NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM HOÀNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phạm Hoàng Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Bố cục đề tài 2 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu 2 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3 1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 3 1.3. KỸ THUẬT OFDM 7 1.3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM 7 1.3.2. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 9 1.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 14 1.4. ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 14 1.4.1. Sự suy hao 14 1.4.2. Tạp âm Gaussian 15 1.4.3. Trải trễ 15 1.4.4. Dịch tần số Doppler 16 1.4.5. Kênh truyền fading 16 1.5. HỆ THỐNG MIMO 19 1.5.1. Giới thiệu về kỹ thuật MIMO 19 1.5.2. Mô hình hệ thống MIMO 19 1.5.3. Kênh SVD MIMO 21 1.5.4. Kỹ thuật phân tập 25 1.5.5. Các độ lợi của hệ thống MIMOOFDM 28 1.6. KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 29 1.6.1. Giới thiệu về tiền mã hóa 29 1.6.2. Tiền mã hóa Zeroforcing (ZF) 31 1.6.3. Tiền mã hóa Block Diagonalization 33 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 37 2.2. VAI TRÒ CỦA HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37 2.3. LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR 39 2.3.1. Khái niệm lượng tử hóa vector 39 2.3.2. Quá trình lượng tử đáp ứng kênh truyền 40 2.4. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI SỐ LƯỢNG NGƯỜI DÙNG HẠN CHẾ MỖI CELL 41 2.4.1. Huấn luyện và hồi tiếp. 41 2.4.2. Sai số lượng tử hồi tiếp 46 2.5. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG MỘT CELL 48 2.5.1. Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường xuống 48 2.5.2. Tổng kết kết quả với đa người dùng 50 2.6. HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU ANTEN THU. 51 2.6.1. Mô hình hệ thống 51 2.6.2. Tiền mã hóa Block Diagonalization 52 2.6.3. Lượng tử không gian con 53 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 55 3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 55 3.2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 56 3.2.1. Mô hình tín hiệu phát 56 3.2.2. Đáp ứng kênh truyền theo mô hình BEM 57 3.2.3. Mô hình tín hiệu thu 58 3.3. HỒI TIẾP ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH BEM 59 3.3.1. Hồi tiếp hữu hạn sử dụng mô hình BEM 60 3.3.2. Tiền mã hóa BD 63 3.3.3 Thuật toán Greedy Scheduling 66 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68 4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 68 4.2. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68 4.2.1. Lưu đồ thuật toán của chương trình chính 68 4.2.2. Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 70 4.2.3. Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình BEM 71 4.2.4. Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM 72 4.2.5. Lưu đồ thuật toán khôi phục đáp ứng kênh tại BS 73 4.2.6. Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng 74 4.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 75 4.3.1. Dung lượng hệ thống khi số lượng người dùng khác nhau 76 4.3.2. Dung lượng hệ thống khi số lượng bit hồi tiếp khác nhau 77 4.3.3. Dung lượng hệ thống khi số lượng anten phát khác nhau. 78 4.3.4. Dung lượng hệ thống khi sử dụng số hàm DSPBEM khác nhau. 79 4.3.5 Dung lượng hệ thống khi tốc độ di chuyển của thuê bao khác nhau. 80 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG. 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3G Third Generation Mobile Communication Network Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 3GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di động tế bào 4G Fourth Generation Mobile Communication Network Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BD Block Diagonalization BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc CIR Channel Impulse response Đáp ứng xung của kênh truyền CFR Channel Frequency response Đáp ứng tần số của kênh truyền CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CSIT Channel State Information Transmiter Thông tin trạng thái kênh ở máy phát CSIR Channel State Information Receiver Thông tin trạng thái kênh ở máy thu DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự DL Downlink Đường xuống DPC Dirty Paper Coding DSPBEM Discrete Prolate Spheroidal Basis Expansion Model FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FDD Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số. FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự ITU International Telecommunication Union Liên hiệp Viễn thông Quốc tế LBG Linde, Buzo and Gray LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multiple Input Multiple Output Đa anten phát Đa anten thu MU Multi User Đa người dùng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PCM Pulse Code Mudulation Điều chế xung mã QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SCFDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SINR Signal to Interference Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Đơn anten phát đơn anten thu SVD Singular Value Decomposition Phân tích ma trận thừa số TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia thời gian UE User Equipment Thiết bị người dùng UL Uplink Đường lên UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UT User Terminal Người dùng đầu cuối VQ Vector Quantization Lượng tử hóa vector ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE 3 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Phổ của sóng mang con OFDM 7 1.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung và kỹ thuật sóng mang chồng xung 8 1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 9 1.4 Tiền tố lặp trong OFDM 13 1.5 Các tín hiệu đa đường 17 1.6 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 20 1.7 Mô hình SVD MIMO tối ưu 24 1.8 Kỹ thuật Beamforming 28 1.9 Ghép kênh không gian 29 1.10 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 29 1.11 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA OFDM 30 1.12 Ví dụ về linear precoding 31 2.1 Ví dụ lượng tử hóa một chiều 39 2.2 Ví dụ lượng tử hóa vector hai chiều 40 2.3 Quá trình lượng tử hóa kênh truyền 41 2.4 Hồi tiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong đường xuống hệ thống MIMO 41 2.5 Mô hình ước lượng kênh và hồi tiếp 43 2.6 Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường xuống 49 4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 70 4.2 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 71 4.3 Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình BEM 72 4.4 Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM 73 4.5 Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình BEM 74 4.6 Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng và tính toán dung lượng hệ thống 75 4.7 Dung lượng hệ thống với số lượng người dùng khác nhau 77 4.8 Dung lượng hệ thống với số lượng bit hồi tiếp khác nhau 78 4.9 Dung lượng hệ thống với số lượng anten phát khác nhau sử dụng tiền mã hóa BD và ZF 79 4.10 Dung lượng hệ thống với số hàm cơ sở DSPBEM khác nhau 80 4.11 Dung lượng hệ thống với tốc độ di chuyển của thuê bao khác nhau 81 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bên cạnh những hình thức phân chia đã biết như: thời gian, tần số và mã trong truyền thông không dây, gần đây phân chia theo không gian được xem như là một chiều hướng mới để nâng cao hiệu năng của hệ thống, đặc biệt là trong truyền thông đa người dùng (MU). Trong đa truy c

PHẠM HOÀNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN

KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2014

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Hoàng Phương

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục đề tài 2

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G LTE 3

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE 3

1.3 KỸ THUẬT OFDM 7

1.3.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM 7

1.3.2 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 9

1.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 14

1.4 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 14

1.4.1 Sự suy hao 14

1.4.2 Tạp âm Gaussian 15

1.4.3 Trải trễ 15

1.4.4 Dịch tần số Doppler 16

1.4.5 Kênh truyền fading 16

1.5 HỆ THỐNG MIMO 19

1.5.1 Giới thiệu về kỹ thuật MIMO 19

1.5.2 Mô hình hệ thống MIMO 19

1.5.3 Kênh SVD MIMO 21

1.6 KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 29

1.6.1 Giới thiệu về tiền mã hóa 29

1.6.2 Tiền mã hóa Zero-forcing (ZF) 31

1.6.3 Tiền mã hóa Block Diagonalization 33

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 37

2.2 VAI TRÒ CỦA HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN 37

2.3 LƯỢNG TỬ HÓA VECTOR 39

2.3.1 Khái niệm lượng tử hóa vector 39

2.3.2 Quá trình lượng tử đáp ứng kênh truyền 40

2.4 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI SỐ LƯỢNG NGƯỜI DÙNG HẠN CHẾ MỖI CELL 41

2.4.1 Huấn luyện và hồi tiếp 41

2.4.2 Sai số lượng tử hồi tiếp 46

2.5 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG MỘT CELL 48

2.5.1 Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường xuống 48

2.5.2 Tổng kết kết quả với đa người dùng 50

2.6 HỒI TIẾP HỮU HẠN MIMO VỚI NHIỀU ANTEN THU 51

2.6.1 Mô hình hệ thống 51

2.6.2 Tiền mã hóa Block Diagonalization 52

2.6.3 Lượng tử không gian con 53

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 55

3.2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG 56

3.2.1 Mô hình tín hiệu phát 56

3.2.2 Đáp ứng kênh truyền theo mô hình BEM 57

3.2.3 Mô hình tín hiệu thu 58

3.3 HỒI TIẾP ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH BEM 59

3.3.1 Hồi tiếp hữu hạn sử dụng mô hình BEM 60

3.3.2 Tiền mã hóa BD 63

3.3.3 Thuật toán Greedy Scheduling 66

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 68

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN HỒI TIẾP THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE 68

4.2.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình chính 68

4.2.2 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 70

4.2.3 Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình BEM 71

4.2.4 Lưu đồ thuật toán lượng tử hóa hệ số BEM 72

4.2.5 Lưu đồ thuật toán khôi phục đáp ứng kênh tại BS 73

4.2.6 Lưu đồ thuật toán lựa chọn người dùng 74

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 75

4.3.1 Dung lượng hệ thống khi số lượng người dùng khác nhau 76

4.3.2 Dung lượng hệ thống khi số lượng bit hồi tiếp khác nhau 77

4.3.3 Dung lượng hệ thống khi số lượng anten phát khác nhau 78

4.3.5 Dung lượng hệ thống khi tốc độ di chuyển của thuê bao khác

nhau 80

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 81

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao)

3G Third Generation Mobile Communication Network Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3

3GPP Third Generation Partnership Project

Tổ chức chuẩn hóa các côngnghệ mạng thông tin di động

tế bào4G Fourth Generation Mobile Communication Network Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở

CIR Channel Impulseresponse Đáp ứng xung của kênh truyềnCFR Channel Frequencyresponse Đáp ứng tần số của kênh truyền

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhCSIT Channel State Information

DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự

DSP-BEM Discrete Prolate Spheroidal

Basis Expansion ModelFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanhFDD Frequency Division Duplex Ghép kênh song công phân chia theo tần sốFDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số.FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợpHSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ caoICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện TửIFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngượcISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

ITU International Telecommunication Union Liên hiệp Viễn thông Quốc tếLBG Linde, Buzo and Gray

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa anten phát - Đa anten thu

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số trực giaoPAPR Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mangSINR Signal to Interference Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm

SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theokhông gian

thuSVD Singular Value Decomposition Phân tích ma trận thừa sốTDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia thời gian

UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di độngtoàn cầu

bảng Tên bảng Trang

hình Tên hình Trang

1.2 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung và kỹ

1.6 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten

1.11 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA - OFDM 30

2.4 Hồi tiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong đường

2.6 Hai phương án thiết kế cho một hệ thống MIMO đường

4.5 Lưu đồ thuật toán phân tích đáp ứng kênh theo mô hình

4.9 Dung lượng hệ thống với số lượng anten phát khác

4.10 Dung lượng hệ thống với số hàm cơ sở DSP-BEM

4.11 Dung lượng hệ thống với tốc độ di chuyển của thuê

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bên cạnh những hình thức phân chia đã biết như: thời gian, tần số và mãtrong truyền thông không dây, gần đây phân chia theo không gian được xemnhư là một chiều hướng mới để nâng cao hiệu năng của hệ thống, đặc biệt làtrong truyền thông đa người dùng (MU) Trong đa truy cập phân chia theokhông gian (SDMA), việc sử dụng nhiều anten mảng cho phép trạm gốctruyền tải đồng thời nhiều luồng dữ liệu đến với nhiều người dùng khác nhaubằng cách khai thác chiều tín hiệu mới này Trong mạng đa người dùng vớicác node mạng có tốc độ di chuyển nhanh (ví dụ như người dùng ở trên ô tô,tàu lửa hay tàu cao tốc trong hệ thống LTE), kết quả là đáp ứng xung kênhtruyền (CIR) luôn luôn thay đổi theo thời gian làm cho CIR trở thành một tậphợp các thông số rất lớn Điều này gây ra một lượng tải quá lớn cho kênh hồitiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong quá trình xử lý tiền mã hóa và chọnlựa người dùng khi kênh truyền luôn thay đổi ở trạm gốc và làm nảy sinh cácvấn đề về kênh hồi tiếp quá hạn mà có thể làm suy giảm nghiêm trọng hiệunăng hệ thống

Để khắc phục các vấn đề nêu trên, luận văn này trình bày phương phápthiết kế hồi tiếp hữu hạn thông tin kênh truyền sử dụng tiền mã hóa BD và lựachọn người dùng trong mạng đa người dùng MIMO Mô hình mở rộng cơ sở(BEM) được sử dụng như là một thông số phù hợp để bắt theo kênh biến thiêntheo thời gian và giảm số lượng thông số kênh Đặc biệt, để tạo ra thông tinhồi tiếp, vector lượng tử hóa của hệ số BEM được thực hiện tại thuê bao đầucuối với giả định việc ước lượng hệ số BEM lý tưởng đã được thực hiện bởimột thuật toán đã có Sau đó các chỉ số đầu ra của các vector lượng tử BEMđược gửi đến BS thông qua kênh hồi tiếp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền sử dụng mô hìnhBEM nhằm giảm tải hồi tiếp về trạm gốc và giảm những ảnh hưởng bất lợicủa hồi tiếp quá hạn trong mạng đa người dùng MIMO

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu về hệ thống thông tin di động 4G vàmột số kỹ thuật sử dụng trong mạng 4G LTE: kỹ thuật MIMO, tiền mã hóa vàhồi tiếp hữu hạn

 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênhtruyền trong mạng MIMO đa người dùng sử dụng mô hình BEM

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền Thựchiện tính toán mô phỏng các vấn đề liên quan và đánh giá kết quả, đề xuất,kiến nghị

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo khoa học, các luậnvăn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng vớicác trang web tìm hiểu Luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót,rất mong nhận được sự góp ý của hội đồng để luận văn trở thành một côngtrình thực sự có ích

CHƯƠNG 1MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG 4G LTE1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này trình bày những kiến thức chung về công nghệ LTE, cácnguyên lý cơ bản của truyền dẫn đa sóng mang trực giao (OFDM) và của hệthống dùng nhiều anten (MIMO) Tiếp theo đề cập đến đa truy cập phân chiatheo không gian (SDMA) và cuối cùng là các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệthống thông tin di động 4G LTE

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệthứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảotính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắtđầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di độngUMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao choLTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn,

sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiếntrúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bịđầu cuối

Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTEđược tóm tắt trong bảng 1.1

Bảng 1.1 - Các đặc điểm chính của công nghệ LTE [2]

Đường lên SC-FDMA MIMO Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4

Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4 Tốc độ dữ liệu đỉnh

trong 20MHz

Đường xuống: 173 và 326 Mb/s tương ứngvới cấu hình MIMO 2 * 2 và 4 * 4 Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten

Các công nghệ khác

Lập biểu chính xác kênh; liên kết thíchứng ; điều khiển công suất ; ICIC và ARQhỗn hợp

Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễthấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông mộtcách linh hoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế vớimục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt,chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu

Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ

tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO(multiple input multiple output) trong 20MHZ băng thông MIMO cho đườnglên là không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE Tốc độ

dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông Ngoài viêc cảithiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ

2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản 6

Dải tần co giãn được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng

mở rộng từ 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiềulên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băngthông Mức công suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một sốứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũngđược đáp ứng

Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị

đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đimột ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệthống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức năng hỗ trợ từ 120đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần

Giảm độ trễ trên mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển:

- Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển: Giảmthời gian để một thiết bị đầu cuối (UE - Người dùng Equipment) chuyển từtrạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên mộtkênh truyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổong hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cốđịnh Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,

vì cần thời gian thực Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khảnăng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE

Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP Một trong

những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàntoàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phầnlớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạnglõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP 3GPP cho phép cung cấp các dịch vụlinh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP

và các mạng cố định EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phầnlớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PCnhư thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện VoIP sẽ dùng chodịch vụ thoại

Độ phủ sóng từ 5-100km: Trong vòng bán kính 5 km LTE cung cấp tối

ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Phạm vi lên đến

30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng, còn hiệu suất phổ thì lạigiảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêucầu về độ di động vẫn được đáp ứng

Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện tại: Tuy nhiên

mạng LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại.Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì khôngcần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có

OFDMA, SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE: Hệ thống

này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & FDMA Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phânchia thời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho cácngười dùng với chi phí thấp Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ songcông đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhậpphân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủsóng đường lên

SC-Giảm chi phí: Yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi

phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả cácdịch vụ Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quanđến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến cáctrạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đềcũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ítnăng lượng

Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải

cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Ngườidùng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình vàthậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, cho phépchuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của

HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ khôngchỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miềngiữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh

Hình 1.1: Phổ của sóng mang con OFDM [2]

Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấnlên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồnglấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớnhơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộngkênh và mức độ nhiễu

b Sự trực giao

Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa:

t g t f g f

) ( ) ( ,

) ( ) ( , 0 ) ( ) ( ) ,

(1.1)

Trong đó: g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b làchu kì của tín hiệu, k là một hằng số

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung

và kỹ thuật sóng mang chồng xung.

Trong hệ thống đa sóng mang (MC), nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sửdụng tần số có dạng ej(2  f k t) những sóng mang này có tần số fk = kΔf, k = 0, 1,f, k = 0, 1,

2 m n N-1 cách đều nhau một khoảng

T

f 1

 Hình 1.2 cho ta thấy dạngsóng của tín hiệu sin trực giao

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạngt)

kT

ft m n j T

k

kT

dt e

dt t g t f

) 1 (

) ( 2 )

1 (

*) ( ).

m n

,

# ,

0

(1.2)

Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m.

Từ hình 1.2 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời gian

T có dạng hàm Sin(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là điểm không của cácsóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không gây nhiễu lẫn nhau

Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băngthông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:

f N = NΔff (1.3)Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phíathu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng

1.3.2 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Nguyên lý hoạt động cơ bản của điều chế OFDM như sau

Ở phía phát chúng ta có dòng dữ liệu vào nối tiếp:

S 1 , S 2 , S 3 , … S n

Qua bộ biến đổi nối tiếp song song (bộ S/P: Serial/Parrallel) ta có dòng

dữ liệu ra song song như sau:

S 1

S 2

S 3

.

S n

Chúng ta giả thiết chu kỳ ký hiệu là T, chu kỳ lấy mẫu là ∆T với N mẫutrong một chu kỳ ký hiệu Như vậy ta có T=N∆T Các tần số góc của các sóngmang tương ứng là sẽ là:



T N

n

t j

n e n S t

2 1

0

2

)()

n

n N

nk j n N

n

T k T

n N j n

s T k t

vô tuyến được thực hiện nhờ bộ biến đổi số tương tự (bộ DAC)

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM

a Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc

độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trongmột băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chếtùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ sốBER và thời gian trễ chấp nhận được Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không

đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng cácphương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu

bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi Cả hai loại mã này đều đưathêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiềuhơn trong mã phát hiện lỗi Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải

đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cầnphải truyền lại

Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập(convolutional code)

b Khối xen rẽ Interleaver

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóavới kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thườngxuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng fading lựa chọn tần số.Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuậtxen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên

và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

c Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ đượcđiều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánhđược sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng vớicác phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

d IFFT/FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹthuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rấtnhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần mộtmáy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường

hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi làkhông thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chứcnăng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao độngsóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT đượcxem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh

và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổiDFT/IDFT

e Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ

đa đường OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả Luồng dữ liệu vàođược chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên cácsóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế đượcảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chènthêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệđược chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặtthông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽgây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ làtiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó.Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP, và tín hiệu

đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiêntượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhânchập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chậpvòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT

và FFT Sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúcnày bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích(cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Ta có Ts = Tg + TFFT

Hình 1.4: Tiền tố lặp trong OFDM

f Biến đổi số-tương tự

Trước khi tín hiệu được truyền lên kênh truyền vô tuyến thì cần được xử

lý ở một số khâu Tín hiệu cần được điều chế tại tần số được chọn mỗi sóngmang con trước khi truyền Tín hiệu xử lý trong các khối trước là tín hiệu sốnên khi truyền cần phải chuyển từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự ( DAC).Tại đầu thu tín hiệu thu được là tín hiệu tương tự mà tín hiệu cần xử lý tại đầuthu là tín hiệu số nên cần có bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu

số (ADC)

g Biến đổi cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải

có tần số cao Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần

cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biếnđổi cao tần RF

1.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM

a Ưu điểm

 Tăng hiệu quả sử dụng băng thông

 Bền vững với fading chọn lọc tần số do các kí hiệu có băngthông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của fading phẳng

 Chống được ảnh hưởng của nhiễu liên kí tự ISI do chu kỳ kýhiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM

 Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụngFFT và IFFT.

 Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thờitối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI

 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak toAverage Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phầnđược điều chế bởi các tần số khác nhau Khi các thành phần này đồng pha,chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn Ngược lại, khi chúngngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm cho ngõ ra bằng không Chính vì vậy,ảnh hưởng PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn

1.4 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

PR : Công suất tín hiệu thu được (W)

1.4.3 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thutrực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đađường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên kí tự ISI.Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu

kỳ tín hiệu tăng, từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ

1.4.4 Dịch tần số Doppler

Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tínhiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là: khinguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽlớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhauthì tần số thu sẽ giảm đi Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler

Dịch tần số Doppler tỉ lệ với tốc độ chuyển động và phương chuyểnđộng của MS (Mobile Station) so với phương sóng tới của thành phần sóngtới đa đường Dịch Doppler f có thể được biểu diễn như sau:

f vcos v f ccos f dcos

d

v f



 là tần số Doppler cực đại

1.4.5 Kênh truyền fading

a Khái niệm fading và các yếu tố gây ra fading

Hình 1.5: Các tín hiệu đa đường [3]

Trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, fading là độ sai lệch gâysuy giảm ảnh hưởng đến tín hiệu trên một đường truyền vô tuyến nhất định.fading có thể thay đổi theo thời gian, vị trí địa lý hoặc tần số vô tuyến, vàthường được mô hình hóa như một quá trình ngẫu nhiên

Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở, bị phản xạ,tán xạ, nhiễu xạ…, do đó tạo ra nhiều đường truyền và kết quả là ở máy thu,

ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Các sóng thu này

sẽ khác nhau về sự suy giảm, độ trể và pha, gây ra do sự giao thoa (tăng hoặcgiảm ) bởi sự kết hợp của chúng

Các yếu tố gây ra fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất như:

 Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuộc vào dải tần số công tác đặc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

 Sự khúc xạ gây bởi sự không đổng đều của mật độ không khí

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có

bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển Đâycũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đườngtruyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểmthu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiềuđường Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động

b Fading phẳng và fading lựa chọn tần số

Fading phẳng: fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể

và hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu Fadingphẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa,

do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và domưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số Fading phẳng hình thành

do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khíquyển cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trongquá trình truyền dẫn

Fading lựa chọn tần số: Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ củakênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tìnhtrạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu Phản xạ từ các vật như mặt đất,

công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có côngsuất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng Điều này sẽ tạo ra các điểm “0” (null)trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa

c Fading nhanh và fading chậm

Fading chậm và fading nhanh đề cập đến tốc độ thay đổi biên độ và phacủa các kênh mà tín hiệu truyền qua Thời gian gắn kết (Coherence time ) làkhoảng thời gian mà các đáp ứng kênh được xem như không thay đổi

Fading chậm khi thời gian gắn kết của kênh là lớn Trong chế độ này,biên độ và pha của kênh có thể được coi là không đổi trong khoảng thời gian

sử dụng Fading chậm có thể được gây ra bởi các sự kiện như bóng, nơi cócản trở lớn như một ngọn đồi hay nhà cao tầng che lấp các đường dẫn tín hiệuchính giữa máy phát và máy thu

Fading nhanh khi thời gian gắn kết của các kênh là nhỏ Trong chế độnày, biên độ và pha của kênh thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian sửdụng

d Mô hình fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường vàxác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theophân bố Rayleigh Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suygiảm công suất tín hiệu rõ rệt trong khoảng cách ngắn (tại các bước sóng): 10– 30 dB

Trong môi trường đa đường, tín hiệu thu được suy giảm theo khoảngcách do sự thay đổi độ lớn và pha của các thành phần đa đường FadingRayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của các sóngthu được Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần đađường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sựsuy hao công suất tín hiệu thu được

Mô hình Rayleigh fading cho rằng độ lớn và pha của một tín hiệu đã đi

qua một môi trường truyền sẽ thay đổi ngẫu nhiên Fading Rayleigh được

xem như là một mô hình thích hợp cho tín hiệu truyền trong tầng đối lưu vàtầng điện ly cũng như trong môi trường đô thị

1.5 HỆ THỐNG MIMO

1.5.1 Giới thiệu về kỹ thuật MIMO

Nhu cầu về dung năng kênh trong thông tin vô tuyến, đặt biệt là di động

tế bào, internet và các dịch vụ đa phương tiện đã tăng rất nhanh trong nhữngnăm gần đây Trong khi đó dải tần số vô tuyến là hữu hạn và dung năng kênhthông tin cần thiết sẽ không đạt được nếu không có một sự tăng lên đáng kểcủa hiệu suất sử dụng phổ

Các tiến bộ về kỹ thuật mã hóa, như mã Turbo và mã mật độ thấp làm cho

hệ thống thông tin tiệm cận đến giới hạn dung năng Shannon trong những hệthống dùng một anten Những tiến bộ hơn nữa về hiệu suất sử dụng phổ cóthể đạt được bằng cách tăng số lượng anten tại cả hai phía phát và thu

1.5.2 Mô hình hệ thống MIMO

Mô hình kênh MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu đượcminh họa trong hình 1.6

Hình 1.6: Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu

Ma trận H cho mô hình MIMO được biểu diễn như sau:

2N r 1N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

h h

h

h h

h

h h

h H

   là tạp âm Gauss trắng phức của Nr máy thu

T là ký hiệu phép toán chuyển vị

Lúc đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xácđịnh bởi biểu thức sau:

2 1

t N

2 1

r N t N 2

r N 1 r N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

r N

2 1

η

η η

x

x x

h h

h

h h

h

h h

h

y

y y

a Mô hình kênh SVD MIMO

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr antenthu như trên hình 1.6

Để tiện phân tích ta viết lại phương trình (1.11)

Trong đó  là vector AWGN phức có phân bố Ν c( 0 ,  )và E ηηH  σ2I Nr

 ; N0 là mật độ phổ công suất tạp âm

H là ma trận kênh Nr x Nt Khi khoảng cách giữa các anten lớn hơn nửabước sóng và môi trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cộtđộc lập với nhau Khi này, phân chia ma trận thừa số SVD cho ta:

với U và V là các ma trận nhất phân có kích thước Nr xNr và Nt xNt

Toán tử (.)H là chuyển vị Hermitian

Đối với ma trận nhất phân, ta có: UUH =INr và VVH=INt

D là ma trận có kích thước Nr x Nt, gồm NA giá trị đơn không âm được

ký hiệu là 1 / 2

1

 , , 1 / 2

A N

λ trên đường chéo chính của nó Trong đó NA=min (Nt,

Nr), và i với i=1,2, ,N là các giá trị eigen của ma trận HHH Các giá trị eigencủa ma trận HHH được xác định như sau:

det (HHH - I )=0 (1.14)hay: det(Q- I )=0 (1.15)Trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau:

t N r N , HH

H

(1.16)

Các cột của ma trận U là vector eigen của HHH còn các cột của ma trận

V là vector eigen của HHH Số các giá trị eigen khác không của HHH chínhbằng hạng của ma trận này

Nếu Nt= Nr thì D là một ma trận đường chéo Nếu Nt >Nr thì D gồm một

ma trận đường chéo Nr x Nr và sau đó là Nt –Nr cột bằng không

Trong trường hợp số anten phát lớn hơn số anten thu, D sẽ được tạo ra từ

ma trận vuông bậc Nr và tiếp sau là Nt- Nr cột bằng 0 như sau:

λ 0 0

0 0

0 λ

0

0 0

0 0

λ D

1/2 r N

1/2 2

1/2 1

Trong trường hợp này ma trận V chỉ có Nr hàng sử dụng được, còn Nt

-Nr hàng còn lại không sử dụng được Khi này Nr phần tử đầu của ma trận xđược sử dụng và Nt- Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không Trườnghợp đặc biệt có Nt anten phát nhưng chỉ có một anten thu (Nr = 1) Khi này

ma trận U có kích thước 1x1 và chỉ sử dụng được một hàng của ma trận V.Trường hợp thứ hai tương ứng với khi số anten thu nhiều hơn số antenphát (Nt <Nr) Trong trường hợp này vẫn như trước ta có V là ma trận Nt x Nt

và U là ma trận Nr x Nr, nhưng ma trận D là ma trận Nt x Nr được tạo thành từ

ma trận đường chéo Nt x Nt theo sau là Nr – Nt hàng bằng không:

0

0 0

0

λ 0 0

0 λ

0

0 0

λ

t N

1/2 2

1/2 1

Trường hợp đặc biệt khi chỉ có một anten phát và Nr anten thu

Thao tác trên được gọi là phân tích ma trận thừa số Kết quả phân chiacho ta các đường chéo khác không với kích thước xác định theo (1.13)

Giả sử ta nhân trước x với V và y với UH ta được:

η

~ Dx η U Vx UDV U

η) (HVx U

y

~ y

Trong đó: ~y  UHy

η U η

~ H



Phương trình này dẫn đến mô hình SVD MIMO sau:

H nm n

1/2 n

1/2 n

b Mô hình hệ thống SVD MIMO tối ưu

Giả sử x được nhân trước mới ma trận V và y được nhân trước với matrận UH ta được các biểu thức sau:

1/2 n

Trong đó n=1,2, ,NA

Biểu thức (1.23) cho phép xây dựng hệ thống SVD MIMO tối ưu gồm

NA kênh pha đinh phẳng song song như trên hình (1.7)

Hình 1.7 Mô hình SVD MIMO tối ưu

Từ hình 1.7, thấy rằng tại máy phát SVD MIMO, trước hết luồng ký hiệu

số liệu được chia luồng không gian thành Nt luồng Sau đó, các luồng nàyđược nhân với các cột của ma trận V để nhận được các ký hiệu phát vàokhông gian Tại máy thu SVD MIMO, các ký hiệu thu được nhân với ma trận

UH để tách ra các luồng không gian SVD ta sẽ được NA kênh không gian songsong xác định theo công thức (1.13)

1.5.4 Kỹ thuật phân tập

Đối với hệ thống thông tin di động, phân tập được sử dụng để hạn chếảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà khôngcần phải tăng công suất phát hay băng thông

Các loại phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phântập không gian Trong đó kỹ thuật phân tập không gian hiện đang rất đượcquan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quảthành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống,giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số -một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càngkhan hiếm

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu nhận được nhiều bản sao của cùngmột tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhaunhưng ít có sự tương quan về fading Tín hiệu thu là sự kết hợp của các phiênbản tín hiệu khác nhau, ít chịu ảnh hưởng fading so với từng phiên bản riênglẻ.

a Phân tập thời gian

Phân tập thời gian được thực hiên bằng cách truyền cùng tín hiệu ởnhững khoảng thời gian khác nhau, điều này tạo ra các tín hiệu bị fadingkhông tương quan ở máy thu

Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất truyền tải, nhưng nólàm giảm tốc độ dữ liệu khi đó dữ liệu được lặp đi lặp lại trong khe thời gianphân tập so với là gửi dữ liệu trong các khe thời gian khác

Trong thông tin di động mã hóa điều khiển lỗi kết hợp với hoán vị đểthực hiện phân tập thời gian Trong trường hợp này các bản sao của tín hiệuphát được truyền tới máy thu ở dạng thông tin dư do mã hóa điều khiển lỗi.Khoảng thời gian giữa các bản sao của tín hiệu phát được tạo ra bằng cáchhoán vị thời gian để thu được fading độc lập ở đầu ra của bộ giải mã Do hoán

vị thời gian nên tạo ra trễ giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả với môitrường fading nhanh hay thời gian kết hợp kênh nhỏ Với kênh fading chậmmột bộ hoán vị lớn có thể tạo ra trễ đáng kể, điều này không thích hợp với cácứng dụng nhạy cảm với trễ như truyền thoại Ràng buộc này loại trừ phân tậpthời gian cho một vài hệ thống di động Ví dụ khi máy vô tuyến di động đứngyên thì phân tập thời gian không thể giảm fading Một trong các hạn chế củaphương pháp này là do dư thừa trong miền thời gian nên tạo ra thất thoáttrong hiệu quả băng tần

b Phân tập tần số

Đây là kỹ thuật sử dụng nhiều tần số khác nhau để phát cùng một tin.Các tần số cần dùng phải có khoảng cách đủ lớn để giữ sự độc lập ảnh hưởngcủa fading với các tần số còn lại Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải truyềnthêm công suất để gửi tín hiệu trên dải băng tần số Tương tự như phân tậpthời gian, phân tập tần số gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừatrong miền tần số

c Phân tập không gian

Phân tập không gian thường được dùng phổ biến trong hệ thống thôngtin không dây Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten Đó là một

kỹ thuật điển hình sử dụng nhiều anten hay các mảng anten được sắp xếp vớikhoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập Tùy theo độ caoanten, môi trường truyền và tần số mà ta có được khoảng cách giữa các anten.Khoảng cách điển hình thường khoảng vài bước sóng là đủ để đảm bảo cáctín hiệu không tương quan

Trong phân tập không gian các bản sao của tín hiệu phát được đưa tớimáy thu ở dạng dư thừa trong miền không gian Không giống như hai kỷ thuậtphân tập trên, phân tập không gian không gây tổn thất trong hiệu quả băngtần

Phân tập phân cực và phân tập góc là hai dạng của phân tập không gian.Trong phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân cực ngangđược phát bằng hai anten phân cực khác nhau Sự khác nhau về phân cực đảmbảo hai tín hiệu không tương quan mà không phải đặt hai anten ở cách xanhau Phân tập góc được sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóngmang trên 10 GHz Trong trường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán caotrong không gian nên các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với

nhau Từ đó hai hay nhiều anten định hướng để thu từ các hướng khác nhau ởmáy thu sẽ tạo ra bản sao tín hiệu phát không tương quan.

Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu ta phân loạiphân tập không gian thành phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập thu,nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệuphát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading

đa đường Trong phân tập phát, nhiều anten được triển khai ở vị trí máy phát.Tín hiệu được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten.Trong thực tế các hệ thống thông tin để đảm bảo nhu cầu thì 2 hoặcnhiều sơ đồ phân tập thường được kết hợp lại tạo ra phân tập nhiều chiều Ví

dụ trong hệ thống di động tế bào GSM nhiều anten thu ở trạm gốc được dùngkết hợp với hoán vị và mã hóa điều khiển lỗi để tận dụng cả phân tập thờigian và không gian (mã hóa không gian-thời gian STC)

Có 3 loại mã hóa không gian - thời gian là:

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

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

Mã hóa không gian – thời gian lớp BLAST (BellLab Layered Space Time)

-1.5.5 Các độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM

Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng đa anten phát và đa anten thu đượctruyền trên N kênh sóng mang phụ trực giao có 3 độ lợi

a Độ lợi beamforming

Kỹ thuật beamforming giúp cho hệ thống tập trung năng lượng bức xạtheo hướng mong muốn của chúng ta, giúp tăng hiệu quả công suất, giảm cannhiễu và tránh được can nhiễu từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp tacải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống

TX RX

Hình 1.8: Kỹ thuật BeamformingTrong hệ thống MIMO-OFDM muốn thực hiện kỹ thuật beamformingthì khoảng cách giữa các anten trong hệ thống thường nhỏ hơn ( hay  / 2),beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Khi môitrường tán xạ mạnh hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh khônggian và độ lợi phân tập

b Độ lợi ghép kênh không gian ( Spatial Multiplexing )

Hệ thống với nhiều anten phát và thu truyền song song nên các tín hiệuđược phát độc lập và đồng thời ra các anten nhằm tăng dung lượng kênhtruyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống, tăngtốc độ truyền Dung lượng hệ thống sẽ tăng tuyến tính theo số các kênh truyềnsong song trong hệ thống Để cực đại độ lợi ghép kênh qua đó cực đại dunglượng kênh truyền bằng thuật toán V-Blast

Hình 1.9: Ghép kênh không gian

c Độ lợi phân tập (Spatial Diversity)

Hệ thống thông tin di động, các tín hiệu truyền với các mức luôn thayđổi, bị fading liên tục trong không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệutại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản saotín hiệu giống nhau qua các kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa