hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật stbc

Trong đó kỹ thuật mã hóa STBC là một kỹ thuật khá mới mẻ nhưng rất hiệu quả cóthể kết hợp với hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM được sử dụng rất hiệu quả trongviệc hạn chế ảnh hưởng fading

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án hay côngtrình đã có trước đây Nếu vi phạm điều trên tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật từthầy cô và hội đồng bảo vệ

xin chân thành cảm ơn!

Đà nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện

•

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

1.Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

B

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C .

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

CP Cycle Prefix Tiền tố lặp

CFO Carrier Frequency Offset Lệch tần số sóng mang

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

D

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc

F .

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh chia theo tần số

FEC Forward Error Control Kiểm soát lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

I .

IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử

Electronics Engineers ICI InterCarrier Interference Nhiễu liên sóng mang

ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự

IDFT Inverse Discrete Fourier Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc

Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi ngược Fourier nhanh

L

LAN Local Area Networks Mạng máy tính cục bộ

LTE Long Term Evolution Sự phát triển lâu dài

LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng

M .

MAN Metropolitan Area Networks Mạng đô thị băng rộng

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào-đa đầu raMISO Multiple Input single Output Hệ thống đa đầu vào-một đầu ra

MS Mobile Station Trạm di động

ML Maximun Likelihood Khả năng tối đa

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số tối đa

O

OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing trực giaoOFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần

Multiple Access số trực giaoOLOS Obstructed Line Of sight Tầm nhìn thẳng bị che chắn

S

SCE Space-Time Encoding Mã hóa không gian-thời gian

SCD Space-Time Decoding Giải mã không gian-thời gian

STC Space-time codes Mã hóa không gian-thời gian STBC Space Time Block Coding Mã hóa khối không gian-thời gianSTTC Space-Time Trellis Code Mã hóa lưới không gian-thời gianSIMO Single Input Multiple Output Hệ thống một đầu vào-đa đầu raSISO Single Input Single Output Hệ thống một đầu vào-một đầu ra

W .

WiMAX Worldwide Interoperability for Hay còn gọi là Wireless MAN

Microwave Access WLAN Wireless Local Area Networks Mạng LAN không dây-WirelessLAN

WMAN Wireless Metropolitan Area Networks Mạng đô thị không dây

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay sự bùng nổ nhu cầu trong thông tin di động đã thúc đẩy sự pháttriển của công nghệ truyền thông vô tuyến Đó là sự xuất hiện của hệ thống MIMO

Kỹ thuật OFDM, kỹ thuật STBC…

Trong đó kỹ thuật mã hóa STBC là một kỹ thuật khá mới mẻ nhưng rất hiệu quả cóthể kết hợp với hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM được sử dụng rất hiệu quả trongviệc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao được chất lượng và dung lượngcủa hệ thống thông tin vô tuyến mà không làm ảnh hưởng tới băng thông hệ thốngMặt khác làm tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập

Từ những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật STBC nói riêng và đặc biệt là sự kết hợpcủa kỹ thuật STBC với hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp rấthiệu quả hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến băng rộng tương lai như LTE, WiMAX …Thấy được vai trò quan trọng của kỹ thuật STBC trong việc giải quyết vấn đề vềchất lượng kênh truyền trong thông tin di động cho nên đồ án này em chọn đề tài là:

“Hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật STBC” Nội

dung đồ án này gồm 5 chương, trong đó 4 chương lý thuyết và 1 chương thực hiện

mô phỏng tín hiệu bằng phần mềm matlab

• Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật STBC

• Chương 2 : Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC trong MIMO

• Chương 3 : Kỹ thuật STBC-OFDM

• Chương 4 : Giới thiệu công cụ curve fitting tool trong matlab

• Chương 5 : Hướng đến mô hình toán học biểu diễn hiệu năng của kỹ thuật

STBC

Trong đồ án này ta sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khối không gian thờigian STBC, các symbol được mã hóa thành từng khối trước khi phát đi nên nguyêntắc phát tín hiệu trong hệ thống có áp dụng kỹ thuật mã hóa STBC đặc biệt hơn ởchổ là thực hiện truyền nhiều bản sao của một chuổi dữ liệu tới nhiều user với hy

vọng là có ít nhất một user trong số đó có thể tồn tại đường dẫn vật lý giữa việctruyền và nhận trong tình trạng tốt, đủ để cho phép giải mã đáng tin cậy Ngoài ranội dung đồ án trình bày rõ về sự kết hợp 2 kỹ thuật STBC-OFDM vào hệ thốngMIMO, nhằm khai thác triệt để những ưu điểm của 2 kỹ thuật này và hệ thốngMIMO Sự kết hợp này là rất cần thiết giải quyết vấn đề về fading đa đường, dunglượng và chất lượng kênh truyền, băng thông hệ thống….

Để thực tế hơn trong đồ án này em đã dùng phần mềm matlab mô phỏng thành côngBER của các hệ thống MISO-STBC, SIMO-MRC, MIMO-STBC, MISO-STBC-OFDM, SIMO-MRC-OFDM, MIMO-STBC-OFDM Hơn nữa đó là sự so sánh đểthấy được hệ thống MIMO-STBC-OFDM hiệu quả hơn so với các hệ thống còn lại.Điểm nổi bật của đồ án này là em đã dùng công cụ curve fitting tools trong matlab

để tìm ra mô hình toán học cụ thể cho các đường tín hiệu trong kết quả mô phỏngđiều đó thuận lợi cho việc tìm hiểu , tính toán các hệ thống này về sau

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng nội dung đồ án này không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn cô Bùi Thị Minh Tú và các thầy

cô trong khoa Điện tử Viễn thông trong thời gian qua đã tận tình giúp đỡ em rấtnhiều và tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Đà nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2013 Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT STBC

1.1 Giới thiệu chương.

Chương này sẽ đi tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian(space time code STC) trong hệ thống thông tin không dây Tiếp đến tìm hiểu về kỹthuật mã hóa khối không gian-thời gian (space time block codes STBC) Một kỹthuật được dùng phổ biến làm cải thiện đáng kể chất lượng kênh truyền mà khônglàm tăng băng thông của hệ thống

Cụ thể chúng ta đi sâu tìm hiểu về áp dụng kỹ thuật mã hóa khối STBC trong môhình 2 anten phát 1 anten thu của ông Alamouti ,chúng ta sẽ được biết rõ hơn cáchthức mã hóa tín hiệu phát ở dạng khối và nguyên tắc giải mã bằng thuật toánML(Maximum Likelihood)

1.2 Tổng quan kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian (STC)

Kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian (STC) là phương pháp cải thiện chấtlượng đường truyền trong hệ thống thông tin không dây bằng cách sử dụng nhiềuanten phát và thu

Đặc điểm của kỹ thuật mã hóa không gian- thời gian STC chính là thực hiện truyềnnhiều bản sao của một chuổi dữ liệu tới nhiều user với hy vọng là có ít nhất mộtuser trong số đó có thể tồn tại đường dẫn vật lý giữa việc truyền và nhận trong tìnhtrạng tốt , đủ để cho phép giải mã đáng tin cậy

Vì vậy phương pháp này có thể làm tăng chất lượng kênh truyền mà không chiếmbăng thông của hệ thống và không làm thay đổi tốc độ dữ liệu

Kỹ thuật Mã hóa STC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống MIMO, các antenđược thiết kế với khoảng cách đủ lớn để các tín hiệu tại các anten không ảnh hưởnglẫn nhau

Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạmạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập Do đó thay vì tìm

cách chống lại hiện tượng đa đường, mã hóa STC lợi dụng tính chất này để nângcao dung lượng kênh truyền

Với một chuỗi symbol vào, bộ mã hóa không gian thời gian sẽ chọn các điểm tươngứng trên giản đồ chòm sao để truyền đồng thời tại tất cả các anten qua đó tăng độlợi ghép kênh và độ lợi phân tập

Mã hóa không gian-thời gian(STC) cơ bản được chia thành 3 loại:

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

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

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

Space-Trong các phương pháp mã hóa trên thì phương pháp Mã hóa khối không gian thờigian STBC (Space-Time Block Code) được áp dụng rộng rãi nhất STBC cho phépphân tập đầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã hóa của bộ mã hóa, quátrình giải mã đơn giản, dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (MaximunLikelihood)

1.2.1 Kỹ thuật mã hóa alamouti STBC.

Một thuật toán mã hóa không gian-thời gian được đề xuất trong bài báo mang

tính bước ngoặt của ông Siavash M Alamouti năm 1998 “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communication”, tìm ra một phương pháp đơn

giản để đạt được phân tập không gian với việc dùng 2 anten phát và 1 anten thu, cóthể được xem là điển hình trong hệ thống MISO-STBC

Hình 1.1: Mã hóa Alamouti STBC với 2 anten phát,1 anten thu

Kỹ thuật Alamouti STBC thực hiện mã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một

ma trận đầu ra với các hàng tương ứng các anten phát (không gian) và các cột tươngứng với thứ tự phát (thời gian)

Thuật toán của Alamouti như sau:

Hình 1.2: Các ký tự phát trong Alamouti STBC Giả sử ta có một chuổi ký tự phát {x 1 ,x 2 ,x 3 … ,x n} Với cách phát bình thường, chúng

ta sẽ gửi x 1 trong khe thời gian thứ 1, gửi x 2 trong khe thời gian thứ 2, rồi x 3 khe thời

gian thứ 3 và cứ như vậy cho tới x n

Tuy nhiên, Alamouti đề xuất rằng nhóm các ký tự thành từng nhóm 2 ký tự Trong

khe thời gian thứ nhất phát x 1 và x 2 từ anten thứ 1 và anten thứ 2 Trong khe thời

gian thứ 2 phát

* 2

x

−

và

* 1

x

từ anten thứ 1 và anten thứ 2 Trong khe thời gian thứ 3

phát x 3 và x 4 từ anten thứ 1 và anten thứ 2 Trong khe thời gian thứ 4 phát

* 4

x

− và

*

3

x

từ anten thứ 1 và anten thứ 2, và cứ như vậy cho hết chuổi ký tự

Mặc dù Alamouti nhóm thành 2 ký tự, chúng ta vẫn cần có 2 khe thời gian để phát 2

ký tự Do đó, không có sự thay đổi tốc độ dữ liệu, không ảnh hưởng tới băng thông

hệ thống

1.2.2 Sơ đồ khối mô hình Alamouti STBC

Hình 1.3: Sơ đồ mô hình Alamouti STBC cụ thể Như trong sơ đồ hình 1.3 trên, bộ mã hóa Space-Time encoder sẽ mã hóa 2 ký tự đấu vào liên tiếp x 1 và x 2 thành ma trận:

Trong khe thời gian thứ nhất, phát x 1 và x 2 trên anten thứ 1 và anten thứ 2 Trong

khe thời gian thứ 2 phát

* 2

x

−

và

* 1

x

trên anten thứ 1 và anten thứ 2 như trên

Kênh truyền tại thời gian t có thể được mô hình hóa bởi h 1 (t) cho anten phát thứ 1

Tín hiệu thu được trong khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai là:

Trong đó n 1 và n 2 là các biến phức độc lập, biểu diễn nhiễu Gauss trắng cộng tương

ứng tại khe thời gian t và t+T.

1.2.3 Phương pháp kết hợp và giải mã ML (Maximum likelihood):

Nếu hệ số kênh truyền fading h 1 và h 2 có thể khôi phục được hoàn toàn tại đầuthu, bộ giải mã sẽ sử dụng chúng như là thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) Giả

sử rằng tất cả các tín hiệu trong chòm sao điều chế có xác suất bằng nhau, bộ giải

mã ML (Maximum Likelihood Decoding) chọn một cặp tín hiệu ( 1 2

ˆ ˆ ,

x x

) từ chòmsao điều chế để cực tiểu hóa khoảng cách:

ˆx

và 2

ˆx , thế r 1 và r 2 ở phương trình (1.5) ,(1.6)vào (1.7), giải mã ML có thể được trình bày như phương trình :

1.3 Phương pháp điều chế M_PSK (M_Phase Shift Keying)

Đây là phương pháp điều chế khóa dịch pha, sóng mang được điều chế về pha.Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyền tốc

độ thấp, nhưng xác suất lỗi bits rất thấp

Tín hiệu M-PSK được phát cho symbol thứ i có thể được thể hiện như sau:

, 0

) 1 ( 2 2

f T

E t

- E s là năng lượng tín hiệu trên symbol

- f c là tần số sóng mang

- T s là thời gian symbol

Pha này của sóng mang tạo thành bởi một trong M giá trị có thể:

M i

M i

.Vậy BPSK có 2 trạng thái phụ thuộc 1 bit vào, QPSK có 4 trạng thái phụ thuộc 2 bit(Dibit) vào , thể hiện giản đồ chòm sao:

Hình 1.4: Giản đồ chòm sao của điều chế BPSK và QPSK

1.4 Kết luận chương:

Trong chương này chúng ta đã được tìm hiểu tổng quan kỹ thuật mã hóa khônggian thời gian (space time code STC) ,qua đó cho ta thấy được đây là kỹ thuật rấtphổ biến dùng trong các hệ thống phân tập anten Bên cạnh đó chúng ta còn đượcbiết rõ về kỹ thuật mã hóa khối không gian thời gian (space time block code STBC)đây là một phương pháp mã hóa đặc trưng trong kỹ thuật STC Kỹ thuật STBCđược xem là đơn giản nhưng rất hiệu quả làm giảm ảnh hưởng của fading, tránh haophí băng thông, và tăng dung lượng kênh truyền…

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG MIMO VÀ KỸ THUẬT STBC TRONG

MIMO

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này chúng ta đi tìm hiểu tổng quan về các kỹ thuật phân tập, hệthống MIMO trong thông tin vô tuyến Chúng ta tìm hiểu sâu kỹ thuật mã hóa khốikhông gian thời gian STBC áp dụng trong MIMO làm giảm ảnh hưởng của fadingtăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tập

2.2 Các kỹ thuật phân tập (Diversity)

Một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để giảm hiệu ứng của fading đa đường

là sử dụng kỹ thuật phân tập Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập sửdụng hạn chế được ảnh hưởng của fading đa đường, làm tăng chất lượng tín hiệu vôtuyến mà không cần phải tăng băng thông hay công suất phát

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu.Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tươngquan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tínhiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bảnriêng lẽ nên sẻ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của đườngtruyền Khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường tín hiệu khác có thểkhông bị suy giảm

Có nhiều cách để đạt được phân tập, có 3 kỹ thuật phân tập cơ bản là phân tập thờigian (Time diversity), phân tập tần số (Frequency diversity) và phân tập không gian(Space diversity) hay còn gọi là phân tập anten Phân tập thời gian có thể thu đượcqua mã hoá và xen kênh (interleaving), phân tập tần số nếu đặc tính của kênh làchọn lọc tần số, phân tập không gian với nhiều anten phát hoặc thu đặt cách nhauvới khoảng cách đủ lớn

Ngoài ra, kỹ thuật phân tập có thể được phân ra thành 2 nhóm là phân tập phát(Transmitter diversity) và phân tập thu (Receiver diversity) Trong phân tập phát,nhiều anten được dùng tại phía phát Các bản tin được xử lý tại bộ phát và truyền đibằng nhiều anten khác nhau Phân tập phát giúp giảm công suất xử lý của bộ thu,dẫn đến cấu trúc hệ thống thu đơn giản, giảm công suất tiêu thụ và giảm chi phí.Phân tập phát cũng được sử dụng trong thông tin di động với nhiều anten phát tạitrạm gốc Điều này giúp nâng cao chất lượng, cũng như giải quyết được yêu cầuphân tập thu tại máy thu Hơn nữa, nếu thực hiện phân tập thu tại máy đầu cuối sẽcần có nhiều bộ chuyển đổi RF, do đó sẽ mất nhiều năng lượng hơn để xử lý, trongkhi nguồn cung cấp của máy đầu cuối là hạn chế

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng tại đầu thu để thu các bản sao độc lậpnhau của tín hiệu truyền Các bản sao tín hiệu này được kết hợp một cách hợp lý,

làm tăng tỷ số SNR tại đầu thu và hạn chế fading đa đường

2.2.1 Phân tập thời gian (Time Diversity)

Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền nhiều bản tin giống nhau tạicác khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu sẽ thu được các tín hiệu không tươngquan về fading Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất phát, nhưng nólàm giảm tốc dộ dữ liệu từ dữ liệu được lặp lại trong các khe thời gian hơn là gửi dữliệu mới trong các khe thời gian này

2.2.2 Phân tập tần số (Frequence Diversity)

Phân tập tần số đạt được bằng cách phát cùng một tín hiệu trên nhiều tần số sóngmang khác nhau Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủ lớn để ảnh hưởngcủa fading lên các tần số này là độc lập nhau Tương tự như phân tập thời gian,phân tập tần số cũng có khái niệm băng thông liên kết (coherence bandwidth) Tuynhiên, thông số này sẽ thay đổi tương ứng với các môi trường truyền sóng khácnhau

2.2.3 Phân tập không gian (Space Diversity)

Kỹ thuật phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten (Antenna Diversity)

là kỹ thuật dùng nhiều anten ở đầu thu hoặc đầu phát hoặc cả hai để phát hay thucùng một tín hiệu trên đường truyền vô tuyến

Các anten được phân cách nhau một khoảng cách vật lý để đảm bảo các tín hiệukhông tương quan nhau Khoảng phân cách yêu cầu sẽ thay đổi theo độ cao anten,môi trường truyền sóng và tần số thu phát Thông thường, khoảng phân cách vàibước sóng là đủ đảm bảo các tín hiệu không tương quan

Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu truyền được cung cấp đến bộthu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tập thời gian và tần

số sử dụng băng thông không hiệu quả, phân tập không gian đảm bảo sử dụng hiệuquả băng thông Đây là một đặc tính rất hấp dẫn cho việc phát triển truyền thông vôtuyến tốc độ cao trong tương lai

Tùy vào việc sử dụng số anten tại đầu phát và đầu thu mà chia phân tập anten rathành 3 loại: hệ thống phân tập phát MISO, phân tập thu SIMO và phân tập cả haiđầu phát - thu MIMO

2.3 Các mô hình và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.

2.3.1 Hệ thống SISO

Hệ thống SISO (Single Input Single Output) là một hệ thống đơn giản chỉ sử

dụng một anten tại đầu phát và một anten tại đầu thu Theo dung lượng Shanon củakênh truyền vô tuyến, cho một kênh truyền bị hỏng do nhiễu Gauss trắng cộng tại

một mức SNR, dung lượng của SISO là :

[ SNR ]

B

CSHANNON = log2 1 +

(2.1)

Trong đó : C là dung lượng Shannon, B là băng thông kênh truyền, SNR là tỉ số tín

hiệu trên nhiễu

Từ công thức trên ta thấy rằng, để tăng dung lượng kênh truyền ta phải tăng băngthông B, nhưng băng thông là tài nguyên có hạn và rất quý giá Nên hệ thống SISOkhông hiệu quả trong việc sử dụng băng thông.

2.3.2 Hệ thống SIMO

Hệ thống SIMO (Single Input Multiple Output) là hệ thống có một anten phát và

nhiều anten thu Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu

từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR thông qua các giải thuật

beamforming hoặc MMRC (Maximal-Ratio Receive Combining) Khi máy thu biếtthông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu.Dung lượng của kênh truyền SIMO là :

CSIMO = B log2[ 1 + NR SNR ]

(2.2)

2.3.3 Hệ thống MISO

Hệ thống MISO (Multiple Input Single Output) là hệ thống có nhiều anten tại đầu

phát (NT anten phát) và chỉ có một anten thu Hệ thống này có thể cung cấp phân tậpphát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụngBeamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ Khi máy phát biết đượcthông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm Log của số anten phát và

có được xác định theo biểu thức sau:

MIMO (Multiple Input Multiple Input) là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi

phát và nơi thu Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào đa anten phát,cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặcthực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất,triệt can nhiễu Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào

độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như STBC,STTC Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thểcung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại

Ta giả sử hệ thống MIMO có N T anten phát và N R anten thu Ta phân tích dunglượng hệ thống MIMO theo 2 trường hợp sau

2.3.4.1 MIMO với cùng tín hiệu được phát bởi nhiều anten

Trong trường hợp này, hệ thống MIMO có thể được xem như hiệu quả của sự kếthợp giữa kênh truyền SIMO và MISO

SNR N N noise

N N

r SignalPowe N

N

R T

R

).(

2

log 2 N N SNR bps Hz B

(2.5)

Do đó, chúng ta có thể thấy rằng dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO làcao hơn so với dung lượng của hệ thống SIMO và MISO Nhưng trong trường hợp

này dung lượng tăng ở phía trong hàm log Điều này có nghĩa là cố gắng tăng tốc

độ dữ liệu bằng cách đơn giản tăng công suất phát là cực kỳ tốn kém

2.3.4.2 MIMO với tín hiệu khác nhau được phát trên nhiều anten

Ý tưởng lớn trong MIMO đó là chúng ta có thể gửi các tín hiệu khác nhau sửdụng cùng băng thông và vẫn có thể giải mã chính xác được tại đầu thu Do đó, nógiống như việc chúng ta đang tạo ra một kênh truyền cho mỗi bộ phát Dung lượngcủa mỗi kênh truyền này tương đương đương với :

) / (

1 log

N

N B

Nhưng chúng ta có N T kênh truyền , vậy tổng dung lượng của hệ thống là :

) / (

1 log

N

N B

N C

T

R T

=

(2.7)

Với N T ≥ N R , dung lượng kênh truyền MIMO là bằng :

[ 1 ] ( / ) log

B 2 SNR bps Hz N

(2.8)Các mô hình thông tin vô tuyến :

Hình 2.1: Các mô hình thông tin vô tuyến.

2.4 Mô hình hệ thống MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) là một công nghệ truyền thông không

dây, trong đó cả đầu phát lẫn đầu thu tín hiệu đều sử dụng nhiều anten để tối ưu hóatốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mấttín hiệu

Hệ thống MIMO đa anten gồm có N T anten phát và N R anten thu có thể được biểudiễn bằng mô hình như sau:

Hình 2.2: Hệ thống MIMO

Trong hệ thống MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng theonhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin Dữ liệu truyền sau đó sẽđược tập hợp lại ở đầu thu theo những định dạng đã được ấn định MIMO cũng cóthể ghép kênh theo không gian để phân biệt những tín hiệu khác nhau trên cùng mộttần số Ngoài ra người ta cũng sử dụng kỹ thuật mã hóa khối dữ liệu theo thời gian

và không gian (STBC) để tăng cường độ tin cậy và tăng dung lượng kênh truyền.MIMO tận dụng sự dội lại của sóng khi đụng phải những chướng ngại trên đườngtruyền khiến chúng có thể đến được đầu thu tín hiệu bằng nhiều con đường khácnhau Hệ thống MIMO có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu, giảm tỷ lệ lỗi bits (BER),tăng vùng phủ sóng hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất phát hay băngthông hệ thống

Tín hiệu thu được biễu diễn dạng ma trận:

biểu diễn tín

hiệu nhận được từ N T anten

T NC

n ∈

Biểu diễn nhiễu Gauss trắng

H là ma trận kênh truyền có kích thước NT xNR chứa các hệ số phức h ij , mỗi hệ h ij

biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát thứ j đến anten thu thứ i.

2.5 Mô hình hệ thống MIMO-STC

Ở chương 1 chúng ta đã tìm hiểu cơ bản kỹ thuật mã hóa không gian thời gianSTC đây là phương pháp rất phổ biến để cải thiện chất lượng đường truyền trong hệthống MIMO Phần này ta tìm hiểu rõ hơn về kỹ thuật mã hóa STC trong hệ thốngMIMO Mô hình hệ thống MIMO-STC với NT anten phát và NR anten thu như sau:

T R R

R

T T

N N

n n

x

x x

h h

h

h h

h

h h

h

y

y y

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

2 1 2

1

2 1

2 22

21

1 12

11 2

1

symbol phát sau khi được mã hóa đưa tới các anten phát là :

( ) 1( t )N T

i i

t =1,2…T Với i là anten phát thứ i trong khe thời gian t.

Vậy ta có tổng số symbol được phát là :

T

(2.11)-Với T là số khe thời gian phát , NT số anten phát

Tín hiệu nhận được với anten thu thứ j trong { t = 1,2…T } khe thời gian :

(1) (2) ( )

1 1 1 (1) (2) ( )

2 2 2 (1) (2) ( ) (1) (2) ( ) (1) (2) ( )

1 2 0

(1) (2) ( )

T

T T

M M O M

L

(2.12)

EX : năng lượng trung bình của mỗi tín hiệu phát

N T : Tổng công suất phát của tín hiệu

: nhiễu Gauss cộng vào tín hiệu anten thu thứ j trong khe thời gian t

Tổng quát tín hiệu nhận được với NR anten thu trong {t = 1,2…T }khe thời gian:

T N

z ∈ C

Biểu diễn nhiễu Gauss trắng

H là ma trận kênh truyền có kích thước NT xNR chứa các hệ số phức h ji , mỗi hệ h ji

biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát thứ i đến anten thu thứ j.

Ban đầu phát 2 ký tự x1 và x2 ,sẽ được mã hóa thành khối :

* 2 1

c c

c c

Vector tín hiệu thu trong 2 khe thời gian khi lấy phức (2.16) và viết dạng ma trận:

Vector tín hiệu nhận được sau khi giải mã :

1 1 1

j j

j j

j j

n x h x h r

n x h x h r

2

* 1 2 ,

* 2 1 , 2

1 2 2 , 1 1 , 1

++

−

=

++

=

[3] (2.23)

Trong đó h j,i , i = 1, 2; j = 1, 2, …, N R là hệ số fading cho đường truyền từ anten

là các tín hiệu nhiễu cho anten thu j tương

ứng tại các thời điểm t và t+T

Bộ thu xây dựng 2 số liệu thống kê quyết định dựa trên kết hợp tuyến tính các tínhiệu thu được Các số liệu thống kê quyết định biểu diễn bởi 1

2.6 Kết luận chương.

Trong chương này trình bày các kỹ thuật phân tập thời gian, phân tập tần số vàphân tập không gian , trong đó kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) cónhiều ưu điểm hơn như nâng cao dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu

quả hơn, nên được sử dụng phổ biến hơn trong thông tin di động Tiếp đến tìm hiểuđược các mô hình hệ thống trong thông tin di động và thấy được dung lượng của hệthống MIMO là cao hơn so với các hệ thống SISO, MISO và SIMO Nên ta thấyrằng việc chọn MIMO để ứng dụng vào các hệ thống thông tin vô tuyến ngày nay làcần thiết

Cuối chương kỹ thuật mã hóa STBC được tìm hiểu với việc áp dụng vào trong hệthống MIMO Cho ta thấy đây kỹ thuật áp dụng rất hiệu quả trong MIMO, tránhđược hao phí băng thông, nâng cao dung lượng kênh truyền vô tuyến, làm tăng độlợi thu Cùng với ưu điểm của OFDM, việc kết hợp hai kỹ thuật STBC và OFDMnhằm nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống Trong chương tiếp theo sẽ trìnhbày rõ hơn về kỹ thuật STBC-OFDM

CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT STBC - OFDM

3.1 Giới thiệu chương

Sự xuất hiện của 2 kỹ thuật STBC và OFDM đặt nền tảng cho sự phát triển củathông tin vô tuyến trong tương lai đặc biệt sự kết hợp của 2 kỹ thuật STBC-OFDMđược sử dụng rất hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng fading lựa chọn tần số,nâng cao được chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Từ những

ưu điểm nổi bật của STBC-OFDM, việc kết hợp giữa 2 kỹ thuật STBC-OFDM làmột giải pháp rất hiệu quả cho hệ thống vô tuyến băng rộng tương lai Vậy nội dungtrong chương này sẽ trình bày sự kết hợp hai kỹ thuật OFDM và STBC gọi là môhình hệ thống STBC-OFDM

3.2 Mô hình hệ thống STC-OFDM

Ta xét hệ thống STC-OFDM với K sóng mang con OFDM, n T anten phát và n R

anten thu Tổng băng thông được dùng cho hệ thống là W Hz Nó được chia thành

K băng con chồng lên nhau Sơ đồ khối hệ thống thu phát tín hiệu STC-OFDM

được biểu diễn như hình sau:

Khối phát

Khối thu Hình 3.1: Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống STC-OFDM

Dòng dữ liệu vào trước hết được mã hóa bởi bộ mã hóa không gian-thời gian (STC

Encoder) Dữ liệu sau khi mã hóa được chia thành n T dòng song song với mỗi dònghình thành một khối OFDM được phát thông qua anten phát

Sơ đồ khối hệ thống STC-OFDM được biểu diễn như hình dưới đây Kỹ thuậtOFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành các kênh truyền confading phẳng

Hình 3.2: Hệ thống STC_OFDM Tại mỗi thời điểm t, một khối các bits thông tin được mã hóa để tạo một từ mã không gian-thời gian với bao gồm n T L các ký tự đã được điều chế Từ mã không

gian-thời gian được cho bởi :

i t

i t

i

x = ,1, ,2, , ,

, i = 1, 2, …, n T là chuỗi dữ liệu nối

tiếp cho anten phát thứ i

Tại đầu thu, sau khi lọc, tín hiệu từ mỗi anten thu được lấy mẫu tại một tốc độ của

W Hz và tiền tố lặp CP được loại bỏ khỏi mỗi khung Sau đó các mẫu này được ápdụng tới bộ giải điều chế OFDM Đầu ra của bộ giải điều chế OFDM cho sóng

mang con OFDM thứ k ( k = 1, 2, …, K ) tại anten thu j ( j = 1, 2, …, n R ) là:

j k t

i k t n

i

k t i

i k

1

, ,

i

H ,

,

là đáp ứng tần số kênh truyền cho đường dẫn từ anten phát thứ i tới

anten thu thứ j trên kênh con OFDM thứ k , và

j k t

N,

là nhiễu tại anten thu thứ j và kênh con thứ k với mật độ phổ công suất N 0 Giải sử rằng thông tin trạng thái kênhtruyền là hoàn hảo tại đầu thu, nguyên tắc giải mã ML được cho bởi :

2 ,

) (

)

; (

1

, ,

t i

là biên độ phức của đường thứ  Chúng ta biểu thị bởi T f thời gian của

mỗi khung OFDM và Δf là khoảng ngăn cách giữa các sóng mang con OFDM.

Chúng ta có :

f K W T

T K T

s

s f

.

(3.5)Bây giờ trễ của đường truyền  có thể được mô tả như sau:

f K

n T

(3.6)

Với



n

là một số nguyên Thực hiện biến đổi Fourier đáp ứng xung kênh truyền,

chúng ta có thể nhận được đáp ứng tần sô kênh truyền tại thời điểm t là :

2 / ,

1( , )

( 3.7)

Đặt

K kn j K kn j k

H L t i

t i

t i

t i

p L

p

e e

e

h h

h h

/ 2 /

2 /

2

, , 2

, , 1 , , ,

, , ,

, , ,

( ) k

H t i j k

t i

H , ,

là biến đổi

Fourier của đáp ứng xung kênh truyền

t i