Luận văn Ước lượng kênh truyền cho mạng di động trong hệ thống MIMO-OFDM

Để đáp ứng được các yêu cầu về băng rộng và tính di động
cao của các dịch vụ cung cấp cho người dùng, truyền dẫn đa truy cập
phân chia theo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với cấu hình truyền
dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) được chọn là giải pháp kỹ
thuật truyền dẫn vô tuyến chính cho các mạng băng rộng, tốc độ cao.
Bên cạnh các thuận lợi về hiệu quả sử dụng phổ tần số và chất lượng
truyền dữ liệu cao, công nghệ MIMO-OFDM yêu cầu việc thực hiện
ước lượng kênh truyền vô tuyến đa đường phải đạt độ chính xác cao
trước khi tiến hành khôi phục dữ liệu phát tại các máy thu di động.
Để khắc phục vấn đề này, nhu cầu tìm hiểu và nghiên cứu về
ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin di động là rất cần
thiết.
Luận văn tìm hiểu và nghiên cứu về ước lượng kênh truyền
trong hệ thống MIMO-OFDM, là một khâu rất quan trọng trong việc
thiết kế hệ thống thông tin di động. Có hai hướng tiếp cận chính đó
là Bayesian và Fisher. Luận văn sẽ ước lượng kênh theo cả hai
hướng và so sánh kết quả với nhau.

1. BỘ GIÁO D ỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
---------------------





TRẦN THỊ KIM PH ƯỢNG




ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUY ỀN CHO M ẠNG DI ĐỘNG
TRONG H Ệ THỐNG MIMO-OFDM






Chuyên ngành: K Ỹ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60.52.70




TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





Đà Nẵng - Năm 2013

https://tailieuhoc.net/

2. Công trình được hoàn thành t ại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
---------------------





Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS T ĂNG TẤN CHIẾN



Phản biện 1: TS. Nguy ễn Lê Hùng
Phản biện 2: PGS.TS. Nguy ễn Hữu Thanh




Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày
02tháng 6 n ăm 2013




Có thể tìm hiểu luận văn tại :

Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng

https://tailieuhoc.net/

3. 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Để đáp ứng được các yêu c ầu về băng rộng và tính di động
cao của các dịch vụ cung cấp cho ng ười dùng, truy ền dẫn đa truy c ập
phân chia theo t ần số trực giao (OFDM) k ết hợp với cấu hình truy ền
dẫn gồm nhiều anten phát và thu (MIMO) được chọn là giải pháp k ỹ
thuật truyền dẫn vô tuy ến chính cho các m ạng băng rộng, tốc độ cao.
Bên cạnh các thu ận lợi về hiệu quả sử dụng phổ tần số và chất lượng
truyền dữ liệu cao, công ngh ệ MIMO-OFDM yêu c ầu việc thực hiện
ước lượng kênh truy ền vô tuy ến đa đường phải đạt độ chính xác cao
trước khi tiến hành khôi ph ục dữ liệu phát tại các máy thu di động.
Để khắc phục vấn đề này, nhu c ầu tìm hi ểu và nghiên c ứu về
ước lượng kênh truy ền trong h ệ thống thông tin di động là rất cần
thiết.
Luận văn tìm hi ểu và nghiên c ứu về ước lượng kênh truy ền
trong hệ thống MIMO-OFDM, là m ột khâu r ất quan tr ọng trong vi ệc
thiết kế hệ thống thông tin di động. Có hai h ướng tiếp cận chính đó
là Bayesian và Fisher. Lu ận văn sẽ ước lượng kênh theo c ả hai
hướng và so sánh k ết quả với nhau.
2. Mục tiêu nghiên c ứu
Đề tài tập trung nghiên c ứu các vấn đề sau:
- Nghiên c ứu về các vấn đề ước lượng kênh truy ền trong MIMO-
OFDM
- Nghiên c ứu kỹ thuật ước lượng ML (Maximum Likelihood) theo
hướng tiếp cận Fisher.
- Nghiên c ứu kỹ thuật ước lượng MAP (Maximum-a-Posteriori)
theo hướng tiếp cận Bayesian.
- Xây dựng chương trình ước lượng kênh truy ền. https://tailieuhoc.net/

4. 2
- Mô ph ỏng so sánh các ph ương pháp ước lượng để thấy rõ
ưu nhược điểm của từng phương pháp, t ừ đó rút ra được cách l ựa
chọn phương pháp ước lượng kênh truy ền trong điều kiện thích hợp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên c ứu
* Đối tượng nghiên c ứu:
- Nghiên c ứu về kênh truy ền vô tuy ến
- Nghiên c ứu về kỹ thuật OFDM
- Nghiên c ứu về hệ thống MIMO-OFDM
- Nghiên c ứu về các phương pháp ước lượng kênh truy ền
* Phạm vi nghiên c ứu:
Nghiên cứu kênh truy ền vô tuy ến đa đường trong m ạng di động, các
phương pháp ước lượng kênh truy ền và đánh giá kênh truy ền qua kết
quả mô phỏng bằng ngôn ng ữ Matlab.
4. Phương pháp nghiên c ứu
- Thu th ập, phân tích các tài li ệu và thông tin liên quan đến đề
tài.
- Nghiên c ứu các kỹ thuật ước lượng kênh trên c ơ sở lý thuyết.
- Xây dựng chương trình mô ph ỏng, thu th ập các kết quả số liệu.
- Tiến hành phân tích, so sánh và l ựa chọn hợp lý các k ỹ thuật
ước lượng nhằm giảm sự sai khác c ủa hàm truy ền của kênh phát so
với kênh thu do nhi ều nguyên nhân trong quá trình truy ền dẫn.
5. Bố cục của luận văn
Luận văn bao gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về kênh truy ền vô tuy ến
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM
Chương 4: Ước lượng kênh truy ền trong h ệ thống MIMO-
OFDM https://tailieuhoc.net/

5. 3
6. Tổng quan tài li ệu nghiên c ứu
Chương 1: T ỔNG QUAN V Ề KÊNH TRUY ỀN VÔ TUY ẾN
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Đặc tính chung c ủa kênh truy ền vô tuy ến di động là sự thay đổi
về thời gian và t ần số của kênh. D ẫn đến các hi ện tượng suy hao
đường truyền, shadowing, hi ệu ứng Doppler…
1.2. ĐẶC TÍNH CHUNG C ỦA KÊNH TRUY ỀN TÍN
HIỆU OFDM
Đối với tín hi ệu OFDM, kênh truy ền vô tuy ến là môi
trường truy ền đa đường (multipath environment) và ch ịu ảnh
hưởng đáng kể của fading nhi ều tia, fading l ựa chọn tần số.
Tín hiệu từ anten phát được truyền đến máy thu thông qua
nhiều hướng phản xạ khác nhau. Tín hi ệu ở máy thu là t ổng của tín
hiệu nhận được từ các tuy ến truyền dẫn khác nhau đó.
1.3. CÁC HI ỆN TƯỢNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG
KÊNH TRUY ỀN
1.3.1. Hi ện tượng đa đường
Tín hiệu qua kênh truy ền vô tuy ến sẽ lan toả trong không gian,
va chạm vào các v ật cản trên đường truyền như nhà cửa, cây c ối,
sông hồ, núi đồi… gây ra hi ện tượng: phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ…
Khi sóng va ch ạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số tín hiệu bản sao
khác nhau v ới những hướng truyền khác nhau và m ột trong nh ững
tín hiệu này sẽ đến được phía thu.
1.3.2. Suy hao trên đường truyền
Suy hao đường truyền dẫn xảy ra do: S ự chuyển động về mọi
hướng của tín hiệu, sự hấp thụ tín hiệu bỡi nước, không khí, b ị vật
chắn, bị phản xạ từ mặt đất…
1.3.3. Hi ệu ứng Doppler https://tailieuhoc.net/

6. 4
Hiệu ứng Doppler là s ự thay đổi tần số của tín hiệu thu so v ới tín
hiệu đã được phát đi do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và
máy thu trong quá trình truy ền sóng. B ản chất của hiện tượng này là
phổ của tín hiệu thu được bị xê dịch đi so với tần số trung tâm m ột
khoảng gọi là tần số Doppler.
1.3.4. Hi ệu ứng bóng râm
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền (gây b ởi sự
che khu ất tầm nhìn th ẳng giữa anten tr ạm gốc với anten tr ạm di
động). Ví d ụ như các toà nhà cao t ầng, các ng ọn núi, đồi,… làm cho
biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hi ện tượng này ch ỉ xảy ra
trên một khoảng cách l ớn, nên t ốc độ biến đổi chậm. Vì v ậy, hiệu
ứng này được gọi là fading ch ậm.
1.3.5. Tr ải trễ
Khi m ột tín hiệu được phát đi trên kênh truy ền dẫn đa đường,
ở bên thu ta s ẽ thu được nhiều tín hiệu đến từ nhiều đường, có độ suy
hao và th ời gian tr ễ khác nhau. Độ trải trễ là lượng thời gian tr ễ lớn
nhất trong khi các tín hi ệu thu được tại đầu thu.
1.4. CÁC D ẠNG KÊNH TRUY ỀN
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truy ền và băng thông c ủa
tín hiệu phát mà ta có:
- Kênh truy ền fading ch ọn lọc tần số và kênh truy ền fading
phẳng.
- Kênh truy ền chọn lọc thời gian và kênh truy ền không ch ọn
lọc thời gian.
1.5. QUAN H Ệ GIỮA TÍN HI ỆU PHÁT, TÍN HI ỆU THU VÀ
MÔ HÌNH C ỦA KÊNH
y(t) = x(t)* )(th=ò
+¥
¥-
- )()( tthtx (1.10)
Trong đó: https://tailieuhoc.net/

7. 5
x(t) là một hàm xác định nào đó và là tín hi ệu phát
y(t) là tín hi ệu thu
)(th là đáp ứng xung c ủa kênh.
Ở miền tần số thay vì phép c ộng của tín hiệu phát v ới kênh
truyền là phép nhân nh ư ở phương trình sau
fjHjXjY pwwww 2);()()( == (1.11)
1.6. KÊNH TRUY ỀN DẪN TRONG MÔI TR ƯỜNG NHI ỄU
TRẮNG
Nhiễu tồn tại trong t ất cả các hệ thống truyền dẫn, các ngu ồn
nhiễu chủ yếu như là do th ời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do
nhiệt độ,... Nhiễu này làm gi ảm tỉ số tín hiệu trên nhi ễu SNR, gi ảm
hiệu quả phổ của hệ thống.
Tạp âm nhi ễu trắng cộng Gauss là lo ại nhiễu phổ biến nhất
trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công su ất là
đồng đều trong c ả băng thông và biên độ tuân theo phân b ố Gauss.
Theo ph ương thức tác động thì nhi ễu Gaussian là nhi ễu cộng. Vì v ậy
tín hiệu thu được viết lại như sau:
)()(*)()( tnhtxty += t (1.20)
1.7. NHI ỄU LIÊN KÍ T Ự ISI
Là xuyên nhi ễu giữa các kí t ự trong kho ảng thời gian T c ủa
các frame FFT liên ti ếp (trong mi ền thời gian), ngh ĩa là các kí t ự
cạnh nhau s ẽ giao thoa v ới nhau d ẫn đến méo d ạng kí tự và máy thu
có thể quyết định sai v ề kí tự này. Hi ện tượng đa đường làm cho m ỗi
sóng mang con tr ải năng lượng đối với những kênh k ế cận, điều này làm
cho tín hi ệu được gửi trước sẽ gây nhiễu lên tín hi ệu đang gửi hiện hành.
Bằng việc chèn ti ền tố vòng, v ấn đề này sẽ được giải quyết.
1.8. NHI ỄU LIÊN SÓNG MANG ICI https://tailieuhoc.net/

8. 6
Nhiễu giao thoa liên sóng mang, được định nghĩa là xuyên
nhiễu (crosstalk) gi ữa các sóng mang ph ụ của cùng m ột frame FFT
(trong mi ền tần số). ICI phá h ủy tính tr ực giao c ủa sóng mang. Nhi ễu
ICI được loại bỏ hoàn toàn nh ờ sử dụng tập tần số trực giao làm t ập
tần số của các kênh ph ụ.
1.9. DUNG L ƯỢNG KÊNH VÔ TUY ẾN
1.10. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 2- K Ỹ THUẬT OFDM
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
2.2. KHÁI NI ỆM
Nguyên lý c ơ bản của OFDM là chia m ột luồng dữ liệu tốc
độ cao thành các lu ồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên
một số các sóng mang con tr ực giao.
2.3. SO SÁNH FDM VÀ OFDM
- Trong FDM, tín hi ệu truyền cần có kho ảng bảo vệ tần số
giữa các kênh để đảm bảo không b ị chồng phổ, vì vậy không có hi ện
tượng giao thoa liên kí t ự ISI (Inter symbol Interference) gi ữa những
sóng mang. Điều này làm gi ảm hiệu quả phổ.
- Trong OFDM t ất cả các sóng mang th ứ cấp trong tín hi ệu
được đồng bộ thời gian và t ần số với nhau, cho phép ki ểm soát t ốt can
nhiễu giữa các sóng mang v ới nhau. Các sóng mang này ch ồng lấp trong
miền tần số nhưng không gây can nhi ễu giữa các sóng mang ICI (Inter
Carrier Interference) do b ản chất trực giao của điều chế.
2.4 TÍNH TR ỰC GIAO
Tại vị trí đỉnh của sóng mang này s ẽ là null ( điểm không)
của các sóng mang còn l ại, nên các sóng mang này s ẽ không gây
nhiễu lẫn nhau. https://tailieuhoc.net/

9. 7
2.5. CẤU TRÚC OFDM
Cấu trúc mi ền tần số OFDM g ồm 3 loại sóng mang con:
- Sóng mang con d ữ liệu cho truy ền dữ liệu.
- Sóng mang con d ẫn đường cho m ục đích ước lượng và đồng bộ.
- Sóng mang con vô d ụng (null) không để truyền dẫn, được
sử dụng cho các b ăng bảo vệ và các sóng mang DC.
2.6. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM
















Hình 2.7 S ơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dòng d ữ liệu đầu vào v ới tốc độ cao được chia
thành nhi ều dòng d ữ liệu song song t ốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển
đổi nối tiếp-song song. M ỗi dòng d ữ liệu song song sau đó được mã
hóa (Conv. Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng
bộ xen rẽ (Interleaver). Sau khi đã được mã hóa và xen r ẽ, các dòng
bit trên các nhánh s ẽ được điều chế số (ánh xạ vào biên độ và pha
của sóng mang ph ụ) bằng bộ MQAM mapping và được đưa đến đầu https://tailieuhoc.net/

10. 8
vào của khối IFFT. Kh ối IFFT có nhi ệm vụ biến đổi phổ của dữ liệu
từ miền tần số sang mi ền thời gian. Sau đó tiền tố lặp CP (Cyclic
Prefix) được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký t ự (ISI), nhi ễu xuyên
kênh (ICI) do truy ền trên các kênh vô tuy ến di động đa đường. Cuối
cùng th ực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công su ất và phát đi từ
anten.
Trong quá trình truy ền, trên các kênh s ẽ có các ngu ồn nhiễu
tác động đến như nhiễu Gausian tr ắng, fading Rayleigh, d ịch
Doppler, tr ải trễ…
Bên phía thu, tín hi ệu thu được chuyển xuống tần số thấp và
tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Kho ảng bảo vệ được loại
bỏ và các m ẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang mi ền tần số
bằng phép bi ến đổi FFT. Sau đó, tùy vào s ơ đồ điều chế được sử
dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha c ủa các sóng mang con s ẽ
được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Sau cùng, chúng ta nh ận
lại được dòng d ữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuy ển từ song song
về nối tiếp.
2.7. ĐỒNG BỘ
Đồng bộ là một trong nh ững vấn đề đang rất được quan tâm
trong kỹ thuật OFDM b ỡi nó có ý ngh ĩa quyết định đến khả năng cải
thiện các nhược điểm của OFDM. N ếu không đảm bảo sự đồng bộ về
tần số sóng mang thì s ẽ dẫn đến nguy c ơ mất tính tr ực giao gi ữa các
sóng mang nhánh, làm cho h ệ thống OFDM m ất đi các ưu điểm đặc
trưng nhờ sự trực giao này. Trong h ệ thống OFDM, có ba lo ại đồng
bộ khác nhau là: đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang và đồng
bộ tần số lấy mẫu.
2.8. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM
2.8.1.Ưu điểm https://tailieuhoc.net/

11. 9
- Tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
- Chịu đựng tốt fading ch ọn lọc tần số.
- Chống được ảnh hưởng của nhiễu liên kí t ự ISI và nhi ễu
liên sóng mang ICI.
- Sự phức tạp của máy phát và máy thu gi ảm đáng kể nhờ sử
dụng FFT và IFFT.
2.8.2. Nh ược điểm
- Nhạy với dịch tần số.
- Tại máy thu, s ẽ rất khó kh ăn trong vi ệc quyết định vị trí
định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI, ISI.
- Tỉ số công su ất đỉnh trên công su ất trung bình PAPR l ớn.
2.9. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA OFDM
2.10. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 3 - H Ệ THỐNG MIMO - OFDM
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
MIMO-OFDM là h ệ thống kết hợp được các ưu điểm của hệ
thống MIMO và h ệ thống OFDM, trong đó việc cải thiện dung
lượng, tốc độ hệ thống cũng như vấn đề giảm nhiễu, giảm kích th ước
và sự phức tạp của máy thu-phát là nh ững ưu điểm nổi bật.
Với những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và k ỹ thuật
OFDM, vi ệc kết hợp hệ thống MIMO và k ỹ thuật OFDM là m ột giải
pháp hứa hẹn cho các h ệ thống thông tin không dây b ăng rộng như
Wimax, LTE.
3.2. TỔNG QUAN V Ề HỆ THỐNG MIMO – OFDM
3.2.1. Mô hình h ệ thống MIMO
Mô hình h ệ thống MIMO được biểu diễn dưới dạng đơn giản
như sau: y = Hx + n https://tailieuhoc.net/

12. 10
trong đó:
RN
CyÎ biểu diễn tín hiệu nhận NR anten (NR chiều)
T
N
CxÎ biểu diễn tín hiệu phát từ NT anten (NT chiều)
R
N
CnÎ kí hiệu nhiễu Gauss tr ắng N(0, σ
2
)
TR
NN
CH
´
Î là ma tr ận kênh truy ền chứa các hệ số phức hij,
kích thước NR x NT , hij có biên độ và độ dịch pha ng ẫu nhiên ph ụ
thuộc vào sự biến đổi của kênh truy ền, mỗi hệ số hij biểu diễn độ lợi
của kênh truy ền từ anten phát j đến anten thu i.
3.2.2. Dung l ượng của hệ thống MIMO
Dung lượng kênh truy ền MIMO được tính theo bi ểu thức sau :


Bít/s/Hz (3.9)
Tuỳ thuộc về thông tin tr ạng thái kênh truy ền CSI (Channel
State Information) được biết tại cả hai nơi phát và n ơi thu hay CSI
chỉ biết tại nơi thu, mà dung l ượng kênh truy ền có thể khác nhau do
cách phân ph ối công su ất tối ưu hay đồng đều tại anten phát.

3.2.3. Mô hình h ệ thống MIMO-OFDM











Hình 3.4 Mô hình h ệ thống MIMO-OFDM
Giả sử sơ đồ sử dụng NT anten phát và N R anten thu. https://tailieuhoc.net/

13. 11
ú
ú
ú
ú
ú
û
ù
ê
ê
ê
ê
ê
ë
é
=
)()()(
)()()(
)()()(
)(
21
22221
11211
khkhkh
khkhkh
khkhkh
kH
TRRR
T
T
NNNN
N
N
L
MOMM
L
L
Kỹ thuật OFDM s ử dụng bộ chuyển đổi nối tiếp-song song
để chia kênh truy ền chọn lọc tần số thành N kênh truy ền con fading
phẳng. Hệ thống MIMO-OFDM có ch ức năng tương đương như hệ
thống MIMO. Kênh truy ền hệ thống MIMO-OFDM có th ể mô tả
thông qua ma tr ận H như sau:


(3.10)


Trong đó )(kh
ij là độ lợi kênh truy ền từ anten phát th ứ j
tới anten thu th ứ i tại sóng mang ph ụ thứ k.

3.3. CÁC K Ỹ THUẬT PHÂN T ẬP TRONG H Ệ THỐNG
MIMO-OFDM
3.3.1. Phân t ập thời gian
Là kỹ thuật sử dụng đối với kênh truy ền biến đổi theo th ời
gian, điều này th ường xảy ra đối với các trường hợp máy thu hay
máy phát đang chuyển động tương đối với nhau.
Phân tập thời gian có th ể thu được tín hiệu qua mã hoá và
xen kênh.
3.3.2. Phân t ập không gian
Sử dụng nhiều anten được xếp trong không gian t ại phía phát
hoặc phía thu để phát ho ặc thu tín hi ệu. Các anten được phân chia ở
những khoảng cách đủ lớn sao cho tín hi ệu không b ị tương quan v ới
nhau. Yêu c ầu về khoảng cách gi ữa các anten tùy thu ộc vào độ cao
của anten, môi tr ường lan truy ền và tần số làm vi ệc. Khoảng cách https://tailieuhoc.net/

14. 12
điển hình kho ảng vài b ước sóng là đủ để các tín hi ệu không b ị tương
quan với nhau.
Có thể chia phân t ập không gian thành 3 lo ại: Phân tập anten
phát, phân t ập anten thu, phân t ập anten phát và thu.
3.3.3. Phân t ập tần số
Sử dụng các thành ph ần tần số khác nhau để phát cùng m ột
thông tin. Các t ần số cần được phân chia để đảm bảo các tín hi ệu
truyền không b ị tương quan v ới nhau và b ị ảnh hưởng fading m ột
cách độc lập. Khoảng cách gi ữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng
thông nh ất quán để đảm bảo rằng fading trên các t ần số khác nhau là
không t ương quan với nhau.
3.4. NH ỮNG LỢI ÍCH C ỦA HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.4.1. Độ lợi mảng (Beamforming)
3.4.2. Độ lợi ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing)
3.4.3. Độ lợi phân t ập (Spatial Diversity)
3.4.4. Tri ệt nhiễu giao thoa
3.5. MÃ HOÁ KHÔNG GIAN-TH ỜI GIAN STC
Môi trường vô tuy ến trong tr ường hợp bị các hiện tượng đa
đường và tán x ạ mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn
độc lập. Thay vì tìm m ọi cách để chống lại hiện tượng đa đường, mã
hoá không gian th ời gian l ợi dụng tính ch ất này để nâng cao dung
lượng kênh truy ền. Với một chuỗi symbol vào b ộ mã hoá không gian
thời gian s ẽ chọn các điểm tương ứng trên gi ản đồ chòm sao để
truyền đồng thời tại tất cả các anten qua đó tăng độ lợi ghép kênh và
độ lợi phân tập.
3.6. ẢNH HƯỞNG CỦA PAPR TRONG H Ệ THỐNG MIMO-
OFDM https://tailieuhoc.net/

15. 13
2
0
2
0
|)(|
|)(|
PAPR
tsMean
tsMax
Tst
Tst
<<
<<
=
- Tỉ số công su ất đỉnh trên công su ất trung bình PAPR
(Peak_to_Average Power Ratio) là m ột trong nh ững hạn chế cơ bản
của kĩ thuật OFDM trong các h ệ thống MIMO-OFDM. Khi t ỉ số này
cao, việc sử dụng bộ khuếch đại công su ất sẽ không đạt hiệu suất cao
vì phải dành d ự trữ công su ất để tránh nhi ễu phi tuy ến. Như vậy,
giảm PAPR là yêu c ầu quan tr ọng của hệ thống MIMO-OFDM.
- PAPR được định nghĩa là tỉ số công su ất đỉnh tức thời trên
công su ất trung bình. Được biểu diễn bởi công th ức toán học sau:


(3.28)
3.7. CÔNG NGH Ệ MIMO-OFDM TRONG THÔNG TIN DI
ĐỘNG TƯƠNG LAI











Hình 3.19 L ộ trình phát tri ển của thông tin di động
3.8. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.8.1. Ưu điểm https://tailieuhoc.net/

16. 14
Hệ thống MIMO-OFDM cho phép thông tin t ốc độ cao,
khả năng loại bỏ hiện tượng nhiễu liên sóng mang (ICI), s ử dụng
băng thông h ệ thống rất hiệu quả, làm tăng hiệu suất trải phổ.
Sự phân tập (Diversity) làm t ăng khả năng chống nhiễu liên
kênh. Không ph ải chịu tổn thất trong truy ền dẫn thời gian ho ặc băng
thông. T ăng tỷ lệ trung bình tín hi ệu/nhiễu (SNR) thu được và vì
thế cải thiện vùng ph ủ sóng.
3.8.2. Nh ược điểm
Tỷ số công su ất đỉnh trên công su ất trung bình PAPR l ớn, rất
nhạy với độ lệch tần số, việc ước lượng kênh có độ phức tạp cao.
3.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 4 - ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUY ỀN TRONG H Ệ
THỐNG MIMO-OFDM
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
4.2. KHÁI QUÁT V Ề ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUY ỀN
Ước lượng kênh nh ằm mục đích giảm sự sai khác c ủa hàm
truyền của kênh phát so v ới kênh thu do nhi ều nguyên nhân trong
quá trình truy ền dẫn. Ước lượng kênh là m ột trong nh ững yêu c ầu
đầu tiên và c ần thiết của hệ thống OFDM.
Có thể thực hiện ước lượng kênh theo nhi ều cách khác nhau:
có hoặc không có s ự hỗ trợ của mô hình tham s ố, dùng m ối tương
quan tần số hoặc thời gian c ủa kênh vô tuy ến, dựa vào blind ho ặc
pilot (training), thích nghi ho ặc không thích nghi. Ph ương pháp ước
lượng dựa vào pilot là ph ương pháp s ử dụng phổ biến nhất được áp
dụng trong h ệ thống mà phía phát phát m ột số tín hiệu đã biết.
Ngược lại ước lượng blind hi ếm khi được sử dụng trong h ệ thống
OFDM. Ph ương pháp ước lượng thích nghi s ử dụng đặc thù cho
kênh bi ến đổi nhanh theo th ời gian. https://tailieuhoc.net/

17. 15
ú
û
ù
ê
ë
é
=
ú
û
ù
ê
ë
é
20
01
2Anten
1Anten
S
S
k
r
k
u
M
u
k
ru
k
r nXHY
T
+=å
=1
,
4.3. ƯỚC LƯỢNG KÊNH CHO H Ệ THỐNG MIMO-OFDM












Hình 4.3 S ơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM
Với hệ thống MIMO 2 anten phát và 2 anten thu, tín hi ệu
dẫn đường được bố trí như sau


Để đơn giản trong vi ệc phân tích toán h ọc, ta giả sử rằng
độ dài kho ảng bảo vệ GI (Guard Interval) l ớn hơn trễ lớn nhất
của tất cả các đường truy ền dẫn giữa anten phát và thu. Ở bên
phát, tín hi ệu dẫn đường được chèn vào trong dòng d ữ liệu ở cả
miền thời gian và t ần số. Tín hi ệu dẫn đường được bên phát
truyền đi đều đặn theo chu k ỳ thời gian. Ở bên thu, tín hi ệu dẫn
đường nhận được sẽ được tách ra t ừ dòng tín hi ệu thu được và
đưa tới bộ ước lượng kênh. Xem nh ư tín hiệu dẫn đường nhận
được trong mi ền tần số, nghĩa là sau khi áp d ụng biến đổi
Fourier r ời rạc. Ký hiệu này có th ể được viết theo ph ương trình:


(4.3) https://tailieuhoc.net/

18. 16
),(
,,
0
),(
,,
ur
lqqsg
Q
q
n
ur
mnl
cmNNbh ++=å
=
Trong đó:
k
r
Y
là tín hi ệu dẫn đường nhận được từ sóng mang con ph ụ k
ở anten thu r
k
rtH
,
là các hệ số kênh truy ền trong mi ền tần số giữa anten
phát t và anten thu r.
k
t
X
là tín hi ệu dẫn đường
k
r
n
là nhiễu trắng Gauss
MT là số lượng anten phát
4.4. MÔ HÌNH H Ệ THỐNG
4.4.1. Mô hình phát
÷
ø
ö
ç
è
æ
=å
-
= N
knj
X
N
x
N
k
u
mk
u
mn
p2
exp
1
1
0
)(
,
)(
,
(4.14)
Với { },...,0,...,1
g
nNNÎ-- ,
g
N là độ dài tiền tố lặp .
()
,
u
km
X là dữ liệu điều chế sóng mang con th ứ k (hoặc là pilot) c ủa ký
tự thứ m OFDM t ừ anten phát th ứ u .
4.4.2. Mô hình kênh truy ền chọn lọc với BEMs

(4.15)

Với { }0,...1,lLÎ-
Sg
NNN=+ là độ dài ký t ự OFDM
sau khi chèn ti ến tố lặp CP.
Với n=0,…N-1; m = 0,…M-1; M = data + pilot
Tốc độ người dùng điện thoại di động là không thay đổi trong
một burst. L th ể hiện chiều dài kênh truy ền.
,
ngs
bNmNq++ với q là giá tr ị của hàm c ơ bản thứ q trong
mô hình BEM ,
(,)
,
ru
ql
c
là hệ số BEM c ủa mô hình kênh truy ền.
Q là hệ số của hàm c ơ bản được sử dụng trong mô hình c ơ sở
mở rộng, được xác định như hình 4.5 https://tailieuhoc.net/

19. 17















Hình 4.5 Các k ết quả MSE chu ẩn hóa của DPS-BEM – d ựa
vào phép tính x ấp xỉ các kênh bi ến đổi theo th ời gian
4.4.3 Mô hình tín hi ệu đầu thu


1
()(,)()()
,,,,,
10
,
t
NL
rruur
nmlnmnlmnm
ul
yhxz
-
-
==
=+åå (4.19)

Trong đó n=0,…,N-1 và
()
,
r
nm
z là nhiễu trắng Gausian
(AWGN) .T là th ời gian lấy mẫu.
4.4.4. Ước lượng hệ số BEM và ước lượng kênh truy ền
Trong ước lượng Bayesian, các thông s ố của kênh truy ền được
coi là các bi ến ngẫu nhiên (v ới số liệu thống kê đã biết trước) để ước
tính, các m ẫu tín hiệu đầu thu tương ứng với ký tự P pilot có th ể viết
dưới dạng vector nh ư sau:
,yScz=+ (4.20)
a. Kỹ thuật ước lượng MAP https://tailieuhoc.net/

20. 18
Dựa vào ph ương pháp Bayesian và các m ẫu tín hi ệu thu
được ở miền thời gian, chúng ta có th ể ước lượng hệ số BEM b ằng
cách sử dụng nguyên lý ước lượng MAP (maximum-a-posteriori) và
được xác định như sau:
( )
1
1
0
HH
c
cSSRNSy
Ù
-
-
=+ (4.24)
b. Kỹ thuật ước lượng ML
Không gi ống như cách tiếp cận Bayes, h ướng tiếp cận Fisher
đơn giản hơn vì bên thu không c ần biết qui lu ật biến đổi của kênh
truyền. Ước lượng ML c ủa hệ số BEM được biểu diễn như sau:

()
1
HH
cSSSy
Ù
-
=
(4.26)
Sau khi ước lượng được hệ số BEM ta có th ể ước lượng
được đáp ứng xung kênh truy ền như sau: (,)(,)ruru
L
hBc
ÙÙ
= (4.27)

4.5. MÔ PH ỎNG
Chúng ta s ẽ thực hiện mô ph ỏng ước lượng kênh truy ền và hệ số
BEM, s ử dụng các mô hình c ơ sở mở rộng là CE-BEM, GCE-BEM,
DPS-BEM, KL-BEM. S ố anten phát là 2, s ố anten thu là 2, Q =5,
FFT=128, t ần số lẫy mẫu
s
f =1.92MHz và t ần số sóng mang
c
f=2GHz. Chi ều dài CP là 10 m ẫu (
g
N=10). Trong m ỗi burst
truyền gồm 7 mẫu ( gồm dữ liệu và pilot). S ố pilot sử dụng là ký t ự
cho mỗi burst. S ử dụng điều chế 64-QAM. Trong k ết quả lấy ở hình
mô phỏng, mỗi điểm vẽ thể hiện MSE được lấy trung bình c ủa 1000
kết quả khác nhau để có kết quả chung nh ất. Tốc độ người dùng, v ị
trí chèn pilot ,t ất cả có thể thay đồi để ta có th ể so sánh các k ết quả
mô phỏng với những điều kiện khác nhau thông qua giao di ện GUI
Matlab. https://tailieuhoc.net/

21. 19
4.5.1. Sơ đồ xử lý tín hiệu thu, phát
4.5.2. Lưu đồ thuật toán ch ương trình mô ph ỏng
4.5.3. Kết quả mô phỏng
a. Ước lượng MAP













Hình 4.10 MSE c ủa hệ số BEM theo MAP















Hình 4.11 MSE c ủa đáp ứng xung kênh tuy ền h theo MAP https://tailieuhoc.net/

22. 20
Nhận xét
Trong ước lượng MAP thì k ết quả ước lượng dựa vào mô hình
DPS – KL là t ốt nhất, trong m ột số trường hợp thì kết quả mô phỏng
MSE của h dựa vào mô hình c ơ sở mở rộng DPS và KL là trùng
nhau, còn k ết quả mô phỏng MSE d ựa vào mô hình CE là kém nh ất.
Ta thấy MSE càng gi ảm khi SNR càng t ăng lên, do công su ất
phát càng l ớn so với công su ất nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu sẽ
không đáng kể, chất lượng của hệ thống sẽ tốt hơn.
b. Ước lượng ML












https://tailieuhoc.net/

23. 21
Hình 4.12 MSE c ủa hệ số BEM theo ML
















Hình 4.13 MSE c ủa đáp ứng xung kênh tuy ền h theo ML
Nhận xét
- Trong ước lượng ML thì k ết quả ước lượng dựa vào mô hình
DPS-KL là t ốt nhất, trong m ột số trường hợp thì kết quả mô phỏng
MSE của h dựa vào mô hình c ơ sở mở rộng DPS và KL là trùng
nhau, còn k ết quả mô phỏng MSE d ựa vào mô hình CE là kém nh ất.
- Qua mô ph ỏng, ta th ấy ước lượng MAP có k ết quả tốt hơn so
với kỹ thuật ước lượng ML. Vì trong công th ức ước lượng MAP có
thêm công su ất nhiễu nhiệt trung bình N 0. Vì vậy kết quả ước lượng
của MAP t ốt hơn ML, nh ất là với SNR th ấp thì MSE (Mean Square
Error) c ủa MAP nh ỏ hơn ML nhi ều vì khi đó N0 khá lớn và ảnh
hưởng nhiều đến kết quả.
- Ta thấy MSE càng gi ảm khi SNR càng t ăng lên, do công su ất
phát càng l ớn so với công su ất nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu sẽ
không đáng kể, chất lượng của hệ thống sẽ tốt hơn. https://tailieuhoc.net/

24. 22
4.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong ch ương cuối này đã thực hiện chương trình mô ph ỏng
ước lượng kênh truy ền cho m ạng di động trong h ệ thống MIMO-
OFDM s ử dụng kỹ thuật ước lượng ML (Maximum Likelihood) theo
hướng tiếp cận Fisher và s ử dụng kỹ thuật ước lượng MAP
(Maximum-A-Posteriori) theo h ướng tiếp cận Bayesian. V ới việc so
sánh ước lượng kênh gi ữa ML và MAP cùng v ới các mô hình khai
triển cơ bản (BEMs- basis expansion models) cho ta th ấy được
những ưu nhược điểm của từng ph ương pháp. T ừ đó
giúp ta xác định được các ứng dụng cụ thể để lựa chọn từng phương
pháp cho phù h ợp nhằm đạt được hàm truy ền của kênh m ột cách tốt
nhất so với yêu cầu đề ra.

https://tailieuhoc.net/

25. 23
KẾT LUẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN ĐỀ TÀI

1. KẾT LUẬN
Ước lượng kênh truy ền là một khâu c ực kì quan tr ọng trong
việc khôi ph ục lại tín hiệu, ngoài ra nó còn giúp cho v ấn đề đồng bộ
được thực hiện tốt hơn. Nghiên c ứu việc ước lượng kênh truy ền, luận
văn đã tập trung vào hai k ĩ thuật ước lượng kênh truy ền khác nhau
trong hệ thống MIMO-OFDM. B ằng cách s ử dụng các hàm c ơ sở
khác nhau để xấp xỉ sự thay đổi thời gian c ủa kênh, vi ệc triển khai
các mô hình khai tri ển cơ bản (BEMs) làm gi ảm đáng kể không gian
biểu diễn kênh, vì th ế giúp gi ải quyết khả năng nhận biết và để cho
phép ước lượng đáng tin c ậy về đáp ứng kênh truy ền trong truy ền
dẫn MIMO-OFDM.
Luận văn cũng đã đưa ra kết quả mô phỏng để so sánh các k ỹ
thuật ước lượng khác nhau. Qua mô ph ỏng, ta th ấy ước lượng MAP
có kết quả tốt hơn so với kỹ thuật ước lượng ML. Vì trong công th ức
MAP có thêm công su ất nhiễu nhiệt trung bình N 0. Nhất là với SNR
thấp thì MSE (Mean Square Error) c ủa MAP nh ỏ hơn ML nhi ều vì
khi đó N0 khá lớn và ảnh hưởng nhiều đến kết quả.
Ta thấy MSE càng gi ảm khi SNR càng t ăng lên, do công su ất
phát càng l ớn so với công su ất nhiễu thì ảnh hưởng của nhiễu sẽ
không đáng kể, chất lượng của hệ thống sẽ tốt hơn.
2. HƯỚNG PHÁT TRI ỂN CỦA ĐỀ TÀI
Công ngh ệ MIMO-OFDM đang và s ẽ được ứng dụng rất
nhiều trong các h ệ thống viễn thông t ốc độ cao và đang phát tri ển
không ng ừng vì nh ững ưu điểm của nó. K ỹ thuật ước lượng kênh
truyền càng tr ở nên cần thiết trong các máy phát c ũng như máy thu
để đảm bảo được chất lượng tín hi ệu cũng như tốc độ ngày càng https://tailieuhoc.net/

26. 24
cao. Đây là m ột chủ đề đầy hứa hẹn trong vi ệc nghiên c ứu sử
dụng công ngh ệ MIMO- OFDM.
Luận văn đã tập trung nghiên c ứu vấn đề ước lượng kênh
truyền trong truy ền dẫn MIMO-OFDM c ủa mạng di động, trong đó
ước lượng đáp ứng kênh truy ền để đảm bảo kết nối liên tục và tốc
độ truy cập cho đầu cuối trong tr ường hợp di chuyển với tốc độ cao.
Tuy nhiên, ở đây vấn đề đồng bộ tần số lấy mẫu và thời điểm lấy
mẫu được giả định hoàn h ảo.
Trên cơ sở đã tìm hi ểu lý thuy ết về các kỹ thuật ước lượng
kênh truy ền, hướng phát tri ển đề tài được đề xuất như sau:
- Nghiên c ứu kết hợp ước lượng kênh và tính toán đồng
bộ tần số lấy mẫu và th ời điểm lấy mẫu tín hi ệu phát để có thể
thu được tín hi ệu thu đạt được hiệu suất cao hơn nữa, đáp ứng cho
tốc độ truy cập ngày càng cao ngay c ả trong điều kiện thuê bao di
chuyển nhanh c ủa mạng di động 4G .
- Tăng số lượng anten phát và k ết hợp thêm các ph ương pháp mã
hóa kênh vào h ệ thống OFDM để bên thu có th ể phát hiện và sửa lỗi.
- Thực hiện thêm các k ỹ thuật ước lượng khác nh ư ước
lượng thích nghi (b ộ ước lượng Kalman), n ội suy…

https://tailieuhoc.net/