Mo hinh kenh thong tin di dong

MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển xã hội đại nhu cầu trao đổi thơng tin liên lạc trở thành nhu cầu thiết yếu người Do tính di động tính tiện dụng mà hệ thống thông tin di động mang lại hiệu cao cho người dùng việc sử dụng, khai thác, trao đổi thông tin lúc, nơi Trong thơng tin di động, đặc tính kênh truyền có vai trị quan trọng chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn dung lượng hệ thống Mặt khác, đặc tính kênh vô tuyến luôn biến đổi chịu tác động mạnh mẽ mơi trường truyền Vì vậy, việc phân tích tìm hiểu đặc tính kênh vơ tuyến di động đưa mơ hình kênh cần sử dụng công việc quan trọng thiết kế hệ thống thông tin di động Đồng thời phân tích đặc tính kênh di động để từ tìm biện pháp, công nghệ cải thiện chất lượng truyền dẫn Với kiến thức tiếp thu trình học trường Đại học Hàng Hải với định hướng, giúp đỡ thầy giáo TS Trần Xuân Việt, em chọn đề tài: “Mơ hình kênh thơng tin di động” Nội dung đồ án phân tích đặc tính kênh vơ tuyến di động, sâu nghiên cứu số mơ hình kênh thông tin di động đưa số biện pháp hạn chế bất lợi kênh vô tuyến di động Đồ án gồm chương trình bày theo bố cục sau: Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Giới thiệu lịch sử phát triển thông tin di động xu hướng phát triển hệ thống thông tin di động Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG THƠNG TIN DI ĐỘNG Trong chương trình bày đặc điểm truyền sóng thơng tin di động chế truyền lan bản, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler Fading Các đặc tính kênh truyền sóng miền khơng gian, miền tần số miền thời gian Các phân bố Rayleigh Ricean Chương 3: MỘT SỐ MƠ HÌNH KÊNH THƠNG TIN DI ĐỘNG Tìm hiểu số mơ hình thường sử dụng mơ hình suy hao bản, mơ hình Hata mơ hình Walfisch-Ikegami Chương : MỘT SỐ BIỆN PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN Chương đưa hai phương pháp cải thiện chất lượng truyền dẫn cân kênh OFDM-Giải pháp khắc phục trải trễ đường truyền băng rộng Em xin chân thành cảm ơn nhà trường tạo điều kiện, cám ơn dạy bảo tận tình thầy cô môn Điện tử Viễn Thông, đặc biệt thầy giáo TS Trần Xuân Việt giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Với thời gian kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo, góp ý thêm thầy bạn để đề tài hoàn thiện Hải Phòng, tháng năm 2012 Sinh viên VŨ THANH HẢI Chƣơng I GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG Vào năm 1860, nhà toán học người Scotland James Clerk Maxwell (18311879) tạo cặp phương trình sóng dự đốn sóng điện từ lan truyền với vận tốc sóng ánh sáng Phải 20 năm để xác minh điều phịng thí nghiệm, thêm 20 năm để ứng dụng “di động” diễn Tháng 9/1899, nhà bác học Guglielmo Marconi (1874-1937) mở kỷ nguyên thông tin di động sau với lịch sử vô tuyến điện báo truyền từ tàu New York Harbor tới Twin Light cao nguyên New Jersey Năm 1928, sở cảnh sát Bayone, Mỹ triển khai mạng vô tuyến truyền Khi cự ly liên lạc có vài chục dặm, máy di động cồng kềnh, tốn nguồn, đặt ô tô để liên lạc trạm gốc trung tâm, chất lượng liên lạc Năm 1946, dịch vụ điện thoại di động công cộng giới thiệu lần đầu 25 thành phố Mỹ Mỗi hệ thống dùng phát công suất lớn đặt anten cao phủ sóng bán kính 50 km, dải rộng kênh truyền 120KHz (mặc dù băng tần tiếng nói 3KHz) Đây chưa phải hệ thống tế bào, tần số chưa dùng lặp lại nên số người phục vụ Năm 1947, Bell Labs, cho ‎ý tưởng mạng điện thoại di động tế bào, máy di động lưu động tự chuyển vùng từ tế bào sang tế bào khác Các tế bào tổ chức nhằm phủ kín vùng phủ sóng (vùng địa lí cung cấp dịch vụ di động) kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch (tổng đài điện thoại di động) bố trí trung tâm vùng Tuy nhiên ý tưởng Bell Labs không thực hạn chế mặt công nghệ Sau năm 50, việc phát minh chất bán dẫn ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực thông tin di động Ứng dụng linh kiện bán dẫn vào thông tin di động cải thiện số nhược điểm mà trước chưa làm Thuật ngữ thông tin di động tế bào đời vào năm 70, kết hợp vùng phủ sóng riêng lẻ thành cơng, giải tốn khó dung lượng Cho tới nay, thơng tin di động phát triển với tốc độ nhanh chóng phạm vi tồn cầu Kết thống kê cho thấy số quốc gia, số lượng thuê bao di động vượt hẳn số lượng thuê bao cố định Trong tương lai, số lượng thuê bao di động tiếp tục tăng song song với gia tăng nhu cầu người sử dụng Điều khiến nhà khai thác tổ chức viễn thông không ngừng nghiên cứu đưa giải pháp kỹ thuật để cải tiến nâng cấp hệ thống thông tin di động 1.2 XU HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG Ta tóm tắt xu hướng phát triển hệ thống thông tin di động giới sau: Cellular Technology Envolution 1G 2G GSM (TDMA) AMPS NMT TACS 2.5G GPRS 2.75G 3G 3.5G pre-4G EDGE UMTS (WCDMA) HSPA 3G LTE (OFDMA) 3GPP Standards 3GPP2 Standards IS-136 (TDMA) IS-95A (CDMA) EV-DV CDMA2000 1xRTT (CDMA2000) IS-95B EV-D0 CDMA2000 4G UMB (OFDMA) All-IP Convergence Broadband Wireless Technology Evolution 802.16e-2005 (OFDMA) (OFDMA) 2006-2009 2010+ 802.16m Hình 1.1 Xu hướng phát triển hệ thống thơng tin di động 1.2.1 Hệ thống thông tin di động hệ (1G) Hệ thống thông tin di động hệ (1G) phát triển vào năm cuối thập niên 70 Đây hệ thống thông tin di động tương tự với dải tần hẹp, sử dụng phương pháp chuyển mạch kênh Phương thức sử dụng điều chế tần số phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) Các hệ thống 1G dùng để sử dụng cho dịch vụ thoại với chất lượng âm thấp, dung lượng thấp, xác suất rớt gọi cao, bảo mật Có nhiều hệ thống cung cấp dịch vụ, điển hình: - Hệ thống dịch vụ điện thoại di động cải tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) - Hệ thống thông tin di động Bắc Âu NMT (Nordic Mobile Telephone) có NMT450 NMT-900 - Hệ thống thơng tin truy cập tổng thể TACS (Total Access Communication System) có ETAC , JTACS, NTACS Bảng 1.1 Các chuẩn sử dụng cho hệ 1G Hệ thống Kĩ thuật truy cập Băng tần Điều chế Độ rộng kênh AMPS FDMA 824- 894MHz FM 30KHz NMT-450 FDMA 457- 470MHz FM 25KHz NMT- 900 FDMA 890- 960MHz FM 12,5KHz ETACS FDMA 871- 949MHz FM 25KHz JTACS FDMA 860- 925MHz FM 25KHz NTACS FDMA 843- 925MHz FM 12.5KHz Vùng sử dụng Northern, Southern US -> Far East Scandinavia -> Southern Europe UK-> Middle Eastern, Southern Europe 1.2.2 Hệ thống thông tin di động hệ (2G) Hệ thống thông tin di động hệ (2G) sử dụng phổ biến suốt thập niên 90 Sự phát triển công nghệ thông tin di động hệ tiện ích làm bùng nổ lượng thuê bao di động toàn cầu Đây thời kỳ chuyển đổi từ công nghệ tương tự sang số áp dụng lần Phần Lan năm 1991 Hệ thống 2G sử dụng kĩ thuật truyền dẫn số hai phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiiple Access) đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiiple Access) Hệ thống có dung lượng cao đáng kể so với hệ thống 1G, chất lượng thoại tốt có khả cung cấp dịch vụ đa dạng, tiện ích hỗ trợ cho cơng nghệ thơng tin Có ba chuẩn sử dụng cho hệ thống 2G: - Hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM (Global System for Mobile Communication) có GSM-900, hệ thống thơng tin số DSC (Digital Communication System) hay GSM-1800 hệ thống thông tin cá nhân PCS (Personal Communication System) hay GSM-1900 - Hệ thống CDMA IS-95 (Interim Standard) - Hệ thống điện thoại di động số cải tiến (DAMPS-Digital Advanced Mobile Phone System) gọi IS-136 Bảng 1.2 Các chuẩn sử dụng cho hệ 2G Hệ thống Kĩ thuật Băng tần Điều chế Độ rộng kênh Vùng sử dụng Châu Âu-> Hầu giới truy cập GSM- 900 TDMA 890-960MHz GMSK 200KHz GSM-1800 TDMA 1,71-1,88MHz GMSK 200KHz IS-95 CDMA 824-894MHz QPSK/ 1,25MHz 1,8-2,0GHz BPSK US,South Korea, Hong Kong, Japan, nhiều nước Đông Nam Á 800MHz  / DQ 30KHz 1900MHz PSK Mỹ, Isarel số nước châu Á IS- 136 TDMA 1.2.3 Hệ thống thông tin di động hệ 2,5 (2,5G) Hệ thống 2,5G coi bước đệm chuyển tiếp hệ thống di động hệ 2G 3G, khơng địi hỏi thay đổi có tính đột biến Hệ thống trang bị chuyển mạch gói bên cạnh chuyển mạch kênh truyền thống Ưu điểm hệ thống tiết kiệm không gian tốc độ truyền dẫn Nâng cấp hệ thống mạng 2G lên 2,5G nhanh có chi phí thấp so với việc nâng cấp mạng từ 2G lên 3G Thế hệ 2,5G đặc trưng dịch vụ số liệu cải tiến: tốc độ bit liệu cao hơn, hỗ trợ kết nối Internet Hai công nghệ sử dụng chủ yếu cho hệ thống 2,5G là: hệ thống dịch vụ vơ tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Service) hệ thống nâng cao tốc độ truyền liệu EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) Trong đó: - GPRS hệ thống triển khai hệ thống GSM sử dụng phương thức chuyển mạch gói nhờ cước phí sử dụng tính dựa gói nhận, gửi đi, khác hẳn có lợi cho thuê bao so với cách tính cước dựa thời gian kết nối GPRS xem mở rộng hệ thống di động hệ 2G GSM có khả cung cấp kết nối ảo, dịch vụ truyền số liệu với tốc độ lên đến 172,2Kbps - EDGE xây dựng dựa tảng mạng GSM lại cung cấp gần đạt đến chuẩn dành cho 3G, tốc độ xấp xỉ 384Kbps EDGE đơi cịn trích dẫn cơng nghệ 2,75G 1.2.4 Hệ thống thơng tin di động hệ (3G) Năm 2001-2002, hệ thống thông tin di động hệ (3G) mắt người sử dụng Nhật, Mỹ số nước tiên tiến (Hàn Quốc, Châu Âu…) Hệ thống 3G hệ thống thông tin di động số cho phép chuyển mạch bất kỳ, có khả truyền thơng đa phương tiện chất lượng cao, kết nối qua Internet Các hệ thống 3G xây dựng sở kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA kết hợp với kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, có khả cung cấp băng tần rộng theo yêu cầu, hỗ trợ dịch vụ có nhiều tốc độ khác Các công nghệ chủ yếu sử dụng cho hệ 3: - Hệ thống viễn thông di động tồn cầu UMTS (Universal Moblie Telecommunications Systems) cơng nghệ 3G lựa chọn hầu hết nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để lên 3G Tốc độ tối đa 1920Kbps (gần 2Mbps) Tốc độ liệu sử dụng kỹ thuật đa truy cập CDMA băng rộng WCDMA (Wideband CDMA), chuẩn hóa Dự án đối tác phát triển 3G (3GPP- Third Generation Partership Project) Nhưng thực tế tốc độ tầm 348Kbps - CDMA2000 chuẩn hóa 3GPP2 bao gồm phiên CDMA2000 1xRTT (Radio Transmission Technology), CDMA2000 EV-DO (EvolutionData Optimized) CDMA2000 EV-DV (Evolution-Data and Voice), cung cấp tốc độ liệu từ 144Kbps tới 3Mbps + CDMA20001xRTT: thức cơng nhận cơng nghệ 3G, nhiên nhiều người xem công nghệ 2,75G 3G Tốc độ 1xTRR đạt đến 307Kbps + CDMA2000 EV-DO: cho tốc độ đường xuống tới 2,4Mbps tốc độ đường lên 153Kbps + CDMA2000 EV-DV: cho tốc độ đường xuống tới 4,8Mbps tốc độ đường lên tới 307Kbps - WiMax di động (IEEE 802.16e-2005) sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), cho tốc độ đường xuống lên tới 37,4Mbps tốc độ đường lên tới 10Mbps Ở hệ này, hệ thống thông tin di động có xu hịa nhập thành tiêu chuẩn chung phục vụ lên đến 2Mbps Mặc dù 3G tính tốn chuẩn mang tính tồn cầu chi phí xây dựng sở hạ tầng cho hệ thống tốn 1.2.5 Hệ thống thông tin di động hệ 3,5 (3,5G) Hệ thống thông tin di động 3,5G hệ thống truy nhập gói tốc độ cao (HSPA-High Speed Packet Access) Nó kết hợp từ công nghệ HSDPA HSUPA cho phép truyền tải tốc độ liệu cao - Cơng nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): tốc độ đường xuống lên tới 7,3Mbps, tốc độ đường lên tới 384Kbps - Cơng nghệ truy nhập gói đường lên tốc độ cao HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): tốc độ đường lên tới 14,4Mbps, tốc độ đường xuống 5,76Mbps Cũng hệ thống 2,5G, hệ thống 3,5G tảng bước đệm hệ thống 3G sang 4G 1.2.6 Hệ thống thông tin di động hệ (4G) Tốc độ truyền liệu nhanh tầm phủ sóng xa hơn, nhà nghiên cứu cố gắng đưa công nghệ không dây nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cao người dùng di động Thế hệ 4G công nghệ truyền thông không dây thứ tư có khả cung cấp kết nối “ln kết nối tốt nhất” ABC (Always Best Connected), lúc, nơi, cho phép truyền tải liệu với tốc độ tối đa điều kiện lí tưởng lên tới 1-1,5Gbps Để thỏa mãn điều đó, mạng 4G mạng hỗn tạp (bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau), kết nối, tích hợp tồn giao thức Internet IP (Internet Protocol) Công nghệ 4G hiểu chuẩn tương lai thiết bị không dây Hiện chưa có chuẩn rõ ràng cho 4G thông qua Tuy nhiên công nghệ tiên phong lĩnh vực 4G phải kể đến Sự tiến hóa tương lai xa LTE (Long Term Evolution), Băng rộng siêu di động UMB (Ultra Mobile Broadband) Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) Đặc điểm chung ba công nghệ sử dụng kĩ thuật đa truy nhập OFDMA - WiMax (IEEE 802.16m) phát triển từ chuẩn IEEE 802.16e Viện kỹ thuật điện điện tử, hỗ trợ tốc độ truyền liệu lên tới 100Mbps cho ứng dụng di động lên tới Gbps cho người dùng cố định - LTE phát triển từ 3GPP, tảng công nghệ viễn thông GSM LTE sử dụng tần số cách linh động, hoạt động băng tần số có độ rộng từ 1,25MHZ 20MHZ Tốc độ truyền liệu tối đa lý thuyết đạt tới 250Mbps độ rộng băng tần 20MHZ - UMB tổ chức viễn thông Nhật Bản, Trung Quốc, Bắc Mỹ Hàn Quốc với hãng Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC Verizon Wireless phát triển từ tảng CDMA UMB hoạt động băng tần có độ rộng từ 1,25MHZ đến 20MHZ làm việc nhiều dải tần số, với tốc độ truyền liệu lên tới 288Mbps cho đường xuống 75Mbps cho đường lên với độ rộng băng tần sử dụng 20MHZ Kết luận chương: Từ nội dung trình bày chương giúp ta nắm nhìn tổng qt hệ thống thơng tin di động, với lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động, đặc điểm công nghệ sử dụng hệ thống thông tin di động Hệ thống 1G hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, nên hệ máy di động có kích thước to cồng kềnh đồng thời hệ có dung lượng giới hạn nên khơng đáp ứng số lượng thuê bao mạng tăng nhanh Điều dẫn tới đời hệ thống thông tin di động hệ Hệ thống 2G có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống tương tự 1G nhờ việc ứng dụng kĩ thuật truyền dẫn số hai phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA đa truy nhập phân chia theo mã CDMA cho phép cải thiện chất lượng thông tin tăng đáng kể dung lượng hệ thống Tuy nhiên xã hội ngày phát triển với dịch vụ đa phương tiện Internet đòi hỏi hệ thống thơng tin di động có tốc độ truyền dẫn cao dẫn đến đời hệ thống 2,5G, bước đệm để hệ thông thông tin di động phát triển lên hệ 3G Điểm mạnh hệ thống 3G so với 2G 2,5G cho phép truyền, nhận liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho thuê bao cố định thuê bao di chuyển tốc độ khác Khơng dừng lại đó, nhằm thỏa mãn yêu cầu ngày cao người tốc độ truyền liệu, chất lượng dịch vụ mà hệ thống thông tin di động cung cấp khả phục vụ cao, hỗ trợ hệ đa phương tiện mà hệ thống 3G khơng thể đáp ứng Vì mà hệ thống thông tin di động 3,5G 4G triển khai, chưa định nghĩa rõ chuẩn sử dụng cho hệ 4G phát triển công nghệ WiMax, LTE UMB tiền đề cho phát triển 4G tương lai không xa Việc thực hệ thống thông tin di động chủ yếu bị chi phối môi trường kênh vô tuyến Trái ngược với đặc điểm ổn định thơng thường dự đốn trước kênh hữu tuyến, kênh vô tuyến ngẫu nhiên khơng thể đốn 10 trước được, làm cho phân tích xác hệ thống thơng tin di động thường khó Hiện nay, tối ưu hóa hệ thống thơng tin di động trở nên quan trọng với phát triển nhanh chóng dịch vụ thông tin di động dịch vụ truy cập Internet di động băng rộng Trong thực tế, hiểu biết kênh vô tuyến đặt tảng cho phát triển công nghệ truyền dẫn không dây hiệu suất cao băng thông hiệu Vì chương sau trình bày đặc tính kênh truyền thơng tin di động 11 H E ( f )  ( H c ( f )) 1 Nên: (4.3) Trong trường hợp này, cân gọi lọc kênh nghịch đảo (inverse channel filter) đáp ứng kênh Chú ý lọc kênh nghịch đảo loại bỏ ISI kênh gây Do buộc ISI khơng thời điểm lấy mẫu t=mT (m=0,1,…), cân gọi cân ép không (zero-forcing equalizer) Bộ cân thường xấp xỉ lọc FIR hình vẽ dưới: hc (t ) C N D D D D C0 C N 1 CN tm  heq (t ) Hình 4.2 Bộ cân kênh ép không Đáp ứng xung lọc cân kênh là: he (t )  N  C  (t  nT ) n N (4.4) n Đáp ứng tần số tương ứng là: HE ( f )  N C e n N  j 2fnT (4.5) n Trong C n  2N+1 hệ số cân cho N 1  L L số mẫu tín hiệu liên quan đến ISI Đáp ứng xung toàn hệ: heq (t )  hc (t ) * he (t )  hc (t ) * N  C  (t  nT ) n N n (4.6) Thay đổi thứ tự phép toán tổng chập: heq (t )  N  Cn hc (t ) *  (t  nT )  n N 51 N  C h (t  nT ) n N n c (4.7) Bây giờ, điều kiện cưỡng ép không áp dụng cho mẫu heq (t ) lấy thời điểm t=mT (m=-N, ,0,+N) Như phương trình biểu diễn lại thành: heq (mT )  1, m  N  C h (m  n)T    0, m#0 n N n c  Phương trình biểu diễn dạng ma trận sau: H eq  H c C (4.8) (4.9) H eq vecto cột (2N+1) chiều C vecto cột (2N+1) hệ số cho bởi: H eq 0  0    . .   0  1   0  0    . 0  CN  C    N 1        C   C0   C1         C N  Và H c ma trận (2N+1)(2N+1) đáp ứng kênh truyền có dạng: hc (1)  hc (0)  h (1) hc (0)  c H c      hc (2 N ) hc (2 N  1) hc (2 N )  hc (2 N  1)    hc (0)  C  H c  H eq 1 Từ (4.9) ta có: (4.10) Nhiệm vụ cân ép khơng tìm hệ số Cn nhằm cưỡng ép thời điểm qua không đáp ứng xung tổng cộng hệ thống vào thời điểm lấy mẫu t=mT (m#0), nhờ loại bỏ ISI Tuy nhiên cần nhấn mạnh cân ép không FIR không loại bỏ hồn tồn ISI có độ dài hữu hạn Tuy nhiên, N tăng, phần ISI dư giảm được, tới giới hạn N   , ISI bị triệt tiêu hoàn toàn Một mặt hạn chế cân cưỡng ép khơng chỗ bỏ qua khơng tính đến có mặt tạp âm cộng Như hệ quả, việc sử dụng tăng cường đáng kể tạp âm Có thể dễ dàng nhận thấy điều để ý dải 52 tần số H c ( f ) nhỏ, cân kênh H E ( f )  ( H c ( f )) 1 bù cách có tăng ích lớn dải tần số Kết tạp âm dải tần số bị tăng mạnh Một cách khác áp dụng để giảm nhẹ điều kiện ISI không chọn đặc tính cân cho cơng suất hỗn hợp ISI dư tạp âm cộng lối cân nhỏ Và cân trung bình bình phương cực tiểu MMSE (Minimum Mean-Square Error) đưa 4.1.2 Bộ cân MMSE Trong cân MMSE, hệ số cân chọn để tối thiểu hóa lỗi, chứa tổng bình phương tất giao thoa cộng thêm nhiễu đầu cân y (t ) C N D D D D C0 C N 1 CN  d (t ) - + z (t ) e(t ) Hình 4.3 Bộ cân kênh MMSE Giả sử kết đầu lọc kênh nghịch đảo (bộ lọc đảo) z (t ) , lọc thiết kế cho tối thiểu hóa giá trị đầu thực tế với giá trị đầu mong muốn Ký hiệu giá trị đầu thực d (t ) để phân biệt với đáp ứng xung lọc đảo MMSE đầu tính theo công thức:   E  E z (t )  d (t )  (4.11) Với tín hiệu đầu vào lọc đảo z (t ) bao gồm nhiễu, đầu lọc là: z (t )  N C n N n y (t  nT ) Từ (4.10) (4.11) ta có:     N  E  E   C n y (t  nT )  d (t )      n   N  53 (4.12) Bởi giá trị lỗi trung bình bình phương hàm lõm (cực tiểu) trọng số, tập hợp điều kiện đầy đủ cho tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi:  N  E    E   C n y(t  nT )  d (t ) y(t  mT ) C m   n   N  m  0,1,2, (4.13)  Ez(t )  d (t )y(t  mT )   Ez(t ) y(t  mT )  Ed (t ) y(t  mT ) (4.14)  Ryz (mT )  Ryd (mT ) (4.15) Trong đó: R yz (mT ) R yd (mT ) hàm tương quan tín hiệu nhận với đầu lọc đảo liệu Thay z(t) vào (4.13) ta có:  N  E   C n y(t  nT ) y(t  mT )  Ed (t ) y(t  mT ) n   N  (4.16)  N   E   C n R yy (m  n)T   Ed (t ) y (t  mT ) n   N  (4.17) Như điều kiện để tối ưu MMSE có theo phương trình: R C  R  yy (4.18) yd Ở R yy  ma trận tự tương quan tín hiệu nhận được: R  yy R yy (1)  R yy (0)  R (1) R yy (0)  yy     R yy (2 N ) R yy [2( N  1)]  R yy (2 N )  R yy [2( N  1)]    R yy (0)  Và R yd  ma trận tương quan chéo tín hiệu nhận với liệu lý tưởng: R  yd Từ (4.17) ta có:  R yd ( N )   R [( N  1)  yd         R yd ( N )    C  R yy1 R yd 54 (4.19) 4.1.3 Bộ cân thích nghi Trong cân ZF MMSE, thơng số q trình cân dùng để xác định đặc trưng hệ thống coi biết Các thơng số biến đổi theo thời gian, số toán thực tiễn cho thấy số thơng số có độ bất ổn định cao chất biến thiên khơng tiên đốn Để giải vấn đề đó, người ta nghiên cứu thiết kế cân cho tự thích nghi với hồn cảnh, có nghĩa tự điều chỉnh hệ số lọc để bù lại thay đổi tín hiệu vào, tín hiệu ra, thơng số hệ thống Đó lọc thích nghi Một cân thích nghi lọc biến đổi theo thời gian mà thiết phải điều chỉnh lại cách liên tục Cấu trúc cân thích nghi hình 4.4, ký hiệu k sử dụng để biểu thị số thời gian rời rạc y k 1 yk C ok z 1 C1k y k 2 z 1 z 1 C2k yk  N C Nk  Lối d k cân Thuật tốn thích nghi cập nhật trọng số Lỗi ek - + dk Hình 4.4 Bộ cân thích nghi z 1 Tín hiệu đầu vào thời điểm tức thời k ký hiệu yk Giá trị yk phụ thuộc vào trạng thái tức thời kênh vô tuyến giá trị đặc thù nhiễu Như yk trình ngẫu nhiên Cấu trúc cân thích nghi thể gọi lọc dàn với hệ số khâu điều chỉnh trọng số Các trọng số lọc mô tả vị trí vật lý chúng cấu trúc đường trễ, có ký hiệu thứ hai k để biểu diễn cách rõ ràng chúng thay đổi theo thời gian Các trọng số cập nhật liên tục nhờ thuật tốn thích nghi, mẫu sở mẫu (ví dụ, lúc k tăng lên 1) khối sở khối (ví dụ, số mẫu cụ thể khóa cân bằng) 55 Thuật tốn thích nghi điều chỉnh tín hiệu lỗi ek Tín hiệu lỗi rút  nhờ việc so sánh đầu cân d k với tín hiệu dk mà tỉ lệ xác tín hiệu phát xk biểu diễn đặc tính biết tín hiệu phát Thuật tốn thích nghi sử dụng ek để tối thiểu hóa hàm chi phí cập nhật trọng số cân theo phương thức giảm hàm chi phí cách lặp lặp lại Ví dụ thuật tốn bình thương trung bình tối thiểu tìm trọng số lọc tối ưu gần tối ưu nhờ việc biểu diễn phép tính lặp sau: Các trọng số mới= trọng số trước+(hằng số)*(giá trị lỗi trước)*(vecto đầu vào tại) Trong đó, giá trị lỗi trước=giá trị đầu vào mong muốn trước–giá trị đầu thực trước Và số điều chỉnh thuật toán để điều khiển thay đổi trọng số lọc lần lặp liên tiếp Quá trình lặp lại nhanh chóng vịng lặp lập trình cân cố gắng hội tụ, nhiều kỹ thuật (như thuật toán gradient giảm dốc lớn (steppest decent)) sử dụng để tối thiểu hóa lỗi Trong tìm hội tụ, thuật tốn thích nghi giữ trọng số lọc khơng đổi tín hiệu lỗi vượt qua mức cho phép dãy huấn luyện gửi Dựa vào lý thuyết cân cổ điển, hàm chi phí thơng dụng sai số bình phương trung bình (MSE) tín hiệu mong muốn tín hiệu đầu cân MSE biểu diễn E[e(k)e*(k)] tín hiệu phát yêu cầu đầu cân (ví dụ dk thiết lập xk), dãy huấn luyện biết thiết phải phát cách định kì Nhờ việc dị tín hiệu huấn luyến, thuật tốn thích nghi bên thu tính tốn tối thiểu hàm chi phí nhờ việc việc điều chỉnh tap trọng số dãy huấn luyện gửi Một lớp thuật tốn thích nghi gần khai thác đặc tính tín hiệu phát khơng u câu dãy huấn luyện Các thuật tốn thu cân thông qua kĩ thuật tín hiệu phát khơi phục thuộc tính, gọi thuật toán mù chúng cung cấp hội tụ cân mà không làm gánh nặng bên phát với tín hiệu huấn luyện phía 4.2 OFDM–GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TRẢI TRỄ ĐƢỜNG TRUYỀN BĂNG RỘNG Sự phát triển hệ thống thông tin di động băng rộng tạo nhu cầu mạnh mẽ cho kỹ thuật tiên tiến không dây Các thách thức thiết kế hệ thống đến từ đặc điểm bất lợi môi trường vô tuyến fading đa đường Trong hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống, ISI thường xử lí cân 56 kênh miền thời gian (phần 4.1) Tuy nhiên tốc độ liệu tăng, khoảng thời gian symbol giảm cân trở nên phức tạp kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) giải pháp hay 4.2.1 Nguyên lí OFDM Nguyên lý OFDM phân chia tồn băng thơng cần truyền thành nhiều băng con, theo luồng liệu tốc độ cao trước phát chia thành nhiều luồng liệu tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Vì giảm ảnh hưởng trải trễ đa đường chuyển đổi kênh fading chọn lọc thành kênh fading phẳng Khi hệ thống chia thành N kênh con, kênh có bề rộng: W n W N (4.20) Trong đó: - W độ rộng băng tần hệ thống (Hz) - Wn độ rộng kênh (Hz) - N số kênh Khoảng thời gian symbol: Ts  N  W n W (4.21) Điều có nghĩa việc chia tồn băng thơng thành nhiều băng với sóng mang dẫn đến giảm độ rộng băng miền tần số đồng nghĩa với tăng khoảng thời gian symbol, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống hay nhiễu giao thoa tín hiệu ISI trải trễ giảm xuống, lý quan trọng để sử dụng hệ thống OFDM Nhiễu ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Khác với hệ thống đa sóng mang thơng thường, OFDM sử dụng sóng mang trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Điều làm cho OFDM tăng hiệu suất sử dụng tần số phù hợp với hệ thống băng rộng tốc độ cao 57 OFDM FDM W=2R W=2R N=1 -R R R -R f f W=2R W=3R/2 N=2 -3R/4 -R/4 R/4 3R/4 -R -R/2 f R/2 R f W=2R W=4R/3 N=3 -2R/3 -R/3 R/3 2R/3 f -R -R/3 R/3 R f Hình 4.6 So sánh kỹ thuật đa sóng mang OFDM FDM Hình 4.6 minh họa khác kỹ thuật OFDM kỹ thuật FDM Bằng kỹ thuật OFDM hình vẽ tiết kiệm khoảng 50% độ rộng băng tần Tuy nhiên để có hiệu phải đảm bảo khơng có xuyên nhiễu sóng mang ICI (Inter Channel Interference), nghĩa đảm bảo trực giao sóng mang Các tín hiệu trực giao chúng độc lập tuyến tính với Trực giao đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin truyền kênh truyền thông thường mà nhiễu chúng Việc tính trực giao sóng mang tạo chồng lặp tín hiệu mang tin làm suy giảm chất lượng tín hiệu làm cho đầu thu khó khơi phục lại hồn tồn thơng tin ban đầu Trong OFDM sóng mang chồng lặp với tín hiệu khơi phuc mà khơng có xuyên nhiễu sóng mang kế cận OFDM đạt trực giao cách điều chế tín hiệu vào tập hợp sóng mang trực giao Tần số gốc sóng mang số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn symbol, tất sóng mang có số nguyên lần chu kỳ symbol Do sóng mang có tần số khác phổ chúng chồng lên chúng không gây nhiễu cho nhau.Trực giao có nghĩa tần số trung tâm sóng mang định rơi vào điểm „0‟ (Null) sóng mang khác 58 Phổ tín hiệu Ðỉnh búp sóng Tần số Ðiểm Null sóng mang khác Hình 4.7 Phổ tín hiệu OFDM với sóng mang 4.2.2 Ảnh hưởng can nhiễu ISI biện pháp khắc phục Đường truyền vơ tuyến từ phía phát đến phía thu ln có vật cản Khi symbol truyền theo tia sóng khác đến máy thu với thời gian khác nhau, độ chênh lệch thời gian tới tia sóng tới máy thu (chính trải trễ) q lớn làm symbol truyền liên tia sóng chồng lấn lên máy thu gây nhiễu ISI t Data Data Data Data Data Data 1 Path Data Data Data Data Data Data Path Path Path P P Nhiễu ISI Hình 4.8 Ảnh hưởng trải trễ Để loại bỏ hoàn toàn tượng này, người ta thêm khoảng bảo vệ GI (Guard Interval), khơng đưa tin tức vào đầu symbol OFDM Độ rộng GI phải lớn lượng trải trễ cực đại kênh độ dài khoảng bảo vệ (GI) 59 thiết lập ngắn trễ cực đại kênh đa đường, phần đuôi symbol OFDM ảnh hưởng đến phần đầu symbol GI OFDM Symbol OFDM Symbol GI i+1 i Ts TG Hình 4.9 Tín hiệu OFDM với khoảng bảo vệ GI GI Data Data GI Data GI GI Data GI Data Data GI Path GI Path GI Path GI FFT window GI 1 Data GI Data GI Path P P Khơng có ISI Hình 4.10 Tác dụng khoảng bảo vệ GI Tuy nhiên, việc GI khơng truyền làm cho tín hiệu truyền bị gián đoạn, làm phổ kênh mở rộng sóng mang tính trực giao, dẫn đến nhiễu kênh gây nên nhiễu ICI Để tránh điều phải làm cho tín hiệu có tính liên tục suốt khoảng thời gian symbol OFDM, người ta sử dụng tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) Việc chèn tiền tố vòng thực cách copy phần cuối symbol OFDM dán lên đầu khoảng bảo vệ GI, nhờ dạng sóng trở nên liên tục suốt thời gian symbol OFDM Khi đó, symbol OFDM mở rộng có khoảng thời gian : T  Ts  TG Trong : - TG độ dài CP - Ts khoảng thời gian symbol khơng có khoảng bảo vệ 60 (4.22) Cyclic prefix OFDM symbol OFDM symbol i TG i+1 Ts Tsym  Ts  TG Hình 4.11 Chèn CP vào tín hiệu OFDM Nguyên tắc giải thích sau : Giả thiết máy phát phát khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài Ts Sau chèn CP tín hiệu có chu kỳ T  Ts  TG Do hiệu ứng đa đường tín hiệu đến máy thu qua nhiều đường truyền với trễ truyền dẫn khác Để đơn giản cho việc giải thích nguyên lý hình 4.12 mơ tả tín hiệu thu từ hai đường truyền, đường khơng có trễ, đường lại trễ so với đường  max Ở đường ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k  1) khơng chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều ta giả sử đường trễ truyền dẫn Tuy nhiên đường thứ hai, mẫu tín hiệu thứ (k  1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k khoảng  max trễ truyền dẫn Tương tự mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k  1) khoảng  max Tín hiệu thu máy thu tổng tín hiệu tất đường Sự dịch tín hiệu trễ truyền dẫn phương pháp điều chế thông thường gây nhiễu ISI Tuy nhiên hệ thống OFDM có sử dụng CP loại bỏ nhiễu Trong trường hợp TG   max mơ tả 4.12, phần bị chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI nằm khoảng CP Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts khơng bị chồng lấn mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, CP bị gạt bỏ trước gửi đến giải điều chế OFDM 61 Phần có ích tín hiệu k Chèn CP  max Ts TG t k(T+1) kT Hình 4.12 Mơ tả ứng dụng CP việc chống nhiễu ISI Kết luận chương: Trong chương ta đưa hai phương pháp để cải thiện chất lượng truyền dẫn kênh vô tuyến di động, phương pháp sử dụng cân kênh kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM Các cân kênh thiết kế với mục đích xác định đặc tính kênh truyền để từ khơi phục lại tín hiệu nhận Trong thực tế có nhiều cân thiết kế với mục đích này, ta xét cân sau: cân ép không (ZF-Zero forcing), cân bình phương trung bình cực tiểu (MMSE-Minimum Mean Square Error) cân thích nghi (Adaptive equalizer) Bộ cân cưỡng ép không, đơn giản dễ thực phân tích, lại làm gia tăng nhiễu Còn cân MMSE cải thiện cân ZF nhờ tối thiểu sai số đầu mong muốn đầu thực thực tế hạn chế gia tăng nhiễu ISI dư Mặc dù, hai cân không bám theo thay đổi liên tục kênh Nhưng chúng sở cho cân thích nghi Các cân thích nghi xác định trạng thái kênh cách tức thời để từ thích nghi với đặc tính kênh ln biến động kênh vơ tuyến di động Để khắc phục tượng trải trễ đa đường, số công nghệ trước đưa giải pháp điều chế đơn sóng mang dùng cho ứng dụng NLOS chưa mang lại hiệu cao Gần đây, với đời kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đem lại bước đột phá công nghệ khơng dây băng rộng Việc băng thơng tín hiệu chia làm nhiều kênh giúp chuyển từ kênh fading chọn lọc theo tần số kênh fading phẳng Mặt khác, 62 kênh trực giao với việc chèn thêm khoảng bảo vệ TG giúp ta loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI tín hiệu dễ dàng khơi phục lại phía thu Ngồi ra, kỹ thuật OFDM giúp tiết kiệm gấp đôi băng thông so với hệ thống FDM Chính ưu điểm vượt trội giúp kỹ thuật OFDM kỹ thuật áp dụng hệ thống thông tin di động băng rộng tương lai (4G) 63 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo TS Trần Xuân Việt, em hoàn thành đồ án “Mơ hình kênh thơng tin di động” Đồ án tìm hiểu đặc tính kênh thơng tin di đông miền không gian-thời gian-tần số, phân tích đặc điểm truyền sóng thơng tin di động, tác động hiệu ứng Doppler, tượng fading Để từ đưa mơ hình kênh sử dụng thơng tin di động phân tích ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng mơ hình Việc nghiên cứu đánh giá mơ hình kênh thông tin di động giúp ta hiểu rõ trường hợp ứng dụng mô hình để vận dụng vào tốn tính tốn phạm vi vùng phủ sóng độ cao anten mật độ trạm gốc khu vực Đồng thời đồ án đưa số biện pháp hạn chế bất lợi kênh vô tuyến di động để cải thiện chất lượng truyền dẫn thơng tin di động sử dụng cân kênh sử dụng kĩ thuật OFDM Mặt khác, thơng qua q trình làm đồ án giúp em cịn có điều kiện vận dụng kiến thức thầy cô dạy bảo năm qua làm quen với phương pháp tự nghiên cứu, tham khảo tài liệu, đặc biệt tài liệu tiếng anh để hoàn thành đồ án Một lần em muốn bày tỏ cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo môn Điện tử Viễn thông đặc biệt thầy giáo TS Trần Xuân Việt giúp đỡ em suốt khóa học em làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn! 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Theodore RappaportWireless, “Communications Principle and Practice” [2] Rodney Vaughan, J Bach Andersen, “Channels, Propagation and Antennas for Mobile Communications” [3] J.D.Parsons, “The mobile radio propagation channel” [4] Haiyan CHE, “Adaptive OFDM and CDMA Algorithm for SISO and MIMO channels” [5] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung-Gu Kang, “MIMOOFDM Wireless Communications with MATLAB” [6] Trần Hồng Quân, “Nguyên lý thông tin di động” [7] Trịnh Anh Vũ, “Thông tin di động” [8] Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM” [9] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên, “Thông tin vô tuyến” 65 ... khác nhau: fading di? ??n rộng (large-scale fading) fading di? ??n hẹp (small-scale fading) Kênh fading Fading di? ??n hẹp Fading di? ??n rộng Suy hao đường truyền Trải trễ đa đường Che khuất Fading lựa chọn... lựa chọn tần số Fading phẳng Trải Doppler Fading nhanh Fading chậm Hình 2.8 Phân loại kênh Fading a, Fading di? ??n rộng (Large-scale fading) Fading di? ??n rộng xảy máy di động di chuyển khoảng cách... truyền thơng tin di động 11 Chƣơng II ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG THƠNG TIN DI ĐỘNG Trong thông tin di động, độ cao anten trạm di động thường thấp nên khoảng cách nhìn thẳng trạm gốc trạm di động,