mimo va ud ma turbo

8/18/2019 Mimo va UD ma Turbo

1/105

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-----------oOo----------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Điện tử -Viễn Thông H ệ: Chính quy

Niên khóa: 2004-2009

Đề tài:

Mã số đề tài: 08404160282

Giáo viên hướng dẫn : Thầy HỒ VĂN CỪU Thầy LÊ CHU KHẨN

Sinh viên thực hiện : VŨ ĐÌNH ĐỒNG

LỚP : Đ04VTA1MSSV : 404160022

Năm 2008


2/105

LỜI CÁM ƠN

Sau nhiều năm được học tập tại Học Viện Bưu Chính ViễnThông em đã được tiếp thu được rất nhiều kiến thức quý báu từ

phía các thầy cô, bạn bè, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa ĐiệnTử - Viễn Thông. Đến hôm nay nó là nền tảng vững chắc để giúpem có đủ tự tin và nghị lực đển chuẩn bị vào đời.

Để hoàn thành cuốn luận văn này em xin chân thành cảm ơncác thầy cô Học Viện Bưu Chính Viễn Thông.

Đặc biệt hơn cả là Thầy Hồ Văn Cừu và Thầy Lê Chu Khẩnđã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cũng như cung cấp tài liệu để emhoàn thành cuốn luận văn này.

Cám ơn tất cả các bạn bè của tôi đã giúp đỡ, ủng hộ tôi hếtmình.

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ba mẹ, anh và em tôi đãquan tâm, lo lắng, động viên tôi trong suốt quá tr ình học tập.

Xin chân thành cảm ơn !

Hồ Chí Minh, 25 tháng 11 năm 2008 Vũ Đình Đồng


3/105

MSĐT: 08404160282 Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công nghệ viễn thông đã tr ở thành một phần rất quan trọng trong cuộcsống, các hệ thống thông tin vô tuyến đã mở ra một chiều hướng mới về phương tiện liênlạc. Con người có thể liên lạc với nhau tại mọi nơi, mọi lúc. Các hệ thống di động thế hệthứ 2, thứ 3 có thể cung cấp tốc độ dữ liệu từ 9,6 kbps đến 2 Mbps. Gần đây, các mạngLAN vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 có thể truyền thông tại tốc độ khoảng 54 Mbps..Trong vài năm nữa, 4G (thế hệ di động thứ tư) sẽ được chuẩn hoá. Một số giải pháp triểnvọng để cải tiến hiệu suất của hệ thống một cách đáng kể đã được đưa ra. Một trong cáccông nghệ truyền thông vô tuyến di động tương lai có triển vọng nhất là sử dụng nhiều

phần tử anten tại máy phát và máy thu (Multi Input Multi Output).Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng lên r ất nhiều nên nó gây được nhiều sự

quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu về lĩnh vực vô tuyến. Dung lượng của hệ thốngMIMO tỷ lệ tuyến tính với số lượng anten được sử dụng tại hai đầu cuối. Tuy nhiên, dunglượng này thu được bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp ở cả hai đầucuối. Vài năm trở lại đây, các nhà nghiên cứu đã đưa ra mã hóa không gian – thời gian.Mã hóa không gian – thời gian là một kỹ thuật xử lý tín hiệu/ mã hóa sử dụng nhiều anten

phát và anten thu. K ỹ thuật mã hóa này còn được gọi là k ỹ thuật điều chế mã hóa haichiều vì trong k ỹ thuật này tín hiệu được mã hóa k ết hợp với điều chế và phân tập khônggian. K ỹ thuật này được đánh giá là một kỹ thuật cung cấp tốc độ truyền dẫn cao đồngthời lại có thể đảm bảo tính tin cậy cho đường truyền vô tuyến.

Đi song song với vấn đề nâng cao dung lượng của hệ thống thì vấn đề sửa lỗi cũngđược quan tâm r ất nhiều. Hiện nay mã Turbo là một trong những loại mã có khả năng sửalỗi gần tiến tới giới hạn Shannon.

Chính vì những vấn đề trên, em đã lựa chọn đề tài của mình là: “Nghiên cứu kỹthuật MIMO và ứng dụng mã Turbo trong mô hình hệ thống MIMO”. Đề tài tiến hành nghiên cứu các nội dung theo bố cục 4 chương và chương tr ình mô phỏng:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống MIMO Trình bày một cách tổng quan về hệ thống MIMO, ưu và nhược điểm của hệ thống.

Sau đó là xem xét dung lượng của hệ thống MIMO trong k ênh truyền và so sánh với cáchệ thống SISO.MISO và SIMO.Chương 2: Giới thiệu về mã hóa không gian – thời gian

Giới thiệu mã khối không gian – thời gian và mã Trellis không gian – thời gian. Đưara k ết quả mô phỏng và so sánh khả năng thực thi của hai loại mã hóa này.Chương 3: Mã Turbo

Trình bày về mã Turbo và các thuật toán giải mã lặp. Chương 4: Ứng dụng mã Turbo trong mô hình hệ thống MIMO

Ứng dụng các nguyên lý mã hóa và giải mã lặp của mã Turbo vào trong mã hóakhông gian – thời gian, chúng ta sẽ có một loại mã hóa khá mới đó là: Space – TimeTurbo Trellis Code. Và đưa ra kết quả so sánh với mã Trellis không gian – thời gian.


4/105

MSĐT: 08404160282 Lời mở đầu

Chương tr ình mô phỏng Trình bày giao diện chương tr ình và k ết quả mô phỏng.

Nhờ sự quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của Thầy Hồ Văn Cừu và ThầyLê Chu Khẩn. Cùng với nỗ lực của bản thân, cuốn luận văn này đã được hoàn tất với mứcđộ nhất định. Vì trình độ và thời gian có hạn nên cuốn luận văn này chắc chắc không

tránh khỏi những sai sót. Rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các ý kiếnđóng góp của các bạn bè.

Một lần nữa xin tỏ lòng biết ơn đến tất cả các thầy cô, gia đ ình và bạn bè đã giúp emhoàn thành cuốn luận văn này

Trân tr ọng

Vũ Đình Đồng


5/105

MSĐT: 08404160282 M ục lục

Trang 1

Mục lục

Mục lục các hình vẽ ............................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO

1.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 5 1.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO ......................................................... 7

1.2 Hệ thống MIMO .............................................................................................................. 81.2.1 Dung lượng hệ thống MIMO .................................................................................. 101.3.2 Dung lượng MIMO khi máy phát biết được CSI .................................................. 141.3.3 Dung lượng MIMO khi máy phát chưa biết được CSI ......................................... 151.3.4 Các trường hợp đặc biệt ......................................................................................... 16

1.3.4.a. Dung lượng k ênh SIMO ................................................................................. 161.3.4.b. Dung lượng k ênh MISO ................................................................................. 17

1.3.5 Dung lượng của k ênh ngẫu nhiên .......................................................................... 181.3.5.b. Dung lượng hao hụt (outage) .......................................................................... 21

1.3.6 Ảnh hưởng của tương quan Fading trên dung lượng MIMO ............................... 221.3.7 Ảnh hưởng của LOS trên dung lượng k ênh MIMO.............................................. 251.3.8 Ảnh hưởng của XPD trên dung lượng MIMO ...................................................... 26

1.4 Các loại máy thu sử dụng trong hệ thống MIMO ........................................................ 281.5 Các phương pháp tăng mức độ đa dạng của đường truyền trong MIMO .................. 291.6 Tổng kết ......................................................................................................................... 31

CHƯƠNG 2: MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN 2.1 Giới thiệu ........................................................................................................32

2.2 Mã khối không gian - thời gian STBC .......................................................................... 322.2.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 32

2.2.2 Mã không gian- thời gian Alamouti ....................................................................... 322.2.2.a Giải mã Maximum Likelihood ........................................................................ 342.2.2.b Kết hợp tỉ số tối đa (MRC-Maximum Ratio Combining) .............................. 352.2.2.c Chất lượng của sơ đồ Alamouti ....................................................................... 352.2.2.d Các đặc điểm của phương pháp Alamouti ...................................................... 36

2.2.3 Cấu trúc chung mã khối không gian thời gian STBC ........................................... 362.2.4 Kết quả mô phỏng................................................................................................... 38

2.3 Mã Trellis không gian – thời gian STTC ...................................................................... 392.3.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 392.3.2 Các hệ thống mã không gian thời gian .................................................................. 392.3.3 Tiêu chuẩn thiết kế từ mã không gian-thời gian ................................................... 41

2.3.4 Xác suất lỗi trong k ênh Fadinh chậm .................................................................... 422.3.4.b Giới hạn trên của PEP khi rMR


6/105

MSĐT: 08404160282 M ục lục

Trang 2

2.3.6.b Ví dụ sử dụng 4-PSK ....................................................................................... 542.3.7 Phân tích hoạt động của STTC trong k ênh Fading chậm ..................................... 582.3.8 Phân tích hoạt động của STTC trong k ênh Fadinh nhanh ................................... 59

2.4 So sánh STBC và STTC ................................................................................................ 592.4 Tổng kết ......................................................................................................................... 60

CHƯƠNG 3: MÃ HÓA TURBO

3.1 Giới thiệu về mã Turbo ................................................................................................. 613.2 Bộ mã hóa xoắn hệ thống đệ quy RSC.......................................................................... 623.2.1 Mã xoắn hệ thống đệ quy RSC ............................................................................... 623.2.2 Các bộ mã hóa xoắn đệ quy và không đệ quy ........................................................ 633.2.3 Kết thúc Trellis ....................................................................................................... 643.2.4 Bộ giải mã ngõ vào mềm-ngõ ra mềm SISO .......................................................... 65

3.2.4a. Quyết định cứng và quyết định mềm .............................................................. 653.3 Bộ mã hóa Turbo ........................................................................................................... 66

3.3.1 Bộ ghép xen ............................................................................................................. 673.3.1a. Bộ ghép xen ma trận (bộ ghép xen chèn khối) ................................................ 683.3.1.b. Bộ ghép xen Helical ........................................................................................ 69

3.3.1c. Bộ ghép xen giả ngẫu nhiên ............................................................................. 693.4 Bộ giải mã Turbo ........................................................................................................... 693.4.1 Tổng quan về các thuật toán giải mã ..................................................................... 693.4.2 Giải thuật MAP ...................................................................................................... 723.4.3 Nguyên lý của bộ giải mã Viterbi ngõ ra mềm ...................................................... 73

3.4.3.a Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát .................................................... 743.4.3.b Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA .................................................................... 76

3.5 Tổng kết ......................................................................................................................... 78CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG MIMO

4.1 Giới thiệu ....................................................................................................................... 794.2 Xây dựng mã STTC đệ quy........................................................................................... 794.2.1 Hiệu suất của STTC đệ quy.................................................................................... 82

4.3 Space Time Turbo Trellis Code .................................................................................... 834.3.1 Sơ đồ mã hóa Space Time Turbo Trellis Code ...................................................... 834.3.2 Thuật toán giải mã .................................................................................................. 84

4.3 Kết quả mô phỏng ST Turbo TC .................................................................................. 874.3.1 So sánh ST Turbo TC với STTC ............................................................................ 884.3.2 Khả năng sửa lỗi của số lần lặp .............................................................................. 884.3.3 Hiệu suất của tương quan anten ............................................................................ 904.3.4 Hiệu suất trong k ênh Fading nhanh ...................................................................... 90

4.4 Tồng kết ......................................................................................................................... 91


7/105

MSĐT: 08404160282 M ục lục các hình vẽ

Trang 3

Mục lục các hình vẽ

Hình 1.1: Kênh vô tuyến MIMO ................................................................................................. 6Hình 1.2: Sự phát triển của hệ thống đa anten.............................................................................. 7Hình 1.3: Các cấu hình hệ thống vô tuyến ................................................................................... 7Hình 1.4: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO ............................................................................ 8Hình 1.5: Sơ đồ khối của một kênh MIMO tương đương với MT>MR ....................................... 12Hình 1.6: Sơ đồ khối của một kênh MIMO tương đương với MR >MT ....................................... 12Hình 1.7: Biểu diễn dung lượng k ênh MIMO theo r = min(MT,MR ) .......................................... 14Hình 1.8: Sơ đồ thuật toán “Water -filling” ................................................................................ 15Hình 1.9: Dung lượng hệ thống MIMO, SIMO và MISO .......................................................... 18Hình 1.10: Biểu diễn tốc độ Ergodic và non-Ergodic ................................................................. 19Hình 1.11: Dung lượng Ergodic cho các cấu hình anten khác nhau với MT=MR =M ................... 20Hình 1.12: Dung lượng Ergodic M = 4 với sự nhận biết và không nhận biết k ênh ..................... 21Hình 1.13: 10% dung lượn g outate từ cấu hình các anten khác nhau ......................................... 22Hình 1.14 Vấn đề tương quan.................................................................................................... 23Hình 1.15: Dung lượng ergodic với thu tương quan cao và thấp ................................................ 24

Hình 1.16: Vấn đề đồng vi trong k ênh WLAN .......................................................................... 26Hình 1.17: Dung lượng Ergodic với các hệ số trong k ênh MIMO .............................................. 26Hình 1.18: Dung lượng của 1 k ênh MIMO với XPD hoàn toàn và không có XPD ..................... 28Hình 1.19: Hệ thống MISO 2 anten phát và 1 anten thu. ............................................................ 30Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ mã hóa không gian-thời gian Alamouti ......................................... 33Hình 2.2: Mẫu phân tập phát hai anten của Alamouti ................................................................ 34Hình 2.3: K ết hợp tỉ số tối đa với một Tx và hai Rx .................................................................. 35Hình 2.4: Bộ mã hóa STBC ....................................................................................................... 37Hình 2.5: So sánh hoạt động của BER với mẫu Alamouti 16QAM ............................................ 38Hình 2.6: Sơ đồ khối của bộ mã hóa không gian-thời gian ......................................................... 40Hình 2.7: Mã hóa không gian thời gian 4 trạng thái QPSK với 2 anten phát .............................. 48

Hình 2.8: Biên giữa tiêu chuẩn TSC và tiêu chuẩn tổng đường chéo .......................................... 49Hình 2.9: Bộ mã hóa STTC cho 4-PSK sử dụng 2 anten truyền ................................................. 53Hình 2.10: Mã lưới không gian thời gian hai anten phát ............................................................ 55Hình 2.11: Khối trạng thái của 4-PSK ...................................................................................... 56Hình 2.12: Mã hóa không gian- thời gian, 4-PSK, 8 tr ạng thái, 2 bit/s/Hz .................................. 57Hình 2.13: So sánh hoạt động của các mã 4-PSK dựa tr ên tiêu chuẩn hạng ............................... 58Hình 2.14: So sánh hoạt động của các mã 4-PSK dựa tr ên tiêu chuẩn tổng ................................ 58Hình 2.15: Hoạt động của QPSK STTC trên các kênh Fading nhanh ......................................... 59Hình 3.1: Trình bày sơ đồ kết nối nối tiếp ................................................................................ 61Hình 3.2: Trình bày sơ đồ mã k ết nối song song ........................................................................ 61Hình 3.3: Bộ mã hóa xoắn thông thường có r = ½ và K=3 ........................................................ 62

Hình 3.4: Bộ mã hóa RSC lấy từ hình 3.1 với r = ½ và K=3 ...................................................... 63Hình 3.5: Bộ mã xoắn không đệ quy r=1/2 và K=3 với chuỗi ngõ vào và ngõ ra........................ 63Hình 3.6: Bộ mã hóa xoắn đệ quy tương đương của hình trên G=[1, g1/g0] ................................ 63Hình 3.7: Biểu đồ trạng thái của bộ mã hóa không đệ quy của hình 3.5 ..................................... 64Hình 3.8: Trình bày biểu đồ trạng thái của bộ mã đệ quy của hình 3.6 ....................................... 64Hình 3.9: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC...................................................................... 64Hình 3.10: Sơ đồ khối bộ mã hóa Turbo ................................................................................... 66Hình 3.11: Bộ ghép xen làm tăng trọng số của các từ mã........................................................... 67Hình 3.12: Ví dụ minh họa khả năng làm tăng trọng số của bộ ghép xen ................................... 68


8/105

MSĐT: 08404160282 M ục lục các hình vẽ

Trang 4

Hình 3.13: Bộ ghép xen ngẫu nhiên (giả ngẫu nhiên) với L=8 ................................................... 69Hình 3.14: Các họ thuật toán giải mã dựa trên sơ đồ Trellis....................................................... 70Hình 3.15: Bộ giải mã lặp MAP ................................................................................................ 73Hình 3.16: Bộ giải mã SOVA k ết nối ........................................................................................ 74Hình 3.17: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy ............................. 75Hình 3.18: Việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng giá trị metric trực tiếp .................................. 76

Hình 3.19: Sơ đồ khối bộ giải m

ã SOVA .................................................................................. 77Hình 3.20: Bộ giải mã SOVA lặp .............................................................................................. 77Hình 4.1: Sơ đồ của đường feedforward của mã STTC điều chế QPSK ..................................... 80Hình 4.2: Bộ mã hóa STTC đệ quy điều chế QPSK ................................................................... 81Hình 4.3: Bộ mã hóa STTC đệ quy điều chế đa mức M-ary ....................................................... 81Hình 4.4: So sánh hiệu suất của 16-tr ạng thái STTC đệ quy ...................................................... 82Hình 4.5: Bộ mã hóa dành cho điều chế mã Space Time Turbo Trellis Code ............................. 83Hình 4.6: Bộ giải mã Turbo TC với parity symbol puncturing ................................................... 85Hình 4.7: Hiệu suất FER so sánh giữa 4-tr ạng thái QPSK STTC ............................................... 88Hình 4.8: Hiệu suất FER của 4-tr ạng thái QPSK ST Turbo TC với số lần lặp thay đổi, 2x2 ....... 89Hình 4.9: Hiệu suất của FER so sánh QPSK ST Turbo TC ........................................................ 89Hình 4.10: Hiệu quả FER so sánh giữa 16-tr ạng thái QPSK STTC ............................................ 90Hình 4.11: Hiệu quả FER của QPSK ST Turbo TC với 4-tr ạng thái .......................................... 91


9/105

MSĐT: 08404160282 Các t ừ viết tắt

Trang 4

Các từ viết tắt

APP A posteriori probabilityAWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng Gauss cộng

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bitCSI Channel State Information Thông tin tr ạng thái k ênhMAP Maximum A PosterioriMIMO Multi-input Multi-output Đa ngõ vào đa ngõ raMISO Multi-input Single-output Đa ngõ vào một ngõ raML Maximum Likelihood Gần giống cực đại MMSE Minimum Mean-squares Lỗi bình phương trung bình nhỏ

error nhất LOS Light of sight Đường truyền thẳng Pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất RSC Recursive systematic

convolutionalSOVA Soft Output Viterbi AlgorithmSIMO Single-input Multi-output Một ngõ vào, đa ngõ raSISO Single-input Single-output Một ngõ vào một ngõ raSISO Soft Input Soft Output Bộ giải ngõ vào mềm ngõ ra mềm SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tr ên nhiễu SM Spatial Multiplexing Đa hợp không gian STC Space-Time Coding Mã hóa không gian thời gian SVD Singular Value Decomposition Phân chia giá tr ị đơn


10/105

MSĐT: 08404160282 Chương 1: Tổng quan về hệ thống MIMO

Trang 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO

1.1 Giới thiệu Do xã hội ngày càng phát triển nên các yêu cầu dịch vụ trong hệ thống thông tin di

động cũng đòi hỏi dung lượng tăng cao. Để đáp ứng được nhu cầu dung lượng ngày càngtăng thì dung lượng của các hệ thống cũng phải tăng. Tuy nhiên tài nguyên về phổ tần sốlại bị giới hạn và dung lượng của hệ thống thông tin sẽ không đáp ứng được nếu không cósự gia tăng về mặt hiệu suất sử dụng phổ tần. Các phương pháp mã hóa mới được nghiêmcứu như mã Turbo, mã LDPC (Low Density Parity Check) đã đạt được hiệu suất sửa lỗigần tới giới hạn Shannon trong các hệ thống các anten đơn. Các cải tiến được đưa ra vềhiệu suất phổ tần là tập trung vào việc tăng số lượng anten ở cả phía phát và phía thu.

Một hệ thống gồm nhiều anten phát và anten thu được gọi là hệ thống MIMO

(Multiple Input Multiple Output). Hệ thống này được nghiên cứu thông qua các mô phỏngtrên máy tính từ thập kỉ 80, do những ưu điểm mà nó mang lại nên được rất nhiều ngườiquan tâm và phân tích rõ hơn. Hiện nay thì hệ thống MIMO đang được sử dụng trong hệthống 3G và được chuẩn hóa thành chuẩn IEEE 802.11.

Hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và thu với 2 mục đích chính:

Thứ nhất: sử dụng nhiều anten để thu được độ lợi phân tập cao

Thứ hai: sử dụng nhiều anten để truyền nhiều dòng dữ liệu song song để tăng dunglượng của hệ thống.

Hệ thống MIMO có thể đạt được 3 lợi ích, đó là: tạo búp, phân tập không gian và đa hợpkhông gian. [16]

Bằng cách tạo búp, các kiểu bức xạ anten phát và thu có thể tập trung theo mộthướng riêng. Các tín hiệu từ các anten phát và thu có độ tương quan càng cao th ì hiệuquả tạo búp càng tốt.

Khi các tín hiệu được truyền từ nhiều hướng khác nhau trong không gian sẽ tạo nên


11/105


Trang 6

sự phân tập không gian, phân tập không gian sẽ tăng độ tin cậy của k ênh vô tuyến. Đốivới một k ênh MIMO tr ắng, có nghĩa là các tín hiệu hoàn toàn không tương quan, hệ số

phân tập bị giới hạn bởi số anten phát và thu. Sự tương quan không gian của các tín hiệusẽ giảm hệ số phân tập và do đó đây là một đặc điểm k ênh quan tr ọng.

K ỹ thuật phân tập là một phương pháp hiệu quả để chống hiện tượng Fading.

Các k ĩ thuật phân tập gồm phân tập không gian, tần số và thời gian. Phân tập không gian phổ biến trong truyền thông vi ba, vô tuyến và được chia làm 2 loại: phân tập phát và phân tập thu.

Phân tập thu: được sử dụng trong các k ênh có nhiều anten tại máy thu. Giả thiết cáctín hiệu thu yếu dần độc lập và được kết hợp tại máy thu sao cho tín hiệu thu đượ c cóFading giảm đáng kể. Phân tập thu được đặc trưng hoá bởi số nhánh Fading độc lập và nó

bằng số anten thu. Phân tập phát: phân tập phát có thể áp dụng cho các k ênh có nhiều anten phát và hệ

số phân tập bằng số anten phát, đặc biệt nếu các anten phát được đặt đủ cách xa nhau.Thông tin được xử lý tại máy phát và sau đó truyền tr ên nhiều anten phát.

Trong trường hợp nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu thì việc sử dụng phân tậpyêu cầu kết hợp phân tập phát và phân tập thu. Hệ số phân tập bị giới hạn bởi tích của sốanten phát và thu.

Đa hợp không gian: Các kênh MIMO có thể hỗ trợ các luồng dữ liệu song song bằng cách phát và thu trên các bộ lọc không gian trực giao (đa hợp không gian). Số cácluồng được ghép k ênh phụ thuộc vào hạng của ma trận k ênh tức thời H, ma trận này phụ

thuộc vào các đặc tính không gian của môi trường vô tuyến. Độ lợi ghép kênh không giancó thể bằng min(MT, MR ) trong môi trường tán xạ đủ lớn.

Hình 1.1: Kênh vô tuyến MIMO Trước khi hệ thống MIMO ra đời, các hệ thống vô tuyến trước đây sử dụng mô

hình kênh truyền SISO, SIMO và MISO.


12/105


Trang 7

Single Input Single Output (SISO): chỉ sử dụng một anten ở phía phát và một antenở phía thu.

Single Input Multiple Output (SIMO): chỉ sử dụng một anten ở phía phát và nhiềuhơn một anten ở phía phát.

Multiple Input Single Output (MISO): chỉ sử dụng một anten ở phía thu và

nhiều hơn một anten ở phía phát MIMO-MU (Multiuser: đa người dùng): hệ thống thay thế cho cấu hình gồm một

tr ạm gốc và nhiều anten thu/phát cùng hoạt động với nhiều người sử dụng, với một hoặcnhiều anten

Hình 1.2: Sự phát triển của hệ thống đa anten

Hình 1.3: Các cấu h ình hệ thống vô tuyến K ỹ thuật MIMO là k ỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền

và nhận dữ liệu.Thực chất MIMO là một hệ thống anten thông minh k ết hợp với kỹ thuậtxử lý phân tập theo không gian và thời gian trước khi truyền đi.

1.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MIMO Ưu điểm:


13/105


Trang 8

Về dung lượng: do sử dụng nhiều anten nhiều anten phát và thu nên có thể truyềnnhiều đường dữ liệu song song, nên dung lượng tăng theo số lượng anten có trong hệthống. Về chất lượng: tăng độ phân tập của hệ thống trong k ênh truyền Fading nên có thể

giảm được xác suất lỗi (BER hoặc FER) Ngoài ra với kỹ thuật tạo búp, tín hiệu được

truyền theo hướng mong muốn do đó công suất phát chỉ tập trung vào hướng truyền, dođó giảm công suất phát của các thiết bị.

Nhược điểm:Do hệ thống MIMO sử dụng nhiều anten phát và thu nên:

Nhiều anten nên giá thành phần cứng của hệ thống MIMO phải lớn hơn so với hệthống SISO. Độ phức tạp lớn và giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn. Tăng thể tích của các thiết bị (vì số lượng anten vừa nhiều vừa phải đảm bảo khoảng

cách giữa các anten để các kênh không tương quan) trong khi xu hướng thiết bị càng ngàycàng nhỏ.

1.2 Hệ thống MIMO Trong phần này ta sẽ mô tả một cách tổng quát về hệ thống MIMO và phân tích

dung lượng của hệ thống MIMO so với hệ thống SISO, SIMO,MISO. Giả sử băng thông tín hiệu phát là đủ hẹp để đáp ứng tần số của nó có thể được

xem như là phẳng. Nói cách khác hệ thống MIMO hoạt động trong kênh Fading phẳng

Hình 1.4: Sơ đồ khối của một hệ thống MIMO Xét một hệ thống MIMO với MT anten phát và MR anten thu. Các tín hiệu phát ở

mỗi chu kỳ symbol được diễn tả bằng 1 ma trận x kích thước MTx1 với xi là thành phầnthứ i, được truyền từ anten thứ i. Giả sử k ênh truyền là kênh Gauss thì các yếu tố của x cũng được biết đến như các biến Gauss phân bố đồng nhất độc lập (i.i.d independentidentically distributed) có trung bình bằng 0. Ma trận covariance của tín hiệu phát là:

{ } H xx

R E xx (1.1)

với E{.} là ký hiệu cho kỳ vọng và toán tử AH biểu diễn Hermitian của ma trận A, ngh ĩalà chuyển vị và liên hợp phức từng thành phần (component-wise) của ma trận A. Tổng


14/105


Trang 9

công suất phát được ấn định bởi P, bất chấp số lượng anten phát MT được biểu diễn nhưsau:

( ) xxP tr R (1.2)

với tr(A) là ký hiệu của trace ma tr ận A, đạt được bằng tổng của các phần tử trên đườngchéo của ma trận A. Nếu kênh chưa được biết tại máy phát, giả sử các tín hiệu được phát

từ các phần tử anten riêng lẻ có công suất bằng nhau và bằng P/MT. Matr ận covariance của tín hiệu phát được viết lại là:

T xx M

T

P R I

M (1.3)

với IMT là ma tr ận đồng nhất MTxMT. Kênh được mô tả bởi một ma trận phức MR xMT ký hiệu là H. Thành phần thứ i,j

của H ký hiệu bởi hi,j, biểu diễn các hệ số Fading từ anten phát thứ i đến anten thu thứ j.Giả sử bỏ qua suy hao và độ lợi anten thì công suất thu được cho từng anten thu bằng

tổng công suất phát. Do đó ta có những điều kiện chuẩn cho các thành phần của H, tr ênmột kênh xác định với các hệ số cố định như sau:

2

,1

, 1, 2,...,T M

i j T R

j

h M i M

(1.4)

Khi các phần tử ma trận k ênh là các biến ngẫu nhiên việc chuẩn hóa sẽ được ápdụng vào các giá tr ị được mong muốn của biểu thức tr ên.

Giả sử ma trận k ênh sẽ được biết ở máy thu nhưng không được biết ở đầu phát. Matr ận k ênh sẽ được ước lượng tại máy thu bằng cách truyền đi một chuỗi trainning. Thôngtin tr ạng thái kênh CSI được đánh giá có thể truyền đến máy phát thông qua một k ênh

phản hồi.Các phần tử của ma trận k ênh H có thể là xác định hoặc ngẫu nhiên. Ta sẽ tập

trung vào các ví dụ thích hợp với truyền thông vô tuyến bao gồm các phân bố Rayleigh vàRician của các phần tử ma trận k ênh.

Nhiễu tại đầu thu được biểu diễn bởi một ma trận cột MR x1 ký hiệu là n. Các thành phần của n là các biến Gauss phức có giá trị trung b ình 0 và độc lập thống k ê. Ma tr ậncovariance của nhiễu đầu thu được cho bởi:

{ } H nn

R E nn (1.5)

Nếu không có tương quan giữa các thành phần của n thì biểu thức được viết lại: 2

Rnn M R I (1.6)

Mỗi nhánh thu MR có công suất nhiễu đồng nhất là 2 . Máy thu sử dụng nguyên lýMaximum Likelihood trên MR anten thu. Các tín hiệu thu được biểu diễn bằng một matr ận cột MR x1 ký hiệu là r, trong đó mỗi thành phần phức đại diện cho một anten thu.Công suất trung bình tại ngõ ra của mỗi anten thu được ký hiệu là Pr . Tỷ số SNR trung

bình tại từng anten thu được định nghĩa như sau:


15/105


Trang 10

2r

P

(1.7)

Vì công suất tổng cộng thu được tr ên mỗi anten thì bằng công suất tổng cộng phát,nên tỷ số SNR bằng tỷ số giữa tổng công suất phát và công suất nhiễu tr ên anten thu và nóđộc lập với MT. Do đó SNR được biểu diễn:

2P

(1.8)

Bằng cách sử dụng mô hình tuyến tính, vector thu được viết như sau: r = Hx + n (1.9)

Hay biểu diễn dưới dạng ma trận:

11 11 1 1

2 2 2

1

...............

. . .*

. . .

..........

T

R T T R R T

M

M M M M M M

h hr x n

r x n

r x nh h

Ma tr ận covariance của tín hiệu thu được viết lại là:

{ } H H rr xx R E rr HR H (1.10)

Tổng công suất tín hiệu thu có thể được biểu diễn bằng tr(R rr ).

1.2.1 Dung lượng hệ thống MIMO Dung lượng của hệ thống được định nghĩa bằng tốc độ truyền tối đa có thể với tỉ lệ

lỗi là r ất nhỏ.

Ban đầu, giả sử ma trận k ênh truyền không được biết ở máy phát trong khi nó được biết hoàn toàn tại máy thu. Dựa vào định lý phân tích giá trị riêng SVD (Singular value decomposition) ma

tr ận k ênh truyền H kích thước MR xMT có thể được viết lại như sau: H=UDVH (1.11)

Trong đó, D là ma tr ận MR xMT chéo và không âm, U và V là các ma tr ận Unitary

MR xMR và MTxMT tương ứng. Do đó R

H

M UU I và

T

H

M VV I , với

R M I và

T M I là các ma

tr ận đơn vị MR xMR và MTxMT tương ứng. Các phần tử trên đường chéo của D là các

nghiệm bình phương không âm của các giá trị riêng của ma trận H HH . Các giá tr ị riêng

của H HH , được ký hiệu bởi , được định nghĩa là: H HH y y , 0 y (1.12)

Với y là vectơ MR x1 k ết hợp với được gọi là vectơ riêng (eigenvector).Các nghiệm bình phương không âm của các giá trị riêng cũng được nhắc đến như

là các giá tr ị riêng của H. Hơn nữa, các cột của U là các vectơ riêng của H HH và các cột


16/105


Trang 11

của V là các vectơ riêng của H HH . Bằng cách thế (1.11) vào (1.9), vectơ thu r được viếtlại như sau:

H r UDV x n (1.13)Ta đưa vào các biến đổi sau:

' H r U r

' H x V x (1.14)' H n U n

vì U và V có thể thay thế cho nhau. R õ ràng, phép nhân của các vectơ r, x và n bằng cácma tr ận tương ứng được định nghĩa trong (1.14) chỉ có kết quả tỷ lệ. Vectơ n’ là một biếnngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng 0 với các phần thực và phức i.i.d. Do đó, k ênh gốctương đương với kênh được mô tả như sau:

' ' 'r Dx n (1.15)Số lượng các giá trị riêng khác 0 của ma trận HHH bằng bậc của ma trận H, ký

hiệu là r . Đối với ma trận H kích thước MR xMT, bậc của nó là số lớn nhất của m = min(MR ,MT) ngh ĩa là tối đa m giá tr ị riêng của nó là khác 0. Ta ký hiệu các giá trị đặc biệt của

H bằng i 1,2,...,i r . Thay i vào (1.15), ta sẽ có các thành phần tín hiệu thu:

i i i ir x n , 1,2,...,i r

i ir n , 1, 2,..., Ri r r M (1.16)

Các thành phần thui

r không phụ thuộc vào tín hiệu phát, nghĩa là độ lợi k ênh

bằng 0. Mặt khác, các thành phần thu ir , đối với 1,2,...,i r chỉ phụ thuộc vào thành phần

pháti

x . Do đó, kênh MIMO tương đương từ (1.15) có thể được xem như r kênh con song

song không thành cặp. Mỗi k ênh con sẽ được ấn định bằng một giá trị riêng của ma trậnH, tương đương với độ lớn của độ lợi kênh. Độ lợi công suất kênh do đó bằng với giá trịriêng của ma trận HHH. Ví dụ, nếu MT>MR , thì bậc của ma trận H không thể lớn hơn MR ,chỉ có tối đa MR kênh con độ lợi khác 0 trong kênh MIMO tương đương, như ở hình 1.5.

Nếu MR >MT, sẽ có tối đa MT kênh con độ lợi khác 0 trong kênh MIMO tươngđương, như ở hình 1.5. Hình ảnh giá trị riêng là một sự mô tả k ênh MIMO phù hợp với sựước lượng của các đường truyền tốt nhất.

Các ma tr ận covariance và các traces của nó đối với các tín hiệu r’, x’ và n’ có thể

nhận được từ (1.14) như sau:

' ' H

r r rr R U R U

' ' H

x x xx R V R V (1.17)

' ' H

n n nn R U R U

' '( ) ( )r r rr tr R tr R

' '( ) ( ) x x xxtr R tr R (1.18)


17/105


Trang 12

' '( ) ( )n n nntr R tr R

Hình 1.5: Sơ đồ khối của một kênh MIMO tương đương với MT>MR Các quan hệ ở tr ên chỉ ra rằng các ma trận covariance của r’, x’ và n’ có tổng các

phần tử trên đường chéo bằng nhau và do đó các công suất cũng bằng nhau, như đối vớicác tín hiệu ban đầu r, x và n tương ứng.

Hình 1.6: Sơ đồ khối của một kênh MIMO tương đương với MR>MT


18/105


Trang 13

Trong mô hình kênh MIMO tương đương được mô tả bởi (1.16), các k ênh conkhông được k ết hợp thành cặp và do đó dung lượng của chúng sẽ tăng lên. Giả sử côngsuất phát từ mỗi anten trong mô hình kênh MIMO tương đương là P/MT, ta có thể ướclượng được dung lượng k ênh toàn bộ, ký hiệu bởi C, bằng cách sử dụng công thức dunglượng Shannon.

2 21

log 1r

ri

i

PC W

(1.19)

Trong đó, W là băng thông của mỗi k ênh con và riP là công suất tín hiệu thu được

ở k ênh con thứ i . Nó được cho bởi công thức sau:

iri

T

PP

M

(1.20)

Với i là giá tr ị riêng của ma trận H nên dung lượng kênh được viết lại:

2 21 log 1

r i

i T

P

C W M

2 21

log 1r

i

i T

PW

M

(1.21)

Bây giờ chúng ta sẽ chỉ ra dung lượng k ênh quan hệ như thế nào với ma trận k ênhH. Giả sử m = min (MR ,MT) đẳng thức (1.12) biểu diễn mối quan hệ giá trị riêng - vectơriêng (eigenvalue-eigenvector ) được viết lại như sau:

0m I Q y , y≠0 (1.22)

Với Q là ma tr ận Wishart được định nghĩa như sau:

, M

, M

H

R T

H

R T

HH M Q

H H M

(1.23)

là một giá trị riêng của Q nếu và chỉ nếu m I Q là một ma trận riêng. Do đó,

định thức củam

I Q phải bằng 0.

det( ) 0m I Q (1.24)

Giá tr ị riêng của ma trận k ênh có thể được tính toán bằng cách tìm nghiệm của

đẳng thức (1.24). Xét đa thức đặc trưng p ở vế trái của đẳng thức (1.24)

( ) det( )m p I Q (1.25) Nó có bậc là m, vì mỗi hàng của m I Q đóng góp một và chỉ một công suất của

trong khai triển Laplace của định thức det( ) 0m I Q bằng thành các phần nhỏ. Vì

một đa thức bậc m với các hệ số phức có chính xác m số 0, xem như vô số, ta có thể viếtđa thức đặc trưng như sau:

1

m

ii p

(1.26)


19/105


Trang 14

Với i là các nghiệm của đa thức p , bằng các giá trị riêng của ma trận kênh. Đẳng

thức (1.24) được viết lại là:

1

0m

ii

(1.27)

Hay 1

m

ii

= det( )m I Q (1.28)

Thay2

T M

P

cho trong (1.28) ta được:

2 211 det

mi

miT T

P P I Q

M M

(1.29)

Giờ thì công thức dung lượng của (1.21) có thể được viết lại như sau

2 2log det mT

PC W I Q

M

(1.30)

Vì các giá tr ị riêng khác 0 của HHH và HHH là như nhau, dung lượng của các

kênh với các ma trận H và HH là như nhau. Chú ý nếu hệ số k ênh là các biến ngẫu nhiên,công thức (1.21) và (1.30) mô tả các dung lượng nhất thời hoặc thông tin qua lại.

Hình 1.7: Biểu diễn dung lượng k ênh MIMO theo r = min(MT,MR)Hình 1.7 biểu diễn dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính khi tăng số lượng anten

phát và anten thu.

1.3.2 Dung lượng MIMO khi máy phát biết được CSI Giả sử máy thu cung cấp thông tin trạng thái k ênh CSI tr ở lại máy phát với độ

tr ễ bằng 0. Khi máy thu biết hoàn toàn ma tr ận kênh truyền, toàn bộ công suất PT có thểđược phân bố tối ưu giữa MT anten truyền. Giải pháp này thường được xem như là:


20/105


Trang 15

“Water-filling”. Nguyên lý Water-filling có thể đạt được bằng cách tối ưu hóa dung lượngkênh MIMO theo nguyên tắc càng nhiều công suất được chỉ định đến kênh trong điềukiện tốt và ít (hay không có) đến các k ênh kém. Hình 1.8 là sơ đồ thuật toán Water-filling.

Sự phân phát công suất trên kênh i được đưa bởi công thức: 2

ii

P

, i = 1,2,…,r (1.31)

Với, 0

( )0, 0

x x x

x

và được chọn thõa mãn:1

r

i

i

P P

Chúng ta coi phân tích giá tr ị riêng SVD của ma trận kênh H. Do đó, công suất thuđược tại từng kênh con i trong kênh MIMO tương đương được đưa bởi:

2( )iri iT

PP

M

(1.32)

Thay công suất tín hiệu thu từ (1.32) vào (1.21) ta được:

22 2

1

1log 1 ( )

r

i

i

C W

(1.33)

Ma tr ận covariance của tín hiệu truyền được viết lại là:

1 2( , ,..., )T H

xx M R Vdiag P P P V (1.34)

Hình 1.8: Sơ đồ thuật toán “Water-filling”

1.3.3 Dung lượng MIMO khi máy phát chưa biết được CSI

Nếu CSI không được biết tại máy phát, từ [10] thì tất cả các tín hiệu độc lập nhau

và công suất được chia đều giữa các anten phát:T xx M

T

P R I

M

Dung lượng từ (1.30) trong trường hợp này là:

2 2log det( ) R H

M

T

PC I HH

M

(1.35)


21/105


Trang 16

Chúng ta phân tích HHH=Q QH với Q là ma tr ận MR xMR thõa mãn QHQ=QQH=IMR

và 1 2{ , ,..., }, 0 R M idiag . Từ [11] công thức trên được viết lại

2 2

2 2

2 21

log det

log det

log

R

R

R

H

M

T

M

T

r

M i

i T

PC I Q Q

M

P

I M

P I

M

(1.36)

Sử dụng det(Im + AB) = det(In + BA) cho các ma tr ận A(mxn) và B(nxm). Với r là

hạng k ênh và ( 1,2,... )i R

i M là giá tr ị riêng tích cực của HHH. Đẳng thức (1.36) biểu diễn

dung lượng kênh MIMO như là tổng các dung lượng của r k ênh SISO, mỗi k ênh có một

độ lợi công suất của ( 1,2,... )i i r và công suất truyền P/MT.

Chúng ta xác định bình phương chuẩn hóa Frobinius của H, như 2 ( ) H F

H Tr HH =2

1 1 , R T M M

i ihi j . Tiêu chuẩn Frobinus giải thích độ lợi công suất toàn phần của k ênh.

Ta cũng có 2 1 R M

i iF H với ( 1, 2,... )i Ri M là những giá trị riêng của HHH.

Chúng ta cố định công suất tổng cộng vì thế 2F

H . Sau đó nếu ma trận k ênh có

hạng đầy đủ như MT=MR =M, dung lượng C từ (1.36) được tối đa hóa khi /i j M

với (i, j=1, 2,…M). Để nhận được điều này, ( / ) H H M

QQ Q Q M I (ma tr ận k ênh H

phải trực giao). Cho nên:

2 2 2log 1S E C M

M

(1.37)

Nếu các thành phần của H có các thành phần trên đường chéo là 1 thì2 2

F H M

2 2log 1S

E C M

(1.38)

Dung lượng của k ênh MIMO tr ực giao vì thế gấp M lần dung lượng kênh vô hướng.

1.3.4 Các trường hợp đặc biệt 1.3.4.a. Dung lượng k ênh SIMO

Trong một k ênh SIMO, MT=1 anten phát và có MR anten thu. Trong trường hợpnày ma tr ận k ênh là một ma trận cột:

1 2( , , ..., ) RT

M H h h h (1.39)

Với (.)T là ma tr ận chuyển vị. Vì MR >MT được thay thế bởi:

2 2log det T H S

M

T

E C I H H

M

(1.40)


22/105


Trang 17

Bây giờ 21

R M H

ii H H h

Và MT = 1. Vì thế:

2

2 21

log det 1 R M

S i

i

E C h

(1.41)

Nếu các thành phần ma trận k ênh bằng nhau và được chuẩn hóa: 22 21 2 ... 1 R M h h h (1.42)

Dung lượng khi kênh không được nhận biết tại đầu phát là:

2 2log det 1S

R

E C M

(1.43)

Hệ thống nhận được một độ lợi phân tập gấp MR lần so với trường hợp SISO. Dung lượng trong k ênh SIMO sẽ tăng theo hàm logarith và tỷ lệ thuận với sự tăng antenthu. Sự nhận biết k ênh tại đầu phát trong trường hợp này không cung cấp thêm một thuận

lợi nào.1.3.4.b. Dung lượng k ênh MISO

Các kênh MISO, MR =1 anten thu và MT anten phát. Vì MT>MR . Chúng ta sử dụng(1.35). Kênh được thay thế bằng ma trận hàng như sau:

1 2( ... )T M H h h h

Vì2

1

T M H

j

j

HH h

nên từ (1.35) chúng ta thu được:

2

2 21

log 1T M

S j

j T

E C h

M

(1.44)

Nếu hệ số k ênh bằng nhau và được chuẩn hóa như2

1

T M

j T

j

h M

, khi đó dung lượng cho

trường hợp MISO như sau:

2 2log 1S E C

(1.45)

Chú ý (1.45) tương đương với trường hợp SISO (dung lượng không tăng lên với sốlượng anten). Đây là trong trường hợp kênh không được nhận biết tại đầu phát. Lý do của

k ết quả này là không có độ lợi mảng vì đầu phát không biết được các tham số kênh. Độlợi mảng là sự tăng trung bình trong tỷ số SNR tại đầu thu mà nó xuất hiện do ảnh hưởngk ết hợp coherent của nhiều anten tại đầu thu hay đầu phát hay cả hai. Nếu kênh được biếtđến đầu phát, đầu phát sẽ làm gia tăng việc truyền với các trọng số phụ thuộc vào các hệsố k ênh. Vì thế có sự kết hợp coherent tại đầu phát (trường hợp MISO). Nếu ta xét trườnghợp khi kênh được biết tại đầu phát, chúng ta áp dụng (1.33). V ì ma tr ận k ênh có hạng là1, chỉ có 1 số hạng trong tổng trong (1.33) và chỉ có 1 giá trị riêng khác 0 được cho bởi:


23/105


Trang 18

2

1

T M

j

j

h

(1.46)

Vì thế, dung lượng là:

2

2 21

log 1T M

S j

j

E C h

(1.47)

Nếu các hệ số k ênh là bằng nhau và được chuẩn hóa như 2

1

T M

j T

j

h M

2 2log 1S

T

E C M

(1.48)

Hình 1.9: Dung lượng hệ thống MIMO, SIMO và MISO

1.3.5 Dung lượng của k ênh ngẫu nhiênTrong thực tế ma trận k ênh truyền H là các biến ngẫu nhiên. Ngh ĩa là H là ma tr ận

ngẫu nhiên và độc lập của r và x. Các thành phần của ma trận H là các biến Gauss phân bố đồng nhất độc lập có trung bình bằng 0

Dung lượng của k ênh ngẫu nhiên được chia thành 2 loại (dựa tr ên ma tr ận k ênhtruyền) như biểu diễn ở hình 1.10:

Ma tr ận H là ngẫu nhiên và mỗi kênh tương quan nhau để thấy r õ sự độc lập(ergodic) Ma tr ận H đưa ra là ngẫu nhiên tại lúc bắt đầu và sau đó giữ không đổi cho tất cả

các kênh sử dụng (“non-ergodic”).

1.3.5.a. Dung lượ ng Ergodic Dung lượng Ergodic của k ênh MIMO là trung bình toàn bộ tốc độ thông tin được

phân bố tr ên các thành phần của ma trận kênh H. Nó là dung lượng của k ênh khi từng ma


24/105


Trang 19

tr ận k ênh H là một sự phân tích độc lập (nghĩa là nó không có mối liên hệ nào với ma trậntrước đó nhưng là điển hình đại diện cho lớp đó (Ergodic))..

Vì mô hình xử lý là Ergodic, ngh ĩa là mã hóa được thực hiện tr ên một khoảng cáchđều đặn xác định. Vì thế đó là dung lượng Shannon của k ênh.và được biểu diễn như sau:

2 2log det , / / R H S

M T

E

C E I HH bits s Hz M

(1.49)

Hình 1.10: Biểu diễn tốc độ Ergodic và non-ErgodicĐiều được mong đợi nhất trong trường hợp này là kênh truyền là ngẫu nhiên. Vì H

là ngẫu nhiên, tốc độ thông tin được kết hợp với nó cũng ngẫu nhiên.Trường hợp SNR thấp: dung lương của kênh được xác định [14]

2 2

( )

2 21

22 2

2 2 ,,

log det

log 1

log 1 ,

R

H S M

T

r H

S k

k T

S

F F i ji jT

E C E I HH

M

E E

M

E E H H H

M

(1.50)

Trường hợp SNR cao: dung lượng của kênh được xác định [14]

2 2

( )

2 21

( )

2 21

( )

2 221

log det

log 1

log

( ) log log ( )

R

H S M

T

r H

S

k

k T

r H S

k

k T

r H

S k

k T

E C E I HH

M

E E

M

E E

M

E r H E

M

(1.51)


25/105


Trang 20

Hình 1.11: Dung lượng Ergodic cho các cấu h ình anten khác nhau với MT=MR=MDung lượng Ergodic khi kênh được biết đến đầu phát được dựa tr ên thuật toán

“Water-filling”. Từ hình 1.11 cho thấy dung lượng Ergodic trên các cấu hình hệ thống

khác nhau là một hàm của 2S

E

, dung lượng Ergodic tăng khi và MT,MR tăng:

2 21 log 1

r S i

i

i T

E

C E M

(1.52)Đẳng thức tr ên là trung bình toàn bộ dung lượng nhận được khi tối ưu hóa theo

nguyên lý “Water-filling” được thực hiện cho từng phân tích của H. Hình 1.12 là sự so sánh hoạt động dung lượng Ergodic của một k ênh MIMO với

MT = MR = 4 khi kênh không được biết đến đầu phát, kênh được biết tại đầu phát và kênhlà Rayleigh i.i.d.

Dung lượng kênh ergodic khi kênh được biết đến đầu phát luôn cao hơn khi khôngđược biết. Và dung lượng này sẽ giảm khi SNR cao. Đó là khi SNR cao công thức (1.52)

tr ở thành (1.53), tất cả các k ênh riêng hoạt động như nhau (không có sự khác biệt về chấtlượng giữa chúng). Vì thế, dung lượng trong tất cả các trường hợp đều bằng nhau.


26/105


Trang 21

Hình 1.12: Dung lượng Ergodic M = 4 với sự nhận biết và không nhận biết kênh

1.3.5.b. Dung lượng hao hụt (outage) Khi truyền dữ liệu thì chiều dài khối xác định. Đặc biệt là trong truyền tín hiệu

thoại. Trong những trường hợp này, chúng ta nhắc đến dung lượng outage. Dung lượngoutage là dung lượng đảm bảo với một độ tin cậy chắc chắn. Ta xác định dung lượngoutage p% khi tốc độ thông tin bảo đảm cho (100-p) % kênh thực hiện, P(C≤Cout) = p %.

Trong hình 1.13 chỉ ra 10% dung lượng outage cho vài trường hợp MIMO, khikênh là i.i.d và không được nhận biết tại đầu phát. Chúng ta chú ý khi SNR tăng, dunglượng tăng và khi số lượng anten tăng, dung lượng cũng tăng.

Áp dụng (1.35) cho trường hợp khi MT = MR = M và kênh là i.i.d1 H

w w M H H I khi M

M

Vì thế 2log (1 )C M (1.53)

Với là SNR Tiệm cận trong M, dung lượng trong k ênh MIMO tr ắng tr ở nên giới

hạn và tăng tuyến tính với M cho SNR cố định. Khi tăng SNR từng 3dB, chúng ta đạtmức tăng M bit/s/Hz trong dung lượng cho một k ênh MIMO, so sánh với 1 bit/s/Hz trongmột k ênh SISO. Dung luợng outage chứng minh kết luận này, nếu k ênh được nhận biết tạiđầu phát.


27/105


Trang 22

Hình 1.13: 10% dung lượn g outate từ cấu h ình các anten khác nhau. Dung lượngoutgate được cải thiện khi MT=MR=M

1.3.6 Ảnh hưởng của tương quan Fading trên dung lượng MIMO Trong thực tế, k ênh không thật sự là Rayleigh i.i.d. Có r ất nhiều yếu tố dẫn đến

điều này, và k ết quả làm giảm giá trị hoạt động của các hệ thống MIMO. Một trongnhững yếu tố đó là sự tương quan. Vấn đề tương quan xuất hiện bởi vì khoảng cách rờir ạc giữa các thành phần anten trong một trạm gốc. Thông thường khoảng cách rời rạc nàyđược chia theo vài centimeter, trong khi khoảng cách giữa điện thoại di động và tr ạm gốcđược cách nhau vài Km.

Vì thế, tín hiệu đến tại trạm gốc từ một đầu thu thường rất gần nhau, xuất hiện dotương quan giữa chúng. Nó xảy ra vì tất cả các thành phần anten thu cùng một tín hiệu,

bởi vì tính hình học của hiện tượng này. Mức độ “giống nhau” xác định hệ số tương quan với 1 khi tương quan lớn nhất và 0 khi không có tương quan. Điều n ày sẽ được khắc phụctrong một trạm gốc bởi:

Sử dụng các anten lưỡng cực độc lập nhau được cách biệt bởi 1 khoảng cách D để

thực hiện khoảng cách coherent cho kênh đó. Sử dụng hai mảng anten độc lập được cách biệt bởi một khoảng cách D để thực hiện

khoảng cách coherent cho kênh đó. Chúng ta có thể triển khai các anten song hướng độc lập lẫn nhau hay các mảng

anten độc lập lẫn nhau. Trong hình 1.14, cả trường hợp (a) và (b) đều khả thi. Khoảngcách D thông thường phân theo 10 đến 6 bước sóng cho một trạm gốc, bởi vì nó là điểmưu thế cao và xa với các đầu thu di động. Vấn đề không chỉ phục vụ cho vài điện thoại di


28/105


Trang 23

động bởi vì chúng được định vị một cách biến thiên trong môi trường tán xạ mạnh. Trongnhững trường hợp này, khoảng cách tách biệt thường là 2 đến 3 bước sóng. Trong tươngquan, các thành phần của ma trận k ênh thì không tương quan và có thể mô hình hóa nhưsau:

12( ) ( )wvec H R vec H (1.54)

Vớiw

H là một ma trận k ênh Gauss với i.i.d Rayleigh có kích thước MR xMT và R

là ma tr ận hiệp biến MR MTxMTMR được xác định như sau:

( ) ( ) H R E vec H vec H (1.55)

(a)

(b)Hình 1.14 Vấn đề tương quan

R là ma tr ận Hermitian bán xác định tích cực. Nếu R là hạng đầy đủ (tức là R=IMTMR ), như trong trường hợp H=Hw. Ý tưởng về mô hình này mô tả sinh động một cáchảnh hưởng hiệu quả ảnh hưởng tương quan trong kênh. Để thực hiện điều này r ất phứctạp, bằng cách sử dụng một mô hình tổng quát hóa hơn như sau:

1 12 2

r w t H R H R (1.56)

Với R t là ma tr ận hiệp biến phát MTxMT , R r là ma tr ận hiệp biến thu MR xMR . Cả

R t, R r đều là ma tr ận Hermitian bán xác định tích cực.(1.56) được giải thích là: Tín hiệu được phát khi đến đầu thu, thì được tương quan bởi đặc điểm hình học tại

đầu thu (R r ). Kênh trên giây được mô tả như Rayleigh i.i.d (Hw) Tín hiệu được phát thì tương quan với chính đầu phát bởi vì đặc điểm tại đầu phát

(R t) hay do góc trái nhỏ.

R, R t và R r thì tương quan bởi T t r R R R với xác định tích Kronecker.


29/105


30/105


Trang 25

2log det( ) 0r R Nó chỉ có thể bằng 0 nếu tất cả các giá trị riêng của R r bằng nhau (R r =IM).

Vì thế, tương quan tín hiệu Fading làm giảm số lượng giá trị riêng do đó giảm dung lượngkênh MIMO. Nó giảm dung lượng ergodic hay dung lượng outage được cho bởi

2 2log det log detr t R R bit/s/Hz.

Giả sử một k ênh tr ực giao với MT = MR = 2 và hơn nữa giả thiết rằng chỉ có tươngquan tại đầu thu, khi đó chúng ta chọn ma trận tương quan thu như sau:

1

* 1r

r

r

R

(1.60)

Chú ý hình 1.15 có sự suy hao 2.47 bit/s/Hz khi tỉ số SNR cao được so sánh với

trường hợp không có tương quan. Đây là suy hao do thành phần 2log det( )r R . Nếu hệ số

tương quan của R r và R t là duy nhất, khi đó ma trận H sẽ trở thành hạng 1. Nó giống nhưmột k ênh SISO. Vì thế tương quan không phải là điều tốt.

1.3.7 Ảnh hưởng của LOS trên dung lượng k ênh MIMO.Bây giờ chúng ta khảo sát một khía cạnh khác, nó làm một k ênh lệch khỏi

Rayleigh i.i.d. Đến đây chúng ta mới chỉ xem xét một k ênh i.i.d. Điều này còn xa thực tế.Mô tả một k ênh trong thực tế như sau:

1 12 2

Ric r w t H H R H R (1.61)

Với Hric là thành phần Rician hay tín hiệu thẳng (line of sight_LOS). LOS là mộtthành phần tồn tại bởi đặc tính truyền thẳng của k ênh giữa đầu phát với đầu thu, đượcxem như là đường thẳng của từng cặp anten, LOS (1.61) có thể được xem như là tổng cácthành phần cố định và thành phần tán xạ như sau:

1

1 1 wK

H H H K K

(1.62)

Với1

K H

K là thành phần LOS của kênh và

1

1 w H

K là thành phần Fading với giả thiết

r ằng Fading không tương quan. Các thành phần của H được giả thiết là có một công suấtduy nhất. K trong (1.62) là Rician K của hệ thống và là hệ số công suất trong thành phầnLOS của kênh đến công suất trong thành phần Fading. K=0 tương ứng với k ênh cóRaylegh i.i.d, với K= ứng với k ênh không Fading. Thành phần LOS xuất hiện trong 2

trường hợp sau: Khoảng cách cách biệt giữa các anten như đã đề cập ở tr ên.

Thành phần LOS được tạo ra bởi vì môi tr ường tán xạ kém. Như trong hình 1.16Trong hình 1.16, xét 2 trường hợp môi trường vô tuyến trong nhà, như là môi

trường WAN. Chúng ta có laptop với 2 anten thu. Trong môi trường tán xạ kém chúng ta gặp phải trường hợp như bên trái hình. Bởi vì các anten đồng vị, chúng ta có thành phầnLOS. Trong môi trường tán xạ mạnh các anten không xảy ra đồng vị (hình bên phải). Môi


31/105


Trang 26

trường này r ất gần với Rayleigh i.i.d và là mô hình được mong đợi. Mô hình đưa r a xuất hiện thành phần LOS. Vì thế, chúng ta chú ý rằng hiện tượng

LOS có thể xuất hiện trong cả các môi trường trong nhà và bên ngoài.Trong cả hai trường hợp, và k ết quả cuối cùng giống như trong trường hợp tương

quan. Chúng ta có ma tr ận

1 0.80.8 1

H

(1.63)

Hình 1.16: Vấn đề đồng vi trong k ênh WLAN

Hình 1.17: Dung lượng Ergodic với các hệ số trong k ênh MIMO

1.3.8 Ảnh hưởng của XPD trên dung lượng MIMO Các mô hình kênh đã đề cập trước đây với giả thiết rằng các anten tại trạm gốc và

tại các đầu thu có phân cực đồng nhất. Hiệu quả của các anten với phân cực trực giao tạiđầu phát và đầu thu dẫn đến một độ lợi (hay công suất) và cân bằng tương quan giữa các


32/105


Trang 27

thành phần của H. Các phân cực này thường là +/-45 hay ngang/dọc (0/90 ). Về cơ bản,chúng cần được trực giao lẫn nhau. Điều này đảm bảo (ghép zero) zero coupling giữa cácanten. Vì thế, các tín hiệu được phân cực đứng. Ví dụ: các tín hiệu được truyền bởi mộttập hợp các anten và được thu bởi một tập hợp các anten phân cực đứng khác. Các phâncực này tr ực giao lẫn nhau, tín hiệu thì không biết lẫn nhau (trường hợp lý tưởng). Thực

tế thì một phần tín hiệu lộ ra với cái khác và ngược lại. Chúng ta giới thiệu XPD v à phâncực chéo (XPC). Mô hình chỉ cho chúng ta làm thế nào một anten phân biệt phân cực củanó từ các anten khác. Phần sau mô tả việc ghép giữa các phân cực trong quá tr ình lantruyền của chúng qua kênh và được gây ra bởi môi trường tán xạ mạnh. Những hiện

tượng này được xác định bằng hằng số (0 1) của XPC, 0 có nghĩa là khi chúng ta

có XPD tốt (các anten phân biệt phân cực lẫn nhau). Điều này được chứng minh tại

khoảng cách 2.6 Km và 1 , do môi trường tự nhiên tán xạ mạnh. Giả sử năng lượngtrong từng thành phần k ênh riêng lẻ là:

2 2

1,1 2,2 1 E h E h (1.64)

2 2

1,2 2,1 E h E h (1.65)

Giả sử với một k ênh Rayleigh i.i.d, kênh H với các anten được phân cực chéo đượcthay thế như sau:

1 12 2( )

r w t H R H R (1.66)

Với 1

1

(1.67)

Và thay thế cho tích Hardamard (A=B C thì [A]i,j=[B]i,j.[C]i,j). Ma tr ận hiệp

biến R r và R t mô tả về mối tương quan hiện có tại đầu thu và đầu phát r õ ràng. Và cũng bao gồm XPD, XPC và không gian anten như là các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc củachúng. Hiện tượng XPC xuất hiện trong môi trường tán xạ. Nếu tín hiệu lan truyền quamôi trường không bị tán xạ, nên H= .

Giả sử môi trường không tán xạ và dung lượng cho hệ thống 2x2 được cho bởi:

2( 0) 2log (1 )2C

(1.68)

2( 1) log (1 2 )C (1.69)Với là SNR. Trong (1.69) ma tr ận H có các thành phần là 1, đạt giá trị riêng 0 và 4.

Với tỉ số SNR thấp (


33/105


Trang 28

Tại điều kiện SNR cao (>>1)

2( 0) 2log ( )2C

(1.72)

2( 1) log (2 )C (1.73)

Vì thế, khi điều kiện SNR cao, XPD tốt ( =0) hoạt động tốt hơn khi XPD kém,

mà chính xác là trái ngược với trường hợp SNRs thấp. H ình 1.18 mô tả hoạt động môhình kênh 2x2.

Hình 1.18: Dung lượng của 1 k ênh MIMO với XPD hoàn toàn và không có XPD

1.4 Các loại máy thu sử dụng trong hệ thống MIMO Để truyền được thông tin thì có nhiều phương pháp truyền dẫn khác nhau và nhiều

loại máy thu. Chúng được sử dụng phụ thuộc vào việc biết các tham số k ênh MIMO tứcthời tại máy phát. Nếu thông tin trạng thái kênh (CSI) không được biết tại máy phát, thìđa hợp không gian (Spatial Multi plexing-SM) hoặc mã hóa không gian thời gian (STC) cóthể được sử dụng cho truyền dẫn. Nếu máy phát có CSI, tạo búp được sử dụng để phátmột luồng dữ liệu đơn qua liên kết vô tuyến. Theo đó, hiệu quả phổ và tính linh hoạt củahệ thống có thể được cải tiến. Thật khó để quyết định phương pháp truyền dẫn nào là tốt

nhất. Có thể kết luận rằng việc lựa chọn mô hình truyền dẫn phụ thuộc vào: tốc độ bit, độ phức tạp của hệ thống và độ tin cậy. STC có độ phức tạp thấp và có thể phân tập caonhưng tốc độ bit bị hạn chế. SM cung cấp tốc độ bit cao nhưng độ tin cậy thấp. Tạo búpkhai thác độ lợi mảng lớn, nhưng nó yêu cầu CSI.

Trong hầu hết các trường hợp, độ phức tạp của xử lý tín hiệu tại máy phát là r ấtthấp và phần chính của xử lý tín hiệu được thực hiện tại máy thu. Máy thu phải lấy lại cácsymbol phát từ các symbol thu hỗn tạp. Một số máy thu được sử dụng là:


34/105


Trang 29

Máy thu khả năng giống cực đại (ML): ML đạt được hiệu suất hệ thống tốt nhất(đạt được phân tập tối đa và tỷ số lỗi bit (BER) thấp nhất) nhưng yêu cầu thuật toán táchsóng phức tạp nhất. Máy thu ML tính mọi tín hiệu thu không có nhiễu bằng cách truyềnmọi tín hiệu phát bởi ma trận truyền đạt kênh MIMO đã biết. Sau đó nó tìm tín hiệu đượctính theo ưu điểm tối thiểu hóa khoảng cách Euclide cho tín hiệu thu thực tế.

Các máy thu lý tưởng: máy thu ZF và MMSE thuộc nhóm các máy thu lý tưởng. Máy thu ZF: vô hiệu hóa hoàn toàn ảnh hưởng của các tín hiệu đến từ các anten

phát khác và tách sóng riêng lẻ mọi luồng dữ liệu. Nhược điểm của máy thu này là do loại bỏ ảnh hưởng của các tín hiệu đến từ các anten phát khác, nhiễu cộng có thể tăng mạnh vàdo đó hiệu suất giảm mạnh. Vì xử lý riêng từng luồng dữ liệu, nên độ phức

tạp của thuật toán này thấp hơn nhiều máy thu ML.

Máy thu MMSE: thoả hiệp giữa sự làm tăng thêm nhiễu và nhiễu tín hiệu, tối thiểuhoá lỗi bình phương trung bình giữa symbol phát và symbol tách sóng. Do đó kết quả củacân bằng MMSE là các luồng dữ liệu phát cộng với nhiễu dư và nhiễu. Sau khi cân bằngMMSE mỗi luồng dữ liệu được tách sóng (lượng tử hoá) riêng r ẽ giống với trường hợpmáy thu ZF. Trong thực tế rất khó để thu được các giá trị tham số chính xác của nhiễu cầncho tách sóng tín hiệu tối ưu. Do đó máy thu này ít được sử dụng trong thực tế.

Máy thu BLAST xóa và đưa về không: các máy thu này thực hiện thuật toán xoávà đưa về không dựa vào chiến lược hồi tiếp quyết định. Máy thu này hoạt động tương tựnhư phương pháp xoá và đưa về không được sử dụng cho các bộ tách sóng đa người sử

dụng hoặc các bộ cân bằng hồi tiếp quyết định trong các k ênh fading SISO lựa chọn tần

số. Về nguyên lý, tất cả các tín hiệu thu được cân bằng theo phương pháp ZF (đưa vềkhông) và sau đó tín hiệu có SNR cao nhất (có thể dễ dàng tính được khi có thông tin củakênh MIMO) được tách sóng bằng quyết định lưới. Symbol tách sóng được giả thiết làchính xác và ảnh hưởng của nó đối với vectơ symbol thu được bỏ (xóa). Hiệu suất củamáy thu xoá và đưa về không nhỏ hơn hiệu suất của máy thu ML và lớn hơn hiệu suất củamáy thu tuyến tính (ZF, MMSE).

1.5 Các phương pháp tăng mức độ đa dạng của đường truyền trong MIMO Tăng độ đa dạng của đường truyền sẽ làm tăng độ tin cậy cũng như khả năng

truyền dẫn. Nếu có tất cả N đường truyền từ đầu phát đến đầu thu v à chúng ta tận dụngđược cả N đường truyền thì tức là đạt được hệ số “độ lợi phân tập” bằng N. Như vậy tạiđầu thu tín hiệu sẽ là sự tổng hợp của N đường truyền, nói cách khác tại đầu thu tín hiệusẽ mạnh gấp N lần so với trường hợp hệ số “độ lợi phân tập” bằng 1. Nói cách khác độ tincậy của đường truyền sẽ tăng lên N lần. Ngoài ra nếu hệ số “độ lợi phân tập” bằng N, tacó thể sử dụng để truyền N tín hiệu cùng lúc, như vậy tốc độ truyền dẫn của hệ thống sẽtăng lên gấp N lần. Có các phương pháp sau để tăng mức độ đa dạng của đường truyền đó


35/105


Trang 30

là: thay đổi tín hiệu phát ở đầu thu và sử dụng mã hóa không gian – thời gian (Space TimeCode - STC).

Trong phần này ta sẽ giới thiệu về kỹ thuật Transmit Beamforming (tạo búp). Cònmã hóa không gian – thời gian thì sẽ được giới thiệu ở chương 2.

Kỹ thuật Transmit Beamforming

Phương pháp Transmit Beamforming dựa tr ên nguyên tắc là tại đầu thu ta có thể biết được các tham số của đường truyền CSI. Khi đó tại đầu thu thay vì truyền tín hiệunhư thông thường, ta thay đổi tín hiệu ở đầu phát sao cho khi kết hợp với các

tham số của đường truyền, tín hiệu tại đầu thu sẽ tối ưu. Xét hệ thống MISO 2 anten phát và 1 anten thu như hình 1.20Trong đó h1,h2 là các hệ số Fading của đường truyền, thường có các số phức (a +

jb), giá tr ị của h1 và h2 được xác định tại đầu phát. Thông thường nếu hai tín hiệu x1 và x2 được truyền đi và không sử dụng kỹ thuật Beamforming thì tại đầu thu ta có:

R = h1x1 + h2x2 +n= (a1 + jb1)x1 + (a2 + jb2)x2 + n (1.74)

Trong đó a1 và a2, b1 và b2 là các giá tr ị ngẫu nhiên

Hình 1.19: Hệ thống MISO 2 anten phát và 1 anten thu.Do đó nếu a1 = -a2, b1 = - b2 và s1 = s2 (trường hợp truyền hai tín hiệu liên tiếp giống

nhau) khi đó r = n nghĩa là tại đầu thu chỉ nhận được tín hiệu ngẫu nhiên. Có ngh ĩa là hệthống không tận dụng được hết tính đa dạng của k ênh MIMO

Nếu sử dụng kỹ thuật Beamforming tại đầu phát, nghĩa là thay vì việc truyền tínhiệu x1 và x2, truyền hai tín hiệu h1*x1 và h2*s2 ở đây h1* (h1* = a1 - jb1), h2*(h2*=a1 - jb2)là các số liên hợp phức của h1 và h2. Tại đầu thu ta có:

2 2 2 2 2 21 1 2 2 1 1 1 2 2 2( ) ( ) R h x h x n a b x a b x n (1.75)

Nói cách khác bằng cách dùng k ỹ thuật Beamforming ta có thể đạt được phân tậpđầy đủ tại đầu thu (tận dụng được tín hiệu từ cả hai đường truyền 1 và 2). Để sử dụng

được kỹ thuật Beamforming, tại đầu phát phải biết được CSI h1 và h2. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng xác định được CSI tại đầu thu. Trường hợp không xác định được CSItại đầu thu chúng ta có thể sử dụng phương phá p mã hóa không gian – thời gian STC đểđạt được độ phân tập đầy đủ tại đầu thu.


36/105


Trang 31

K ỹ thuật này mang lại những hiệu quả sau: độ lợi công suất, độ lợi mảng (anten độlợi cao), giảm nhiễu, độ lợi phân tập.

1.6 Tổng kết Những phần tr ình bày trong chương 1, giúp chúng ta phần nào hiểu một khái quát

nhất về hệ thống MIMO. Đặc biệt là về mặt dung lượng trong k ênh truyền vô tuyến và

các k ỹ thuật sử dụng trong hệ thống MIMO để đạt được hiệu quả cao nhất. Chương 2 của đề tài này sẽ giới thiệu một phương pháp làm tăng mức độ đa dạng

của đường truyền trong MIMO. Đó là mã hóa không gian – thời gian (Space – Time CodeSTC).


37/105

MSĐT: 08404160282 Chương 2: M ã hóa không gian – thời gian

Trang 32

CHƯƠNG 2: MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN

2.1 Giới thiệu

K ỹ thuật mã hóa không gian thời gian (STC) vừa sử dụng nhiều anten phát và thuvừa dùng k ỹ thuật truyền lặp tín hiệu tr ên những khe thời gian khác nhau. Điểm phát triểnquan tr ọng của STC bắt đầu dưới dạng mã lưới, mã lưới đòi hỏi thuật toán Viterbi đachiều tại phía thu cho giải mã. Những từ mã được chỉ ra là cung cấp độ lợi phân tập bằngsố lượng anten phát thêm vào độ lợi mã điều này phụ thuộc vào độ phức tạp của mã,không làm mất mát hiệu suất của băng thông. Sau đó sự thông dụng của mã STC thật sự

bị cuốn hút với sự phát hiện của mã khối không gian - thời gian (Space Time Block CodeSTBC). Điều này dựa tr ên thực tế là cấu trúc của STBC có thể được giải mã bằng phương

pháp xử lý tuyến tính đơn giản tại phía thu. Mặc dù STBC đưa ra độ lợi phân tập như mã

Trellis không gian thời gian (Spcae Time Trellis Code STTC) với cùng một số lượng cácanten phát, nhưng STBC không mang lại độ lợi mã.

Phương pháp mã hoá không gian thời gian của Tarokh trọng tâm đặt vào mã hoá,điều chế, và phân tập thu, phát. Mã STBC xử lý một khối tín hiệu vào thành một ma trậnở đầu ra, mà cột của ma trận theo thời gian còn hàng của ma trận theo không gian haychính là các anten. Nếu mã STBC được truyền chỉ bằng một anten trên kênh truyền AWGN, thì mã STBC không thể tạo ra được một độ lợi mã tr ừ khi nó được kết hợp vớimột phương pháp mã hoá ngoài (mã kênh truyền chẳng hạn). Cái hay của STBC chính là

sự đơn giản trong quá tr ình xử lý giải mã mà phương pháp STTC không thể nào cạnhtranh được. Trong khi đó, mã STTC xử lý chuỗi tín hiệu đầu vào ở một thời điểm để tạora một chuỗi những vector tín hiệu ở đầu ra mà chiều dài của chuỗi này chính bằng với sốanten thực hiện. Giống như mô hình mã hoá Trellis ( TCM) truyền thống dùng cho kênhtruyền chỉ có duy nhất một anten thì STTC cũng thực hiện với phương pháp tương tự vàtạo ra độ lợi mã hơn cả độ lợi mã từ STBC.

2.2 Mã khối không gian - thời gian STBC2.2.1 Giới thiệu

Mã STBC là một kỹ thuật phân tập phát đơn giản trong công nghệ MIMO. Đầutiên ta sẽ phân tích về mã Alamouti. Về căn bản, mã này tạo ra một phương pháp cho hệthống 2x2 nhằm đạt được độ lợi phân tập đầy đủ với một thuật toán giải mã MaximumLikelihood (ML) đơn giản. Sau đó ta sẽ giới thiệu khái quát về cấu trúc chung của mãSTBC.

2.2.2 Mã không gian- thời gian Alamouti Mô hình mã khối không gian-thời gian được mô tả như hình 2.1


38/105


39/105

mimo va ud ma turbo

Documents