chuyên đề vô tuyến truyền thông

Trong chuyên đề này, nhóm tôi sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fadi

ĐỀ TÀI

Chuyên đề Vô tuyến truyền thông

Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Viết Đảm

LỜI NÓI ĐẦU

Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao Các xu hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới.

Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch

vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi Các dịch vụ được cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G) Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng Hệ thống di động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện Hệ thống 3G điển hình hiện nay là cdma2000 và WCDMA WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng.

Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử

lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân tập tín hiệu Trong chuyên đề này, nhóm tôi sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten dãy bằng cách điều khiển hướng búp sóng của anten dãy về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null

về hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa

Nội dung chuyên đề gồm 4 chương :

- Chương 1: Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải

quyết cho những nhược điểm.

- Chương 2: Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian Phân tập

anten bằng bộ thu Beamformer-Rake.

- Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu

Beamformer Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE.

- Chương 4 : Trình bày các thuật toán tính toán cho từng kỹ thuật

Beamformer.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA 1

Giới thiệu chung 1

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 1

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 2

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: 3

1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA 4

1.5 Tổng quan về mạng WCDMA 4

1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA 6

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA 7

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA 8

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA 9

Các kỹ thuật phân tập: 10

Kết luận chương 10

CHƯƠNG 2: PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 11

2.1 Giới thiệu 11

2.2 Anten Mảng 11

2.2.1 Mảng anten dãy 12

2.3 Kỹ thuật Beamformer 14

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA 15

2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian 17

2.5 Lợi ích của phân tập không gian 18

2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA 18

2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20

Kết luận chương: 21

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING 22

3.1 Giới Thiệu 22

3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming 22

3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR) 22

3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming 24

3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming 25

3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 26

3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) 27

3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) 28

3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 29

3.5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản 31

Kết luận chương 32

CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING 33

Giới thiệu chương 33

4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính toán 33

4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR 33

4.2.1 Phương pháp power 34

4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange 35

4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 38

4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp 43

4.2.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 43

Kết luận chương: 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G 4

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 4

Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD 5

Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường 8

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa 8

Hình 2.1 Mảng anten ULA 12

Hình 2.2a Mô hình Beamformer & Hình 2.2b Búp sóng anten dãy 15

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0 o 17

và nhiễu giao thoa là 45 o 17

Hình 2.4 Mô hình bộ thu Rake 19

Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake 21

Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện đồ thị bức xạ của anten ULA 31

theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 31

Hình 3.2 Giản đồ BER theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 32

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange 36

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã được đơn giản 38

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp gradient 41

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp Gradient đã đơn giản.42 Hình 4.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 43

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

mã

Multiplexing

Điều chế tần số trực giao

SINR Signal to Interference plus-Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt

thời gian

WCDMA Wideband Code Division Multiplex

Access

Đa truy cập phân chia theo

mã băng rộng

CHƯƠNG 1:

HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA

Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyêngia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông Trong thời gian này côngnghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi Quá trìnhthay đổi thể hiện qua các thế hệ:

 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ

đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theothời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA)

 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng vàứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đaphơng tiện gói

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử

dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụngphương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàngđược cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơ

đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì

nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhậnđược dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượngngười dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể,thì một số người bị chặn lại không được truy cập

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp,

và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ Mỗi dải tần số được gán cho mộtkênh liên lạc N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tầnphân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm :

- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thôngtuyến

- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể

- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (AdvancedMobile Phone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập

đơn giản Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của ngườidùng về cả dung lượng và tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cảithiện về cả dung lượng và tốc độ.

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên côngnghệ số

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sửdụng 2 phương pháp đa truy cập :

- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tầnliên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời giantrong chu kì một khung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xenkhe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúckhung

Đặc điểm:

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong

đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động

và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc.Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạtđộng cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau

- Giảm số máy thu ở BTS

- Giảm nhiểu giao thoa

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động

kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong

MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS sốTDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:

Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người

sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi màkhông sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt vớinhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người

sử dụng

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sửdụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệthứ 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muctiêu chính sau:

- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cậpInternet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện

- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điệnthoại vệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng củacác hệ thống thông tin di động

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sựphát triển liên tục của thông tin di động

3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbpscho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto Côngnghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như củaCDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G Nhiều tiêuchuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong

đó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được ápdụng trong những năm gần đây Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA,điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vôtuyến

1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G

Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính vàhình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽđược chuyển đổi sang thế hệ 3 Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung

 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phânchia theo mã băng rộng

1.5 Tổng quan về mạng WCDMA

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia

theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sửdụng công nghệ CDMA Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đatruy cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trảiphổ để phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng Trong công nghệCDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số Mã PN (giả ngẫunhiên) với sự tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng Người

sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định

A

Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờviệc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được Cũng giống như TDMA,WCDMA là một trong nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạtđộng Nó cũng được biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truyxuất WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vựcthông tin di động WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và TDD Khả nănglàm việc được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tầnđược cấp phát ở các vùng khác nhau.

FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đótruyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt Ở FDDđường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau Hệ thống được phân

bố một cặp băng tần riêng biệt

TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đóđường lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sửdụng những khe thời gian luân phiên Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật

lý được chia thành hai phần : phần phát và phần thu Thông tin đường xuống vàđường lên được truyền dẫn luân phiên

FDDDownlink

Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD

Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quảphổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau

Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:

 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiểnmạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến

f

5MHz

Đường lên

Đường xuống

Đường lên

Đường xuống

 Mạng lõi có hai vai trò chính :

 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc sốliệu gửi đến Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyếnthông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng

 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năngtruy nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện vớiInternet và phân loại thông tin tính cước và bảo mật

 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơbản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời

1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA

 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trảiphổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trênmột dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi làchip) nhận được trải phổ trong WCDMA

 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉtới 5MHz Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ

dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số Cácnhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz.Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang

 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cáchkhác chính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp Mỗi user được cungcấp một khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyênkhông đổi Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khungkhác

FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướnglên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz đượcdùng cho cả hướng lên và hướng xuống

không giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩntrên toàn cầu GPS

 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các

ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủsóng

 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy cóthể chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.

Phương thức đa truy xuất DS-CDMA

Phương pháp ghép song công FDD/TDD

Đồng bộ trạm gốc Hoạt động bất đồng bộ

Ghép dịch vụ Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ

khác nhau được ghép trên một kết nối

Đa tốc độ Hệ số trải phổ khả biến và đa mã

Tách sóng Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa

tiêu

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA

Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống cónhững đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3 Những đặc điểm chủ yếu trong

hệ thống WCDMA là :

 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cảithiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2sang thế hệ thứ 3

 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đạitrên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối

 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy

 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộgiữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường Hỗ trợ mộtcách có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc Sử dụng kỷthuật tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng Mô hình TDD đượcthiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp

 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệusuất vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu

vô tuyến Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây làtính năng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào Điềukhiển công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ởmôi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp

Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây làmột trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm mộttín hiệu đến trực tiếp Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ

bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thànhphần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó Sau đây

là mô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giaothoa

Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa

Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều

kỹ thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong chuyên đềnày ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA

Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệthống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêmtrọng Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chếCDMA băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận mộtcách độc lập Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thốngnày do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượngfading xảy ra một cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu mộtcách độc lập được Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 loạiphân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách Phân tập theo thờigian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai Phân tập theo thời gian có thểđược áp dụng cho tất cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửasai yêu cầu Hệ thống CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờviệc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp vớitần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu(200-300kHz) Nhưng với mộtbăng tần rộng thì fading ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn Phân tập theo khoảng cáchhay đường truyền thường đạt được theo 3 phương pháp sau:

-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di độngvới 2 hoặc nhiều trạm gốc BTS

-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quétthu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian

-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng)

Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thốngTDMA và FDMA Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệthống số có tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu Phân tập theotần số có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA

Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan Máy thu có

bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theomỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Fading có thể xuấthiện ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tínhiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fadingđồng thời giữa cá đường tín hiệu thu được

Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thốngthông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao diđộng

Các kỹ thuật phân tập:

 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng nhữngkhe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiềuthời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thờigian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất

 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ vàsóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lâncận Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyềncùng một tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần

số khác nhau

 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng

ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau đểtruyền hay thu cùng một tín hiệu Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộngbăng thông của hệ thống

Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là

hệ thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống di động Cuốichương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệthống vô tuyến Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tậpkhông gian và thời gian

Mảng anten thích nghi có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằngcách xử lý không gian Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từnhững địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhấtliên quan tới thuê bao đó Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính khônggian của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI Việc xử lý này được thực hiện bởi bộBeamformer Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệthống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau Dunglượng của hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giaothoa co-channel.

2.2 Anten Mảng

Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị tríkhác nhau trong không gian mảng Các anten thành phần này có thể được sắp xếptheo các cấu trúc hình học bất kỳ Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể làmảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trườnghợp đặc biệt của mảng phẳng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vàogóc phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của cácanten , vào biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳnghướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian củamảng và tín hiệu đến mảng Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi

là hệ số mảng Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướngthì góc phát xạ của mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thànhphần

f c : Tần số sóng mang của tín hiệu

γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.

Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ mộtkhoảng cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất Lúc này tín hiệu đếncác phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian Tín hiệu đến phần tử thứ 2

trong mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một

Hình 2.1 Mảng anten ULA

khoảng thời gian là  ,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N Như thế

ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu

thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ



j c

d f j

e t x e

t x t

tín hiệu đến mảng) Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể được viếtnhư sau :

Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏhơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng Giả thiết cho hiện tượng nàyđược gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng

sẽ có sự sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ Vì thế mô hìnhnarrowband vẫn chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là

ở những tín hiệu có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng.Cũng vì lí do đó mà khi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giaothoa thì phải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband Trong toàn

bộ luận văn này chúng ta giả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuốicùng của mảng được tính như sau :

f

c N

2

) 1 ( 2 ) 1 (

10 5 3

giao thoa sóng để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó Trong bộ Beamformer,tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu

có chất lượng tốt nhất Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer

Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy

Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác địnhriêng biệt Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

( ) ( ) ( ) ( )

1

t n a

t s t

Với s i (t) là tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i trong mảng ,góc tới là i

a( i) là vector đáp ứng của mảng ứng với góc tới i

n (t) là vector tín hiệu nhiễu

Đầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :

y(t) w H(t)x(t)

Với w=[ w 1 w 2 … w N]T là vector trọng số của mảng

Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuậtBeamformer khác nhau Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR,MSNR, CMA, ML…sẽ được đề cập ở các chương sau

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA

Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật đơn giản để diển tả nguyên lí củaBeamforming Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với gócAOA là 0o , và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở gócAOA là 45o Vector đáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này

a

Tương tự ,vector đáp ứng của mảng đối với tín hiệu nhiễu giao thoa là :

11

1)

4

(

2 )

4 sin(

2

1 2 int

j e

e a

2478 0 5 0

j

j w

Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc  được cho như sau :

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0 o

và nhiễu giao thoa là 45 o

Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:

 Mặc dầu có thể đặt null trực tiếp đến hướng đến của tín hiệu nhiễu giaothoa, song từ đồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy độ lợi của anten không cực đại tạihướng đến của tín hiệu hữu ích Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giảipháp kỹ thuật của beamformer Trong chương sau sẽ đề cập đến các giải pháp kỹthuật beamformer khác nhau đó

 Nếu chúng ta ngầm giả thiết là đã nhận biết được mảng vector đáp ứng chonhiều users khác nhau Thì trong vùng một cell đô thị, mỗi tín hiệu đa đường sẽđến mảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyếtcho mỗi đường tính hiệu này Trong trườnghợp này, rất khó để xác định chính xácgóc tín hiệu đến mảng và như vậy sự đánh giá vector đáp ứng của mảng là rấtkhông xác thực Điều đó cho thấy sự cần thiết phải đánh giá góc đến AOA để tìm

ra vector đáp ứng của mảng Ngoài ra kỹ thuật trên cần yêu cầu số lượng tín hiệuđến mảng (bao gồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần

tử trong mảng Điều này không thể có được trong mạng WCDMA Kỹ thuậtEigen-Beamforming, được xét đến ở phần sau, là giải pháp thích hợp, không cầnphải biết được vector đáp ứng của mảng cũng như không cần phải đánh giá rõràng góc tới AOA

2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian

Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể được áp dụng trong hệthống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau.Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấymẫu Nyquist Tức là, tín hiệu được lấy mẫu với tần số (tốc độ lấy mẫu) lớn hơn 2

lần tần số lớn nhất của tín hiệu Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f được gọi

là aliasing Tương tự trong miền không gian, để tránh hiện tượng aliasing thì khốibeamformer phải thoã mãn điều kiện sau :

tế khoảng cách giữa các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốtnhất Trong chuyên đề này ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảngULA bằng nữa bước sóng sóng mang

2.5 Lợi ích của phân tập không gian

Một mãng anten thích nghi có thể có được nhiều cấu trúc không gian khácnhau và làm giảm được nhiễu fading nhiều tia Mảng này có khả năng lái búpsóng của mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng đến của tín hiệunhiễu Tín hiệu thu được tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫnnhau Vì thế nếu tín hiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tínhiệu này sẽ khác nhiều tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian

đó Vì thế luôn có một tín hiệu tốt nhất thu được một trong các phần tử củamảng Nên việc tổ hợp các tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng sẽ làmtăng tỷ số SNR và tăng độ trung thực của tín hiệu thu

2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA

Trong một kênh có chọn lọc tần số ,có nhiều bản sao tín hiệu được truyềnđến máy thu, chúng đi qua nhiều đường khác nhau Những bản tin sao chép nàyđược tổng hợp lại tại đầu thu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Khi cáctín hiệu này được truyền theo nhiều đường khác nhau, sẽ có một đường truyềnkhông (hoặc ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading Điều này có nghĩa là nếu mỗiđường truyền đều bị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu đi theo các đường khácnhau sẽ có sự khác biệt rõ rệt Tại đầu thu sẽ luôn thu được một kênh tín hiệu có

độ trung thực chấp nhận được Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứanhiều thiết bị tương quan nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau

và làm giảm nhiễu fading Bộ thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùngnhiều trong hệ thống mạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 Quá trình xử lý thờigian trong bột hu Rake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễufading Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tổ hợp tín hiệu tươngquan Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ

và có hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận nhiều đường tươngứng ,quá trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ tối đa (MRC) MRC gọi là một kết cấu tổ