Hệ thống thông tin GSM_Chương 2

Phần 2_Chương 1 : Giới thiệu Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 36 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ệ thống thông tin di động yêu cầu kỹ thuật xử lý tín hiệu để cải thiện hoạt động liên kết trong môi trường sóng di động. Kênh vô tuyến di động có đặc tính động do nhiễu đa đường và trải Doppler. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến tỉ lệ lỗi bit của bất kỳ kỹ thuật điều chế nào. Sự suy yếu kênh vô tuyến di động làm tín hiệu ở máy thu bò méo hoặc giảm đi đáng kể. Cân bằng, phân tập và mã hóa kênh là ba kỹ thuật có thể sử dụng độc lập hoặc kết hợp lại để tăng chất lượng tín hiệu thu. Cân bằng (Equalization) sẽ bù nhiễu liên kí tự (intersymbol interference_ISI) do nhiễu đa đường trong kênh phân tán theo thời gian. Nếu băng thông điều chế vượt quá băng thông phù hợp của kênh vô tuyến, ISI sẽ xuất hiện và xung điều chế được trải trong miền thời gian. Bộ cân bằng trong một máy thu bù cho trò trung bình của biên độ kênh yêu cầu và đặc tính trễ. Các bộ cân bằng phải tương thích với tất cả các kênh và mọi thời điểm. Phân tập (Diversity) là một kỹ thuật khác sử dụng để bù fading, và thường sử dụng bởi hai hay nhiều antenna thu. Như với bộ cân bằng, chất lượng của kết nối thông tin di động cải tiến mà không làm tăng công suất máy phát hoặc băng thông. Tuy nhiên, trong khi cân bằng sử dụng để chống lại ảnh hưởng phân tán thời gian (ISI), phân tập thường dùng để giảm độ sâu và chu kì suy giảm ở máy thu trong một dãy kênh fading (băng thông hẹp). Các kỹ thuật phân tập có thể áp dụng cho cả trạm gốc và máy di động. Kỹ thuật phân tập thông thường nhất gọi là phân tập không gian (spatial diversity), nhờ đó nhiều antenna thu được đặt ở các vò trí chiến lược và kết nối với hệ thống thu thông thường. Khi một antenna không nhận được tín hiệu, một trong các antenna còn lại có thể sẽ nhận được đỉnh tín hiệu, và máy thu tại một thời điểm sẽ chọn antenna có tín hiệu tốt nhất. Các kỹ thuật phân tập khác là phân tập phân cực antenna, phân tập theo tần số, và phân tập theo thời gian. Các hệ thống CDMA thường sử dụng máy thu RAKE cho phép tăng kết nối trên phân tập thời gian. Mã hóa đường truyền (Channel coding) gia tăng hoạt động liên kết thông tin di động bằng cách thêm các bit dữ liệu thừa vào thông điệp phát đi. Tại dải tần gốc của máy phát, bộ mã hóa kênh truyền chuyển chuỗi thông điệp số thành chuỗi mã cụ thể có nhiều bit hơn thông điệp gốc. Thông điệp mã hóa được điều chế và phát đi trên kênh vô tuyến. Mã hóa kênh truyền sử dụng ở máy thu để phát hiện lỗi hoặc sửa lỗi. Vì giải mã được thực hiện sau phần giải điều chế ở máy thu, giải mã có thể xem là một kỹ thuật phát hiện thực hiện sau. Những bit mã thêm vào làm giảm tốc độ phát dữ liệu thô trên kênh truyền (chiếm nhiều băng thông ở một tốc độ dữ liệu cụ thể). Nói chung có hai loại mã hóa kênh truyền : mã hóa khối (block codes) và mã hóa xoắn (convolution codes). Mã hóa kênh truyền nói chung được xem là độc H Phần 2_Chương 1 : Giới thiệu Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 37 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến lập với loại điều chế, mặc dù điều này gần đây đã thay đổi là sử dụng kiểu điều chế mã chéo (trellis coded modulation schemes), kết hợp điều chế và mã hóa để đạt được độ lợi mã hóa lớn mà không làm mở rộng băng thông. Ba kỹ thuật là cân bằng, phân tập và mã hóa kênh truyền được sử dụng để tăng hoạt động kết nối vô tuyến (nghóa là làm nhỏ nhất tỉ lệ lỗi bit tức thời) nhưng việc tiếp cận, giá cả, độ phức tạp và hiệu quả của mỗi loại kỹ thuật là khác nhau trong các hệ thống thông tin di động thực tiễn. Trong giới hạn của đề tài này, chúng em chỉ xem xét các kỹ thuật cân bằng. Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 38 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến CHƯƠNG 2 NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN rong môi trường thành thò, liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao di động, đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS) khó tồn tại. Sử dụng tần số 900Mhz và 1.8GHz (cho hệ thống tế bào số như GSM) và 1900MHz (cho PCS như PCS-1900), tín hiệu bò nhiễu xạ và phân tán do các cao ốc, cây cối, đồi núi hoặc do xe cộ di chuyển. Bởi vì không có đường truyền tín hiệu trực tiếp, tín hiệu phát có thể đi bằng nhiều đường với độ trễ thời gian, độ dòch pha, suy giảm biên độ và góc pha khác nhau đến máy thu. So sánh với tín hiệu trên đường truyền tự do, tín hiệu đa đường bò thay đổi rất lớn. Đối với đường truyền tự do, công suất thu không bò suy giảm do không bò đối tượng nào hấp thu hay phản xạ sóng. Công thức công suất thu trên đường truyền tự do phụ thuộc bình phương nghòch đảo khoảng cách đường truyền : rttr gg d PP 2 ) 4 ( π λ = (1) với P r : công suất thu T Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 39 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến P t : công suất phát λ : bước sóng g r : độ lợi công suất antenna thu g t : độ lợi công suất antenna phát do đó công suất bức xạ thu giảm 6dB mỗi gấp đôi khoảng cách. Nhưng đường truyền trực tiếp tự do không tồn tại trong thực tế. Vì vậy tín hiệu đến antenna thu theo nhiều đường khác nhau của một tín hiệu phát. Khi đó tín hiệu bò phản xạ trên mặt đất như ở hình dưới, gọi là tín hiệu đa đường thẳng đứng. Tín hiệu này gây nhiều suy giảm trên đường truyền. Khi đó công suất thu chỉ còn : rt rt tr gg d hh PP 2 2 .       = (2) với h t , h r là độ cao antenna phát, thu. Thay vì suy giảm 6dB trên đường truyền trong môi trường lý tưởng thì công suất ở máy thu lúc này giảm 12dB mỗi gấp đôi khoảng cách đường truyền. Thực tế suy giảm theo lũy thừa 4,5. Do đó kỹ thuật truyền yêu cầu phải biết độ mất mát công suất do tán xạ kênh truyền để phân tích liên kết budget, kích thước cell, độ lợi antenna, cấu hình nhiễu và khuếch đại công suất. Tương tự như đa đường theo phương thẳng đứng, đa đường theo phương ngang cũng bò phản xạ và tán xạ do các cao ốc, đồi núi làm ảnh hưởng đến tín hiệu thu. Trong các ảnh hưởng của nhiễu, fading đa đường và nhiễu giao thoa kí tự ISI là hai hiện tượng quan trọng nhất. Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 40 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến 1. FADING Khi tín hiệu tán xạ bò phản xạ và phân tán trên một bề mặt lớn như cao ốc, đồi núi, tín hiệu thu là sự kết hợp của nhiều sóng ngang đến với biên độ, pha và góc ngẫu nhiên. Do băng thông của hệ thống hữu hạn, máy thu không thể xử lý nhiều nhóm tín hiệu đa đường đến cùng lúc. Do đó, tổng quát chúng ta xem xét các nhóm đa đường không thể giải quyết trên như là một sóng đa đường đơn. Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực mô tả đặc tính các tín hiệu đa đường thu được với những thí nghiệm đo lường và mô hình vật lý của kênh truyền. Tổng quát chúng ta mô phỏng biên độ tín hiệu thu được theo phân bố Rayleigh khi không có tín hiệu trực tiếp hoặc theo phân bố Ricean khi có tín hiệu truyền trực tiếp, và pha phân bố thống nhất giữa 0 và 2π. Khi có nhiều cao ốc chắn đường tín hiệu, biên độ tín hiệu có phân bố logarit chuẩn. Mô hình toán học cho mỗi phân bố được mô tả như sau : • Phân bố fading Rayleigh : còn được gọi là fading nhanh. Sử dụng mô hình tương đương băng gốc, chúng ta có thể mô tả theo toán học độ lợi của mỗi đa đường là biến ngẫu nhiên Gaussian phức : yx jhhh += (3) với h x , h y là các biến ngẫu nhiên gaussian N (0,σ 2 ) với : 22 22 2/ 2 2/ 2 2 1 )( 2 1 )( σ σ πσ πσ y x h y h x ehp ehp − − = = (4) Do đó, biên độ r và pha θ của h = re j θ là : 22 yx hhhr +== (5)         = − y x h h 1 tan θ (6) với hàm mật độ xác xuất Rayleigh của r là:      < ≥ = − 00 0 )( 22 2/ 2 r re r rp r σ σ (7) và phân bố thống nhất của θ là: πθ π θ 20 2 1 )( <≤=p (8) Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 41 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến • Phân bố fading Ricean Phân bố Ricean sử dụng mô tả fading đa đường khi tồn tại tín hiệu trực tiếp. Tương tự, chúng ta có thể mô tả toán học độ lợi của mỗi đa đường là tổng của một hằng số với một biến phức ngẫu nhiên Gaussian: yx jhhAh ++= (9) Với A là hằng số h x , h y là biến ngẫu nhiên Gaussian N(0,σ 2 ) với : ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 σ σ πσ πσ y x h y h x ehp ehp − − = = (10) Biên độ r của h như sau: ( ) 2 2 yx hhAhr ++== (11) Với hàm mật độ xác suất Ricean : ( ) ( )      ≤ ≥       = +− 00 0 2 0 2 2 2 22 r r Ar Ie r rp rA σσ σ (12) Với I 0 là hàm Bessel bổ sung bậc 0. Ta thường hay dùng tỉ số K để biểu diễn tỉ số công suất giữa tín hiệu trực tiếp và đa đường. 2 2 2 σ Α =Κ (13) Khi K >>1, công suất tín hiệu trực tiếp rất trội hơn đa đường nên kênh truyền trở thành kênh AWGN. Khi K<<1, tín hiệu trực tiếp biến mất và trở thành kênh truyền fading Rayleigh biểu diễn theo công thức (7). Trong môi trường tế bào, K thường rất nhỏ hơn 1. Tuy nhiên trong hệ thống dòch vụ phân bố cục bộ đến đa điểm (local-to-multipoin- distribution-services-LMDS) tồn tại đường truyền trực tiếp, K đo được khoảng 50-70. • Fading logarit chuẩn Fading logarit chuẩn còn gọi là fading chậm, gây ra bởi hiệu ứng bóng của các cao ốc hoặc các bản chất tự nhiên và được xác đònh bởi trung bình riêng của tín hiệu fading nhanh. Phân bố thống kê của trung bình riêng được xem xét kỹ qua thực nghiệm. Phân bố này bò ảnh hưởng của chiều cao antenna, tần số hoạt động, loại môi trường. Tuy nhiên, nó được tiến hành khi các thông số cố đònh, công suất trung bình thu được trên vùng lân cận nhỏ gần giống như một phân bố chuẩn khi vẽ trên tỉ lệ logarit, được mô tả : Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 42 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến ( ) ( )      < ≥ = − − 00 0 1 2 2 2 )log( r re r rp r σ µ σπ (14) Với µ và σ là trung bình và độ lệch chuẩn của r tính theo dB, giá trò tiêu biểu của σ là 8dB. Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean Hình dưới minh họa biên độ của tín hiệu thu tiêu biểu với fading Rayleigh. Thông thường độ nhòe 20dB hoặc nhỏ hơn, và phụ thuộc tốc độ di động. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) do fading đa đường tạo ra sai số burst, sẽ trở thành nguồn sai bit chính đối với kiểu điều chế và giải điều chế số. Để bù lại độ sai lỗi bit do fading, biên độ nhòe sẽ được thêm vào phân tích liên kết budget để bảo đảm hệ thống hoạt động chính xác. Tuy nhiên, giới hạn vùng tuyến tính của bộ khuếch đại công suất có thể ngăn cản độ tăng công suất ra tối đa. Kỹ thuật khác là giảm kích thước cell để bảo đảm phủ sóng Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 43 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến tốt. Tuy nhiên, giảm kích thước cell dẫn đến tăng số trạm gốc, hậu quả phải chòu giá cả mắc hơn đối với nhà cung cấp dòch vụ tế bào. Do đó, hai kỹ thuật trên được điều chỉnh để giải quyết vấn đề fading đa đường. Mặt khác, phân tập là một phương pháp hiệu quả chống lại fading đa đường. Biên độ tín hiệu thu có fading Rayleigh 2. NHIỄU LIÊN KÝ TỰ VÀ NHIỄU ĐỒNG KÊNH Nhiễu liên ký tự và nhiễu đồng kênh là hai vấn đề chính trong hệ thống vô tuyến. Nhiễu có thể gây tác động đáng kể đến hiệu suất của máy thu vô tuyến. Nhiễu đồng kênh xuất hiện từ những cell lân cận sử dụng cùng phổ tần số như tín hiệu mong muốn trong một mạng TDMA. Kích thước nhiễu đồng kênh xác đònh yếu tố lặp lại tần số và công suất phổ của mạng. Kênh truyền đa đường tạo ra nhiễu liên kí tự gây ảnh hưởng cho hiệu suất máy thu. Thiết kế thành công một hệ thống vô tuyến tức là yêu cầu phải giải quyết những vấn đề trên. Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 44 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến 2.1 Nhiễu liên kí tự (ISI) Kênh truyền phân tán gây trải trễ cho tín hiệu đi qua, những ký tự kế cận nhau sẽ chồng lên nhau gây giao thoa giữa chúng. Một giản đồ theo mắt được cho trên hình dưới biểu thò rõ ràng ảnh hưởng nghiêm trọng của nhiễu liên kí tự. Khi không có ISI, biểu đồ mắt mở rộng và dễ dàng nhận biết tín hiệu số là 0 hoặc 1. Tuy nhiên khi có trải trễ, các kí tự kế cận dính vào nhau và kết quả là sơ đồ mắt đóng. Mô hình mắt mở và nửa đóng 2.2 Nhiễu đồng kênh ( CCI ) Nhiễu đồng kênh tổng quát gồm hai hay nhiều tín hiệu độc lập được phát cùng một lúc trên cùng dải tần số. Tần số tái sử dụng có thể gây ra CCI làm giới hạn hiệu suất hệ thống. Ví dụ trong hình sau, băng tần từ A đến G sử dụng lại trong một mô hình cell tái sử dụng. Tỉ số công suất sóng mang trung bình mong muốn (C) của trạm gốc gần nhất trên công suất nhiễu trung bình (I) của trạm gốc xa là C/I. Hệ số giảm nhiễu đồng kênh a đònh nghóa như sau: R D a = (15) Phần 2_Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 45 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến với D là khoảng cách giữa các trạm gốc phát trên cùng tần số. R là đường kính phủ sóng của máy phát trong một cell. Hệ số a càng cao thì C/I càng lớn. Để thu được giá trò C/I lớn, hệ số tái sử dụng cell phải tăng và dung lượng giảm bớt. Vì thế, để tăng dung lượng cell, cần dùng các thuật toán giảm nhiễu để giảm nhiễu đồng kênh sao cho hệ số tái sử dụng tần số nhỏ hơn. Minh họa hệ số tái sử dụng tần số 3. DOPPLER Xem xét một máy di động di chuyển với vận tốc không đổi v, dọc theo một đoạn có chiều dài d giữa hai điểm X và Y, trong khi nhận tín hiệu từ nguồn S rất xa, được minh họa ở hình dưới. Sự khác biệt trong chiều dài đường đi của sóng từ nguồn S đến thuê bao di động giữa hai điểm X và Y là ∆l = dcosυ = v∆tcosυ, trong đó ∆t là thời gian yêu cầu cho máy di động di chuyển từ X đến Y, và υ không đổi tại X và Y với giả sử là nguồn ở rất xa. Pha tín hiệu thu thay đổi do sự khác biệt chiều dài đường đi : θ λ ∆π = λ ∆π =φ∆ cos 22 tvl (16) và sự thay đổi tần số, hoặc độ dời Doppler cho bởi f d : θ λ = ∆ φ∆ = π = cos 2 1 v t f d (17) [...]... lệ kỳ vọng của đường bao R giao với mức RS cho trước ở chiều dương : 2 RS N RS = π f D RS − 2 2 e σ với 2 là công suất tín hiệu trung bình Thời gian fading là : 2  Rs    1  e 2 2 − 1 Tf =   R π s fD   σ   Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 47 (20 ) (21 ) GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Hàm tự tương quan của biên độ fading Rayleigh có tốc độ di chuyển... (0 )g (T ) g (vT )] s T = [s k s k −1 s k −v 1x(uN+1) (28 ) (29 ) (30) s k −v −u ] Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu (31) 50 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin   1  1  1     g   2 − T  g   v − T    g  1 − T       N  N        N       2  2  2   g   2 − T  g   v − T       Q =  g  1 − N T ... điểm nào Đáp ứng xung là một đặc tính hữu dụng của kênh truyền, do nó Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 51 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin có thể dự đoán và so sánh hoạt động của nhiều hệ thống thông tin di động khác nhau và băng thông phát đối với một kênh di động cụ thể Kênh vô tuyến di động có thể mô hình như bộ lọc tuyến tính với đáp ứng xung thay đổi theo... phát sóng liên tục với sóng mang fc, phổ Doppler là:  2 f − fc ≤ fD  2 W ( f ) = π f D − ( f − f c ) 2 0 f − fc > f D  (19) với 2 là công suất tín hiệu trung bình Hình sau minh họa phổ Doppler của tín hiệu sin đơn (sóng mang chưa điều chế) Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 46 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Công suất phổ fading tín hiệu sin, với tần số Doppler... )) v 2 = J 0  2   λ (22 ) với J0 là hàm Bessel loại 1 bậc 0 Hình trên mô tả hàm tự tương quan của kênh fading Rayleigh với tốc độ di động 100km/h ở tần số sóng mang 900MHz Dễ dàng thấy rằng hàm tự tương quan giữa hai mẫu fading Rayleigh nhỏ hơn 0.5 khi τ > 3ms Thời gian phù hợp (CT) Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 48 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin thường... tính trung bình bình phương sai số |ek |2 tại thời điểm k, bình phương phương trình (11) ta được : Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 59 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 3 : Bộ cân bằng 2 2 T T ek = xk + ωT yk y k ωk − 2 xk y k ωk k ( 12) Lấy giá trò kỳ vọng của |ek |2 trên miền k (thực tế là phép tính trung bình thời gian) 2 T T E ek = E xk2 + ωT E yk yk ωk − 2 E xk y k ωk k [ ] [ ] [ ] [ ] (13) Chú... kênh truyền Bộ cân bằng đưa về zero (ZF – zero forcing) và trung bình bình phương sai số nhỏ nhất (MMSE-minimum mean-square error) có thể tính trực tiếp 4.1 Mô hình hệ thống 4.1.1 Hệ thống thông tin đa kênh truyền Mô hình hệ thống thông tin băng gốc cho ở hình sau, x (k) là ký tự phát số ngẫu nhiên tại thời điểm kT, với T là chu kỳ ký tự Kênh truyền xem xét ở đây là tuyến tính và không thay đổi theo... c(τ ) x(t − τ )dτ + n(t ) (24 ) −∞ với n(t) là nhiễu trắng Gaussian Trong hầu hết các loại điều chế số hiện nay, ký tự điều chế số x(t) là chập của một tập các tín hiệu số Sn với hàm xung g(t – vT ) x (t ) = ∞ ∑S n = −∞ n g (t − nT ) (25 ) thay vào phương trình (24 ) ta có : Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 49 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin y (t ) = c(t ) x (t )... exp(j2πfct)} y(t) = Re{r(t)exp(j2πfct)} (40) (41) Hệ số ½ trong phương trình (39) là do tính chất của đường bao phức, để biểu diễn băng thông hệ thống vô tuyến tại dải nền Đặc tính băng tần thấp loại bỏ sự thay đổi tần số cao do sóng mang, làm tín hiệu phân tích dễ hơn Công suất trung bình của một tín hiệu băng dải x2(t) là ½|c(t) |2 Lê Thanh Nhật-Trương Ánh Thu 53 GVHD : Ths Hoàng Đình Chiến Phần 2_ Chương... tuyến đa đường Bộ cân bằng cần được tái huấn luyện theo chu kỳ để duy trì hiệu suất triệt ISI, và thường sử dụng trong hệ thống thông tin số, ở đó dữ liệu user được phân đoạn nhỏ theo thời gian Hệ thống vô tuyến đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) đặc biệt phù hợp cho bộ cân bằng Hệ thống TDMA gởi dữ liệu theo khối thời gian chiều dài cố đònh, và chuỗi huấn luyện thường được gởi ở đầu khối Tại mỗi . 00 0 )( 22 2/ 2 r re r rp r σ σ (7) và phân bố thống nhất của θ là: πθ π θ 20 2 1 )( <≤=p (8) Phần 2 _Chương 2 : Nhiễu trong hệ thống thông tin Lê Thanh. gaussian N (0,σ 2 ) với : 22 22 2/ 2 2/ 2 2 1 )( 2 1 )( σ σ πσ πσ y x h y h x ehp ehp − − = = (4) Do đó, biên độ r và pha θ của h = re j θ là : 22 yx hhhr +==