Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)

H ỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO

Luận văn được hoàn thành tại:

H ỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRUNG HIẾU

Phản biện 1: ……… ………

Phản biện 2: ……… ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: … giờ … ngày … tháng …… năm ……

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

M ỤC LỤC

MỤC LỤC i

L ỜI CAM ĐOAN iii

L ỜI CẢM ƠN iv

L ỜI MỞ ĐẦU v

DANH M ỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH HÌNH V Ẽ viii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1

1.1 Gi ới thiệu chương 1

1.2 Gi ới thiệu về kênh vô tuyến 1

1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến 3

1.4 T ổn hao đường truyền của kênh vô tuyến 5

1.5 Hi ệu ứng đa đường của kênh vô tuyến 7

1.5.1 Hi ện tượng fading 7

1.5.2 Trải trễ 8

1.6 Hi ệu ứng Doppler 9

1.7 Các phân b ố Rayleigh và Rice 11

1.8 Dung lượng kênh vô tuyến 14

1.9 Tổng kết chương 15

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO 16

2.1 Giới thiệu chương 16

2.2 T ổng quan về kỹ thuật MIMO 16

2.3 Mô hình h ệ thống MIMO tổng quát 19

2.4 K ỹ thuật phân tập phát 20

2.5 Kỹ thuật phân tập thu 25

2.6 Các k ỹ thuật quan trọng được sử dụng trong MIMO 31

2.6.1 Ghép kênh không gian 31

2.6.2 Mã hóa không gian thời gian 37

2.6.3 Tạo dạng búp sóng 42

2.7 Dung lượng kênh MIMO 44

2.8 Hiệu năng của hệ thống MIMO 45

2.9 Ứng dụng MIMO trong các hệ thống thông tin di động 50

2.10 Tổng kết chương 50

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO BẰNG MÔ PH ỎNG 52

3.1 Giới thiệu chương 52

3.2 Sơ đồ hệ thống 52

3.3 Xây d ựng chương trình 54

3.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ 54

3.3.2 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với số lượng anten thay đổi 55 3.3.3 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với tỷ số SNR thay đổi 55

3.4 K ết quả khảo sát mô phỏng và thảo luận 56

3.5 T ổng kết chương 58

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 59

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 61

PH Ụ LỤC

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo sát dung lượng kênh MIMO” là kết quả của quá trình nghiên cứu và tìm hiểu của học viên Mọi nội dung tham khảo của luận văn đều được tham khảo từ các nguồn tài liệu được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Trung Kiên

L ỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thày giáo PGS.TS Bùi Trung Hiếu Thày là người đã luôn theo sát tôi, tận tình chỉ bảo, góp ý, đinh hướng cho tôi trong suốt quá trình tôi làm luận văn

Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày, cô và các bạn lớp M15CQTE01 – B của khoa Điện tử Viễn thông Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông, những người đã cho tôi những kiến thức bổ ích, hỗ trợ kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi ngay từ những ngày đầu học tập tại trường

Cuối cùng, tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình tôi, những người luôn ủng hộ, động viên để tôi vượt qua khó khăn hoàn thành luận văn này

Xin chân thành c ảm ơn!

L ỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự bùng nổ của các thiết bị di động, nhu cầu về dịch vụ ngày càng

đa dạng của con người là những động lực phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực thông tin

di động Các nhu cầu của con người ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, độ ổn định để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng Trong thông tin di động tài nguyên vô tuyến là hữu hạn và đắt đỏ, trong khi đó nhu cầu của con người không ngừng tăng lên, do đó đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ cũng như các nhà nghiên cứu

Khi mà các hệ thống thông tin di động 3G và 4G đã được chuẩn hóa và hiện nay đã và đang được đưa vào khai thác thương mại hóa với các yêu cầu về tốc độ dữ liệu và dung lượng lớn đặt ra cho các hệ thống này thì một trong những giải pháp kỹ thuật được sử dụng để giúp cho các hệ thống thông tin di động này đạt được các yêu cầu thiết kế đặt ra là công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten

ở máy phát và nhiều anten ở máy thu (Multiple Input Multiple Output hay MIMO) Kênh vô tuyến di động vốn chịu tác động khá lớn bởi môi trường truyền đặc biệt hiện tượng fading, kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện được các nhược điểm của kênh vô tuyến di động và giải quyết được các vấn đề hết sức quan trọng của các hệ thống thông tin di động hiện nay đó là các vấn đề về dung lượng, tốc độ dữ liệu, hiệu quả

sử dụng phổ và vùng phủ Nhận thấy được tầm quan trọng của kỹ thuật MIMO trong thông tin vô tuyến nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo sát dung lượng kênh MIMO” cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình

Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến di động

Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO

Chương 3: Khảo sát dung lượng kênh MIMO bằng mô phỏng

Trong quá trình làm luận văn, do hạn chế về mặt kiến thức nên không thế tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đống góp báu từ thày cô và các bạn Em

xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thày giáo PGS.TS Bùi Trung Hiếu

- người đã giúp em hoàn thành luận văn này

DANH M ỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AGC Automatic Gain Control Điều khiển tăng ích tự động

AWGN Addtive White Gaussian noise Nhiễu trắng cộng Gaussian

ATDE Adaptive Time Domain Equalizer Bộ san bằng thích nghi

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

EGC Equal Gain Combining Kết hợp cân bằng độ lợi

HSPA Hight Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

ISI Inter Ký hiệu Interference Nhiễu xuyên ký tự

LTE Long Term Evolution Giải pháp dài hạn

LOS Line-of-Sight Tia truyền thẳng

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại

SM Spactial Multiplexing Ghép kênh không gian

SIMO Single Input Multiple Output Đơn đầu vào đa đầu ra

SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra

SNR Signal Nosie Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

STBC Spcae-Time Block Code Mã khối không gian thời gian

STTC Space-Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian

DANH SÁCH HÌNH V Ẽ

Hình 1.2.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến 1

Hình 1.3.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến 3

Hình 1.3.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến 3

Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến 4

Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến 7

Hình 1.5.2 Trải trễ trong truyền sóng vô tuyến 9

Hình 1.6.1 Tác động của hiệu ứng Doppler 10

Hình 1.6.2 Phổ tín hiệu tại đầu thu 10

Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 12

Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice 14

Hình 2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu 19

Hình 2.4.1 Hệ thống SIMO, MISO, MIMO 21

Hình 2.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu 22

Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu 26

Hình 2.5.2 Kỹ thuật phân tập thu SC 27

Hình 2.5.3 Kỹ thuật phân tập thu TC 29

Hình 2.5.4 Kỹ thuật phân tập thu MRC 29

Hình 2.5.5 Kỹ thuật phân tập thu EGC 30

Hình 2.6.1 Cấu hình anten 2x2 32

Hình 2.6.2 Thu tuyến tính/giải ghép kênh các tín hiệu được ghép không gian 33

Hình 2.6.3 Ghép kênh không gian dựa trên tiền mã hóa 34

Hình 2.6.4 Trực giao tín hiệu ghép không gian thông qua tiền mã hóa 35

Hình 2.6.5 Truyền dẫn một từ mã (a) và đa từ mã (b) 37

Hình 2.6.6 Mô hình hệ thống băng gốc 38

Hình 2.6.7 Sơ đồ mã lưới 41

Hình 2.6.8 Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 41

Hình 2.6.9 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2 41

Hình 2.6.10 Kỹ thuật tạo búp sóng 42

Hình 2.6.11 Tạo búp điển hình với tương quan anten tương hỗ cao 43

Hình 2.6.12 Khái niệm tạo búp 44

Hình 2.8.1 Sơ đồ hệ thống SIMO 46

Hình 2.8.2 Hệ thống MISO 2×1 47

Hình 2.8.3 Hệ thống MIMO 2×2 48

Hình 3.2.1 Hệ thống đơn anten phát và thu 52

Hình 3.2.2 Hệ thống SIMO 53

Hình 3.2.3 Hệ thống MISO 53

Hình 3.2.4 Hệ thống MIMO 54

Hình 3.3.1 Lưu đồ thuật toán trường hợp số anten thay đổi 55

Hình 3.3.2 Lưu đồ thuật toán trường hợp tỷ số SNR thay đổi 56

Hình 3.4.1 Dung lượng của các hệ thống với số anten thay đổi 56

Hình 3.4.2 Dung lượng hệ thống thay đổi theo SNR 57

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG 1.1 Gi ới thiệu chương

Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu thông qua kênh vô tuyến Chất lượng kênh vô tuyến di động đóng vai trò hết sức quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới việc khôi phục lại tín hiệu ở đầu thu Môi trường truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động của các yếu tố đặc trưng của kênh vô tuyến,

do đó trong chương này của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề của kênh vô tuyến như: mô hình kênh cơ bản, tổn hao đường truyền, các hiện tượng các hiệu ứng tác động tới truyền sóng vô tuyến như Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, các phân bố Rayleigh và Rice và dung lượng kênh vô tuyến

1.2 Gi ới thiệu về kênh vô tuyến

Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu phát được truyền trên kênh truyền vô tuyến đến máy thu sẽ bị tác động bởi nhiều yếu tố của kênh truyền như: bị suy hao tín hiệu do khoảng cách truyền, bị cản trở bởi các toà nhà cao tầng, núi non, cây cối, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các chướng ngại vật trên đường truyền làm cho tín hiệu từ máy phát tới máy thu đi theo các đường khác nhau, kết quả là ở máy thu ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Bên cạnh những yếu tố tác động trên, kênh vô tuyến còn bị tác động bởi các loại tạp nhiễu đưa vào từ chính nội tại hệ thống cũng như các tác động từ các kênh truyền lân cận và các hệ thống thông tin khác hoạt động song song Tất cả các yếu tố tác động trên đều làm cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở tại máy thu giảm, điều này ảnh hưởng đến chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.2.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến

Do kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên nên người ta chỉ có thể dựa trên cơ sở toán học các mô hình kênh và các phân bố của từng loại kênh với các phân

bố Rice, Rayleigh và Gauss, thông qua các mô hình này người ta có thể mô phỏng đánh giá chất lượng kênh truyền với từng loại kênh [10]

Trong thông tin vô tuyến kênh truyền được phân loại theo một số tiêu chí khác nhau

a, Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu

+ Các kênh băng hẹp: các kênh băng hẹp là các kênh có tốc độ đủ nhỏ, trong

đó tác động làm giãn ký tự thu của sự truyền lan nhiều tia không gây nên ISI

+ Các kênh băng rộng: trong các kênh băng rộng, tốc độ ký tự là đủ lớn đến nỗi một ký hiệu bị giãn lấn sang vài ký tự lân cận gây nên ISI

b, Phân loại kênh theo môi trường truyền sóng

+ Kênh vô tuyến di động trong nhà: với loại kênh này do kích thước tế bào nhỏ, trải trễ là khá nhỏ, tốc độ truyền có thể lớn mà không cần san bằng kênh

+ Kênh vô tuyến di động ngoài trời: kích thước tế bào lớn, số vật gây phân tán kênh lớn nên trải trễ có thể rất lớn làm hạn chế tốc độ truyền và cần san bằng kênh

c, Phân loại kênh theo đặc tính fading nhanh

+Kênh fading Rice: là kênh trong trường hợp trong số các tia tới máy thu có một số tia trội, thường là tia LOS Khi đó fading nhanh có phân bố Rice

Tham số 𝐾𝐾 =𝑡𝑡ổ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑐𝑐á𝑐𝑐 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡á𝑛𝑛 𝑥𝑥ạ𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡ộ𝑡𝑡 + Kênh Gausse: trong trường hợp này có thể xem như chỉ có các tia LOS, khi

đó tác động lên hệ thống chủ yếu là tạp âm nhiệt có phân bố Gausse

+Kênh Rayleigh: trong trường hợp này không có tia LOS nào, các kênh này thường gặp trong thực tế, trong các tế bào lớn, địa hình phức tạp

1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến do đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu là

xa nhau và môi trường truyền là vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu

có thể bị các tác động từ môi trường truyền bên ngoài gây ra các hiện tượng như: phản xạ sóng, tán xạ sóng, nhiễu xạ sóng

a, Phản xạ sóng

Hình 1.3.1 Ph ản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến

Phản xạ sóng xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và một

phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại

b, Tán xạ sóng

Hình 1.3.2 Tán x ạ sóng trong thông tin vô tuyến

Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn Khi bị tán xạ, tia tới sẽ bị phân tán thành nhiều tia có cường độ khác nhau và theo các hướng khác nhau

c, Nhiễu xạ sóng

Hình 1.3.3 Nhi ễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến

Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần mép cuả vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng, nhiễu

xạ cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua vật chắn

Các băng tần sử dụng trong thông tin vô tuyến gồm nhiều băng tần, với mỗi băng tần thì phương thức truyền sóng riêng để phù hợp với băng tần đó Với sóng tần

số thấp có thể lan truyền sóng không gian và cự ly truyền sóng có thể đi rất xa hàng nghìn kilomet là do cường độ trường của sóng này giảm theo khoảng cách khá chậm, nói cách khác là năng lượng của chúng bị mặt đất hoặc mặt nước hấp thụ ít Nhưng với đặc điểm của dải sóng này là dung lượng tần số nhỏ nên khả năng truyền tải thông tin tốc độ cao là không đáp ứng được Ngày nay khi mà yêu cầu về thông tin tốc độ cao ngày càng cần thiết và các băng tần đa số đã được sử dụng cho các mạng di động tồn tại trước đó thì người ta bắt đầu nghĩ tới các dải sóng tần số lớn lên tới hàng GHz phục vụ cho mục đích truyền tải thông tin tốc độ cao, nhưng nhược điểm của các dải sóng tần số lớn là bị suy hao lớn do khoảng cách truyền sóng nên cự ly truyền sóng giảm, các dải sóng tần số cao đang được nghiên cứu thử nghiệm cho các mạng 5G với công nghệ sóng milimet

Với đặc tính môi trường truyền dẫn là môi trường truyền vô tuyến nên truyền sóng trên kênh vô tuyến luôn chịu các tác động đặc thù của kênh vô tuyến, đó là:

• Truyền sóng đa đường: Đây hiện tượng cố hữu trên kênh vô tuyến Hệ quả của truyền sóng đa đường gây nên ISI, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu khi khôi phục tại đầu thu

• Fading trong thông tin vô tuyến cũng là hiện tượng hết sức nghiêm trọng Fading được chia làm hai loại: fading do mưa, sương mù, không khí và fading

đa đường (do truyền sóng đa đường) Ở các băng tần tín hiệu lớn còn có fading lựa chọn theo tần số, là loại fading gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu

• Suy hao: Mô tả sự suy giảm công suất trung bı̀nh của tín hiê ̣u khi truyền từ

máy phát đến máy thu Sự giảm công suất do hiê ̣n tượng che chắn và suy hao

do tần số có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

• Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): Do ảnh hưởng của các vật cản trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm

• Hiệu ứng Doppler: Gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là dịch tần số Doppler

1.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến

Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến được đánh giá trong phạm vi rộng thông qua các mô hình tổn hao đường truyền Mô hình tổn hao đường truyền mô tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác Một số mô hình bao gồm cả chi tiết về địa hình để dánh giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số mô hình chỉ xem xét đến tần số và khoảng cách Chiều cao anten là một thông số quan trọng Tổn hao phụ thuộc vào khoảng cách:

PL ~ dn (1.1) Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < 2 cho các môi trường trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy phát đến máy thu

Từ lý thuyết và các kết quả đo lường ta biết công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm log cho môi trường ngoài trời và trong nhà Ngoài ra tại mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau [10]

Trong đó PL d( ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vi rộng đối với d0

là khoảng cách tham chuẩn thu phát, Xσlà biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình,

d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền

Mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata thường được áp dụng tính toán

cự ly phủ sóng của một ô Tồn tại 4 mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata:

Hở, ngoại ô, thành phố nhỏ và thành phố lớn Mô hình này được sử dụng trong dải tần từ 500 MHz đến 2000 MHz với công thức cơ sở như sau

1.5 Hi ệu ứng đa đường của kênh vô tuyến

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính

là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán

xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được

là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập

có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính

và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến

1.5.1 Hiện tượng fading

Fading trong thông tin vô tuyến là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên cường

độ trường của tín hiệu tại đầu thu Các yếu tố gây ra fading đối với hệ thống thông tin vô tuyến bao gồm một số yếu tố sau

• 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 số cao trên 10 GHz

• Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng 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

• Sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật 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

Fading trong thông tin vô tuyến có thể phân ra thành một số loại sau:

• Fading phẳng: Fading này thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng nhỏ và vừa, do đó độ rộng băng tần là tương đối nhỏ ảnh hưởng của fading lên các thành phần tần số có thể xem là như nhau Với loại fading này có thể khắc khục nhờ AGC

• Fading lựa chọn theo tần số: Xảy ra khi băng tần tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tần tín hiệu lớn sẽ chịu tác động của fading lựa chọn theo tần số Khác với fading phẳng fading lựa chọn theo tần số tác động nên các thành phần tần số là khác nhau, tác hại của fading lựa chọn theo tần số là gây ISI, do đó gây méo tín hiệu Để khắc phục fading lựa chọn theo tần số có thể sử dụng các biện pháp như: sử dụng mạch san bằng thích nghi ATDE, sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER, sử dụng trải phổ, sử dụng điều chế đa sóng mang tiêu biểu là OFDM để khác phục fading lựa chọn theo tần số

1.5.2 Trải trễ

Đối với hệ thống thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia sóng trong môi trường di động dẫn đến sự trả trễ

Hình 1.5.2 Trải trễ trong truyền sóng vô tuyến

Trong hình 1.4.2 Δ là lượng trải trễ, lượng trải trễ có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi Nếu tín hiệu được truyền đi với tốc độ thấp thì trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại đầu thu Tuy nhiên nếu

ta truyền với tốc độ lớn mãi thì tới một lúc mỗi ký hiệu số liệu sẽ trải hẳn sang các ký hiệu số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu ISI thì tỷ lệ lỗi BER có thể sẽ lớn tới mức không chấp nhận được Để không xảy ra ISI thì T ≥Δ (T là chu kỳ tín hiệu phát) tức

Với thông tin di động tế bào lớn: Δ có thể lên tới ≥ 10 µs để, truyền tin với tốc

độ cao (≥ 64 kb/s) nhất thiết cần san bằng kênh

1.6 Hi ệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình dưới Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị

xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi

đó tần số Doppler của tuyến này là:

D = f0cos( )αn

c

vf

n (1.4) Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Doppler sẽ lớn nhất là:

D,max = f0

c

f v (1.5)

Hình 1.6.1 Tác động của hiệu ứng Doppler

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler được biểu diễn như sau:

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5.2

Hình 1.6.2 Ph ổ tín hiệu tại đầu thu

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm

1974, và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.5.2 sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều

hệ thống

1.7 Các phân b ố Rayleigh và Rice

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất

)0

(2

exp)

2 2

r

r r

r r

σ

R dr

r p R r P R

)(]

[0

22

)(]

Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2σ (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

=r median p r dr r median

0

177.1)

(2

Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng

ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 1.7.1 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-

of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

)0,0()

2 ) ( 2

2 2 2

r

r A

Ar I e

r r

p

A r

σ

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ

số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2

σ

= (1.14)

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k → 0 ( ∞− dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.7.2 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean

Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice

1.8 Dung lượng kênh vô tuyến

Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là lý thuyết dung lượng cực đại mà thông tin có thể đạt được truyền trên một kênh thông tin cho trước Khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng tính, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức đơn giản như sau:

đó Eb là năng lượng tín hiệu thu trên bit Ngoài ra công suất tạp âm có thể được biểu diễn là N = N0.Bw, trong N0 là mật độ phổ công suất tạp âm đo bằng W/Hz

Ta thấy rằng tốc độ thông tin không bao giờ vượt quá dung lượng kênh Dựa trên điều này và kết hợp với biểu thức (1.15) ta được bất đẳng thức:

E R S

vì thế cần nhiều trạm hơn để bao phủ cùng một diện tích điều này sẽ gây tốn chi phí Một giải pháp đã được nghiên cứu áp dụng trong thông tin di động để khắc phục khó khăn trên đó là sử dụng nhiều anten tại phía thu (phân tập anten thu) Bằng cách kết hợp các tín hiệu thu một cách hợp lý tỷ số tín hiệu trên tập âm có thể được tăng lên

1.9 T ổng kết chương

Kênh truyền sóng trong thông tin vô tuyến luôn chịu các tác động mang tính chất đặc thù và cố hữu của môi trường truyền sóng vô tuyến các tác động này ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng tín hiệu ở tại đầu thu nếu không có biện pháp kỹ thuật

xử lý Trong chương một của luận văn cũng nêu rõ các đặc trưng cơ bản của truyền sóng vô tuyến cũng như các yếu tố tác động của kênh truyền vô tuyến và đồng thời cũng chỉ ra các hệ quả của các tác động của các vấn đề như tổn hao truyền sóng, các tác động của truyền sóng đa đường… và cũng chỉ rõ các giới hạn về dung lượng của các hệ thống thông tin hiện tại Trong xu hướng hướng tới thông tin tốc độ cao thì các vấn đề nêu trên của kênh vô tuyến cần được khắc phục và một trong những công nghệ đang được nghiên cứu, triển khai áp dụng trong thực tế là công nghệ truyền dẫn

vô tuyến tốc độ cao MIMO sẽ được trình bày trong chương 2 của luận văn

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO 2.1 Gi ới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO bao gồm các nội dung như lịch sử hình thành kỹ thuật truyền dẫn MIMO, mô hình hệ thống, các kỹ thuật quan trọng được sử dụng và các vấn đề đặc biệt được quan tâm trong MIMO là dung lượng và hiệu năng hệ thống cũng được trình bày Bên cạnh đó các ưu nhược điểm của hệ thống MIMO và các ứng dụng của MIMO trong các hệ thống thông tin di động cũng sẽ được trình bày trong chương này của luận văn

2.2 T ổng quan về kỹ thuật MIMO

MIMO (multiple-input and multiple-output) là kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến

sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu Năm 1984 Jack Wintes (Bell Laboatries) là người đi tiên phong trong lĩnh vực MIMO khi mô tả cách thức gửi data từ nhiều người dùng trên cùng kênh tần số hoặc thời gian khi sử dụng nhiều anten tại cả máy phát lẫn máy thu trong lĩnh vực phát thanh Từ năm 1986 tới năm

1995, nhiều bài báo về MIMO liên tục được đưa ra Vào năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học stanford, Greg Raleigh đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã viết một bài báo chỉ ra rằng hiện tượng

đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAS (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến trong môi trường fading khi sử dụng đa anten (MIMO) Năm 1998, P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng băng thông lần đầu tiên lên tới 20-40 bps/Hz, Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này có thể mở rộng ra M anten thu để cung cấp độ lợi phân tập 2M Năm 2003, Airgo đã tung chip MIMO đầu tiên Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp

với kĩ thuật OFDM Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu thiên của 802.11n để thảo luận nhằm đưa ra các thay đổi sửa lỗi và cải tiến Nhận thấy được các ưu điểm của kỹ thuật MIMO kể từ đó cho đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật này

Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO có thể được sử dụng để nâng cao hiệu năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng trong một ô tăng) và tăng vùng phủ (mở rộng ô) cũng như tăng khả năng cung cấp dịch vụ Với cấu hình đa anten cho phép tăng độ phân tập kênh truyền fading do đó có thể giảm xác suất lỗi, tăng dung lượng kênh truyền do đó có thể tăng tốc độ dữ liệu Chính vì những ưu điểm quan trọng này ngày nay MIMO được đã được áp dụng cho các hệ thống như HSPA+, LTE, WiMAX, WLAN (802.11n) Do vậy với những lợi ích mà MIMO mang lại thì chắc chắn đây sẽ là một công nghệ quan trọng không thể thiếu trong các hệ thống thông tin di động hiện tại và các hệ thống trong tương lai

Như đã nói, hệ thống MIMO ra đời với mục đích: đáp ứng các nhu cầu truy cập tốc độ cao, do việc tăng các hiệu ứng môi trường và sức ép cạnh tranh từ các

mạng có dây LAN, thêm vào đó, trong tương lai của hệ thống audio/video gia đình vẫn sẽ đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao Bên cạnh đó, hệ thống MIMO ra đời với hy vọng

có thể cải thiện được những giới hạn của kênh truyền SISO, do tính năng đáng chú ý của hệ thống MIMO là khả năng truyền dẫn tốt trong kênh truyền chịu tác động của hiện tượng đa đường

Những ưu điểm chính của hệ thống MIMO có thể tóm tắt như sau:

a, Cải thiện được công suất tại nơi thu

Xét một hệ thống SISO 1 anten phát và 2 anten thu, thì tại nơi thu 2 anten sẽ nhận được các tín hiệu s1, s2 khác nhau của cùng một tín hiệu s phát Do điều kiện truyền dẫn khác nhau, nên hai tín hiệu thu này sẽ có sự sai khác về biên độ và pha Thông tin trạng thái kênh truyền được nhận biết chính xác tại nơi thu, và công suất tại nơi thu có thể được cải thiện nếu áp dụng một thuật toán xử lý để kết hợp s1, s2

thích hợp

b, Tăng dung lượng hệ thống

Tăng dung lượng hệ thống hay làm giảm can nhiễu mà không cần phải tăng băng thông Can nhiễu trong hệ thống không dây cũng giống như trong mạng điện thoại tế bào, nguyên lý cơ bản khi sử dụng lại tần số để tăng dung lượng hệ thống, tuy nhiên sẽ xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI, nhiễu này cộng vào làm giảm hiệu năng của hệ thống Để tăng tỷ số tín hiệu trên can nhiễu, thì bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm can nhiễu Việc giảm can nhiễu cũng có thể được thực hiện tại nơi phát thông qua kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian, với mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm tối đa can nhiễu giữa các kênh

c, Phân tập không gian

Ảnh hưởng của fading đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng phân tập không gian

d, Hệ số phân tập

Trong thông tin vô tuyến, công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền thay đổi với các thông số về thời gian, tần số và không gian Khi mà công suất tín hiệu bị tụt xuống dưới ngưỡng, kênh truyền được coi là trong trạng thái thăng giáng Ý tưởng

cơ sở của phân tập là các phiên bản thu được của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt, khi số lượng nhánh phân tập tăng lên, xác suất mà một hay nhiều nhánh không rơi vào trạng thái thăng giáng tại một khoảng thời gian bất kỳ tăng lên Phân tập hướng tới sự ổn định của một đường liên kết không dây

e, Hệ số hợp kênh

Hệ số hợp kênh là đặc trưng nổi bật, được sử dụng trong hệ thống MIMO nhằm nâng cao dung lượng hệ thống

Mặc dù MIMO hứa hẹn mang lại hiệu suất phổ cao hơn so với hệ thống SISO,

và cũng là đòn bẩy trong việc tăng chất lượng truyền dẫn, nhưng chi phí giá thành cho thiết bị trong hệ thống MIMO là cao hơn, giải thuật xử lý tín hiệu cũng phức tạp hơn, chính vì vậy cần có chiến lược hợp lý

2.3 Mô hình h ệ thống MIMO tổng quát

Mô hình hệ thống MIMO tổng quát gồm Nt anten phát và Nr anten thu được minh họa như hình 2.3.1

Hình 2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO với N t anten phát và N r anten thu

Trong sơ đồ trên tín hiệu thu được tại mỗi anten là tổng hợp của nhiều tín hiệu đến,

do đó ma trận kênh H được biểu diễn như sau

N r

2N r

1N

2 t N 22

21

1 t N 12

11

hh

h

hh

h

hh

hH

y

r N 2





η,η

η

r N 2

Khi 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

x

xx

hh

h

hh

h

hh

đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập được sử dụng

để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian

Tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở đầu phát hay đầu thu mà người ta chia phân tập không gian thành 3 loại [4]: phân tập anten phát (hệ thống MISO), phân tập anten thu (hệ thống SIMO), phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO)

Hình 2.4.1 H ệ thống SIMO, MISO, MIMO

Phân tập thời gian dùng những khe thời gian tại những thời điểm khác nhau

để truyền cùng một tín hiệu ban đầu Như vậy, tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu có thể thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau

Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ Sơ đồ Alamouti được thiết kế cho hai anten phát, tuy nhiên ở mức độ nhất định có thể được tổng quát hóa cho nhiều hơn hai anten Với pha đinh phẳng, hai anten phát và một anten thu, có thể viết kênh thu đơn như sau:

η(k)(k)

2(k)x2h(k)1(k).x1h

Trong đó, hn là độ lợi kênh từ anten phát n, k là chỉ số biểu thị thời điểm phát

Sơ đồ Alamouti phát hai ký hiệu phức x1 và x2 trên hai thời gian ký hiệu trên hai anten

1 và 2 như sau: tại thời điểm k, x1(k) = x1 và x2(k) = x2; tại thời điểm k+1 , x1(k+1) =

* 2

x

− và x2(k+1)=x*1 Nếu coi rằng kênh không đổi trong thời gian hai ký hiệu và đặt

h1 = h1(k) = h1(k+1), h2 = h2(k) = h2(k+1), khi này có thể viết ma trận vào dạng sau:

x

xx

.hh1)y(k

y(k)

* 1 2

* 2 1

2 1

Có thể viết lại phương trình trên vào dạng sau:

x.hh

hh

*1)y(k

y(k)

2

1

* 1

* 2

2 1

(2.5)

Nhận thấy cột của ma trận chữ nhật trong phương trình trên trực giao với nhau

Vì thế nhiệm vụ tách sóng x1 và x2 được chia thành hai nhiệm vụ vô hướng trực giao

Hình 2.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu

Sơ đồ Alamouti làm việc cho tất cả các kiểu chùm ký hiệu x1, x2 khác nhau, tuy nhiên để đơn giản, ở đây chỉ xét BPSK với truyền 2 bit trong thời gian hai ký hiệu Trong sơ đồ mã lặp cần sử dụng 4-PAM để đạt được cùng tốc độ bít Để đạt được cùng khoảng cách tối thiểu như các ký hiệu BPSK trong sơ đồ Alamouti, cần tăng 5 lần năng lượng ký hiệu

Hình 2.4.2 trên cho sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu với 3 chức năng sau:

• Mã hóa và chuỗi các ký hiệu phát tại máy phát

• Sơ đồ kết hợp tại máy thu

• Quy tắc quyết định khả năng giống cực đại

a, Mã hóa và chuỗi phát

Trong khoảng thời gian cho trước một ký hiệu, hai ký hiệu được truyền đồng thời từ hai anten phát Ký hiệu tín hiệu phát từ anten một là x1(k)=x1 và tín hiệu phát

từ anten hai là x2(k)=x2 Trong thời gian ký hiệu tiếp theo, x1(k+1) = −x*2 được phát

đi từ anten một và x2(k+1)=x*1được phát đi từ anten hai

Ký hiệu h1(k) và h2(k) là đáp ứng kênh cho đường truyền từ anten phát 1 và đường truyền từ anten phát 2 tại thời điểm k Giả thiết phađinh không đổi trong thời gian hai ký hiệu phát, có thể viết:

1 jθ 1 1 1

1(k) h (k 1) h β e

2 2

2

* 1

* 2 1

Trong đó y1 và y2là ký hiệu cho các tín hiệu thu tại thời điểm k và k+1, η1và 2

η là các biến ngẫu nhiên phức thể hiện tạp âm có phân bố Gauss

Từ (2.6), có thể viết lại phương trình (2.7) vào dạng sau:

ηHx

Trong đó: [ *]T

2y1

2 1hh

hh

H (2.9)

là ma trận kênh tương đương

T2x1xx

ηHy

y.hh

hhyHx

* 2

1 1

* 2

2

* 1

ηHx

x.h-h

hh.hh

* 2

2 1 1

* 2 2

0

0h

2 2

2 1

2 2

* 1

2 2

2

1 β ).x1 h η1 h2η(β

1

1

* 2

* 2

* 1 2

2 2

2

(β2x

Từ hai tín hiệu đầu ra bộ kết hợp, bộ tách sóng khả giống cực đại sẽ chọn ra hai tín hiệu ước tính x1 và x2 sao cho:

d( x~1, x1) ≤ d( x~1, xk) (2.12)

)x,x

~d(

)x,x

)β(β

2

2 1

2 2 2

2 1+

+

=

2sE2σ

)β

β2

2 1

2 n

∑

Trong đó Eb là năng lượng của tín hiệu phát, 2

0

σ =N /2 với N0 là công suất tạp

âm đơn biên

2.5 K ỹ thuật phân tập thu

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt fading đa đường Trong đó tại đầu thu kỹ thuật phân tập không gian (phân tập anten) 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 Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự

dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân

tập không gian không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông của hệ thống Đây là đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao hiện tại

và trong tương lai

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu thu được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường

Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu

Trong kỹ thuật phân tập thu, các đường truyền fading độc lập của các anten thu được liên kết với nhau để đạt tín hiệu thu thông qua bộ giải điều chế tiêu chuẩn nhằm làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading Việc kết hợp tín hiệu thu có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau với độ phức tạp và hiệu năng của hệ thống tương ứng cũng khác nhau Tín hiệu thu được sau phân tập bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ Hầu hết các kỹ thuật kết hợp đều là tuyến tính: đầu ra là sự tổng hợp trọng số của những kênh truyền với fading khác nhau

Nếu tại bộ nhân có một thành phần αi ≠0, thì tại đầu ra bộ kết hợp sẽ chỉ có một đường tín hiệu, nhưng khi có nhiều hơn 1 thành phần αi ≠0, thì bộ kết hợp sẽ tổng hợp các đường tín hiệu lại với nhau, mỗi đường sẽ có một giá trị trọng số khác