Mạng sơ cấp PN có thể cung cấp một mạng cho thuê bằng cách cho phép việc truy cập theo cơ hội đến dải tần được cấp phép của nó với sự thỏa thuận với một bên thứ 3 mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của PU. Ví dụ như mạng sơ cấp có thể đem cho thuê quyền truy cập dải phổ của nó với nhà khai thác mạng di động ảo MVNO. Mạng sơ cấp cũng có thể cung cấp các quyền truy cập phổ của nó tới một cộng đồng địa phương với các mục đích truy cập dải rộng.
1.5.2 Mạng lưới Cognitive
Các mạng không dây dạng hình lưới đang nổi bật như một công nghệ mạng đem lại lợi nhuận cao, cung cấp những kết nối dải rộng cho người dùng. Tuy nhiên khi mật độ mạng tăng lên và các ứng dụng yêu cầu thông lượng ngày càng nhiều hơn thì các mạng hình lưới sẽ yêu cầu dung lượng cao hơn để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng này. Do công nghệ vô tuyến Cognitive cho phép truy cập tới khối lượng phổ lớn nên CRN có thể được sử dụng để triển khai các mạng hình lưới ởtrong các vùng đô thị đông đúc và yêu cầu lưu lượng dịch vụ lớn.
1.5.3 Mạng khẩn cấp
Các mạng khẩn cấp và đảm bảo an toàn công cộng là một lĩnh vực khác có thể ứng dụng CRN. Trong trường hợp các thảm họa tự nhiên xảy ra, phá hủy tạm thời cơ
sở hạ tầng của các hệ thống thông tin hiện tại và lực lượng cứu hộ đang làm việc trong các vùng đó cần thiết lập một mạng khẩn cấp. Lúc này, do mạng khẩn cấp phải xửlí các thông tin về thảm họa nên đòi hỏi việc truyền tin phải tin cậy và yêu cầu thời gian trễ phải rất nhỏ. Hơn nữa, truyển tin khẩn cấp yêu cầu một lượng phổ lớn để có thể xử lí khối lượng thông tin khổng lồ bao gồm âm thanh, hình ảnh và dữ liệu liên quan đến thảm họa. Trong trường hợp này, CRN có thể được triển khai để giải quyết các vấn đề trên.
1.5.4 Mạng quân sự
Một trong những ứng dụng đáng quan tâm nhất của CRN là ở trong môi trường quân sự. CRN có thể cho phép các đài vô tuyến quân sự lựa băng tần số, các dạng điều chế và các kiểu mã hóa bất kỳ để thích nghi với môi trường vô tuyến thay đổi của chiến trường. Hơn nữa, các mạng quân sự có nhu cầu bảo mật rất cao trước kẻ địch. CRN cho phép nhân viên quân sự có thể thực hiện chuyển giao phổ một cách linh hoạt, sử dụng những dải tần an toàn nhất cho chính mình và các đồng minh.
CHƯƠNG II
CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1 GIỚI THIỆU
Theo nghĩa rộng một kênh vô tuyến có thể được hiểu là môi trường truyền sóng vô tuyến, bao gồm cả máy phát và máy thu, thông qua đó thông tin được phát, truyền đi, và nhận. Các đặc tính của tín hiệu vô tuyến thay đổi khi nó di chuyển từ máy phát thông qua các kênh đến máy thu. Những thay đổi này chủ yếu là do các hiệu ứng kênh như sự che tối, hiệu ứng đa đường,… và do phần cứng không lí tưởng ở máy phát và máy thu, điều này dẫn đến việc suy giảm chất lượng các tín hiệu thu được. Đối với một phiên truyền dẫn có lỗi xảy ra, độ lớn của những suy giảm này phải được ước tính và xóa bỏ khỏi tín hiệu thu được.
Trong hệ thống thông tin vô tuyến di động, thông tin được phát đi dưới dạng một tín hiệu kĩ thuật số được điều chế ở tần số sóng mang fc và có thể biểu diễn dưới
dạng toán học như sau:
trong đó sb(t) là hàm phức chứa thông tin điều chế. Vì chỉ có biên độ và pha của tín hiệu sóng mang được điều chế nên chúng ta có thể phân tích sb(t)mà không mất tính tổng quát. Ngoài ra, để chú trọng hơn vào suy yếu do tác động của các hiệu ứng kênh và phần cứng không lí tưởng nên chúng ta bỏ qua biến dạng do nhiễu nền và các nhiễu khác. Hiện tượng mất đường cũng được bỏ qua vì nó ít tác động trong trọng tâm của đồ án này là đồng bộ và ước tính kênh.
2.2 CÁC TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG
Trong vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDRs), hầu hết việc xử lí tín hiệu được thực hiện dưới dạng số, do đó các các thiết bị vô tuyến đầu cuối tự tái cấu hình sử dụng tối thiểu các thành phần điện tử tương tự mà vẫn phải đảm bảo xử lí tín hiệu có dải động lớn. Một thiết bị chuyển đổi trưc tiếp điển hình của loại này có thể rất
nhạy cảm với sai lệch hay khiếm khuyết trong thiết bị đầu cuối. Những khiếm khuyết này do lỗi sản xuất, thay đổi nhiệt độ hoạt động… từ đó dẫn đến các thiết bị đầu cuối không lí tưởng như mất cân bằng pha; các bộ khuếch đại và bộ chuyển đổi (ADC và DAC) không tuyến tính; nhiễu pha và dịch tần do sai lệch ở bộ dao động nội,…Nếu các thiết bị đầu cuối không lí tưởng không được ước tính và bù, chúng có thể ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu năng của các thiết bị vô tuyến và toàn bộ các liên kết truyền dẫn.
Một số trường hợp không lí tưởng do đến thiết bị đầu cuối như dưới đây:
Các bộ DAC, ADC và bộ lấy mẫu: thông thường sự không lí tưởng ở đây là đáp ứng băng thông không lí tưởng nhưphổ răng cưa, nhiễu lượng tử, nhiễu do sự không ổn định của đồng hồ lấy mẫu, méo phi tuyến do rút ngắn (clipping) tín hiệu trong ADC, độ dịch của các mức lượng tử hóa trong ADC và DAC. Sự sai khác giữa hai nhánh I và Q trong ADC và DAC gây ra mất cân bằng IQ.
Bộ trộn: thông thường không lí tưởng là các biến dạng phi tuyến như ở các sản phẩm điều chế giao thoa trong băng hay đầu ra băng điều hòa. Bộ trộn cũng gây ra sự cách ly không hoàn toàn giữa đầu vào, bộ dao động nội và đầu ra, dịch tần DC. Sự khác biệt tương đối giữa 2 nhánh I và Q trong bộ trộn cũng góp phần làm mất cân bằng IQ.
Bộ dao động nội: sự không lí tưởng ở đây thường là nhiễu pha do sự biến đổi ngẫu nhiên của pha dao động, dịch tần sóng mang (CFO), dịch pha do sự khác biệt giữa bộ dao động nội ở máy phát và máy thu.
Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ khuếch đại hệ số biến đổi VGA, bộ khuếch đại công suất ở máy phát: sự không lí tưởng thường là các hiệu ứng biến dạng phi tuyến như nhiễu trong băng, biến dạng điều hòa, biến dạng điều chế giao thoa. Sự sai khác giữa các nhánh I và Q cũng dẫn đến mất cân bằng IQ.
2.3 CÁC THÔNG SỐ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN
Bên cạnh các phần cứng không lý tưởng được trình bày ở trên , truyền sóng vô tuyến di động còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự biến động khó lường mức năng lượng của tín hiệu thu được gây ra bởi hiên tượng truyền đa đường và che tối. Truyền đa
đường là kết quả của sự phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ khi truyền tín hiệu từ điểm phát đến điểm thu. Hình 2.1 là một ví dụ về truyền đa đường. Ở máy thu, sự biến thiên công suất khác nhau theo thời gian tuyến tính là kết quả của sự chồng lấn các tín hiệu đa đường với pha không đồng nhất. Ngoài phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, sóng vô tuyến còn bị suy hao đường truyền . Cường độ tín hiệu cũng bị thay đổi theo thời gian do sự chuyển động của máy thu hoặc máy phát. Để phân tích ta có thể chia ảnh hưởng của truyền sóng vô tuyến thành hai loại: suy hao tín hiệu phạm vi rộng và méo tín hiệu phạm vi hẹp. Suy hao tín hiệu phạm vi rộng do suy hao đường truyền và sự che tối máy phát và máy thu còn méo tín hiệu phạm vi hẹp xảy ra do truyền đa đường.
Gọi suy giảm và trễ ở mỗi đường lần lượt là αn(t) và τn(t). Tín hiệu ở máy thu có thể được mô tả như sau:
Thay tín hiệu truyền dẫn dưới dạng băng gốc phức vào (2) ta có:
Do đó, biễu diễn dạng băng gốc phức của tín hiệu thu được là:
ở đây θnlà pha của đường truyền thứ n.
Từ trên ta thấy sẽ rất khó để mô tả một kênh vô tuyến một cách chặt chẽ vì nó bị chi phối bởi một số yếu tố không thể dự đoán. Vì vậy, đặc tính thống kê sử dụng các thông số kênh được trình bày ở dưới đây sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc để nghiên cứu tính chất các kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến.
2.3.1 Trễ trội – Excess Delay
Một kênh vô tuyến có thể được thể hiện đầy đủ bởi đáp ứng kênh h(τ, t) của nó tại thời điểm t cho xung trễ delta Dirac áp dụng tại thời điểm t - τ. Thực tế, tín hiệu thu
(2.3)
(2.4)
(2.5) (2.2)
được thông qua nhiều đường khác nhau. Trong tín hiệu số tốc độ cao, truyễn dẫn đa đường thường gây ra pha-đinh chọn lọc tần số và nhiễu liên kí tự ISI. Giả sử chỉ có N
thành phần đa đường đầu tiên có mức năng lượng đáng kể ở máy thu, đáp ứng xung kênh đặc trưng như sau:
:
Trong đó αl, θl và τl lần lượt là biên độ, pha và trễ của đường thứ l. Giả sử trễ của các đường được sắp xếp tăng dần, trễ trội ∆τl(t)chỉ ra sự khác nhau giữa τl(t) và τ1(t).
Thông thường, thời gian trễ được so với thời điểm xuất hiện LOS,tức là τ1(t) = 0, do đó trễ trội là τl(t) với l > 1.
2.3.2 Lý lịch trễ công suất
Lý lịch trễ công suất PDP là một biến thống kê đặc trưng cho mức công suất thu được trung bình của các thành phần kênh trong phương trình (2.6), đó là E[ ]. Các mức công suất thu được trung bình riêng lẻ được thêm vào mức công suất thu được tích lũy. Tuy nhiên, trong thực tế, PDP đã được chuẩn hóa thì tổng công suất thu được từ mỗi đường là thống nhất. PDP cũng được sử dụng để mô tả trải trễ trung bình, được đo bằng độ phân tán thời gian của kênh và có thể được coi là thời điểm trung tâm thứ hai của PDP hay còn được gọi là trải trễ trung bình quân phương RMS - độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên trải trễ, được tính bằng:
ở đây Pn = E[ ], τm là trễ trung bình và được xác định bằng:
Tham số τRMS trong phương trình (2.7) rất quan trọng trong việc đánh giá ảnh
hưởng của biến dạng đa đường trong các tín hiệu thu được. Nhiễu ISI do phân tán thời gian là không đáng kể nếu khoảng thời gian kí hiệu lớn hơn τRMS (khoảng 10 lần). Nếu
(2.6)
(2.7)
giá trị τRMS lớn hơn hoặc xấp xỉ với khoảng thời gian kí hiệu thì một số thủ tục phải
được thực hiện để hạn chế sự suy giảm hiệu năng có thể xảy ra ở máy thu.
2.3.3 Băng thông nhất quán Bc
Băng thông nhất quán Bc được đo bằng độ thay đổi trong đáp ứng tần số kênh trên một khoảng các thành phần tần số ở một thời điểm t nào đó. Nói cách khác, băng thông nhất quán là số đo thống kê dải tần số mà trong dải này kênh cho qua tất cả các thành phần phổ với suy giảm gần như bằng nhau và pha tuyến tính. Đáp ứng tần số kênh tại một thời điểm t được xác định là biến đổi Fourier của h(τ,t) đối với τ như sau:
Tín hiệu được phát với băng thông nhỏ hơn Bc, đáp ứng tần số kênh được cho
bởi công thức (2.9) được coi là phẳng trên toàn bộ phổ tín hiệu. Mặt khác, nếu băng thông tín hiệu truyền dẫn lớn hơn Bc, phổ tín hiệu sẽ bị méo. Trong trường hợp này,
kênh được gọi là chọn lọc tần số. Do đó, một kênh là phẳng hay chọn lọc tần số chủ yếu phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền dẫn. Thông thường, một kênh có thể được gọi là chọn lọc tần số nếu băng thông truyền dẫn của nó lớn hơn 50% băng thông nhất quán.
Tồn tại mối quan hệ nghịch đảo giữa Bc và τRMS như sau:
ở đây Bc(a) là băng thông nhất quán tối thiểu mà PDP có tự tương quan với giá trị a.
2.3.4 Băng thông nhất quán và tín hiệu tham chuẩn miền tần số
Ví dụ từ cấu trúc khung LTE, chúng ta biết rằng khoảng cách giữa hai sóng mang con lân cận là fspace = 15 kHz [6]. Trong miền tần số, ký hiệu hoa tiêu được đặt
tại mỗi sóng mang con thứ 6, do đó, khoảng cách giữa các hoa tiêu liên tiếp có thể được đưa ra như sau:
(2.11) (2.9)
Dựa vào công thức (2.10), băng thông Bc(a)trong kênh không đổi được xác định tại a = 0,9 và trong kênh thay đổi tại a = 0,5 khi. Dựa trên những giả định trên, băng thông nhất quán đối với giá trị tự tương quan 0,5 được tính như sau:
Tương tự, đối với giá trị tự tương quan của 0,9 ta có:
Phương trình (2.12) và (2.13) cho thấy khoảng cách giữa các ký hiệu hoa tiêu trong khoảng tần số tương ứng với băng thông trong đó kênh là không đổi, hơn nữa kênh ước tính ít nhất hai lần trước khi tự tương quan có giá trị 0,5.
2.3.5 Trải Doppler
Trong các môi trường truyền thông di động, sự chuyển động của máy thu, máy phát hoặc các đối tượng xung quanh dẫn đến việc mở rộng phổ của tín hiệu thu được. Trong điều kiện truyền dẫn đa đường, hiệu ứng Doppler gây ra dịch tần số đối với từng sóng mang thành phần.
Nếu giả định một máy thu di động đang chuyển động với tốc độ vrx m/s và sóng
được truyền từ một trạm gốc ở tần số sóng mang fc. Nếu góc giữa hướng chuyển động
của máy thu và hướng đến của sóng được giả định là φ, dịch Doppler fd của thành phần
tần số fc được định nghĩa là:
với fDmax là tần số Doppler lớn nhất và được tính bằng
vrx là vận tốc của máy thu và c là vận tốc ánh sáng.
(2.12) (2.13)
(2.14)
(2.15)
Trong các hệ thống truyền thông di động, trải Doppler lớn nhất được sử dụng để mô tả tốc độ thay đổi của đặc tính kênh vô tuyến. Khoảng thời gian mà đáp ứng xung kênh là không đổi được gọi là thời gian nhất quan Tc, thường được tính như sau:
với Tc(a) là thời gian nhất quán giá trị tự tương quan là a trong miền thời gian.
2.3.6 Thời gian nhất quán và các tín hiệu hoa tiêu miền thời gian
Dùng hệ thống LTE là một ví dụ một lần nữa để giải thích mối quan hệ giữa khoảng cách hoa tiêu các sóng mang và thời gian nhất quán. Từ cấu trúc khung LTE, chúng ta biết rằng thời gian của một khe là 0,5 ms [6]. Có 6 ký hiệu OFDM trong một khe thời gian nên trong một khoảng ký hiệu, Tsym có thể được tính bằng:
ở đây Tslot là độ dài khe và Nsym là số ký hiệu cho mỗi khe. Ký hiệu tham chuẩn được đặt tại mỗi ký hiệu OFDM thứ tư, nhưng được phân bố trên các sóng mang phụ khác nhau. Tuy nhiên, kênh có thể được ước tính sau mỗi ký hiệu OFDM thứ ba. Do đó, khoảng cách giữa các ký hiệu tham chuẩn trong miền thời gian là:
Tref = 3.Tsym = 0,25 ms
Giả định một máy thu có tốc độ tối đa 120 km/h tại tần số sóng mang 2,4 GHz thì ta sẽ nhận được một dịch Doppler tối đa 266,67 Hz. Dựa trên giả định và sử dụng các mối quan hệ được mô tả trong mục 2.3.2,ta có thể tính thời gian nhất quánTctương
ứng với các giá trị tự tương quan a= 0,9 và 0,5 như dưới đây:
Tc(0,5) = arccos(0,5) = arccos(0,5) = 0,623 ms Tc(0,9) = arccos(0,9) = 0,269 ms (2.18) (2.19) (2.17) (2.20) (2.21) (2.22) (2.22)
Phương trình (2.18) và (2.19) cho thấy khoảng cách giữa các ký hiệu tham chuẩnngắn hơn so với thời gian nhất quán. Hơn nữa, kênh được ước tính ít nhất hai lần trước khi tự tương quan của ước tính kênh có giá trị 0,5.
2.4 CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Các ảnh hưởng của các thông số kênh nói trên vào tín hiệu thu được có thể được mô hình hóa sao cho cấu hình của tín hiệu thu được tại máy thu có thể tính toán