kênh truyền vô tuyến

1.3 Kênh truyền vô tuyến 1.3.1 Giới thiệu Chất lượng của các hệ thống thông tinphụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi màtín hiệu được truyền từ máy phát đến máythu.. 1.3.2 Các hiện tượng ả

Thông tin vô tuyến

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chương

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tinhữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tinchủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện

đại

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoàinguồn tin và nhận tin thì kênh truyền làmột trong ba khâu quan trọng nhất, và cócấu trúc tương đối phức tạp Nó là môitrường để truyền thông tin từ máy phát đếnmáy thu Vì thế chương này tìm hiểu cácthông tin về kênh truyền: Đó là, các hiện

tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạngkênh truyền và các mô hình kênh truyền cơbản Ngoài ra chương này còn giới thiệukhái quát về hệ thống thông tin vô tuyến

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giảncủa một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồntin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm cácthông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh

để chống các lỗi do kênh truyền gây ra.Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế

để có thể truyền tải đi xa Các mức điềuchế phải phù hợp với điều kiện của kênhtruyền Sau khi tín hiệu được phát đi ởmáy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽtrải qua các bước ngược lại so với máyphát Kết quả tín hiệu được giải mã và thu

Ngu n tin ồ Mã hoá kênh

(Channel coding)

Mã hoá ngu n ồ (Source coding)

Tín hi u đích ệ

(Destination)

Gi i mã hoá kênh ả (Channel decoding)

Gi i mã hoá ngu n ả ồ (Source decoding)

Đi u ch ề ế (Modulation)

Kênh vô tuy n ế (Channel)

Gi i đi u ch ả ề ế (Demodulation)

Hình 1.2: Mô hình h th ng thông tin vô tuy n ệ ố ế

lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệuthu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền

và các phương pháp điều chế và mã hoá khácnhau Do đó ngày nay các kỹ thuật mới rađời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyềnnói riêng và mạng vô tuyến nói chung, mộttrong những kỹ thuật đó là MC-CDMA

1.3 Kênh truyền vô tuyến

1.3.1 Giới thiệu

Chất lượng của các hệ thống thông tinphụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi màtín hiệu được truyền từ máy phát đến máythu Không giống như kênh truyền hữu tuyến

là ổn định và có thể dự đoán được, kênhtruyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên vàkhông hề dễ dàng trong việc phân tích Tínhiệu được phát đi, qua kênh truyền vôtuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi

non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễuxạ…, các hiện tượng này được gọi chung làfading Và kết quả là ở máy thu, ta thuđược rất nhiều phiên bản khác nhau của tínhiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chấtlượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do

đó việc nắm vững những đặc tính của kênhtruyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để cóthể chọn lựa một cách thích hợp các cấutrúc của hệ thống, kích thước của cácthành phần và các thông số tối ưu của hệthống

Hiện tượng fading trong một hệ thốngthông tin có thể được phân thành hai loại:Fading tầm rộng (large-scale fading) vàfading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu củatrung bình công suất tín hiệu hoặc độ suyhao kênh truyền là do sự di chuyển trong

một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnhhưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồinúi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máyphát và máy thu Người ta nói phía thuđược bị che khuất bởi các vật cản cao Cácthống kê về hiện tượng fading tầm rộng chophép ta ước lượng độ suy hao kênh truyềntheo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng

kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy

ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị tríkhông gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữaphía phát và phía thu Fading tầm hẹp cóhai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thayđổi theo thời gian (time-variant) của kênhtruyền Đối với các ứng dụng di động, kênhtruyền là biến đổi theo thời gian vì sự di

chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến

sự thay đổi đường truyền sóng

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lantruyền của tín hiệu trong hệ thống diđộng:

+ Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ vachạm vào một mặt bằng phẳng với kíchthước rất lớn so với bước sóng tín hiệuRF

+ Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sónggiữa phía phát và thu bị cản trở bởi mộtnhóm vật cản có mật độ cao và kích thướclớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiệntượng giải thích cho nguyên nhân nănglượng RF được truyền từ phía phát đếnphía thu mà không cần đường truyền thẳng

Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến

được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vậtcản không thể truyền xuyên qua.

+ Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạmvào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm chonăng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc làphản xạ ra tất cả các hướng Trong môitrường thành phố, các vật thể thường gây

ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tánlá

1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến,các sóng bức xạ điện từ thường không baogiờ được truyền trực tiếp đến anten thu

Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơithu luôn tồn tại các vật thể cản trở sựtruyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhậnđược chính là sự chồng chập của các sóngđến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối vàcác vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự truyền sóng đa đường (Multipathpropagation) Do hiện tượng đa đường, tínhiệu thu được là tổng của các bản sao tínhiệu phát Các bản sao này bị suy hao,trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau.Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần màtín hiệu chồng chập có thể được khôi phụclại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài rakhi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung cóthể bị méo khi qua kênh truyền đa đường vànơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập

Che khu t ấ

Tr m di đ ng ạ ộ

Truy n th ng ề ẳ Khúc xạ

Tán xạ

Ph n x ả ạ Tán xạ

Tr m g c ạ ố

Hình 1.3: Hi n t ệ ượ ng truy n sóng đa đ ề ườ ng

khác nhau Hiện tương này gọi là sự phântán đáp ứng xung (impulse dispersion).Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đađường thì tuyến tính và có thể được bù lại

ở phía thu bằng các bộ cân bằng

1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển

động tương đối giữa máy phát và máy thu

như trình bày ở hình 1.4 Bản chất củahiện tượng này là phổ của tín hiệu thuđược bị xê lệch đi so với tần số trung tâmmột khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so vớihướng chuyển động của máy thu là αn, khi đótần số Doppler của tuyến này là [5]:

( )

= 0 n

D f cos α c

v

f n

(1.1)

α1 Tuy n 2 ế

) (

2 t

τ

) (

và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần sốDoppler lớn nhất sẽ là:

2 max

0 các trường h p còn l iợ ạ

max , 0

max ,

f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận

được ở chính xác trên tần số sóng màng f0

mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch

ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệthống

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bìnhcủa tín hiệu khi truyền từ máy phát đến

Hình 1.5: M t đ ph c a tín hi u thu ậ ộ ổ ủ ệ

máy thu Sự giảm công suất do hiện tượngche chắn và suy hao có thể khác phục bằngcác phương pháp điều khiển công suất.

1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trênđường truyền, ví dụ như các toà nhà caotầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độtín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiệntượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cáchlớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy,hiệu ứng này được gọi là fading chậm

1.3.3 Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền

và băng thông của tín hiệu phát mà ta có.+ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênhtruyền không chọn lọc tần số

+ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênhtruyền không chọn lọc thời gian.

1.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảngtần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần sốcủa kênh truyền là gần như nhau tại mọitần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần

số này được gọi là Coherent Bandwidth vàđược ký hiệu trên hình 1.6 là f0

Trên hình 1.6a, ta nhận thấy kênh truyền

có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của

Hình 1.6a: Kênh truy n ch n l c t n s (f ề ọ ọ ầ ố 0 <W)

tín hiệu phát Do đó, tại một số tần sốtrên băng tần, kênh truyền không cho tínhiệu đi qua, và những thành phần tần sốkhác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu

sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạngkênh truyền như vậy được gọi là kênhtruyền chọn lọc tần số

Hình 1.6b: Kênh truy n không ch n l c t n s ề ọ ọ ầ ố (f 0 >W)

Ngược lại, trên hình 1.6b, kênh truyền

có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông củatín hiệu phát, mọi thành phần tấn số củatín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suygiảm và dịch pha gần như nhau Chính vìvậy, kênh truyền này được gọi là kênhtruyền không chọn lọc tần số hoặc kênhtruyền fading phẳng

1.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc

thời gian

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liêntục theo thời gian, vì các vật chất trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vậntốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuấthiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện

từ lan truyền trên đường truyền phản

xạ, tán xạ … qua những vật thể này nênhướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổitheo thời gian.

Tính chất này của kênh truyền được mô tảbằng một tham số, gọi là coherent time Đó

là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứngthời gian của kênh truyền thay đổi rất ít(có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ kýhiệu (symbol duration) rất lớn so vớicoherent time thì kênh truyền đó được gọi

là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngượclại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ kýhiệu (symbol duration) rất nhỏ so vớicoherent time thì kênh truyền đó là đượcgọi là kênh truyền không chọn lọc thờigian hay phẳng về thời gian

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản

1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân

bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bảnchất thay đổi theo thời gian của đường baotín hiệu fading phẳng thu được hoặc đườngbao của một thành phần đa đường riêng lẻ.Chúng ta biết rằng đường bao của tổng haitín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theophân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàmmật độ xác suất[4],[14]:

) 0

( 2

exp )

2 2

r

r r

r r

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) củađiện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách

suất trung bình theo thời gian

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhậnđược không vượt qua một giá trị R chotrước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:

(

σ

R dr

r p R r P R

P

R r

(1.5)Giá trị trung bình rmean của phân bốRayleigh được cho bởi:

σ

π

2 )

( ]

2 2

4292 0 2

2 2

) ( ]

(căn bậc hai của giá trị trung bình bìnhphương) Giá trị median của r tìm được khigiải phương trình:

( 2

(1.8)

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khácnhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợptín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giátrị median thường được sử dụng trong thực

tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được

đo trong những môi trường mà chúng ta

không thể chấp nhận nó tuân theo một phân

bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trịmedian thay vì giá trị trung bình, chúng

ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khácnhau (có giá trị trung bình khác nhau).Hình 1.7 minh họa hàm mật độ xác suấtRayleigh

1.3.4.2 Phân bố Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không

có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máythu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thànhphần light-of-sight) với công suất vượttrội Khi có thành phần này, phân bố sẽ làRicean Trong trường hợp này, các thànhphần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu vớinhững góc khác nhau được xếp chồng lên tínhiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộtách đường bao, điều này có ảnh hưởng như

là cộng thêm thành phần dc vào các thànhphần đa đường ngẫu nhiên Giống như trongtrường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễunhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thucùng với các tín hiệu đa đường (có côngsuất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõrệt hơn Khi thành phần light-of-sight bịsuy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống nhưnhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh.

Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bốRayleigh trong trường hợp thành phầnlight-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bốRicean:

) 0 , 0 ( )

) (

2

2 2 2

r

r A

Ar I e

r r

p

A r

σ

A: Biên độ đỉnh của thành phần of-sight.

light-Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.Phân bố Ricean thường được mô tả bởithông số k được định nghĩa như là tỉ sốgiữa công suất tín hiệu xác định (thànhphần light-of-sight) và công suất cácthành phần đa đường:

2 log 10 ) (

light-→

Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnhhưởng đến chất lượng của kênh truyền, đó

là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler,suy hao đường truyền và hiệu ứng bóng râm,

từ đây muốn cải thiện chất lượng kênhtruyền thì cần phải khắc phục các hiệntượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã rađời

Chương 1 còn cho ta biết các dạng kênhtruyền trong hệ thống thông tin di động

Và cho ta biết hai mô hình phân bố kênh,

đó là Rayleigh và Rice Tuy nhiên kỹ thuậtMC-CDMA được kết hợp từ kỹ thuật CDMA và

kỹ thuật OFDM, do vậy chương sau sẽ tìmhiểu về các kỹ thuật này