nghiên cứu giải pháp phân tập không gian và thời gian trong WCDMA pptx

1 CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG MẠNG DI ðỘNG WCDMA Giới thiệu chung Trong những năm gần ñây, công nghệ không dây là chủ ñề ñược nhiều chuyên gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công nghệ này ñược rất nhiều người sử dụng và ñã trải qua rất nhiều thay ñổi. Quá trình thay ñổi thể hiện qua các thế hệ:  Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA).  Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ ña truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).  Thế hệ thứ 3 ra ñời ñánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước ñó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ ña phơng tiện gói. 1.1 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật ñiều chế tương tự ñể mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng ñược cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ ñồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn ñể hoạt ñộng thì nó dò sóng tìm ñến kênh ñiều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận ñược dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không ñược truy cập. Phổ tần số quy ñịnh cho liên lạc di ñộng ñược chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và ñược cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số ñược gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống. ðặc ñiểm : - Mỗi MS ñược cấp phát một ñôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến. - Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là ñáng kể. - BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS. Hệ thống FDMA ñiển hình là hệ thống ñiện thoại di ñộng AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di ñộng này sử dụng phương pháp ña truy cập ñơn giản. Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc ñộ. Vì thế, hệ thống di ñộng thứ 2 ra ñời ñược cải thiện về cả dung lượng và tốc ñộ. 1.2 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 ñược ñưa ra ñể ñáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di ñộng dựa trên công nghệ số. 2 Tất cả hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sử dụng phương pháp ñiều chế số và sử dụng 2 phương pháp ña truy cập : - ða truy cập phân chia theo thời gian TDMA. - ða truy cập phân chia theo mã CDMA. ða truy cập phân chia theo thời gian TDMA: Phổ quy ñịnh cho liên lạc di ñộng ñược chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này ñược dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thuê bao ñược cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. ðặc ñiểm: - Tín hiệu của thuê bao ñược truyền dẫn số . - Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong ñó một băng tần ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu từ trạm gốc ñến các máy di ñộng và một băng tần ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu từ máy di ñộng ñến trạm gốc. Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt ñộng cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau. - Giảm số máy thu ở BTS. - Giảm nhiểu giao thoa. Hệ thống TDMA ñiển hình là hệ thống di ñộng toàn cầu GSM. Máy di ñộng kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số ñối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 10 6 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50.10 6 lệnh trong 1 giây. ða truy cập phân chia theo mã CDMA: Trong thông tin di ñộng CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến ñồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên ñược phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, ñược cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng. ðặc ñiểm - Dải tần tín hiệu rộng . - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường ñộ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA. - Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn ñơn giản và việc thay ñổi, chuyển giao, ñiều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt. 1.3 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3: ðể ñáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và ña dạng của người sử dụng, từ ñầu thập niên 90 người ta ñưa ra hệ thống thông tin di ñộng tổ ong thế hệ thứ 3. Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 ñưa ra các muc tiêu chính sau: - Tốc ñộ truy nhập cao ñể ñảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet nhanh hoặc các dịch vụ ña phương tiện. 3 - Linh hoạt ñể ñảm bảo các dịch vụ mới như ñánh số cá nhân và ñiện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng ñáng kể tầm phủ sóng của các hệ thống thông tin di ñộng. - Tương thích với các hệ thống thông tin di ñộng hiện có ñể ñảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di ñộng. 3G hứa hẹn tốc ñộ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 ITM-2000 ñã ñược ñề xuất, trong ñó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 ñã ñược ITU chấp thuận và ñang ñược áp dụng trong những năm gần ñây. Các hệ thống này ñều sử dụng công nghệ CDMA, ñiều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến. 1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA ðể ñảm bảo ứng dụng ñược các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh ñồng thời ñảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sẽ ñược chuyển ñổi sang thế hệ 3. Quá trình ñó ñược tổng quát trên hình 1.1. Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau: Ký hiệu:  GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu.  HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc ñộ cao.  GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.  WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: ða truy cập phân chia theo mã băng rộng. Hình 1.1. Các gi ải pháp nâng cấp hệ thống 2G l ên GSM WCDM HSCSD GPRS Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 4 1.5 Tổng quan về mạng WCDMA WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: ða truy cập phân chia theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3, sử dụng công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: ða truy cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ ñể phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp, ñược ấn ñịnh cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN ñã ấn ñịnh. ðầu thu tạo ra một dãy PN như ñầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự ñịnh nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu ñồng bộ thu ñược. Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong nhiều công nghệ chủ ñạo ñể mạng thông tin di ñộng hoạt ñộng. Nó cũng ñược biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ ña truy xuất. WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di ñộng. WCDMA có 2 chế ñộ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc ñược ở cả hai chế ñộ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần ñược cấp phát ở các vùng khác nhau. • FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong ñó truyền dẫn ñường lên và ñường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD ñường lên và ñường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống ñược phân bố một cặp băng tần riêng biệt • TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong ñó ñường lên và ñường xuống ñược thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý ñược chia thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin ñường xuống và ñường lên ñược truyền dẫn luân phiên. 1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz) TDD RX/TX FDD Uplink TDD RX/TX FDD Downlink f 5MHz ðường lên ðường xuống ðường lên ðường xuống Khoảng Bảo vệ 5MHz t t f FDD TDD Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD 5 Khả năng làm việc của cả hai chế ñộ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần ñược cấp phát ở các vùng khác nhau. Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:  Lớp truy nhập: ñược tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ ñiều khiển mạng vô tuyến khác nhau ñể phân tích và ñiều khiển lưu lượng vô tuyến.  Mạng lõi có hai vai trò chính :  Giải quyết việc ñịnh hướng hay ñịnh tuyến ñến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu gửi ñến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch ñể ñịnh tuyến thông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.  Là một mạng ñường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và phân loại thông tin tính cước và bảo mật.  Lớp dịch vụ ñiều khiển các ưu tiên, các ñặc tính và khả năng truy nhập cơ bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao ñã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời. 1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA  WCDMA là một phương pháp ña truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user ñược trải ñều ra trên một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là chip) nhận ñược trải phổ trong WCDMA.  Tốc ñộ chip 3.84Mcps ñược sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc ñộ dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz. Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng 4.4 ñến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.  WCDMA cung cấp tốc ñộ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác chính là dải thông theo yêu cầu cũng ñược cung cấp. Mỗi user ñược cung cấp một khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc ñộ dữ liệu vẫn giữ nguyên không ñổi. Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay ñổi từ khung này ñến khung khác.  WCDMA cung cấp hai chế ñộ hoạt ñộng cơ bản là FDD và TDD. Trong FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz ñược sử dụng cho sóng mang hướng lên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi ñó TDD chỉ có một khoảng 5MHz ñược dùng cho cả hướng lên và hướng xuống.  WCDMA cung cấp hoạt ñộng bất ñồng bộ cho các trạm gốc và do ñó không giống như hệ thống ñồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn cầu GPS.  WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng .  WCDMA ñược thiết kế ñể phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA. 6 Phương thức ña truy xuất . DS-CDMA. Phương pháp ghép song công. FDD/TDD. ðồng bộ trạm gốc. Hoạt ñộng bất ñồng bộ. Tốc ñộ chip. 3.84Mcps. ðộ dài khung . 10ms. Ghép dịch vụ. ða dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau ñược ghép trên một kết nối. ða tốc ñộ. Hệ số trải phổ khả biến và ña mã. Tách sóng. Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa tiêu. 1.5.2 Những ñặc ñiểm then chốt của WCDMA Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những ñặc tính ñáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những ñặc ñiểm chủ yếu trong hệ thống WCDMA là :  Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2 sang thế hệ thứ 3.  Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc ñộ bit cực ñại trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.  Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.  Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt ñộng không ñồng bộ giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một cách có hiệu quả dạng hoạt ñộng khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng kỷ thuật tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD ñược thiết kế ñể hoạt ñộng hiệu quả trong môi trường không kết hợp.  Cải thiện dung lượng: ðộ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất vốn có trên các hệ thống tế bào trước ñó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng ñiều chế kết hợp ở ñường lên, ñây là tính năng không thể thực hiện ñược ở trong các hệ thống CDMA tế bào. ðiều khiển công suất chắc chắn ở ñường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, ñặc biệt ở môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc ñộ thấp. Nói chung, ñối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì ñây là một trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA. 1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu ñược chỉ bao gồm một tín hiệu ñến trực tiếp. Song, trong thực tế ñiều ñó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị thay ñổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu ñược sẽ là sự kết hợp các thành phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là hệ thống di ñộng vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi ñiều ñó. Sau ñây là mô hình của hai loại nhiễu chính, ñó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa. 7 Hình 1.4 Các tín hiệu ña ñường Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa ðể làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ thuật xử lý ñó là: mã hoá kênh, ñiều chế, trải phổ, phân tập…Trong ñồ án này ta sẽ ñi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu. 1.5.4 Tính ña dạng phân tập trong WCDMA Trong hệ thống ñiều chế băng hẹp như ñiều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ thống thông tin di ñộng tổ ong ñầu tiên thì tính ña ñường tạo nên fading nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của ña ñường fading ñược giảm ñi trong ñiều chế CDMA băng rộng ,vì các tín hiệu qua các ñường khác nhau ñược thu nhận một cách ñộc lập .Nhưng hiện tượng ña ñường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading ña ñường không thể loại trừ hoàn toàn ñược vì với các hiện tượng fading xảy ra một cách liên tục ñó thì bộ ñiều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách ñộc lập ñược. Phân tập là một hình thức tốt ñể làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời gian ñạt ñược nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể ñược áp dụng cho tất cả các hệ thống có tốc ñộ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ thống CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh 8 hưởng ñến băng tần báo hiệu(200-300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì fading ít ảnh hưởng ñến tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách hay ñường truyền thường ñạt ñược theo 3 phương pháp sau: -Thiết lập nhiều ñường báo hiệu(chuyển vùng mềm) ñể kết nối máy di ñộng với 2 hoặc nhiều trạm gốc BTS. -Sử dụng môi trường ña ñường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian. -ðặt nhiều anten tại BS (anten mảng). Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng ñược áp dụng ñối với hệ thống TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể ñược áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc ñộ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần số có thể dể dàng ñược áp dụng cho hệ thống CDMA. Bộ ñiều khiển ña ñường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song. Máy di ñộng sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác ñịnh tín hiệu thu theo mỗi ñường và tổ hợp, giải ñiều chế tất cả các tín hiệu thu ñược. Fading có thể xuất hiện ở các ñường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các ñường tín hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu ñược có ñộ tin cậy cao vì rất ít có fading ñồng thời giữa cá ñường tín hiệu thu ñược. Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách ñồng thời cho hệ thống thông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di ñộng. Các kỹ thuật phân tập:  Phân tập thời gian: ðây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những khe thời gian tại những thời ñiểm khác nhau ñể truyền cùng một tín hiệu ban ñầu, như vậy tại ñầu thu ta có thể nhận ñược nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời ñiểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể ñược thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau ñể chọn ra ñược tín hiệu thu tốt nhất.  Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và sóng ñiền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận. Phân tập tần số dựa vào ñặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau ñể truyền cùng một tín hiệu, như vậy tại ñầu thu sẽ thu ñược cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác nhau.  Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng ta dùng nhiều anten ñặt tại nhiều vị trí khác nhau, có ñộ phân cực khác nhau ñể truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất ñộ rộng băng thông của hệ thống. Kết luận chương Chương này ñã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di ñộng, ñặc biệt là hệ thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di ñộng. Cuối chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập ñể giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến. Trong chương tiếp theo sẽ ñi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và thời gian. 9 CHƯƠNG 2 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN 2.1 Giới thiệu Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính ñó là nhiễu fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2 chiều (2-D) có thể giảm ñược các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu ñược trên cả hai miền không gian và thời gian. Ở ñây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thời gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu. Tuy bộ thu 2-D này có khả năng xử lý tín hiệu ñồng thời trên miền không gian và thời gian song ñiều này ñòi hỏi phải có cấp ñộ tính toán phức tạp . Trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu một số giải pháp ñơn giản ñể xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian. Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao ñổi thông tin từ những ñịa ñiểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất liên quan tới thuê bao ñó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào ñặc tính không gian của tín hiệu ñể giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này ñược thực hiện bởi bộ Beamformer .Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu ñể cải thiện cho hệ thống CDMA hoạt ñộng tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung lượng của hệ thống CDMA có thể ñược tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co- channel. 2.2 Anten Mảng Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần ñược bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể ñược sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp ñó mà mảng có thể là mảng ñường ,mảng tròn hay mảng phẳng . Mảng ñường và mảng tròn là trường hợp ñặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng ñược xác ñịnh dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần , vào sự ñịnh hướng , vào vị trí của các anten , vào biên ñộ và pha của tín hiệu ñến. Nếu các anten của mảng là ñẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu ñến mảng [3] .Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng ñược gọi là hệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không ñẳng hướng thì góc phát xạ của mảng ñược tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần . 2.2.1 Mảng anten dãy Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ñường thẳng bằng nhau thì mảng ñược gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền ñến mảng là θ (còn gọi là góc AOA) . Tín hiệu thu ñược tại anten ñầu tiên của mảng ñược biểu diễn như sau : 10 })(2cos{)()( 11 βγπ ++= ttftAtx c (2.1) Với A 1 (t) : Biên ñộ tín hiệu ñến anten . f c : Tần số sóng mang của tín hiệu . γ(t) : Hàm biểu thị sự biến ñổi tín hiệu. β : Góc pha tín hiệu . Ngoài ra tín hiệu thu ñược tại phần tử ñầu tiên có thể viết như sau : })({ 11 )()( βγ + = tj etAtx (2.2) Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng ñược truyền ñến mảng từ một khoảng cách rất xa và trong môi trường truyền ñồng chất .Lúc này tín hiệu ñến các phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian .Tín hiệu ñến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một Hình 2.1 Mảng anten ULA khoảng thời gian là τ ,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N τ .Như thế ta có thể biểu diễn tín hiệu thu ñược tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín hiệu thu ñược tại phần tử thứ nhất .Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là : c d θ τ sin = (2.3) Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng . Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu ñược tại phần tử thứ 2 là : })()(2cos{)()()( 1 12 βτγτπττ +−+−−=−= ttftAtxtx c (2.4) Thông thường f c là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu ,vì vậy biểu thức (2.4) có thể ñược viết như sau : })(22cos{)()( 2 βγτππ ++−= tftftAtx cc (2.5) Hay })(2{ 2 )()( βγτπ ++− = tfj c etAtx [...]... ) ∫ e* (t − τ 2 ) Finger#1 T h p không gian WL e (t − τ L ) ∫ * e* (t − τ L ) Hình 2.5 B thu Beamformer-Rake K t lu n chương: Chương này ñã xét ñ n hai k thu t phân t p chính là phân t p không gian và phân t p th i gian và s k t h p hai k thu t phân t p này thành k thu t phân t p chung là k thu t phân t p Không gian- Th i gian Trong ñó, k thu t phân t p không gian ñư c th c hi n b i b thu Beamformer,... ñ ng vào tín hi u là nhi u màu (noise colored) Trong trư ng h p này vi c xác ñ nh MSNR d a vào vi c phân chia ma tr n hi p phương sai c a tín hi u thu thành 2 không gian con tr c giao và tìm giá tr vector riêng sao cho nó tr c giao v i thành ph n nhi u và ñáp ng v i thành ph n tính hi u c n thu Hai không gian con trong trư ng h p này c a MRSINR beamforming chúng tr c giao v i nhau và là không gian. .. ng WCDMA K thu t Eigen-Beamforming, ñư c xét ñ n ph n sau, là gi i pháp thích h p, không c n ph i bi t ñư c vector ñáp ng c a m ng cũng như không c n ph i ñánh giá rõ ràng góc t i AOA 2.4 Nguyên t c l y m u tín hi u trong x lý không gian Nh ng nguyên lý l y m u trong mi n th i gian có th ñư c áp d ng trong h th ng x lý không gian do gi a hai h th ng này cũng có s tương quan v i nhau Xét tín hi u trong. .. giao thoa và nhi u là không gian tr ng Nhưng trong h th ng m ng WCDMA, các user khác nhau có data rate khác nhau, v i h s trãi ph khác nhau Trong cùng m t th i gian chúng s có BER khác nhau Vì th , các users có data rate cao yêu c u ph i ho t ñ ng m c công su t cao hơn các users có data rate th p hơn và như v y các tín hi u nhi u giao thoa không th là nhi u không gian tr ng như ñã gi thi t trong k thu... MSNR c c ñ i Trong ph n trư c chúng ta ñã phân tích v tín hi u nhi u và ti ng n ,và gi thi t r ng nhi u ñó là nhi u tr ng Chúng ta có th chia tín hi u nhi u trong bi u th c (3.1) thành hai thành ph n như sau : ' (3.17) n = n +i 21 Trong ñó n ' là nhi u tr ng không gian và th i gian , i là nhi u giao thoa N u nhi u giao thoa là nhi u tr ng, vector tr ng s MSNR là t t nh t Còn n u chúng không ph i là... góc ñ n là 60o và -60o Sau ñây là bi u ñ minh ho cho 2 phương pháp: 26 Hình 3.1 Bi u ñ th hi n ñ th b c x c a anten ULA theo các k thu t MSINR và MMSE Hình 3.2 Gi n ñ BER theo các k thu t MSINR và MMSE 27 K t lu n chương Trong chương này chúng ta ñã nghiên c u các k thu t khác nhau trong b Beamfermer Các k thu t ñó là MSNR, MSINR và MMSE Trong ñó hai k thu t MSNR và MSINR ñ u dùng phương pháp gi i bài... nh t Trong ñ án này ta gi thi t kho ng cách gi a các ph n t trong m ng ULA b ng n a bư c sóng sóng mang 2.5 L i ích c a phân t p không gian M t mãng anten thích nghi có th có ñư c nhi u c u trúc không gian khác nhau và làm gi m ñư c nhi u fading nhi u tia M ng này có kh năng lái búp sóng c a m ng v phía tín hi u c n nh n và tránh hư ng ñ n c a tín hi u nhi u Tín hi u thu ñư c t i các ph n t trong. .. p không gian ñ th c hi n beamforming cho nh ng tín hi u ña ñư ng, m i ñư ng tín hi u s ñư c nhân v i m t vector tr ng s khác nhau trư c khi vào b t h p Tín hi u ra kh i b t h p không gian ñư c ñưa t i các finger sau ñó ñư c k t h p l i b i b t h p Rake Finger#1 T h p không gian W1 e* (t − τ 1 ) Finger#1 T h p không gian W2 e* (t − τ 2 ) ∫ B t h p Rake e* (t − τ 1 ) ∫ e* (t − τ 2 ) Finger#1 T h p không. .. tr ph thu c vào góc tín hi u truy n ñ n m ng, vào c u trúc hình h c c a m ng, cách b trí các ph n t trong m ng và ph thu c vào t n s c a tín hi u ñ n m ng Chúng ta gi thi t r ng trong ph m vi thay ñ i c a t n s sóng mang thì Vector ñáp ng c a m ng không thay ñ i Khi c u trúc c a m ng không thay ñ i (ví d m ng ULA) và các ph n t c a m ng là ñ ng hư ng ,thì vector ñáp ng c a m ng ch ph thu c vào AOA (góc... nhi u giao thoa và nhi u fading lên tín hi u thu Trong chương ti p s gi i thi u các k thu t khác nhau ñ x lý phân t p không gian trong b thu Beamformer 18 CHƯƠNG 3 CÁC K THU T BEAMFORMING 3.1 Gi i Thi u Trong chương này s gi i thi u nh ng k thu t khác nhau có th ñư c áp d ng cho Beamforming trong h th ng m ng thông tin di ñ ng t ong CDMA và h th ng OFDM Ba k thu t chính ñư c gi i thi u trong chương này . kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian và phân tập thời gian và sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành kỹ thuật phân tập chung là kỹ thuật phân tập Không gian- Thời gian. Trong ñó,. giảm fading,có 3 loại phân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời gian ñạt ñược nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể ñược áp. trong WCDMA có nhiều kỹ thuật xử lý ñó là: mã hoá kênh, ñiều chế, trải phổ, phân tập Trong ñồ án này ta sẽ ñi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu. 1.5.4 Tính ña dạng phân tập trong WCDMA