Bảng  các  từ viết  tắt      6

Danh sách  hình  vẽ         8

Lời nói  đầu        9

1              TỔNG QUAN VỀ  HỆ  THỐNG THÔNG TIN  DI  ĐỘNG        11

1.1          Giới thiệu  chương .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 11

1.2          Lịch sử phát  triển  của hệ thống  thông  tin di động .  .  .  .  .  .  .  .  .              11

1.3          Các vấn đề cơ bản trong  thông  tin di động .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                14

1.3.1      Suy hao đường truyền  (Path Loss)   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .              14

1.3.2      Pha  đinh phẳng  và pha đinh lựa chọn tần  số      .  .  .  .  .  .  .           16

1.3.3      Shadowing .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 18

1.3.4      Hiệu ứng Doppler .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 18

1.3.5      Thông  tin trạng  thái  kênh truyền  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .             19

1.4          Mô hình kênh pha đinh đa đường  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                19

1.5          Kết luận chương               .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .        21

2              ƯỚC  LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ  THỐNG TWO - WAY RELAY       22

2.1          Giới thiệu  chương .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 22

2.2          Hệ thống  thông  tin đa chặng sử dụng trạm  chuyển tiếp .  .  .  .  .  .            22

2.2.1      Tổng quan  về hệ thống  thông  tin đa chặng .  .  .  .  .  .  .  .  .           22

2.2.2      Khái quát  về trạm  chuyển tiếp (relay)   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .             24

2.3          Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   27

2.4          Các kỹ thuật ước lượng.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .     32

3              MÔ  PHỎNG      40

3.1          Giới thiệu  chương .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 40

3.2          Mức độ chính xác của ước lượng LS trong  hệ thống  two-way relay          40

3.3          Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay  đổi số lượng

pilot   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .     42

3.4          Khảo  sát  chất  lượng hệ thống  two-way  relay  khi thay  đổi kiểu

điều chế  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    43

3.5          Khảo  sát  chất  lượng hệ thống  two-way  relay  khi thay  đổi kênh truyền   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .       43

3.6          Khảo sát chất  lượng hệ thống  two-way relay khi thay  đổi số relay           45

3.7          Ước lượng kênh truyền  trong  hệ thống  Massive MIMO  .  .  .  .  .  .          46

3.7.1      Khảo sát MSE khi thay  đổi số anten   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                46

3.7.2      Khảo sát BER khi thay  đổi số anten   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                 47

3.8          Kết luận chương               .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .        47

Kết  luận  và  hướng  phát  triển  đề  tài                 49

Tài  liệu  tham khảo        50

1G          First  Generation              Thế hệ thứ nhất

2G          Second Generation         Thế hệ thứ hai

3G          Third  Generation            Thế hệ thứ ba

4G          Fouth  Generation           Thế hệ thứ tư

5G          Fifth  Generation             Thế hệ thứ nă

TDMA   Time- Division Multiple Ac- cess

FDMA   Frequency-  Division  Multi- ple Access

CDMA   Code- Division Multiple Ac-

ces

Đa truy  cập phân  chia theo thời gian

Đa truy  cập phân  chia theo tần  số

Đa truy  cập phân  chia theo

W-CDMA             Wideband  CDMA            CDMA băng rộng

TD-CDMA            Time Division CDMA       CDMA phân  chia theo thời gian

TD-SCDMA          Time Division Synchronous Code Division Multiple Ac- cess

SDMA   Space- Division                Multiple

Access

OFDM   Orthonal Frequency-   Divi- sion Multiplexing

Đa  truy   cập  đồng  bộ  mã phân  chia theo thời gian

Đa truy  cập phân  chia theo không gian

Ghép  kênh  phân  chia  theo tần  số trực giao

FSPL       Free- Space Path Loss    Suy         hao        tín           hiệu       trong

không gian tự do

AWGN Addictive   White   Gaussion

Nois

Nhiễu Gaussian  trắng  cộn

1.1          Các công nghệ được sử dụng trong  thông  tin di động  .  .  .  .  .  .  .             13

2.1          Mô hình một hệ thống  thông  tin đơn chặng   .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .              23

Trong  thời đại ngày nay,  nhu  cầu trao  đổi cũng như cập nhật  thông  tin ngày  càng tăng  đòi hỏi hệ thống  thông  tin  di động phải  liên tục  cải thiện  và nâng cao cả về chất  lượng và số lượng. Trong  bối cảnh đó, các kỹ thuật truyền tin mới với nhiều ưu điểm nổi trội xuất  hiện thay  thế cho những kỹ thuật ra đời trước đây, vốn còn một số hạn chế về tốc độ và khả năng bảo mật.

Một trong  số những kỹ thuật truyền  tải dữ liệu đem lại nhiều ưu điểm là sử dụng trạm  chuyển tiếp để nâng cao chất  lượng tín hiệu trên  kênh truyền,  vốn bị suy hao công suất  vì các yếu tố như nhiễu hay pha  đinh  đa đường. Tùy  thuộc vào yêu cầu dịch vụ và bản chất  kênh truyền  mà sử dụng loại trạm  chuyển tiếp thích hợp. Việc tín hiệu từ máy phát  đi qua một hoặc nhiều trạm  như vậy trước khi đến máy thu  gọi là thông  tin  đa chặng,  và hệ thống  sử dụng  kỹ thuật này gọi là hệ thống  thông  tin đa chặng.

Khi muốn đưa vào sử dụng một kỹ thuật nào đó trong thực tế, việc đánh giá chất  lượng là việc tất yếu cần phải  thực  hiện để đảm  bảo hệ thống  vận  hành tốt và đáp ứng được chất lượng mà nhà cung cấp cũng như người sử dụng mong muốn, cũng như kiểm soát được các khuyết  điểm còn tồn  tại để tìm cách khắc phục hoặc hạn  chế, tránh xảy ra sự cố không mong muốn trong  quá trình  đưa vào sử dụng. Việc đánh giá chất  lượng có thể được thực hiện với nhiều thông số đường truyền  khác nhau,  bằng nhiều thuật toán và kỹ thuật khác nhau,  đòi hỏi sự chính  xác và khả  năng  vận  dụng  kiến thức  linh hoạt.  Đó cũng là lý do em chọn nội dung Ước lượng kênh truyền  trong hệ thống thông tin đa chặng làm đề tài cho Đồ án Tốt  nghiệp của mình, với mục tiêu hiểu rõ hơn về hệ thống thông tin hiện nay và thực hiện mô phỏng được một kênh truyền  gần với thực tế nhất,

từ đó đưa ra những  nhận  xét từ kết quả thu  được để hiểu sâu hơn những  kiến thức được học trong  lý thuyết.

Đồ án gồm có 03 chương:

      Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

      Chương 2: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống two - way relay

      Chương 3: Mô phỏng

Em  xin gửi lời cảm ơn chân  thành  đến Thầy  Nguyễn Lê  Hùng  đã nhiệt tình  hướng dẫn  và giúp đỡ em hoàn  thành  Đồ án này.  Vì kiến thức  còn nhiều hạn chế nên nội dung bài báo cáo có thể còn tồn tại những sai sót, nhất  là khi em mới được học cách sử dụng phần  mềm LATEX,  một phần  mềm hỗ trợ rất  tốt cho việc soạn thảo  văn bản nhưng khá phức tạp  trong  cách thao  tác so với các phần  mềm khác. Do đó em rất  mong nhận  được những nhận  xét, góp ý từ phía các Thầy  Cô để Đồ án này được hoàn thiện  hơn.

........

Rician fading, ...........K=10

                Rician fading, K=1

                Rician fading, K=0

Rayleigh fading

AWGN channel

−4

10

−10         −5           0              5              10           15           20           25           30

SNR(dB)

−10         −5           0              5              10           15           20           25           30

SNR(dB)

Hình 3.6: Thay  đổi kênh truyền  - SISO

Hình 3.7: Thay  đổi kênh truyền  - MIMO

Nhận xét:

Đối với hệ thống  SISO:

Kênh AWGN có BER tốt  nhất  do chỉ xét đến tác động của nhiễu nhiệt  và bỏ qua  ảnh  hưởng của  pha  đinh.  Kênh  Rayleigh  fading  xét  đến tác  động của nhiễu  nhiệt  lần tác  động của pha  đinh  khi không có đường trực  tiếp  (LoS), vì vậy trường hợp này có BER cao nhất

Kênh Rician fading có BER nằm giữa hai đường trên,  phụ thuộc  vào tham số K của kênh truyền.  K được xác định dựa vào tỉ số giữa công suất tín hiệu của đường truyền  trực tiếp so với công suất  đường phản  xạ. Dễ dàng nhận  thấy:

- Trường  hợp kênh Rician fading có K=  0 : kênh Rician fading trở thành kênh Rayleigh fading.

- Trường  hợp kênh Rician  fading có K  → ∞ : kênh Rician  fading trùng

với kênh AWGN.

Đối với hệ thống  MIMO:

- Trường  hợp kênh  Rician  fading  có K=  0 : kênh  Rician  fading  trở  thành kênh Rayleigh fading.

- Trường  hợp kênh Rician fading có K  → ∞ : kênh Rician fading trùng  với

kênh Nakagami.

3.6          Khảo sát  chất  lượng  hệ thống two-way relay  khi thay đổi  số  relay

Thiết  lập các điều kiện của kênh truyền  mô phỏng:

1. Điều chế QPSK.

2. Ước lượng kênh theo phương pháp  LS, dùng 64 mẫu pilot.

3. Số relay thay  đổi từ 1 đến 5 trạm.

1 relay   2 relays

3 relays

4 relays

5 relays

−3

10

−10         −5           0              5              10           15           20           25

SNR(dB)

Hình 3.8: BER của hệ thống khi thay  đổi số trạm  relay.

Nhận xét:

Số trạm  chuyển tiếp càng tăng  thì chất  lượng tín hiệu thu  được ở MS càng tốt.  Kết  quả này là do sau mỗi trạm  chuyển  tiếp  thì  tín  hiệu được khuếch  đại thêm  và một  phần  công suất  suy hao trên  đường truyền  được bù lại trước khi

tiếp tục phát  đi trên  chặng khác.

Trong  trường hợp này, BER của hệ thống được cải thiện  khi tăng  số trạm, nhưng không thật sự đáng kể.

3.7 Ước  lượng  kênh  truyền trong hệ  thống Massive

MIMO

Thiết  lập các điều kiện của kênh truyền  mô phỏng:

1. Điều chế QPSK.

2. Ước lượng kênh theo phương pháp  LS, dùng 128 mẫu pilot.

3. Số anten  tại BS = RS = MS, số anten  tại BS thay  đổi để khảo sát.

Hình 3.9: MSE của hệ thống khi số anten  tăng từ 2 đến 70

Nhận xét:

Khi số lượng anten  tại  BS tăng  thì  MSE càng lớn do tham  số ước lượng tăng  lên quá nhiều trong  khi số lượng pilot không đổi.

Hệ thống  đang khảo sát khả dụng khi tại BS tăng  đến khoảng 60 anten.

So anten

Hình 3.10: BER tại SNR = -10:30dB

Hình 3.11: BER tại SNR = 25dB

Nhận xét:

Khi số lượng anten  tại  BS tăng  thì  BER  càng lớn. Điều này  là do nhiễu xuyên kênh và do tham  số ước lượng tăng lên quá nhiều trong khi số lượng pilot không đổi.

Hệ thống  đang khảo sát khả dụng khi tại BS tăng  đến khoảng 60 anten.

3.8          Kết  luận  chương

Chương này đã trình  bày một  số kết quả mô phỏng hệ thống  truyền  tin  đa chặng  và đã rút  ra  so sánh,  nhận  xét  cũng như  đánh  giá một  số kênh  truyền trong  các điều kiện chất  lượng đường truyền  khác nhau.

1. Ước lượng LS cho kết quả khá gần với kênh truyền  có ước lượng hoàn hảo

(perfect  estimation).

2. Khi sử dụng ước lượng LS với số mẫu pilot thay  đổi, BER càng tốt  khi số mẫu pilot càng lớn. Trong  phần  mô phỏng BER tốt  nhất  khi số mẫu pilot bằng

3. Với kiểu điều chế ít điểm như BPSK,  BER  thấp  hơn so với các kiểu điều chế nhiều điểm khác.

4. Có nhiều  loại kênh  truyền  được sử dụng  trong  mô phỏng,  nhưng  kênh AWGN  cho  BER  thấp  nhất.   Đây  ứng  với trường  hợp  sử dụng  cáp  đồng  để truyền  dẫn tín hiệu (môi trường hữu tuyến).

5. Với một luồng tín hiệu truyền  đi, BER được cải thiện  khi số trạm  chuyển tiếp  càng nhiều.  Trong  bài mô phỏng,  BER  tốt  nhất  khi tín  hiệu được chuyển tiếp qua 05 trạm.

6. Trong  hệ thống  5G sử dụng  Massive MIMO,  số lượng anten  tại  BS tăng làm giảm chất lượng đường truyền  nhưng có thể tăng số lượng user lên rất nhiều lần trong  giới hạn cho phép (khoảng  60).

Kết  luận  và  hướng  phát triển đề  tài

Trong  đồ án này, em đã hoàn thành  một số công việc như sau :

1.  Tìm  hiểu một  số vấn đề chính  trong  hệ thống  thông  tin  di động, hệ thống thông  tin đa chặng và các phương pháp  ước lượng kênh truyền.
2.  Có cái nhìn tổng quan về hệ thống  Viễn thông  hiện nay và hiểu rõ hơn một số kỹ thuật nâng cao chất  lượng kênh truyền  trong  hệ thống  thông  tin di động.
3.  Xây dựng mô hình kênh pha đinh đa đường, thực hiện mô phỏng trên  phần mềm MATLAB  một số trường  hợp kênh thông  tin đa chặng và rút  ra so sánh, nhận  xét, từ đó đánh  giá mức độ khả thi của kỹ thuật truyền  tin đa chặng khi áp dụng vào thực tế.

Tuy  việc thực  hiện còn một vài thiếu  sót và nội dung nghiên cứu chưa thật sự đa dạng về thuật toán ước lượng nhưng các kết quả mô phỏng cũng phần nào giúp em có cái nhìn  trực  quan  hơn về hệ thống  mạng không dây hiện nay,  các khó khăn và một số hướng giải quyết để từng bước nâng cao chất lượng dịch vụ. Từ đó khắc sâu kiến thức  và biết  cách vận dụng  những  điều được học trên  cơ sở lý thuyết vào thực hành,  mô phỏng.

Đây là một đề tài còn có thể mở rộng nghiên cứu ra nhiều hướng trong tương lai, chẳng hạn như mô phỏng hệ thống  với các thuật toán  khác có độ chính xác cao hơn, tính  toán  dung  lượng kênh truyền,...). Các hướng nghiên cứu càng đi sâu vào mô phỏng thực  tế sẽ giúp việc đánh  giá chính xác hơn trong  hệ thống thật, từ  đó cải thiện  kỹ thuật truyền  tin  hay  rộng hơn là góp phần  nâng  cao chất  lượng hệ thống Viễn thông.  Em hi vọng rằng đề tài thú  vị này sẽ được các bạn sinh viên khóa sau tiếp cận và phát  triển.

Tài  liệu  tham khảo

[1] Nguyễn  Lê Hùng,  Thông  tin  di động, Khoa  Điện tử  - Viễn thông,  Đại học

Bách khoa Đà Nẵng (2012).

[2] Nguyễn Bình Nam, Trà  Trung  Anh, Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin đa chặng Two- way relay, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách khoa Đà Nẵng (2012).

[3] Trương  Ngọc Phú,  Nghiên cứu kỹ thuật  truyền  thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộng, Luận văn Thạc  sĩ Kỹ thuật (2013).

[4] Nguyễn Văn Tuấn,  Thông tin vi ba- vệ tinh, Nhà xuất  bản Giáo dục (2011).

[5] Đỗ Trọng Tuấn,  Phạm  Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Thị Minh Tú, Vũ Đức Thọ, Nguyễn Văn Đức, Giáo trình thông tin di động (Mobile Communications), NXB Khoa học và Kỹ thuật(2007).

[6] Andrea  Goldsmith, Wireless  Communication, Cambridge  University  (2005).

[7] Florian  Roemer, Martin  Haardt, Tensor-Based Channel Estimation and Iter- ative Refinements for Two-Way  Relaying With  Multiple Antennas  and Spatial Reuse, IEEE  Transactions on signal processing, vol. 58, No. 11 (11/2010).

[8] Yong Soo Cho,  Jaekwon  Kim,  Won  Young Yang,  Chung-Gu  Kang,  MIMO OFDM Wireless  Communications with MATLAB, IEEE  Press (2010).

[9] Erik G. Larsson, Ove Edfors, Fredrik  Tufvesson,  Thomas  L. Marzetta, Mas- sive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine (2/2014).