Đại học quốc gia hà nội
Tr-ờng đại học công nghệ

Nguyễn thị quỳnh chi

Kỹ thuật phân tập và các ứng dụng
trong hệ vô tuyến đa ng-ời dùng

Ngnh: Cụng ngh in t - Vin thụng
Chuyờn ngnh: K thut in t
Mó s: 60 52 70

Luận văn thạc sĩ

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyn Vit Kớnh

H Ni 2008


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................6
Chương 1 – Tổng quan về kỹ thuật phân tập ...........................................................8
1.1

Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu [1] ...............8

1.2

Kỹ thuật phân tập [1] ..................................................................................9

1.2.1


1.3.5

Tổ hợp với cùng độ lợi ....................................................................... 27

1.4

Kỹ thuật phân tập tần số [1] ...................................................................... 28

Chương 2 – Môi trường truyền phading và các kỹ thuật phân tập tương ứng ....... 30
2.1

Khái niệm [2]............................................................................................ 31

2.2

Phân loại [2] ............................................................................................. 32

2.2.1

Phading phẳng .................................................................................... 34

2.2.2

Phading lựa chọn tần số ...................................................................... 36


2.2.3

Phading nhanh .................................................................................... 38


Hệ thống MIMO – OFDM ........................................................................ 61

3.4.1

Kỹ thuật điều chế trực giao OFDM ..................................................... 62

3.4.2

Mô hình hệ thống MIMO – OFDM .................................................... 63

3.5

Một vài kết quả mô phỏng [3] ................................................................... 64

3.5.1 Khảo sát hệ thống trong trường hợp đơn giản gồm 01 anten phát và
nhiều anten thu (receiver diversity). ................................................................ 64
3.5.2

Khảo sát đồ thị bức xạ của phương pháp phân tập anten MRC ........... 68

3.5.3

Nhận xét thực nghiệm......................................................................... 69

KẾT LUẬN .......................................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 73
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 74



Hệ đa lối vào đa lối ra

MRC

Maximumal Ratio Combining

Tổ hợp tỷ số cực đại

SC

Selection Combining

Tổ hợp lựa chọn

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SNR

Signal Noise Rate

Tỷ số tín trên tạp

STC

Space-Time Code


đường truyền......................................................................................................... 33
Hình 2.2-2: Phân loại các hiệu ứng phading dựa trên độ trải Doppler ................. 34
Hình 2.2-3: Các đặc tính của kênh phading phẳng ............................................... 35
Hình 2.2-4: Các đặc tính kênh của phading có lựa chọn tần số ............................ 37
Hình 2.2-5: Ma trận minh hoạ loại phading xảy ra do tín hiệu, phụ thuộc vào (a)
Chu kỳ của ký hiệu , (b) Độ rộng dải của tín hiệu dải gốc ..................................... 40
Hình 3.1-1: Mô hình hệ MIMO - đa lối vào đa lối ra ............................................ 50


Hình 3.1-2: Mô hình kênh cơ bản ở (3.1) ............................................................. 51
Hình 3.2-1: Mô hình kênh MIMO ......................................................................... 51
Hình 3.3-1: Bộ mã hóa không gian - thời gian STC .............................................. 54
Hình 3.3-2: Mã STTC với 4 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2
anten phát ............................................................................................................. 57
Hình 3.3-3: Mã STTC với 8 trạng thái sử dụng chòm sao QPSK thiết kế cho 2
anten phát ............................................................................................................. 58
Hình 3.3-4: Mã 4 trạng thái QPSK ....................................................................... 58
Hình 3.3-5: Sơ đồ của bộ mã khối không gian - thời gian trực giao ...................... 60
Hình 3.3-6: So sánh BER dùng BPSK trên kênh phading phẳng Rayleigh cho các
trường hợp ............................................................................................................ 60
Hình 3.4-1: Mô hình tổng quan của kỹ thuật điều chế OFDM .............................. 62
Hình 3.4-2: Mô hình hệ thống MIMO - OFDM phía phát ..................................... 64
Hình 3.4-3: Mô hình hệ thống MIMO - OFDM phía thu ....................................... 64
Hình 3.5-1: SER của 3 phương pháp khi số anten là 2, điều chế QAM ................. 65
Hình 3.5-2: đồ thị SER theo số anten tăng lên từ 1 đến 4 (phương pháp MRC, điều
chế BPSK) ............................................................................................................. 67
Hình 3.5-3: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới có DOA1=300 và
SNR1=0dB, DOA2=-300 và SNR2=0dB, DOA3=00 và SNR3=15dB ...................... 68
Hình 3.5-4: Đồ thị bức xạ cho trường hợp 3 tín hiệu tới cóDOA1=300 và
SNR1=0dB, DOA2=-300 và SNR2=0dB, DOA3=600 và SNR3=15dB .................... 69


Chương 1 – Tổng quan về kỹ thuật phân tập
1.1 Một số kỹ thuật xử lý để cái thiện chất lượng của tín hiệu thu [1]
Trong các đường truyền thông vô tuyến, tín hiệu chịu nhiều tác động như
phading nhiều đường, trải tần Doppler, ồn Gauss … Nếu theo những phương pháp
truyền dẫn tương tự truyền thống thì tốc độ dữ liệu sẽ bị hạn chế thấp trên một
băng tần cho trước. Khi chuyển sang kỹ thuật truyền thông số, cân bằng, phân tập
và mã kênh là ba kỹ thuật phổ biến để nâng cao hiệu suất băng tần, cải thiện chất
lượng tín hiệu thu.
Cân bằng bù trừ sự giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) tạo nên bởi nhiều đường
trong các kênh tán sắc theo thời gian. Nếu độ rộng dải điều chế vượt quá độ rộng
kết hợp của kênh vô tuyến, thì ISI xảy ra và các xung điều chế bị trải rộng theo
thời gian. Tác dụng của bộ cân bằng là khôi phục lại tín hiệu thu sao cho càng
giống nó càng tốt. Bộ cân bằng có thể là loại đặt trước (preset) hoặc thích nghi
(adaptive), nhưng hầu hết các bộ cân bằng phải thích nghi vì nói chung kênh là
không biết trước và thay đổi theo thời gian.
Phân tập là một kỹ thuật khác nhằm bù trừ sự không hoàn thiện của kênh
phading và thường được thực hiện bằng cách dùng hai hay nhiều anten thu. Phân
tập thường được dùng để giảm độ sâu và độ kéo dài của sự nhòe xảy ra tại bộ thu
trong một kênh phading phẳng (dải hẹp). Kỹ thuật phân tập chung nhất gọi là phân
tập không gian, trong đó nhiều anten được phân cách có chủ định và được nối với
một hệ thu chung. Các kỹ thuật phân tập khác là phân tập theo sự phân cực anten,
phân cực theo tần số và phân tập theo thời gian.
Mã kênh dùng để cải thiện chất lượng kết nối thông tin di động bằng cách
cộng thêm các bit dữ liệu dư thừa trong bản tin phát. Tại phần băng gốc của bộ
phát, một bộ mã kênh ánh xạ một dãy bản tin số thành một chuỗi mã đặc biệt khác
có chứa số bit lớn hơn số bit trong bản tin nguyên thủy. Bản tin đã mã này sau đó
được điều chế để truyền trong kênh vô tuyến. Mã kênh được dùng ở bộ thu để phát
hiện hay sửa một vài (hay tất cả) lỗi do kênh đưa vào trong một chuỗi đặc biệt của
các bit bản tin. Vì việc giải mã thực hiện sau phần giải điều chế ở bộ thu, sự mã



1.2.2 Phân loại [1]
Có nhiều cách thức khác nhau để phân loại. Nếu dựa trên phương diện kỹ
thuật truyền tín hiệu thì có thể phân ra thành các loại phân cực sau:
1. Phân tập không gian (space diversity): truyền dẫn đồng thời cùng một tín
hiệu trên một kênh vô tuyến bằng cách sử dụng hai anten để thu (hoặc nhiều
hơn) và/hoặc để phát. Trong khi một anten có thể hứng được điểm không
của tín hiệu, thì một anten khác lại hứng được đỉnh tín hiệu và bộ thu có thể
chọn lấy anten có hiệu tốt nhất tại bất kỳ thời điểm nào. Giống như tên gọi,
người ta sử dụng hai anten bố trí cách nhau một khoảng nào đó để phát và
thu cùng một thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin. Nếu các ăng ten đặt
gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập vi mô (microdiversity).
Nếu các ăng ten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập vĩ mô
(macrodiversity).Khoảng cách của các anten trong dàn thu và dàn phát được
chọn sao cho các tín hiệu riêng biệt được thu không tương quan nhau. Trong
thực tế, không bao giờ đạt được hệ số tương quan bằng 0 (các tín hiệu không
tương quan), hoặc thậm chí với một giá trị rất thấp, nhưng rất may mắn, điều
này không làm giảm nhiều giá trị lợi ích thiết thực đã thu được khi sử dụng
phân tập.

Hình 1.2-1: Phân tập không gian
2. Phân tập tần số (frequency diversity): truyền đồng thời cùng một tín hiệu
mang tin trên hai hoặc hơn hai kênh tần số vô tuyến khác nhau được bố trí
trong cùng một dải tần. Mặc dù người ta đã chứng minh rằng các hệ thống
vô tuyến số phân tập tần số có thể cho các hệ số cải thiện tốt, và tốt hơn so


với hệ vô tuyến tương tự, nhưng việc sử dụng thường bị hạn chế vì hiệu suất
sử dụng phổ tần đã có không có hiệu quả cao.

Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống
đa lối vào đa lối ra (MIMO) vì:
 Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất
lượng và dung lượng hệ thống.
 Giảm ảnh hưởng của phading.
 Tránh được hao phí băng thông tần số - yếu tố rất được quan tâm trong hoàn
cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.

1.3 Kỹ thuật phân tập không gian [1] [2]
1.3.1 Giới thiệu
Định nghĩa phân tập theo không gian là “truyền dẫn đồng thời cùng một tín
hiệu trên một kênh vô tuyến bằng cách sử dụng hai anten (hoặc nhiều hơn) để thu
hay để phát. Giống như tên gọi, người ta dùng hai anten bố trí cách nhau một
khoảng nào đó để phát và thu cùng một thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin.
Khoảng cách giữa các anten liền kề nhau được chọn lựa sao cho các đầu ra
tương ứng của chúng về cơ bản là độc lập với các anten kia, hay nói cách khác, tín
hiệu thu được riêng biệt không tương quan nhau. Trong thực tế, không bao giờ đạt
được hệ số tương quan bằng 0, thậm chí với một giá trị rất thấp, song điều này
không làm giảm đáng kể lợi ích của phân tập.


Hình 1.3-1: Bộ tổ hợp trong Phân tập không gian
Các phân tích cho thấy sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống (hay giảm thời
gian gián đoạn do phading) nằm trong giải hệ số 10 đến 200. Sự cải thiện được
tăng cường bằng sự tăng tần số, dự phòng phading đặt anten cách nhau theo chiều
đứng và giảm độ dài của đoạn đường truyền. Khoảng điển hình các anten ít nhất là
200 bước sóng (ví dụ: băng 6GHz thì cách >10m).
Biểu thức hệ số cải thiện:

(1.1)

một chuyển mạch băng cơ bản phù hợp, lựa chọn tín hiệu có tỷ số lỗi bit tương đối
thấp. Nếu bộ chuyển đổi được khởi động bằng một độ đo tỷ số lỗi bit nhanh nhất,
thì loại tổ hợp này rất hữu hiệu.
Các kỹ thuật tổ hợp – phân tập thường gặp là:
1. Tổ hợp lựa chọn (SC – Scanning and Selection Combining), quét và lựa
chọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất.
2. Tổ hợp với tỷ số tối đa (MRC – Maximual Ratio Combining), tổ hợp tất
cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ
lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k.
3. Tổ hợp với cùng độ lợi (EGC – Equal Gain Combining)


Hình 1.3-2: Các bộ tổ hợp. a) Quét lựa chọn SC b) Bộ tổ hợp cùng độ lợi c) Bộ tổ
hợp tỷ số tối đa
1.3.3 Tổ hợp lựa chọn
Hình 1.3-3 mô tả cấu trúc của một tổ hợp – phân tập bao gồm hai khối chức
năng: Nr bộ thu tuyến tính và một mạch logic. Hệ thống phân tập này được gọi là
loại tổ hợp lựa chọn, với Nr lối ra các bộ thu lấy từ một cùng tín hiệu truyền, mạch
logic sẽ lựa chọn lối ra bộ thu đặc biệt có tỷ lệ SNR (signal-to-noise ration) lớn
nhất để làm tín hiệu thu được cuối cùng. Do đó, tổ hợp lựa chọn chính là cách đơn
giản nhất trong các kỹ thuật phân tập không gian tại bộ thu.

Hình 1.3-3: Sơ đồ bộ tổ hợp lựa chọn, sử dụng Nr anten thu


Để miêu tả lợi ích của tổ hợp lựa chọn trong thống kê ta giả thiết kênh
truyền vô tuyến coi là tần số phẳng, kênh phading Rayleigh chậm. Tức là:
1. Giả thiết tần số phẳng: tất cả các thành phần tần số có trong tín hiệu truyền
đi được định tính bởi cùng mức suy giảm ngẫu nhiên và mức dịch pha.
2. Giả thiết phadinh chậm: phading về cơ bản vẫn không thay đổi trong suốt


Thành phần tín hiệu của

và thành phần nhiễu là

(t) là

Thông thường, giá trị bình phương trung bình của
=N0

.

là như nhau với mọi k:

,

(1.5)

Tỷ số SNR trung bình tại lối ra của bộ thu thứ k vì vậy sẽ là:

(1.6)
Ở đây, E là năng lượng của tín hiệu và N0 là mật độ phổ nhiễu một phía. Với
các dự liệu nhị phân, E bằng năng lượng tín hiệu truyền trên mỗi bit, gọi là Eb.
Gọi

là tỷ số SNR tức thời đo tại lối ra của nhánh thu thứ k trong suốt quá

trình truyền của 1 ký hiệu. Thì giá trị bình phương trung bình
trình (1.6) sẽ được thay bởi


với mọi k. Tức là:

(1.10)
trong đó giá trị số sẽ giảm đi khi Nr tăng lên.
Hàm phân bố tích lũy ở phương trình (1.10) giống hàm phân bố tích lũy của
biến ngẫu nhiên

mô tả bởi giá trị

luôn nhỏ hơn

ngưỡng γ khi và chỉ khi các tỷ số SNR độc lập

là nhỏ hơn γ. Khi đó,

hàm phân bố tích lũy của bộ tổ hợp lựa chọn sẽ là:

(1.11)

Theo định nghĩa, hàm mật độ xác suất
theo đối số

là vi phân của hàm phân bố

:

(1.12)


=

kênh phân tập phải tương đối lớn. Dễ nhận thấy kênh Gauss là một kênh truyền tin
lý tưởng.
Theo các lập luận ở trên, thủ tục tổ hợp lựa chọn đòi hỏi chúng ta phải điều
khiển các lối ra bộ thu theo một kiểu liên tục và tại mỗi thời điểm, sẽ lựa chọn bộ
thu có tín hiệu mạnh nhất. Có thể dùng thủ thuật quét trong bộ tổ hợp lựa chọn như
sau:
 Bắt đầu bằng cách lựa chọn các bộ thu có các tín hiệu ra mạnh nhất
 Chọn lối ra của các bộ thu cụ thể này như là lối ra của bộ tổ hợp, cho
tới khi tỷ lệ SNR tức thời của nó không giảm dưới ngưỡng cho phép.
 Ngay khi tỷ lệ SNR tức thời của bộ tổ hợp giảm dưới ngưỡng, lựa
chọn một bộ thu mới có tín hiệu ra mạnh nhất, và tiếp tục thủ tục.
Kỹ thuật này có hiệu suất gần giống phân tập lựa chọn không dùng thủ thuật
quét.


Hình 1.3-5: Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp lựa chọn cho số Nr anten thu
khác nhau.
Xác suất ngừng hoạt động của bộ tổ hợp phân tập là số phần trăm của thời
gian để tỷ số SNR tức thời ở lối ra của bộ tổ hợp xuống thấp hơn một mức quy
định nào đó cho một số nhánh cụ thể.
Hình 1.3-5 biểu diễn đường cong ngừng hoạt động của bộ tổ hợp lựa chọn
với Nr là tham số tham chiếu. Trục hoành của đồ thị biểu diễn tỷ số SNR tức thời ở
lối ra của bộ tổ hợp đối xứng ở 0dB (ví dụ điểm 50% với Nr=1), và trục tung biểu
diễn xác suất ngừng hoạt động, tính theo %. Dễ nhận thấy rằng độ sâu phading khi
sử dụng phân tập không gian sẽ bị giảm đi nhanh chóng khi tăng số lượng các
nhánh phân tập.
1.3.4 Tổ hợp với tỷ số tối đa
Kỹ thuật tổ hợp lựa chọn chưa phải là tốt nhất vì nó bỏ qua thông tin từ tất
cả các nhánh phân tập ngoại trừ nhánh cụ thể được lựa chọn mà đưa ra công suất
tức thời lớn nhất của tín hiệu giải điều chế riêng nó.

(1.15)
Yêu cầu cực đại γc thông qua ak . Giá trị cực đại này có thể được đưa ra nhờ
quy trình phân biệt tiêu chuẩn. Dễ nhận thấy rằng các tham số trọng số ak là số
phức. Tuy nhiên, chúng ta chọn cách thức đơn giản hơn dựa vào bất đẳng thức
Cauchy-Schwarz.
Đặt ak và bk là hai số phức bất kỳ với k= 1, 2, … , Nr . Theo bất đẳng thức
Cauchy-Schwarz cho các số phức ta có:

(1.16)
Với

, trong đó c là một vài hằng số phức tùy ý và dấu hoa thị * là biểu

diễn cho phần phức.
Vì vậy, áp dụng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz vào tỷ số SNR tức thời ở lối
ra theo phương trình (1.15), với ak không thay đổi, bk đặt bằng

, ta được :

(1.17)
Bỏ qua thành phần giống nhau ở phần thực:


(1.18)

Phương trình (1.18) chứng tỏ rằng γc không vượt quá

với γk được cho

bởi phương trình (1.7). Dấu bằng xảy ra ở (1.18) khi:

nghịch với biến phân bố chuẩn hóa

tỷ lệ
với Nr thay đổi. Với bất kỳ Nr

hàm mật độ xác suất của bộ tổ hợp tỷ số cực đại cơ bản là khác so với bộ tổ hợp
lựa chọn.
Hàm phân bố tích lũy của bộ tổ hợp tỷ số cực đại được định nghĩa như sau: