Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 2 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 165 Chương 6 ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG PHAĐINH ĐA ĐƯỜNG 6 1 GIỚI THIỆU CHUNG 6 1 1 Các chủ đề được trình bầy Tính chất kênh trong các miền không gian, m[.]
TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG PHAĐINH ĐA ĐƯỜNG 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 6.1.1 Các chủ đề trình bầy Tính chất kênh miền không gian, miền tần số miền thời gian Phân bố Rayleigh Rice Tổn hao đường truyền che tối Các hệ thống tổ ong Mô hình kênh phạm vi hẹp Các thơng số kênh vơ tuyến đa đường di động phạm vi hẹp Các phương pháp xây dựng mơ hình kênh vơ tuyến pha đinh di động Các dạng giảm cấp đường truyền vô tuyến giải pháp chống pha đinh 6.1.2 Hướng dẫn Học kỹ tư liệu trình bầy chương Tham khảo thêm [2], [3] Trả lời câu hỏi tập cuối chương 6.1.3 Mục đích chương Hiểu ảnh hưởng khác kênh truyền sóng lên truyền dẫn vơ tuyến di động Biết cách tính tốn thơng số kênh Xây dựng mơ hình kênh truyền sóng Hiểu nguyên lý số dạng phân tập điển hình 6.2 MỞ ĐẦU Kênh vơ tuyến hệ thống thông tin không dây thường đựơc trình bày khái niệm kênh truyền sóng trực xạ (LOS: Line of Sight) không trực xạ (NLOS: None 165 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Line of Sight) Trong đường truyền LOS, tín hiệu truyền trực tiếp đường truyền không bị che chắn từ máy phát đến máy thu Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến phải tối ưu hóa để đảm bảo phủ sóng tốt cho điều kiện không trực xạ (NLOS) Đường truyền LOS địi hỏi hầu hết vùng Fresnel thứ khơng có vật chắn (xem hình 6.1), khơng đảm bảo điều kiện cường độ tín hiệu bị suy giảm đáng kể Khoảng hở cần thiết phụ thuộc vào tần số công tác cự ly máy phát máy thu Các vật chắn nằm vùng giới hạn 0,6 khoảng hở vùng Fresnel thứ 0,6 Trạm gốc hệ thống đa truy nhập vô tuyến Khoảng hở vùng Fresnel thứ Trạm thuê bao Khoảng hở vùng Fresnel thứ xác định đường kính vùng Fresnel thứ nhất: 2R1 d1d d1 d d1 ,d khoảng cách từ máy phát máy thu đến điểm phản xạ Hỡnh 6.1 iu kin LOS Trong đường truyền khơng trực xạ, tín hiệu đến máy thu qua phản xạ, tán xạ nhiễu xạ Tín hiệu máy thu gồm thành phần nhận từ: (1) đường truyền trực tiếp, (2) đường phản xạ, tán xạ nhiễu xạ Các tín hiệu có trải trễ, suy hao, phân cực độ ổn định khác so với tín hiệu đường trực tiếp Hiện tượng đa đường dẫn đến thay đổi phân cực sử dụng phân cực vng góc cho tái sử dụng tần số thường thấy triển khai LOS nguy hiểm điều kiện NLOS Trong thông tin vô tuyến di động, đặc tính kênh vơ tuyến di đơng có tầm quan trọng lớn, chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn dung lượng 166 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Trong hệ thống vô tuyến thông thường (không phải hệ thống vơ tuyến thích ứng), tính chất thống kê dài hạn kênh đo đánh giá trước thiết kế hệ thống Nhưng hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề phức tạp Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận thơng tin tính chất thống kê ngắn hạn chí tức thời kênh Các yếu tố hạn chế hệ thống thơng tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến Các yếu tố là: Suy hao Cường độ trường giảm theo khoảng cách Thông thường suy hao nằm khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách Che tối Các vật cản trạm gốc máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu Phađinh đa đường phân tán thời gian Phản xạ, nhiễu xạ tán xạ làm méo tín hiệu thu cách trải rộng chúng theo thời gian Phụ thuộc vào băng thông cuả hệ thống, yếu tố dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu gây nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference) Nhiễu Các máy phát khác sử dụng tần số hay tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn Đơi nhiễu coi tạp âm bổ sung Có thể phân kênh vô tuyến thành hai loại: "phađinh phạm vi rộng" "phađinh phạm vi hẹp" Các mơ hình truyền sóng truyền thống đánh giá cơng suất trung bình thu khoảng cách cho trước so với máy phát Đối với khoảng cách lớn (vài trăm đến vài nghìn m), mơ hình truyền sóng phạm vi rộng sử dụng Phađinh phạm vi hẹp mô tả thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha trễ đa đường khoảng thời gian ngắn (một giây) hay cự ly di chuyển ngắn (vài bước sóng) Phađinh trường hợp gây truyền sóng đa đường Bức tranh tổng quát thay đổi cường độ điện trường kênh vô tuyến đựơc cho hình 6.2 167 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Cường độ tín hiệu anten thu Thay đổi tín hiệu phađinh Rayleigh (phađinh phạm vi hẹp) Giảm dần suy hao Thay đổi che tối Khoảng cách Phađinh phạm vi rộng Hình 6.2 Thay đổi cường độ điện trường anten thu phađinh 6.2 TÍNH CHỌN LỌC CỦA CÁC KÊNH VƠ TUYẾN Các kênh vơ tuyến kênh mang tính ngẫu nhiên, thay đổi từ đường truyền thẳng đến đường bị che chắn nghiêm trọng vị trí khác Hình 6.3 cho thấy miền khơng gian, kênh có đặc trưng khác (biên độ chẳng hạn) vị trí khác Ta gọi đặc tính tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) phađinh tương ứng với phađinh chọn lọc khơng gian Hình 6.4 cho thấy miền tần số, kênh có đặc tính khác tần số khác Ta gọi đặc tính tính chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) pha đinh tương ứng với phađinh chọn lọc tần số Hình 6.5 cho thấy miền thời gian, kênh có đặc tính khác thời điểm khác Ta gọi đặc tính tính chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) phađinh gây phađinh phân tập thời gian Dựa đặc tính trên, ta phân chia phađinh kênh thành: phađinh chọn lọc không gian (phađinh phân tập không gian), phađinh chọn lọc tần số (phađinh phân tập tần số), phađinh chọn lọc thời gian (phân tập thời gian ) Chương xét tính chất kênh miền không gian, thời gian tần số, Ngoài chương xét đến nhân tố ảnh hưởng lên chất lượng đường truyền môi trường truyền sóng phạm vi rộng phạm vi hẹp 168 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng TÝnh chän läc kh«ng gian kênh Biên độ Miền không gian Hỡnh 6.3 Tớnh chất kênh miền khơng gian TÝnh chän läc tÇn số kênh Biên độ Miền tần số Hỡnh 6.4 Tính chất kênh miền tần số 169 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng TÝnh chän läc thêi gian cđa kªnh Biên độ Miền thời gian Hỡnh 6.5 Tớnh cht kờnh miền thời gian 6.4 ĐIỀU BIẾN TẦN SỐ Điều biến tần số gây hiệu ứng Doppler, MS (mobile station: trạm di động) chuyển động tương đối so với BTS dẫn đến thay đổi tần số cách ngẫu nhiên Do chuyển động tương đối BTS MS, sóng đa đường bị dịch tần số (hình 6.6) b) a) S d qi X d Y v Hình 6.6 Mơi trường di động dịch tần Dopler Ta xét trường hợp tần số fc phát máy di động thu N tín hiệu phản xạ Tín hiệu phản xạ i đến máy di động góc tới i so với phương chuyển động bị dịch pha sau (hình 6.6b): d 2f c dt 2d 2vdt cos i cos i c (6.1) 170 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng v tốc độ cuả MS, bước sóng, i góc tới so với phương chuyển động cuả MS, c tốc độ ánh sáng fc tần số sóng mang Tần số sóng thu được biểu diễn sau: 2fct d 2fct 2fdi t 2(f c f di )t f =f c +f di =f c +f D cos i (6.2) Trong fdi v cosi v fc cosi f D cosi , c (6.3) dịch Doppler, fD v v fc c (6.4) tần số Doppler cực đại hay trải Dopper Từ phương trình ta thấy MS di chuyển phía sóng tới (i900) tần số thu giảm Vì tín hiệu đa đường đến MS từ phương khác làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi (hoặc) thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler Đường bao cuả tín hiệu thu mơi trường truyền sóng q trình ngẫu nhiên thể phân bố ngẫu nhiên Phân bố Rayleigh Rice phân bố thường sử dụng để mô tả môi trường truyền sóng NLOS NLOS kết hợp LOS Dưới ta xẽ xét phân bố 6.5 PHÂN BỐ RAYLEIGH VÀ RICE 6.5.1 Phân bố Rayleigh Trong phần ta rút công thức cho phân bố Rayleigh cho môi trường NLOS Ta xét trường hợp tần số fc phát máy di động nhận M tín hiệu tán xạ với thời gian trễ Tín hiệu tán xạ i đến máy di động góc i so với phương chuyển động cuả máy di động bị dịch Doppler sau: f di = vf c c cosi (6.5) 171 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng dó v tốc độ chuyển động máy di động c tốc độ ánh sáng i biến ngẫu nhiên có xác suất phân bố với hàm mật độ xác suất sau: , [-,] p() 0, nÕu kh¸c (6.6) Ta biểu diễn tín hiệu cuả tia tán xạ i thu máy di động sau: vf cosi x i (t) = R i cos 2fc t 2 c t i c (6.7) Trong Ri biên độ ngẫu nhiên sóng i, i pha ngẫu nhiên phân bố sóng i Ta biểu diễn tần số sóng i sau: f i () = f c + vf c c cos i (6.8) Khai triển lượng giác (2.3) ta được: vf cosi vf cosi x i (t) = R i cos c t + i cos2f c t - R isin c t + i sin2 f ct c c = RIi(t)cos2fct-RQi(t)sin2fct Trong đó: (6.9) vfc cosi t + i c (6.10) vfc cosi t + i c (6.11) R Ii (t) = R i cos R Qi (t) = R i sin Ta biểu diễn tín hiệu tổng M tia tán xạ sau M M i=1 i=1 x(t) = R Ii (t)cos2πfc t - R Qi (t)sin2πf c t = a1(t)cos2fct-a2(t)sin2fct =(t)cos[2fct+(t)] Trong (6.12) M R I (t) = R Ii (t) =a1 (t) (6.13) i=1 172 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng M R Q (t) = R Qi (t) =a2 (t) (6.14) i=1 (t) = a 1 (t) + (t) (6.15) 1 (t) (t) (6.16) 2 (t) = arctang a số thể cơng suất trung bình i(t); i(t) i(t) trình ngẫu nhiên độc lập , (t) q trình ngẫu nhiên thể đường bao tín hiệu thu, (t) q trình ngẫu nhiên có xác suất phân bố với hàm mật độ xác suất sau: , [-,] f ( ) 0, nÕu kh¸c (6.17) biến ngẫu nhiên, giá trị biến ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên (t) Theo định lý giới hạn trung tâm, số M lớn, cách gần ta coi a1(t) a2(t) q trình ngẫu nhiên Gauss khơng tương quan có trung bình khơng phương sai 2 Khi ta có: u= a (t) cos v= a (t) sin (6.18) u v giá trị biến ngẫu nhiên U V trình ngẫu nhiên độc lâp phân bố Gauss với phương sai 2 trung bình khơng (22=Pr cơng suất trung bình tín hiệu thu trước tách sóng đường bao); giá trị biến ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên (t) Ta biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp cuả hai biến sau: fU ,V (u, v) e u2 v2 2 (6.19) Hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên (t) (t) xác định đổi biến sau: f, ( , ) fU,V (u, v).J( , ) (6.20) 173 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng , giá trị biến ngẫu nhiên (t) (t); J(.) Jacobi xác định sau: u J( , ) v u v = cos sin - sin cos = cos2 + sin2= (6.21) Sử dụng (6.21) ta biểu diễn (6.20) sau: f, ( , ) e 2 2 (6.22) Ta biểu diễn hàm mật độ xác suất liên hiệp hai biến tích hàm mật độ xác suất f f: f, ( , ) (6.23) f ( ).f ( ) Từ (6.17), (6.22) (6.23) ta hàm mật độ xác suất đường bao tín hiệu thu ảnh hưởng tán xạ đường truyền sau: 2 f( ) e 2 , (6.24) nÕu kh¸c Trong giá trị đường bao tín hiệu thu 22 cơng suất thu trung bình xác định tổn hao đường truyền che tối Phân bố (6.24) gọi phân bố Rayleigh Từ phương trình (6.24) ta thấy pha đinh Rayleigh làm cho công suất thăng giáng xung quanh cơng suất thu trung bình Ta biểu diễn (6.12) dạng hàm phức sau đây: X(t)=a[ 1(t)+j2(t)]ej2fct= (t) ej(t)ej2fct (6.25) x(t) Re X(t) Re a 1 (t) j (t) e j2 f c t (6.26) 174 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng thời nhỏ hay tính chọn lọc tần số thấp (kênh pha đinh phẳng hay Rayleigh) kênh pha đinh băng hẹp Trong phần đa xét giải pháp chống pha đinh 6.12.1 Giảm cấp chất lượng đường truyền pha đinh băng hẹp phân tập 6.12.1.1 Các số đo chất lượng đường truyền vô tuyến kênh pha đinh băng hẹp Chất lượng đường truyền vô tuyến thường đánh giá xác suất lỗi bit hay tỷ số lỗi bit trung bình (BER) Xác suất lỗi bit hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng điều chế QAM xấp xỉ hóa giá trị biên sau đây: Pb 0,2e 1,5 /(M 1) (6.107) Trong M4 số trạng thái điều chế hay bảng chữ ký hiệu điều chế, tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR : Signal to Noise) Hình 6.25 cho thấy phụ thuộc BER vào tỷ số tín hiệu tạp âm kênh AWGN (tạp âm Gauss trăng cộng) kênh pha đinh Rayleigh Từ phương trình (6.100) ta thấy xác suất lỗi bit giảm theo hàm mũ với tỷ số tín hiệu tạp âm Trong kênh pha đinh phẳng, thời điểm pha đinh sâu BER lớn BER yêu cầu Từ phương trình (6.100) ta thấy để giảm BER trường hợp ta cần tăng tỷ số tín hiệu tạp âm hay tăng nói cách khác : tăng cơng suất phát Hình 6.25 cho thấy kênh 16 QAM, để đảm bảo Pe 10-5 kênh pha đinh phẳng ta cần tăng công suất lên cao 30 dB điều nên 221 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng QAM 16 QAM 64 QAM -1 BER (Pb ) 10 10-1 Pha đinh Rayleigh -3 10 10-4 10 10 -5 AWGN -6 10 15 20 25 30 35 40 50 45 24dB Tỷ số tín hiệu tạp âm: =E b/N0, dB Hình 6.25 Xác suất lỗi bit phụ thuộc tỷ số tín hiệu tạp âm kênh AWGN pha đinh phẳng Mặ dù BER số đo tiện lợi cho việc phân tích liên hệ trực tiêp với SINR (Signal to Interference plus Noise: tỷ số tín hiêu nhiễu cộng tạp âm), số đo hiệu thường sử dụng thông tin di động hệ PER (Packet Error Rate: tỷ lệ lỗi gói), hay tương đương BLER (Block Error Rate: tỷ lệ lỗi khối) FER (Frame Error Rate: tỷ lệ lỗi khung) Tât số đo để chi thị xác suất mà xẩy lỗi bit khối gồm số N bit Đây số đo phù hợp phát lỗi đơn gói CRC (Cyclic Redundance Check: kiểm tra vịng kỳ dư) dẫn đến gói lỗi bị xóa máy thu Biểu thức cho PER sau: PER1-(1-Pb)N (6.108) Để cải thiện chất lượng truyền dẫn môi trường phađinh biện pháp phân tập khác dược sử dụng Bản chất phân tập thu tín hiệu đến từ nhiều đường khác khác kết hợp chúng để cải thiện SNR hệ thống 222 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 6.12.1.2 Phân tập Phân tập kỹ thuật tín hiệu phát theo nhiều đường thu theo nhiễu đường để đảm bảo sau kết hợp tín hiệu phía thu ta ln tín hiệu tốt điều kiện truyền sóng cho trước Để đảm bảo phân tập hoạt động tốt cần đảm bảo cho tín hiệu phát thu độc lập thống kê với (hay nói cách khác tín hiệu phải khơng tương quan với nhau) Có thể thực hiên phân tập theo nhiều cách: thời gian, tần số, không gian, đa đường phân cực Đối với dạng phân tập điều kiện để đảm bảo tính độc lập kênh mang tín hiệu: phải trì khoảng cách định anten phát thu (trong phân tập không gian), tần số (trong phân tập tần số) khoảng thời gian (trong phân tập thời gian) phân cực chéo ( phân tập phân cực) Để nhận ích lợi tồn diện phân tập, kết hợp phía thu phải thiết kế cho sau hiệu chỉnh trễ pha cho đường truyền khác nhau, mức tín hiệu vào phải được cộng theo vectơ tạp âm cộng ngẫu nhiên Như lấy trung bình tỷ số tín hiệu tạp âm SNR đầu lớn đầu vào máy thu Phân tập vĩ mô Phân tập vĩ mô sử dụng để giảm phađinh phạm vi lớn gây che tối Do thay đổi địa hình (đối núi vật chắn) máy thu BTS máy phát MS, cường độ tín hiệu trung bình địa phương thay đổi Nếu sử dụng hai anten thu cách biệt, kết hợp tín hiệu từ hai anten máy thu BTS giảm phađinh dài hạn Các hệ thống di động tổ ong đạt hiệu cách chuyển giao cường độ tín hiệu thu yếu Trong hệ thống CDMA, phân tập vĩ mơ (chuyển giao mềm) đóng vai trị quan trọng để đảm bảo chất lượng hệ thống tái sử dụng tần số điều khiển công suất nhanh Ở hứơng đường lên (từ MS đến BTS) phân tập vĩ mơ có lợi nhiều BTS tách tín hiệu xác suất đạt tín hiệu tốt cao Khi phân tập mang tính chọn lọc: mạng chọn khung tốt thu từ máy thu cuả BTS Ở đường xuống phân tập vĩ mô xẩy theo cách khác máy thu MS thu nhiều tín hiệu từ BTS khác Thơng thường tín hiệu coi hữu ích cịn tín hiệu khác nhiễu Tuy nhiên CDMA dung lượng thay đổi mức thu có khuynh hứơng giảm tăng số đường truyền phân biệt 223 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Phân tập vi mô Phân tập vi mô sử dụng hai hay nhiều anten trạm thiết kế để thu phát tia khác từ tới trạm khác Phân tập vĩ mô sử dụng để phòng ngừa phađinh sâu Dưới phương pháp sử dụng để nhận tín hiệu khơng tương quan cho việc kết hợp: Phân tập không gian Sử dụng hai đường truyền Hai anten đặt cách khoảng ngắn d cung cấp hai tín hiệu với tương quan phađinh thấp Khoảng cách d phụ thuộc vào độ cao anten h tần số Tần số cao đặt anten gần Thơng thường khỏang cách d vài bước sóng đủ để nhận tín hiệu khơng tương quan Phân tập tần số Tín hiệu thu từ hai tần số cách khoảng độ rộng băng tần quán, Bc, tín hiệu khơng tương quan Để sử dụng phân tập tần số thành phố ngoại ô cho TTDĐ, phân cách tần số phải 300 kHz (hoặc hơn) Nhẩy tần hệ thống GSM MC (Multicarrier: đa sóng mang) hỗ trợ phân tập tần số Phân tập phân cực Các thành phần phân cực ngang phân cực đứng Ex Ey phát từ hai anten phân cực chéo BS thu từ hai anten phân cực chéo MS cung cấp hai tín hiệu khơng tương quan Phân tập phân cực dẫn đến giảm công suất dB phía phát phải phân chia cơng suất cho hai anten phân cực Phân tập thời gian Nếu tín hiệu phát khe thời gian khác nhau, tín hiệu thu tín hiệu khơng tương quan Phân tập thời gian đạt cách mã hoá kênh, đan xen phát lại 6.12.1.3 Tương tác kiểu phân tập Việc sử dụng phân tập miền làm giảm lợi ích phân tập miền khác Chẳng hạn coi đường đậm nét hình 6.26 thể đường bao tín hiệu kết hợp từ hai nhánh anten phân tập, ta thấy hầu hết điểm pha đinh sâu bị lọa bỏ Nếu số nhánh phân tập lớn, tất nhiên, tín hiệu chọn trở nên ngày phẳng miền thời gian, thời điểm tín hiệu tốt chọn Vì trường hợp này, độ lợi từ sử dụng phân tập thời gian (như mã hóa đan xen) không lớn không sử dụng phân tập khơng gian Hay nói cách đơn giản, độ lợi phân tập tổng nhỏ tổng độ độ lợi hai phân tập Vì thế, việc sử dụng tất dạng phân tập cho phép đạt tổng hiệu cực đại, phân tập làm cho kênh hiệu dụng gần với kênh AWGN nên lợi ích nhận từ nguồn phân tập bổ sung giảm dần 224 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Đường bao pha đinh (dB) -2 -4 -6 Tín hiệu Tín hiệu2 -8 Max (1,2) -10 0,2 0,4 0,6 0,8 Thời gian (giây) 1,2 1,4 1,6 1,8 Hình 6.26 Phân tập hai nhánh đơn giản loại bỏ hầu hết điểm pha đinh sâu 6.12.2 Giảm cấp chất lượng đường truyền vô tuyến kênh pha đinh băng rộng Các giải pháp chống pha đinh với sử dụng phân tập chủ yếu cho phép cải thiện tỷ số tín hiệu tạp âm Tuy nhiên xét phần trên, pha đinh chọn lọc tần số gây tán thời hậu dẫn đến ký hiệu liền kề gây nhiễu cho khơng đảm bảo điều kiện T>>max Vì tốc độ ký hiệu R tỷ lệ với 1/T, nên hệ thống truyền dẫn tốc độ số liệu cao không tránh khỏi trải trễ đa đường (T bảng 6.3 Nói cách khác thay truyền luồng số liệu tốc độ cao R băng tần B sóng mang, N sóng mang sử dụng để truyền đồng thời N luồng số liệu tốc độ thấp R/N với N độ rộng băng B/N Như đồng thời với tăng thời gian ký hiệu lên N lần độ rộng băng Bsc= B/N Nếu độ rộng băng Bsc= B/N