BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ
THỐNG MIMO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KHOÁ: 2009-2011

Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ
THỐNG MIMO

Chuyên ngành :

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Phương pháp nghiên cứu.
Kết luận

Ngày nay, nhu cầu về thông tin di động, nhu cầu về dung lượng mạng không dây
ngày càng tăng nhanh. Các công trình nghiên cứu của Foschini và Gan năm 1998 hay
Telatar năm 1999 đã chứng minh được dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính theo số
anten tối thiểu sử dụng ở phía thu hay phát. Việc sử dụng nhiều anten ở các máy thu phát
mở ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu mới là phương pháp truyền dẫn không gianthời gian, tín hiệu truyền qua các anten được mã hoá trên cả hai miền thời gian và không
gian. Nhờ các phương pháp xử lý thích hợp ở máy thu cho phép thu được độ lợi phân tập
không gian tỉ lệ với số lượng anten sử dụng, và vì vậy, giảm thiểu sai số truyền dẫn. Một
ví dụ điển hình về truyền dẫn không gian-thời gian là các hệ thống thông tin đa đầu vàođa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) và các hệ thống mã không gian-thời
gian (STC: Space-Time Codes). Trong việc tìm ra cách truyền dẫn hiệu quả trên kênh
MIMO thì phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) là một
phương pháp được nói đến. Đây là phương pháp tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền
dẫn bằng cách truyền một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các anten và sử dụng máy
ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP


TÓM TẮT LUẬN VĂN

thu có độ phức tạp nào đó để duy trì tỷ số lỗi bit cho phép nhằm thu được độ lợi ghép
kênh. Trong hệ thống MIMO-SDM, điều quan trọng nhất là thiết kế bộ tách tín hiệu ở
máy thu. Các bộ tách tín hiệu này được chia thành hai loại bao gồm bộ tách tín hiệu tuyến
tính và bộ tách tín hiệu phi tuyến. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính như ZF, MMSE còn
các bộ tách tín hiệu phi tuyến như QR, ML, V-BLAST… Trong đó, các bộ tách tín hiệu
phi tuyến nhìn chung có độ phẩm chất tốt hơn so với các bộ tách tuyến tính. Nhưng xét về
độ phức tạp của thuật toán thì các bộ tách phi tuyến có độ phức tạp lớn hơn các bộ tách
tuyến tính. Mặc dù vậy, để kết hợp tốt nhất giữa hai yếu tố đó thì trong thực tế và trong

tiến chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Các công trình nghiên cứu của Foschini và Gan
năm 1998 hay Telatar năm 1999 đã chứng minh được dung lượng kênh truyền tăng
tuyến tính theo số anten tối thiểu sử dụng ở phía thu hay phát. Việc sử dụng nhiều
anten ở các máy thu phát mở ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu mới là phương
pháp truyền dẫn không gian-thời gian, tín hiệu truyền qua các anten được mã hoá trên
cả hai miền thời gian và không gian. Nhờ các phương pháp xử lý thích hợp ở máy thu
cho phép thu được độ lợi phân tập không gian tỉ lệ với số lượng anten sử dụng, và vì
vậy, giảm thiểu sai số truyền dẫn. Một ví dụ điển hình về truyền dẫn không gian-thời
gian là các hệ thống thông tin đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input MultipleOutput) và các hệ thống mã không gian-thời gian (STC: Space-Time Codes).Tuy
nhiên, kết quả nghiên cứu thực tế của Foschini cho thấy để đạt được dung lượng kênh
truyền MIMO ta phải kết hợp với các phương pháp mã hoá và thuật toán phức tạp hay
giữ chậm không có giới hạn. Trong việc tìm ra cách truyền dẫn hiệu quả trên kênh
MIMO thì phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) là một
phương pháp được nói đến. Đây là phương pháp tập trung vào việc gia tăng tốc độ
truyền dẫn bằng cách truyền một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các anten và sử
dụng máy thu có độ phức tạp nào đó để duy trì tỷ số lỗi bit cho phép nhằm thu được độ
lợi ghép kênh. Trong hệ thống MIMO-SDM, điêù quan trọng nhất là thiết kế bộ tách
tín hiệu ở máy thu. Các bộ tách tín hiệu này được chia thành hai loại bao gồm bộ tách
ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

1


 
LỜI NÓI ĐẦU

tín hiệu tuyến tính và bộ tách tín hiệu phi tuyến. Các bộ tách tín hiệu tuyến tính như
ZF, MMSE còn các bộ tách tín hiệu phi tuyến như QR, ML, V-BLAST. . . Trong đó,
các bộ tách tín hiệu phi tuyến nhìn chung có độ phẩm chất tốt hơn so với các bộ tách
tuyến tính. Nhưng xét về độ phức tạp của thuật toán thì các bộ tách phi tuyến có độ

DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1
1.1

1.2

1.3
1.4
1.5

KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN ................................. 13

TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN ........................................................................... 13
1.1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do...................................... 14
1.1.2 Mô hình truyền sóng trên vùng đất phẳng .......................................... 16
FADING ĐA ĐƯỜNG VÀ HẬU QUẢ TRUYỀN SÓNG FADING ĐA ĐƯỜNG .......... 17
1.2.1 Doppler spread.................................................................................... 18
1.2.2 Trải trễ (Delay spread) ....................................................................... 19
HIỆU ỨNG DOPPLER..................................................................................... 20
TẠP ÂM AWGN (TẠP ÂM GAUSS CỘNG TRẮNG) ......................................... 21
CÁC MÔ HÌNH KÊNH CƠ BẢN ........................................................................ 25
1.5.1 Kênh fading Rice ................................................................................. 26
1.5.2 Kênh fadinh Rayleigh .......................................................................... 27

CHƯƠNG 2
THỜI GIAN

CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN
31

KẾT LUẬN .................................................................................................... 64
CHƯƠNG 3
SDM

HỆ THỐNG MIMO VÀ CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU MIMO66

3.1
3.2

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO .............................................................. 66
MÔ HÌNH KÊNH MIMO................................................................................ 67
3.2.1 Tín hiệu phát........................................................................................ 67
3.2.2 Kênh truyền. ........................................................................................ 68
3.2.3 Tạp âm máy thu ................................................................................... 69
3.2.4 Tín hiệu thu.......................................................................................... 69
3.3
DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO ........................................................................ 71
3.3.1 Dung lượng kênh truyền cố định......................................................... 71
3.3.2 Hệ thống MIMO - SVD ( Singular Value Decomposition ) ................ 76
3.3.3 Dung lượng kênh truyền rayleigh fading ............................................ 91
3.4
CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN TRÊN KÊNH TRUYỀN MIMO................... 93
3.5
PHAN KENH THEO KHONG GIAN ................................................................... 94
3.6
CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH ........................................................... 96
3.6.1 Bộ tách tín hiệu ZF.............................................................................. 98
3.6.2 Bộ tách tín hiệu MMSE ..................................................................... 101
3.6.3 Bộ tách tín hiệu ZF-SIC .................................................................... 105
3.6.4 Bộ tách tín hiệu ZF-SIC with Optimal Ordering .............................. 106


Additive White Gaussian Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BS

Base Station

Trạm gốc

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

EGC

cầu

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

LS

Least Square

Bình phương nhỏ nhất

MAP

Maximum a Posteriori Probability

Xác suất hậu nghiệm tối đa

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

5


 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MIMO


MMSE

Minimum Mean Square Error

Bộ san bằng sai số bình
phương trung bình tối thiểu

MS

Mobile Station

Máy di động

MSE

Mean Square Error

Sai số bình phương trung bình

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỷ lệ tối đa

MRT

Maximal Ratio Transmit

Phân tập phát tỷ lệ tối đa


SDM

Spatial Division Multiplexing

Phân kênh theo không gian

SIC

Successive Interference Cancellation

Triệt nhiễu nối tiếp

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

6


 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

SIMO

Single-Input Multiple-Output

Một đầu vào nhiều đầu ra

SINR

Signal to Interference-plus-Noise


STC

Space-Time Coding

Space-Time Coding

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

Tx

Transmitter.

Máy phát

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội bộ không dây

ZF

Zero-Forcing


Hình 2.6 Hệ thống vô tuyến sử dụng 2 nhánh phân tập MRC.......................................44
Hình 2.7 BER của phương pháp tỷ lệ kết hợp tối đa. ....................................................47
Hình 2.8 SNR của phương pháp kết hợp đồng độ lợi....................................................50
Hình 2.9 Tỷ lệ lỗi bít BER của phương pháp kết hợp đồng độ lợi ................................51
Hình 2.10 Độ lợi phân tập phụ thuộc số nhánh phân tập...............................................52
Hình 2.11 Sơ đồ phân tập phát tỷ lệ tối (MRT) có N nhánh phân tập với các đường
phản hồi ..........................................................................................................................54
Hình 2.12 Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập ...................................55
Hình 2.13 Sơ đồ máy phát mã khối STBC Alamouti với 2 anten phát và 1 anten thu..56
Hình 2.14 Sơ đồ Alamouti STBC với 2 anten phát và 2 anten thu................................61
ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

8


 
DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.15 Phẩm chất BER của các hệ thống Alamouti STBC so với các hệ thống
MRC[5] ..........................................................................................................................64
Hình 3.1 Mô hình kênh MIMO ......................................................................................67
Hình 3.2 Mô hình tương đương của kênh truyền SISO .................................................71
Hình 3.3 Mô hình tương đương của kênh truyền MISO................................................72
Hình 3.4 Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO................................................73
Hình 3.5 Mô hình kênh truyền MIMO - SVD ...............................................................76
Hình 3.6 Mô hình kênh MIMO tương đương (M > N)..................................................79
Hình 3.7 Mô hình kênh MIMO tương đương (N > M)..................................................80
Hình 3.8 Phân bố xác suất của các giá trị eigen.............................................................83
Hình 3.9 Phân bố xác suất của các giá trị eigen trường hợp (4,4) .................................84
Hình 3.10 Định lý Water-Filling....................................................................................88

Hình 3.28 Kết quả mô phỏng đánh giá phẩm cho hệ thống của MIMO 4x4 sử dụng bộ
tách tín hiệu ZF, MMSE, V-BLAST-MMSE và V-BLAST-ZF..................................130

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

10


 
PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ viễn thông đang có những bước phát triển vô cùng to lớn.
Cùng với các ngành khoa học khác, công nghệ viễn thông đem đến cho con người
những ứng dụng quan trọng trong tất cả các ngành, các lĩnh vực của đời sống như :
kinh tế, giáo dục, y học, quảng bá, xã hội...thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con
người đặc biệt là nhu cầu về thông tin di động. Thông tin di động là một một dịch vụ
thông tin đặc biệt, nó cho phép người ta trao đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển.
Ngoài ra nó còn mang lại nhiều dịch vụ tiện ích khác mà hệ thống thông tin khác
không có, vì thế nhu cầu thông tin di động hiện nay đã trở nên vô cùng cấp thiết. Trong
tương lai, sự phát triển công nghệ sẽ hướng vào các hệ thống vô tuyến tích hợp. Hệ
thống thông tin di động sau 3G là 4G sẽ phải đảm đương các nhiệm vụ như : gửi / nhận
E-mail, truy cập Internet, thương mại điện tử, các dịch vụ thông tin định vị, truy cập cơ
sở dữ liệu công ty, chuyển file dữ liệu kích cỡ lớn, ... mà các dịch vụ đó còn phải đáp
ứng được với nhu cầu truy cập thông tin lớn và tốc độ bít cao. Hiện nay có rất nhiều
công nghệ vô tuyến mới và tiềm năng đang được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng
trong các mạng 4G tương lai như: OFDM, công nghệ băng cực rộng UWB (UltraWide-Band), công nghệ vô tuyến bước sóng milimet và công nghệ MIMO, WIMAX...
Như vậy, cùng với sự phát triển toàn diện của xã hội, nhu cầu về thông tin nhất
là thông tin vô tuyến dung lượng lớn luôn là vấn đề cấp thiết. Xu hướng phát triển tất


ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

12


 
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Chương 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Kênh truyền vô tuyến luôn tồn tại những đặc trưng cố hữu của nó. Khi truyền
sóng trong thông tin vô tuyến, tín hiệu thu được ở máy thu bao giờ cũng bị thay đổi so
với tín hiệu phát đi cả về tần số, biên độ cũng như pha của tín hiệu. Những thay đổi đó
có tính chất rất phức tạp mang nặng tính ngẫu nhiên và phụ thuộc vào hàng loạt các
yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần công tác, khí quyển, mật
độ thuê bao, anten… Tuy vậy, chúng ta có thể phân chia vắn tắt và phân tích những
ảnh hưởng đặc trưng nhất của kênh thông tin vô tuyến bao gồm: tổn hao đường truyền,
hiệu ứng Doppler, fading và tạp âm nhiệt (AWGN).

1.1 Tổn hao đường truyền
Tổn hao đường truyền là sự suy giảm mức điện thu so với mức điện phát. Trong
không gian tự do, mức điện trung bình của tín hiệu giảm theo bình phương khoảng
cách từ điểm phát tới điểm thu. Trong thông tin di động tổn hao đường truyền có thể
lớn hơn rất nhiều do môi trường truyền sóng nằm trong khu vực bề mặt trái đất, chịu
hấp thụ của môi trường truyền và che khuất của các vật chắn. Tuy vậy có thể lợi dụng
tổn hao đường truyền để thiết kế các tế bào và quy hoạch việc tái sử dụng tần số trong
thông tin di động tế bào.
Tổn hao đường truyền được tính theo công thức tổng quát:

L p (d )(dB ) = Ls (d0 )(dB ) + 10 n log(d / d0 ) + X s (dB ) (1.1)

tự do tỷ lệ với bình phương khoảng cách giữa anten phát và anten thu và cũng tỷ lệ với
bình phương tần số tín hiệu vô tuyến.

Hình 1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do
Bề mặt diện tích mặt cầu là có bán kính d là: 4pd 2 , do vậy công suất trên một
vùng cách anten phát một khoảng cách là d với anten phát có công suất phát Pt và độ
lợi anten là G t là:
ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

14


 
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

w =

PtG t
4 pd 2

(1.2)

Độ lợi của anten phát được định nghĩa như là mật độ của sóng vô tuyến được
bức xạ theo một vài hướng riêng biệt mà có thể thu được nếu như công suất được phát
ra bởi anten bức xạ đẳng hướng.
Với Pr : là công suất thu được, G r : độ lợi của anten thu ta có công suất thu
được là:

Pr =


với

l =

2

( )
4 pd
l

(1.4)

c
: là bước sóng tín hiệu.
fc

d : là khoảng cách giữa anten phát và anten thu.
Do vậy ta có :

L0 =

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

15

(

4pdfc
c



2

( )
l
4 pd

2 sin

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

16

2p ht hr 2
G t PtG r
l d

(1.8)


 
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Môi trường truyền lan thực chất phụ thuộc vào điểm quay vòng chẳng hạn

4
h h khi đó công suất thu Pr có xu hướng tiến tới luật mũ 4 đối với khoảng
l t r

d =

cường độ và pha tín hiệu với tốc độ thay đổi tuỳ thuộc vào tốc độ chuyển động của
MS. Giả sử băng tần tín hiệu là rất nhỏ sao cho thời gian trễ t l không ảnh hưởng đến
tín hiệu, và ta có s (t - t i ) » s (t ) khi đó:

r (t ) = s (t )å aie j 2p fDt cos( qi ) = g(t )s (t )

(1.10)

i

Với độ lợi kênh phức g(t ) thay đổi theo thời gian do đó góc pha 2p fD cos( qi )t
thay đổi theo thời gian. Do vậy, ta thấy rằng MS chuyển động làm cho độ lợi kênh
truyền g(t ) biến đổi khi đó tín hiệu thu bị trải trên thang tần số. Hiện tượng này được
còn gọi là Doppler spread.

ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

18


 
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.2.2 Trải trễ (Delay spread)
Xét trường hợp tần số Doppler rất nhỏ ứng với MS đứng yên, chúng ta có thể
coi pha của các vật thể tán xạ là không đổi. khi đó ta có:

r (t ) =

å

Hình 1.4 Đáp ứng xung của một bộ lọc FIR
Thực hiện biến đổi Fourier ta có đáp ứng tần số G ( f ) .
ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP CH-ĐTVT K2009-2011

19


 
CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

G(f ) =

å

gie -

j 2p f t i

(1.13)

i

Từ đây ta thấy rằng trải trễ t D làm biến đổi đáp ứng tần số G ( f ) , tức là tại các
tần số khác nhau thì biên độ | G ( f ) | có giá trị khác nhau. Kênh truyền trong trường
hợp này gọi là kênh chọn lọc theo tần số.

1.3 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín hiệu
được phát đi từ máy phát gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu
trong quá trình truyền sóng. Giả sử tín hiệu phát từ máy phát (BS) là một sóng mang bị