Bài giảng thông tin di động

Hiện tượng này xấu nhất khi MS trên xe chạy trên xa lộ, trong đó các anten trạm gốc được bố trí trên cầu vượt xa lộ f c f m mà là một phổ bao gồm các tần số thuộc f ± f c m Phổ Doppler

PHẦN I: THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Lịch sử phát triển.

Cuối thế kỷ thử 19 Marconi chỉ ra rằng thông tin vô tuyến có thể liên lạc trên cự ly xa, máy phát và thu có khả năng di động so với nhau Liên lạc vô tuyến lúc đó và cho tới suốt WWI chỉ là liên lạc bằng điện báo Morse

Năm 1928 sở cảnh sát Bayone - Mỹ triển khai mạng vô tuyến truyền thanh đầu tiên Đặc điểm:

Cự ly liên lạc vài chục dặm, các máy di động khá cồng kềnh, tốn nguồn, đặt trên ô tô để liên lạc về một trạm gốc (BS: Base Station) ở trung tâm Chất lượng liên lạc cực kỳ kém do đặc điểm truyền song di động rất phức tạp mà các máy chỉ gồm 10 đèn điện tử thực hiện các chức năng tối thiểu

Các hệ thống điện thoại cố định phát triển nhanh và hình thành mạng PSTN (Public Switching Telephone Network) song suốt thời gian dài VTDĐ không phát triển do hạn chế về công nghệ

Năm 1947 Bell Labs cho ra ý tưởng về mạng điện thoại di động tế bào: Các máy di động lưu động

tự do và chuyển vùng khi từ tế bào này sang tế bào khác Các tế bào được tổ chức nhằm phủ kín vùng phủ song (là vùng địa lý được cung cấp dịch vụ di động) và kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch (tổng đài điện thoại di động) được bố trí tại trung tâm vùng

Cấu hình cơ bản mạng tế bào:

Ý tưởng của Bell Labs phải xếp xó do hạn chế về mặt công nghệ

Các hệ thống bộ đàm dùng sóng cực ngắn ra đời song không đáp ứng được yêu cầu:

- Liên lạc di động trên phạm vi rộng

- Không phục vụ được đông người

Năm 1979 mạng điện thoại di động tế bào đầu tiên được đưa vào sử dụng ở Mỹ và phát triển rất nhanh do tính thuận tiện sử dụng và doanh thu lớn Mạng di động tế bào đuợc ra đời nhờ các tiến bộ kỹ thuật về:

- Các hệ thống chuyển mạch tự động với tốc độ chuyển mạch lớn, dung lượng cao

- Kỹ thuật vi mạch: VLSI ra đời (Very Large Scale Integrated Circuit) cho phép tích hợp hang trăm ngàn đến 106 transitor trong một máy di động, giải quyết cơ bản khó khăn do truyền sóng di động gây ra

Ngày nay trên toàn thế giới số thuê bao di động đã lên tới 500 triệu Doanh số thu được từ dịch vụ liên lạc di động đã bắt kịp và vượt doanh số của dịch vụ cố định từ năm 1998 (Châu Âu) Khả năng roaming toàn cầu đã có, nhiều thế hệ thông tin di động ra đời Mới nhất là 3G (IMT2000).

1.1.2 Phân loại hệ thống thông tin di động.

a) Phân loại theo đặc tính tín hiệu:

- Analog: Thế hệ 1, thoại điều tần analog, các tín hiệu điều khiển đã số hoá toàn bộ

- Digital: Thế hệ 2 và cao hơn Thoại, điều khiển đều số hóa Ngoài thoại còn có khả năng phục vụ các dịch vụ khác như truyền số liệu…

b) Phân loại theo cấu trúc hệ thống:

- Các mạng vô tuyến tế bào: Cung cấp dịch vụ trên diện rộng với khả năng lưu động (roaming) toàn cầu (liên mạng)

- Vô tuyến viễn thông không dây (CT: Cordless Telecome) cung cấp dịch vụ trên diện hẹp, các giải pháp kỹ thuật đơn giản, không có khả năng roaming

- Vành vô tuyến địa phương (WLL: Wireless Local Loop): Cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến với chất lượng như điện thoại cố định cho một vành đai quanh một trạm gốc Không có khả năng roaming Mục đích nhằm cung cấp dịch vụ điện thoại cho các vùng mật độ dân cư thấp, mạng lưới điện thoại cố định chưa phát triển

c) Phân loại theo phương thức đa truy nhập vô tuyến:

- FDMA (Frequency Divition Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo tần số) Mỗi thuê bao truy nhập mạng bằng một tần số, băng tần chung W được chia thành N kênh vô tuyến Mỗi một thuê bao truy nhập và liên lạc trên kênh con trong suốt thời gian liên lạc

 Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, yêu cầu về đồng bộ không quá cao

 Nhược điểm: Thiết bị trạm gôc cồng kềnh do có bao nhiêu kênh (tần số sóng mang kênh con) thì tại trạm gốc phải có bấy nhiêu máy thu phát

- TDMA (Time Divition Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo thời gian) Các thuê bao dùng chung một tần số song luân phiên về thời gian

 Ưu điểm: Trạm gốc đơn giản do với một tần số chỉ cần một máy thu phát phục vụ được nhiều người truy nhập (phân biệt nhau về thời gian)

 Nhược điểm: Đòi hỏi đồng bộ ngặt nghèo

- CDMA (Code Divition Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã) Các thuê bao dùng chung một tần số trên suốt thời gian liên lạc Phân biêt nhờ sử dụng mã trải phổ khác nhau, nhờ đó hầu như không gây nhiễu lẫn nhau

 Ưu điểm: Hiệu quả sử dụng phổ cao Có khả năng chuyển vùng mềm và dơn giản trong kế hoạch phân bổ tần số Khả năng chống nhiễu và bảo mật cao, thiết bị trạm gốc đơn giản (1 máy thu phát)

 Nhược điểm: Yêu cầu về đồng bộ và điều khiển công suất rất ngặt nghèo Chênh lệch công suất thu tại trạm gốc từ các máy di động trong một tế bào phải <= 1dB Trái lại thì số kênh phục vụ được

d) Phân loại theo phương thức song song:

- FDD (Frequecy Divition Duplex: Song công phân chia theo tần số) Băng tần công tác gồm 2 dải tần dành cho đường lên up-link từ MS tới BS và đường xuống down-link từ BS tới MS Trong đó đường lên luôn là dải tần thấp vì MS có công suất nhỏ hơn, thường di động và có khả năng bị che khuất, khi

đó với giải pháp tần thấp hơn (bước sóng lớn hơn) thì khả năng bị che khuất giảm

- TDD (Time Divition Duplex: song công phân chia theo thời gian) Khung thời gian công tác được chia đôi, 1 nửa cho đường lên, 1 nửa cho đường xuống.

1.2 Một số hệ thống thông tin di động hiện tại.

1.2.1 Thông tin di động tế bào mặt đất: Các hệ thống tiêu biểu:

- Thế hệ 1: AMPS (Analog Mobile Phone Service) của Mỹ (ra đời 1983): FDMA, W=30KHz, FM, FDD như NTM-450 (1981), NTM-900 (1986)

- Thế hệ 2: IS-95 (Interim Standar - 95) của Mỹ năm1993: CDMA, BPSK/QPSK, W=1,25MHz, TDD

- Thế hệ 3: IMT-2000 (International Mobile Telecommunication - 2000) Hiện đang còn tiêu chuẩn hoá, chưa có hệ thống thương phẩm Các hệ thống đã triển khai thực tế chỉ phục vụ đo lường tiêu chuẩn hoá Dự kiến từ năm 2003 trở đi sẽ có trên thực tế song gồm 5 nhóm tiêu chuẩn, tiêu biểu nhất

là WCDMA của Châu Âu (CEPT) và Nhật (ARIB), CDMAone của Mỹ

1.2.5 Các hệ thống thông tin di động qua vệ tinh:

+Sử dụng vệ tinh địa tĩnh: Inmarsat-C cho hàng hải (Geostationary Orbit ) (GEO) – Global Star.+Sử dụng vệ tinh tầm thấp (LEO): Iridium… chưa phát triển, thậm chí còn phá sản

1.2.6 Các hệ thống thông tin di động hàng không.

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I

Câu 1 Các phương thức truy nhập vô tuyến chính của hệ thống Thông tin di động?

Câu 2 Trình bày về mạng WL

CHƯƠNG II: KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

2.1 Các đặc điểm cơ bản của truyền sóng trong môi trường di động

Kênh vô tuyến di động gây ra những hạn chế cơ bản đối với chất lượng liên lạc Kênh VTDĐ có thể thay đổi từ dạng LOS (Line Of Sight) đến dạng bị che chắn bởi các chướng ngại di dộng hay cố định Các tham số của đường truyền nói chung là ngẫu nhiên do đó mô hình hoá chúng là vấn đề khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống, thường được giải quyết bằng phương pháp thống kê Các yếu tố tác động cơ bản tới truyền sóng vô tuyến di động bao gồm: Tổn hao đường truyền, pha-đinh, hiệu ứng Doppler và trải trễ đường truyền

2.1.1 Tổn hao đương truyền:

Là yếu tố quyết định phạm vi phủ sóng của một trạm gốc

a.Mô hình truyền sóng trong không gian tự do.

( )

2

P G G d

d L

λπ

= (1)

Trong đó: ,P P : Công suất phát và thu t r

,G G : tăng ích anten phát và thu t r

→ suy giảm có tốc độ 20dB/decade

Chú ý: d=0 thì (1) và (2) không có nghĩa → mô hình cải biến.

Chọn d là khoảng gần trạm (close-in distance) tại dó công suất thu được lấy làm chuẩn Khi đó 0(1) trở thành:

2 0 0( ) ( )

f

D d

Bảng 2.1: Các số mũ của tổn hao trong các môi trường khác nhau

Vô tuyến tế bào vùng đô thị có che khuất 3 - 5

Có chướng ngại, bên trong toà nhà 4 - 6

Có chướng ngại, bên trong các nhà máy 2 - 3

Thông thường trong các vùng đô thị nói chung, n ≈ 4 - Luật mũ 4

c Sự che khuất (bóng râm) chuẩn log:

Mô hình (4) không hoàn toàn chính xác cho mọi điểm cách đều BS, mà chỉ có ý nghĩa tổn hao trung bình Việc dự đoán tổn hao còn phụ thuộc vào tại điểm đo có bị che khuất hay không… Các đo lường đã cho thấy rằng mọi d, PL(d) tại một điểm cụ thể là 1 giá trị ngẫu nhiên, phân bố log - chuẩn (chuẩn theo dB) quanh giá trị trung bình Nghĩa là:

Nguyên nhân: Sự truyền lan theo nhiều tia của sóng vô tuyến trong môi trường di động (do phản

xạ, nhiễu xạ và tán xạ từ các chướng ngại) pha-đing này còn được gọi là pha-đing đa đường

Xét trường hợp đơn giản nhất, khi MS dừng và không có các chướng ngại di động Do sóng tới MS theo rất nhiều đường khác nhau và nếu thừa nhận rằng các tia này độc lập nhau thì đường bao tín hiệu thu được sẽ có pdf ( probability density function: Hàm mật độ xác suất) Rayleigh có dạng:

Lượng dịch tần Doppler f cực đại khi D αi=0 hay 180 độ và càng lớn khi v càng lớn Hiện tượng này xấu nhất khi MS trên xe chạy trên xa lộ, trong đó các anten trạm gốc được bố trí trên cầu vượt xa lộ

( f c f m)

mà là một phổ bao gồm các tần số thuộc (f ± f )c m

Phổ Doppler của một sóng mang không điều chế

*/ Tổng quát nếu tín hiệu là một sóng mang có điều chế thì phổ thu được của một MS có một tốc

độ cụ thể có dạng :

2 m

AS(f) =

1- (f/f ) (10)A:là một hằng số

-Chú ý :fm phụ thuộc vào tích của vận tốc và tần số truyền

Với thông tin di động tế bào lớn D∆ có thể 10 s≥ µ →để truyền tin với tốc độ cao ( 64≥ Kb s/ )nhất thiết phải có san bằng

2.2 Mô tả toán học các kênh vô tuyến di động các hàm hệ thống Bello

Các kênh vô tuyến di động nói chung là các kênh biểu biến đổi theo thời gian Bello đã đề nghị một tập 8 hàm hệ thống để mô tả các kênh di động như một hệ thống tuyến tính biến đổi theo thời gian Mỗi hàm là một mô tả đầy đủ kênh và nếu biết hoàn toàn một hàm có thể tính toán mọi hàm còn lại.Mỗi một hàm hệ thống Bello sử dụng 2 trong 4 biến sau:

2.2.1 Hàm trải trễ lối vào h(t,τ )

h(t,τ ) được định nghĩa là đáp ứng xung lối ra của một kênh biến đổi theo thời gian tại thời điểm

t đối với một xung đơn vị lối vào từ τ giây trước đó

( ) ( , ) ( )

z t ∞ h t τ u t τ τd

−∞

→ = ∫ − (1)

u(t): tín hiệu vào

h(t,τ ) mô tả kênh trên miền t-z và là hàm trải trễ lối vào do độ trễ lien hệ với cổng vào (tín hiệu

vào) của kênh

S( ,τ υ) là tăng tich mà các tín hiệu có đượckhinchịu giữ chậm trong giải [τ τ , + d τ ] và dịch tần Doppler trong dải [υ υ , + d υ].

S[τ υ , ] dùng miền τ υ − để mô tả kênh Ít nhất đợc sủ dụnh trong kênh mô phỏng do tích phân

2 lớp sẽ làm khối lượng tính toán tăng

Ý nghĩa: biểu thị sự phân tán thời gian và tần số

Chú ý: h(t,τ ) và S( ,τ υ) là một cặp biến đổi Fourier giữa 2 biến t và υ với biến τ dã cho (chung).Do t đối ngẫu f, τ đối ngẫu υ ta có thể thấy rằng miền giữ chậm đi cặp với miền tần số

Có thể thấy từ (1) và (2) rang biến đổi Fourier miền thời gian lại sang miền dịch tần Doppler chứ không phải sang miền tần số như đối với các hệ thống không biến đổi theo thời gian Đây chính là do sự thay đổi kênh (của h(τ)) theo thời gian gây nên dịch tần Doppler.Tương ứng phản ứng tần số của kênh tại thời điểm t xác định (là một hàm của τ ) sẽ quy định phổ của kênh.Tức là miền trễ đi cặp biến đổi Fourier với miền tần số

2.2.3 Hàm truyền biến đổi theo thời gian T(f,t)

Là hàm truyền tương tự hàm truyền của hệ thống LTI song thay đổi theo thời gian

Dễ dàng thấy rằng h t ( , ) τ ƒF T f t ( , ) với một biến t chung.

Thay u(t-z) trong (1) bằng biến đổi Fourier của nó ta có:

 T f t ( , ) ƒF−1 h t ( , ) τ với biến t chung.

2.2.4 Hàm trải Doppler lối ra H(f,υ)

H(f,υ) Mô tả kênh trong miền f-υ xác định được theo:

*/ Ứng dụng: Sử dụng thuận tiện như hình vẽ ứng với (1) trong mô phỏng máy tính.Cho phép tính toán trên miền tần số.

Dễ dàng thấy được H( f , υ) và T( f , υ) là một cặp biến đổi theo F

T(( , ) f υ ∞ H f ( , )exp 2 υ j υ υ td

−∞

= ∫ Π (4’)Đồng thời H( f , υ) cùng tạo thành một cặp { } F với S(τ υ , ) với biến chung υ:

Đây là quan hệ đối ngẫu của (1) và G(f,υ) là hàm đối ngẫu của h(t,τ )

Các thay đổi quan hệ cho các đối ngẫu

(6) là đối ngẫu của (4)

2.2.7 Hàm trải trễ Doppler v( ,υ τ) là đối ngẫu của S ( , )τ υ

( ) ( , )exp-j2 fd

−∞ −∞

2.2.8 Hàm điều chế phụ phuộc tần số M(t,f) là đối ngẫu của T(f,t)

2.2.9 Mô tả của các kênh phụ thuộc thời gian ngẫu nhiên

Kênh tuyến tính tổng quát thay đổi theo thời gian có thể xem như là xếp chồng của một kênh xác định và một kênh có trung bình toàn thể bằng không,hoàn toàn ngẫu nhiên (hình vẽ)

-Kênh xác định xác định hoàn toàn bằng cách sử dụng trực tiếp các hàm hệ thống từ 1÷8.Các hàm này trở nên quá trình ngẫu nhiên một khi được sử dụng để mô tả thành phần ngẫu nhiên của kênh

-Rất khó xác định đầy đủ các dặc trưng thống kê của các hàm hệ thống khi mô tả thành biến đổi ngẫu nhiên  áp dụng giải pháp xác định các hàm tương quan cho một hàm hệ thống Bello bất kì (giải pháp này thiếu tính chặt chẽ song là một giải pháp thực tế)

a) Hàm tự tơng quan của một quá trình ngẫu nhiên giải thông

*/ Định nghĩa: Hàm tự tương quan R t t của một quá trình ngẫu nhiên y(t) là giá trị kỳ vọng Y( , )1 2

R t t =< <.> trung bình toàn thể hay kì vọng

**/ Đường bao phức của một hàm giải thông

Xét một hàm giải thông: y(t)=A(t)cos[2Π +f t c θ( )]t

(do Re z=1 *

2 z z+ )Nói chung với các quá trình băng hẹp thì hầu như z t z t( ) ( )1 2 =0 và điều này được giả thiết là đúng với các kênh vô tuyến di động Do đó

1( , ) Re ( ) ( ) expj2 ( )

2

R t t = z t z t Πf t −t (10)

b) Các kênh ngẫu nhiên biến đổi theo thời gian tổng quát

Từ đây ta sẽ nghiên cứu các biểu thức thông thấp tương tương Khi đó với hàm trải trễ lối vào (1) ta có:

Các quan hệ giữa hàm tự tương quan của tín hiệu lối ra kênh và các hàm tự tương quan của các

hẹ thống Bello trên đây có thể áp dụng được cho bất kì kênh tuyến tính biến đổi theo thời gian nào Việc

có được các quan hệ trên cho phép mô hình hoá kênh trong n/c.Tuy nhiên trong một số trường hợp kênh tuân theo một số các hạn chế nào đó thì hoàn toàn có thể đơn giản hoá nữa.Ta sẽ xét chúng trong mục sau.Trước khi bàn đến điều này ta sẽ có một số chú ý:

d, Các chú ý :

*/ Các hàm Bello có thể chia làm 2 tập, có thể được sắp xếp theo mẫu đối xứng theo quan hệ Foruier

**/Các hàm tự quan của các hàm Bello cũng có thể sắp đối xứng một cách tương tự Thí dụ ,

nếu U(f) tiền địnhnếu U(f) ngẫu nhiên

DF: Double Fourier Tranform

2.2.10 Các trường hợp đơn giản hoá

a/ Các kênh dùng theo nghĩa rộng (WSS: Wide-Sense Stationary)

*/ Định nghĩa :Một quá trình được gọi là dừng theo nghĩa rộng theo thời gian nếu như kì vọng và tự tương quan của nó độc lập với thời gian tuyệt đối >

Thí dụ :R t t h( , ; , )1 2 τ τ1 2 / WSS= R h( ; , )∆tτ τ1 2

; ∆ = −t t2 t1

Khi đó :R t t Z( , )1 2 =∫∫R h( ; , ) (∆t τ τ1 2 F t u 1−τ1,t2−τ τ τ2)d d1 2

→Hàm tự tương quan lối ra vẫn là một hàm của thời gian tuyệt đối

**/ Miến dịch tần Doppler mang cùng thông tin như miến thời gian do đi cặp qua biến đổi Foruier →

tính dừng cũng thể hiện trên miến dịch tần Doppler Cụ thể (theo hìnhvẽ trên cùng )

b/ Các kênh phân tán không tương quan (US : Uncorrelated Scattering)

Đây là kênh đối ngẫu với kênh WSS Các tín hiệu tới với các thời gian giữ chậm (trễ) khác nhau thì không tương quan

Ví kênh US: R (f ,f ; , ) US=R ( f ; , )H 1 2 υ υ1 2 H ∆ υ υ1 2

(Hàm trải Doppler lối ra)

R ( , ; , ) us=P ( ; , ) ( τ τ υ υ τ υ υ δ τ τ )

Hàm xung các tín hiệu tới với các độ trễ khác nhau thì không tương quan nhau

c/ Kênh phân tán không tương quan, dừng theo nghĩa rộng (NSSUS)

Là kênh hữu dụng nhất để mô tả vô tuyến di động thực tế Nó là mô hình kênh đơn giản nhất để phân tích thể hiện pha đinh tần số lẫn thời gian

d/ Các kênh phân tán không tương quan, chuẩn dừng (QWSSVS)

Để đặc trưng hoàn toàn một kênh WSSVS, các hàm tương quan nhất thiết phải được thiết lập tần

số (WSS) và theo thời gian(VS) Điều này không thực tế  kênh Quasi_WSSVS, trong đó kênh có phản ứng như một kênh WSSVS chỉ trong một khoảng tần số với khoảng thời gian hạn chế

e/ Ứng dụng: trong ứng dụng thực tế có thể thay đổi tính dừng theo thời gian bằng dừng theo tình trạng không gian của MS

2.3 Mô tả các kênh vô tuyến di động và phân loại kênh vô tuyến di động

2.3.1 Mô tả kênh vô tuyến di động

2.3.1.1 Mô tả kênh bằng các hàm Bello

a Sự biến đổi về không gian

Giả sử BS phát đơn tần không đổi, các vật gây phát tán kênh đều dừng Khi đó, sự thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian của biên độ và pha của tín hiệu thu tại MS phụ thuộc vào sự di động của MS Do vậy, đặc trưng của kênh có thể xem như phụ thuộc vào tình trạng không gian (vị trí) của MS hơn là phụ thuộc vào biến thời gian

b Mô tả kênh bằng các hàm Bello

Mô hình kênh QWSSVS đươc áp dụng, tức là kênh được phân chia theo tần số và thời gian sao cho các đặc trưng thống kê không biến đổi theo dịch chuyển tần số và thời gian (trong một khoảng B ﮪ T khá nhỏ), nghĩa là kênh WSS cả về tần số lẫn thời gian Việc mô tả 1 kênh QW ﮪ SVS như thế bằng các hàm BELLO liên quan tới các đặc trưng thống kê của kênh và được xét theo các vùng nhỏ hẹp và vùng rộng lớn

 Đặc trưng vùng nhỏ hẹp

Các vùng nhỏ hẹp là các khu vực có đường kính ≈ vài chục bước sóng Đối với các vùng này, kênh biểu hiện fading nhanh do chỉ thay đổi vị trí MS một chút cũng co s thể dẫn đến các thay đổi rất lớn về pha và biên độ tín hiệu thu, dẫn đến giao thoa các tia sóng có pha rất khác nhau ( do fc rất lớn ) có thể làm tín hiệu tăng lên hoặc giảm xuống

Đối với các vùng nhỏ hẹp, để đặc trưng được kênh phải tính được kỳ vọng và hàm tự tương quan của các hàm BELLO

Do kênh di động thuần tuý ngãu nhiên nên trung bình toàn thể (kỳ vọng ) của nó bằng 0 Giải pháp đặc trưng kênh do đó rút thành xác định hàm tương quan của bất kỳ 1 trong 8 hàm BELLO

Xét hàm trải trễ lối vào h(t, ﺡ) Theo trên, biến t có thể thay thế bằng biến vị trí p (place) của MS Do đó

nó trở thành h(p,z) Hàm tương quan của h(p,ﺡ ) với một vùng nhỏ hẹp là P (∆s ,ﺡ), ∆s là khoảng cách h

giữa các điểm tính h(p,ﺡ) Nếu ∆s = 0, P (∆s , h ﺡ) P h =(ﺡ ) được gọi là profile trễ công suất của kênh và

là mật độ phổ công suất của kênh như một hàm của trễ ﺡ

Mỗi một phép đoP (ﺡ ) đèu Lf 1 giá trị mẫu của tích h p *

h (p,z).h(p,ﺡ) taị một vị trí của MS (tại một p) và

hàm tương quan của kênh là ( h (p,z).h(p,ﺡ) ) lấy trên toàn khu vực : *

Phân tích các kết quả nhận được trong các vùng nhỏ hẹp trên suốt cả những vùng rộng lớn sẽ thu được

mô tả về đặc trưng thóng kê vùng rộng lớn, thể hiện phading chậm Phading chậm gây bởi các hiện tượng che khuất … Một MS di động trên 1 vùng rộng lớn sẽ gặp và chịu cả phading nhanh và chậm xếp chồng lên nhau

Đặc trưng thống kê vùng rộng lớn có thể được trình bày qua 2 giai đoạn :

• Đặc trưng bằng cách phân tích thống kê sự biến thiên các chỉ số diễn tả từ các kết đối với vùng hẹp

Chẳng hạn với các kênh băng rộng, các vùng rộng lớn có thể mô tả được thông qua phân bố của trải trễ

và trễ trung bình của profile trễ công suất trung bình hoặc thông qua độ rộng băng tương quan

• Phân tích sự biến thiên đối với các hàm BELLO trên vùng rộng lớn, thí dụ như với các kênh băng hẹp, điều này rút lại đánh giá sự biến thiên về cường

độ công suất trung bình

2.3.1.2 Mô tả thực tế kênh vô tuyến di động

Mục tiêu: Mô tả môi trường truyền sóng càng đơn giản càng tốt bằng cách dẫn ra một tập các

thông số phù hợp với việc tính toán quỹ công suất Đây là cách mô tả kênh phù hợp với các kỹ sư thực hành

Mô tả thực tế kênh di động qui về :

 Tổn hao đưồng truyền; (luật tổn hao)

 Đặc trưng phading nhanh

 Đặc trưng phading chậm

a Tổn hao đường truyền

(như đã trình bày trong §2.1)

b Đặc trưng phading chậm

Có phân bố chuẩn logarit theo dB do các ảnh hưởng che khuất ngẫu nhiên có phân bố chuẩn Kết luận này rút ra từ phân tích thống kê các số liệu đo lưòng

c Đặc trưng thống kê phading nhanh

• Đặc trưng thống kê phading nhanh

Bất luận các tia truyền lan có phân bố thế nào đối với hai thành phần vuông pha trong tín hiệu thu (a , i a q

) thì phân bố của chúng cũng là chuẩn do ođịnh lý giới hạn trung tâm Khi đó các đặc tính pha và biên độ của tín hiệu tương đương thông thấp sẽ là:

a(k) = a k i2( )+a q2( )k

∅(k)= arctg [a (k) / i a (k)] q

Mục đích của ta là xác định phân bố biên độ của a(k) khi đã biết a (k) và i a (k) là có phân bố chuẩn q

(Gao –xơ)

Tổng quát, với n quá trình ngẫu nhiên thành phần có phân bố chuẩn với kỳ vọng a và có chung i

phương sai σ thì quá trình tổng y = 2

1

n i i

a

=

∑ sẽ có phân bố χ2 có pdf :p(y)=

s y

y s n

+

−

+ ; y≥ 0 (*)

∑ được gọi là thông số không trung tâm Nếu a =0 với i ∀i thì 2

s và χ2 được gọi là trung tâm , khácdi thì phân bố χ2 là không trung tâm,I (x) là hàm Bessel bậc k loại 1 cải biên : k

Γ(p) = 1

0

Do đó : p(a)=p(y)dy/da =2a p(y)

Áp dụng vào (*) ta có hàm mật độ xác suất Rice :

a K

a Rayleig

( )

2

2 2

2 ( 1)

( 1) 1

1lim

2 / 2

K K

K K

e

K

e K

α α

α

απ

Tiến tới một pdf Gauss có kỳ vọng =1 , phương sai 1/2K ≈0

2.3.2 Phân loại các kênh vô tuyến di động

2.3.2.1 Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu

2.3.2.2 Phân loại kênh theo môi trường truyền sóng

a Kênh vô tuyến di động trong nhà

Do kích thước tế bào nhỏ, trải trễ khá nhỏ (độ rộng các thùng –“bin”- thường không vượt quá

500ns), tốc độ truyền có thể đạt lớn (tới 2Mb/s) mà không cần san bằng kênh

b Kênh vô tuyến di động ngoài trời (out- door)

Kích thước tế bào lớn, số vật gây phân tán kênh lớn nên trải trễ có thể đạt rất lớn, do vậy hạn chế tốc độ truyền và đòi hỏi san bằng kênh

2.3.2.2 Phân loại kênh theo đặc tính phading nhanh

a Kênh phading Rice (Kênh Rice)

Là kênh trong trường hợp trong số các tia tới máy thu có một tia trội, thường là tia LOS K.hi đó phading nhanh sẽ có phân bố Rice

Tham số Rice : K= công suất tia trội / ∑ công suất các tia tán xạ

b Kênh Gao – xơ :(Kênh tốt nhất, như kênh lý tưởng )

Khi K= ∞, ( trường hợp của tia chỉ có 1 tia LOS) thì phân bố Rice chính là phân bố Gao – xơ Khi

này, tác động chủ yếu tới tín hiệu thu là tạp âm nhiệt cố phân bố Gauss Trong các vi tế bào hoàn toàn có thể gặp loại kênh này

c Kênh Rayleigh

Khi K = 0, ( trưòng hợp không có một tia trội ), phân bố Rice trở thành phân bố Rayleigh Thường gặp trong tế bào lớn, địa hình phức tạp

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II

Câu 1 Các tác động cơ bản trên đường truyền vô tuyến trong hệ thống thông tin di động?

Câu 2 Các phương pháp mô tả kênh vô tuyến di động?

CHƯƠNG III CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG

3.1 Các kỹ thuật trải phổ

3.1.1 Giới thiệu chung và phân loại

a Giới thiệu chung

Các hệ thống trải phổ là các hệ thống sử dụng tín hiệu có băng tần rất rộng, gấp hàng trăm lần tốc

độ bit của hệ thống nhờ sử dụng việc trải phổ tín hiệu bằng các tín hiệu giả tạp PN Cơ sở của kỹ thuật trải phổ là định lý Shannon (Claude Elwood Shannon, 1916 – 2001)

C = Wlog2 (1+ S/N)C: Dung lượng hệ thống

W: Độ rộng băng truyền dẫn

S,N: Công suất tín hiệu và tạp nhiễu

Nhờ tăng W, tỷ số S/N có thể giảm xuống rất thấp, thậm chí nhỏ hơn 1

Đặc điểm cơ bản:

- Khả năng chống nhiễu tập trung, cố ý (jamming) rất cao

- Khả năng bảo mật thông tin cao

Các hệ thống thông tin trải phổ là các hệ thống có độ rộng băng tín hiệu rất rộng, tuy nhiên không phải hệ thống tín hiệu băng rộng nào cũng là hệ thống trải phổ Một hệ thống được định nghĩa là hệ thống trải phổ nếu:

- Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều lần bề rộng băng tối thiểu Bi để truyền tin

- Việc trải phổ tín heieuj được thực hiện nhờ tín hiệu trải, được gọi là mã trải phổ, độc lập với

dữ liệu cần truyền Tín hiệu trải được lựa chọn sao cho tạo ra một phổ tổng cộng gần với phổ của tạp âm

- Quá trình nén phổ được thực hiện nhờ tính tương quan giữa tín hiệu thu được và tín hiệu giải trải phổ là bản sao đồng bộ của tín hiệu trải đã sử dụng ở phần phát Như vậy, các hệ thống điều chế băng rộng như điều chế tần số, điều chế xung mã dù có phổ rất rộng song không phải là các hệ thống trải phổ

- Hiệu quả chống nhiễu của hệ thống trải phổ được đánh giá qua tăng ích xử lý PG (Processing Gain): PG = W/Bi

Tốc độ trải và giải trải phổ được thực hiện bằng chuỗi PN, gọi là chuỗi chip có tốc độ lớn hơn rất hơn rất nhiều lần với tốc độ số liệu

b Phân loại

Các hệ thống trải phổ được chia thành 2 loại chính:

- Hệ thống trải phổ nhảy tần (FH: Frequency Hopping): Tín hiệu trải (chuỗi chip giả ngẫu nhiên) được sử dụng để điều khiển tần số sóng mang

- Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS: Direct Sequence): Hệ thống này còn được gọi là hệ thống giả nhiễu, trong đó chuỗi chip giả ngẫu nhiên được sử dụng để điều khiển để nhân trực tiếp với chuỗi số liệu

c Ứng dụng trong thông tin di động

 Trải phổ nhảy tần: Được sử dụng trong hệ thống GSM-900 như lột chọn lựa (option) nhằm chống nhiễu do các hệ thống khác gây nên ( chống nhiễu tập trung)

 Trải phổ chuỗi trực tiếp : Nguyên lý trải phổ chuỗi trực tiếp cho mphếp sử dụng trong phương thức đa truuy nhập : CDMA Trong đó mỗi một thuê bao truy nhập mạng bằng một

mã trải phổ riêng Các mã trải phổ của các thuê bao khác thì trực giao với nhau

3.1.2 Hệ thống trải phổ nhảy tần

a Sơ đồ khối đơn giản: Tài liệu tham khảo

x(t) =s(t) exp j [ω(t) + ωLO]t với LO : Local Osilator

LO

ω : Tần số tự do của bộ dao động nội khi chưa có điều khiển nhảy tần

ω(t): Lượng gia số tần số điều khiển bởi chuỗi chip PN

Nếu chu kỳ của chuỗi PN là n thì số giá trị có thể có của ω(t) là 2 1n− ( do chuỗi toàn 0 bị loại ), hổ tín

hiệu lối ra x(t) có độ rộng W= ( 2 1n − )δω không phụ thuộc vào tốc độ chip 1

c

T .

 Khi T c >T o : nhảy tần chậm

 Khi T c <T o : nhảy tần nhanh T :độ rộng xung số liệu s(t) o

Thông thường δω được chọn sao cho các tần số nhảy nằm cách biệt nhau :

b Biểu đồ thời gian của tần số tín hiệu sau trải phổ nhảy tần (chậm): Tham khảo trong tài liệu

3.1.3 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

a Sơ đồ khối đơn giản: Tham khảo trong tài liệu

b Nguyên tắc hoạt động trên hệ thống tương đương thông thấp

Chuỗi số liệu d(t) có phổ D(f), chuỗi chip PN c(ta) có phổ C(f) tiín hiệu truyền đi c(t) d(t) có phổ C(f) *D(f) rộng cỡ phổ của c(f) do c(t) có tốc độ lớn hơn d(t) nhiều lần

Ở phần thu, tín hiệu nhận được : c(t) d(t) + I(t) + n(t)

I(t) : nhiễu tập trungn(t): tạp âm nhiệt trắng chuẩnSau trải phổ :

W(t) = c(t) d(t) c(t) + I(t) c(t) + n(t).d(t)

Do : c(t) c(t) = 1 nên :

W(t) = d(t) + I(t) c(t) + n(t).d(t)Vậy phổ của nhiễu tập trung I(f) được trải rộng ra Tỷ số S/N tăng

Tín hiêu pilot (toàn 0)

Kết hợp tính trọng số và điều chế cầu phương Ghép xen

Mặt nạ kênh

paging

Mặt nạ kênh paging

PNI

PNQ Kênh lưu lượng

Tín hiệu phátCDMAKênh đồng bộ

Kênh paging

3.2 Sơ đồ khối các hệ thống TDMA và CDMA

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống TDMA

a Sơ đồ khối

Chức năng các khối :

- Mã hoá tiếng nói : Mã hoá tiêng nói tốc độ bit thấp nhằm tiết kiệm phổ

- Mã hoá kênh : M hoá chống tác đông của nhiễu trên kênh

- Ghép xen : Trợ giúp quá trình mã hoá, có tác dụng giải tương quan lỗi

- Đóng gói: Ghép các tín hiệu khác nhau thành gói tin : tín hiệu đồng bộ, tín hiệu dò kênh

- MOD: Điều chế số với phương pháp điều chế phổ hẹp

- DEMUX : Phân kênh các tín hiệu của một gói

- Hàm mờ : Căn cứ chuỗi dò đường thu được để tính ra trạng thái kênh để điều khiển bộ san bằng

- Lọc phối hợp : Chống tác động của tạp / nhiễu

- Giải ghép xen : Ngược với ghép xen

- Giải mã tiếng nói : Tổng hợp lại tiếng nói

b Cấu trúc khung tín hiệu TDMA

SYN: Tín hiệu đồng bộ ; P: chuỗi dò kênh ; DATA : Số liệu lưu lượng ; G : khoảng phòng vệ chống

lấn giữa các TS do chênh lệch khoảng cách về BS ;

S : Đầu khe ; T : Đuôi

3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống CDMA

a Sơ đồ khối của hệ thống Qualcom(tuyến phát, đường xuống)

b Một số khái niệm bổ sung

* Mã Walsh – cách tạo

- Sử dụng ma trận Hadamard

- Tính chất: Các tổ hợp mã Walsh đều trực giao với nhau:

÷W ( ).W ( )uuri t uuvj t =δij

- Sử dụng để phân kênh đường xuống

* Các kênh trong hệ thống CDMA

- Kênh Pilot: sử dụng cho đồng chỉnh tần số W0 ={0,0,0….0}

-Kênh đồng bộ: Sử dụng cho đồng bộ clock W2={0,1,0,1…0,1}

-Các kênh Paging và traffic (lưu lượng )

Sử dụng 62 mã Walsh còn lại

Kênh Paging được sử dụng để: - Thông báo thông tin về hệ thống

- Đáp tín hiệu xin truy nhập của MS

3.2.3 Các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin di động

- Hiệu quả sử dụng phổ: (số người sử dụng / đơn vị tần số/cell)

- Chất lượng âm thanh

- Mức độ phức tạp của thiết bị, giá thành của MS và BS

- Tính tiện lợi mang xách( kích thước, trọng lượng)

- Mức độ tiêu thụ nguồn

- Độ tin cậy của thiết bị & độ tin cậy phủ sóng

- Mức độ bảo mật

- Khả năng đáp ứng nhiều dịch vụ

3.3 Mã hóa tiếng nói trong thông tin di động

3.3.1 Giới thiệu chung

a Giới thiệu chung

* Chất lượng một hệ thống thông tin di động phần lớn được đánh giá qua:

- Chất lượng tiếng nói khôi phục (độ chính xác )

- Dung lượng hệ thống, đánh giá qua só người sử dụng có thể đồng thời sử dụng dịch vụ (tính nhanh chóng, hiệu quả theo nghĩa rộng)

Độ rộng băng tần là một tài nguyên đắt giá trong thông tin di động, do đó các nhà cung cấp dịch

vụ luôn phải đối mặt với các đòi hỏi về cung cấp dịch vụ cho nhiều người sử dụng trong một băng tần hạn chế, với một chất lượng tiếng nói tốt nhất có thể được Với một chất lượng xác định, tốc độ bit của tiếng nói đã mã càng thấp thì càng có nhiều có thể sưu dụng dịch vụ trong một độ rộng băng đã cho Do

đó rất nhiều nỗ lực đã được tiến hành nhằm có được các bộ mã hoá tiếng nói với một chất lượng chấp nhận được (thường các nhà thiết kế chấp nhận chất lượng near loll- quality) với:

- Tốc độ thấp

- Mức độ phức tạp thiết bị thấp

- Giữ chậm xử lý thấp

- Mức độ tiêu thụ nguồn thấp

Nói chung, các yêu cầu trên (chất lượng tiếng nói, tốc độ bit, mức độ phức tạp mức độ tiêu thụ nguồn

& trễ xử lý) thường mâu thuẫn nhau, phải dung hoà

b Các đặc tính của tiếng nói

* Dẫn nhập:

-Cấu trúc và thuật toán của các bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số có thể độc lập hay phụ thuộc vào đặc trưng của nguồn tín hiệu tương tự, và do đó có thể rất khác nhau Khi tín hiệu là tiếng nói, việc biết được các đặc tính của tiếng nói (đặc trưng của nguồn) có thể cho phép tối ưu hoá các bộ

mã hoá tiếng nói theo một số tiêu chí:

** Các đặc tính của tiếng nói

Tiếng nói có một số tính chất có thể khai thácđược trong thiết kế các bộ mã hoá có hiệu quả cao (

có độ nén tín hiệu lớn ):

- Tính chất có phổ hạn chế:

Tiếng nói có thể hạn phổ mà không mang lại sai số thụ cảm đáng kể  có thể áp dụng định lý lấy mẫu với tốc đọ mẫu hữu hạn và tiếng nói có thể khôi phục được “hoàn toàn” từ chuỗi tín hiệu mẫu Đây là cơ sở của thuật toán lấy mẫu - rời rạc hoá

- Có hàm mật độ xác suất của trị biên độ là không đều:

Pdf của biên độ tiếng nói là một hàm không đều: tín hiệu có biên độ rất lớn có xác suất xảy ra nào đó, tín hiệu có biên độ ≈0 thì có xác suất xảy ra rất lớn Pdf giảm đơn điệu từ các giá trị biên độ ≈0 tới các giá trị biên độ rất lớn ( pdf chính xác thì phụ thuộc vào độ rộng băng của tín hiệu vào và các điều kiện ghi âm)

Làm phần đưng: pdf dài hạn ( long- term pdf) :

Pdf này có đỉnh tại x=0 mà nó là do trong tiếng nói rất thường có các đoạn nghỉ và các đoạn có mức biên độ thấp

Pdf ngắn hạn ( short – time pdf): thường được xấp xỉ bằng phân bố chuẩn( Gauss)

Ứng dụng: lượng tử hoá không đều

- Hàm tự tương quan (ACF Auto Correiation Function)

Tương quan rất lớn giữa các mẫu liên tiếp của tiếng nói  trong một mẫu tiếng nói, phần lớn có thể dễ dàng dự đoán được từ giá trị của các mẫu trước đó, là cơ sở của các thuật toán ACF:

X(k) : mẫu tiếng nói thứ k

ACF thường được chuẩn hoá theo phương sai của tín hiệu tiếng nói, do đó giá trị của ACF hạn chế trong [ -1,1] với C(0) ≅1 Các tín hiệu tiếng nói tiêu biểu có trị hàm tương quan mẫu kế bên (C(1)) thường là 0.85 ÷0.9

- Hàm mật độ phổ công suất (PSD: Power Spectrum Density)

PSD của tín hiệu tiếng nói có tính chất là một hàm không đều  có thể có được sự nén tín hiệu đáng kể nhờ mã hoá tiếng nói trên miền tần số.

Độ đo định lượng của tăng ích mà cực đại lý thuyết có thể đạt được nhờ khai thác đặc tính PDS không đều là SFM (độ đo mức độ bằng phẳng của phổ:Spectral Flatness Measure) SFM là tỷ số trung bình số học và trung bình hình học của các mẫu của PDS lấy trên các khoảng cách tần số đều:

2 1 1 2 1

1 N

k k

N N k k

S N S

∏ trong đó Sk là mẫu tần số thứ k của PDS tiếng nói

Tiêu biểu: các tín hiệu tiếng nói có giá trị SFM dài hạn bằng 8 và SFM ngắn hạn biến đổi trong một dải rông từ 2÷500

c Phân loại mã hoá tiếng nói

LPC: Linear Predictive Coding: Mã hoá dự đoán tuyến tính SBC: Sub Band Coding: Mã hoá băng con

ATC: Adaptive Transform Coding: Mã biến đổi thích nghi ADPCM: Adaptive Differential PCM: PCM vi sai thích nghiCác đặc điểm cơ bản: Các bộ mã hoá dạng sóng: về nguyên tắc được thiết kế để có được tính chât độc lập với nguồn tín hiệu, do đó có thể mã hoá như nhau đối với một loạt loại tín hiệu (tiếng nói, tín hiệu truyền thanh, truyền hính…)

Ưu điểm: đơn giản, thích hợp với nhiều tính chất khác nhau của tín hiệu và khỏe trên môi trường

có tạp nhiễu

Tuy nhiên các bộ mã hoá dạng sóng chỉ đạt được mức độ tiết kiệm về tốc độ bit song nói chung

độ phức tạp cao Chúng dựa trên việc sử dụng hiểu biết tiên nghiệm về tín hiệu được mã hoá

3.3.2 Mã hoá băng con

a Mã hoá miền tần số tín hiệu tiếng nói

Được đề xuất từ 1979 (Crochiere và Tribolet) Tín hiệu tiếng nói được chia thành một tập các thành phần tần số rồi được lượng tử hoá và mã hoá riêng biệt Bằng cách này, các băng tần số khác nhau

CÁC BỘ MÃ HOÁ TIẾNG NÓI

có thể được mã hoá một cách có ưu tiên theo một số tiêu chuẩn thụ cảm cho từng băng, nhờ đó tạp âm lượng tử có thể được nén (kiềm chế) bên trong các băng

Ưu điểm: Số bit dùng để mã có thể thay đổi động được và có thể chia sẻ giữa các băng khác nhau

b Mã hoá băng con

* Phép lượng tử hoá là một thuật toán phi tuyến, gây ra các sản phẩm méo có phổ rộng Tai người thì không nhận biết các méo này như nhau ở mọi tần số Do đó có thể nhận được một sự cải thiện đáng kể về chất lượng bằng cách mã tín hiệu theo các băng hẹp SBC, do đó có thể xem được như một phương pháp kiểm soát và phân phối tạp âm lượng tử một cách thích hợp trên toàn bộ băng tín hiệu

** Trong SBC., tiếng nói được chia thành 4 hay 8 băng con nhờ một loạt các mạch lọc Sau đó, từng băng con được lấy mẫu và mã hoá với độ chính xác khác nhau tuỳ theo tiêu chuẩn thụ cảm

Việc chia băng con có thể tiến hành theo hai cách:

- Chia đều, song tuỳ theo tiêu chuẩn về méo thụ cảm được mà mã từng băng với một tốc độ bit riêng khác nhau

- Chia không đều băng tiếng nói thành các băng con có đóng góp như nhau về méo thụ cảm được Thí dụ (Crochiere):

Số thứ tự băng con Giải tần số(Hz)

+> Bộ giải mã tiếng nói SPC:

Multiplexer

DEMUX

S(t)