LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động
nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ
truyền thông vô tuyến. Trong đó phải kể đến các công nghệ mới như MIMOOFDM, anten thông minh, … đặc biệt kỹ thuật MIMO-OFDM được sử dụng
rất hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao được
chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Từ những ưu điểm
nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO
và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến băng rộng
tương lai như LTE, WiMAX …
Trong phạm vi thời gian và khả năng cho phép, cũng như thấy được vai trò
ngày càng quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động của kỹ thuật OFDM và
hệ thống MIMO. Em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “ Nghiên cứu kỹ
thuật STBC-OFDM trong thông tin di động”. Nội dung đồ án này gồm 5
chương, trong đó 4 chương lý thuyết và một chương cuối thực hiện mô phỏng
tín hiệu bằng phần mềm Matlab:
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Chương 3: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC
Chương 4: Kỹ thuật STBC-OFDM
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Trong đồ án này ta sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu, nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM và kỹ thuật mã hóa khối không gianthời gian STBC. Trong chương Tổng quan về kỹ thuật OFDM trình bày một
cách khá đầy đủ về lịch sử hình thành và phát triển của OFDM, nguyên lý cơ
1


bản và các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM. Về phần hệ thống
MIMO và kỹ thuật STBC, chương trình bày về hệ thống MIMO trong thông
tin vô tuyến, các kỹ thuật phân tập, các độ lợi trong hệ thống MIMO. Phần
cuối chương này đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khối không gianthời gian STBC – một kỹ thuật được sử dụng khá phổ biến và hiệu quả trong

D
DAB
DVB
DFT
rạc
F
FDM
số
FEC
FFT
nhanh
I
IEEE
ICI
ISI
IDFT
IFFT
L
LAN
LTE
LOS
M
MAN
MIMO

.

Asynchronous Digital
Subscriber Line
Analog/Digital

Digital Audio Broadcasting
Digital Video Broadcasting
Discrete Fourier Transform

Phát thanh số quảng bá
Truyền hình số quảng bá
Phép biến đổi Fourier rời
.

Frequency Division Multiplexing
Forward Error Control
Fast Fourier Transform

Ghép kênh chia theo tần
Kiểm soát lỗi tiến
Phép biến đổi Fourier
.

Institute of Electrical and
Electronics Engineers
InterCarrier Interference
InterSymbol Interference
Inverse Discrete Fourier
Transform
Inverse Fast Fourier
Transform

Viện kỹ thuật điện và
điện tử
Nhiễu liên sóng mang

OFDM
OFDMA
OLOS
S
SCE
SCD
STBC
STTC
W
WiMAX
WLAN
WMAN

Mobile Station
Maximun Likelihood
Maximal Ratio Combining

Trạm di động
Khả năng tối đa
Kết hợp tỷ số tối đa
.

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Orthogonal Frequency
Division Multiple Access
Obstructed Line Of sight

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

Mạng LAN không dây
-Wireless LAN
Mạng đô thị không dây


KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương

Trước khi đi vào nội dung chính của đồ án, ta đi tìm hiểu về kênh
truyền tín hiệu vô tuyến. Khi mà nhu cầu sử dụng môi trường vô tuyến để
truyền tín hiệu ngày càng lớn và thông dụng hơn thì việc nghiên cứu tìm hiểu
về kênh truyền vô tuyến và các đặc tính của nó trở nên rất quan trọng và cần
thiết.
Chương này cung cấp một cách ngắn gọn các đặc điểm chính của kênh truyền
vô tuyến, và những vấn đề này gây ra trong việc truyền thông tin số. Những
hiệu ứng truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số,
dịch Doppler và trải trễ đa đường làm hạn chế hiệu quả của việc truyền thông
tin vô tuyến. Hiểu được truyền vô tuyến là cần thiết trước khi đi sâu vào tìm
hiểu kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO và ứng dụng trong môi trường vô
tuyến. Chương này cung cấp một cách tổng quát những hiệu ứng truyền quan
trọng và mở rộng những vấn đề này để xem xét các hiệu ứng trên băng thông
rộng.
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy
thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được
truyền theo tầm nhìn thẳng (Line Of Sight). Tuy nhiên trong thực tế, kênh
truyền tín hiệu vô tuyến chịu tác động của rất nhiều yếu tố làm cho tín hiệu bị
thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì
chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.

1.3 Các đặc tính của truyền vô tuyến
1.3.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền vô tuyến

Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến trở nên bị yếu đi tỉ lệ với khoảng
đường đi của nó. Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến, nó sẻ bị suy
hao đi do đường truyền dài, do các vật cản như nhà cửa, cây cối và do hiệu
ứng đa đường.
Khi tín hiệu được truyền thẳng, không bị ảnh hưởng bởi các vật cản cũng như
các hiện tượng đa đường thì tín hiệu vẫn bị suy hao [3]. Đó gọi là suy hao
trong không gian tự do. Diện tích hình cầu là tỉ lệ với bình phương bán
kính[3], và do đó trong không gian tự do cường độ trường RF giảm tỉ lệ với
bình phương khoảng cách. Công suất thu được trong không gian tự do được
tính như sau :
 λ 
=PT G T G R 
 (W)
d 
4π
2

PR

Trong đó :

(1.1)

PT là công suất phát (W)
GT và GR lần lượt là độ lợi anten phát và anten thu.
λ là bước sóng của sóng mang RF (m)
d là khoảng cách truyền tín hiệu từ anten phát tới anten thu (m)

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)[1].

8


Hình 1.3 Các hiện tượng đa đường trong môi trường vô tuyến
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.
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 tượng này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion).
1.3.3 Hiệu ứng che chắn và fading chậm

Ta định nghĩa Coherence time là thời gian mà kênh truyền thay đổi không
đáng kể. Nếu coherence time nhỏ hơn một chu kỳ tín hiệu dải gốc ta gọi kênh
truyền đó là fading nhanh (fast fading), ngược lại nếu coherence time lớn hơn
một chu kỳ tín hiệu thì ta gọi kênh truyền đó là kênh truyền fading chậm
(slow fading).
Hiệu ứng che chắn(Shadowing) xảy ra khi có những vật chướng ngại tự nhiên
như các đồi núi hay building giữa trạm thu phát gốc BTS và trạm di động
MS[4].

9


Hình 1.4 Shadowing trong truyền vô tuyến
Các vật trở ngại tạo ra hiệu ứng shadowing, hiệu ứng này làm giảm cường độ
tín hiệu tại đầu thu.[4] Khi MS di chuyển, cường độ tín hiệu thay đổi phụ

c

(1.3)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang, vận tốc chuyển động
tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.
Nếu αn = 0 thì độ dịch tần số Doppler là lớn nhất sẽ và sẻ bằng :
f Dn =

v
f0
c

(1.4)

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu
(tại cùng một tần số phát). Do đó hiện tượng này còn được gọi là fading
nhanh.
Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu
ứng đa đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức
nhiễu tại đầu thu gây ra fast fading.
Như vậy, fading chậm và fading nhanh (slow fading and fast fading) phân biệt
nhau ở mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu.
11


1.3.5 Trải trễ (Delay Spread)

Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín
hiệu phản xạ, khúc xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… các tín hiệu

thông của tín hiệu truyền đi. Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp
ứng bằng phẳng trong cả dãy tần số được, tuy nhiên nếu ta xét trong một
khoảng tần số nhỏ nào đó thì có thể xem là phẳng.
1.4 Kết luận chương

Qua chương này cho thấy rằng kênh truyền tín hiệu vô tuyến là phần tử
cơ bản quyết định đến chất lượng của tín hiệu. Đặc tính của kênh truyền vô
tuyến quyết định đến chất lượng và khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống.
Chương này đã giới thiệu các đặc tính cơ bản nhất của kênh truyền vô tuyến
ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. Để khắc phục được những vấn đề gây ra
như đã nêu ở trên, chương sau ta sẻ đi tìm hiểu một kỹ thuật nhằm hạn chế
chúng là kỹ thuật điều chế OFDM – một kỹ thuật được ứng dụng rất rộng và
hiệu quả trong thông tin vô tuyến hiện nay.

13


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
2.1 Giới thiệu chương

Thập kỹ qua đã chứng kiến nhiều nghiên cứu chuyên sâu trong việc
ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) cho các hệ thống truyền
thông băng rộng đang phát triển (như WiFi , WiMAX, LTE… ) để khai thác
hiệu quả quang phổ cao và chống lại một cách mạnh mẽ fading đa đường[5].
OFDM là một dạng đặc biệt của kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nguyên lý
cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một
lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Chương này sẽ trình bày một cách
khá đầy đủ về kỹ thuật OFDM, lịch sử hình thành và phát triển của OFDM,
nguyên lý cơ bản và các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM.

hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện
điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ
thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM
với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật
này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng
HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu
chuẩn IEEE.802.11a.
OFDM và những cột mốc lịch sử quan trọng [7]:
 Năm 1966: Nguyên tắc cho việc truyền đa kênh trên một kênh băng hẹp
được đề xuất: Bell Syst.Tech 1966 R. W. Chang tổng hợp các tín hiệu
trực giao băng thông giới hạn cho truyền dữ liệu đa kênh.
 Weinstein & Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng bảo vệ năm 1971
 Năm 1980 Cyclic Prefix được sử dụng – vấn đề trực giao được giải
quyết
 1985 Cimini vạch ra việc sử dụng OFDM cho thông tin di động
 L. Cimini , phân tích và mô phỏng kênh mobile kỷ thuật số sử dụng
OFDM
 1987 Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh truyền hình kỷ thuật số
 Tháng 9 năm 1988, TH-CSF LER, lần đầu tiên thử nghiệm Ti vi kỷ
thuật số trong OFDM, tại khu vực Pari
15


 1994: Phương pháp và thiết bị cho đa truy nhập giữa các thiết bị thu
phát trong thông tin vô tuyến sử dụng trải phổ OFDM.
 1995: Chuẩn ETSI Digital Audio Broadcasting : tiêu chuẩn cơ bản
OFDM đầu tiên.
 1997: Chuẩn ETSI DVB-T
 1999: Chuẩn IEEE 802.11a wireless LAN (Wi-Fi)
 2002 : Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN

này được trung tâm nghiên cứu CCETT của Pháp phát minh nghiên cứu từ
đầu thập niên 1980. Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ
trải dữ liệu cần truyền trên rất mhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều
chế riêng biệt với tốc độ bit thấp. Trong công nghệ FDM truyền thống những
sóng mang được lọc ra riêng biệt để đảm bảo rằng không có chồng phổ, bởi
vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng
phổ lại chưa được sử dụng hiệu quả cao nhất. Với OFDM, nếu khoảng cách
sóng mang được chọn sao cho mhững sóng mang trực giao trong chu kỳ ký
hiệu thì những tín hiệu có thể khôi phục mà không giao thoa chồng phổ. Kỹ
thuật OFDM có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông hệ thống so với
kỹ thuật FDM.

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM , đơn sóng mang và đa sóng mang
Kỹ thuật OFDM được thiết kế để hoạt động trong các điều kiện môi
trường kết nối đa dạng từ có tầm nhìn thẳng LOS đến đường dẫn thẳng bị che
chắn OLOS và không có đường dẫn thẳng NLOS. Đây chính là ưu điểm của
17


kỹ thuật OFDM. Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa
đường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu phản xạ bởi các vật cản giữa
trạm phát và trạm thu. Các tín hiệu phản xạ thường đến trạm thu không cùng
lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau tín hiệu đường dẫn
thẳng LOS.
Trong thông tin vô tuyến hiện tượng đa đường sẻ gây ra nhiễu liên ký
tự ISI trong hệ thống tốc độc cao dùng đơn sóng mang[8]. Hình 2.1 dưới đây
biểu thị nhiễu liên ký tự khi có 3 đường tín hiệu khác nhau, nhưng các đường
tín hiệu này do đa đường gây trễ nên các tín hiệu đến đầu thu không cùng lúc
gây ra nhiễu.


19


1, i = j
*
x
(
t
)
x
(
t
)
dt
=

i
j
∫
0, i ≠ j
−∞
∞

1, i = j
*
X
(
f
)
X

20


µ

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
2.5.1 Chuyển đổi S/P và P/S

Trong một hệ thống truyền dữ liệu nối tiếp, các ký tự được truyền thứ tự
nối tiếp, với phổ tần số của mỗi ký tự chiếm toàn bộ băng thông. Khi tốc độ
dữ liệu đủ lớn, một vài ký tự sát nhau có thể bị bóp méo hoàn toàn trên kênh
truyền fading lựa chọn tần số hoặc kênh trải trễ đa đường[10]. Quang phổ của
một thành phần dữ liệu bình thường chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông có
sẵn. vì chia toàn bộ băng thông kênh truyền thành nhiều băng hẹp, đáp ứng
tần số trên mỗi kênh con riêng là tương đối phẳng[10].
Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễu
trắng cộng AWGN (không có fading) là:

Cmax =B log 2 (1 +
21

s
)[bps]
N

(2.3)


Trong đó :


µ
Hình 2.7 Bộ Mapper và Demapper
Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả
băng thông Refficiency = Rb/BT = log2M = b [bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số
BER cũng tăng lên. Nyquist đã đưa ra công thức tính dung lượng kênh tối
đa trong môi trường không nhiễu là C = 2Blog2 M , trong đó B là băng
thông kênh truyền. Do đó ta không thể tăng M lên tùy ý được, công thức trên
cho ta xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol.
Một số dạng điều chế thường hay được sử dụng trong bộ Mapper là:
-

Khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)

-

Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude
Modulation)

M-PSK (M-Phase Shift Keying) [10]
Ta xét M-PSK với tín hiệu được thiết lập là :
s (t ) =

2Es
2π (i −1) 

cos 2πf c t +

Ts
M



-

16-PSK có 16 trạng thái phụ thộc 4 bit (Quadbit) vào.

25