Giải pháp phân tập anten trong việc cải thiện chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến di động

Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu về thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báo ban đầu,đến nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện, hình ảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết. Bên cạnh nhu cầu về tốc độ truy cập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thể thiếu. Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband CodeDivision Multiple Access) kết hợp với giao thức truy cập tốc độ cao HSPDA (High SpeedDownlink Protocol Access) cho phép download dữ liệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps. Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa. Một trong số các kỹ thuật giúp cải thiện đáng kể chất lượng và dung lượng của hệ thống là kỹ thuật xử lý phân tập ăn ten. Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động nói riêng. Nhờ sử dụng nhiều phần tử ăn ten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo miền không gian tại máy thu phát. Việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong các hệ thống thông tin di động hiện nay một cách hiệu quả thực sự là vấn đề cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng như các hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Xuất phát từ ý tưởng đó nên em đã quyết định chọn đề tài: “ GIẢI PHÁP PHÂN TẬP ANTEN TRONG VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG “ Nội dung trọng tâm của đồ án này là nghiên cứu, khảo sát các phương pháp phân tập ăn ten được sử dụng rộng rãi hiện nay, qua đó đánh giá ưu nhược điểm, tính hiệu quả, khả năng ứng dụng và mở rộng của từng phương pháp phân tập ăn ten đối với hệ thống thông tin di động. Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án là phân tích, mô phỏng để thấy được tính hiệu quả của các phương pháp phân tập trong việc cải thiện chất lượng tuyến thông tin (di động). Đồ án đã xây dựng được thuật toán chương trình mô phỏng để thấy được sự cải thiện hiệu suất, giảm lỗi khi áp dụng các phương pháp phân tập Ăn ten. Nội dung đồ án gồm có 4 chương:CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG Chương này trình bày tổng quan về quá trình hình thành và phát triển của thông tin di động và các thách thức hiện nayCHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Chương này trình bày về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh vô tuyến và các mô hình kênh cơ bảnCHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN Chương này trình bày khái quát về kỹ thuật phân tập, sau đó đi sâu vào phân tích kỹ thuật phân tập không gian (hay phân tập anten)CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP Chương này trình bày sơ đồ tiến trình mô phỏng và kết quả mô phỏng các phương pháp phân tập anten. Sau đó so sánh các kết quả thu được, từ đó rút ra kết luận.

LỜI CẢM ƠN



Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý thầy cô trong khoa ĐIỆN TỬ

-VIỄN THÔNG, Trường Đại Học BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG đã truyền đạt kiến thức và

tâm huyết trong suốt 5 năm qua cho em và các bạn, những khổ nhọc của thầy cô đã giúpchúng em có kiến thức và trang bị tốt để làm người có ích cho xã hội và đất nước Em xin

chân thành cảm ơn thầy TĂNG TẤN CHIẾN đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện tốt

nhất cho em hoàn thành đồ án này Trong quá trình thực hiện đồ án, em còn nhiều thiếusót và mắc lỗi, kính mong quý thầy cô chỉ bảo thêm

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Võ Trần Quốc Đại

LỜI CAM ĐOAN



Đề tài tốt nghiệp “GIẢI PHÁP PHÂN TẬP ANTEN TRONG VIỆC CẢI THIỆN

CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG” được nghiên

cứu và tổng hợp rút ra từ các tài liệu tham khảo nội dung của đồ án này không phải là bảnsao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ, thông tin trong các tài liệu tham khảotrên có độ tin cậy cao và đã được chọn lọc kỹ Em xin cam đoan trước

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực hiện

Võ Trần Quốc Đại

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT 5

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 11

1.1 Giới thiệu chương 11

1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 11

1.3 Giới thiệu về công nghệ LTE 13

1.4 Vấn đề nghiên cứu trong đồ án 15

1.5 Kết luận chương 16

Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 17

2.1 Giới thiệu chương 17

2.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 17

2.3 Kênh truyền vô tuyến 18

2.3.1 Giới thiệu 18

2.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 19

2.3.2.1 Suy hao trên đường truyền (Path loss) 19

2.3.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 19

2.3.2.3 Nhiễu (Noise) 19

2.3.2.4 Hiện tượng đa đường (Multipath) 20

2.3.2.5 Hiệu ứng Doppler 21

2.3.3 Các dạng kênh truyền 23

2.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền Fading phẳng 23

2.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian 24

2.3.4 Hiện tượng fading 25

2.3.4.1 Fading phẳng (Flat Fading) 26

2.3.4.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading) 26

2.3.5 Các mô hình kênh cơ bản 27

2.3.5.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 28

2.3.5.2 Phân bố Ricean 30

2.4 Kết luận chương 32

Chương 3 : KỸ THUẬT PHÂN TẬP 33

3.1 Giới thiệu chương 33

3.2 Tổng quan về phân tập 33

3.3 Phân loại phân tập 34

3.4 Ứng dụng của phân tập 35

3.5 Các phương pháp phân tập Anten 35

3.5.1.2.1 Tỉ số SNR với SC 37

3.5.1.2.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với SC 38

3.5.1.3 Kết hợp theo tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining) 39

3.5.1.3.1 Tỉ số SNR với MRC 42

3.5.1.3.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với MRC 42

3.5.1.4 Kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-Gain Combining) 43

3.5.1.4.1 Tỉ số SNR với EGC 44

3.5.1.4.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với EGC 45

3.5.2 Phân tập phía phát (Transmitter Diversity) 45

3.5.2.1 Kênh truyền đã biết trước bên phát 45

3.5.2.2 Kênh truyền chưa biết bên phát – Sơ đồ Alamouti 47

3.5.2.2.1 Tỉ số SNR với sơ đồ Alamouti 52

3.5.2.2.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với sơ đồ Alamouti 52

3.5.2.3 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu 52

3.6 Kết luận chương 55

Chương 4 : PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 56

4.1 Giới thiệu chương 56

4.2 Giả thiết 56

4.3 Sơ đồ tiến trình mô phỏng 58

4.3.1 Sơ đồ tiến trình mô phỏng tỉ số S/N với phân tập kết hợp 58

4.3.2 Sơ đồ tiến trình mô phỏng tỉ lệ lỗi bit với phân tập kết hợp 59

4.4 Kết hợp có chọn lọc (SC) 60

4.4.1 Tỉ số S/N với SC 60

4.4.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với SC 61

4.5 Kết hợp theo tỉ số tối đa (MRC) 63

4.5.1 Tỉ số S/N với MRC 63

4.5.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với MRC 64

4.6 Kết hợp độ lợi cân bằng (EGC) 65

4.6.1 Tỉ số S/N với EGC 65

4.6.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với EGC 67

4.7 Sơ đồ Alamouti: 68

4.7.1 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với sơ đồ Alamouti 68

4.8 So sánh các kỹ thuật phân tập 70

4.8.1 SNR các kỹ thuật phân tập 70

4.8.2 So sánh BER các kỹ thuật phân tập 71

4.9 Kết luận chương 71

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHẦN PHỤ LỤC 75

BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT

A

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

B

BSS Base Station Subsystem Hệ thống trạm gốc

BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit

BTS Base Tranceiver Station Trạm vô tuyến gốc

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

FSK Frequency Shift Keying Khoá điều chế dịch tần

IMTS Improved Mobile Telephone Dịch vụ điện thoại di động

Service cải tiến

M

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy cập

MIMO Multi Input Multi Output Mô hình nhiều đầu vào - nhiều đầu ra

MS Mobile Station Trạm di động

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp theo tỉ số tối đa

P

PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PSD Power Spectral Density Mật đổ phổ công suất

SC Selection Combining Kết hợp có chọn lọc

SISO Single Input Single Output Một đầu vào – một đầu ra

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp

T

TDMA Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo

Access thời gian

LỜI MỞ ĐẦU



Cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu về thông tin mọi lúc mọi nơi đangngày càng trở nên cần thiết Từ những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báoban đầu,đến nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện, hìnhảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết Bên cạnh nhu cầu về tốc độtruy cập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thểthiếu Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng côngnghệ WCDMA (Wideband CodeDivision Multiple Access) kết hợp với giao thức truycập tốc độ cao HSPDA (High SpeedDownlink Protocol Access) cho phép download dữliệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyếntốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn làmột thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa

Một trong số các kỹ thuật giúp cải thiện đáng kể chất lượng và dung lượng của hệthống là kỹ thuật xử lý phân tập ăn ten Kỹ thuật này cho phép sử dụng tối đa hiệu quảphổ tần cho hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin di động nóiriêng Nhờ sử dụng nhiều phần tử ăn ten, kỹ thuật này cho phép tối ưu hoá quá trình thuhoặc phát tín hiệu bằng cách xử lý theo miền không gian tại máy thu phát

Việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật này để tiến tới có được các sản phẩm hữu dụng

có chỉ tiêu chất lượng cao, đồng thời phù hợp với khả năng xử lý, tính toán của các thiết

bị hiện có cũng như ứng dụng nó vào trong các hệ thống thông tin di động hiện nay mộtcách hiệu quả thực sự là vấn đề cấp thiết Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽmang lại hiệu quả to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệutốc độ cao cho các hệ thống thông tin di động như GSM hay CDMA hiện tại cũng nhưcác hệ thống thông tin di động thế hệ mới

Xuất phát từ ý tưởng đó nên em đã quyết định chọn đề tài: “ GIẢI PHÁP PHÂN

TẬP ANTEN TRONG VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG “

Nội dung trọng tâm của đồ án này là nghiên cứu, khảo sát các phương pháp phân tập

ăn ten được sử dụng rộng rãi hiện nay, qua đó đánh giá ưu nhược điểm, tính hiệu quả, khảnăng ứng dụng và mở rộng của từng phương pháp phân tập ăn ten đối với hệ thống thôngtin di động

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt đồ án là phân tích, mô phỏng để thấy được tínhhiệu quả của các phương pháp phân tập trong việc cải thiện chất lượng tuyến thông tin (diđộng) Đồ án đã xây dựng được thuật toán - chương trình mô phỏng để thấy được sự cảithiện hiệu suất, giảm lỗi khi áp dụng các phương pháp phân tập Ăn ten

Nội dung đồ án gồm có 4 chương:

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương này trình bày tổng quan về quá trình hình thành và phát triển của thông tin

di động và các thách thức hiện nay

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chương này trình bày về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh vô tuyến và các

mô hình kênh cơ bản

CHƯƠNG 3 : KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN

Chương này trình bày khái quát về kỹ thuật phân tập, sau đó đi sâu vào phân tích kỹ thuật phân tập không gian (hay phân tập anten)

CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP

Chương này trình bày sơ đồ tiến trình mô phỏng và kết quả mô phỏng các phương pháp phân tập anten Sau đó so sánh các kết quả thu được, từ đó rút ra kết luận.

Trong quá trình làm đề tài, em đã rất cố gắng song do kiến thức hạn chế nên không

thể tránh khỏi các thiếu sót Em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp

đỡ của thầy cô, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG,

đặc biệt là thầy TĂNG TẤN CHIẾN đã hướng dẫn để em hoàn thành tốt đồ án này

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Võ Trần Quốc Đại

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chương

Chương 1 trình bày các vấn đề sau:

 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

 Giới thiệu công nghệ LTE

 Vấn đề nghiên cứu trong đồ án

1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

Để công nghệ viễn thông có thể cạnh tranh,bắt kịp với công nghệ, nó là cần đảm bảo công nghệ di động mới đang được xây dựng và phát triển Lịch sử hệ thống thông tin di động dành cho thương mại đã đi qua 3 giai đoạn 1G, 2G,3G và hệ thống 4G đang được kiểm định

Hình1.1 Sơ đồ quá trình phát triển của mạng di động.

Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên FDM với kết nối mạng lõi dựa trên TDM Hệ thống truyền dẫn di động đầu tiên trên thế giới là hệ thống NMT

ở Mỹ Các công nghệ tế bào khác đã triển khai rộng rãi trên thế giới là TACS và J-TACS.Chúng có chung đặc điểm là thiết bị cồng kềnh, chất lượng thoại thường không ổn định,

“xuyên âm” giữa các người dùng là vấn đề phổ biến

Khác với 1G, các công nghệ 2G được thiết kế để triển khai quốc tế Thiết kế 2G nhấn mạnh đến tính tương thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên vô tuyến Tính năng cuối cùng chính là yêu cầu đối với 2G Các thí dụ điển hình về hệ thống 2G là GSM và CDMAone (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS95) Ở Châu

Âu, CEPT đã đề xướng dự án GSM để phát triển một hệ thống di động toàn Châu Âu Các hoạt động của GSM tiếp tục được thực hiện trong năm 1989 với ETSI Sau khi tính toán các đề xuất dựa trên TDMA, CDMA và FDMA giữa những năm 1980, chuẩn GSM cuối cùng đã được xây dựng trên TDMA Cùng lúc đó, việc phát triển chuẩn tế bào cũng được TIA thực hiện ở Mỹ với chuẩn IS-54 dựa trên TDMA, sau này được gọi đơn giản làUS-TDMA Tiếp sau đó, sự phát triển chuẩn CDMA đã được TIA hoàn thành trong năm

1993 với tên gọi là IS-95 Ở Nhật Bản, chuẩn TDMA 2G cũng được phát triển với tên gọi

là PDC Các chuẩn này có chiều hướng “băng hẹp”, với các dịch vụ “băng thông thấp” như voice Hệ thống 2G cũng mang lại cơ hội để cung cấp các dịch vụ dữ liệu thông qua mạng di động Các dịch vụ dữ liệu đầu tiên được giới thiệu trong 2G là tin nhăn văn bản SMS và dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh cho phép truyền e-mail và các ứng dụng dữ liệu khác Tốc độ dữ liệu đỉnh vào thời gian đầu là 9,6 kbps Các tốc độ cao hơn được đưa ra sau đó bằng cách gán nhiều khe thời gian cho người dùng và thay đổi sơ đồ mã hóa.Truyền dữ liệu thông qua hệ thống tế bào trở thành sự thật trong suốt nửa sau những năm 1990 với GPRS được đưa ra trong GSM và dữ liệu gói cũng được đưa vào các công nghệ tế bào khác như chuẩn PDC Những công nghệ này thường được gọi là 2,5G Sự thành công của dịch vụ dữ liệu không dây iMode ở Nhật Bản là một dấu hiệu về khả năngcủa các ứng dụng truyền gói trong hệ thống di động, mặc dù trong thời điểm đó tốc độ dữliệu còn rất thấp

Sự xuất hiện của 3G và các giao diện vô tuyến băng tần cao hơn của UTRA mang lại khả năng cho một loạt các dịch vụ mới chỉ được đề xuất ở 2G và 2,5G Ngày nay, việc

phát triển truy nhập vô tuyến 3G được chuyển giao cho 3GPP Tuy nhiên thì các bước khởi tạo cho 3G đã được thực hiện từ đầu những năm 1990, trước khi 3GPP hình thành một thời gian khá dài Ở Châu Âu, 3G được đặt tên là UMTS Đầu năm 1998, ETSI đã lựa chọn WCDMA là công nghệ cho UMTS WCDMA có thể có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến: ghép song công phân chia theo tần số và ghép song công phân chia theo thời gian Chuẩn WCDMA được thực hiện song song trong ETSI và ARIB cho đến cuối năm 1998 khi 3GPP được hình thành bởi các tổ chức phát triển chuấn từ các vùng khác nhau trên thế giới : ARIB (Nhật), CCSA (Trung Quốc), ETSI (Châu Âu), ATIS (Mỹ), TTA (Hàn Quốc) và TTC (Nhật).

Hiện nay hệ thống 3G đã được triển khai trên phạm vi toàn thế giới.Tuy nhiên chất lượng của nó vẫn còn thấp.Do sự giới hạn của tốc độ chip nên băng thông của hệ thống 3G không cao lắm.Bên cạnh đó sự ảnh hưởng của kênh truyền pha đinh đa đường cũng chính là nhược điểm của hệ thống này

Hệ thống LTE ra đời là một cuộc cách mạng đối với ngành viễn thông.Sự thay đổi hoàn toàn trong hệ thống 4G đã tạo ra cuộc cách mạng này.Với việc sử dụng OFDM đối với downlink và SC-FDMA cho uplink và cả SDMA cho downlink trong hệ thống LTE Advanced đã làm cho băng thông tăng lên khá lớn(100Mbps đối với người dùng di động

và 1Gbps đối với người dùng đứng yên) Ngoài ra hệ thống 4G còn hỗ trợ người dùng di chuyển với tốc độ lên đến 500Km/h Tuy nhiên hệ thống LTE sử dụng OFDM gặp rất nhiều khó khăn trong việc triển khai cũng như trong các vấn đề kỹ thuật.Nhiễu giao thoa liên kí tự hoàn toàn không là vấn đề đối với hệ thống OFDM nhưng bên cạnh đó còn có nhiều vấn đề cần được nghiên cứu và phát triển.Triển khai LTE trên nền tảng những hệ thống trước đó cũng gặp nhiều khó khăn về giao tiếp

1.3 Giới thiệu về công nghệ LTE

LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới.Để đảm bảo tính cạnh

Evolution.3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin,cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết

bị đầu cuối.Đặc tả kỹ thuật cho LTE đang được hoàn tất và dự kiến sản phẩm LTE sẽ sớm ra mắt thị trường Các mục tiêu của công nghệ này là:

- Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz:

Tải xuống: 100 Mbps; Tải lên: 50 Mbps

- Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1

MHz so với mạng HSDPA Rel 6:

Tải xuống: gấp 3 đến 4 lần; Tải lên: gấp 2 đến 3 lần

- Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 – 15 km/h Vẫn

hoạt động tốt với tốc độ từ 15 – 120 km/h Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 – 350 km/h thậm chí 500 km/h tùy băng tần

- Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm

chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30 – 100 km thì không hạn chế

- Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các băng 1.25 MHz,

.6 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống

Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không

Hình 1.2 Kiến trúc của mạng LTE

Để đạt được mục tiêu này,sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật

là kỹ thuật vô tuyến OFDMA,kỹ thuật anten MIMO,hệ thống thông tin đa chặng/phối hợp ,…

1.4 Vấn đề nghiên cứu trong đồ án

Lưu lượng truy cập dữ liệu trong mạng di động đã vượt qua lưu lượng thoại từ

lâu và các dịch vụ đa phương tiện đòi hỏi tốc độ cao được giới thiệu mỗi ngày. Bởi vậy phải cần có phương pháp điều chế hiệu quả va tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, thiết bị đầu cuối di động nói chung là nhỏ, nhẹ, pin có dung lượng thấp, khi mà công nghệ ngày càng phát triển nhưng công nghệ pin vẫn dậm chân tại chỗ. Ngoài ra còn có những ảnh hưởng không mong muốn do kênh truyền vô tuyến gây ra đặc biệt là Fading đa đường Fading gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ, băng thông và gây hao tổn năng lượng Trở ngại lớn nhất đối với thiết kế của hệ thống truyền thông không dây là bản chất của kênh truyền. Các kênh vô tuyến là không cố định và thường bị nhiễu do tác động của fading và các nhân tố khác. Các nguồn gây nhiễu có thể là tự nhiên (ví dụ như, nhiễu nhiệt ở bên thu) hoặc nhân tạo, trong đó phổ biến nhất là do hiện tượng đa đường, hiện tượng này tạo ra nhiều bản sao của tín hiệu đến bên thu vì vậy làm ảnh hưởng lớn đến tín

thông tin di động trong đồ án này em trình bày các phương pháp phân tập anten để hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường.

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày tổng quan quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

từ 1G đến 4G , giới thiệu về công nghệ LTE Ngoài ra chương 1 cũng giới thiệu những thách thức đặt ra cho hệ thống thông tin di động từ đó có những giải pháp khắc phục nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống.Trong chương tiếp theo đồ án sẽ trình bày giới thiệu tổng quan về kênh truyền vô tuyến

Nguồn tin Kênh tin Nhận tin

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền

tin

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơbản, 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 cho cuộc sống hiện đại

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là mộttrong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môi trường đểtruyền thông tin từ máy phát đến máy thu Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin vềkênh truyền: Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, các dạng kênh truyền vàcác mô hình kênh truyền cơ bản Ngoài ra chương này còn giới thiệu khái quát về hệthống thông tin vô tuyến

2.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồntin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh

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

có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền Saukhi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bướcngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu Chất

Nguồn tin Mã hoá kênh

(Channel coding)

Mã hoá nguồn (Source coding)

Tín hiệu đích

(Destination) Giải mã hoá nguồn(Source decoding) (Channel decoding)Giải mã hoá kênh

Điều chế (Modulation)

Kênh vô tuyến (Channel)

Giải điều chế (Demodulation)

mã hoá khác nhau Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượngkênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung

Hình 2.2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

2.3 Kênh truyền vô tuyến

2.3.1 Giới thiệu

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tínhiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là

ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không

hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cảntrở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượngnày được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bảnkhác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin

vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơbản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của cácthành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

2.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

Suy hao trên đường truyền (Path loss)

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đếnmáy thu Trong không gian tự do, công suất trung bình giảm theo bình phương khoảngcách truyền giữa trạm gốc (BS-Base Station) và trạm cuối (TS-Terminal Station) Trongkênh truyền vô tuyến di động, thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS – Line ofSight), công suất tín hiệu giảm theo các luỹ thừa bậc cao hơn, tiêu biểu là từ 3 đến 5 Sựgiảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phươngpháp điều khiển công suất

2.3.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng,các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉxảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này đượcgọi là fading chậm

2.3.2.3 Nhiễu (Noise)

Nhiễu tồn tại trong kênh vật lý của tất cả các hệ thống thông tin, bao gồm thôngtin vô tuyến Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đạimáy thu và can nhiễu giữa các tế bào Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệthống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa cácsóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Các nguồnnhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống Tất

cả các loại nhiễu trên làm giảm chất lượng truyền dẫn trong thông tin vô tuyến Do vậyviệc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dunghòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng

2.3.2.4 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không baogiờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thuluôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là

sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từcác toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đađường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng củacác bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫnnhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôiphục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể

bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lậpkhác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiệntượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phíathu bằng các bộ cân bằng

Hình 2.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường

Tuyến 1

v

α1 Tuyến 2

) (

2 t



) (

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

như trình bày ở hình 2.4 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xêlệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần

số Doppler của tuyến này là :

fD

n= v

c f0cos ( αn)

(2.1)Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển độngtương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Dopplerlớn nhất sẽ là:

fD,max=v/cfo (2.2)

2 max 0

0 các trường hợp còn lại

max,0

max,

(2.3)

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 2.5

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm

1974 Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giảthiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được

ở chính xác trên tần số sóng màng f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max nhưhình ở 2.5 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

Hình 2.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu

2.3.3 Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có:

 Kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền Fading phẳng

 Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là kênh truyền biến đổi nhanh(Fast Channel) hay kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyềnbiến đổi chậm (Slow Channel)

2.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền Fading phẳng (Frequency Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective Channel)

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần

số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần sốnày được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 2.5 là f0

Hình 2.6 Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 < W)

Trên hình 2.6, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băngthông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền khôngcho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đichịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênhtruyền chọn lọc tần số

Hình 2.7 Kênh truyền fading phẳng (f 0 > W)

Ngược lại, trên hình 2.7, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông củatín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suygiảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyềnfading phẳng hoặc kênh truyền không chọn lọc tần số

2.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel)

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuấthiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ,tán xạ… Qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theothời gian

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

Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (cóthể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so vớicoherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian

Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so

với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gianhay phẳng về thời gian.

2.3.4 Hiện tượng fading

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

Hình 2.8: Hiện tượng fading đa đường

Các loại fading được chia ra:

 Fading đa đường

Hình 2.9: Phân loại fading theo chu kỳ và băng thông

2.3.4.1 Fading phẳng (Flat Fading)

Là loại fading là suy giảm đều mức năng lượng của sóng vô tuyến trên một dải tần

số Và đương nhiên sự thay đổi này là không giống nhau đối với các dãi tần số khác

Fading phẳng bù được nhờ tăng công suất phát (hoặc giảm cự ly liên lạc) hoặc sửdụng AGC, có thể khắc phục dễ dàng nhờ AGC (Automatic Gain Control) và fading khi

đó không gây ra cái hiện tượng ISI do méo tuyến tính

2.3.4.2 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading)

Chỉ xảy ra với một kênh tần số mà không xảy ra với kênh lân cận, làm thay đổi tần

số sóng mang phụ thuộc tần số Fading chọn lọc theo tần số (selective fading) không gây

ra méo phi tuyến mà gây méo tuyến tính (linear distortion) Để khắc phục fading chọn lọctần số với các tín hiệu có băng rộng, có các biện pháp cơ bản sau:

- Sử dụng mạch san bằng thích nghi, thường là các ATDE (Adaptive Time Domain

Equalizer) với các thuật toán thích nghi thông dụng là cưỡng ép không ZF (Zero Forcing)

và sai số trung bình bình phương cực tiểu LMS (Least Mean Square error)

- Sử dụng phân tập (Diversity), bao gồm phân tập không gian với hai hay nhiều anten

thu đặt cách nhau đủ xa, phân tập tần số và phân tập góc (angle diversity)

- Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER (vốn có thể lớn do selective fading gây nên).

Trải phổ tín hiệu (fading chọn lọc thường do hiện tượng truyền dẫn đa đường

-multipath propagation - gây nên, trải phổ chuỗi trực tiếp, nhất là với máy thu RAKE, cókhả năng tách các tia sóng và tổng hợp chúng lại, loại bỏ ảnh hưởng của multipathpropagation)

- Sử dụng điều chế đa sóng mang mà tiêu biểu là OFDM (này ngày nay được ứng

dụng khắp nơi, trong di động 3G, trong WIFI, WIMAX hay trong truyền hình số mặt đấtDVB-T )

2.3.5 Các mô hình kênh cơ bản

Trong một hệ thống vô tuyến di động, một tín hiệu có thể truyền từ máy phát tới máythu qua nhiều đường phản xạ - hiện tượng này được gọi là truyền sóng đa đường Hiệuứng này gây ra sự thay đổi về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, và được gọi

là Fading đa đường

Giả sử rằng hệ thống không gian-thời gian bao gồm K người sử dụng, mỗi người sửdụng phát một tín hiệu trên một kênh đa đuờng rời rạc độc lập với đường truyền L tớimáy thu, mỗi tín hiệu có một biên độ, pha và hướng tới riêng Phân bố của các tham sốnày phụ thuộc vào loại môi trường thông tin di động

- Tán xạ tại đầu cuối di động (hiện tượng nhiễu xạ này cũng thường bị ảnh hưởng bởi tốc

độ di động)

- Tán xạ tại trạm gốc

- Các vật tán xạ ở xa Loại tán xạ này có thể xuất hiện trong các môi trường thành thị vànông thôn do các vật thể có cấu trúc lớn như núi đồi, các toà nhà, và có ảnh hưởng nhấtđịnh tới kênh thông tin di động kể cả khi các vật tán xạ này ở xa so với trạm gốc và máy

di động Nếu các vật tán xạ này nằm trong tầm nhìn thẳng đối với cả trạm gốc và máy diđộng thì chúng có thể có vai trò giống như các vật phản xạ rời rạc hoặc vật phản xạ tậptrung theo nhóm Khi các vật phản xạ được nhóm lại, ăn ten trạm gốc hoặc máy di động

có thể xem như các thành phần tán xạ như ở điểm 1 và điểm 2 nêu trên

Ta thấy rằng, mô hình phân bố của môi trường tán xạ chiếm một vai trò quan trọngtrong việc thiết kế hệ thống Nhiều mô hình phân bố của môi trường tán xạ khác nhau đãđược đề xuất, với các thuộc tính và độ chính xác khác nhau Một số mô hình đã đượcphát triển cho thực tế, còn hầu hết mô hình khác có xu hướng phục vụ cho mục đích môphỏng

2.3.5.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả thời gian

và tần số Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bốRayleigh nếu các điều kiện dưới đây của môi trường truyền dẫn được thõa mãn:

+ Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, có nghĩa là không cótuyến có công suất tín hiệu vượt trội

+ Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ và nhiễu xạ khác nhau

Hình 2.10: Rayleigh Fading

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô

tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặcđường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổnghai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàmmật độ xác suất:

Hình 2.11: Hàm phân bố xác suất rayleigh

2.3.5.2 Phân bố Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máythu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội.Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đađường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêmthành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dòsóng sin trong 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 làm cho phân

bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trônggiống 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-sight mất đi

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 sốgiữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần

Chương 2 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền, đó

là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệu ứng bóng râm, từđây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phục các hiện tượng này, dovậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời

Chương 2 còn cho ta biết các dạng kênh truyền trong hệ thống thông tin di động Vàcho ta biết hai mô hình phân bố kênh, đó là Rayleigh và Rice

Chương 3: KỸ THUẬT PHÂN TẬP

3.1 Giới thiệu chương

Trong chương 2 chúng ta đã được thấy được các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượngkênh truyền, một trong các yếu tố đó là fading đa đường, và phương pháp để khắc phụchiện tượng fading là phân tập Chương này trình bày khái quát về kĩ thuật phân tập, sau

đó đi sâu vào phân tích kĩ thuật phân tập không gian (hay phân tập anten), với trọng tâm

là các phương pháp phân tập anten thông dụng hiện nay

3.2 Tổng quan về phân tập

Ảnh hưởng của Fading đa đường trong các hệ thống vô tuyến có thể được giảm bớtbằng cách sử dụng phân tập theo không gian (anten ở máy thu / phát gồm nhiều phần tử).Trong môi trường Fading, công suất sóng mang cần phải phát cao hơn công suất trungbình để có thể đạt được một tỉ lệ lỗi bit (BER) mong muốn nào đó Trong một antenmảng, tín hiệu thu được bởi các phần tử khác nhau có thể được lấy trọng số phù hợp đểtạo ra tín hiệu kết hợp biến thiên chậm hơn từng tín hiệu thành phần Anten mảng này sẽyêu cầu công suất thấp hơn so với trường hợp chỉ sử dụng anten một phần tử, mà vẫn đạtđược BER mong muốn

Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu / phát sẽ nhận được các bảnsao của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan

về Fading thống kê là rất nhỏ Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiềumẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc lậpvới nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi cácmẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịuảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vàimẫu độc lập bị nằm dưới mức đó

phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm viphân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian,tần số và phân tập không gian

Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong thông tin vô tuyến sóng ngắn.Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten, việc thực hiện phân tập anten điểnhình là việc sử dụng nhiều anten hoặc sử dụng mảng anten sắp xếp có khoảng cách đốivới việc phát và nhận Nhiều anten được phân bổ về mặt vật lý ở các khoảng cách thíchhợp và do vậy các tín hiệu riêng rẽ sẽ không có tương quan với nhau Yêu cầu về sắp xếpanten sẽ khác nhau đối với độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số Điển hình

là sự phân chia theo một số lần bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tươngquan Trong phân tập không gian, các bản sao của các tín hiệu phát được sử dụng để đưatới các bộ thu ở dạng dự trữ trong miền không gian, không giống như trong phân tập thờigian và phân tập tần số, phân tập không gian không gây ra bất kỳ sự suy giảm hiệu quảbăng thông Đặc điểm này rất hấp dẫn đối với thông tin vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trongtương lai

3.3 Phân loại phân tập

- Theo kỹ thuật phân tập:

Phân tập không gian (Space Diversity)

Phân tập tần số (Frequency Diversity)

Phân tập thời gian (Time Diversity)

Phân tập phân cực (Polarization Diversity)

- Theo cách thức triển khai:

Phân tập phát (Receiver Diversity)

Phân tập thu (Transmitter Diversity)

3.4 Ứng dụng của phân tập

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởngcủa Fading Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chếảnh hưởng của Fading đa đường, tăng độ tin cậy của việc truyền

tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

3.5 Các phương pháp phân tập Anten

3.5.1 Phân tập thu (Receiver Diversity)

Kỹ thuật phân tập anten được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử và ít phức tạp nhất

là kỹ thuật đa anten thu Nó thường được gọi là phân tập thu hoặc phân tập Rx, mặc dùkhông phải lúc nào mục đích của kỹ thuật này cũng là phân tập để chống lại Fading kênh

vô tuyến

3.5.1.1 Mô hình phân tập anten thu

Trong mô hình kênh Fading có 1 anten phát và Nr anten thu, ma trận kênh như sau:

H = [h1,h2,…,hNr] (3.1) Trong đó hm là độ lợi của đường truyền từ anten phát đến máy thu m với m=1,2,

…,Nr

Quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của hệ thống:

Ym(k) = hm(k)*x(k) + ηm(k) (3.2)

Trong đó k là thời điểm xét, tạp âm η ~ N(0,σ2); σ2 = No/2

Ta cần tách ký hiệu x(1) dựa trên y1(1), y2(1),…, yNr(1) Nếu các anten đủ cách xa

nhau, ta có thể coi độ lợi kênh hm độc lập Rayleigh với nhau và ta thu được độ lợi phântập Nr

(3.3)

Trong đó = 2Eb/No trong điều kiện kênh Fading Rayleigh với độ lợi hm có phân

bố đồng nhất độc lập: N(0,σ2)

(3.4)

Với SNR là tổng SNR thu đối với vector kênh cho trước h Có thể phân tích tổng

tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu khi cho điều kiện độ lợi kênh thành hai thành phầnsau:

(3.5) Thành phần thứ nhất tương ứng với độ lợi dàn, việc sử dụng nhiều anten và kết hợpnhất quán dẫn đến tổng công suất thu hiệu dụng tăng tuyến tính với Nr, tăng gấp đôi Nr

sẽ cho độ lợi công suất 3dB Thành phần thứ hai thể hiện độ lợi phân tập: việc lấy trungbình trên tất cả các đường truyền độc lập dẫn đến xác suất trong đó tổng độ lợi thu nhỏ sẽgiảm Lưu ý rằng nếu chỉ có độ lợi công suất mà không có độ lợi phân tập khi tăng Nr.Mặt khác ngay cả khi tất cả hm đều độc lập với nhau thì thành phần thứ hai :

(3.6)

Sẽ hội tụ vào 1 khi Nr lớn (giả thiết rằng độ lợi kênh được chuẩn hóa đến phương sai

bằng 1)

3.5.1.2 Kết hợp có chọn lọc (Selection Combining)

Sơ đồ này sử dụng bộ kết hợp đơn giản nhất, trong đó bộ kết hợp chỉ đơn giản là ước

lượng cường độ tín hiệu tức thời trong Nr anten thu, sau đó nhánh có tỉ số tín hiệu trên

nhiễu lớn nhất được chọn ra và kết nối trực tiếp tới máy thu Vì kết hợp có chọn lọc (SC)loại bỏ năng lượng hữu ích từ các luồng nên sơ đồ này rõ ràng không phải là tối ưu, tuynhiên do tính đơn giản nên nó được sử dụng trong nhiều trường hợp khi cần giảm bớt cácyêu cầu phần cứng Sơ đồ kết hợp chọn lọc được cho trên hình 3.1

Hình 3.1: Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC

3.5.1.2.1 Tỉ số SNR với SC

Để xác định độ lợi phân tập trong trường hợp này, ta tiến hành như sau: giả sử SNR

tức thời của một nhánh là , SNR trung bình của mỗi nhánh là ,

trong đó E là năng lượng tín hiệu tức thời trên nhánh i còn Eo là năng lượng công suất tín

hiệu trên một nhánh và là mật độ tạp âm song biên nhánh m

(3.7) Xác suất tất cả SNR trong tất cả các nhánh cùng nhỏ hơn γ như sau:

Nếu coi rằng γ là ngưỡng mà dưới nó ta sẽ không chọn bất kỳ nhánh nào, thì

sẽ là xác suất mất thông tin và phương trình xác suất mất thông tin sẽ giảm đi đáng kể khi

số anten thu Nr tăng

Từ phương trình ta có thể xác định xác suất ít nhất có một anten được lựa chọn nhưsau:

P(ít nhất một nhánh ≥ γ) = 1 - P(γ) (3.9) Lấy vi phân ta có thể tìm được mật độ xác suất, lấy tích phân mật độ xác suất ta sẽtính được SNR trung bình như sau:

(3.10)

Phương trình cho thấy khi số anten thu Nr lớn, việc tăng anten thu cải thiện SNR trungbình không đáng kể

3.5.1.2.2 Tỉ lệ lỗi bit (BER) với SC

Tỉ lệ lỗi bit trong SC được xác định bởi:

(3.11)

3.5.1.3 Kết hợp theo tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining)

Phương pháp kết hợp tỉ số tối đa tận dụng tốt nhất khả năng của các nhánh phân tậptrong hệ thống Tất cả M nhánh được nhân trọng số với các tỉ số tín hiệu tức thời trênnhiễu tương ứng Sau đó tín hiệu từ các nhánh được đồng pha trước khi lấy tổng tín hiệusao cho tất cả các nhánh được gộp vào nhau theo pha sao cho tín hiệu đầu ra có độ lợiphân tập lớn nhất Phương pháp MRC có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân tập lựachọn SC nhưng phức tạp hơn do phải đảm bảo tín hiệu từ các nhánh là hoàn toàn đồngpha với nhau và các trọng số phải được cập nhật chính xác

Hình 3.2 mô tả nguyên lý cơ bản của cách kết hợp các tín hiệu thu y1,y2, y ở Nr

anten, các tín hiệu thu được nhân với trọng số phức trước khi cộng vớinhau

Trong kí hiệu vector, sự kết hợp tuyến tính anten thu được biểu diễn như sau:

(3.12)

Hình 3.2: Phân tập anten thu M phần tử

Giả thiết là tín hiệu phát chỉ bị ảnh hưởng của Fading không chọn lọc tần số và tạp âmtrắng, tức là không có hiện tượng tán thời kênh vô tuyến, tín hiệu thu ở các anten khácnhau được biểu diễn như sau:

(3.13)

Trong đó s là tín hiệu phát, vector là độ lợi kênh phức và vector là tạp âm gâyảnh hưởng tới tín hiệu thu ở các anten khác nhau

Dễ dàng có thể thấy rằng, để tối đa tỷ lệ tín hiệu / tạp âm sau khi kết hợp tuyến tính,vector trọng số phải được lựa chọn:

(3.14)