4: SDMA 6

Hình 1.5: Ba cơ chế truyền sóng cơ bản: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ 9

Hình 1.6: Mô tả hiệu ứng Doppler 12

Hình 1.7: Phân loại pha đinh quy mô nhỏ 17

Hình 1.8: Đặc tính kênh truyền pha đinh phẳng 18

Hình 1.9: Đặc tính kênh truyền chọn tần 19

Hình 2.1: Hệ thống SISO 23

Hình 2.2: Hệ thống SIMO 24

Hình 2.3: Hệ thống MIMO nxm 25

Hình 2.4: Máy phát đa sóng mang 31

Hình 2.5: Máy thu đa sóng mang 32

Hình 2.6: Tiền tố lặp có độ dài 35

Hình 2.7: ISI giữa các khối dữ liệu trong tín hiệu ngõ ra 36

Hình 2.8: Hệ thống phát – thu OFDM 39

Hình 3.1: Trạm gốc với anten định hướng 41

Hình 3.2: Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA 41

Hình 3.3: Mô hình hệ thống sử dụng SDMA đơn giản 42

Hình 3.4: Mô hình hệ thống SDMA-OFDM 44

Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống ZF 46

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán chương trình chính 59

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán tính BER của hệ thống 60

Hình 4.3: BER của các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính 61

Hình 4.4: BER của các kỹ thuật tuyến tính và phi tuyến 62

Hình 4.5: BER của kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến 63

Hình 4.6: BER của kỹ thuật ZF khi thuê bao thay đổi 64

Hình 4.7: BER của kỹ thuật DPC khi thuê bao thay đổi 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động cải

tiến AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BEM Basis E xpansion M odel Mô hình cơ sở mở rộng

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

CDMA Code Division Multiplexing

Access Đa truy cập phân chia theo mã

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DoF Degress of free Bậc tự do

EGC Equal gain combining Kết hợp độ lợi bằng nhau

ETSI European Telecommunications

GI Guard Interval Khoảng bảo vệ

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

ICI Inter Channel Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier

Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược

IMTS Improved Mobile Telephone

Service

Dịch vụ điện thoại di động cải tiến

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự

ITU International Telecommunication

Union Hiệp hội viễn thông quốc tế LOS Light of Sight Đường truyền thẳng

LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn

MAP Maximum-A-Posteriori

MGC Maximum gain combining Kết hợp độ lợi lớn nhất

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa ngõ vào đa ngõ ra

MISO Multiple input Single Output Đa ngõ vào một ngõ ra

ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại

MS Mobile Station Trạm thuê bao

MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình

OFDM Orthogonal Frequency Division

QAM Quadrature Amplitude

Modulation Điều chế biên độ vuông góc

SC Selection Diversity Phân tập chọn lựa

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

không gian SIMO Single Input Multiple Output Một ngõ vào đa ngõ ra

SISO Single Input Single Output Một ngõ vào một ngõ ra

SNR Signal to Noise Rate Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM

- Mã số: T2017-07-03

- Chủ nhiệm: ThS Phan Thị Quỳnh Hương

- Thành viên tham gia:

- Cơ quan chủ trì: Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 04/2017 đến thàng 12/2017

2 Mục tiêu: Nghiên cứu lý thuyết và áp dụng xây dựng chương trình mô phỏng

các kỹ thuật tiền mã hóa trong mô hình truyền dẫn MIMO đa người dùng, đưa ra

nhận xét và đánh giá

3 Tính mới và sáng tạo: So sánh và đánh giá ưu nhược điểm của các kỹ thuật tiền

mã hóa trong hệ thống MU-MIMO

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Kỹ thuật tiền mã hóa với ưu điểm vượt trội là loại

bỏ nhiễu giao thoa các tín hiệu nhận giữa các thuê bao khác nhau, giữa các anten thu trong cùng một thuê bao đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện chất lượng của

hệ thống MIMO-OFDM đang được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống viễn thông tốc độ cao

Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống MIMO-OFDM, báo cáo đã tập trung vào các phương pháp phổ biến như ZF, BD, DPC, TH Bên cạnh

đó, báo cáo cũng trình bày về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, kênh truyền vô tuyến nhằm có cái nhìn toàn diện hơn về hệ thống MIMO-OFDM Ngoài ra báo cáo cũng đề cập đến kỹ thuật SDMA, một kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không

gian, góp phần giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, tăng dung lượng hệ thống Hiện nay SDMA được sử dụng rộng rãi và mang

hướng dẫn sinh viên

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

Hình 4.4: BER của các kỹ thuật tuyến tính và phi tuyến

Hình 0.1: BER của kỹ thuật tiền mã hóa phi tuyến

Hình 4.6: BER của kỹ thuật ZF khi thuê bao thay đổi

Hình 4.7: BER của kỹ thuật DPC khi thuê bao thay đổi

Đà Nẵng, ngày tháng năm

MỞ ĐẦU

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA

ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa nước nhà như hiện nay, ngành thông tin di động đóng một vai trò hết sức quan trọng Sự phát triển với tốc độ chóng mặt về cả số lượng thuê bao lẫn chất lượng dịch vụ đã đóng góp đảng kể vào việc liên lạc thông tin kinh tế - chính trị - xã hội của nước nhà Và việc áp dụng các kĩ thuật truyền thông không dây tiên tiến là một nguyên nhân mấu chốt cho sự thành công

Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mô hình đa người dùng, và đa anten phát ở trạm phát Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng lên đáng kể Trong đó kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trò cơ bản để tăng chất lượng tín hiệu kênh MIMO

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Một loại hệ thống kênh truyền được sử dụng khá phổ biến trong thời gian những năm gần đây, bởi sự hiệu quả và thiết thực, đó là hệ thống MIMO, hệ thống cho thấy tính thực tế bởi việc thiết lập và xây dựng trên mô hình đa người dùng, và đa anten phát ở trạm phát Điều này làm cho hiệu quả kênh truyền tăng lên đáng kể Trong đó, kĩ thuật tiền mã hóa đóng một vai trò cơ bản để cải thiện khả năng nhận tín hiệu của máy thu, cải thiện hiệu suất sử dụng tín hiệu kênh MIMO Vì vậy, đề tài này sẽ tìm hiểu, nghiên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa trong

hệ thống MIMO-OFDM

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

 Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật tiền mã hóa

 Áp dụng mô phỏng lý thuyết trong mô hình truyền dẫn MIMO, đưa

ra nhận xét, đánh giá.Nghiên cứu và áp dụng lý thuyết sử dụng thông tin kênh truyền trễ vào mô hình truyền dẫn MIMO đa người dùng

4 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Đối tượng nghiên cứu:

5 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp luận xuyên suốt của đề tài là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và

mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể như sau:

- Dẫn dắt vấn đề từ các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO, OFDM

- Nguyên cứu các kỹ thuật tiền mã hóa ZF, BD, DPC, THC

- Ứng dụng các kỹ thuật trên trong hệ thống MIMO

Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab) để mô phỏng mô hình

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Các khái niệm cơ bản trong kênh truyền SISO, MIMO, OFDM

- Các kỹ thuật tiền mã hóa

- Thực hiện mô phỏng các mô hình trên, phân tích so sánh

- Viết báo cáo tổng kết đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này, ta sẽ nghiên cứu về sự phát hiện của mạng thông tin di động và tình hình chung của mạng di động hiên nay Trong phần này còn trình bày những khái niệm và một số vấn đề gây ảnh hưởng đến tín hiệu trong kênh truyền vô tuyến

1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG [5], [10]

Vào cuối những năm 1940, dịch vụ điện thoại vô tuyến đầu tiên đã ra đời và đây là dịch vụ thiết kế cho người sử dụng trên xe hơi Sau đó, hệ thống điện thoại di động cải tiến (IMTS) ra đời vào những năm 1960 bởi Bell Systems đã mang lại một

số cải tiến như gọi trực tiếp và có băng thông lớn hơn Nhiều hệ thống tương tự đầu tiên dựa trên IMTS ra đời vào cuối những năm 1960, đầu 1970 Các hệ thống này được gọi là ‘tế bào’ vì một vùng phủ sóng lớn được chia thành các khu vực nhỏ hơn, gọi là ‘tế bào’ Mỗi tế bào được cung cấp bởi một máy phát, máy thu có công suất thấp

1.2.1 Công nghệ di động thế hệ thứ 1 (1G)

Hệ thống di động thế hệ thứ nhất là một hệ thống tương tự, được phát triển vào những năm 1970 Thế hệ đi động đầu tiên này có hai cải tiến lớn, đó là sự ra đời của bộ vi xử lý và bộ chuyển đổi số của đường liên kết điều khiển giữa điện thoại và trạm tế bào Hệ thống điện thoại di động cải tiến (AMPS) đầu tiên được đưa vào sử dụng tại Hoa Kỳ cũng là một hệ thống di động 1G Công nghệ chính được sử dụng trong 1G là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), công nghệ này cho phép thực hiện cuộc gọi thoại trong một quốc gia

FDMA, đa truy cập phân chia theo tần số, là hệ thống tương tự phổ biến nhất Đối với kỹ thuật này, phổ tín hiệu sẽ được chia thành nhiều dải tần con, và mỗi dải tần gán cho một người sử dụng Tại một thời điểm, chỉ có một người sử

dụng gán cho một tần số Vì thế khi đó, tần số đó sẽ bận cho đến khi cuộc gọi kết thúc, hoặc nếu có cuộc gọi khác thì sẽ sử dụng tần số khác Đối với cuộc gọi thông thường, sẽ cần hai tần số, một tần số để gửi, và một tần số để nhận FDMA chỉ được

sử dụng trọng hệ thống tương tự thế thế đầu tiên, bởi vì sự lãng phí băng thông như

đã nói ở trên

Hình 1.1: FDMA

1.2.2 Công nghệ di động thế hệ thứ 2 (2G)

Công nghệ di động thế hệ thứ hai xuất hiện vào cuối những năm 1980 Các

hệ thống 2G đã thực hiện số hóa tín hiệu thoại và đường liên kết điều khiển Hệ thống số mới này mang mang chất lượng tốt hơn và nhiều dung lượng kênh truyền hơn (Ví dụ: Cho phép nhiều người hơn sử dụng điện thoại cùng lúc mà không bị rớt cuộc gọi), chi phí thấp hơn tại các đầu cuối tiêu thụ Công nghệ chính trong 2G là

đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Mạng thương mại đầu tiên ứng dụng TDMA cho sử dụng công cộng là Truyền thông di động cho hệ thống toàn cầu (GSM)

TDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần TDMA không chia thành các dải tần, mà chia theo thời gian, thành các khe thời gian trên tất cả các tần số Mỗi người dùng sẽ được cấp một khe thời gian Vì vậy, nhiều người dùng có thể sử dụng chung một tần số, nhưng có khe thời gian khác nhau TDMA được sử dụng nhiều trong mạng 2G

Hình 1.2:TDMA

1.2.3 Công nghệ di động thế hệ thứ 3 (3G)

Hệ thống di động thế thế thứ ba hứa hẹn mạng lại các dịch vụ thông tin liên lạc như thoại, fax, khả năng truyền dữ liệu qua Internet nhanh hơn Mục tiêu chính của 3G là cung cấp các dịch vụ mọi lúc, mọi nơi trên toàn thế giới, với hệ thống chuyển vùng liền mạch giữa các tiêu chuẩn IMT-2000 của ITU là một tiêu chuẩn toàn cầu cho hệ thống 3G và cho phép các dịch vụ và ứng dụng sáng tạo, như giải trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên địa điểm,… Tại Nhật, Mạng 3G đầu tiên được khải triển vào năm 2001 Công nghệ 3G có thể hỗ trợ 144 Kbps với tốc độ di chuyển cao của phương tiên, 384 Kbps tại địa phương và 2Mbps cho các trạm cố định

3G đã khởi đầu như thế nào? Ý tường đầu tiên không phải đến từ các nhà điều hành mạng, mà đến từ các nhà sản xuất thiết bị Năm 1996, NTT (Nippon Telephone & Telegraph) và Erission bắt đầu phát triển 3G, sau đó vào năm 1997 tại Hoa Kỳ, Hiệp hội Công nghiệp Viễn thông (TIA - Telecomunication Industry Association) đã chọn CDMA (đa truy cập phân chia theo mã) là kỹ thuật chính sử dụng trong 3G Vào năm 1998, Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI - European telecommunicaitons Standards Institude) cũng chọn CDMA làm công nghệ phát triển Cũng vào năm 1998, hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS)

đã phát triển kỹ thuật CDMA băng rộng (W-CDMA) và CDMA2000

Hai tiêu chuẩn vô tuyến chính sử dụng trong 3G là W-CDMA và CDMA2000 W-CDMA được sử dụng ở Châu Âu, còn CDMA2000 được sử dụng tại USA Đối với kỹ thuật CDMA, một tín hiệu mang dữ liệu, sau đó được nhân với

tín hiệu có tốc độ cao hơn, băng thông lớn hơn, ở đây sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) CDMA2000 sử dụng ghép kênh phân chia theo mã (CDM)

CDMA, đa truy cập phân chia theo mã sử dụng phương pháp trải phổ Khác với FDMA, CDMA cho phép người dùng sử dụng tất cả các tần số có sẵn cùng lúc Mỗi cuộc gọi sẽ được gán cho một mã riêng biệt, vì thế mới có tên là ‘phân chia theo mã’ CDMA rất hiệu quả về băng thông CDMA còn có thể trao đổi thông tin với nhiều hơn một trạm cùng lúc Vì thế nó được chọn để sử dụng trong hệ thống 3G

Hình 1.3: CDMA

1.2.4 Công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G)

Thông tin di động thế hệ thứ tư sẽ mang lại tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với hệ thống 3G Dự đoán, tốc độ dữ liệu của hệ thống 4G tăng lên đến 100 Mbps đối với phương tiện di chuyển và 1Gbps đối với các trạm cố định

Các kỹ thuật được sử dụng trong mạng 4G là OFDM, SDMA,…

Hình 1.4: SDMA SDMA là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian Kỹ thuật này sử dụng các hướng (góc) khác nhau trong không gian tín hiệu, sau đó được phân kênh

và gán cho người dùng khác nhau Kỹ thuật này thường được thực hiện với các anten định hướng (hình 1.4)

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN [1], [10]

Kênh truyền vô tuyến đưa ra những giới hạn về chất lượng của các hệ thống thông tin không dây Đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể thay đổi từ dạng đơn giản như đường truyền thẳng của ánh sáng, hoặc là các đường bị cản bởi tòa nhà, núi và xe cộ,… Trong khi kênh truyền có dây có tính chất đứng yên và có thể dự đoán được, còn kênh truyền không dây là các thông số ngẫu nhiên và biên độ của tín hiệu có thể bị giảm bởi các vật thể di động trong không gian Mô hình hóa kênh truyền vô tuyến là một trong những khó khăn trong việc thiết kế hệ thống vô tuyến di động, và thường được thực hiện với mô hình thống kế với các thông số đặc trưng cho từng hệ thống

1.3.1 Giới thiệu về truyền sóng vô tuyến

Các cơ chế truyền sóng điện từ rất đa dạng, nhưng thường là do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Hầu hết các hệ thống vô tuyến tế bào hoạt động ở khu vực đô thị, đây là khu vực đông đúc nên sẽ không có các đường truyền thẳng của ánh sáng giữa máy phát và máy thu Sự hiện diện của các tòa nhà cao sẽ gây là hao tổn nhiễu xạ Hoặc do sự phản xạ khi gặp các vật cản, làm cho các sóng điện từ sẽ truyền trong nhiều đường khác nhau đến đến máy thu Sự tương tác giữa các sóng này gây nên hiện tượng đa đường, và biên độ của sóng giảm khi khoảng cách giữa máy phát và máy thu tăng lên

Mô hình truyền dẫn thường tập trung vào việc dự đoán tín hiệu thu trung bình tại một khoảng cách so với máy phát và sự thay đổi của cường độ tín hiệu ở không gian gần khu vực đang xét Mô hình truyền dẫn sẽ dự đoán cường độ tín hiệu với khoảng cách theo khoảng cách máy phát – máy thu để ước lượng khu vực hội tụ

vô tuyến của máy phát, gọi là mô hình truyền dẫn quy mô lớn, vì ta thực hiện đặc trưng hóa cường độ tín hiệu theo khoảng cách máy phát – máy thu (khoảng hàng trăm, hàng ngàn mét) Ngược lại, mô hình truyền dẫn đặc trung cho sự dao động

nhanh của biên độ tín hiệu thu trên khoảng cách truyền ngắn (vài bước sóng) hoặc trong thời gian truyền ngắn, được gọi là mô hình truyền dẫn quy mô nhỏ, hay mô hình pha đinh Khi người dùng di chuyển trên một khoảng cách nhỏ, tín hiệu thu tức thời sẽ dao động nhanh, gây ra pha đinh quy mô nhỏ

1.3.2 Mô hình truyền dẫn quy mô lớn

 Mô hình truyền dẫn trong không gian tự do

Mô hình truyền dẫn trong không gian tự do được sử dụng để dự đoán biên độ tín hiệu thu khi không gian giữa máy phát và máy thu không có vật cản, tức là chỉ

có đường truyền thẳng giữa chúng Hệ thống thông tin vệ tinh và các đường liên kết

vô tuyến LOS vi sóng điển hình cũng dựa trên mô hình truyền dẫn trong không gian

tự do này Hầu hết mô hình truyền dẫn quy mô lớn đều dự đoán công suất thu là hàm theo khoảng cách giữa máy phát – máy thu Công suất không gian tự do nhận được tại anten thu cách anten phát một khoảng d được biểu diễn theo phương trình không gian tự do Friis như sau:

[1-1]

Trong đó, là công suất phát, là công suất thu theo hàm khoảng cách máy thu – máy phát, là độ lợi anten phát, là độ lợi anten thu, là khoảng cách giữa máy thu – máy phát theo đơn vị mét, là hệ số hao tổn hệ thống không

do truyền dẫn ( , là bước sóng theo đơn vị mét Độ lợi của anten phụ thuộc vào khẩu độ hiệu dụng như sau:

[1-2]

Khẩu độ hiệu dụng phụ thuộc vào kích thước vật lý của anten phụ thuộc vào tần số sóng mang:

 Ba cơ chế truyền sóng cơ bản

Ba cơ chế truyền sóng cơ bản ảnh hưởng đến truyền dẫn đối với hệ thống truyền dẫn di động gồm phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ Công suất thu là thông số quan trọng nhất được dự đoán thông qua mô hình truyền dẫn quy mô to dựa trên tính chất vật lý của phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ

Hình 1.5: Ba cơ chế truyền sóng cơ bản: Phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ

Tín hiệu thu thực sự trong môi trường vô tuyến không dây thường mạnh hơn

so với tín hiệu được dự đoán, không chỉ là do hiện tượng phản xạ và nhiễu xạ Khi sóng vô tuyến truyền đến các bề mặt thô, năng lượng phản xạ sẽ trải rộng theo tất cả các hướng, dẫn đến sự tán xạ Các vật thể như cột đèn, cây cối có xu hướng làm cho

năng lượng tán xạ theo mọi hướng, tạo thêm năng lượng vô tuyến tại máy thu Tóm tại, tán xạ xảy ra khi sóng truyền qua môi trường gồm các vật cản có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng như bề mặt thô, và có số lượng lớn vật cản trên một đơn vị thể tích

1.3.3 Mô hình truyền dẫn quy mô nhỏ

Thuật ngữ ‘Pha đinh quy mô nhỏ’ được dùng để chỉ dao động nhanh của biên

độ của tín hiệu vô tuyến trong một khoảng thời gian ngắn, hoặc khoảng cách truyền ngắn, vì vậy suy hao đường truyền quy mô lớn không đang kể trong trường hợp này Do cách tính chất của truyền dẫn sóng truyền trong không gian sẽ tạo rất nhiều phiên bản của tín hiệu truyền đến máy thu ở các thời điểm khác nhau, gây ra nhiễu lẫn nhau, tạo ra pha đinh Những sóng này, gọi là sóng đa đường, cùng kết hợp tại anten thu, làm cho tín hiệu thu được có độ biến đổi biên độ và pha rộng

 Truyền đa đường quy mô nhỏ

Truyền đa đường trong kênh truyền vô tuyến sẽ gây ra hiệu ứng pha định quy

mô nhỏ Có ba loại hiệu ứng quan trọng nhất sau:

- Biên độ tín hiệu thay đổi nhanh trong khoảng cách truyền nhỏ, khoảng thời

gian nhỏ

- Điều chế tần số ngẫu nhiên do dịch Doppler khác nhau ở các tín hiệu đa

đường khác nhau

- Phân tán thời gian do trễ truyền đa đường

Khi truyền trong khu đô thị cao ốc thường xảy ra pha đinh vì chiều cao của các anten đi động thường thấp hơn chiều cao của các cấu trúc xung quanh, vì vậy sẽ không có đường truyền thẳng từ anten đến các trạm gốc Thậm chí ngay cả khi đường truyền thẳng tồn tại, hiện tượng đa đường vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất

và các cấu trúc xung quanh Sóng vô tuyến đến với nhiều hướng khác nhau sẽ có những độ trễ khác nhau Sóng đến bao gồm các sóng phẳng có biên độ, pha, góc đến phân bố ngẫu nhiên, Các thành phần đa đường này sẽ kết hợp tại anten thu, và

có thể làm cho tín hiệu thu tại trạm di động bị sai lệch Nếu trạm thu đứng yên, thì

tín hiệu thu vẫn có thể chịu ảnh hường của pha đinh do sự di chuyển của các vật thể trên kênh truyền

 Các yếu tố ảnh hưởng pha đinh quy mô nhỏ

Có nhiều yếu tố vật lý trên kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến pha định quy mô nhỏ, bao gồm:

- Truyền đa đường

- Tốc độ di chuyển

- Tốc độ của vật thể xung quanh

- Băng thông truyền của tín hiệu

 Dịch Doppler

Giả sử thiết bị di động với vận tốc không đổi dọc theo đường có khoảng cách d giữa điểm X và Y, trong khi nó sẽ nhận tín hiệu từ trạm gốc S (hình 1.2) Độ chênh lệch giữa các độ dài đường dẫn từ điểm S đến điểm X và Y là

, trong đó là thời gian cần thiết để thiết bị di chuyển

từ X đến Y, và được giả sử là giống nhau tại điểm X và Y vì ta giả định nguồn S

ở rất xa Sự thay đổi pha của tín hiệu thu do độ dài đường truyền thay đổi là:

Hình 1.6: Mô tả hiệu ứng Doppler

 Mô hình đáp ứng xung của kênh truyền đa đường

Tín hiệu phức truyền đi có thể được biểu diễn như sau:

Từ biểu thức 1-7 và 1-8 ta được:

Với tín hiệu dải gốc thu được:

[1-9]

Bước tiếp theo là ta tạo mô hình kênh truyền để chuyển đổi từ mô hình theo thời gian liên tục thành mô hình theo thời gian rời rạc, trong đó có sử dụng định lý lấy mẫu Giả sử dạng sóng vào x(t) có giới hạn băng là W Phương trình dải gốc được biểu diễn:

[1-10]

Biểu diễn này tuân theo định lý lấy mẫu ở chỗ bất kỳ dạng sóng nào có băng thông giới hạn ở W/2 thì có thể mở rộng thành hàm cơ sở trực giao

với hệ số tương ứng với các mẫu được lấy tại số nguyên lần của

Từ phương trình 1-9, 1-10 tín hiệu thu trong dải gốc được biểu diễn:

Lẫy mẫu tín hiệu ngõ ra tại số nguyên lần với

 Các thông số của kênh truyền đa đường di động

- Băng thông kết hợp

Nếu trải trễ là một hiện tượng tự nhiên gây ra bởi các đường truyền bị phản

xạ và tán xạ trên kênh truyền vô tuyến, thì băng thông kết hợp, ký hiệu là , được định nghĩa theo mối liên hệ với trải trễ hiệu dụng Băng thông kết hợp là thông số thống kê của dải tần số mà kênh truyền được xem là “phẳng” (ví dụ kênh truyền mà các thành phẩn phổ tần số đều cùng độ lợi và pha tuyến tính) Nói một cách khác,

độ rộng băng thông kết hợp là một dải tần số mà hai thành phần tần số có tương quan biên độ lớn Hai sóng sin với độ chênh lệch tần số lớn hơn chịu ảnh hưởng khác nhau đối với kênh truyền Nếu băng thông kết hợp được định nghĩa là băng thông là hàm tương quan tần số lớn hơn 0.9, thì băng thông kết hợp xấp xỉ:

[1-14]

Nếu hàm tương quan tần số lớn hơn 0.5, thì băng thông kết hợp xấp xỉ:

[1-15]

- Trải Doppler và thời gian kết hợp

Trải trễ và băng thông kết hợp là các thông số để biểu diễn sự phân tán về mặt thời gian của kênh truyền trong tự nhiên Tuy nhiên, chúng không cung cấp thông tin về tính chất thay đổi theo thời gian của lênh truyền gây ra do có sự chuyển động tương đối giữa trạm phát và trạm thu, hoặc do sự di chuyển của các vật cản trong kênh truyền

Trải Doppler là thông số trải rộng phổ do tốc độ thời gian của sự thay đổi kênh truyền và được định nghĩa là dải tần số mà phổ Doppler thu là con số khác không Khi sóng sin lý tưởng có tần số được truyền đi, phổ tín hiệu thu, được gọi là phổ Doppler, gồm các thành phần nằm trong dải từ đến

, với là dịch Doppler Khoảng phổ mở rộng đó phụ thuộc vào , mà lại là hàm theo vận tốc tương đối của thiết bị đi động và góc giữa hướng di chuyển và hướng đến của sóng tán xạ Nếu băng thông tín hiệu dải gốc lớn hơn nhiều so với , thì ảnh hưởng của trải Doppler không đang kể tại máy thu Khi

đó, kênh truyền gọi là kênh truyền pha đinh chậm

Thời gian kết hợp là thông số trong miền thời gian của trải Doppler và được dùng để đặc trung cho tính chất tự nhiên thay đổi theo thời gian của phân tán tần số của kênh truyền trong miền thời gian Trải Doppler và thời gian kết hợp nghịch đảo nhau, vì vậy ta có:

[1-16]

Thời gian kết hợp, thật ra, là thông số thống kê của khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi Về định lượng, có thể nói là đáp ứng kênh truyền giống nhau trong khoảng thời gian đó Nói một cách khác, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà khi đó hai tín hiệu thu được sẽ có sự tương quan biên độ lớn nhất Nếu băng thông nghịch đảo của tín hiệu dải gốc lớn hơn thời gian kết hợp của kênh truyền, thì kênh truyền sẽ thay đổi trong quá trình truyền bản tin dải gốc, gây ra hiện tượng méo tại máy thu

 Phân loại pha đinh quy mô nhỏ

Dựa vào mối liên hệ giữa các thông số tín hiệu (băng thông, thời gian truyền ký tự,…) và các thông số kênh truyền (trải trễ hiệu dụng, trải Doppler), mà các tín hiệu truyền khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng của các loại pha đinh khác nhau

Cơ chế phân tán thời gian và phân tán tần số trong kênh truyền vô tuyến di động dẫn đến có 4 loại ảnh hưởng Trong khi trễ đa đường liên quan đến phân tán thời gian và pha đinh chọn tần, thì trải Doppler lại dẫn đến phân tán tần số và pha đinh chọn thời Hình 1.7 mô tả sự độc lập giữa chúng

Pha đinh quy mô nhỏ (dựa trên trải trễ thời gian đa đường)

Pha đinh quy mô nhỏ (dựa trên trải Doppler)

Pha đinh nhanh

1 Trải Doppler lớn

2 Thời gian kết hợp < chu kỳ ký tự

3 Kênh thay đổi nhanh hơn tín hiệu dải

gốc

Pha đinh chậm

1 Trải Doppler nhỏ

2 Thời gian kết hợp > chu kỳ ký tự

3 Kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu dải gốc

Hình 1.7: Phân loại pha đinh quy mô nhỏ

- Pha đinh phẳng

Khi kênh truyền vô tuyến di động có độ lợi hằng và đáp ứng pha tuyến tính trên khoảng băng, trong đó băng thông này lớn hơn so với băng thông của tín hiệu truyền, khi đó tín hiệu thu được gọi là chịu ảnh hưởng của pha đinh phẳng Trong pha đinh phẳng, cấu trúc đa đường của kênh truyền sẽ đảm bảo cho các tính chất phổ của tín hiệu truyền được nguyên vẹn tại máy thu Tuy nhiên, do đa đường nên

độ lợi kênh truyền có sự dao động, làm cho độ lớn của tín hiệu thu sẽ thay đổi theo thời gian Đặc tính của kênh truyền pha đinh phẳng được mô tả trong hình 1.4

Hình 1.8: Đặc tính kênh truyền pha đinh phẳng Tóm lại, tín hiệu chịu ảnh hưởng pha đinh phẳng thì:

[1-17]

Và

[1-18] Với là băng thông nghịch đảo, chu kỳ ký tự; là băng thông tín hiệu;

và lần lượt là băng thông kết hợp và trải trễ của kênh truyền

- Pha đinh chọn tần

Nếu kênh truyền có độ lợi hàng và đáp ứng pha tuyến tính trên khoảng băng thông, trong đó băng thông này nhỏ hơn băng thông của tín hiệu truyền, thì kênh truyền gọi là pha đinh chọn tần đối với tín hiệu thu Khi đó, đáp ứng xung kênh truyền sẽ có trải trễ đa đường lớn hơn băng thông của tín hiệu Và tín hiệu thu sẽ gồm nhiều phiên bản của tín hiệu đến, các phiên bản này suy hao và trễ, dẫn đến tín hiệu thu sẽ bị méo, gây ra nhiễu liên ký tự (ISI) Nếu quan sát trong miền tần số, các thành phần tần số nhất định trong phổ tín hiệu thu sẽ có độ lợi lớn hơn thành phần khác

Hình 1.9: Đặc tính kênh truyền chọn tần Đối với pha định chọn tần, phổ S(f) của tín hiệu phát lớn hơn băng thông kết hợp của kênh truyền Trong miền tần số, kênh truyền chọn tần khi độ lợi khác nhau đối với các tần số khác nhau Cũng do hiện tượng trễ đa đường nên kênh truyền có hiện tượng chọn tần như vậy Kênh truyền pha đinh chọn tần cũng được gọi là kênh truyền băng rộng vì băng thông của tín hiệu s(t) lớn hơn băng thông của đáp ứng xung của kênh truyền Khi thời gian thay đổi, độ lợi và pha của kênh truyền cũng thay đổi dọc theo phổ của s(t), làm cho tín hiệu thu r(t) bị méo thay đổi theo thời gian Tóm lại, tín hiệu chịu ảnh hưởng pha đinh chọn tần khi:

[1-19]

Và

[1-20]

- Pha đinh nhanh

Phụ thuộc vào tín hiệu phát dải gốc thay đổi nhanh hay chậm so với tốc độ thay đổi của kênh truyền, mà có thể phân loại được kênh truyền là pha đinh nhanh hay pha đinh chậm Đối với kênh truyền pha đinh nhanh, đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh so trong một chu kỳ ký tự Khi đó thời gian kết hợp của kênh truyền nhỏ hơn chu kỳ ký tự của tín hiệu phát Tóm tại, tín hiệu chịu ảnh hưởng pha đinh nhanh khi:

- Pha đinh chậm

Đối với kênh truyền pha đinh chậm, đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi với tốc độ chậm hơn tín hiệu phát ở dải gốc s(t) Khi đó, kênh truyền được xem là tĩnh trong một hoặc vài khoảng băng thông Trong miền tần số, điều này có nghĩa là trải Doppler của kênh truyền sẽ nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu dải gốc Vì thế, tín hiệu chịu ảnh hưởng pha đinh chậm khi:

1.3.4 Một số loại nhiễu

- Nhiễu AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu

là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô cellular interference) Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn

(inter-Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng

Nhiễu nhiệt là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

- Nhiễu ISI và ICI

Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng Như đã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễ đa đường Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký

tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự ISI Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với

ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng

tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trong thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM Nhiễu ICI được loại bỏ hoàn toàn nhờ sử dụng tập sóng mang làm tập tần số của các kênh phụ

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Tóm lại, chương này đã cho ta biết thêm về mạng di động và quá trình phát triển của hệ thống di động không dây, một số đặc điểm của kênh truyền di động và một vài ảnh hưởng đến tín hiệu khi truyền trong không gian Mặt khác, ta cũng có thể hiểu cụ thể hơn các loại nhiễu thường gặp trong hệ thống kênh truyền không dây, chính vì thế cần đưa ra những biện pháp để hạn chế nhiễu và ảnh hưởng của nó đến chất lượng kênh truyền Chính những ảnh hưởng đó đã làm tín hiệu khi phát đến khi thu có thể bị lỗi, nên trong bất kỳ hệ thống nào cũng cần phải xử lý lỗi để lấy lại tín hiệu giống như tín hiệu ban đầu Và ở chương tiếp theo ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về hệ thống MIMO-OFDM

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MIMO- OFDM

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

MIMO-OFDM là hệ thống kết hợp ưu điểm của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM để tăng tốc độ, dung lượng hệ thống cũng như giảm nhiễu, giảm kích thước của máy phát và máy thu từ đó giúp tăng hiệu suất của hệ thống Đây là một giải pháp triển vọng cho hệ thống thông tin vô tuyến Trong chương này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về hệ thống MIMO, các dạng cấu hình, hệ thống MIMO-OFDM và mô hình toán học của nó

2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH TRUYÊN VÔ TUYẾN [2], [4], [7], [8], [11], [12]

Hệ thống thông tin vô tuyến đã trải qua những thế hệ khác nhau từ hệ thống SISO cho đến MIMO Trong đó băng thông là một trong những thông số quan trọng quyết định tốc độ truyền dữ liệu cho các ứng dụng dịch vụ Nói một cách khác, băng thông quyết định chất lượng của hệ thống Phần này sẽ trình bày lần lượt dung lượng của các hệ thống SIMO, MISO, SIMO, MIMO

2.2.1 Hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống một ngõ vào và một ngõ ra Đây là hệ thống thông tin đơn giản nhất khi bên phát có 1 anten và bên thu có 1 anten Mô hình SISO thường được dùng trong nhiều hệ thống như Bluetooth, Wifi, TV,…

Hình 2.1: Hệ thống SISO Dung lượng của hệ thống SISO theo lý thuyết Shannon như sau:

[2-1]

Trong đó là dung lượng kênh truyền, là băng thông của hệ thống,

là tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SISO có một điểm thuận lợi, đó chính là sự đơn giản, không cần quá trình xử lý phân tập Thông lượng của hệ thống phụ thuộc vào băng thông kênh truyền và tỷ

số tín hiệu trên nhiễu Trong một số điều kiện, hệ thống này chịu ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường gây ra hiện tượng pha đinh, suy hao dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu, mất gói, số bit lỗi tăng lên

2.2.2 Hệ thống SIMO

SIMO là hệ thống một ngõ vào với một anten phát, và một ngõ ra với nhiều anten thu Để tối ưu hóa mô hình dữ liệu, nhiều mô hình phân tập thu khác nhau đã được thực hiện tại máy thu như mô hình phân tập chọn lựa (SC), mô hình kết hợp

độ lợi lớn nhât (MGC) và mô hình kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) Hệ thống SIMO được sử dụng cho các trạm thu sóng ngắn để đếm ảnh hưởng của pha đinh tầng điện ly Hệ thống SIMO thích hợp với nhiều ứng dụng nhưng khi máy thu đặt tại các thiết bị đi động như điện thoại đi động, thì chất lượng sẽ giới hạn bởi kích thước, giá thành và lượng pin sử dụng

Hình 2.2: Hệ thống SIMO

2.2.3 Hệ thống MISO

Hệ thonons MISO là hệ thống nhiều ngõ vào và một ngõ ra Đây là một mô hình trong hệ thống thông tin di động RF, trong đó nhiều anten đặt tại máy phát và một anten thu đặt tại máy thu

Dung lượng của hệ thống MISO và SIMO được biểu diễn như sau:

Trong đó là số anten phát trong hệ thống MISO, và là số anten thu trong hệ thống SIMO, là dung lượng kênh truyền, là băng thông của hệ thống, là

tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Trong đó, là số anten phát, là số anten thu

Nếu tín hiệu được mã hóa bằng kỹ thuật mã hóa thời gian – không gian, thì dung lượng sẽ là:

[2-2]

[2-3]

Hệ thống MIMO thường được sử dụng để ghép kênh trong không gian để có thể truyền tín hiệu đi theo những đường truyền khác nhau Khi càng tăng số lượng anten phát và thu, thì dung lượng kênh truyền càng được cải thiện

2.2.5 Hệ thống đa người dùng

Kênh truyền đa người dùng là kênh truyền được chia sẻ giữa nhiều người dùng khác nhau Có hai loại kênh truyền đa người dùng: kênh lên và kênh xuống (hình 2.4) Kênh xuống, hay được gọi là kênh phát sóng, có một máy phát đến nhiều nhiều máy thu Vì tín hiệu được truyền cho nhiều người dùng, nên tín hiệu truyền sẽ gồm , với công suất tổng là và băng thông , là tổng tín hiệu truyền đến tất cả K người dùng Vì thế tổng công suất của tín hiệu sẽ được chia cho nhiều người dùng khác nhau Vấn đề đồng bộ giữa các máy thu khác nhau sẽ dễ dàng hơn, vì tất cả các tín hiệu truyền đi đều từ một máy phát Một tính chất quan trọng khác của đường xuống là cả tín hiệu và nhiễu đều bị méo bởi cùng một kênh

Cụ thể là, tín hiệu của người dùng thứ là , và tất cả các tín hiệu

đi qua kênh truyền của người dùng thứ là đều đến người dùng thứ Đây

là sự khác nhau cơ bản giữa đường lên và đường xuống, vì đường lên từ nhiều người dùng khác nhau sẽ bị nhiễu bởi kênh truyền khác nhau Ví dụ kênh phát sóng

vô tuyến bao gồm phát sóng radio, phát sóng truyền hình, đường truyền từ vệ tính đến các trạm mặt đất, đường truyền từ trạm gốc đến các đầu cuối di động trong hệ thống tế bào

Kênh lên, còn gọi là kênh đa truy cập, gồm nhiều máy phát gởi tín hiệu đến một máy thu, trong đó, mỗi tín hiệu đều có băng thông tổng Tuy nhiên, ngược với đường xuống, mỗi người dùng ở đường lên đều có sự hạn chế công suất liên quan với tín hiệu phát Thêm vào đó, vì tín hiệu truyền từ nhiều máy phát khác nhau, nên các máy phát này phải phối hợp với nhau để đồng bộ tín hiệu Hình

[2-4]