cong nghe truyen thong vo tuyen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ThS. HOÀNG QUANG TRUNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ) THÁI NGUYÊN - 2012 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1. Giới thiệu Các mạng vô tuyến di động truyền thống được xây dựng trên cơ sở khái niệm tế bào (cellular), bằng cách này có thể đáp ứng tốt về kiến trúc. Trong đó các thiết bị di động thông tin với các điểm truy nhập giống (như các trạm cơ sở) được nối với mạng cố định. Mạng vô tuyến được phân loại theo 3 kiểu tương ứng theo vùng phủ sóng đó là: (1) mạng vô tuyến nội bộ (WLAN, Wi-Fi/IEEE 802.11), mạng này có thể cung cấp truy nhập internet tốc độ cao nhưng bị giới hạn về vị trí cũng như khoảng cách; (2) các mạng vô tuyến tế bào, có thể cho phép truy nhập ở phạm vi toàn cầu nhưng bị giới hạn về tốc độ; (3) các mạng vô tuyến đô thị (như WiMAX/ IEEE 802.16) và mạng vô tuyến diện rộng như mạng thế hệ thứ 3. Sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây là rất nhanh, tập trung vào việc cải tiến các giao thức và môi trường truyền dẫn, bởi vậy người dùng được đáp ứng yêu cầu dịch vụ mọi lúc, mọi nơi. Hình 1.1. Phân lớp mạng vô tuyến Mạng WiFi Thuật ngữ WiFi ám chỉ sự hợp nhất các tiêu chuẩn 802.11, 802.11a,b,g trên thiết bị truyền thông vô tuyến để hình thành mạng WMAN. Có nghĩa là cho phép các nhà sản xuất khác nhau chế tạo thiết bị truyền thông IEEE 802.11 WLAN tương tác được với nhau. Bảng 1: Các tiêu chuẩn IEEE 802.11 Tiêu chuẩn 802.16 Xu hướng phát triển mạng di động tế bào Hình 1.2. Lộ trình phát trển mạng di động Công nghệ truyền thông vô tuyến không ngừng phát triển và cũng đã đạt được những thành tựu đáng kể. Ngày nay, các mạng WLANs (Wireless Local Area Networks) đã đạt được tốc độ 10 Mbit/s đến 100 Mbit/s. Tuy nhiên, với tốc độ trên vẫn có thể không đáp ứng được khi đối mặt với việc đòi hỏi tốc độ truy cập dữ liệu ngày càng cao do nội dung truyền thông trở nên đa dạng. Đặc biệt là sự cạnh tranh với những mạng LAN (hữu tuyến) với công nghệ xDSL (đường dây thuê bao số) và mạng cáp quang. Các tiến bộ khoa học gần đây đã minh chứng rằng để nâng cao chất lượng truyền thông vô tuyến thì không chỉ tận dụng các tài nguyên về thời gian (phân tập thời gian), tài nguyên về tần số (phân tập tần số) mà còn có thể sử dụng nguồn tài nguyên lớn đó là không gian. 1.2. Kênh thông tin vô tuyến 1.2.1. Kênh tạp âm AWGN Thuật ngữ tạp âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống. Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách chính xác của các tín hiệu phát và vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai loại chính là nhân tạo và tự nhiên. Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà. Thiết kế các mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị hay sử dụng các phương pháp lọc. Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt. Tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển động của các điện tử ở trong tất cả các linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác. Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn trung tâm. Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không. Ví dụ về tạp âm Gauss với giá trị trung bình 0 và phương sai 2 1 σ = được miêu tả ở hình 1.2. Hình 1.2: Mô tả tạp âm Gauss. Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trình ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau [1]: ( ) 2 2 1 exp 2 2 n x p x σ σ π   = −  ÷   (1.1) Hình vẽ 1.3 bểu diễn hàm PDF Gauss với giá trị trung bình bằng không ( ) 0 µ = và độ lệch chuẩn (standard deviation). Hình 1.3: Hàm mật độ xác suất Gauss với 2 1 σ = . Tạp âm trắng: Một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt là mật độ phổ tần số của nó như nhau tại mọi tần số. Tức là, nó là nguồn tạp âm phát ra một lượng công suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng: ( ) [ ] W/Hz 2 o n N G f = (1.2) như mô tả ở hình 1.4(a) dưới đây. Hệ số trong công thức trên chỉ thị rằng ( ) n G f là một hàm mật độ phổ công suất 2 phía còn o N thì được gọi là mật độ phổ công suất tạp âm. Tạp âm với công suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise). Hình 1.4: Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng. Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược của mật độ phổ công suất tạp âm cho bởi: ( ) ( ) { } ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1.3 1.4 2 j f n n n o R G f G f e df N π τ τ δ τ ∞ − −∞ = ℑ = = ∫ Như vậy, hàm tự tương quan của tạp âm trắng là một hàm xung delta tại 0 τ = được nhân với trọng số 2 o N . Để ý rằng ( ) 0 n R τ = với mọi 0 τ ≠ nên bất kỳ hai mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kể chúng gần nhau đến mức nào. Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên nó còn được gọi là tạp âm cộng (additive noise). Tổng hợp các đặc tính của tạp âm nhiệt ở trên chúng ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm nhiệt trong các hệ thống thông tin là tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gaussian Noise). 1.2.2. Kênh pha-đinh đa đường Hình vẽ 1.5 mô tả một đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS: Base Station) và anten trạm di động (MS: Mobile Station). Xung quanh MS có nhiều vật phản xạ như nhà, cây, đồi núi, trong khi xung quanh BS lại có rất ít hoặc không có các vật phản xạ do anten trạm BS được đặt trên cao. Các vật phản xạ này được gọi chung là vật tán xạ. Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiều đường (path), mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến máy thu là tín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này. Do các đường có biên độ, pha và độ trễ khác nhau, nên tín hiệu truyền qua các đường có thể kết hợp với nhau một cách có lợi hoặc không có lợi, tạo nên một sóng đứng ngẫu nhiên. Hiện tượng này được gọi là truyền sóng pha-đinh đa đường. Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là kênh pha-đinh đa đường. Hình 1.5: Mô hình truyền sóng đa đường. 1.2.2.1. Mô hình toán học của pha-đinh Tín hiệu vô tuyến luôn là tín hiệu băng thông (bandpass) và có băng tần hẹp (narrowband). Tín hiệu băng thông phát đi ( ) s t tại tần số sóng mang c f với đường bao phức được biểu diễn như sau: ( ) ( ) 2 c j f t s t s t e π   = ℜ   % (1.5) Trong đó [ ] ℜ × biểu diễn phép toán lấy phần thực. Đặt độ dài của đường l là l x và ký hiệu c là tốc độ ánh sáng thì thời gian truyền sóng từ BS tới MS là l x c . Giả sử độ suy hao của đường l là l a , thì tín hiệu thu được tại MS không tính đến tạp âm là: ( ) l l l x r t a s t c   = −  ÷   ∑ (1.6) Thế (1.5) vào (1.6) chúng ta có: ( ) ( ) ( ) 2 2 1.7 1.8 l c l c x j f t c l l l x j f t c l l l x r t a s t e c x a s t e c π π   −  ÷     −  ÷       = ℜ −    ÷         = ℜ −  ÷   ∑ ∑ % % Viết lại ( ) r t dưới dạng: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 1.9 1.10 l c c c x j f j f t l c l l j f t x r t a s t e e c r t e π π π −     = ℜ −    ÷       = ℜ   ∑ % % Trong đó thành phần đường bao tín hiệu thu: ( ) ( ) ( ) 2 1.11 c l j f l l l r t a s t e π τ τ − = − ∑ % % được gọi là tín hiệu băng tần gốc tương đương của ( ) r t , còn l l x c τ = là thời gian trễ của đường thứ l . 1.2.2.2. Ảnh hưởng do chuyển động của MS Khi MS chuyển động với tốc độ v , độ dài đường truyền sóng thứ l thay đổi. Nếu góc tới của tia thứ l so với hướng chuyển động là l φ thì độ dài của tuyến thay đổi như là một hàm của tốc độ v và thời gian t là: ( ) l os l x v c t φ ∆ ≈ − × × (1.14) Như vậy, đường bao phức của tín hiệu thu là: ( ) ( ) ( ) 2 cos 2 2 cos l l c l l c c x x j f l l c l l v t x j f j f l l c c l l x x r t a e s t c v t x a e e s t c c π φ π π φ +∆ − × × − + ∆   = −  ÷     × × = − +  ÷   ∑ ∑ % % % (1.15) Do sự thay đổi độ trễ tín hiệu ( ) cos l v t c φ × × là rất nhỏ so với thang thời gian của tín hiệu điều chế ( ) s t % nên chúng ta có thể bỏ qua chúng. Như vậy, nếu đặt: ( ) 2 1.16 c l j f l l a e π τ α − = chúng ta có thể viết lại ( ) r t % ở dạng rút gọn sau: ( ) ( ) ( ) 2 cos l v j t l l l r t e s t π φ λ α τ × = − ∑ % % (1.17) Với λ là bước sóng của sóng mang. Hay: ( ) ( ) ( ) 2 cos D l j f t l l l r t e s t π φ α τ × × = × × − ∑ % % (1.19) Từ công thức này chúng ta có thể thấy rằng vật tán xạ thứ l đã dịch tín hiệu phát đi l τ về thời gian và ( ) cos D l f φ về tần số. Độ dịch Doppler cực đại là: c D f v f v c λ = × = Biểu thức (1.19) miêu tả một kênh vô tuyến điển hình với tán xạ rời rạc. 1.2.2.3. Hậu quả của truyền sóng pha-đinh đa đường Hậu quả của truyền sóng pha-đinh đa đường là: * Pha-đinh chọn lọc theo thời gian gắn với trải Doppler, được tạo ra do chuyển động của MS. * Trải trễ (delay spread) gắn với pha-đinh chọn lọc theo tần số. Doppler spread: Nếu MS chuyển động qua các vùng ngẫu nhiên, nó chịu ảnh hưởng thay đổi về cường độ và pha tín hiệu với tốc độ thay đổi tuỳ thuộc vào vận tốc chuyển động của MS. Giả sử băng tần tín hiệu là rất nhỏ (ứng với pha-đinh phẳng), bề rộng băng thông nhỏ sao cho thời gian trễ l τ không ảnh hưởng tới tín hiệu, và ta có ( ) ( ) l s t s t τ − ≈ % % . Như vậy, công thức (1.19) có thể viết lại thành: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 cos D l j f t l l r t s t e g t s t π φ α = = ∑ % % % (1.20) Ở đó, độ lợi phức ( ) g t của kênh thay đổi theo thời gian bởi vì góc pha ( ) 2 cos D l f t π φ thay đổi theo thời gian. Từ đây chúng ta có thể thấy rằng chuyển động của MS (hay độ dịch Doppler) làm cho độ lợi đường truyền biến đổi. Do ( ) g t thay đổi nhanh hơn ( ) s t % nên tín hiệu thu bị trải trên thang tần số. Đặc biệt, âm tần gốc sẽ trải trên một vài thành phần trong băng [ ] , D D f f− cho mỗi trường hợp tán xạ (scatterer). Chính vì vậy, hiện tượng này còn được gọi là Doppler spread. Delay spread: Xét trường hợp tần số Doppler rất nhỏ tương ứng với MS đứng yên, chúng ta có thể coi pha của các vật thể tán xạ là không đổi. Như vậy công thức (1.20) có thể được viết lại như sau: ( ) ( ) l l l r t g s t τ = − ∑ % % (1.21) với l j l l g e φ α − = và l φ là pha ngẫu nhiên. Kênh truyền: ( ) ( ) , l l l g t g t τ δ τ = − ∑ (1.22) lúc này đóng vai trò là một bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn (FIR: Finite Impulse Respose filter). Hình (1.6) dưới đây mô tả đáp ứng xung của một bộ lọc FIR tại thời điểm quan sát o t nào đó. Dải D τ được gọi là trải trễ (delay spread). Chúng ta có thể thấy do độ dài các đường truyền sóng khác nhau nên đã làm cho tín hiệu bị dịch chuyển trễ. Hình 1.6: Đáp ứng xung của bộ lọc FIR. Thực hiện biến đổi Fourier lên đáp ứng xung này, chúng ta có đáp ứng tần số: ( ) ( ) 2 1.23 l j f l l G f g e π τ − = ∑ Từ đây chúng ta thấy rằng trải trễ D τ làm biến đổi đáp ứng tần số ( ) G f , tức là tại các tần số khác nhau thì biên độ ( ) G f có giá trị khác nhau. Kênh truyền dẫn trong trường hợp này được gọi là kênh chọn lọc tần số (frequency selective). 1.2.3. Kênh pha-đinh Rayleigh