luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền trong mạng 4g lte

1.Tính cấp thiết của đề tài Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng (đến 100 MHz), dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao (1Gbps cho Downlink và 500Mbps cho Uplink). Để đạt được các yêu cầu trên, cùng với việc đảm bảo tốt chất lượng dịch vụ, các công nghệ thành phần tiên tiến đã được đề xuất sử dụng như: OFDMA, MIMO anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp, … Một trong những công nghệ đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích thiết thực là kỹ thuật chuyển tiếp, đó là việc đặt thêm các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp dữ liệu truyền giữa trạm thu phát gốc và thiết bị người dùng. Kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng với nhiều ưu điểm: - Mở rộng vùng phủ sóng của eNodeB - Cung cấp tốc độ dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực rìa cell, nơi mà ở đó có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp - Nâng cao chất lượng hệ thống - Tối ưu được tiêu thụ công suất trên toàn bộ tuyến truyền dẫn - Giá thành thiết bị thấp hơn eNodeB Với những ưu điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp là công nghệ tiên phong được đề xuất sử dụng để đáp ứng những yêu cầu của hệ thống 4G. 2. Mục đích nghiên cứu So sánh đánh giá khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di dộng 4G (LTE-Advanced) 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chất lượng tín hiệu (thông qua tỉ số SER) trong hệ thống chuyển tiếp của mạng di động 4G (LTE-Advanced). 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng mạng 4G sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để tính toán chất lượng tín hiệu, cụ thể: + Thu thập các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. + Xây dựng mô hình mạng 4G, tiến hành mô phỏng một số thông số về chất lượng, kiểm tra đánh giá kết quả sau mô phỏng. 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Với những ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp, việc nghiên cứu kỹ thuật này sẽ đáp ứng được những yêu cầu cao về thông số cũng như chất lượng dịch vụ trong thông tin di động 4G. 6. Cấu trúc luận văn Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội dung của luận văn bao gồm các phần sau: Chương 1: Tổng quan về LTE và LTE-Advanced Giới thiệu tổng quan cấu trúc, các yêu cầu và các công nghệ thành phần đề xuất cho LTE và LTE-Advanced Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp Giới thiệu về khái niệm, các loại nút chuyển tiếp, các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp, các cơ chế bắt cặp chuyển tiếp và truyền dẫn phối hợp Chương 3: Phân tích đặc tính hệ thống phối hợp chuyển tiếp Phân tích và đi xây dựng các biểu thức về tỉ số lỗi symbol SER trong hệ thống phối hợp với hai loại nút AF và DF Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ thống phối hợp chuyển tiếp Giới thiệu các sơ đồ, lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu được về sự cải thiện chất lượng tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp

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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM HOÀNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT HỒI TIẾP THÔNG TIN

KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG 4G LTE

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số : 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN LÊ HÙNG

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

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 CỦA KỸ THUẬT OFDM 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

1.6.1 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

3.2 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

4.4 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)

Communication Network

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4

AWGN Additive White Gaussian

BD Block Diagonalization

BEM Basis Expansion Model Mô hình mở rộng cơ sở

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CSIT Channel State Information

DAC Digital Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự

DPC Dirty Paper Coding

DSP-BEM 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

GPRS General Packet Radio Service

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

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MIMO Multiple Input Multiple

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

QPSK Quadrature Phase Shift

SC-FDMA Single Carrier Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang

SINR Signal to Interference Noise

SVD Singular Value

Decomposition Phân tích ma trận thừa số TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia

thời gian

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VQ Vector Quantization Lượng tử hóa vector

bảng

hình

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

1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 9

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

thu

20

1.10 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 29 1.11 Mô hình precoding trong hệ thống SDMA - OFDM 30

2.2 Ví dụ lượng tử hóa vector hai chiều 40

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

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 70 4.2 Lưu đồ thuật toán tạo ma trận cơ sở 71

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

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 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 cập phân chia theo không gian (SDMA), việc sử dụng nhiều anten mảng cho phép trạm gốc truyền tải đồng thời nhiều luồng dữ liệu đến với nhiều người dùng khác nhau bằng cách khai thác chiều tín hiệu mới này Trong mạng đa người dùng với các 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 kênh truyền (CIR) luôn luôn thay đổi theo thời gian làm cho CIR trở thành một tập hợp các thông số rất lớn Điều này gây ra một lượng tải quá lớn cho kênh hồi tiếp thông tin trạng thái kênh truyền trong quá trình xử lý tiền mã hóa và chọn lựa người dùng khi kênh truyền luôn thay đổi ở trạm gốc và làm nảy sinh các vấn đề về kênh hồi tiếp quá hạn mà có thể làm suy giảm nghiêm trọng hiệu năng hệ thống

Để khắc phục các vấn đề nêu trên, luận văn này trình bày phương pháp thiết kế hồi tiếp hữu hạn thông tin kênh truyền sử dụng tiền mã hóa BD và lựa chọn 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 thiên theo thời gian và giảm số lượng thông số kênh Đặc biệt, để tạo ra thông tin hồi tiếp, vector lượng tử hóa của hệ số BEM được thực hiện tại thuê bao đầu cuối với giả định việc ước lượng hệ số BEM lý tưởng đã được thực hiện bởi một thuật toán đã có Sau đó các chỉ số đầu ra của các vector lượng tử BEM được 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 hình BEM nhằm cải thiện chất lượng tín hiệu tại đầu thu trong thông tin vô tuyến

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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

 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật hồi tiếp thông tin kênh truyền 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 Thực hiện 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 luận văn thạc sĩ từ các trường đại học của các quốc gia khác trên thế giới, cùng với các 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 công

trình thực sự có ích

CHƯƠNG 1

MỘT SỐ KỸ THUẬT DÙNG TRONG MẠNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG 4G LTE

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này trình bày những kiến thức chung về công nghệ LTE, các nguyên lý cơ bản của truyền dẫn đa sóng mang trực giao (OFDM) và của hệ thống dùng nhiều anten (MIMO) Tiếp theo đề cập đến đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) và cuối cùng là các kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống 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 hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, 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 kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối

Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được 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

Mã hóa kênh Mã tubo

Các công nghệ khác

Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng

; điều khiển công suất ; ICIC và ARQ hỗn hợp

Mục tiêu của LTE là cung cấp một dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục 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 đường lên 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 cải thiện 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 chiều

lên và xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một

số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được 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 đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức năng hỗ trợ từ 120 đến 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: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối (UE - Người dùng Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

- Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định 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 khả năng 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 hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của 3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP 3GPP cho phép cung cấp các dịch vụ linh 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 phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC

như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện VoIP sẽ dùng cho dịch 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 lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu 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 không cần 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 phân chia thời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người dùng với chi phí thấp Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng 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 các dịch vụ Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí, chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp, các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng 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 Người dùng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, cho phép chuyển 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 không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa 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 lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn

hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường

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

t g t f g f

) ( ) ( ,

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

Trong đó: g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là chu 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 sử dụng tần số có dạng ej(2fkt) những sóng mang này có tần số fk = kΔf, k = 0, 1,

2 m n N-1 cách đều nhau một khoảng

T

f  1

 Hình 1.2 cho ta thấy dạng

sóng của tín hiệu sin trực giao

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

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 các sóng 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, băng thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất:

f N = NΔf (1.3) Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu 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:

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



T N

0)(

N n

t j n

n

e S t

0

2

)()

(

N

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) trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER 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 các phương 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 đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn 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 cần phải 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 hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất 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 thuật xen 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 được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh

được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các 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 kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy 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 là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem 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 đổi DFT/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 vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền

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 hiên tượng ICI Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng 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) lúc này 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)

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 sóng mang con trước khi truyền Tín hiệu xử lý trong các khối trước là tín hiệu số nên 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 đầu thu 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 biến đổi 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 băng thông 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 ký hiệu 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 dụng FFT và IFFT

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

 Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được 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 chúng ngược 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 CỦA KỸ THUẬT OFDM

1.4.1 Sự suy hao

Suy hao là do suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến

điểm khác Nó là kết quả ảnh hưởng do khoảng cách truyền, chướng ngại vật

và hiệu ứng đa đường Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Phương trình tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách d:

1.4.3 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng đa đường 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 tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là: khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì 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 chuyển động của MS (Mobile Station) so với phương sóng tới của thành phần sóng tới đa đường Dịch Doppler f có thể được biểu diễn như sau:

f vcos v f ccos f dcos

f d v



 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 gây suy 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, và thường 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 hoặc giảm ) 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 Đây cũng là một yếu tố dẫn đến sự truyền lan đa đường

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường 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 Fading phẳng 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 do mưa 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 khí

quyển cường đô trường thu được ở đầu thu bị suy giảm và di chuyển trong quá trình truyền dẫn

Fading lựa chọn tần số: Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng 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 công suất 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 pha của các kênh mà tín hiệu truyền qua Thời gian gắn kết (Coherence time ) là khoảng 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 có cản trở lớn như một ngọn đồi hay nhà cao tầng che lấp các đường dẫn tín hiệu chính giữa máy phát và máy thu

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

d Mô hình fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường và xác suất mức tín hiệu thu bị suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm 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 khoảng cách do sự thay đổi độ lớn và pha của các thành phần đa đường Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của các sóng thu được Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy 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 và tầng 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 những năm gần đây Trong khi đó dải tần số vô tuyến là hữu hạn và dung năng kênh thông tin cần thiết sẽ không đạt được nếu không có một sự tăng lên đáng kể của hiệu suất sử dụng phổ

Các tiến bộ vê 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 hệ thống dùng một anten Những tiến bộ hơn nữa về hiệu suất sử dụng phổ có thể 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 được minh 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

   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 xác định 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

ηη

x

xx

hh

h

hh

h

hh

h

y

yy

Có thể viết lại quan hệ vào ra kênh ma trận N rN t trong phương trình (1.10) như sau:

1.5.3 Kênh SVD MIMO

a Mô hình kênh SVD MIMO

Xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm Nt anten phát và Nr anten thu 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

r N

I2

 ; 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 nửa bước sóng và môi trường nhiều tán xạ, ta có thể coi H có các hàng và các cột độc 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11/2 , , 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 eigen của 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:

tNrN,HHQ

H

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 chính bằng 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:

λ00

00

0λ

0

00

00

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 x được sử dụng và Nt- Nr phần tử còn lại của nó được đặt vào không Trường hợp 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 anten phát (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:

00

0

λ00

0λ

0

00

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 chia cho 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:

ηDxηUVxUDVU

η)(HVxU

y

~y

Trong đó: ~y UHy

ηU

1

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 ma trận 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 này được nhân với các cột của ma trận V để nhận được các ký hiệu phát vào không 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 song song 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 chế ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần phải tăng công suất phát hay băng thông

Các loại phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian Trong đó kỹ thuật phân tập không gian hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành 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 càng khan hiếm

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

lẻ

a Phân tập thời gian

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

Phân tập thời gian không yêu cầu tăng công suất truyền tải, nhưng nó làm giảm tốc độ dữ liệu khi đó dữ liệu được lặp đi lặp lại trong khe thời gian phân 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 để thực hiện phân tập thời gian Trong trường hợp này các bản sao của tín hiệu phát 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 cách

hoán 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 môi trường fading nhanh hay thời gian kết hợp kênh nhỏ Với kênh fading chậm một bộ hoán vị lớn có thể tạo ra trễ đáng kể, điều này không thích hợp với các ứng dụng nhạy cảm với trễ như truyền thoại Ràng buộc này loại trừ phân tập thời gian cho một vài hệ thống di động Ví dụ khi máy vô tuyến di động đứng yên thì phân tập thời gian không thể giảm fading Một trong các hạn chế của phương pháp này là do dư thừa trong miền thời gian nên tạo ra thất thoát trong 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 hưởng của fading với các tần số còn lại Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải truyền thêm công suất để gửi tín hiệu trên dải băng tần số Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số gây ra tổn thất hiệu quả băng tần do sự dư thừa trong miền tần số

c Phân tập không gian

Phân tập không gian thường được dùng phổ biến trong hệ thống thông tin 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 với khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập Tùy theo độ cao anten, 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 các tín hiệu không tương quan

Trong phân tập không gian các bản sao của tín hiệu phát được đưa tới máy thu ở dạng dư thừa trong miền không gian Không giống như hai kỷ thuật

phân tập trên, phân tập không gian không gây tổn thất trong hiệu quả băng tần

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 ngang được phát bằng hai anten phân cực khác nhau Sự khác nhau về phân cực đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không phải đặt hai anten ở cách xa nhau Phân tập góc được sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10 GHz Trong trường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong 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 ở máy 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 loại phân 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 hiệu phát 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 hoặc nhiều 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 dùng kết hợp với hoán vị và mã hóa điều khiển lỗi để tận dụng cả phân tập thời gian 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)