LỜI CAM ĐOAN

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi :

Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông
Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Em tên là:

Bùi Minh Sinh

Hiện đang học lớp 09DT1 – Khoa Điện tử - Viễn Thông, trường đại học Bách
Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật
của khoa.
Sinh viên thực hiện đồ án

Bùi Minh Sinh

Trang 1


MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang 2

Bit Error Rate
Base Station
Bandwidth
Cyclic Prefix
Code Division Multiple Access
Decode and Forward
Discrete Fourier Transform
frequency-division multiplexing
Frequency Division Multiple Access
Fast Fourier Transform
Global System for Mobile
Communications General Packet
Radio Service
HSDPA High-Speed Downlink Packet Access
ICI
IFFT
IDFT
ISI
LOS
LTE
MIMO

Inter- Carrier Interference
Inverse Fast Fourier Transform
Inverse DFT
Inter- Symbol Interference
Line Of Sight
Long Term Evolution
Multiple Input Multiple Output
M-QAM M Quadrature Amplitude Modulation

Phép biến đổi Fourier nhanh
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Truy nhập gói đường xuống tốc độ
cao
Nhiễu liên sóng mang
Phép biến đổi Fourier đảo
Biến đổi DFT ngược
Nhiễu liên ký tự
Đường truyền thẳng
Sự tiến triển dài hạn
Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra
Điều chế biên độ cầu phương M điểm
Lỗi bình phương trung bình
Trạm di động
Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Điều chế biên độ cầu phương
Đa truy cập phân chia theo không
gian
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Trang 3


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

SINR

Signal to Interference plus Noise
ratio

này đó là nhiễu xuyên kênh khi mà cùng một lúc trạm gốc phục vụ cho nhiều thuê bao.
Và chính vì thế mà việc nghiên cứu các kĩ thuật tiền mã hóa trong hệ thống đa chặng là
vô cùng quan trọng. Và em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Nghiên cứu kĩ thuật
tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng two-way relay”.
Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin di động.
Chương 2: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy cập
phân chia theo không gian SDMA.
Chương 3: Thông tin đa chặng và tiền mã hóa trong hệ thống two-way relay.
Chương 4: Mô phỏng.
Đồ án sẽ nghiên cứu về kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống thông tin đa chặng,
đồng thời nghiên cứu sự thay đổi của chất lượng của hệ thống khi số thuê bao, số anten

Trang 5


LỜI MỞ ĐẦU

tại trạm gốc và relay thay đổi. Kết quả mô phỏng cho ta một cái nhìn trực quan hơn về
hệ thống đa chặng trong thông tin di động.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không tránh khỏi
những sai sót, kính mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Bùi Minh Sinh


công, đã giải được bài toán khó về dung lượng.
1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G)
Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất
(1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để
truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động. Với FDMA,

Trang 8


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

người dùng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực
tần số. Trong trường hợp nếu số thuê bao nhiều vượt trội so với các kênh tần số có thể,
thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
Đặc điểm:
-

Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến.
Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể.
Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS
trong cell.
Những nhược điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ 1:
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy

nhiên hệ thống không thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung
lượng và tốc độ. Những nhược điểm của 1G là :
-

Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ. Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra


2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống này còn
có khả năng cung cấp một số dịch vụ truyền dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác. Tất
cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đều sử dụng kỹ thuật điều chế số. Và chúng sử
dụng 2 phương pháp đa truy cập:
 Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access -

TDMA): phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau.
 Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA):
phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau.
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

•

Trong hệ thống TDMA phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành
các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này được dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi
kênh liên lạc là một khe thời gian (Time slot) trong chu kỳ một khung. Tin tức được tổ
chức dưới dạng gói, mỗi gói có bit chỉ thị đầu gói, chỉ thị cuối gói, các bit đồng bộ và
các bit dữ liệu. Không như hệ thống FDMA, hệ thống TDMA truyền dẫn dữ liệu không
liên tục và chỉ sử dụng cho dữ liệu số và điều chế số.
Các đặc điểm của TDMA
-

TDMA có thể phân phát thông tin theo hai phương pháp là phân định trước
và phân phát theo yêu cầu. Trong phương pháp phân định trước, việc phân
phát các cụm được định trước hoặc phân phát theo thời gian. Ngược lại trong
phương pháp phân định theo yêu cầu các mạch được tới đáp ứng khi có cuộc

-

gọi yêu cầu, nhờ đó tăng được hiệu suất sử dụng mạch.

cần phải biết từ mã dùng ở máy phát. Mỗi thuê bao vận hành một cách độc lập mà
không cần biết các thông tin của máy khác.
Đặc điểm của CDMA:
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz.
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA.
- Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao
trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt.
- Chất lượng thoại cao hơn, dung lượng hệ thống tăng đáng kể (có thể gấp từ 4
đến 6 lần hệ thống GSM), độ an toàn (tính bảo mật thông tin) cao hơn do sử dụng dãy
mã ngẫu nhiên để trải phổ, kháng nhiễu tốt hơn, khả năng thu đa đường tốt hơn,
Trang 11


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

chuyển vùng linh hoạt. Do hệ số tái sử dụng tần số là 1 nên không cần phải quan tâm
đến vấn đề nhiễu đồng kênh.
- CDMA không có giới hạn rõ ràng về số người sử dụng như TDMA và FDMA.
Còn ở TDMA và FDMA thì số người sử dụng là cố định, không thể tăng thêm khi tất
cả các kênh bị chiếm.
- Hệ thống CDMA ra đời đã đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn dịch vụ thông tin di
động tế bào.
1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G)
Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn
trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc
nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế
hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng


- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau:
+ Đường lên: 1885-2025 MHz.
+ Đường xuống: 2110-2200 MHz.
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:
+ Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến.
+ Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông.
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở, ngoài đường, trên
xe, vệ tinh.
- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:
+ Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) trên cơ
sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng toàn cầu.
+ Đảm bảo chuyển mạng quốc tế.
+ Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển
mạch kênh và số liệu chuyển mạch theo gói.
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện.
1.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế
hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4 là công
nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong

Trang 13


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gbps. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương
lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết,
điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi
đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng

băng rộng (MWBA) cũng được xem là 4G, tốc độ bít đỉnh đường xuống là 128 Mbps
và 56 Mbps cho đường xuống với độ rộng băng thông hơn 20 MHz.
Đặc điểm của 4G:
- Băng thông linh hoạt giữa 5 MHz đến 20 MHz, có thể lên đến 40 MHz.
- Tốc độ được quy định bởi ITU là 100 Mbps khi di chuyển tốc độ cao và
1 Gbps đối với thuê bao đứng yên so với trạm.
- Tốc độ dữ liệu ít nhất là 100 Mbps giữa bất kỳ hai điểm nào trên thế giới.
- Hiệu suất phổ đường truyền là 15bit/s/Hz ở đường xuống và 6.75 bit/s/Hz ở
đường lên.
- Kết nối liền và chuyển giao toàn cầu qua đa mạng.
- Chất lượng cao cho các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh thời gian thực,
tốc độ dữ liệu cao, video HDTV, TV di động…
- Tương thích với các chuẩn không dây đang tồn tại.
- Tất cả là IP, mạng chuyển mạch gói không còn chuyển mạch kênh nữa.

1.3. Các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền trong thông tin di động
1.3.1. 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:

Trang 15


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2

 λ 


Hình 1.1: Các hiện tượng có thể xảy ra trên đường truyền
Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản
sao này sẽ tới được máy thu.

Hình 1.2: Tín hiệu đến phía nhận theo nhiều đường
Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo
các đường dài ngắn khác nhau nên:
• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa
các thành phần này là khác nhau.
• Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là
khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao:

Trang 17


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi các
bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản
sao ngược pha.
Mô hình truyền tìn hiệu trong kênh fading đa đường

Hình1.3: Mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường
Tín hiệu s(t) được truyền vào không gian từ anten phát có thể được biểu diễn
như sau:
(1.2)

Đặt , suy ra:
(1.9)
Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến được biểu diễn là:
với

.

1.3.3. Nhiễu trắng Gaussian
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô ICI (InterCellular Interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI (InterSymbol Interference), nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) và méo

Trang 19


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

xuyên điều chế IMD (Inter-modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu
trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại
ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính
xác bằng nhiễu Gaussian trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại
nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất
là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Vậy dạng
kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các
thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên
từng kênh con, vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này
thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.3.4. Hiệu ứng Doppler
Gây ra bởi sự di chuyển tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của

CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN

CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC
GIAO VÀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN
2.1. Giới thiệu chương
Chương này sẽ trình bày các nội dung sau:
- Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
- Đa truy cập phân chia theo không gian.

2.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.
2.2.1. Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó các ký tự dữ liệu được điều chế thành những song
mang phụ (hay sóng mang con) song song cách đều nhau. Các sóng mang phụ này có
sự phân chia tần số tối thiểu cần thiết để duy trì tính trực giao tương ứng với dạng sóng
trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tương ứng với các sóng mang phụ khác nhau
chồng lấn trong miền tần số. Với một băng tần có sẵn, việc chồng lấn phổ của các sóng
mang con này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật ghép kênh phân chia theo tần số thông thường.
Ngoài ra OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản được áp dụng rất hiệu quả để
khắc phục hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong fading đa đường
bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ (GI period) tại vị trí bắt đầu của mỗi symbol và rất
thích hợp cho các kênh truyền fading lựa chọn tần số trong thông tin vô tuyến bằng
cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng
và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các
kênh băng hẹp.

Trang 22




Hình 2.3: Cấu trúc 1 symbol OFDM trong miền tần số
Tín hiệu phát OFDM ở băng tần có sở được truyền đi được biểu diễn như sau:
Trang 24


CHƯƠNG 2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO VÀ ĐA TRUY
CẬP PHÂN CHIA THEO KHÔNG GIAN

(2.1)

n ∈ { − N g ,...,0,..., N − 1} N g
trong đó
,
là chiều dài tiền tố Cyclic- Prefix.

Hình 2.3: Cấu trúc tính hiệu OFDM phát đi ở máy phát
Qua kênh truyền fading chọn lọc thời gian, tần số các mẫu thứ n nhận được
trong symbol OFDM thứ m được biểu diễn như sau:
(2.2)
trong đó n

∈

{0,…., N-1}, hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền fading đa đường và

zn,m là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN) với công suất nhiễu là N0.
Để không xảy ra nhiễu liên ký tự ISI thì chiều dài Ng của tiền tố lặp CP phải
thỏa mãn Ng≥ L-1.
Tín hiệu yn,m qua bộ S/P được chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tục