nghiên cứu các kỹ thuật phân tập phát và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

PDF Probability Density Function Mật độ phân bố xác suất RD Receiver Diversity Phân tập thu SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn SD Space Diversity Phân tập không gian SDMA Space Divi

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

-o0o -BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT

VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Sinh viên thực hiện :

Giáo viên hướng dẫn : ThS Hoàng Quang Trung

Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013

MỤC LỤC

TỪ VIẾT TẮT 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ 9

LỜI MỞ ĐẦU 10

Chương 1 12

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 12

1.1 Giới thiệu 12

1.2 Kênh thông tin vô tuyến 13

1.2.1.Kênh tạp âm AWGN 13

1.2.2.Kênh fading đa đường 16

1.2.2.1.Hiệu ứng Doppler (fading nhanh) 17

1.2.2.2.Hiện tượng trải trễ 19

1.2.3.Kênh fading Rayleigh 19

1.2.4.Phân bố Rice 22

1.3 Các phương pháp phân tập 23

1.3.1.Phân tập thời gian 24

1.3.2.Phân tập tần số 25

1.3.3.Phân tập phân cực 25

1.3.4.Phân tập không gian 26

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT 28

2.1 Giới thiệu phân tập 28

2.2 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát 29

2.2.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT) 29

2.2.2 Phân tập phát giữ chậm 31

2.2.3 Phân tập phát không gian – thời gian 31

2.2.3.1 Alamouti STBC 2x1 31

2.2.3.2 Alamouti STBC 2x2 38

2.3 Chương trình đánh giá và mô phỏng 44

2.3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB 44

2.3.2 Chương trình mô phỏng 45

Chương 3

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHÁT PHÂN TẬP TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 48

3.1 Phát phân tập trong mạng LTE 48

3.1.1 Giới thiệu 48

3.1.2 Kỹ thuật phát phân tập trong LTE 50

3.2 Phát phân tập trong mạng Wimax 54

3.2.1 Giới thiệu Wimax 54

3.2.2 Đặc điểm của Wimax 55

3.2.3 Ứng dụng đa anten phát trong Wimax 56

TỔNG KẾT 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

AES Advance Encryption

Standard

Chuẩn mật mã tiên tiến

ADSL Asymmetric Digital

Subscriber Line

Mạng thuê bao số bất đồng bộ

AWGN Additive White Gauss

Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BTS Base Transmission Station Trạm phát cơ sở

BER. Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng

thông rộng

BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân

CCIR  Consultative Committee 

on  international  Radio

Ủy ban tư vấn quốc tế vô tuyến

DES Data Encryption Standard Chuẩn mật mã dữ liệu

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi

FEC Forward Error Correction

FDD Frequency division duplex Ghép kênh phân chia tần số

FD Frequency Diversity Phân tập tần số

GSM Global System for Mobile

MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra

MLSE Minimum Likelihood

Phân tập phát tỷ lệ tối đa

LTE Long Term Evolution Sự phát triển trong tương

lai xa

N-LOS None Light of Sight Tầm không nhìn thẳng

OFDMA Orthogonal

Frequency-Division Multiple Access

Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM Orthogonal

Điều chế biên độ pha

PD Polarization Diversity Phân tập phân cực

PDF Probability Density

Function

Mật độ phân bố xác suất

RD Receiver Diversity Phân tập thu

SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn

SD Space Diversity Phân tập không gian

SDMA Space Division

Multiplexing Access

Truy nhập ghép kênh phân chia không gian

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STBC Space – Time Block Code Mã hóa khối không gian

thời gian

STC Space Time Code Mã hóa không gian thời

gian

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền

dẫn Time Diversity Phân tập thời gian Tranmission Diversity Phân tập phát

TDD Time division duplex Ghép kênh phân chia thời

gian

QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

Wimax Wordwide Interoperability

for Microware Access

Công nghệ truy nhập không dây băng rộng

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin 14

Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss 16

Hình 1.3 : Hàm mật độ xác suất Gauss với .16

Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất 17

b) Hàm tự tương quan 17

Hình1.5: Hàm phân bố của tạp âm AWGN 18

Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường 19

Hình 1.7: Hàm truyền đạt của kênh 20

Hình 1.8 Mật độ phổ của tín hiệu thu 21

Hình 1.9 Hiện tượng trải trễ 21

Hình 2.1 Bộ phân tập MRT có N nhánh phân tập với các đường phản hồi 32

Hình 2.2 Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập 33

Hình 2.3 Mô hình hệ thống băng gốc 34

Hình 2.4 Sơ đồ Alamouti sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu 35

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc Alamouti STBC trường hợp 2 x2 41

Hình 2.6 Môi trường làm việc của MATLAB 47

Hình 2.7 Chất lượng BER của BPSK trên kênh fading Rayleigh khi sử dụng phân tập phát 48 Hình 3.2 Ghép kênh không gian 53

Hình 3.3 Ghép kênh không gian trong khung hoạt động đa anten LTE (NL=3, NA=4).54 Hình 3.5 Mô hình ứng dụng đa anten trong Wimax 56

Hình 3.7 Mô hình 2 anten phát 1 anten thu 59

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng Các hệthống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sửdụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn Hệ thống thôngtin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đápứng được các yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai do đó việc ra đời và ứngdụng của những công nghệ mới tiên tiến hơn là điều dễ nhận thấy

Một trong những giải pháp đưa ra nhằm nâng cao chất lượng truyền thôngtin cũng như nâng cao tốc độ truyền dữ liệu để đáp ứng được nhu cầu truy nhập

đa phương tiện băng rộng ngày nay, người ta có thể sử dụng nhiều giải pháp, mộttrong những giải pháp đó là sử dụng kỹ thuật phân tập anten vào việc thu và phát

tín hiệu Ở đề tài này em xin trình bày về đề tài “Nghiên cứu các kỹ thuật phân

tập phát và ứng dụng trong thông tin vô tuyến” kỹ thuật phát phân tập là kỹ

thuật sử dụng nhiều anten ở phía phát để phát tín hiệu, phương pháp này có ưuđiểm là nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu, giảm công suất phát, bảo vệ nguồn

xử lý và giảm chi phí thiết kế, đơn giản và dễ thực hiện, tăng độ tin cậy của thôngtin

Nội dung tìm hiểu của đề tài gồm 3 chương sẽ lần lượt trình bày các vấn đềsau:

Chương 1: Tổng quan về thông tin vô tuyến

Chương 2: Các kỹ thuật phát phân tập

Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật phát phân tập trong thông tin vô tuyến

Do nhiều mặt còn hạn chế, đồng thời trong quá trình tìm hiểu cũng mangnhiều tính chủ quan trong nhìn nhận nên nội dung của đề tài không tránh khỏinhững sai sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và cácbạn đọc để đề tài này được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Thạc sỹ Hoàng

Quang Trung và các thầy cô giáo trong bộ môn công nghệ điện tử và truyền

thông đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm đề tài

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 4 tháng 3 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Thị Thoa

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN1.1 Giới thiệu

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương phápthông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Mạng thông tin

vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện chocuộc sống hiện đại Hình 1.1 là sơ đồ khối chức năng của một hệ thống truyền tin

cơ bản gồm nguồn tin, kênh tin và nhận tin

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền

là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Chấtlượng của hệ thống thông tin phụ thuộc chủ yếu vào kênh truyền, nơi mà các tínhiệu được truyền từ máy phát tới máy thu Không giống như kênh truyền hữutuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫunhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi qua kênhtruyền vô tuyến bị cản trở bởi các tòa nhà, cây cối, núi đồi…gây ra phản xạ, tán

xạ, nhiễu xạ…các hiện tượng này gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu tathu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởngđến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tínhcủa kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể lựa chọn một cách thíchhợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối

ưu của hệ thống Ở chương này chúng ta sẽ đi tìm hiểu về các kênh thông tin vôtuyến như kênh AWGN, kênh fading đa đường, kênh fading Rayleigh, kênhRice…và các phương pháp phân tập trong thông tin vô tuyến nhằm nâng caodung lượng của kênh truyền và chất lượng của hệ thống thông tin

1.2 Kênh thông tin vô tuyến

1.2.1 Kênh tạp âm AWGN

Tạp âm là các tín hiệu không mong muốn trong thông tin vô tuyến Tạp âmlàm giảm khả năng tách chính xác của các tín hiệu phát, làm giảm tốc độ truyềndẫn thông tin Tạp âm được tạo từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng được phân làm

2 loại chính là tạp âm tự nhiên và tạp âm nhân tạo Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ

các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên xuấthiện trong các linh kiện điện tử, thiết kế mạch điện, thiết bị hay hệ thống chophép loại bỏ hoặc giảm nhỏ tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt thiết bị haydùng các phương pháp lọc Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự nhiên không thể

loại bỏ đó là tạp âm nhiệt Tạp âm nhiệt xuất hiện do sự dao động của các hạt

điện tích trong 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 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 0 Ví dụ :

Tạp âm Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai được miêu tảnhư ở hình 1.2

Hình 1.2 : Mô tả tạp âm Gauss

Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá trìnhngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau:

Hình vẽ 1.3 biểu diễn hàm mật độ xác suất PDF Gauss với giá trị trung bìnhbằng không ( ) và độ lệch chuẩn

Hình 1.3 : Hàm mật độ xác suất Gauss với

Tạp âm trắng: Là một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt, có mật độ xác

suất như nhau tại mọi tần số Tức là, nó là một nguồn tạp âm phát ra một lượngcông suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng:

như mô tả ở hình dưới Hệ số trong công thức trên chỉ bằng Gn(f) là một hàm mật

độ phổ công suất 2 phía còn N0 là mật độ phổ công suất tạp âm Tạp âm với côngsuất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise)

Hình 1.4: a) Hàm mật độ phổ công suất

b) Hàm tự tương quan

Hàm tự tương quan của tạp âm trắng là phép biến đổi Fourier ngược củamật độ phổ công suất tạp âm cho bởi:

Như vậy, hàm tự tương quan của tạp âm trắng là một hàm xung delta tại τ

=0 được nhân với trọng số N0/2 Để ý rằng Rn(τ) = 0 với mọi τ ≠ 0 nên bất kỳ haimẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kểchúng gần nhau đến mức nào Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên nó cònđược 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 làtạp âm Gauss trắng cộng (AWGN: Additive White Gauss Noise)

Hình1.5: Hàm phân bố của tạp âm AWGN 1.2.2 Kênh fading đa đường

Fading là hiện tượng thăng giáng cường độ tín hiệu tại máy thu do tác độngcủa môi trường, như sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóngngắn, sự hấp thụ gây bởi các phần tử nước, khí, mưa…sự tán xạ, khúc xạ…làmảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu truyền

Hình vẽ 1.6 mô tả một đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS: BaseStation) và anten trạm di động (MS: Mobile Station) Xung quanh MS có rấtnhiều 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 gốc BS được đặt trên cao Các vậtphản xạ này gọi chung là vật tán xạ Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiềuđường (path) mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ, và tín hiệu đến máy thu làtín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này Do các đường có biên độ, pha và độ trễkhác 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 nàyđược gọi là truyền sóng fading đa đường Kênh truyền sóng kiểu này được gọi làfading đa đường

Hình 1.6: Mô hình truyền sóng đa đường

1.2.2.1 Hiệu ứng Doppler (fading nhanh)

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát vàmáy thu như trình bày ở hình 1.7 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tínhiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần sốDoppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là ,khi đó tần số Doppler của tuyến này là:

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyểnđộng tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thìtần số Doppler lớn nhất sẽ là:

Hình 1.7: Hàm truyền đạt của kênh

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần sốDoppler được biểu diễn như sau:

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.8

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ranăm 1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thíchnhư sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được

2 max

0 các trường hợp còn lại

nếu =

sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về haiphía với độ dịch là fD,max như hình ở 1.8 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sựđồng bộ của nhiều hệ thống

Hình 1.8 Mật độ phổ của tín hiệu thu

1.2.2.2 Hiện tượng trải trễ

Trễ (delay) là thời gian tính từ khi bắt đầu truyền cho tới khi nhận xong mộttin hay một tín hiệu Delay spread là lượng tăng của trễ truyền do tín hiệu truyền

đi theo nhiều đường khác nhau Ví dụ: Trong thông tin di động, tín hiệu lantruyền tới điểm thu theo nhiều đường khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ tạicác chướng ngại Giả sử đầu phát phát đi một xung cực hẹp, tại đầu thu khi đókhông chỉ nhận được một xung mà là một cụm xung Lượng trải trễ delta D nhưtrong hình 1.9:

Hình 1.9 Hiện tượng trải trễ 1.2.3 Kênh fading Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cảthời gian và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽtuân theo phân bố Rayleigh nếu môi trường truyền dẫn thỏa mãn các điều kiệnsau:

 Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa làkhông có tuyến có công suất tín hiệu vượt trội

 Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu khácnhau

Trong trường hợp môi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầmnhìn thẳng thì công suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với tuyến khác Xácsuất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rice

Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiềuphiên bản của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tốkhác Pha của tín hiệu nhận được là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thayđổi ngẫu nhiên trong khoảng [0, 2 ] Từ lí thuyết giới hạn trung tâm ta có dạngsóng nhận được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải Vì vậy hàm pdf của cácthành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trungbình bằng không và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm Hìnhbao pdf của chúng theo phân bố Rayleigh:

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộtách đường bao (evelope detection) σ2 là công suất trung bình theo thời gian.Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị Rcho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:

Và phương sai (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):

Giá trị hiệu dụng của đường bao là (căn bậc hai của giá trị trung bìnhbình phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

Hình 1.10 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trongtrường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sửdụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môitrường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào.Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng sosánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 1.10minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

1.2.4 Phân bố Rice

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trựctiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần LoS: light-of-sight)với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trongtrường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góckhác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ táchđường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần một chiều vàocác thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sintrong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượttrội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làmcho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệutổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy,phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sightmất đi.

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

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

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là

tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất cácthành phần đa đường:

Hay viết dưới dạngdB:

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A → 0, k  0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ,phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác suấtcủa phân bố Ricean.

Hình 1.11 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice 1.3 Các phương pháp phân tập

Phân tập (diversity) là một phương pháp dùng trong viễn thông, dùng để

nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giốngnhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn một trong sốnhững tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốtnhất Việc này nhằm chống lại fading và nhiễu do những kênh truyền khác nhau

sẽ chịu fading và nhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửalỗi FEC (forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việctruyền trên nhiều kênh mà ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB

Hay nói chính xác phân tập là kỹ thuật giúp cho phía thu (MS hoặc BTS) cải

thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tín hiệu thu

đa đường đến từ cùng một nguồn phát Tùy thuộc vào từng công nghệ phân tậpđược thực hiện ở MS hoặc BTS

Tùy theo miền (domain) ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụng trongthông tin vô tuyến có thể được phân loại:

- Theo cách thức triển khai:

 Phân tập thu (Receiver Diversity)

 Phân tập phát (Tranmission Diversity )

- Theo kỹ thuật phân tập:

 Phân tập thời gian (Time Diversity)

 Phân tập tần số (Frequency Diversity)

 Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

 Phân tập không gian (Space Diversity)

1.3.1 Phân tập thời gian

Do tính chất ngẫu nhiên của fading, biên độ của một tín hiệu chịu ảnhhưởng của fading ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về

thời gian sẽ không tương quan với nhau Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời

điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian Khoảng thời gian cần thiết để

đảm bảo thu được các tín hiệu fading không tương quan tại máy thu tối thiểu làthời gian đồng bộ (coherence time) của kênh truyền Đối với thông tin di động,khoảng thời gian đồng bộ này là:

là 8kHz Đồng thời, để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băng tần truyềndẫn, chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa Md = 50 nhánh phân tập Do thời giancách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên khác với các phương pháp phântập khác, phương pháp phân tập thời gian không có ý nghĩa trong trường hợpmáy di động đứng yên.

Gần đây, trong các hệ thống thông tin di động hiện đại, mã sửa lỗi được sửdụng kết hợp với phương pháp xen kẽ tín hiệu (interleaving) để tạo nên mộtphương pháp phân tập thời gian mới Do thời gian xen kẽ dài sẽ gây nên độ giữchậm giải mã lớn, nên phương pháp này chỉ thích hợp đối với các kênh fadingbiến động nhanh

Nhược điểm: của phương pháp phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất

băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian vì bên thu phải chờ một khoảngthời gian để xử lý tín hiệu

1.3.2 Phân tập tần số

Giống như phương pháp phân tập theo thời gian, phân tập theo tần số làchúng ta sử dụng một tập hợp các tần số để truyền đi cùng một tín hiệu Khoảngcách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài băng tần đồng bộ (coherencebandwidth) để đảm bảo fading ứng với các tần số sử dụng không tương quan vớinhau Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ đo được vào khoảng 500kHz,

vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1-2 MHz.Trong thông tin di động hiện đại, phân tập tần số còn có thể nhận đượcthông qua việc sử dụng các kỹ thuật điều chế đa sóng mang hay sử dụng phươngpháp nhảy tần

Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốn phổ tần Ngoài

ra do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng mộtmáy thu phát cao tần riêng

1.3.3 Phân tập phân cực

Nghiên cứu cho thấy tín hiệu được truyền đi trên 2 phân cực trực giao trongmôi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập Vì vậy, hai phâncực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực Do chỉ tồn tạihai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạođược chỉ là hai Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tínhiệu phát cần phải chia đều cho hai nhánh, và vì vậy chất lượng tín hiệu thu đượccũng bị suy giảm đi 2 lần hay 3 dB.

1.3.4 Phân tập không gian

Phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten hay các mảng antenđược sắp xếp với các khoảng cách phù hợp để tín hiệu trên các anten độc lập.Khoảng cách yêu cầu thay đổi tùy theo độ cao anten, môi trường truyền và tần

số Khoảng cách giữa hai anten đặt cách nhau nửa bước sóng λ/2

Hình 1.12: Mô hình phân tập không gian.

Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten

Phân tập không gian gồm có:

 Phân tập anten phát

Phân tập anten phát là phân tập sử dụng nhiều anten ở phía phát, thông tinđược đưa đến tất cả các anten và truyền đến phía thu Sử dụng phân tập phát tathu được độ lợi phân tập phát, tăng dung lượng truyền dữ liệu, giảm công suấtphát

 Phân tập anten thu

Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản saođộc lập của tín hiệu phát Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăngSNR và giảm fading đa đường.

Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu

suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần số, dễ sử dụng, và trên lý thuyết không có

sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập Do có các ưu điểm nói trên, phươngpháp phân tập không gian đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm 1927 đến tận ngàynay Các nghiên cứu về phân tập không gian tập trung chủ yếu vào các kỹ thuậtkết hợp tín hiệu phân tập Trong các phần tiếp sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹhơnvề phương pháp phân tập phát

Chương 2

CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT2.1 Giới thiệu phân tập

Phân tập là một phương pháp dùng trong viễn thông dùng để nâng cao độtin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trênnhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu có thể chọn trong số những tín hiệu thuđược hoặc kết hợp những tín hiệu đó thành một tín hiệu tốt nhất Việc này nhằmchống lại fading và nhiễu là do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu fading vànhiễu khác nhau Người ta có thể sử dụng mã sửa lỗi FEC   (forward errorcorrection) cùng với kỹ thuật phân tập Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà

ta có được độ lợi phân tập, thường được đo bằng dB Hay nói cách khác, phântập (diversity) là kỹ thuật giúp cho phía thu (trong thông tin di động là MS hoặcBTS) cải thiện chất lượng tín hiệu thu bị suy giảm do fading nhờ việc kết hợp tínhiệu thu đa đường đến từ cùng một nguồn phát Phân tập được thực hiện tại cả

MS lẫn BTS tuỳ công nghệ cụ thể

Trong các hệ thống thông tin di động hiện nay, nhiều anten thu được sửdụng cho các trạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh và giảmthiểu ảnh hưởng của fading, ví dụ trong mạng GSM nhiều anten được sử dụng tạitrạm thu cơ sở BTS để tạo ra phân tập thu đường lên, bù đắp cho công suấttruyền tương đối thấp từ trạm di động Điều này cải thiện chất lượng và độ rộngcủa đường lên Nhưng trong trường hợp đường xuống việc này rất khó khăn, docác thiết bị di động được thiết kế rất nhỏ gọn, vì vậy việc này khó đảm bảo choviệc lắp các anten đảm bảo điều kiện cách nhau nửa bước sóng Đối với đườngxuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc với phân tập phát Sẽ dễ dàng lắpđặt nhiều anten phát trên trạm thu phát và cũng dễ dàng sử dụng các nguồn ngoàicho nhiều anten phát

Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộ thu và kết quả làcác cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hơn và chi phí thấp hơn

Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượngcủa hệ thống.

Ngược lại phân tập thu mà chúng ta đang sử dụng rộng rãi trong các hệthống di động tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việcthực hiện phân tập anten phát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việckhai thác phân tập phát cũng có những khó khăn:

- Thứ nhất: Các tín hiệu phát từ nhiều anten sẽ được trộn với nhau về mặtkhông gian trước khi tới được các bộ thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm một số

bộ xử lý tín hiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu và lợidụng được phân tập

- Thứ hai: Phía thu thường ước lượng được các kênh fading còn phía phátthì không giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếunhư không có thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát

Tuy nhiên phân tập phát có khả năng làm tăng đáng kể dung lượng và chấtlượng của kênh

Trong chương này, chúng ta đi tìm hiểu về các kỹ thuật phát như kỹ thuậtphân tập phát tỷ lệ tối đa MRT, kỹ thuật phân tập phát giữ chậm, kỹ thuật phântập phát không gian – thời gian đối với trường hợp Alamouti 2x1 (2 anten phát và

1 anten thu), và trường hợp Alamouti 2x2 (2 anten phát và 2 anten thu), vàchương trình mô phỏng bằng MATLAB để so sánh chất lượng BER và SNR củahai trường hợp Alamouti 2x2 và trường hợp Alamouti 2x1

2.2 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát

2.2.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT)

Phương pháp phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT là các tín hiệu trên các nhánhphân tập sk được nhân với các trọng số phát tương ứng wn:

(n Є {1,2,3…,N})

sau đó truyền tất cả các tín hiệu được nhân với trọng số này thông qua N antenphát Hệ số chuẩn hóa C được chọn sao cho tổng công suất phát đi từ N antenphát bằng một giá trị cho trước, thông thường đặt bằng C= cho đơn giản.

Chú ý: Để tìm được ma trận trọng số wn ta phải đi tìm đáp ứng kênh truyền

hn để tìm được hn ta có các phương pháp sau:

 Máy thu ước lượng hn và gửi thông tin hn về cho máy phát Phương phápnày đòi hỏi phải có kênh phản hồi từ máy thu về máy phát (Hình 2.1)

Hình 2.1 Bộ phân tập MRT có N nhánh phân tập với các đường phản

hồi

 Sử dụng tính chất nghịch đảo của các kênh truyền lên (uplink) và kênhtruyền xuống (downlink) Thực tế là các hệ thống phân chia theo tần số (FDD) cókhoảng cách tần số thu và phát nhỏ (nhỏ hơn độ rộng băng tần của kênh truyền),thì các hệ số kênh truyền lên và kênh truyền xuống rất tương quan với nhau Do

đó chúng ta có thể sử dụng các kênh truyền hn ước lượng được ở kênh truyền lênnhư là các hệ số trọng số phát wn

Bộ phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT cho chúng ta về độ lợi phân tập Tuynhiên, do tổng công suất phát được chuẩn hóa thành đơn vị, nên bị tổn hao vềphẩm chất lỗi BER.

2.2.2 Phân tập phát giữ chậm

Phân tập phát giữ chậm được thực hiện bằng cách: Các bản sao của tín hiệu

sk được truyền tới máy thu tại các thời điểm khác nhau và thông qua các antenphát khác nhau

Hình 2.2 Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập

Các tín hiệu giữ chậm được máy thu coi như các tín hiệu đa đường Vì vậy

để tách được các tín hiệu phát, máy thu sử dụng một bộ san bằng ước lượngchuỗi tối ưu MLSE hay một bộ san bằng sai số bình phương trung bình tối thiểuMMSE để đạt được độ lợi phân tập N

Ưu điểm: Phương pháp phân tập phát giữ chậm cho độ lợi phân tập ở cấp độ N.

Mà không yêu cầu phải mở rộng băng tần, cũng như cần phản hồi từ máy thu.Một ưu điểm khác của phương pháp này là nó có thể áp dụng trực tiếp cho cáckênh đa đường để thu được thêm độ lợi phân tập đường (path diversity) Phươngpháp này được coi là trường hợp đơn giản của mã xoắn không gian – thời gianđược đề xuất gần đây

2.2.3 Phân tập phát không gian – thời gian

2.2.3.1 Alamouti STBC 2x1

Kỹ thuật phân tập này vô cùng đơn giản, hiệu quả khi sử dụng 2 anten phát

và 1 anten thu được giới thiệu bởi Alamouti Phương pháp này còn được gọi là

mã khối không gian – thời gian STBC

STBC (Space – Time Block Code: Mã hóa khối không gian thời gian):

Phương pháp này sử dụng sắp xếp trực giao thứ tự của các tín hiệu tại các antenphát (các tín hiệu tạo thành các block)

Chúng ta xem xét một hệ thống thông tin sử dụng mã không gian – thời giantrên băng gốc với nt anten phát và nr anten thu như hình 2.3 Các dữ liệu phát điđược mã hóa bởi bộ mã hóa không gian thời gian

Hình 2.3 Mô hình hệ thống băng gốc

Tín hiệu phát đi của Alamouti tại các anten phát là các tín hiệu đã được mãhóa thành các khối tín hiệu sắp xếp thành các matrix khối:

Nghĩa là tại hai thời điểm khác nhau thời điểm thứ t thì anten thứ nhất phát

đi là s0, anten 2 phát s1, nhưng sang thời điểm t+T thì anten 1 phát và anten 2phát , tức là cùng một loại thông tin nhưng được mã hóa khác nhau ở hai antenkhác nhau