1. LỜI CAM ĐOAN
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 trƣớc.
Sinh viên thực hiện đồ án
TRẦN THỊ THU THỦY
Trang 1

2. MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... 1
MỤC LỤC ..................................................................................................................................... 2
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .................................................................................................... 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ............................................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 8
CHƢƠNG 1: ............................................................................................................................... 10
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ................................................... 10
1.1 Tình hình hệ thống thông tin di động hiện nay ........................................................ 10
1.2 Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động ............................................................... 11
1.2.1 Suy hao trên đƣờng truyền.................................................................................... 11
1.2.2 Hiện tƣợng fading đa đƣờng (Multipath fading) ............................................... 11
1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng .................. 12
1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm............................ 13
1.2.5 Trãi trễ và nhiễu liên ký tự ISI trong hiện tƣợng đa đƣờng ............................ 13
1.2.6 Nhiễu trắng Gaussian ........................................................................................... 14
1.2.7 Hiệu ứng Doppler ................................................................................................. 14
1.3 Mô hình kênh fading đa đƣờng. ................................................................................. 15
1.4 Kết luận chƣơng. .......................................................................................................... 17
CHƢƠNG 2................................................................................................................................. 18
TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM) .... 18
2.1 Khái niệm về OFDM ................................................................................................. 18
2.2 Tín hiệu trực giao ......................................................................................................... 20
2.3 Phép biến đổi FFT ....................................................................................................... 20
2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM ....................................................................................... 22
2.4.1 Máy phát OFDM................................................................................................... 22
2.4.2 Máy thu OFDM .................................................................................................... 25
Trang 2

3. MỤC LỤC
2.5 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM ......................................................................... 26
2.5.1 Ƣu điểm ................................................................................................................. 26
2.5.2 Nhƣợc điểm ........................................................................................................... 27
2.6 Kết luận chƣơng ........................................................................................................... 27
CHƢƠNG 3................................................................................................................................. 28
HỆ THỐNG MIMO-OFDM ..................................................................................................... 28
3.1 Khái niệm về hệ thống MIMO-OFDM ..................................................................... 28
3.2 Sơ lƣợc về hệ thống MIMO-OFDM.......................................................................... 29
3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO .................................................................................... 29
3.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM ...................................................................... 30
3.3 Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM ............................................ 31
3.3.1 Phân tập không gian ............................................................................................. 31
3.3.2 Phân tập tần số ...................................................................................................... 32
3.3.3 Phân tập thời gian ................................................................................................. 32
3.4 Độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM .......................................................................... 33
3.4.1 Độ lợi Beamforming ............................................................................................ 33
3.4.2 Độ lợi ghép kênh không gian ( Spatial Multiplexing ) .................................... 33
3.4.3 Độ lợi phân tập (Spatial Diversity) .................................................................... 34
3.5 Mã hoá không gian-thời gian STC ............................................................................ 34
3.5.1 Mã hóa không gian-thời gian STBC (Space-Time Block Code) ................ 34
3.5.1.1 Mô hình Alamouti ......................................................................................... 35
3.5.1.2 Thiết kế trực giao .......................................................................................... 37
3.5.2 Mã hóa không gian-thời gian khối STTC (Space-Time Trellis Code) .......... 38
3.5.3 Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST ......................................................... 38
3.6 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM.............................................................................. 39
3.6.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti ..................................................... 39
3.6.2 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PARR.................................... 42
3.7 Kết luận chƣơng ........................................................................................................... 42
CHƢƠNG 4: ............................................................................................................................... 43
Trang 3

4. MỤC LỤC
ƢỚC LƢỢNG ĐÁP ỨNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM
DÙNG PHƢƠNG PHÁP BAYESIAN.................................................................................... 43
4.1 Khái quát về ƣớc lƣợng kênh và sự định vị pilot..................................................... 43
4.1.1 Khái quát về ƣớc lƣợng kênh .............................................................................. 43
4.1.2 Sự định vị pilot...................................................................................................... 44
4.1.2.1 Sự sắp xếp pilot dạng khối (block) ............................................................. 45
4.1.2.2 Sắp xếp pilot dạng lƣợc ................................................................................ 46
4.2 Giới thiệu phƣơng pháp BAYESIAN ....................................................................... 46
4.3 Mô hình hệ thống ......................................................................................................... 47
4.3.1 Mô hình tín hiệu phát ........................................................................................... 47
4.3.1.1 Mô hình kênh lựa chọn kép với các BEM khác nhau .................................. 47
4.3.1.2Mô hình tín hiệu thu .......................................................................................... 51
4.4 Ƣớc lƣợng BAYESIAN về các hệ số của BEM ...................................................... 51
4.5 Các kết quả mô phỏng và phân tích........................................................................... 53
4.5.1 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình mô phỏng ........................................................ 53
4.5.2 Đánh giá kết quả ƣớc lƣợng .............................Error! Bookmark not defined.
4.6. Kết luận chƣơng. ...................................................................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 55
1. Kết luận ........................................................................................................................... 55
2. Hƣớng phát triển đề tài. ................................................................................................ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 56
PHỤ LỤC .................................................................................Error! Bookmark not defined.
Trang 4

5. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
1G First Generation Thế hệ thứ nhất
2G Second Generation Thế hệ thứ hai
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
4G Fourth Generation Thế hệ thứ tƣ
ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số
AWGN Addition White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng
BLAST Bell Labs Layered Space Time Mô hình không gian thời gian
BEM Basis Expansion Models Mô hình khai triển cơ bản
BER Bit Error Rate Tỉ số bit lỗi
CDMA Code Division Multiple Access Ghép kênh phân chia theo mã
CE Complex Exponential Hàm mũ liên hợp
CFO Carrier Frequency Offset Độ lệch tần số sóng mang
CIR Channel Impulse Response Đáp ứng kênh truyền
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp vòng
DAC Digital to Analog Coverter Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự
DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đối Fourier rời rạc
DPS Discrete Prolate Sphroidal Hàm khai triển cơ bản
GCE Generalized Complex Exponential Hàm mũ liên hợp suy rộng
GI Guard Interval Khoảng bảo vệ
FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số
FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số
FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh
ICI Inter- Carrier Interference Nhiễu liên kênh
IDI Inter- Modulation Distortion Méo xuyên điều chế
Trang 5

6. DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier ngƣợc
IEEE Institute of Electrical and Electronics Viễn kỹ sƣ điện và điện tử
Engineers
IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier đảo
ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký tự
MAP Maximum- a- posteriori Kỹ thuật tối đa hậu nghiệm
MIMO Multiple Input Multiple Ouput Nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra
ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất
OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số
Multiplexing trực giao
PARR Peak Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công
suất trung bình
PCM Pulse Coding Modulation Điều chế xung mã
QAM Quadrature Ampitude Modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng
RF Radio Frequency Tần số cao tần
SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không
gian
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
STBC Space Time Block Code Mã hóa khối không gian thời gian
STTC Space Time Trellis Code Mã hóa không gian thời gian
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời
gian
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo không
gian
Trang 6

7. MỞ ĐẦU
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động ..................... 10
Hình 1. 2 Hiện tượng trải trễ ................................................................................................ 13
Hình 2. 1 Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b) ........................ 19
Hình 2. 2 Sơ đồ máy phát OFDM ......................................................................................... 22
Hình 2. 3 Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi ở máy phát..................................................... 23
Hình 2. 4 Các mức điều chế M-QAM và vị trí các điểm phức......................................... 24
Hình 2. 5 Sơ đồ máy phát OFDM ......................................................................................... 25
Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM ................................................................... 30
Hình 3. 2 Các phương thức phân tập................................................................................... 32
Hình 3. 3 Kỹ thuật Beamforming .......................................................................................... 33
Hình 3. 4 Ghép kênh không gian .......................................................................................... 34
Hình 3. 5 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR ........................................................... 34
Hình 3. 6 Sơ đồ Alamouti 2anten phát và 1 anten thu ....................................................... 35
Hình 3. 7 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti .................................................. 35
Hình 3. 8 Sơ đồ Alamouti mở rộng 2anten phát và M anten thu ...................................... 36
Hình 3. 9 Bộ mã lưới .............................................................................................................. 38
Hình 3. 10 Hệ thống kiến trúc MIMO V-BLAST................................................................... 39
Hình 3. 11 Máy phát MIMO-OFDM Alamouti ..................................................................... 39
Hình 3. 12 Máy thu MIMO-Alamouti ..................................................................................... 40
Hình 4. 1 Kiểu chèn pilot dạng khối ........................................................................................ 45
Hình 4. 2 Kiểu chèn pilot dạng lược. ....................................................................................... 46
Hình 4. 3 Các kết quả MSE chuẩn hóa của DPS-BEM ......................................................... 49
Hình 4. 4 Burst dữ liệu và ký hiệu pilot OFDM tại mỗi anten phát..................................... 50
Hình 4.5 Kết quả MSE của đáp ứng kênh truyền bằng kỹ thuật MAP..........................55
Hình 4.6 Kết quả MSE của ước lượng các hệ số BEM bằng kỹ thuật MAP.................55
Trang 7

8. MỞ ĐẦU
MỞ ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc của con ngƣời rất đa dạng và phong phú.
Nghành viễn thông hiện hiện nay cũng theo đó phát triển nhanh chóng với nhiều bƣớc đột
tiến trong công nghệ mới. Bên cạnh các hệ thống thông tin đang phát triển hiện nay là
2.5G, 3G thì các nhà mạng đã tiến hành triển khai một chuẩn di động thế hệ mới có rất
nhiều tiềm năng, đó là thế hệ thứ 4 (4G) sử dụng các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo
không gian, tần số trực giao, và thời gian. Để đáp ứng yêu cầu về băng thông rộng, tính di
động cao của dịch vụ cung cấp cho ngƣời dùng, truyền dẫn đa truy cập phân chia theo tần
số trực giao kết hợp với cấu hình truyền dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) đƣợc
chọn là giải pháp kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến chính cho các mạng băng rộng 4G.
Bên cạnh những hiệu quả to lớn từ công nghệ MIMO- OFDM thì công nghệ này
yêu cầu thực hiện việc ƣớc lƣợng đáp ứng kênh truyền đa đƣờng phải đạt độ chính xác
cao. Để khắc phục vấn đề này, việc xây dựng các giải thuật ƣớc lƣợng đáp ứng kênh
truyền trong hệ thống 4G với các thuê bao di chuyển nhanh là rất cần thiết. Xuất phát từ
điều đó, cùng với mong muốn tìm hiểu vễ kỹ thuật OFDM, em đã chọn đề tài nghiên cứu
này cho đồ án chuyên ngành của mình.
Đồ án chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động.
Chƣơng 2: Tổng quan về ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
Chƣơng 3: Hệ thống MIMO- OFDM.
Chƣơng 4: Ƣớc lƣợng đáp ứng kênh truyền trong hệ thống MIMO- OFDM dùng
phƣơng pháp BAYESIAN.
Phần kết luận và hƣớng phát triển: Từ các kết quả mô phỏng, phân tích, đánh giá,
để kết luận phƣơng pháp ƣợc lƣợng đã trình bay và hƣớng phát triển của đề tài.
Trang 8

9. MỞ ĐẦU
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng rất nhiều song không khỏi mắc
phải những sai sót, rất mong quý thầy cô thông cảm và đóng góp ý kiến để đồ án đƣợc
hoàn thiện hơn.
Sau cùng, cho phép em bày tỏ cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn
Thông, đặc biệt là thầy Nguyễn Lê Hùng đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em trong suốt
thời gian thực hiện đồ án này.
Đà Nẵng ngày 05 tháng 12 năm 2012
Sinh viên thực hiện
TRẦN THỊ THU THỦY
Trang 9

10. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Chƣơng này gồm các nội dung sau:
- Tình hình hệ thống thông tin di động hiện nay
- Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động
- Mô hình kênh truyền fading đa đƣờng
- Kết luận chƣơng
1.1 Tình hình hệ thống thông tin di động hiện nay
Hình 1. 1 Các công nghệ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động
Công nghệ di động thế hệ thứ nhất 1G ra đời khoảng thời gian năm 1980 dựa trên
công nghệ FDM- truy cập phân chia theo thời gian; tiếp đến là công nghệ di động thế hệ
2 (2G) ra đời khoảng năm 1990 dựa trên công nghệ TDMA- đa truy cập phân chia theo
thời gian. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-Generation) bắt đầu đƣợc phát
triển tại Nhật bản vào tháng 10 năm 2001 dựa trên công nghệ CDMA- đa truy cập phân
chia theo mã. Công nghệ di động thế hệ thứ 4 ra đời từ khoảng năm 2009 đến nay đã qua
các giai đoạn thử nghiệm ban đầu. 4G là một giải pháp để vƣợt lên những giới hạn và
những yếu điểm của mạng 3G với mong muốn đáp ứng các dịch vụ đa phƣơng tiện mà
Trang 10

11. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
mạng 3G không thể đáp ứng đƣợc. Mạng 4G sẽ là sự hội tụ của nhiều công nghệ mạng
hiện có và đang phát triển nhƣ 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20, IEEE 802.22, pre-
4G... để cung cấp một kết nối vô tuyến rộng khắp mọi lúc mọi nơi.
1.2 Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động
1.2.1 Suy hao trên đƣờng truyền
Sự suy hao trên đƣờng truyền là sự suy giảm mật độ năng lƣợng của sóng điện từ
khi nó liên truyền trong không gian. Suy hao trên đƣờng truyền có thể có thể do nhiều
nguyên nhân: do dự mở rộng, lan truyền về mọi hƣớng của sóng vô tuyến trong không
gia tự do, hoặc do sóng điện từ bị hấp thụ và phản xạ bởi mặt nƣớc, mặt đất, cây cối, và
các tòa nhà và những vật thể xung quanh khác.
Khi tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát qua không gian đến máy thu, giả sử rằng
không có bất kỳ một vật chắn nào và tín hiệu truyền trên một đƣờng thẳng từ máy phát
đến máy thu (sự lan truyền trong không gian tự do). Khi đó, công suất tín hiệu thu đƣợc
tại máy thu là
(1.1)
Trong đó: là công suất phát ra ở máy phát, và lần lƣợt là độ lợi của anten
ở bên phát và bên thu, d là khoảng cách giữa anten phát và anten thu.
Suy hao trong không gian tự do đƣợc định nghĩa là:
( ) (1.2)
1.2.2 Hiện tƣợng fading đa đƣờng (Multipath fading)
Fading đƣợc định nghĩa là sự thay đổi cƣờng độ tín hiệu sóng mang cao tần tại
anten thu, thƣờng xảy ra đối với hệ thống thông tin vô tuyến do tác động của môi trƣờng
truyền dẫn, nhƣ sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ
của đất, nƣớc trên đƣờng truyền mà sóng vô tuyến đi qua. Các yếu tố gây ra fading đối
với các hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm:
o Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
Trang 11

12. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
o Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nƣớc, sƣơng mù... sự hấp thụ
này phụ thuộc vào dải tần số công tác.
o Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí
o Sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chƣớng ngại vật trên đƣờng truyền,
gây ra hiện tƣợng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu.
Tín hiệu sóng mang cao tần khi truyền qua kênh vô tuyến sẽ lan toả trong
không gian, va chạm vào các vật cản phân tán trên đƣờng truyền gây ra các hiện
tƣợng sau:
o Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt phằng
o Tán xạ: khi sóng đập vào các vậy có bề mặt không phẳng.
o Nhiễu xạ: khi sóng va chám với các vật có kích thƣớc lớn hơn nhiều so
với chiều dài bƣớc sóng.
Khi tín hiệu va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số tín hiệu là bản sao của nó, một
số bản sao sẽ tới đƣợc máy thu. Do các bản sao này phản xạ, tán xa, nhiễu xạ trên các vật
khác nhau, theo các đƣờng dài ngắn khác nhau nên thời điểm đến máy thu cũng khác
nhau, và có độ suy hao khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha
của các bản sao thì: tín hiệu đƣợc tăng cƣờng, hoặc bị triệt tiêu. Tùy theo đáp ứng tần số
của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền lựa chọn tần số (freqency selective faidng
channel) hay kênh truyền phẳng (frequence nonselective fading channel), kênh truyền
biến đổi nhanh (fast fading channel), hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading
channel).
1.2.3 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng
Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng
thông của tín hiệu truyền đi. Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần
số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective
fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngƣợc lại nếu đáp ứng tần
số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh
Trang 12

13. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh
truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy
nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.
1.2.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm
Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ mang
tính tƣơng đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền một kí tự
Tsymbol , thì kênh truyền đó đƣợc gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian (time
nonselective fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow fading channel),
ngƣợc lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian Tsymbol, thì kênh truyền đó
đƣợc gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective fading channel), hay kênh
truyền biến đổi nhanh (fast fading channel).
1.2.5 Trãi trễ và nhiễu liên ký tự ISI trong hiện tƣợng đa đƣờng
Tín hiệu vô tuyến thu đƣợc từ máy phát bao gốm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản
xạ từ vật cản. Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do phải đi
trên đƣờng truyền dài hơn. Trãi trễ đƣợc định nghĩa là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng
và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong thông tin vô tuyến, trải trễ gây nên hiện tƣợng nhiễu suyên ký tự ISI. Điều
này do tín hiệu đa đƣờng bị trễ chồng lần với tín hiệu trƣớc đó, và có thể gây ra lỗi
nghiêm trọng ở những hệ thống có tốc độ bít cao nếu nhƣ hệ thống không có cách khắc
phục.
Hình 1. 2 Hiện tượng trải trễ
Trang 13

14. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Hình cho ta thấy ảnh hƣởng của trải trễ trong hiện tƣợng đa đƣờng gây ra nhiễu
liên ký tự. Tín hiệu phản xạ đến máy thu có biên đồ nhỏ và trễ hơn tín hiệu trực tiếp. Vì
vậy tín hiệu thu tổng hợp dẽ là tổng của 2 tín hiệu này, và kết quả là tín hiệu thu đƣợc bị
méo dạng.
1.2.6 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 từ các khối khuếch đại bên thu. Các loại nhiễu này có thể
gây ra nhiễu liên ký tự ISI, nhiễu liên sóng manh ICI (Inter Carrier Interference), méo
xuyên điều chế IMD (Inter-modulation Distortion). Nhiễu này làm giảm tỉ số tính hiệu
trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể đƣợc 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 các hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công
suất 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
(AWGN).
Đặc biệt, trong OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần
nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác sộng lên từng kênh
con.
1.2.7 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng trong đó tần số mà máy thu nhận đƣợc bị lệch so
với máy phát phát ra khi độ dài đƣờng liên lạc vô tuyến thay đổi theo thời gian do máy
thu và máy phát chuyển động tƣơng đối với nhau, dẫn đến thay đổi liên tục về pha. Khi
máy thu và máy phát di chuyển hƣớng về nhau thì tần số máy thu nhận đƣợc lớn hơn tấn
số máy phát phát ra và ngƣợc lại, khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số máy thu thu
đƣợc lại giảm xuống.
Khoảng tần số thay đổi (1.3)
Trang 14

15. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Trong đó: là tần số máy phát, v là vận tốc thay đổi đƣờng truyền trực tiếp từ
máy phát đến máy thu, c là vấn tốc ánh sáng.
Hiệu ứng Doppler gây ra méo trong thông tin vô tuyên băng rộng và ở các băng
tần gốc đã đƣợc giải điều chế có hiệu tƣợng giãn ra hoặc co lại.
1.3 Mô hình kênh fading đa đƣờng.
Tín hiệu s(t) đƣợc truyền vào không gian từ anten phát có thể đƣợc biểu diễn nhƣ
sau:
[ ] (1.4)
Trong đó là tín hiệu phức ở băng tần cơ sở. Tín hiệu
đƣợc gọi là đƣờng bao phức (complex envelope) hay tín hiệu tƣơng đƣơng thông thấp
(complex lowpass equivalent signal) của . Ta gọi là đƣờng bao phức của
bởi vì biên độ và pha của chính là biên độ và phan của .
Qua kênh truyền fading (gồm L đƣờng vật lý), tín hiệu thu đƣợc tại anten thu có
thể đƣợc biểu diễn:
∑ ( ) (1.5)
Hình 1.4: mô hình truyền tín hiệu trong kênh fading đa đường
Thay (1.4) vào (1.5) ta có:
( )]
[∑ ( )
Trang 15

16. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
( )]
[∑ ( )
[ ]
Nhƣ vậy, tín hiệu nhận đƣợc ở dải nền đƣợc xác định nhƣ sau:
∑ ( )
Bƣớc tiếp theo, ta sẽ thiết lập 1 kênh truyền hữu dụng bằng cách chuyển kênh
truyền liên tục thơi gian sang kênh truyền rời rạc thời gian. Sử dụng công thức của định
lý lấ mẫu, giả sử răng tín hiệu đầu vào có băng tần giời hạn là W, khi đó có
biễu diễn tƣơng đƣơng là:
∑
Với ( ) và
Ta có thể biểu diễn... nhờ tuân theo định lý lấy mẫu, định lý nói rằng bất cứ tín
hiệu nào có băng tần giời hạn là W/2 có thể đƣợc biểu diễn là tổng các hàm cơ bản trực
giao nhau với các hệ số là các mẫu tại các thời điểm n/W ( )
Thay (1.7) vào (1.6) ta đƣợc :
∑ ∑ ( ( ) )
∑ ∑ ( ( ) )
Suy ra các mẫu thu đƣợc là:
∑ ∑ ( ) ( ( ) ) ( )
Đặt , từ... suy ra:
∑ ∑
Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến đƣợc biểu diễn là:
Trang 16

17. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
∑ ( )
Với: ∑
Mô hình tín hiệu thời gian rời rạc này đƣợc sử dụng rộng rãi trong các kỹ thuật
truyền ở lớp vật lý trong các hệ thống OFDM.
1.4 Kết luận chƣơng.
Chƣơng này cho ta biết quá trình phát triển của mạng thông tin di động từ 1G đến
4G, những mô hình kênh truyền không dây và những đặc trƣng của kênh truyền không
dây, các loại nhiễu xuất hiện trong quá trình truyền. Đặc biệt, ta đã xấy dựng đƣợc mô
hình tín hiệu trên kênh truyền pha đinh đa đƣờng, từ đó làm cơ sở để tìm hiểu kỹ thuật
ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.
Trang 17

18. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ
TRỰC GIAO (OFDM)
Chƣơng này gồm các nội dung sau:
- Khái niệm về OFDM
- Tín hiệu trực giao
- Phép biến đổi FFT
- Sơ đồ khối hệ thống OFDM
- Ứng dụng của OFDM
2.1 Khái niệm về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một kỹ thuật điều
chế đa song mang, trong đó các ký tự dữ liệu ( data symbol) đƣợc 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 tƣơng ứng với dạng
sóng trong miền thời gian, còn phổ tín hiệu tƣơng 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 tang hiệu quả sử dụng phổ lên rất cao, lớn hơn nhiều so với kỹ thuật
ghép kênh phân chia theo tần số thông thƣờng.
Ngoài ra, OFDM còn là một kỹ thuật đơn giản đƣợc áp dụng rất hiệu quả để khắc
phục hiện tƣợng nhiễu lien ký tự ISI trong hiệu ứng trải trễ trong pha đinh đa đƣờng 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 pha đinh 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 đƣợc truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh
băng hẹp.
Trang 18

19. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
Một tín hiệu OFDM gồm một số lƣợng lớn các sóng mang có khoảng cách rất gần
nhau. Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu, … lên sóng mang, phổ của chúng sẽ chồng
lấn lên nhau. Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận đƣợc toàn bộ tín hiệu của giải điều
chế chính xác dữ liệu. Với các kỹ thuật trƣớc đây nhƣ FDM, khi tín hiệu đƣợc truyền gần
nhau thì chúng phải đƣợc tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và
phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên với những cải tiến của OFDM, mặc
dù phổ của các sóng mang chồng lấn phổ lên nhau, chúng vẫn có thể đến đƣợc máy thu
mà không bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao.
Hình 2. 1 Hiệu quả sử dụng phổ trong kỹ thuật FDM (a) và OFDM (b)
Một yêu cầu quan trọng trong các hệ thống phát và thu OFDM là chúng phải tuyến
tính. Bất kì sự phi tuyến nào cũng sẽ gây ra nhiễu giữa các sóng mang do méo xuyên điều
chế. Điều này sẽ dẫn đến những tín hiệu không mong muốn gây ra nhiễu làm mất tính
trực giao ban đầu.
Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của hệ thống đa sóng mang
nhƣ OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ở đầu ra của máy phát phải
đáp ứng đƣợc công suất đỉnh. Trong khi công suất trung bình rất thấp. Điều này là không
hiệu quả. Để khắc phục, trong một số hệ thống, công suất đỉnh bị hạn chế. Mặc dù điều sẽ
làm méo tín hiệu và lỗi sẽ cao hơn, nhƣng hệ thống có thể sử dụng kỹ thuật sửa lỗi để
khắc phục.
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM đã
đƣợc thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và
Trang 19

20. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể đƣợc thực hiện thông qua phép
biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể đƣợc thực hiện bằng phép biến đổi
DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế
OFDM đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT ngƣời ta
có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và tang tốc độ xử
lý tín hiệu ở máy phát và máy thu.
2.2 Tín hiệu trực giao
Tín hiệu đƣợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là
một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu sóng mang tin đƣợc truyền đi trên kênh truyền thông
thƣờng mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự
rối loạn giữa các tín hiêu, làm giảm chất lƣợng thông tin. Có rất nhiều kỹ thuật ghép kênh
lien quan đến vấn đề trực giao.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) truyền nhiều bản tin trên một
kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin hoạt động trên cùng một tần số một khe thời gian.
Trong suốt một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đƣợc truyền đi. Bằng cách
truyền không đồng thời các bản tin nhƣ vậy, ta đã tránh đƣợc nhiễu giữa chúng. Các bản
tin có thể đƣợc xem là trực giao với nhau – trực giao về mặt thời gian.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) truyền nhiều bản tin trong cùng
một thời điểm trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một dải tần số khác nhau và
có một số khoảng trống giữa tần số giữa dải thông của hai tín hiệu. Các tín hiệu này cũng
đƣợc xem là trực giao với nhau – trực giao về mặt tần số.
2.3 Phép biến đổi FFT
Bây giờ ta sẽ biến đổi mối quan hệ giữa tín hiệu OFDM và phép biến đổi Fourier
rời rạc DFT, hoặc có thể thực hiện bằng phƣơng pháp ít phức tạp hơn, đó là phép biến đổi
Fourier nhanh FFT.
Tín hiệu OFDM đƣợc biểu diễn nhƣ sau
Trang 20

21. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
(2.1)
Thực hiện lấy mẫu x(t) với chu kỳ lấy mẫu Tsa=Ts/N ta đƣợc
∑
√
∑
√
∑ { } (2.2.)
√
Do đó, máy phát OFDM có thể đƣợc sử dụng phép biến đối IDFT để điều chế tín
hiệu OFDM. Và nhƣ vậy, bên máy thu OFDM sẽ sử dụng phép biến đổi DFT để giải điều
chế tín hiệu OFDM. Tín hiệu giải điều chế đƣợc xác định theo công thức sau
Xk ∑ = DFT {xn} (2.3)
√
Trong thực tế, thay vì sử dụng phép biến đổi DFT, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp
biến đổi Fourier nhanh FFT. Thuật toán FFT cho ta một cách hữu hiệu để thực hiện biến
đổi DFT và IDFT. Nó làm giảm số phép toán nhân phức tạp từ N2 xuống còn log2 N
Trang 21

22. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
trong phép biến đổi DFT hoặc IDFT N – điểm. Với sự trợ giúp của phép biến đổi FFT,
việc thực hiện kỹ thuật OFDM trở nên vô cùng đơn giản.
2.4 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
2.4.1 Máy phát OFDM
Xét một hệ thống mã hóa OFDM sử dụng phƣơng pháp điều chế số biên độ cầu
phƣơng M-QAM.
Hình 2. 2 Sơ đồ máy phát OFDM
Dòng bit dữ liệu đầu vào trƣớc khi đƣợc điều chế sẽ đi qua khối mã hóa kênh để
tăng khả năng chống chọi lỗi, giảm tỉ lệ lỗi bit BER ở bên thu. Sau đó, luồng bit này sẽ
tiếp tục đƣợc xáo trộn theo một trình tự thích hợp bởi bộ xáo trộn nhằm giảm ảnh hƣởng
của hiện tƣợng lỗi chùm ( burst error). Tiếp theo, sau khi đã đƣợc mã hóa kênh và xáo
trộn, luồng bit này đƣợc nhóm lại thành từng cụm {dk,m} gồm Q bits rồi đƣợc ánh xạ (
vào biên độ và pha của sóng mang phụ ) thành các symbol phức Xk,m sau khi đi qua bộ
điều chế số M-QAM ( với m và k biểu thị chỉ số của của symbol OFDM và thứ tự của các
sóng mang phụ trong symbol OFDM đó, một cách tƣơng ứng). Các mẫu phức Xk,m tiếp
tục đƣợc chia thành từng khung có chiều dài bằng nhau rồi chèn thêm một số thích hợp
các pilot cũng là các symbol phức (các pilot đƣợc chèn thêm này đƣợc dùng để ƣớc
lƣợng kênh truyền ) để tạo thành một symbol OFDM hoàn chỉnh gồm N sóng mang phụ,
với N là kích thƣớc phép biến đổi FFT và IFFT.
N sóng mang phụ này đƣợc chuyển từ nối tiếp sang song song khi đi qua bộ S/P
rồi đƣợc đƣa tới đầu vào của khối IFFT để thực hiện biến đổi dữ liệu từ miền tần số sang
Trang 22

23. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
miền thời gian, thu đƣợc một symbol OFDM mới là {xn,m}. Sau đó tiền tố lặp CP ( là bản
sao của phần cuối của symbol OFDM {xn,m}) có chiều dài là Ng sẽ đƣợc chèn vào trƣớc
symbol {xn,m} đó để khắc phục ảnh hƣởng của hiện tƣợng nhiễu xuyên ký tự ISI do
truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đƣờng.
Sau khi thực hiện biến đổi IFFT và chèn thêm tiền tố lặp CP, tín hiệu OFDM ở
băng tần cơ sở đƣợc truyền đi biểu diễn nhƣ sau
xn,m ∑ (2.4)
√
Hình 2. 3 Cấu trúc tín hiệu OFDM phát đi ở máy phát
Cuối cùng máy phát thực hiện biến đổi DAC điều chế cao tần, khuếch đại công
suất và phát tín hiệu ra từ anten.
2.4.1.1 Khối mã hóa kênh
Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện đƣợc một tốc độ truyền
số liệu yêu cầu trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công
suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn phải đạt đƣợc tốc độ này với một tỉ số bit
lỗi BER và thời gian trễ chập nhận đƣợc. Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt đƣợc
tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phƣơng pháp mã hóa
điều khiển lỗi, còn đƣợc gọi là mã hóa kênh.
Mã hóa kênh đƣợc sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao
gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đểu đƣa thêm độ dƣ vào dữ liệu
phát, trong đó độ dƣ thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là
đối với mã sửa lỗi, độ dƣ thêm vào phải đu cho bên thu không chỉ phát hiện đƣợc lỗi mà
còn sửa đƣợc lỗi, không cần phải truyền lại.
Trang 23

24. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
2.4.1.2 Bộ xáo trộn ( Scrambler)
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, ngƣời ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật
xáo trộn bit để khắc phục hiện tƣợng lỗi chùm thƣờng xuất hiện trong thông tin đa sóng
mang do hiện tƣợng pha đinh lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể đƣợc sửa bởi các
loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xáo trộn bit, ngƣời ta đã chuyển lỗi chùm thành các
lỗi ngẫu nhiên và lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng đƣợc khắc phục bởi các loại mã hóa kênh.
2.4.1.3 Điều chế số M-QAM
Những tiến bộ trong việc chế tạo phần cứng và xử lí tín hiệu số đã làm cho các bộ
thu – phát tín hiệu kỹ thuật số ngày càng rẻ hơn, nhanh hơn và hiệu suất cao hơn so với
các bộ thu – phát tín hiệu tƣơng tự. Trong những tiến bộ đó, quan trọng hơn là kỹ thuật
điều chế số đem lại một số ƣu điểm lớn so với điều chế tƣơng tự, đó là : cho phép truyền
dữ liệu ở tốc độ cao hơn, khả năng chống chọi lỗi tốt hơn, chống lại ảnh hƣởng của suy
hao kênh truyền, sử dụng đa dạng và hiệu quả hơn các phƣơng pháp đa truy cập, và có
tính bảo mật tốt hơn. Đặc biệt các kỹ thuật điều chế nhiều mức nhƣ M-QAM trong điều
chế số cho một tốc độ bit cao hơn khi so sánh với điều chế tƣơng tự với cùng một băng
thông. Trong các hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần đƣợc điều
chế số, tức là phải đƣợc chuyển sang dạng tín hiệu phức để đƣa vào bộ biến đổi IFFT.
Các dạng điều chế số đƣợc sử dụng phục thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất
lƣợng truyền dẫn của hệ thống, đƣợc quy định bởi số bit ngõ vào Q=log2M ( M là số mức
điều chế) và kỹ thuật điều chế để cho ra số phức Xk= sk,1 + jsk,2 ở ngõ ra. Các cặp giá trị
(sk,1 , sk,2 ) có thể đƣợc chọn ứng với các kỹ thuật điều chế khác nhau đƣợc cho theo bảng
sau
Hình 2. 4 Các mức điều chế M-QAM và vị trí các điểm phức
Trang 24

25. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
1) 2.4.1.4 Tiền tố lặp Cyclic-Prefix
Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đƣờng.
OFDM giải quyết đƣợc vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào đƣợc chia thành các
luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó
mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế đƣợc ảnh hƣởng của trải trễ đa đƣờng.
Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng đƣợc hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng
bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ Ng đƣợc chọn sao cho nó phải
lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu pha đinh. Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không
chứa tín hiệu nào cả nhƣng điều nãy sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự
OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên
đầu của ký tự đó. Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP. Và tín
hiệu đa đƣờng với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiện tƣợng
ICI. Mặc khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chặp tuyến tính của
kênh truyền pha đinh lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở
miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.
2.4.2 Máy thu OFDM
Ở máy thu, quá trình xử lý tín hiệu nhận đƣợc sẽ ngƣợc lại với quá trình ở máy
phát. Tín hiệu thu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và chuyển thành tín hiệu rời rạc {yn,m}
sau khi đi qua bộ ADC. Tiền tố lặp CP đƣợc loại bỏ và các symbol OFDM đƣợc biến đổi
từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó,
tùy vào kỹ thuật điều chế M-QAM đƣợc sử dụng ở bên phát mà bên thu sử dụng phƣơng
pháp giải điều chế tƣơng ứng. Các symbol hỗn hợp thu đƣợc sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở
lại và đƣợc giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại đƣợc luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Hình 2. 5 Sơ đồ máy phát OFDM
Trang 25

26. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
Qua kênh truyền pha đinh đa đƣờng, các mẫu thứ n nhận đƣợc trong symbol
OFDM thứ m đƣợc biểu diễn nhƣ sau
yn,m = ∑ l,n,m xn-l,m + zn,m
trong đó n € {0,…., N-1}, hl,n,m là đáp ứng xung của kênh truyền pha đinh đa đƣờng 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 đƣợc chuyển từ nối tiếp sang song song với tiếp tục đƣợc
đƣa vào bộ biến đổi FFT. Tín hiệu thu đƣợc trong miền thời gian đƣợc biểu diễn nhƣ sau
Yk,m = Xk,mHk,m + pk,m + Zk,m (2.5)
Đặc biệt trong kênh truyền pha đinh đa đƣờng không đổi theo thời gian, tín hiệu
nhận đƣợc trong miền thời gian có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau
Yk,m = Xk,mHk,m + 0 + Zk,m (2.6)
2.5 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM
2.5.1 Ƣu điểm
Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng
mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử
dụng phổ.
Hạn chế đƣợc ảnh hƣởng của pha định lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đƣờng bằng
cách chia kênh truyền pha đinh chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tƣơng
ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.
Loại bỏ đƣợc hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử
dụng tiền tố lặp CP.
Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ ( Interleaver) và mã hóa kênh thích hợp nên hệ
thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục đƣợc lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc
tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phƣơng pháp giải mã tối ƣu với độ phức tạp giải mã
Trang 26

27. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ OFDM
ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh đƣợc thực hiện đơn giản hơn so với việc sử
dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong hệ thống đơn tần.
Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier
rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả.
Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quả
trong các môi trƣờng đa đƣờng dẫn.
2.5.2 Nhƣợc điểm
Hệ thống OFDM có hai nhƣợc điểm lớn đó là:
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng
hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trƣờng hợp xấu nhất khi các sóng mang phụ này
đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn. Vấn đề này đòi
hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu.
Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần.
Rất nhạy với độ lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần
Doppler. CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không
chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây
ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu.
2.6 Kết luận chƣơng
Chƣơng này chỉ đƣa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan về hệ
thống OFDM: mô hình hệ thống, chức năng từng khối, một số kỹ năng điều chế và các
phép biến đổi FFT và IFFT. Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM mang trong nó rất
nhiều ƣu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật đƣợc áp dụng rộng rãi trong các
mạng viễn thông tốc độ cao trong tƣơng lai, đặc biệt là trong các hệ thống MIMO-OFDM
nhƣ SDMA, multihop…
Trang 27

28. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
CHƢƠNG 3
HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Chƣơng này gồm có các nội dung sau:
- Khái niệm về hệ thống MIMO- OFDM
- Sơ lƣợc về hệ thống MIMO
- Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM
- Độ lợi của hệ thống MIMO
- Mã hóa không gian thời gian STC
- Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
- Kết luận chƣơng
3.1 Khái niệm về hệ thống MIMO-OFDM
Các hệ thống thông tin không dây luôn đƣợc nghiên cứu nhằm cải thiện chất lƣọng
dung lƣợng cũng nhƣ khả năng chống hiện tƣợng đa đƣờng. Cải thiện chất lƣợng dịch vụ
bằng cách tăng công suất, dung lƣợng hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy
nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức nhất định nào đó vì công suất phát càng
tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng thông hệ
thống cũng không thể tăng mãi đƣợc vì việc phân bố băng thông đã đƣợc chuẩn hoá sẵn.
Và chính vì thế đã có rất nhiều nghiên cứu để tìm ra các kỹ thuật nhằm giúp cải thiện chất
lƣợng thông tin, đã có rất nhiều bài báo viết về kỹ thuật MIMO.
Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) gọi là tuyến thông tin điểm -
điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Từ những năm đầu nghiên cứu cho đền gần
đây đã cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER,
tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ
thống nhờ hiện tƣợng phản xạ đa đƣờng mà tạo ra nhiều kênh ảo riêng lẻ giúp tăng dung
lƣợng kênh truyền. Chi phí phải trả để tăng tốc độ truyền dữ liệu cũng tăng, độ phức tạp
của hệ thống xử lý tín hiệu nhiều chiều cũng tăng lên.
Trang 28

29. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lƣợng kênh truyền và sử dụng băng thông rất
hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V - BLAST), cải thiện chất lƣợng của hệ thống đáng
kể nhờ vào kỹ thuật phân tập phía phát (STBC), phía thu (STTC) mà không cần tăng
công suất phát hay tăng băng thông của hệ thống. Và kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật
truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhƣng có thể chống fading chọn lọc tần số,
bằng cách chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N
kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số
đƣợc chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi đủ lớn các kênh truyền
con chịu fading phẳng. OFDM còn loại bỏ đƣợc nhiễu liên ký tự ISI khi sử dụng khoảng
bảo vệ đủ lớn, và nhiễu liên sóng mang ICI. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn
giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong
miền tần số. Từ những ƣu điểm nổi bật của thống MIMO và kỹ thuật OFDM nên việc kết
hợp hệ đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây băng rộng.
3.2 Sơ lƣợc về hệ thống MIMO-OFDM
3.2.1 Mô hình hệ thống MIMO
Trƣớc tiên ta sẽ xem xét hệ thống MIMO riêng lẻ, chƣa kết hợp với kỹ thuật
OFDM.
Một hệ thống thông tin điểm - điểm đa anten băng hẹp gồm có NT anten phát và
NR anten thu có thể đƣợc biểu diễn bởi mô hình rời rạc nhƣ sau:
 y1   h11 h12 . . . h1NT   x1   n1 
 y    x  n 
 2   h21 h22 . . . h2 NT  2   2 
 .   . . . .  .   . 
    
 .   . . . .  .   . 
 .   . . . .  .   . 
      
 y NR
  hN R 1
  hN R 2 . . . hN R NT   x NT
  n NT
  
 (3.1)
Mô hình trên đƣợc biểu diễn đơn giản dƣới dạng: Y= Hx + n
Với y  C R biểu diễn tín hiệu nhận NR chiều (NR anten), x  C NT biểu diễn tín
N
hiệu nhận từ NT chiều (NT anten), n  C N R kí hiệu nhiễu Gauss trắng N (0,  2 ). ,
Trang 29

30. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
H  C N R Nt là ma trận kênh truyền chứa các hệ số phức h ij, kích thƣớc NR * NT , h ij có biên
độ và độ dịch pha ngẫu nhiên, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi của kênh truyền từ anten phát
j đến anten thu i.
3.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
Cấu trúc máy thu và máy phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm NT anten phát
và NR anten thu, kỹ thuật OFDM sử dụng N sóng mang phụ đƣợc biểu diễn hình sau.
OFDM OFDM
Transmitter Receiver
Tx 1 Rx 1
OFDM OFDM
Data Signal STC Transmitter Tx 2 Rx 2 Receiver STC Signal Data
Mapper Encoder Decoder Demapper
OFDM OFDM
Transmitter Receiver
Tx N T Rx N T
Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM
Symbol thu đƣợc từ anten thứ i, tai sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM có thể
biểu diễn nhƣ sau:
Y1 ( k )   11 ( k ) X 1 ( k )  12 ( k ) X 2 ( k )  ...  1 N T ( k ) X N T ( k )  V1 ( k )
Y 2 ( k )   21 ( k ) X 1 ( k )   22 ( k ) X 2 ( k )  ...   2 N T ( k ) X N T ( k )  V 2 ( k )
Y N R ( k )   N R 1 ( k ) X 1 ( k )   N R 2 ( k ) X 2 ( k )  ...   N R N T ( k ) X N T ( k )  V N R ( k )
k  1, 2 ,3, ... , N
(3.2)
Trong đó: Xj (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM.
Vi(k) là nhiễu Guass tại anten thu thứ i trong miền tần số, tức là N-FFT của
nhiễu trong miền thời gian vi(t). ij (k ) là độ lợi kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten
thu thứ i tại sóng mang phụ thứ n. ij (k ) chính là N-FFT của đáp ứng xung của kênh
truyền cij (t ) từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Nếu máy thu có thể ƣớc lƣợng chính
xác trạng thái kênh truyền thì ij (k ) sẽ đƣợc biết chính xác ứng với mỗi symbol OFDM.
Trang 30

31. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H nhƣ sau.
11 (k ) 12 (k )  1N (k ) 
 
T
21 (k ) 22 (k )  2 N (k ) 
H (k )  
 
T

  
 
 N R 1 ( k )
  N 2 (k )   N R NT ( k ) 

R (3.3)
Kỹ thuật OFDM có tác dụng chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền
con Fading phẳng. Hệ thống MIMO-OFDM tƣơng đƣơng với hệ thông MIMO. Hình 3.5
sẽ mô tả rõ hơn ma trận H.
3.3 Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO-OFDM
3.3.1 Phân tập không gian
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian đƣợc sử dụng
phổ biến trong truyền thông tin không dây. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten
hoặc nhiều chuỗi array đƣợc xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten
đƣợc phân chia ở những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hiệu không bị nhiễu với nhau.
Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tuỳ thuộc vào độ cao của anten, môi trƣờng lan
truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bƣớc sóng là đủ để các tín
hiệu không bị tƣơng quan với nhau. Trong phân tập không gian các phiên bản của tín
hiệu phát đƣợc truyền đến nơi thu tạo nên sự dƣ thừa trong miền không gian. Phân tập
không gian làm giảm hiệu suất băng rộng, điều này rất quan trọng trong truyền thông
không dây tốc độ cao.
Có thể chia ra phân tập không gian thành 3 loại: Phân tập anten phát, phân tập
anten thu, phân tập anten phát và thu. Trong phân tập anten thu, nhiều anten đƣợc sử
dụng ở nhiều nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập. Các phiên
bản của tín hiệu phát đƣợc kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và
làm giảm bớt fading đa đƣờng.
Trang 31

32. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Phaâ n taä p Phaâ n taä p Phaâ n taä p anten
anten thu anten phaù t phaù t vaø thu
Hình 3. 2 Các phương thức phân tập
Trong hệ thống thực tế, để đạt đƣợc BER của hệ thống theo yêu cầu, ta kết hợp hai
hay nhiều hệ thống phân tập thông thƣờng để cung cấp sự phân tập nhiều chiều.
3.3.2 Phân tập tần số
Phân tập tần số nghĩa là sử dụng nhiều thành phần tần số khác nhau để phát cùng
một thông tin. Các tần số cần đƣợc phân chia để đảm bảo không bị nhiễu và bị ảnh hƣởng
fading một cách độc lập, không bị tƣơng quan nhau. Trong truyền thông di động, các
phiên bản của tín hiệu phát thƣờng đƣợc cung cấp cho nơi thu ở dạng dƣ thừa trong miền
tần số còn đƣợc gọi là trải phổ. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán
của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng
thông trải phổ, trải trễ đa đƣờng sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Phân tập tần số gây ra sự
tổn hao hiệu suất băng thông tuỳ thuộc vào sự dƣ thừa thông tin trong cùng băng tần số.
3.3.3 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian có thể thu đƣợc tín hiệu qua mã hoá và xen kênh. Ta xem 2
trƣờng hợp sau: Truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ.
Phân tập thời gian có thể đạt đƣợc bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những
khe thời gian khác nhau, tại nơi thu tín hiệu fading không tƣơng quan với nhau. Khoảng
cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo
1 c
của tốc độ fading  . Mã điều khiển lỗi thƣờng sử dụng trong hệ thống truyền
f d v. f c
thông để cung cấp độ lợi mã so với hệ thống không mã hoá. Trong truyền thông di động,
mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt đƣợc sự phân tập thời gian, các phiên bản
của tín hiệu phát đến nơi thu dƣới dạng dƣ thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian
Trang 32

33. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát đƣợc qui định bởi thời gian xen kênh để thu đƣợc
fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoản
việc giải mã, kỹ thuật này thƣờng hiệu quả trong môi trƣờng fading nhanh, ở đó thời gian
nhất quán của kênh truyền nhỏ.
3.4 Độ lợi của hệ thống MIMO-OFDM
Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng đa anten phát và đa anten thu đƣợc truyền trên N
kênh sóng mang phụ trực giao có 3 độ lợi.
3.4.1 Độ lợi Beamforming
Kỹ thuật Beamforming giúp cho hệ thống tập trung năng lƣợng bức xạ theo hƣớng
mong muốn của chúng ta, giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh đƣợc
can nhiễu từ các hƣớng không mong muốn, từ đó giúp ta cải thiện chất lƣợng kênh truyền
và tăng độ bao phủ của hệ thống.
TX RX
Hình 3. 3 Kỹ thuật Beamforming
Trong hệ thống MIMO-OFDM muốn thực hiện kỹ thuật Beamforming thì khoảng
cách giữa các anten trong hệ thống thƣờng nhỏ hơn  ( hay  / 2 ), Beamforming thƣờng
đƣợc thực hiện trong môi trƣờng ít tán xạ. Khi môi trƣờng tán xạ mạnh hệ thống MIMO
có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập.
3.4.2 Độ lợi ghép kênh không gian ( Spatial Multiplexing )
Hệ thống với nhiều anten phát và thu truyền song song nên các tín hiệu đƣợc phát
độc lập và đồng thời ra các anten nhằm tăng dung lƣợng kênh truyền mà không cần tăng
công suất phát hay tăng băng thông hệ thống, tăng tốc độ truyền. Dung lƣợng hệ thống sẽ
tăng tuyến tính theo số các kênh truyền song song trong hệ thống. Để cực đại độ lợi ghép
kênh qua đó cực đại dung lƣợng kênh truyền bằng thuật toán V-Blast.
Trang 33

34. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
TX RX
Hình 3. 4 Ghép kênh không gian
3.4.3 Độ lợi phân tập (Spatial Diversity)
Hệ thống thông tin di động, các tín hiêu truyền với các mức luôn thay đổi, bị
fading liên tục trong không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không
ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các
kênh truyền fading khác nhau, bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp các bản sao tín hiệu
này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER và chống lại fading,bằng thuật toán STBC và STTC.
TX RX
Hình 3. 5 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
3.5 Mã hoá không gian-thời gian STC
Môi trƣờng vô tuyến trong trƣờng hợp bị các hiện tƣợng đa đƣờng và tán xạ mạnh
khiến tín hiệu thu đƣợc từ các anten hoàn toàn độc lập. Thay vì tìm mọi cách để chống lại
hiện tƣợng đa đƣờng, mã hoá không gian thời gian lợi dụng tính chất này để nâng cao
dung lƣợng kênh truyền. Với một chuỗi symbol vào bộ mã hoá không gian thời gian sẽ
chọn các điểm tƣơng ứng trên giản đồ chòm sao để truyền đồng thời tại tất cả các anten
qua đó tăng độ lợi ghép kênh và độ lợi phân tâp.
3.5.1 Mã hóa không gian-thời gian STBC (Space-Time Block Code)
Mã hoá STBC nhằm thực hiện mã hoá một khối các ký tự đầu vào thành một ma
trận đầu ra với các hàng tƣơng ứng các anten phát (không gian) và cột tƣơng ứng thứ tự
Trang 34

35. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
phát (thời gian), STBC cho phép phân tập đầy đủ và có độ lợi tuỳ thuộc vào tốc độ mã
của bộ mã, quá trình giải mã đơn giản, dựa trên các bộ giải mã tƣơng quan tối đa ML.
3.5.1.1Mô hình Alamouti
Tx 1
h1
n 1 n2  ~
Space-Time encoder r
Boä keát hôïp
 c1  c2 
Tx 2 Boä giaûi maõ
Döõ lieäu
*
c1 c 2  
r H
 ML
c 2

*
c1 
 h2 Boä öôùc löôïng
H
Hình 3. 6 Sơ đồ Alamouti 2anten phát và 1 anten thu
T T2 T3 T4 T5 T6
Thôø i gian
1
Khoâng gian
Tx1 c1 c2 c3 c4 c 5 c6
* * *
* * *
Tx2 c2 c1 c 4 c 3 c 6 c 5
Rx1 r1 r 2 r3 r4 r5 r6
Hình 3. 7 Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti
Trong mô hình Alamouti bộ mã hoá space-time encoder sẽ mã hoá 2 ký tự liên
tiếp [c1 c2] với c 1, c2 thuộc chòm sao điều chế S (c1 , c2  S{s1 , s2 ,..., s M }) thành ma trận.
c  c2 
*
C 1 * 
c 2 c1  (3.4)
Ma trận C đƣợc gọi là ma trận mã, ma trận này có tính trực giao.
Trong chu kỳ thứ nhất bộ phát sẽ phát đồng thời 2 tín hiệu c1 và c2 ra 2 anten 1 và 2. Chu
kỳ tiếp theo, bộ phát sẽ phát 2 tín hiệu –c2* và c1* ra 2 anten 2 và 1 nhƣ hình 3.12
Trang 35

36. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
n11 n 12 
h11 Boä keá t hôï p
r H
h12
Tx 1 Boä öôù c löôï ng
h 21
~
Space-Time encoder n 21 n 22  r
Döõ lieä u
Tx 2 Boä keá t hôï p ~
 c1 c  Boä giaû i maõ c
*
c 1 c 2  
2
 h 22
H
c 2
*
c1 
r ML
 
Boä öôù c löôï ng
H
hM 1
hM 2 n M 1 n M 2 
Boä keá t hôï p
r H
Boä öôù c löôï ng
Hình 3. 8 Sơ đồ Alamouti mở rộng 2anten phát và M anten thu
Sơ đồ này sử dụng 2 anten phát và M anten thu cho nên tín hiệu thu có dạng sau:
c  c2 
*
r11 r12   h11 h12  1 * 
 n11 n12 
c2 c1 
c  c2 
*
r21 r22   h21 h22  1 * 
 n21 n22 
c 2 c1 
….
c  c2 
*
rM 1 rM 2   hM 1 hM 2  1 * 
 nM 1 nM 2 
c2 c1  (3.5)
Bộ kết hợp sẽ chuyển tín hiệu sau khi ƣớc lƣợng
~    h11  h12   r11 
*
~11
x x12  *  * 
h12 h11   r12 
~    h21  h22   r21 
*
~21
x x 22  *  * 
h22 h21   r22 

~    hM 1  hM 2   rM 1 
*
~M 1
x xM 2  *  * 
 hM 2 hM 1   rM 2  (3.6)
[ ~1 ~2 ]  [ ~11 ~12 ]  [ ~21 ~22 ]    [ ~M 1 ~M 2 ]
x x x x x x x x
h11  h12   r11  h21  h22   r21 
* *
hM 1  hM 2   rM 1 
*
 *  *    *  *      *  * 
h12
 h11   r12  h22
  h21   r22 
 hM 2
 hM 1   rM 2 
 (3.7)
Trang 36

37. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM

~  h 2  h 2  h 2  h 2   h 2  h 2 c
x1 11 12 21 22 M1 M2 1 
 h11n11  h12n12  h21n21  h22n22    hM 1nM 1  hM 2 nM 2
* * * * * *

~  h 2  h 2  h 2  h 2   h 2  h 2 c
x2 11 12 21 22 M1 M2 2 
 h11n12  h12n11  h21n22  h22n21    hM 1nM 2  hM 2 nM 1
* * * * * *
(3.8)
 h 
M
2
 hi 2
2
Khi hệ thống cung cấp phân tập bậc 2M do hệ số i1
i 1
~ ~
Biểu thức tìm c1 , c2 trở thành :
~ 
 x
2 M
 2 2  2
c1  arg min  ~1  x1    hi1  hi 2  1 x1  
x1S
  i 1  
~ 
 x
2 M
 2 2  2
c2  arg min  ~2  x 2    hi1  hi 2  1 x 2  
x2 S
  i 1   (3.9)
STBC hoạt động trên việc thiết kế trực giao ma trận mã. Và sơ đồ Alamouti là sơ
đồ STBC cơ bản và tiêu biểu nhất cho thiết kế trực giao (orthogonal design) với tốc độ
mã R =1 độ phân tập D = 2.
3.5.1.2Thiết kế trực giao
Kiểu thiết kế trực giao N  N cho độ lợi phân tập đầy đủ (tốc độ mã cực đại R=1).
C là 1 thiết kế trực giao khi và chỉ khi C-C’ khả đảo với mọi C  C ' . Thiết kế trực giao
chỉ tồn tại với N=2, 4 và 8, và chỉ tồn tại thiết kế trực giao phức với N = 2.
Kiểu thiết kế trực giao GOD đơn giản hơn và ít khắt khe hơn trong thiết kế trực
giao. K symbol thực [x1 ,x2,…, xk] đƣợc mã hoá bằng ma trận C có kích thƣớc NT x NC (
N T  N C ), C có các tính chất sau:
CC   I NT (3.10)
Tốc độ mã hoá là R=k/Nc (3.11)
Độ lợi mã hoá STBC là Gc= RD (3.12)
Trong đó : R là tốc độ mã hoá
D là độ phân tập D = NT .NR. (3.13)
Đối với thiết kế trực giao GOD là cực tiểu Nc với R và NT cho trƣớc.
Trang 37

38. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.5.2 Mã hóa không gian-thời gian khối STTC (Space-Time Trellis Code)
Khối STTC là loại mã chập đƣợc mở rộng cho trƣờng hợp MIMO, khối STCC cho
phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao. Cấu trúc mã chập phù hợp với truyền thông
không dây vũ trụ và vệ tinh, do sử dụng bộ mã hoá đơn giản nhƣng đạt đƣợc hiệu quả cao
nhờ vào phƣơng pháp giải mã phức tạp.
Bộ mã hoá tạo các vector mã bằng cách dịch chuyển các bit dữ liệu qua thanh ghi
K tầng, mỗi tầng có k bit. Một bộ n phép cộng nhị phân với đầu vào là K tầng sẽ tạo ra
vector mã n bit cho mỗi k bit đầu vào. Ứng với mỗi thời điểm thì k bit dữ liệu đầu vào sẽ
đƣợc dịch vào tầng đầu tiên của thanh ghi dịch hay tầng kế tiếp. Mỗi lần dịch k bit dữ
liệu vào sẽ tạo ra một vector mã n bit.
Rc = k/n : Tốc độ mã
K là tần số của thanh ghi dịch gọi là constraint length của bộ mã
n bit
1 2 n Tôù i boä ñieà u cheá
k bit
1 2 k 1 2 k 1 2 k
Taà ng 1 Taà ng 2 Taà ng K
Hình 3. 9 Bộ mã lưới
Mã lƣới đƣợc biểu diển thông qua lƣới mã hoặc sơ đồ trạng thái, mô tả sự biến đổi
từ trạng thái này sang trạng thái khác tuỳ thuộc vào k dữ liệu đầu vào.
Bộ STTC cung cấp độ lợi mã tốt hơn nhiều STBC độ lợi mã của STTC tăng lên
khi tăng số trạng thái của mã lƣới. Nhƣng STTC lại phức tạp hơn STBC, STBC đƣợc mã
hoá và giải mã đơn giản nhờ vào các thuật toán xử lý tuyến tính, nên STBC phù hợp với
các ứng dụng thực tế trong hệ thống MIMO-OFDM hơn STTC.
3.5.3 Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST
Có 2 kiến trúc cơ bản:
Trang 38

39. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MIMO-OFDM
Kiến trúc D-BLAST và Kiến trúc V-BLAST. Trong đó kiến trúc D-BLAST phức
tạp hơn khó có thể thực hiện đƣợc trong hệ thống MIMO-OFDM, còn V-BLAST dễ thực
hiện hơn, nên ở đây ta chỉ xét kiến trúc V-BLAST.
Kiến trúc V-BLAST có thể tăng dung lƣợng của hệ thống đáng kể nhờ vào chiều
không gian do hệ thống MIMO-OFDM cung cấp, V-BLAST chỉ sử dụng một khoảng
băng thông nhỏ cần thiết cho hệ thống QAM truyền thống. V-BLAST khác với CDM,
FDM, TDM.
V-BLAST sử dụng NT anten phát và NR anten thu với NT ≤ NR. .
Tx 1 Rx 1
Tx 2 Rx 2
Maõ hoaù Giaûi maõ
V_BLAST V_BLAST
Tx 3 Rx 3
Hình 3. 10 Hệ thống kiến trúc MIMO V-BLAST
3.6 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
Hệ thống MIMO-OFDM là sự kết hợp giữa hệ thống MIMO và kỹ thuật đa sóng
mang trực giao OFDM, chính vì vậy mô hình của hệ thống MIMO-OFDM cũng tƣơng
đƣơng với hệ thống MIMO.
3.6.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti đƣợc áp dụng nhằm đạt đƣợc độ lợi phân tập
lớn nhất trong môi trƣờng fading, chọn lọc tần số với cấu trúc phần cứng đơn giản.
X 1 (1) Tx1
IFFT
X 1 (2)
(.)* IFFT  F 1 X 2 CP
*
F 1 X 1 CP
X1 (N )
Mapper
Tx2
X 2 (1)
 (.) *
IFFT F 1 X 1* CP F 1 X 2 CP
X 2 (2)
IFFT
X 2 (N )
Hình 3. 11 Máy phát MIMO-OFDM Alamouti
Trang 39