TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI
GIAN TRONG HỆ THỐNG MIMO OFDM


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN


Mục lục

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............................. 1
1.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 1
1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ....................................... 1
1.3 Sự suy giảm tín hiệu .......................................................................................... 3
1.4 Fading ............................................................................................................... 4
1.4.1 Độ trải trễ ....................................................................................................... 6
1.4.2 Hiệu ứng Doppler ........................................................................................... 8
1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading ......................................................... 9
1.5.1 Rayleigh fading ............................................................................................ 10
1.5.2 Rician fading ................................................................................................ 11
1.6 Kết luận chương .............................................................................................. 11
CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO ............................... 12
2.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 12
2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM ............................................................ 12

2.6.2.4 MISO - Multiple Input Single Output ......................................................... 27
2.6.2.5 MIMO - Multiple Input Multiple Output .................................................... 27
2.7 Kết luận chương .............................................................................................. 29
CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ......................................... 30
3.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 30
3.2 Tổng quan về kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian ...................................... 30
3.2.1 Hệ thống mã hóa không gian thời gian .......................................................... 30
3.3 Mã trellis không gian-thời gian ........................................................................ 32
3.3.1 Tổng quan..................................................................................................... 32
3.3.2 Nguyên lý mã hóa mã lưới ............................................................................ 33
3.3.3 Nguyên lý giải mã mã lưới............................................................................ 35
3.3.3.1 Giải mã sử dụng giản đồ lưới ..................................................................... 35
3.3.3.2 Khoảng cách Hamming trong giải mã lưới ................................................. 35


Mục lục

3.3.3.3 Giải mã sử dụng thuật toán Viterbi ............................................................ 37
3.3.3.4 Bộ mã hóa STTC ....................................................................................... 41
3.3.3.5 Bộ giải mã STTC ....................................................................................... 43
3.4 Mã hóa khối không gian thời gian STBC ......................................................... 43
3.4.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu................................................. 44
3.4.1.1 Mã hóa và truyền dẫn................................................................................. 45
3.4.1.2 Bộ kết hợp ................................................................................................. 46
3.4.1.3 Quy tắc quyết định khả năng cực đại.......................................................... 47
3.4.3 Kỹ thuật OSTBC khi tăng số anten phát Tx=3, 4. ......................................... 50
3.4.3 STBC trong MIMO – OFDM ....................................................................... 54
3.5 Kết luận chương .............................................................................................. 56
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT PHÂN TẬP BẰNG MÃ HÓA ................ 58
4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................ 58

Hình 1.2 Kênh fading
Hình 1.3 Mô hình hóa kênh truyền đa đường với đáp ứng xung thay đổi thời gian
tuyến tính
Hình 1.4 fading phẳng
Hình 1.5 Trải trễ đa đường
Hình 1.6 Fading lựa chọn tần số
Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số
Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM
Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao
Hình 2.3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM
Hình 2.4 Chèn và loại bỏ khoảng bảo vệ
Hình 2.5: Giải thích ý nghĩa chèn CP.
Hình 2.6 Phân tập thời gian
Hình 2.7: Mô hình một hệ thống MIMO tiêu biểu.
Hình 2.8: Các hệ thống SISO, SIMO và MISO
Hình 2.9: Hệ thống MIMO
Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ mã hóa không gian thời gian.
Hình 3.2 Sơ đồ khối của mã lưới
Hình 3.3: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.4: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.5 Sơ đồ lưới với t=6
Hình 3.6 Đi hết giản đồ lưới thì chuỗi bit nhận được là 110100
Hình 3.7 Khoảng cách Hamming h của 2 nhánh trại S0
Hình 3.8: Khoảng cách Hamming trong từng đoạn.


Danh mục bảng biểu, hình vẽ

Hình 3.9: Tổng khoảng cách Hamming H
Hình 3.10: Thuật toán Viterbi trong giải mã lưới

B

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

C
CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng
D

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB



FDM

I
ICI

Inter-Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi ngược Fourier rời

Transform

rạc

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi ngược Fourier nhanh

ISI

Inter-Symbol Interference



O
OFDM

OSTBC

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần
Multiplexing

số trực giao

Orthogonal Space Time Block

Mã khối không gian thời gian

Code

trực giao
P

PAPR

Peakto Average Power Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên
trung bình

PSK

Phase Shift Keying

SNR

Signal To Noise Ratio

Hệ số tín hiệu trên tạp âm

STBC

Space-Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã lưới không gian thời gian


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, kỹ thuật viễn thông đang phát triển một cách bùng nổ. Số lượng
người sử dụng các thiết bị công nghệ ngày càng gia tăng. Việc ứng dụng thông tin
vô tuyến vào khoa học đời sống đã mang lại rất nhiều tiện ích cho người dùng cùng
với những ưu điểm mà mạng có dây không có được như tính di động, những nơi có
địa hình phức tạp,... Tuy nhiên, truyền thông tin trong môi trường vô tuyến chịu tác
động rất nhiều từ môi trường, đối mặt với rất nhiều thách thức. Bên cạnh đó yêu cầu
về chất lượng lẫn tốc độ truyền dẫn ngày một cao hơn. Qua đồ án này chúng ta sẽ
tìm hiểu một số giải pháp nâng cao chất lượng và tốc độ truyền là sự kết hợp giữa

sự tán xạ. Ba yếu tố này là ba cơ chế cơ bản cho truyền sóng vô tuyến.
Trong chương này sẽ trình bày các thành phần tác động lên kênh truyền vô
tuyến như hiện tượng fading, suy hao, hiệu ứng Doppler và tìm hiểu mô hình kênh
fading Rayleigh và Rician.
1.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM

Hình 1.1 Các đường tính hiệu khác nhau trong kênh truyền vô tuyến
Một trong những đặc tính riêng biệt của kênh truyền vô tuyến là có rất nhiều
đường truyền khác nhau giữa đầu phát và đầu thu. Việc tồn tại nhiều đường truyền
này dẫn đến việc nhận nhiều đường khác nhau của cùng tín hiệu phát tại đầu thu.
Những đường khác nhau này có sự khác nhau về suy hao đường truyền và về pha.
Tại đầu thu, tất cả tín hiệu nhận được tích lũy cùng nhau tạo nên mô hình nhiễu
Gaussian trắng (AWGN) cho kênh truyền vô tuyến. Vì mô hình AWGN không mô

Trang 1


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

tả kênh truyền vô tuyến, vì thế điều quan trọng là tìm ra mô hình khác đại diện cho
kênh truyền. Để mô tả mô hình, đầu tiên chúng ta tìm hiểu những đường truyền
khác nhau có thể có khi tín hiệu đi từ đầu phát đến đầu thu. Hình 1.1 mô tả quỹ đạo
của những đường đi khác nhau của tín hiệu trong ví dụ điển hình.
Nếu đó là đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu nó được gọi là
đường truyền thẳng (LOS). LOS không tồn tại khi có một vật thể lớn cản đường
truyền giữa đầu phát và đầu thu. Nếu LOS tồn tại thì tín hiệu nhận được tại đầu thu
qua LOS là tín hiệu mạnh nhất và vượt trội. Dù công suất và pha của tín hiệu có thể
thay đổi do tính di động, nhưng nó là những sự thay đổi có thể dự đoán được và
thường là một hàm của khoảng cách và những nhân tố ngẫu nhiên khác.
Ngoài LOS, sóng điện từ có thể phản xạ khi gặp vật cản lớn hơn nhiều so với bước

Suy hao đường
truyền

Fading quy mô nhỏ

Vật che chắn

Fading lựa
chọn tần số

Time
spreading

Time
variance

Fading
phẳng

Fading
nhanh

Fading
chậm

Hình 1.2 Kênh fading
1.3 Sự suy giảm tín hiệu
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Sự suy giảm tín hiệu này có thể là do suy hao
đường truyền, suy hao anten và suy hao bộ lọc...khi truyền trên kênh truyền vô

Trong đó :
PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang
1.4 Fading
Hiện tượng đa đường làm cho bên thu nhận được nhiều phiên bản khác nhau
của cùng một tín hiệu được gửi đi và chúng khác nhau cả về pha lẫn biên độ. Tín
hiệu thu được là sự kết hợp của tất cả các bản sao này, tín hiệu có sự biến đổi lớn về
pha lẫn biên độ. Sự biến đổi nhanh về biên độ của tín hiệu vô tuyến xảy ra trong
khoảng thời gian ngắn, tương ứng với khoảng cách truyền dẫn ngắn và trong trường
hợp này ảnh hưởng của suy hao tín hiệu có thể bỏ qua. Hiệu ứng đa đường (fading)
xảy ra một cách ngẫu nhiên dẫn đến việc chúng ta sử dụng những phương pháp
thống kê khác nhau để mô hình hóa kênh truyền vô tuyến.

Hình 1.3 Mô hình hóa kênh truyền đa đường với đáp ứng xung thay đổi thời
gian tuyến tính
Đầu tiên, ta tìm hiểu về ảnh hưởng của tính di động đến mô hình kênh
truyền. Giả sử vật cản trong môi trường truyền dẫn giữa máy phát và máy thu là
tĩnh và chỉ máy thu chuyển động. Trong trường hợp này fading là hiện tượng không
gian được mô tả hoàn toàn bằng khoảng cách. Mặt khác, vì máy thu chuyển động
trong môi trường nên những biến đổi không gian của tín hiệu thu được chuyển đổi
thành biến đổi theo thời gian của máy thu. Nói cách khác, vì tính di động nên ta có
mối quan hệ giữa khoảng cách và thời gian điều này tạo ra kênh truyền fading biến
đổi theo thời gian. Do đó, chúng ta có thể dùng tương đương thời gian và khoảng
cách trong trường hợp này.

Trang 4




Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Chúng ta cần xác định băng thông của kênh truyền để có thể so sánh với
băng thông của tín hiệu. Thông thường băng thông của tín hiệu được xác định bằng
độ trải trễ của nó.
1.4.1 Độ trải trễ
Khi truyền sóng trên kênh truyền vô tuyến, do tín hiệu trong quá trình truyền
bị phản xạ, hấp thụ... dẫn đến cùng 1 tín hiệu nhưng đến máy thu không đồng thời.
Độ trải trễ là lượng thời gian trễ lớn nhất giữa tín hiệu trực tiếp (tín hiệu truyền
thẳng) và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.

Hình 1.5 Trải trễ đa đường
Nếu thời gian ký tự nhỏ hơn độ trải trễ, hai ký tự kề nhau sẽ chồng chập nhau
tại đầu thu, gây ra nhiễu xuyên ký tự ISI. Để đảm bảo nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho
phép, ta phải ước lượng được độ trải trễ của kênh thông tin, từ đó ta có thể xác định
được tốc độ ký tự tối đa có thể đạt được.
Để xác định độ trải trễ, giả sử kênh truyền đa đường bao gồm I đường với công
suất và độ trễ của đường thứ i lần lượt là pi và τi. Khi đó trễ trung bình được tính
̅=

∑

[5]

∑

(1.3)



Như đã được định nghĩa với kênh truyền fading phẳng, băng thông kết hợp Bc là lớn
hơn nhiều so với băng thông tín hiệu Bs.
Mặt khác, nếu kênh truyền có độ lợi cố định và pha tuyến tính qua băng thông nhỏ
hơn băng thông tín hiệu thì sẽ xuất hiện ISI và tín hiệu nhận được bị biến dạng.

Hình 1.6 Fading lựa chọn tần số

Hình 1.7 Đáp ứng xung xấp xỉ với fading lựa chọn tần số
Một kênh truyền băng rộng được gọi là fading lựa chọn tần số. Hình 1.6 thể
hiện đáp ứng xung của một kênh truyền fading lựa chọn tần số. Trong trường hợp
này, đáp ứng xung h(t,τ ) có thể được xấp sỉ bằng một số hàm delta thể hiện trong
hình 1.7. Như vậy:
h(t, τ ) =

( )δ(τ − τ ) [5]

(1.7)

Trang 7


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Với fading lựa chọn tần số, băng thông của tín hiệu lớn hơn băng thông kết hợp của
kênh truyền. Trong miền thời gian, độ rộng đáp ứng xung kênh truyền là lớn hơn
chu kỳ tín hiệu. Và việc kênh truyền fading có lựa chọn tần số hay không phụ thuộc
vào tốc độ truyền dẫn cũng như đặc tính kênh truyền. Tóm lại, dựa trên thời gian trễ
đa đường, kênh truyền fading được phân thành 2 loại phẳng và lựa chọn tần số.
1.4.2 Hiệu ứng Doppler


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Kênh truyền fading nhanh hoặc chậm có thể được xác định dựa trên những
đặc tính trong miền thời gian. Đầu tiên, ta cần xác định được thời gian kết hợp của
kênh truyền Tc. Thực tế, thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà ở đó đáp ứng
xung kênh truyền là bất biến. Nói cách khác, thời gian kết hợp là khoảng thời gian
mà hai tín hiệu tách rời nhau trong miền thời gian nhỏ hơn thời gian kết hợp có sự
tương quan cao với nhau. Nếu chọn ngưỡng tương quan là 0.5, thì Tc được xấp xỉ
=

bằng

. Nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian nhỏ hơn thời gian kết

hợp thì kênh truyền sẽ tác động như nhau lên toàn bộ tín hiệu và kênh truyền là
kênh fading chậm. Mặt khác, nếu hai tín hiệu cách nhau khoảng thời gian lớn hơn
thời gian kết hợp, kênh truyền thay đổi đủ nhanh để những phần khác nhau của tín
hiệu phát đi qua những kênh truyền khác nhau, nghĩa là chúng bị ảnh hưởng khác
nhau. Đó được gọi là fading nhanh vì nguyên nhân chính gây ra nó là sự chuyển
động nhanh của máy thu và máy phát.
Như vậy là chúng ta phân loại kênh truyền fading dựa trên độ trễ thời gian đa
đường thành phẳng và lựa chọn tần số, còn dựa trên độ trải Doppler thành nhanh và
chậm. Hai khái niệm này là độc lập với nhau và dẫn đến có 4 loại kênh truyền
fading.
- Fading chậm phẳng hoặc fading chậm không lựa chọn tần số.
- Fading nhanh phẳng hoặc fading nhanh không lựa chọn tần số.
- Fading chậm lựa chọn tần số.
- Fading nhanh lựa chọn tần số
1.5 Mô hình thống kê cho kênh truyền Fading


)+

( ) [5]

cos( ) − sin(2

)∑

(1.9)

)∑

sin( ) +

( ) [5] (1.10)

lần lượt là biên độ và pha của thành phần thứ i .

η(t) là nhiễu Gaussian.
Đặt

=∑

cos( ) và

=∑

sin(



≥ 0 [5]

(1.12)

Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và thu có dạng:
=

+

[5]

(1.13)

với α là biến ngẫu nhiên Gaussian, nói cách khác, phần thực và phần ảo của hệ số α
là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình 0. Biên độ của hệ số α (|α|) là biến ngẫu
nhiên Rayleigh. Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra phương trình trên được gọi là
mô hình kênh truyền fading Reyleigh với hệ số α được gọi là độ lợi đường.

Trang 10


Chương 1: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến

1.5.2 Rician fading
Nếu kênh truyền tồn tại đường truyền tầm nhìn thẳng LoS (Light of Sight)
thì A và B là hai biến ngẫu nhiên Gaussian không có trung bình 0. Trong trường
hợp này đường bao của tín hiệu là biến ngẫu nhiên phân bố Rician với hàm mật độ
xác suất:
( )=

Chương này đã cung cấp một cách chi tiết các đặc điểm chính của kênh
truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, các loại kênh truyền fading, ảnh hưởng
của dịch Doppler và trải trễ đa đường. Nhằm khắc phục những hạn chế này và nâng
cao hiệu quả kênh truyền chúng ta sẽ đưa ra các giải pháp được trình bày ở chương
tiếp theo.

Trang 11


Chương 2: Kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO

CHƯƠNG 2 : KỸ THUẬT OFDM VÀ HỆ THỐNG MIMO
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, có hai vấn đề chính được trình bày là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM và hệ thống MIMO. Các nội dung về kỹ
thuật OFDM bao gồm: Lịch sử phát triển, khái niệm, tính trực giao trong OFDM,
phân tích sơ đồ khối chức năng hệ thống OFDM để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt
động của nó. Sau đó là đánh giá ưu nhược điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM.
Nội dung cuối của chương sẽ trình bày tổng quan về hệ thống MIMO cùng các kỹ
thuật phân tập.
2.2 Lịch sử ra đời và phát triển của OFDM
2.2.1 Lịch sử ra đời
Năm 1966, R.W.Chang phát minh ra kỹ thuật OFDM tại Mỹ. Năm 1971, một
công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng minh rằng phương pháp điều
chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT
(biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT (biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với
sự phát triển của kỹ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT và FFT giúp cho
việc thực hiện biến đổi IDFT/DFT nhanh hơn.
2.2.2 Ý tưởng
OFDM là kĩ thuật hiệu quả để truyền dữ liệu qua kênh lựa chọn tần số.


Hình 2.1 Phổ tần tín hiệu theo FDM và OFDM
Mỗi tín hiệu sóng mang trong hệ thống OFDM có băng thông rất hẹp do đó tốc độ
kí tự chậm
2.3 Sự trực giao
Tín hiệu được xem là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao
là đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi trên kênh truyền thông
thường mà không có nhiễu giữa chúng.
Xét tín hiệu phức {
khác nhau tại

= /

}

trong khoảng thời gian với mỗi sóng mang

tại 0 < t < Tsym. Các tín hiệu được gọi là trực giao nếu

tích phân của chúng trong cùng chu kì bằng 0:
1

=

=

=

1


1, ớ
0, á

.

)

ọ ố
ê
=
ườ ℎợ ℎá

Nếu hai sóng sin có cùng tần số thì giá trị trung bình của nó luôn khác 0. Tính
trực giao của các sóng mang con còn thể hiện ở chỗ : Tại mỗi đỉnh của một sóng
mang con bất kỳ trong nhóm thì biên độ các sóng mang con khác bằng 0.

Hình 2.2 Phổ các sóng con trực giao
Tính chất trực giao ở trên là điều kiện cần thiết cho việc chống nhiễu liên sóng
mang ICI sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo của chương này.
2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P. Mỗi dòng dữ liệu song song được sắp xếp theo
một trình tự hỗn hợp rồi được đưa vào của khối IFFT để chuyển đổi tín hiệu sang
miền thời gian. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Tiếp theo chuyển đổi tín

Trang 14