Mô phỏng hệ thống vô tuyến mimo luận văn tốt nghiệp đại học

Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hoá hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện qua tham s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

- -ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN MIMO

Người hướng dẫn : ThS Nguyễn Phúc Ngọc

Sinh viên thực hiện : Đỗ Hồng Quang Lớp : 47K- ĐTVT

Vinh 05/2011

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 5

1.1 Các đặc điểm của thông tin số 3

1.2 Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số 4

1.3 Hệ thống truyền dẫn số 5

1.4 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số 6

1.5 Kênh tạp âm AWGN 8

1.5.1 Tạp âm AWGN 8

1.5.2 Mô phỏng tạp âm AWGN 10

1.5.3 Mô phỏng truyền dẫn qua kênh AWGN 11

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN 12

1.6 Kênh fading 12

1.6.1 Mô hình toán học của fading 13

1.6.2 Ảnh hưởng chuyển động của MS 14

1.7 Kênh fading Rayleigh 16

1.8 Fading và fading đa đường chọn lọc tần số 17

1.8.1 Fading trong các hệ thống vô tuyến 17

1.8.2 fading đa đường chọn lọc theo tần số 23

1.9 Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền 26

1.9.1 Can nhiễu 26

1.9.2 Một số tác động khác của đường truyền 27

1.10 Tóm tắt chương 1 30

3.1 Cơ sở lý thuyết 78

3.1.1.Truờng hợp kênh MISO 2 x 1 78

3.1.2 Trường hợp kênh MIMO 2 x 2 82

3.2 Tóm tắt chương 3 85

KẾT LUẬN 86PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong21.m 87PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong22.m 88

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỤC LỤC 5

1.1 Các đặc điểm của thông tin số 3

1.2 Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số 4

1.3 Hệ thống truyền dẫn số 5

1.4 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số 6

1.5 Kênh tạp âm AWGN 8

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN 12

1.6 Kênh fading 12

1.7 Kênh fading Rayleigh 16

1.8 Fading và fading đa đường chọn lọc tần số 17

1.9 Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền 26

3.1 Cơ sở lý thuyết 78

3.1.1.Truờng hợp kênh MISO 2 x 1 78

3.1.2 Trường hợp kênh MIMO 2 x 2 82

3.2 Tóm tắt chương 3 85

KẾT LUẬN 86

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong21.m 87

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH Mophong22.m 88

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong đồ án này chủ yếu đề cập đến mã khối không gian-thời gian, các kỹ thuật sử dụng trong hệ thống đa anten, quá trình ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO và mô phỏng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten Đồ án có bố cục gồm 3 chương như sau:Chương 1: Kênh thông tin vô tuyến

Chương 2: Kỹ thuật đa anten

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa anten

LỜI NÓI ĐẦU

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO, anten thông minh,

Sự ra đời hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten (MIMO) nhằm nâng cao dung lượng cũng như chất lượng truyền thông vô tuyến, đồng thời thực hiện mô hình hóa và tiến hành mô phỏng xác suất lỗi bít (BER), xác suât lỗi ký tự (SER) và năng lượng bức xạ của của kỹ thuật phân tập

anten Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua

kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và gây ra hiện tượng fading đa đường Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ xấu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông

Những nghiên cứu gần đây cho thấy, ngoài việc sử dụng sự kết hợp của các phương pháp điều chế vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng

kể ảnh hưởng fading từ môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và tốc độ truyền thông, hệ thống MIMO còn sử dụng mã khối không gian – thời gian (STBC) cho phép cải thiện xác suất lỗi bít (BER) ký tự (SER) và năng lượng bức xạ của anten

Kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten dùng kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian (STC) thích hợp có thể đạt được hệ số tăng ích lớn trong truyền dẫn đa đường Alamouti đã đề xuất kỹ thuật phân tập đơn anten kết hợp với mã hoá, dựa trên kỹ thuật đó, mã hoá không –gian thời gian được phát triển và ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến Gần đây, mã khối không gian-thời gian được chấp nhận trong thông tin di động thế hệ thứ

ba với mục đích thực hiện truyền thông đa phương tiện Nó được sử dụng phổ biến trong các kỹ thuật mã hoá không gian-thời gian khác nhau Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến được tăng lên đáng kể khi sử dụng nhiều anten thu và phát

Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten) Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số - một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

Đồ án này chủ yếu đề cập đến mã khối không gian-thời gian, quá trình ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO và mô phỏng hệ thống truyền dẫn vô tuyến số sử dụng đa anten Đồ án có bố cục gồm 3 chương như sau:Chương 1: Kênh thông tin vô tuyến

Chương 2: Kỹ thuật đa anten

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền dẫn đa anten

Do thời gian, tài liệu và kinh nghiệm làm việc còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi các thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy giáo và bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn

Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Phúc Ngọc đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh 05/2011

Sinh viên thực hiện

Đỗ Hồng Quang

CHƯƠNG 1 KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1 Các đặc điểm của thông tin số

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới

bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần được chuyển tới) dưới dạng các bản tin Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng chúng ta có các nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể có là một tập hữu hạn

Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau tuỳ theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu Tuỳ theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tin tức trong các hệ thống truyền tin là các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin analog hay hệ thống thông tin số

Nhược điểm căn bản của các hệ thống thông tin số so với các hệ thống thông tin tương tự trước đây là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn hơn so với phổ của tín hiệu analog Do các hạn chế về kỹ thuật hiện nay, phổ chiếm của các tín hiệu số còn tương đối lớn hơn phổ chiếm của tín hiệu analog khi truyền các bản tin liên tục, tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hoá tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được áp dụng thì phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục

1.2 Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số

Các tham số chất lượng chủ yếu đối với các hệ thống thông tin số là độ chính xác truyền tin và tốc độ truyền tin Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin số cũng là nhanh chóng và chính xác Cần nói thêm ở đây rằng, hai yêu cầu này nói chung luôn mâu thuẫn với nhau Về nguyên tắc, muốn truyền tin thật chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và ngược lại, truyền tin càng nhanh thì lỗi truyền tin xảy ra càng dày hơn

Đối với thông tin số, tham số đo độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỷ lệ này tiến tới xác suất lỗi bít Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ

lệ lỗi bít chỉ gần bằng với xác suất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế người ta cũng vẫn thường xem và gọi BER là xác suất lỗi bít Trong nhiều trường hợp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham số phái sinh

về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng (SES : Severely Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds), các phút suy giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes) Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hoá hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ

Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tuỳ thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu

Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ thống thông tin số còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định) Các yếu tố về giá thành và tốc độ thu hồi vốn đầu tư, gọi chung là yêu cầu về tính kinh tế cũng có một vai trò to lớn.

1.3 Hệ thống truyền dẫn số

Hệ thống truyền dẫn số là tập hợp các phương tiện (bao gồm các thiết

bị phần cứng và các phần mềm) được sử dụng để truyền tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin

ở phần thu hệ thống thông tin số Có rất nhiều loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn như các hệ thống truyền dẫn số qua vệ tinh viễn thông, các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, các hệ thống vô tuyến di động, các hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn hay cáp sợi quang học Kỹ thuật được sử dụng để truyền dẫn số trong các hệ thống truyền dẫn khác nhau như thế cũng tương đối khác nhau, phản ánh các tính chất đặc thù của môi trường truyền dẫn, tần số công tác cũng như loại hình dịch vụ

Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số cũng được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bít của hệ thống BER và dung lượng truyền dẫn Một tham số liên quan tới dung lượng tổng cộng của hệ thống, thường được

dùng hơn để so sánh các hệ thống truyền dẫn số, là tích số , với L là cự ly

khoảng lặp cần thiết Trong điều kiện kỹ thuật hiện nay, tham số này là khoảng vài trăm Mb/s-km đến một vài Gb/s-km đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số hay cáp đồng trục và có thể lên tới hàng ngàn Gb/s-km hoặc hơn nữa đối với các hệ thống thông tin quang sợi

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít, khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức

và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol) Gọi giá trị của symbol thứ là và thời gian tồn tại của nó là (đối với các hệ thống thông thường hiện nay, và là hằng số với mọi ) Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là và có độ rộng là , nếu thì tín hiệu thứ được gọi là bị lỗi, nếu thì tín hiệu thứ được gọi là có jitter Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ bít lỗi BER và

jitter (rung pha) Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi bít BER (Bit-Error Ratio) được định nghĩa là:

tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio) và có quan hệ chặt chẽ với BER

của hệ thống

1.4 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số

Như đã nói ở trên, thực tế khi truyền qua một kênh liên tục các tín hiệu được phát đi từ phần phát (tương ứng với các tin sản ra từ nguồn tin số) chịu

tác động của cả méo lẫn tạp âm và can nhiễu, do vậy tín hiệu nhận được r(t)

có thể khác rất đáng kể so với tín hiệu đã được phát đi, dẫn đến việc đánh giá của máy thu về tín hiệu nào đã được phát đi có thể bị sai Một kênh liên tục

chịu các tác động nhiễu loạn như thế có thể mô hình hoá theo sơ đồ khối hình 1.1, thể hiện mọi tác động của kênh tới quá trình truyền dẫn số.

Trên hình 1.1, các nguồn nhiễu có tần số trùng hoặc khác với tần số tín hiệu

hữu ích được mô tả bằng các tín hiệu với phổ được xác định nhờ các đặc

tính lọc của chính các hệ thống gây nhiễu đó Các nguồn nhiễu này có thể là kênh có cùng tần số vô tuyến song khác phân cực trong các hệ thống vô tuyến

có tái dụng tần số, hoặc có thể là các kênh vô tuyến lân cận trên cùng một hệ thống lớn, hay có thể là các nguồn nhiễu từ các hệ thống vô tuyến khác loại

Do các tác động lọc nhiễu và triệt xuyên phân cực chéo, các nguồn nhiễu này được xem như tác động tới kênh truyền chính thông qua các khối tổn hao Kênh truyền chính hình thành từ các khối thể hiện các đặc tính tần số phần

phát , phần thu và môi trường truyền Trong đó đặc tính đường truyền dẫn

có thể có những ảnh hưởng đặc biệt đối với chất lượng truyền dẫn (như fading

Hình 1.1 Mô hình kênh liên tục

Các hệ thống truyền dẫn không hạn chế phổ tần là các hệ thống có đặc

Các tín hiệu nhiễu

trên suốt trục tần số Trong thực tế không tồn tại các hệ thống như vậy do các nguyên nhân sau: a) Các môi trường truyền dẫn đều có đặc tính không bằng phẳng trên suốt trục tần số (các môi trường truyền dẫn như khoảng không gian vũ trụ, sợi quang học chỉ được xem là gần như có độ rộng băng truyền dẫn rất lớn, đến độ có thể nói một cách gần đúng là có băng tần truyền dẫn vô hạn mà thôi); b) Trong mọi trường hợp người ta đều mong muốn truyền đưa nhiều luồng tín hiệu số trên cùng một tuyến truyền dẫn và để làm điều này mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau, các luồng truyền dẫn trên thường được phân biệt với nhau về mặt tần số nhờ các thiết bị có đặc tính chọn lọc tần số Như vậy, các hệ thống truyền dẫn số thực tế đều có thể xem như các hệ thống có băng tần truyền dẫn bị hạn chế (band-limited) Trên hình 1.1, các đặc tính tần

số và do đó có dạng các đặc tính lọc với tần số trung tâm là tần số sóng mang (đối với , ) và (đối với )

1.5 Kênh tạp âm AWGN

1.5.1 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 các tín hiệu phát 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 nguồn 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 tốt 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 nhiệt 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 (central limit theorem) Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không (zero mean)

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

Một đặc tính quan trọng của tạp âm Gauss có giá trị trung bình bằng không là

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

như mô tả ở Hình vẽ 1.2(a) Hệ số 2 trong công thức trên chỉ thị rằng là một hàm mật độ phổ công suất 2 phía (two-sided power spectral density function)

mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (white noise)

Hình 1.2 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

như biểu diễn ở Hình vẽ 1.2(b) Tức là, hàm tự tương quan của tạp âm trắng

là một hàm xung delta tại được phân trọng số với Để ý rằng với mọi 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)

1.5.2 Mô phỏng tạp âm AWGN

Trong MATLAB, chúng ta có thể sử dụng hàm có sẵn randn để mô phỏng tạp âm AWGN Hàm randn cho phép tạo ra các biến ngẫu nhiên theo phân bố chuẩn chính tắc (standard normal distribution) với giá trị trung bình

0, phương sai 1 và độ lệch chuẩn 1 Do phân bố chuẩn chính tắc là một trường hợp đặc biệt của phân bố Gauss trong đó giá trị trung bình bằng 0 và phương

Mật độ phổ công suất tạp âm trắng

(f)

b Hàm tự tương quan

chỉ việc nhân hàm randn với , tức là độ lệch chuẩn mong muốn Do tạp âm

mô phỏng là một biến số phức gồm hai thành phần thực và ảo, nên công suất tạp âm là tổng công suất của từng thành phần Để tạo được tạp âm phức với công suất chúng ta cần chuẩn hóa công suất của mỗi thành phần (thực và ảo)

làm như sau

(1.6)

1.5.3 Mô phỏng truyền dẫn qua kênh AWGN

Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn tín hiệu BPSK qua kênh AWGN được mô

tả ở Hình vẽ 1.3 Tại máy phát chuỗi tín hiệu BPSK tạo ra và truyền qua kênh AWGN Do ảnh hưởng của AWGN, tín hiệu thu là xếp chồng (cộng) của các dấu phát và các dấu tạp âm , tức là

(1.7)Trong trường hợp đơn giản BPSK, chỉ có phần thực tín hiệu (kênh I) được phát đi, nên để tách tín hiệu phát ra khỏi tạp âm , máy thu tách lấy phần thực trước sau đó thực hiện tách tín hiệu sử dụng phương pháp tách sóng hợp

lẽ tối ưu (MLD: Maximum Likelihood Detection) Cụ thể, máy thu thực hiện phép so sánh và quyết định sau:

(1.8)(1.9)Tín hiệu tách được sau đó được so sánh với tín hiệu phát để tính toán phẩm chất lỗi bít BER của hệ thống

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng truyền dẫn BPSK trên kênh AWGN

Để tìm được BER theo tỉ số trong chương trình mô phỏng truyền BPSK qua kênh AWGN có hai cách thực hiện:

* Đặt năng lượng bộ tín hiệu cố định và thay đổi mật độ phổ công suất tạp

âm tương ứng với tỉ số cho trước

Trong thực tế, cách thứ hai được dùng phổ biến hơn Do năng lượng bit tín hiệu biết trước ( trong trường hợp này), nên mật độ phổ công suất tập âm cần thiết để tạo nên tỉ số cho trước

Để thực tách tín hiệu, chương trình sử dụng hai hàm có sẵn là real để tách ra phần thực tín hiệu và sign để thực hiện phép so sánh và quyết định.Kết quả BER thu được từ chương trình mô phỏng được so sánh với giá trị lý thuyết

N

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 anen 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 fading đa đường Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là kênh fading đa đường

1.6.1 Mô hình toán học của fading

Tín hiệu vô tuyến luôn là tín hiệu băng thông (bandpass) và có băng tần hẹp (narrowband) Tín hiệu băng thông phát đi tại tần số sóng mang với

MS

Hình 1.4 Mô hình truyền sóng đa đường

trong đó biểu diễn phép toán lấy phần thực.

Đặt độ dài của đường là và ký hiệu là tốc độ ánh sáng thì thời gian

hiệu thu được tại MS không tính đến tạp âm là

Thế (1.11) vào (1.12) chúng ta có

Viết lại r(t) ở dạng

trong đó thành phần đường bao tín hiệu thu

là thời gian trễ của đường truyền thứ

1.6.2 Ảnh hưởng chuyển động của MS

Khi MS chuyển động với tốc độ v độ dài đường truyền sóng thứ l thay đổi một khoảng là

(1.16)Nếu góc tới của tia thứ l so với hướng chuyển động là chúng ta có

(1.17)Như vậy, đường bao phức của tín hiệu thu là

tín hiệu điều chế nên chúng ta có thể bỏ qua chúng Như vậy, nếu đặt

là tần số Doppler lớn nhất, chúng ta có

Từ công thức này chúng ta có thể thấy rằng vật tán xạ thứ l đã dịch tín hiệu

1.7 Kênh fading Rayleigh

Chúng ta viết lại được độ lợi kênh trong trường hợp MS chuyển động như sau

Trong trường hợp không tồn tại tia trực tiếp giữa BS và MS thì hệ số α có thể

của các biến số phức ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng 0, và theo định lý

(1.24)

trình xác suất độc lập với giá trị trung bình bằng không và phương sai như nhau

Sử dụng công thức về phân bố Gauss ở (1.3) chúng ta có

(1.28)

Do r và là các biến độc lập nên chúng ta có thể viết

Hay

là fading Rayleigh

1.8 Fading và fading đa đường chọn lọc tần số

1.8.1 Fading trong các hệ thống vô tuyến

Fading là hiện tượng suy lạc tín hiệu thu một cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

Trong thực tế chỉ có việc truyền lan sóng giữa các vệ tinh hoặc giữa các

vệ tinh với các trạm mặt đất công tác ở các tần số không quá cao, góc ngẩng anten đủ lớn mới có thể xem như truyền lan sóng trong không gian tự do Đối với các hệ thống truyền dẫn thông qua vệ tinh viễn thông như thế, fading chủ yếu gây bởi sự hấp thụ thay đổi của khí quyển trong những điều kiện đặc biệt như mưa rào Với các hệ thống vô tuyến khác, sóng vô tuyến được truyền dẫn trong môi trường khí quyển gần bề mặt trái đất với rất nhiều yếu tố tác động tới tín hiệu ở điểm thu Các yếu tố gây fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất bao gồm:

+ Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với các hệ thống sóng ngắn

+ Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa , sự hấp thụ này phụ thuộc vào tần số công tác, đặc biệt là trong giải tần số cao (>10GHz)

+ Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí Trong các trường hợp cực đoan hiệu ứng này có thể làm lạc hẳn hướng tia sóng so với thiết kế, chẳng hạn trong trường hợp có hiệu ứng ống sóng có thể xảy ra trong những vùng có vĩ độ thấp, có bề mặt nước, nhiệt độ không khí thay đổi nhanh Thông thường, sự thay đổi mật độ không khí theo độ cao có xu hướng

làm cong tia sóng lan truyền Trong trường hợp profile độ khúc xạ thay đổi lớn thì hiện tượng truyền dẫn đa đường (multipath propagation) có thể xảy ra

Hiện tượng này gây những fading cực kỳ nghiêm trọng đối với các hệ thống

vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất trong tầm nhìn thẳng (LOS: Line-Of-Sight) công tác trên giải sóng cực ngắn (microwave).

+ Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển, đây cũng

là một yếu tố dẫn tới sự truyền lan đa đường

+ Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong thông tin di động.

Do các yếu tố kể trên, hệ số suy hao đặc trưng cho quá trình truyền sóng có thể biểu diễn được dưới dạng:

trong đó a(t,f) là hệ số suy hao sóng vô tuyến trong khí quyển, A(t,f) đặc

trưng cho sự phụ thuộc của suy hao năng lượng sóng điện từ vào các hiện

trong không gian tự do Nói chung A(t,f) là một quá trình ngẫu nhiên Xét một

cách chặt chẽ, quá trình này là không dừng Tuy nhiên trong nhiều trường hợp

thực tế, để thuận tiện cho việc khảo sát thì người ta thường giả thiết A(t,f) là

quá trình dừng

Hệ số suy hao fading A(t,f) là hàm của các biến thời gian t và tần số f

Tuy nhiên trong một số trường hợp, sự phụ thuộc tần số là không đáng kể (tức

là suy hao fading hầu như là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín

hiệu), khi đó fading được gọi là fading phẳng (flat fading) hay Fading không chọn lọc theo tần số (nonselective fading) Trong trường hợp ngược lại thì được gọi là fading chọn lọc theo tần số (selective fading) Fading cũng còn

được phân chia thành fading nhanh và fading chậm tuỳ theo mức độ phụ thuộc vào thời gian của hệ số suy hao fading so với thời gian của một bít hay

một symbol Đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất hiện nay,

do thời gian của một bít (symbol) khá nhỏ nên hầu như fading trong các hệ

thống này đều có thể xem là fading chậm, nhất là đối với các hệ thống có

dung lượng từ vừa đến lớn Đối với các hệ thống thông tin di động, do tốc độ bít hiện còn khá nhỏ nên fading hầu như có thể xem được là các fading nhanh.Đối với các hệ thống vô tuyến số có dung lượng nhỏ và vừa, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như luôn

có thể xem là fading phẳng, không chọn lọc theo tần số Ngược lại, với các hệ thống có dung lượng lớn thì tính chất chọn lọc theo tần số của fading do truyền theo nhiều đường nhất thiết phải được tính đến do trong trường hợp này fading thể hiện rất rõ sự phụ thuộc vào tần số Trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, fading đa đường chọn lọc theo tần số là một nguyên nhân gây méo tuyến tính đặc biệt quan trọng

Các đặc tính của fading phẳng

+ Fading phẳng do truyền dẫn đa đường: Trong 40-50 năm trở lại đây

đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khảo sát về sự giao thoa các sóng vô tuyến tại điểm thu gây bởi truyền dẫn đa đường Theo các kết quả nghiên cứu

đã được công bố, do phản xạ tại các chướng ngại cũng như sự thay đổi của độ khúc xạ của khí quyển, cường độ trường thu được có thể xem như một quá trình ngẫu nhiên phân bố chuẩn theo định lý giới hạn trung tâm, do đó biên độ tín hiệu tại điểm thu có phân bố Rayleigh Trong trường hợp khảo sát nếu một tia sóng mạnh hơn hẳn các tia còn lại thì phân bố này sẽ chuyển về phân bố Rice hoặc Nakagami Các dạng phân bố này đặc trưng phù hợp nhất cho các kênh sóng ngắn hoặc kênh thông tin di động VHF, UHF tại các vùng ven đô Trong các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất LOS, lượng tia truyền dẫn nói chung không lớn do đó đặc tính của nó ít động hơn so với các kênh ứng với các phân bố Rayleigh, Rice hoặc Nakagami

Sự thay đổi của độ khúc xạ khí quyển dọc tuyến có ảnh hưởng rất lớn đối với quá trình truyền lan sóng từ máy phát tới máy thu trên các tuyến vô

tuyến chuyển tiếp LOS Có thể nói rằng, trong hầu hết thời gian, sự thay đổi

về độ khúc xạ khỏi các điều kiện tiêu chuẩn (được xem là điều kiện đối với

khí quyển được “trộn” đều - well-mixed atmosphere) là khá nhỏ và khi đó các

hệ thống vô tuyến số về căn bản hoạt động không lỗi Một khi gradient của độ

khúc xạ gần như là hằng số song lệch khá lớn đối với các giá trị tiêu chuẩn thì ảnh hưởng vẫn không lớn lắm và có đặc tính băng rộng (tức là khá bằng phẳng trong băng tín hiệu) Điều kiện tồi tệ nhất xảy ra khi đó là thiểu khúc

xạ (subrefractivity) cực đoan dẫn tới tổn hao lớn tín hiệu.

Trong các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số LOS, sự biến thiên của độ khúc xạ là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là tổn hao fading có đặc tính thay đổi theo tần số Tuy nhiên, đối với các hệ thống có băng tín hiệu khá nhỏ (các hệ thống có dung lượng nhỏ) sự thay đổi trong băng tín hiệu của suy hao fading đa đường là khá nhỏ Trong trường hợp này fading đa đường được xem là fading phẳng và việc khắc phục có thể thực hiện nhờ sử dụng một lượng dự trữ công suất thích

hợp, gọi là dự trữ fading phẳng (flat fading margin).

Đối với fading đa đường phẳng, việc đánh giá được thực hiện bằng phép đo công suất tín hiệu thu được tại một tần số trong băng tín hiệu Các kết quả từ rất nhiều đo lường cho thấy rằng sự biến thiên nhanh về mức có thể thấy rõ được trên quy mô từng giây, còn trên quy mô thời gian rất dài hơn thì các sự kiện đột giảm (mức) xảy ra rời rạc và rất ngẫu nhiên Đây là đặc tính chung của fading đa đường

Các đặc trưng thống kê của fading phẳng đa đường là phân bố thời gian fading vượt quá một mức nào đó Từ các kết quả thống kê của rất nhiều đo lường người ta thấy rằng: với các độ sâu fading (được tính bằng hiệu tổn hao khi có fading với giá trị tổn hao tính theo điều kiện truyền sóng trong không

gian tự do) từ khoảng 20dB trở lên, độ sâu fading cứ tăng thêm 10dB thì thời gian xảy ra fading như thế lại giảm đi một bậc (10 lần) Như vậy thời gian

Với điều kiện truyền sóng trong không gian tự do có thể biểu diễn theo:

công tác, địa hình, khí hậu và độ dài chặng vô tuyến

Xác suất tín hiệu trong thời gian quan sát nào đó giảm quá A lần so với

giá trị với điều kiện truyền sóng trong không gian tự do là:

Đối với các kênh vô tuyến chuyển tiếp số, các kết quả nghiên cứu về hiện tượng truyền dẫn nhiều tia cho thấy rằng xác suất tổn hao fading đa

đường (phẳng) vượt quá một giá trị A xác định nào đó (A>10) có thể tính

theo:

trong đó: a, b là các hằng số đặc trưng cho vùng đất và khí hậu, f là tần số vô tuyến (GHz), D là độ dài khoảng tuyến (km)

+ Fading phẳng do mưa: Sự hấp thụ các sóng điện từ của các giọt nước

mưa gây nên tổn hao các sóng, gọi là tổn hao do mưa Về nguyên tắc, giá trị

phân cực của các sóng và tần số công tác Tổn hao do mưa gây ra đối với các sóng vô tuyến đã được nghiên cứu ráo riết ngay từ đầu thế kỷ này

Thực tế thì các giọt mưa không có dạng hình cầu Trong quá trình rơi xuống, hình dạng giọt mưa có xu hướng bẹt hơn, thậm chí hơi xiên do tương tác với khí quyển, do vậy tổn hao do mưa phụ thuộc vào phân cực sóng Do kích

thước giọt mưa theo chiều đứng nhỏ hơn kích thước theo chiều ngang nên các sóng phân cực ngang bị tổn hao mạnh hơn, với chênh lệch tổn hao trong giải tần nói trên (10-20GHz) vào khoảng dưới 20% Ngoài ra, trong thực tế tốc độ mưa không phải là một hằng số trên suốt chiều dài chặng vô tuyến và nói chung hầu như mưa rào lớn thường không diễn ra bao trùm cả chiều dài chặng vô tuyến Khi tính đến tất cả các yếu tố trên, tổn hao do mưa thường được tính theo công thức:

Như vậy, xác suất tổn hao do mưa ít nhất là AdB trên một chặng có độ

1.8.2 fading đa đường chọn lọc theo tần số

Khi profile của độ khúc xạ thay đổi rõ rệt theo độ cao, đặc biệt là trong trường hợp khi gradient của mô-đun khúc xạ đổi dấu, năng lượng từ anten

phát có thể đi đến anten thu theo một số tia tách biệt nhau về không gian Sự truyền dẫn theo nhiều tia (đường) như thế có thể gây nên một lượng tổn hao tín hiệu phụ thuộc tần số Đối với các hệ thống vô tuyến số dung lượng tương đối cao (>70 Mb/s), băng tần tín hiệu khá rộng, do vậy sự phụ thuộc vào tần

số của suy hao fading đa đường trong suốt độ rộng băng tín hiệu trở nên rõ rệt

và do vậy được gọi là fading chọn lọc theo tần số Méo tuyến tính như thế sẽ gây ra ISI và do vậy sẽ làm giảm chất lượng hệ thống Chỉ riêng méo do fading đa đường mạnh đã có thể tạo ra ISI rất lớn dẫn đến gián đoạn liên lạc

fading đa đường trên các tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS xảy ra khá

thường xuyên và trở nên một nguồn chính dẫn đến gián đoạn liên lạc Loại gián đoạn liên lạc này, tệ hơn nữa, không thể loại bỏ được bằng cách tăng lượng dự trữ fading phẳng, tức là không thể loại bỏ bằng cách tăng công suất phát được.

Đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số LOS mặt đất quá trình truyền sóng diễn ra trong những lớp khá thấp của bầu khí quyển Tia sóng vô tuyến được phát đi từ anten phát bị làm cong và tách biệt nhau về không gian (do hệ số khúc xạ của không khí biến đổi theo độ cao) do vậy tới anten thu theo nhiều đường khác nhau trong đó có cả thành phần phản xạ từ bề mặt trái đất Môi trường truyền dẫn của chặng vô tuyến như vậy có thể xem được như kênh truyền gồm tia có hàm phản ứng xung biểu diễn được bằng một tổng

trọng số các hàm delta:

trong đó các trọng số thể hiện tổn hao và thể hiện giữ chậm truyền sóng

theo tia sóng thứ

Đáp ứng tần số tương ứng của kênh như vậy được biểu diễn theo:

Hàng loạt nỗ lực đã được thực hiện bằng cách đo đạc các số liệu về kênh truyền nhằm đưa ra mô hình thích hợp của hàm phản ứng tần số (1.41) Các đo lường gần đây nhất về truyền sóng đối với các tuyến vô tuyến chuyển tiếp số LOS là các phép đo băng rộng, được tiến hành để xác định các thành phần giữ chậm nhiều tia bằng cách đo trực tiếp hoặc nhận được chúng nhờ phân tích Fourier các kết quả đo về phổ

Cấu trúc của các phản ứng thu được minh hoạ rõ nét hơn các tác động suy giảm gây bởi fading đa đường Các cực tiểu chọn lọc theo tần số của công suất thu xảy ra cùng với các cực tiểu hoặc cực đại của méo trễ Méo trễ với cực tiểu tương ứng với một điều kiện pha cực tiểu còn méo trễ với cực đại tương ứng với một điều kiện pha không cực tiểu, theo lý thuyết mạch tuyến tính Sự chuyển pha như thế tương đương với việc thay hàm truyền phức

H(ω) của kênh bằng liên hợp phức của nó và việc thay thế như vậy không làm

thay đổi mô-đun của hàm truyền mà chỉ thay đổi dấu của méo trễ

Rất khó mô tả vật lý một cách chính xác kênh truyền trong thời gian chuyển đổi trạng thái từ pha cực tiểu sang pha không cực tiểu Các giải thích thuyết phục hơn cả về hiện tượng đã nêu liên quan tới sự tồn tại của ít nhất là

3 tia truyền dẫn tách biệt Điều này giải thích cho việc trong số rất nhiều mô hình kênh fading nhiều tia khác nhau đã được đề xuất, các mô hình kênh truyền dựa trên hàm truyền (1.41) với 3 tia là có ý nghĩa nhất Các mô hình kênh fading nhiều tia tiêu biểu là mô hình kênh 3 tia tổng quát và mô hình kênh 3 tia đơn giản hoá nổi tiếng nhất và được chấp nhận sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế do Rummler đưa ra Trong các mô hình này số tia thực sự

được tính đến trong các biểu thức (1.40) và (1.41) là N=3.

Mô hình kênh 3 tia tổng quát mặc nhận rằng trong một chặng vô tuyến chuyển tiếp luôn hiện diện một tia có biên độ tín hiệu thấp phản xạ từ bề mặt trái đất Ảnh hưởng của tia này có thể bỏ qua được, trừ khi các bất thường của bầu khí quyển tạo thêm một tia phụ giao thoa với tia trực tiếp từ anten phát tới anten thu Mô hình này đặc biệt điển hình đối với việc truyền sóng qua vùng

có bề mặt nước Mô hình ba tia tổng quát, tuy vậy, lại không cho ra một đặc trưng toán học đầy đủ đối với phản ứng tần số của kênh, do đó khó áp dụng

được trong các tính toán chất lượng hệ thống (tính toán xác suất gián đoạn liên lạc chẳng hạn) và vì thế chúng ta sẽ không đề cập sâu hơn nữa

1.9 Can nhiễu và một số tác động khác của đường truyền

1.9.1 Can nhiễu

Như đã trình bày trong mục trên, can nhiễu trên kênh liên tục làm giảm chất lượng truyền dẫn Can nhiễu đối với các hệ thống truyền dẫn có thể phát sinh

từ nhiều nguồn khác nhau như nhiễu vũ trụ, nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các

hệ thống truyền dẫn khác, nhiễu từ các kênh lân cận trên cùng một tuyến, nhiễu từ kênh sử dụng cùng tần số Ngoài ra, do các thiết bị có đặc tính không hoàn hảo một số các nhiễu khác như các hài của nguồn nuôi, các sản phẩm

xuyên điều chế (intermodulation) do méo phi tuyến cũng có tác động làm

giảm chất lượng truyền dẫn

Trong số các loại can nhiễu kể trên, các loại can nhiễu quan trọng nhất có thể

kể ra là: can nhiễu từ các kênh lân cận, can nhiễu từ các kênh cùng tần số và các sản phẩm xuyên điều chế

Can nhiễu từ kênh cùng tần số thì không giống nhau đối với các hệ thống khác nhau Đối với các hệ thống thông tin di động, để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần người ta thực hiện tái dụng tần số Đối với các hệ thống

không trải phổ (thí dụ như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM - Global System for Mobile Communications), các tần số sóng mang giống nhau được

sử dụng tại các tế bào cách nhau đủ xa Với hệ thống có áp dụng kỹ thuật trải

phổ (thí dụ như hệ thống đa truy nhập theo mã CDMA - Code Division Multiple Access - của Qualcomm), các tế bào cạnh nhau có thể sử dụng cùng

một tần số sóng mang như nhau Hệ quả là các kênh công tác trên cùng một tần số như thế có thể gây nhiễu lẫn nhau Đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số, tần số sóng mang có thể tái sử dụng bằng cách sử dụng phân

cực sóng khác với sự hỗ trợ của bộ triệt xuyên nhiễu phân cực chéo (XPIC:

CrossPolarization Inter-ference Canceler) có độ phân biệt phân cực (XPD: CrossPolarization Dis-crimination) lớn Dưới tác động của fading mạnh,

XPD thường giảm khá mạnh và do vậy xuyên nhiễu giữa các tín hiệu cùng tần

số khác phân cực có thể trở nên rất đáng kể

Việc hạn chế tác động của các loại can nhiễu nói trên có thể thực hiện được bằng cách sử dụng một cách tổng hợp nhiều biện pháp Can nhiễu vũ trụ, can nhiễu từ các hệ thống khác hoặc từ các kênh lân cận có thể hạn chế được nhờ sử dụng các mạch lọc Các nhiễu gây ra do thiết bị cũng có thể hạn chế được nhờ lọc hoặc các biện pháp tuyến tính hoá các phần tử phi tuyến (chủ yếu là bộ KĐCS) Các nhiễu từ kênh cùng tần số có thể hạn chế được bằng kế hoạch tần số thích hợp trong thông tin di động tế bào hay sử dụng các XPIC có XPD đủ lớn

1.9.2 Một số tác động khác của đường truyền

Kênh truyền có đặc tính phức tạp nhất gặp phải đối với các hệ thống truyền dẫn số là kênh truyền trong các hệ thống thông tin di động Tính chất phức tạp gặp phải đối với kênh thông tin di động có nguyên nhân là sự thay đổi rất ngẫu nhiên của kênh theo thời gian do sự di động của các máy cầm tay

hay còn gọi là các trạm di động (MS: Mobile Station) Các tác động chủ yếu gây bởi sự di động của máy cầm tay so với các trạm gốc (BS: Base Station)

có thể kể ra là: hiệu ứng Doppler, fading đa đường, hiện tượng trải trễ do sự truyền sóng theo nhiều đường gây bởi sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ của sóng

vô tuyến tại các vật chướng ngại Các tác động nói trên đều mang tính ngẫu nhiên Cần phải nhấn mạnh ở đây rằng, so với kênh truyền trong các hệ thống

vô tuyến chuyển tiếp số mức độ biến thiên theo thời gian của kênh truyền thông tin di động thì lớn hơn nhiều, một phần do sự di chuyển của máy di

động, một phần do độ dài của một bít trong thông tin di động khá lớn (tốc độ bít khá nhỏ) Số tia sóng lan truyền tới anten máy thu di động cũng lớn hơn rất nhiều và nói chung rất ít khi có điều kiện LOS như đối với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Chính vì vậy, cho đến nay vẫn chưa có một mô hình hoàn hảo nào được đề xuất cho kênh thông tin di động trong mọi trường hợp khác nhau.

Hiệu ứng Doppler: Là sự thay đổi tần số của tín hiệu thu được so với tín

hiệu đã được phát đi, gây bởi chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng Giả sử một sóng mang không bị điều chế có

hiệu thu mới không bị thay đổi so với tần số tín hiệu phát Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu di động theo phương của tia sóng tới

trên xe di chuyển trên các xa lộ, còn các anten trạm phát thì được bố trí dọc theo xa lộ (được gắn trên các cầu vượt ngang qua xa lộ chẳng hạn)

Fading đa đường và hiện tượng trải trễ: Trong những quãng cách

tương đối ngắn mức tín hiệu thu trung bình có thể xem là hằng số, tuy nhiên mức điện tức thời của tín hiệu thu tại anten lại có thể thay đổi nhanh với những lượng tiêu biểu tới 40 dB Những thay đổi nhanh mức điện thu tức thời này được gọi là fading nhanh

Giả sử một trạm cố định phát một sóng mang không bị điều chế, trạm thu di động sẽ thu được không chỉ một thành phần sóng mang đã được phát

đó mà là cả một tổ hợp các tia sóng do tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các cao ốc và các chướng ngại khác trong vùng truyền sóng trước khi tới máy thu Thực tế, trong hầu hết các môi trường, mỗi tia sóng thu được tại máy thu di động đều phải chịu những thay đổi (phụ thuộc vào đường đi của nó) về pha, thời gian giữ chậm riêng, biên độ cũng như dịch tần Doppler Kết quả là tín hiệu mà trạm di động thu được có thể khác một cách căn bản với sóng mang đã phát Trong trường hợp nghiêm trọng, tổng véc-tơ của các tín hiệu tới theo nhiều tia có thể giảm tới một giá trị rất thấp Hiện tượng này

cũng được gọi là fading đa đường (multipath fading) Khi máy di động di

chuyển, mức điện thu bị fading theo từng quãng cách nhau nửa bước sóng dọc theo hành trình của nó Một khi fading rất sâu xảy ra, tín hiệu thu được có thể giảm tới không, tỷ số tín/tạp tính theo dB nhỏ hơn không, khi đó đầu ra máy thu hoàn toàn tuỳ thuộc vào tạp nhiễu của kênh

Trong thực tế, sóng mang còn được điều chế Trong thông tin di động

số, tác động của đường truyền dẫn còn phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số giữa độ

dài một dấu (symbol) và trải giữ chậm (delay spreading) của kênh vô tuyến

biến đổi theo thời gian Độ trải giữ chậm có thể xem như độ dài của tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi Nếu số liệu được truyền với tốc độ thấp thì chúng có thể giải quyết được dễ dàng tại phần thu do truyền theo nhiều tia của một xung số liệu thì kết thúc trước khi xung tiếp theo được phát đi Tuy thế nếu ta cứ tăng tốc độ truyền số liệu lên mãi thì tới một lúc mỗi dấu số liệu sẽ trải hẳn sang các dấu số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu

giữa các dấu ISI (InterSymbol Interference)

1.10 Tóm tắt chương 1

Trong chương này, em đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống, đặc điểm, các tham số cơ bản của hệ thống truyền dẫn vô tuyến số, qua đó tìm hiểu kênh thông tin vô tuyến và các tác động của nó đến quá trình truyền dẫn tín hiệu số giữa máy thu và phát của hệ thống truyền dẫn vô tuyến số

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT ĐA ANTEN

2.1 Các hệ thống MIMO

2.1.1 Cấu hình đa anten

Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách giữa 2 phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quan giữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau) Các anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp, ngược lại các anten được đặt gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất

là các anten khác nhau sẽ có fading tức thời tương tự nhau Khoảng cách thực

tế cần thiết để của các anten để độ tương quan cao/thấp phụ thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng Tuy nhiên, nó cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai Trường hợp các anten trạm gốc, môi trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí trạm anten gốc phải cao), khoảng cách anten vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi đó thì khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động thì vào khoảng nửa bước sóng Lý do khác nhau giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản macro, phản xạ đa đường gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động Do đó khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy là những đường khác nhau đi đến trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ Còn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nhỏ hơn nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp

Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai bản micro-cell với các anten trạm gốc thấp hơn nóc nhà Môi trường trạm gốc lúc này giống với môi

Máy phát Máy thu

Hình 2.1 Mô hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nt anten thu

trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc sẽ nhỏ hơn và đảm bảo độ tương quan thấp

Các anten giả thiết ở trên có cùng độ phân cực Một cách khác để đạt được độ tương quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau Khi đó các anten có thể được đăt gần nhau

2.1.2 Mô hình MIMO tổng quát

minh họa trong hình 2.1

Nr

Nt Nt

h h

h

h h

h

h h

h H

2 1

2 22

21

1 12

s

[ ]T

Nt

y y

z

T là phép toán ký hiệu chuyển vị.

Khi đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x và tín hiệu đầu ra y được xác định bởi biểu thức sau:

NrNt Nr

Nr

Nt Nt

z z

s

s s

h h

h

h h

h

h h

h

y

y y

1

2 1

2 22

21

1 12

11 2

2.1.3 Dung lượng kênh truyền MIMO

2.1.3.1 Dung lượng kênh truyền cố định

Dung lượng kênh truyền (channel capacity) được định nghĩa là tốc độ

có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss do Shannon tìm ra vào năm 1948 được biểu diễn như sau:

) 1 ( log2 + ρ

suất tín hiệu trên tạp âm (SNR)

s

h

y

z

Kênh SISO: Trong trường hợp truyền tín hiệu qua một kênh cố định có

độ lợi h như ở hình vẽ 2.2 chúng ta có tỷ số SNR tại đầu vào máy thu như

sau:

2 2

2

h h

P P

Dung lượng kênh truyền trong trường hợp này có thể tính được bằng cách

) 1

( log2 h2W

Kênh MISO: tương tự kênh SISO, đối với các trường hợp kênh truyền

N P

P h N

1

2 1

( log

N W

được sử dung để chuẩn hóa công suất phát

Hình 2.3 Mô hình tương đương của kênh truyền MISO

h1