TS HỒ VĂN KHƯƠNG
2.1 Kênh truyền vô tuyến
2.1.4 Phân loại kênh truyền
Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong mơi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng fading. Có hai loại fading: fading phạm vi lớn (Large scale fading ) và fading phạm vi nhỏ (Small scale fading).
Fading phạm vi lớn: là hiện tượng cơng suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng), fading phạm vi lớn chính là sự suy hao đường truyền trên một khoảng cách rộng và hiện tượng shadowing.
Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có sự
thay đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu. Sự thay đổi của mơi trường truyền sóng là ngun nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là fading nhanh. Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi khơng có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu). Khi máy di động di chuyển trên một
phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài) thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ.
Có thể phân loại các kênh truyền fading diện hẹp theo trải trễ đa đường và theo trải Doppler. Trong khi trải trễ đa đường dẫn đến sự phân tán thời gian và fading chọn lọc tần số thì trải Doppler dẫn đến sự phân tán tần số và fading chọn lọc thời gian:
Phân loại Điều kiện Fading
Trải trễ đa đường BW<<Bc ; s>> Fading phẳng
BW>Bc ; Ts<< Fading chọn lọc tần số
Dịch Doppler BW<BD ; Ts>Tc Fading nhanh
BW>>BD ; Ts<<Tc Fading chậm
Bảng 2. 1: Phân loại kênh truyền fading diện hẹp
2.1.4.1 Fading phẳng:
Phổ tín hiệu có băng thơng nhỏ hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi được bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng hiện tượng đa đường. Theo thời gian, tín hiệu thay đổi nhưng phổ tín hiệu khơng đổi. Kênh truyền fading phẳng được xem như kênh truyền thay đổi biên độ và còn được gọi là kênh truyền băng hẹp.
2.1.4.2 Fading chọn lọc tần số:
Phổ tín hiệu có băng thơng lớn hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol nhỏ hơn trải trễ của kênh truyền.
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức là đáp ứng tần số khơng bằng phẳng trong tồn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay khơng cịn tùy thuộc vào băng thơng của tín hiệu truyền đi. Nếu trong tồn khoảng băng thơng của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền khơng chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống nhau trong băng thơng tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vơ tuyến đều khơng thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó.
Kênh truyền chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng. 2.1.4.3 Kênh truyền fading biến đổi nhanh:
Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng Doppler và méo tín hiệu. Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha,… và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với đường truyền tốc độ dữ liệu thấp.
2.1.4.4 Kênh truyền fading biến đổi chậm:
Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát, khi đó kênh truyền được xem là tĩnh. Trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn băng thơng tín hiệu, các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài. Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu,… kết quả là cơng suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu).
2.1.5Phân bố Rayleigh 2.1.5.1 Phân bố Rayleig Trong những kênh truy khi tồn tại nhiều đường tán x hơn các tán xạ cịn lại, tứ có hàm mật độ xác suất (pdf) đư
( )
Trong đó σ là biên đ
và là cơng suất trung bình th bao.
2.1.5.2 Phân bố Ric
Rayleigh và phân bố Rician Rayleigh
ng kênh truyền vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thư ng tán xạ độc lập thống kê và khơng có tán xạ
ức là khơng có đường truyền thẳng (LOS). Phân b t (pdf) được cho như sau:
( ) = exp −2 (0 ≤ < ∞) 0 ( < 0)
à biên độ hiệu dụng của tín hiệu nhận được trước khi vào đư bình thời gian của tín hiệu nhận được trước khi đưa vào đư
Hình 2. 4: Phân bố Rayleigh
Rician
Rayleigh thường được dùng ạ nào chiếm ưu thế . Phân bố Rayleigh
(2.15)
c khi vào đường bao c khi đưa vào đường
Trường hợp mơi trường truyền dẫn có tuyến truyền dẫn trong tầm nhìn thẳng thì cơng suất tín hiệu từ tuyến này vượt trội so với các tuyến khác. Xác suất của biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rician (hay phân bố Rice).
Phân bố Rician được mơ tả tốn học như sau:
( ) = exp − 2+ ( ≥ 0, ≥ 0) 0 ( < 0)
(2.16)
Thơng số là biên độ đỉnh của tín hiệu trội và (. ) là hàm Bessel mở rộng cho
loại đầu tiên và bậc 0.
Hình 2. 5: Phân bố Rician
2.2 Kỹ thuật phân tập
Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của fading và tăng độ tin cậy truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát hoặc thay đổi băng thông. Hầu hết các hệ thống không dây đều áp dụng các kỹ thuật phân
tập. Theo các miền người ta chia thành các kỹ thuật phân tập sau: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian.
2.2.1 Phân tập thời gian
Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách phát nhiều bản tin giống nhau tại các khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu sẽ thu được các tín hiệu khơng tương quan về fading. Khoảng thời gian phân cách giữa các lần phát là phải lớn hơn thời gian kết hợp (coherence time) của kênh truyền để đảm bảo các fading xảy ra trong khoảng thời gian này sẽ không tương quan với nhau. Trong các hệ thống thông tin di động, việc phân tập thời gian được thực hiện bằng cách kết hợp kỹ thuật đan xen (interleaving) và mã hóa sửa lỗi. Interleaving sẽ tạo ra khoảng thời gian phân cách giữa các bản sao của tín hiệu truyền, do đó sẽ tạo ra các tín hiệu độc lập về fading tại bộ giải mã. Do interleaving sẽ gây ra trễ khi giải mã nên kỹ thuật này chỉ phù hợp với các mơi trường có fading nhanh khi khoảng thời gian kết hợp của kênh truyền nhỏ. Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng các bộ Interleaver có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể, không chấp nhận được cho các ứng dụng nhạy với độ trễ như truyền thoại. Một nhược điểm của phân tập thời gian là sự sử dụng băng thông không hiệu quả do dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian.
2.2.2 Phân tập không gian
Kỹ thuật phân tập khơng gian cịn gọi là phân tập ăngten (antenna diversity) được sử dụng phổ biến trong truyền dẫn viba. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách dùng nhiều ăngten hoặc dãy ăngten sắp xếp một cách hợp lý để thu/ phát tín hiệu. các anten được phân cách nhau bằng một khoảng cách vật lý để đảm bảo các tín hiệu khơng tương quan nhau. Khoảng phân cách yêu cầu sẽ thay đổi theo độ cao anten, mơi trường truyền sóng và tần số thu phát. Thơng thường khoảng cách vài bước sóng là đủ đảm bảo các tín hiệu khơng tương quan. Trong phân tập khơng gian, các bản sao tín hiệu truyền được cung cấp đến bộ thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Không như
đảm bảo sử dụng hiệu quả băng thơng. Đây là đặc tính rất hấp dẫn cho việc phát triển truyền thông vô tuyến tốc độ cao.
Phân tập phân cực và phân tập góc là hai dạng của phân tập khơng gian. Trong phân tập phân cực tín hiệu phân cực đứng và tín hiệu phân tập ngang được phát bằng hai ăngten phân cực khác nhau phân cực khác nhau và thu bằng hai ăngten phân cực khác nhau. Sự khác nhau về phân cực đảm bảo 2 tín hiệu khơng tương quan mà không cần phải đặt hai ăngten cách xa nhau. Phân tập góc được sử dụng phổ biến cho truyền dẫn với tần số sóng mang trên 10GHz. Trong trường hợp này các tín hiệu phát có sự phân tán cao trong khơng gian nên các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau ở máy thu sẽ tạo ra bản sao của tín hiệu phát khơng tương quan.
Dựa trên số lượng các ăngten được dùng cho phát hay thu ta phân loại phân tập không gian thành phân tập phát và phân tập thu. Trong phân tập phát, nhiều ăngten được triển khai ở vị trí máy phát. Tin được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các ăngten. Cịn trong phân tập thu thì nhiều ăngten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát. Các bản sao của tín hiệu phát được kết hợp để tăng SNR và giảm fading đa đường.
Hiện nay, phân tập phát và phân tập thu được kết hợp để nâng cao hơn nữa hiệu năng của hệ thống. Trong các hệ thống thực tế, thường sử dụng kết hợp các kỹ thuật phân tập, gọi là phân tập đa chiều (multidimensional diversity), để đảm bảo chất lượng hệ thống với thiết kế tối ưu nhất.
2.2.3 Phân tập tần số
Kỹ thuật phân tập tần số sử dụng nhiều tần số khác nhau để truyền tải cùng một bản tin. Các tần số được lựa chọn với dải phân cách đủ lớn để ảnh hưởng của fading lên các tần số này là độc lập nhau. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng có khái niệm băng thơng kết hợp (coherence bandwidth). Tuy nhiên, thông số này
sẽ thay đổi tương ứng với các mơi trường truyền sóng khác nhau. Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng sử dụng băng thông không hiệu quả do sự dư thừa nhiều tần số.
2.3 Ước lượng kênh truyền 2.3.1 Giới thiệu 2.3.1 Giới thiệu
Ước lượng kênh truyền là q trình mơ tả các tác động của kênh truyền lên tín hiệu đầu vào do đó tín hiệu có thể được nhận dạng. Để có một bộ ước lượng tốt, đầu tiên dữ liệu phải được mơ hình tốn học hóa. Hình 2.6 miêu tả sơ đồ khối của một quá trình ước lượng kênh truyền cơ bản. Một bộ ước lượng kênh truyền tốt có tỉ lệ trung bình bình phương lỗi MSE (mean squared error) nhỏ nhất với thuật tốn tính tốn khơng q phức tạp.
Hình 2. 6: Quá trình ước lượng kênh truyền cơ bản
Ước lượng kênh truyền là một trong những công nghệ thiết yếu cần cho mạng không dây. Việc nắm rõ thông tin trạng thái kênh truyền, khơng chỉ giúp phát hiện tín hiệu dễ dàng hơn cịn giúp ích trong việc phân bố công suất và thiết kế cải thiện dung lượng hệ thống. Để có thể khơi phục tốt tín hiệu truyền đi, ảnh hưởng của kênh truyền cần được ước lượng. Bộ ước lượng kênh dùng để suy ra giá trị chưa biết từ dữ liệu đo,
nếu không ước lượng đúng, các ưu điểm của hệ thống hợp tác có thể bị mất. Ước lượng kênh tốt kết hợp hiệu quả với tín hiệu nhân được đem đến SNR tốt hơn.
2.3.2 Các bộ ước lượng kênh truyền
Dựa trên các giải thuật tính tốn, người ta chia thành các bộ ước lượng kênh truyền khác nhau. Phần này trình bày một số bộ ước lượng thường gặp, tài liệu tham khảo chủ yếu sử dụng là [2].
Bộ ước BLUE (best linear unbiased estimator) phù hợp trong thực tế vì nó có thể sử dụng trong điều kiện hàm mật độ phân bố xác không xác định. Nếu tồn tại tín hiệu tuyến tính có dạng:
= + (2.17) với H là ma trận đã biết, θ là vector thông số cần ước lượng và w là vector nhiễu với trung bình bằng 0 và covariance C, BLUE có thể diễn giải tốn học như sau:
= ( ) (2.18) Bộ ước lượng MMSE (minimum mean square error) là bộ ước lượng bayesian, tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi của việc ước lượng biến ngẫu nhiên bằng cách sử dụng một số phần đã biết của biến như hàm pdf của bộ ước lượng. Đôi khi việc xác định của bộ ước lượng MMSE là khơng chính xác. Khi đó bộ ước lượng LMMSE (linear MMSE) có thể được sử dụng. LMMSE xem h như vector ngẫu nhiên và tối thiểu hóa trung bình bình phương lỗi (mean square error). Kết quả ước lượng LMMSE là:
= ( ) + ( − ( )) (2.19)
Bộ ước lượng tối đa hậu nghiệm MAP (maximum a posteriori) là bộ ước lượng bayesian tối đa phân bố hậu nghiệm của biến ngẫu nhiên:
= argmax ( | ) (2.20) Nó có thể dử dụng dữ liệu quan sát để xác định các điểm ước lượng của một biến chưa biết
Bộ ước lượng bình phương tối thiểu LS (Least square) tối thiểu bình phương sai biệt giữa tín hiệu cho s[n] và tín hiệu quan sát x[n]. Sai biệt tối thiểu được xác định bởi tiêu chí lỗi LS như sau:
( ) = ∑ ( [ ] − [ ]) (2.21) Trong đó khoảng quan sát là n=0, 1..., N-1. Do đó LSE là giá trị của θ để tối thiểu giá trị J(θ). Kết quả ước lượng cho bởi bộ ước lượng LS:
= ( ) (2.22) LS có thể khơng cho kết quả tối ưu nhưng dễ thực hiện do khơng địi hỏi bất kỳ thống kê dữ liệu nào.
Ngồi ra cịn có các bộ ước lượng khác như ML (Maximum Likelihood), các bộ ước lượng đáp ứng thích nghi như Wiener, Kalman,...
2.3.3 Các phương pháp ước lượng kênh truyền
Hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng kênh truyền khác nhau, chia làm 3 phương pháp ước lượng cơ bản: dùng chuỗi huấn luyện (pilot), ước lượng mù (blind) và phương pháp ước lượng bán mù (semi-blind) là kết hợp của 2 phương pháp trên.
Phương pháp truyền thống dùng chuỗi huấn luyện (training sequences) để ước lượng kênh truyền đòi hỏi bộ phát phải gửi định kỳ các tín hiệu đã biết sẵn đến bộ thu để cho phép xác định kênh. Mặc dù đó là một phương pháp ước lượng kênh vững
mạnh, tuy nhiên việc truyền định kỳ chuỗi huấn luyện tiêu thụ một lượng băng thông đáng kể và làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông. Trong thực tế, hầu như tất cả các hệ thống di động tế bào hiện hành đều nhúng kèm chuỗi huấn luyện trong việc truyền dữ liệu, ví dụ trong GSM khoảng 20% băng thông (1dB) là dành cho chuỗi huấn luyện. Hơn nữa, trong các kênh vô tuyến biến đổi nhanh theo thời gian, chuỗi huấn luyện chỉ đem lại kết quả chính xác trong thời gian ngắn và chúng ta có thể phải huấn luyện lại thường xuyên dẫn đến hiệu suất băng tần kém.
Phương pháp ước lượng kênh mù có thể ước lượng kênh mà khơng cần sử dụng chuỗi huấn luyện xác định. Phương pháp ước lượng kênh mù nhận dạng kênh vô tuyến chỉ dựa trên tín hiệu thu và một vài thơng tin thống kê tiên nghiệm hoặc tính chất của tín hiệu đầu vào mà không cần xử lý trực tiếp vào các tín hiệu truyền đi. Vì vậy, phương pháp mù có thể được dùng để loại trừ hoặc giảm thiểu các chuỗi huấn luyện, do đó tiết kiệm băng thơng và cải thiện cơng suất hệ thống.
Nhìn chung, các thuật tốn mù thường có xu hướng phức tạp, phải tính tốn tốn chi phí hơn. Một số phương pháp mù hội tụ về một cục bộ do tính chất phi tuyến của