Phân tập đa người dùng trong hệ thông tin băng rộng

Ý tưởng cơ sở của phân tập là: nếu hai hay nhiều bản sao của một tín hiệu được phát, chúng sẽ suy giảm theo các cách không tương quan với nhau, một số bị suy giảm rất lớn, trong khi số k

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG

TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÀNH HIẾU 

MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA……… ……….I LỜI CAM ĐOAN……… II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII

MỞ ĐẦU IX

CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP 1

I.PHÂNTẬP 1

1 Phân tập thời gian 1

2 Phân tập tần số 2

3 Phân tập không gian 2

4 Các phương pháp kết hợp phân tập 3

4.1 Kết hợp lựa chọn 3

4.2 Kết hợp chuyển mạch 4

4.3 Kết hợp tối đa tỉ lệ 5

4.4 Kết hợp cùng hệ số 6

II.VẤNĐỀĐANGƯỜIDÙNG 6

1 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) 7

2 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) 8

3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 9

4 Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) 10

CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN 12

I.KÊNHVÔTUYẾNCHUNG 12

1 Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến 12

1.1 Kênh vô tuyến là một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian 12

1.2 Mô hình băng cơ sở tương đương 13

1.3 Mô hình băng cơ sở rời rạc 16

1.4 Ồn trắng cộng tính 17

2 Mô hình thống kê của kênh vô tuyến 18

II.KÊNHMIMO 19

1 Mô hình tán xạ vật lý 19

2 Mô hình tương quan không gian 21

3 Mô hình rời rạc 22

3.1 Chuẩn hóa 22

3.1.1 Kênh 22

3.1.2 Năng lượng tín hiệu 23

3.1.3 Ồn 23

3.2 Mô hình tín hiệu kênh MIMO rời rạc 23

3.2.1 Kênh phẳng 23

3.2.2 Kênh lựa chọn tần số 23

4 Kênh đa người dùng và can nhiễu 24

4.1 Kênh đa người dùng 24

4.2 Can nhiễu 25

4.2.1 Can nhiễu SIMO 25

4.2.2 Can nhiễu MISO 25

CHƯƠNG 3: DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 27

I.DUNGNĂNGKÊNHMIMOĐANGƯỜIDÙNGBĂNGTHÔNGHẸP 27

1 Mô hình 27

1.1 Các anten độc lập với nhau 29

1.2 Các anten tương quan với nhau 29

1.3 Dung năng ngưng kênh 30

2 Mô phỏng 30

2.1 Trường hợp 1: Không phân tập 30

2.2 Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan 31

2.3 Trường hợp 3: Phân tập, tương quan 33

2.4 Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin 34

II.DUNGNĂNGKÊNHMIMOĐANGƯỜIDÙNGBĂNGTHÔNGRỘNG 36 1 Mô hình 36

1.1 Các anten độc lập với nhau 38

1.2 Các anten tương quan với nhau 38

2 Mô phỏng 39

2.1 Trường hợp 1: Không phân tập 39

2.2 Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan 39

2.3 Trường hợp 3: Phân tập, tương quan 40

2.4 Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin 41

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC A 46

PHỤ LỤC B 47

PHỤ LỤC C 49

PHỤ LỤC D 50

PHỤ LỤC E 51

PHỤ LỤC F 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

OFDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

ZMCSCG: Biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng vòng có trung bình bằng 0

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn 3

Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch 4

Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ 5

Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số 7

Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian 9

Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã 10

Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian 11

Hình 2.1: Minh họa nâng tần từ lên , sau đó hạ tần trở lại 14

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống từ tín hiệu phát băng cơ sở đến tín hiệu thu băng cơ sở 15

Hình 2.3: Một sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh 18

Hình 2.4: Sơ đồ sóng phát trên một anten mảng 19

Hình 2.5: Minh họa bộ tán xạ gây trễ và góc tới trong kênh: a) SIMO; b) MISO 20

Hình 3.1: Mô hình đường xuống của hệ thống MIMO đa người dùng giao tiếp với một điểm truy cập 27

Hình 3.2: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng hẹp 31

Hình 3.3a: Dung năng kênh MIMO N 2 băng hẹp 32

Hình 3.3b: Dung năng kênh MIMO N 4 băng hẹp 33

Hình 3.4: Dung năng kênh MIMO N 4 băng hẹp trong 2 trường hợp các anten độc lập và tương quan với hệ số 0.8 34

Hình 3.5a: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO 4 ứng với SNR = -10dB 35

Hình 3.5b: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO 4 ứng với SNR = 10dB 36

Hình 3.6: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng rộng 39

Hình 3.7: Dung năng kênh MIMO 4 băng rộng 40

tương quan khác nhau 41 Hình 3.9: Đồ thị phân phối tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO

4 băng rộng 43

Nội dung luận văn gồm 3 chương:

- Chương I: Phân tập và đa truy cập

- Chương II: Kênh vô tuyến

- Chương III: Dung năng kênh MIMO đa người dùng

Tôi xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Thành Hiếu đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Tôi cũng muốn cám ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn

CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP

I Phân tập

giảm thiểu hậu quả của pha-đinh đa đường và làm tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không cần tăng công suất truyền hoặc hy sinh băng thông Kỹ thuật này yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát ở bên thu, chúng đều mang cùng thông tin nhưng với tương quan nhỏ trong thống kê pha-đinh Ý tưởng cơ sở của phân tập là: nếu hai hay nhiều bản sao của một tín hiệu được phát, chúng sẽ suy giảm theo các cách không tương quan với nhau, một số bị suy giảm rất lớn, trong khi số khác suy giảm nhỏ Điều này nghĩa là xác suất tất cả các bản sao đồng thời nhỏ hơn một mức nào đó thấp hơn bất kỳ xác suất bản sao nào nhỏ hơn mức đó Do đó, một sự kết hợp phù hợp nhiều bản sao sẽ giảm thiểu đáng kể pha-đinh sâu, và từ đó, tăng độ tin cậy truyền tin

dụng để đạt được hiệu năng mong muốn Tùy theo miền phân tập được đưa vào, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian

1 Phân tập thời gian

trên các khe thời gian khác nhau, đưa đến các tín hiệu pha-đinh không tương quan

ở bên thu Khoảng cách giữa các khe thời gian được yêu cầu không nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh Thời gian kết hợp là một đại lượng thống kê cho biết khoảng thời gian mà quá trình pha-đinh còn tương quan Mã điều khiển lỗi thường dùng trong kỹ thuật truyền thông số cũng được sử dụng để cung cấp độ lợi mã hóa Trong truyền thông di động, nó được kết hợp với kỹ thuật ghép xen để đạt được phân tập thời gian Trong trường hợp này, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian giữa các bản sao được tạo ra do ghép xen để đạt được pha-đinh độc lập tại đầu vào của bộ giải

mã Vì ghép xen gây ra trễ giải mã nên kỹ thuật này thường hiệu quả đối với môi trường pha-đinh nhanh, trong đó thời gian kết hợp của kênh nhỏ Trong pha-đinh chậm, ghép xen có thể gây nên trễ vượt mức cho phép đối với các ứng dụng nhạy trễ như thoại Điều này khiến phân tập thời gian bị loại bỏ trong một số hệ thống di

động Một trong các hạn chế của kỹ thuật này là mất mát băng thông do có sự dư thừa trong miền thời gian

2 Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, nhiều tần số khác nhau được sử dụng để truyền cùng một bản tin Các tần số này phải tách biệt nhau để đảm bảo pha-đinh ứng với mỗi tần số độc lập với các tần số khác Để đạt được điều này, khoảng cách tần số phải lớn gấp vài lần băng thông kết hợp của kênh Băng thông kết hợp với các môi trường lan truyền khác nhau là khác nhau Trong truyền thông di động, các bản sao của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền tần số được thực hiện bởi trải phổ như trải phổ chuỗi trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Các kỹ thuật trải phổ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ Nhưng khi băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải thì trễ đa đường sẽ liên quan tới chu kỳ ký hiệu Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Cũng giống như phân tập thời gian, phân tập tần số làm mất mát băng thông do gây ra sự dư thừa trong miền tần số

3 Phân tập không gian

được gọi là phân tập anten Phân tập không gian thường được thực hiện sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp cạnh nhau trong không gian để phát hoặc thu Các anten được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu riêng

rẽ không tương quan với nhau Khoảng cách yêu cầu thay đổi theo độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số Thông thường, giá trị này chỉ cần cỡ một vài bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tương quan Trong phân tập không gian, các bản sao của tín hiệu phát được gửi đến bộ thu theo dạng dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm mất mát băng thông Đặc tính này rất hấp dẫn đối với truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai

Trong phân tập phân cực, các tín hiệu phân cực ngang và dọc được phát đi bởi hai anten phân cực khác nhau và được nhận cũng bởi hai anten phân cực khác nhau Việc phân cực khác nhau đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không cần đặt hai anten cách xa nhau Phân tập góc thường áp dụng trong việc phát với tần số sóng mang lớn hơn 10GHz Trong trường hợp này, khi các tín hiệu phát tán xạ

mạnh trong không gian thì các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với nhau Do đó, hai hoặc nhiều anten định hướng có thể được đặt theo các hướng khác nhau ở bên thu để thu được các bản sao không tương quan của tín hiệu phát

Tùy theo nhiều anten được sử dụng cho việc thu hay phát, chúng ta có thể chia phân tập không gian thành hai loại: phân tập thu và phân tập phát Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng ở bên thu để lấy các bản sao độc lập của tín hiệu phát Các bản sao này được kết hợp thích hợp để làm tăng SNR và làm giảm pha-đinh đa đường Trong phân tập phát, nhiều anten được khai thác ở bên phát Bản tin được xử lý ở bên phát sau đó trải trên nhiều anten

4 Các phương pháp kết hợp phân tập

Đặc trưng then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất suy giảm sâu đồng thời của các kênh con thấp Nói chung, hiệu năng của các hệ thống truyền thông sử dụng phân tập phụ thuộc vào việc các bản sao tín hiệu được kết hợp ở bên thu như thế nào để làm tăng SNR (Signal-to-noise ratio) Do đó, các kỹ thuật phân tập còn có thể được phân loại theo phương pháp kết hợp được khai thác ở bên thu Dựa vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh cần biết ở bên thu, có bốn phương pháp kết hợp chính: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp cùng

hệ số và kết hợp tối đa tỉ lệ

4.1 Kết hợp lựa chọn

Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn[3]

Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất Xét một hệ thống

nhất ở mỗi khoảng ký hiệu được lựa chọn làm đầu ra, để SNR đầu ra bằng SNR của tín hiệu vào tốt nhất Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất phát cộng công suất

ồn cao nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR

4.2 Kết hợp chuyển mạch

phân tập và chọn một nhánh với SNR cao hơn một ngưỡng đặt trước Tín hiệu này được chọn làm đầu ra cho đến khi SNR của nó rơi xuống dưới ngưỡng Khi điều này xảy ra, bên thu quét lại và chuyển tới nhánh khác Kỹ thuật này còn được gọi là phân tập quét

Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch[3]

lấy liên tục tín hiệu tức thời tốt nhất Tuy nhiên, nó dễ thực hiện hơn khi không yêu cầu theo dõi liên tục tất cả các nhánh phân tập

Với cả hai kỹ thuật trên, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong số tất cả các nhánh phân tập Hơn nữa, chúng không yêu cầu thông tin trạng thái kênh Chính vì vậy, hai kỹ thuật này có thể được sử dụng kèm với điều chế kết hợp hoặc không kết hợp

4.3 Kết hợp tối đa tỉ lệ

Kết hợp tối đa tỉ lệ là phương pháp kết hợp tuyến tính Trong một quá trình kết hợp tuyến tính nói chung, các đầu vào được nhân trọng số rồi cộng lại để có được tín hiệu ra Các trọng số được lựa chọn theo nhiều cách

Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ[3]

Hình 1.3 chỉ ra sơ đồ khối của phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ Tín hiệu đầu

ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao với trọng số, được cho bởi:

Với là tín hiệu thu được ở anten thu thứ , và là nhân tử trọng số cho anten thu Trong kết hợp tối đa tỉ lệ, nhân tử trọng số của mỗi anten thu được chọn tỉ lệ với

tỉ số điện áp tín hiệu trên công suất ồn của chính nó Gọi và ∅ lần lượt là biên

độ và pha của tín hiệu thu Giả sử rằng các anten thu có cùng công suất ồn trung bình, nhân tử trọng số được biểu diễn như sau:

Phương pháp này được gọi là kết hợp tối ưu vì nó làm tối đa SNR đầu ra Nó chỉ ra rằng SNR đầu ra tối đa bằng tổng các SNR tức thời của các tín hiệu riêng lẻ

tương ứng với nó rồi lấy tổng Kỹ thuật này không yêu cầu pha của tín hiệu và biên

độ pha-đinh của kênh Bởi vậy, nó có thể được sử dụng kèm với tách sóng kết hợp, nhưng không thích hợp với tách sóng không kết hợp

4.4 Kết hợp cùng hệ số

Kết hợp cùng hệ số là phương pháp kết hợp tuyến tính gần tối ưu nhưng đơn giản Nó không yêu cầu ước lượng biên độ pha-đinh của mỗi nhánh Thay vào đó, bên thu đặt biên độ của các nhân tử trọng số là đồng nhất

Theo cách này, tất cả các tín hiệu thu là đồng pha và được cộng với nhau với cùng hệ số Hiệu năng của kết hợp cùng hệ số chỉ kém hơn một chút so với kết hợp tối đa tỉ lệ, nhưng độ phức tạp của nó giảm đi đáng kể

II Vấn đề đa người dùng

Chúng ta đã biết tín hiệu có băng thông B và thời gian T chiếm không gian 2BT

Để hỗ trợ nhiều người dùng, không gian tín hiệu của hệ thống phải được cấp phát cho nhiều người dùng khác nhau Việc cấp phát không gian tín hiệu tới những người dùng cụ thể được gọi là đa truy cập

những kênh này tới những người dùng khác nhau Các phương pháp phổ biến nhất thường dùng là chia không gian tín hiệu theo các trục thời gian, tần số hoặc mã Sau đó, các kênh người dùng khác nhau được tạo nên từ việc phân chia trực giao hoặc không trực giao trên các trục này: đa truy cập phân chia theo thời gian (Time division multiple access: TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency division multiple access: FDMA) là các phương pháp kênh hóa trực giao, trong khi

đa truy cập phân chia theo mã (Code division multiple access: CDMA) có thể trực giao hoặc không trực giao phụ thuộc vào thiết kế mã Anten định hướng, thường đạt được thông qua việc xử lý anten mảng, thêm vào một không gian góc mà cũng

có thể được sử dụng để kênh hóa không gian tín hiệu Kỹ thuật này được gọi là đa

truy cập phân chia theo không gian (Space divison multiple access: SDMA) Hiệu năng của các phương pháp đa truy cập khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của chúng và việc chúng được sử dụng ở đường lên hay đường xuống TDMA, FDMA

và CDMA trực giao là tương đương theo nghĩa chúng chia trực giao không gian tín hiệu, do đó chúng tạo ra số lượng kênh trực giao bằng nhau Đặc biệt, với một không gian tín hiệu 2BT cho trước, chúng ta có thể tạo ra N kênh trực giao 2BT/N, không phụ thuộc vào việc phương pháp kênh hóa nào được sử dụng Kết quả là, tất

cả các kỹ thuật đa truy cập mà chia trực giao không gian tín hiệu có dung năng bằng nhau trên kênh AWGN (Additive white Gaussian noise) Tuy nhiên, sự làm suy yếu kênh như pha-đinh phẳng và pha-đinh lựa chọn tần số ảnh hưởng tới các kỹ thuật này theo các cách khác nhau, dẫn tới các dung năng kênh và hiệu năng khác nhau trong thực tế

1 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

Trong FDMA, không gian tín hiệu được chia trên trục tần số thành các kênh không trùng lặp, mỗi người dùng được cấp một kênh tần số khác nhau Giữa các kênh thường có khoảng bảo vệ để bù cho các bộ lọc không hoàn hảo, nhiễu kênh lân cận và trải phổ do Doppler Nếu các kênh này đủ hẹp thì ngay cả khi tổng băng thông hệ thống là lớn, chúng cũng không phải chịu pha-đinh lựa chọn tần số

Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số[1]

Việc truyền liên tục theo thời gian có thể làm phức tạp chức năng phần mào đầu như ước lượng kênh vì các hàm này phải được thực hiện đồng thời và trong

cùng băng thông với dữ liệu truyền FDMA cũng yêu cầu máy thu nhạy tần có thể điều chỉnh tới các sóng mang khác nhau ứng với các kênh khác nhau Rất khó để gán nhiều kênh tới cùng một người dùng trong FDMA vì điều này yêu cầu máy thu tách đồng thời các tín hiệu trên nhiều kênh tần số FDMA là tùy chọn đa truy cập phổ biến nhất trong các hệ thống truyền thông tương tự Đa truy cập trong các hệ

OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access), thực hiện FDMA bằng cách cấp các sóng mang con khác nhau cho các người dùng khác nhau

2 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)

Trong TDMA, không gian hệ thống được chia dọc theo trục thời gian thành các kênh không trùng lặp, và mỗi người dùng được cấp một khe thời gian khác nhau, mỗi khe này lặp lại đều đặn theo chu kỳ Các kênh TDMA này chiếm toàn bộ băng thông hệ thống, thường là băng rộng, đặt ra yêu cầu cần làm giảm ISI (Intersymbol interference) Vì các khe thời gian tuần hoàn nên việc truyền không diễn ra liên tục cho mỗi người dùng Do đó, phương pháp này yêu cầu kỹ thuật truyền số cho phép sử dụng bộ đệm Việc truyền không liên tục giúp đơn giản chức năng phần mào đầu, như ước lượng kênh, vì các chức năng này có thể hoàn thành trong các khe thời gian đang được sử dụng bởi những người dùng khác TDMA còn

có thuận lợi nữa là dễ dàng khi cấp nhiều kênh tới một người dùng, đơn giản chỉ cần cấp cho người đó nhiều khe thời gian

bộ giữa các người dùng khác nhau Cụ thể, trong đường xuống, tất cả các tín hiệu bắt nguồn từ cùng một bộ phát và truyền trên cũng một kênh tới bất kỳ bộ thu nào

Do đó, trong kênh pha-đinh phẳng, nếu các người dùng truyền trên các khe thời gian trực giao thì tín hiệu thu được vẫn duy trì tính trực giao này Tuy nhiên, với đường lên, các người dùng truyền trên các kênh khác nhau với trễ tương ứng khác nhau Để duy trì các khe thời gian trực giao trong các tín hiệu thu được, các bộ phát đường lên khác nhau phải đồng bộ hóa để sau khi truyền qua các kênh tương ứng, tín hiệu thu được vẫn trực giao với nhau.Việc đồng bộ hóa này thường được sắp đặt bởi trạm cơ sở hoặc điểm truy cập và có thể đòi hỏi mào đầu đáng kể Đa đường cũng có thể phá hủy tính trực giao ở cả đường lên và đường xuống nếu trễ đa đường chiếm tỉ lệ đáng kể so với khe thời gian Do đó, các kênh TDMA thường có khoảng bảo vệ giữa chúng để bù cho lỗi đồng bộ và đa đường Khó khăn nữa của

TDMA là với tính tuần hoàn của khe thời gian, đặc tính kênh thay đổi trên mỗi chu

kỳ Do đó, các chức năng thu yêu cầu ước lượng kênh, như cân bằng, cần ước lượng lại kênh trên mỗi chu kỳ Khi việc truyền diễn ra liên tục, kênh được bám, nên hiệu quả hơn

Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian[1]

3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

Trong CDMA, tín hiệu của các người dùng khác nhau được điều chế bởi mã trải trực giao hoặc không trực giao Các tín hiệu trải chiếm cùng thời gian và băng thông Bộ thu dùng cấu trúc mã trải để tách riêng các người dùng khác nhau Dạng phổ biến nhất của CDMA là trải phổ đa người dùng với trải phổ chuỗi trực tiếp hoặc trải phổ nhảy tần

Đường xuống thường sử dụng các mã trải trực giao như Walsh-Hadamard, dù trực giao có thể bị mất bởi đa đường Đường lên thường sử dụng các mã không trực giao do khó khăn trong việc đồng bộ và phức tạp trong việc duy trì trực giao mã khi

đa đường Một trong các ưu điểm lớn nhất của CDMA không trực giao trong đường lên là yêu cầu sự kết hợp ít động giữa các người dùng theo thời gian và tần số vì các người dùng có thể được tách bởi đặc tính mã riêng Thêm vào đó, vì TDMA và FDMA chia không gian tín hiệu một cách trực giao nên có một giới hạn cứng bao nhiêu kênh trực giao có thể được tạo ra Điều này cũng đúng đối với CDMA sử dụng mã trực giao Nhưng nếu mã không trực giao được sử dụng thì không có giới hạn cứng về số kênh có thể được tạo Tuy nhiên, mã không trực giao gây nhiễu giữa các người dùng, đồng nghĩa với việc càng nhiều người dùng đồng thời chia sẻ băng thông hệ thống sử dụng mã không trực giao, mức can nhiễu càng lớn, điều

này làm giảm hiệu năng của tất cả người dùng Kỹ thuật CDMA trực giao còn yêu cầu điều khiển công suất trên đường lên để bù hiệu ứng gần-xa Hiệu ứng này xuất hiện trong đường lên bởi vì hệ số kênh giữa bộ phát và bộ thu của mỗi người dùng khác so với các người dùng khác Cụ thể, giả sử có một người dùng rất gần trạm cơ

sở hoặc điểm truy cập, và một người khác đứng rất xa Nếu cả hai phát cùng công suất thì nhiễu từ người dùng ở gần sẽ tràn ngập tín hiệu người dùng ở xa Do đó, điều khiển công suất được sử dụng để công suất tín hiệu thu được của tất cả người dùng xấp xỉ bằng nhau Các hệ thống CDMA sử dụng mã không trực giao cũng có thể sử dụng tách đa người dùng (Multiuser detection: MUD) để giảm nhiễu giữa các người dùng MUD giúp cải thiện hiệu năng đáng kể ngay cả với điều khiển công suất hoàn hảo, và tốt hơn khi điều khiển công suất được tối ưu đồng thời với

kỹ thuật MUD Cuối cùng, rất đơn giản để cấp nhiều kênh tới một người dùng với CDMA bằng cách cấp cho người dùng đó nhiều mã

Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã[1]

4 Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA)

hiệu mà có thể được kênh hóa và cấp cho các người dùng khác nhau Kỹ thuật này thường được thực hiện với các anten hướng tính Các kênh trực giao chỉ được cấp khi khoảng cách góc giữa các người dùng lớn hơn độ phân giải góc của anten hướng tính Nếu sử dụng một anten mảng thì để đạt được độ phân giải góc chính xác cần một mảng rất lớn, điều này có thể phi thực tế với trạm cơ sở hoặc điểm truy cập và tất nhiên là không thể với thiết bị đầu cuối của người dùng

Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian[1]

phân vùng Trong các mảng này, góc 360 độ được chia thành N vùng, mỗi vùng có

hệ số hướng tính cao và ít chịu nhiễu từ các vùng khác TDMA hoặc FDMA cũng

có thể được sử dụng để kênh hóa trong mỗi vùng

Tổng kết chương 1

Phân tập là kỹ thuật gửi nhiều bản sao của cùng một tín hiệu trên các đường

truyền độc lập Bằng cách này, sẽ có một xác suất cao một bản sao bị suy giảm nhỏ, giúp bên thu dễ dàng tách được tín hiệu, tức là tăng độ tin cậy truyền tin

Dựa vào miền phân tập, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần

số và phân tập không gian

Có 4 phương pháp kết hợp phân tập: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợp tối đa tỉ lệ và kết hợp cùng hệ số

Đa truy cập là việc cấp phát không gian tín hiệu cho các người dùng trong hệ

thống đa người dùng FDMA, TDMA, CDMA và SDMA là các phương pháp đa truy cập phổ biến

CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN

Hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến bị chi phối chủ yếu bởi kênh vô

tuyến Trái với đặc tính “tĩnh” và dễ dự đoán của kênh có dây, kênh vô tuyến

“động” và không thể dự đoán được, do đó việc phân tích chính xác hệ thống thông

tin vô tuyến thường rất khó Vì vậy, hiểu biết về kênh vô tuyến đóng vai trò nền

móng trong việc phát triển các kỹ thuật truyền vô tuyến hiệu suất cao và sử dụng

tối ưu băng thông

I Kênh vô tuyến chung

1 Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến

Đầu tiên, chúng tôi sẽ chỉ ra rằng kênh vô tuyến có thể được mô phỏng như

một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian, sau đó đưa ra biểu diễn băng cơ sở

của mô hình này Tiếp theo, kênh liên tục được lấy mẫu để đạt được mô hình rời

rạc; cuối cùng, cộng thêm ồn

1.1 Kênh vô tuyến là một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian

truyền từ bộ phát tới bộ thu Giả sử chúng không phụ thuộc vào tần số , chúng ta

có mối liên hệ vào ra như sau:

So sánh (2.1) và (2.2), chúng ta thấy rằng đáp ứng xung của kênh pha-đinh đa

đường là:

Có thể nói rằng, tất cả sự phức tạp của kênh vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu

đã được rút gọn và biểu diễn một cách đơn giản là đáp ứng xung của bộ lọc tuyến

tính thay đổi theo thời gian

Đặc biệt, khi tất cả bộ phát, bộ thu và môi trường là dừng thì suy giảm

bất biến thông dụng với đáp ứng xung:

ứng tần số cũng thay đổi theo thời gian:

Khi kênh là tuyến tính bất biến, công thức này được rút gọn thành đáp ứng tần

số thông dụng

1.2 Mô hình băng cơ sở tương đương

Tuy nhiên, hầu hết các quá trình xử lý như mã hóa/giải mã, điều chế/giải điều

chế, đồng bộ đều được thực hiện ở băng cơ sở Ở bộ phát, khâu cuối cùng là “nâng

tần” tín hiệu lên tần số sóng mang và truyền nó đi thông qua anten Tương tự, bước

đầu tiên ở bộ nhận là “hạ tần” tín hiệu xuống băng cơ sở trước khi xử lý Do đó,

việc có biễu diễn băng cơ sở tương đương của hệ thống là rất hữu ích

Đầu tiên, chúng tôi bắt đầu với biểu diễn băng cơ sở tương đương của tín hiệu

2

nó được chọn để chuẩn hóa năng lượng của và giống nhau Chú ý rằng

Lấy biến đổi Fourier ngược, ta được:

√

Mối liên hệ giữa và được chỉ ra trên hình 2.1 Tín hiệu băng thông dải s

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống từ tín hiệu phát băng cơ sở đến tín hiệu thu băng cơ

(2.9) Tương tự, ta có:

đổi theo thời gian, đáp ứng xung băng cơ sở tương đương là:

, ∑ (2.13)

của hệ thống băng thông dải (ở thời điểm t) dịch đi một khoảng bằng tần số sóng

1.3 Mô hình băng cơ sở rời rạc

Bước tiếp theo trong việc tạo một mô hình kênh hữu dụng là chuyển đổi kênh

liên tục thành kênh rời rạc bằng cách lấy mẫu Giả sử dạng sóng đầu vào có băng

ℓ là nhánh thứ ℓ của bộ lọc kênh tại thời điểm m Giá trị của nó là một

biệt, khi hệ số đường truyền và trễ lan truyền là bất biến, (2.19) được đơn giản hóa

thành:

1.4 Ồn trắng cộng tính

hình (2.1) được sửa đổi thành:

Mô hình rời rạc băng cơ sở tương đương (2.20) được viết lại là:

các dạng sóng Có một đặc tính then chốt cần nhớ là các hình chiếu của vec-tơ ngẫu

nhiên Gauss trắng trên các vec-tơ trực chuẩn là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập

cùng phân phối Chúng ta có thể coi ồn Gauss trắng liên tục là một vec-tơ kích

thước vô hạn và theo đặc tính trên, hình chiếu trên các dạng sóng trực giao là độc

lập Do đó, quá trình ồn rời rạc là độc lập theo thời gian; hơn thế, các phần thực và ảo là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, cùng phân phối với phương sai /2 Một biến ngẫu nhiên Gauss phức có phần thực và phần ảo độc lập cùng

mọi Chúng ta gọi biến ngẫu nhiên này là biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng

Hình 2.3: Một sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh[4]

Giả thiết của AWGN về bản chất nghĩa là chúng ta coi nguồn chính gây ồn là

ở bộ thu hoặc bức xạ đến bộ thu là độc lập với đường truyền mà tín hiệu được thu Đây thường là một giả thiết tốt cho hầu hết các tình huống truyền thông

2 Mô hình thống kê của kênh vô tuyến

Mô hình xác suất đơn giản nhất cho các nhánh kênh dựa trên giả thiết có một

số lượng lớn các đường truyền tán xạ và phản xạ với biên độ ngẫu nhiên ứng với một nhánh, chúng độc lập thống kê với nhau Pha của đường truyền thứ là

Chúng có thể được mô phỏng như các biến ngẫu nhiên phức đối xứng vòng Mỗi

thuyết giới hạn trung tâm, nó có thể được mô phỏng như một biến ngẫu nhiên

biến ngẫu nhiên Rayleigh có mật độ xác suất:

II Kênh MIMO

1 Mô hình tán xạ vật lý

Đầu tiên, xét một mặt sóng z(t) phát trên một anten mảng gồm hai anten cách nhau một khoảng d, ở góc

Hình 2.4: Sơ đồ sóng phát trên một anten mảng[2]

Giả sử băng thông của sóng là B, ta có:

Trong đó, đại diện đường bao phức của tín hiệu (băng thông B) và là

tần số sóng mang Dưới giả thiết băng hẹp, chúng tôi chọn B nhỏ hơn nghịch đảo

thời gian truyền của sóng trên anten mảng Khi đó, nếu tín hiệu thu được ở anten

(2.28)

, với là bước sóng mang Do đó, lối ra ở anten thứ hai có thể được viết là:

(2.29)

Dễ dàng nhận ra rằng, các tín hiệu thu được trên hai anten là giống nhau,

ngoại trừ một độ lệch pha có nguyên nhân từ hình dạng của mảng và góc tới của

sóng Kết quả này có thể được mở rộng cho mảng có nhiều hơn hai anten

Hình 2.5: Minh họa bộ tán xạ gây trễ và góc tới trong kênh[2]:

bộ tán xạ ở góc tới và trễ so với anten mảng bên thu thì nó sẽ ở góc so với

anten mảng bên phát Do đó, với mỗi mô hình cho trước, từ hai trong ba biến ,

và , ta có thể xác định được biến còn lại Tương tự, từ hàm tán xạ quan sát ở mảng

thu, ta sẽ suy ra hàm tán xạ quan sát ở mảng phát Về cơ bản, các bộ tán xạ đều

được xây dựng như sau:

, (2.30) Với là hàm của và

hiệu ứng kênh quan sát được Mô hình tổng quát hơn là mô hình nhiều bộ tán xạ

Khi đó, các tham số , và là độc lập

Vị trí các bộ tán xạ, đặc điểm hình học của các anten mảng và mô hình tán xạ,

tất cả kết hợp lại sẽ quyết định tương quan giữa các phần tử của H (kênh giữa bộ

phát và bộ thu) Với lựa chọn thích hợp ở trên, kèm với mô hình nhiều bộ tán xạ,

chúng ta có thể chỉ ra rằng các phần tử của H là các biến ngẫu nhiên Gauss phức

đối xứng vòng độc lập có trung bình bằng không (Zero-Mean Circulant Symmetric

Complex Gaussian: ZMCSCG)

2 Mô hình tương quan không gian

Nếu coi trải trễ trên kênh không đáng kể, phương trình (2.30) có thể viết lại là:

được tóm tắt dưới đây:

điều này là do khoảng cách giữa các anten không đủ xa dẫn tới tương quan không

gian

mô phỏng dưới dạng:

Trong đó R là ma trận hiệp phương sai được xác định như

sau:

(2.36)

mô hình trên có thể mô tả được bất kỳ hiệu ứng tương quan nào giữa các phần tử

của , nhưng người ta thường dùng một mô hình đơn giản nhưng ít tổng quát hơn

được cho bởi:

xác định dương Mô hình này đạt được khi tất cả các anten phát đặt cạnh nhau và

có các mẫu phát xạ giống nhau

Từ (2.35)-(2.37), chúng ta có thể rút ra mối liên hệ giữa , và :

3 Mô hình rời rạc

anten MIMO kết hợp với điều chế đơn sóng mang

3.1 Chuẩn hóa

Việc chuẩn hóa tín hiệu, kênh và ồn rất quan trọng khi so sánh hiệu năng của

các hệ thống thông tin Đối với điều chế đơn sóng mang, giả sử băng thông kênh là

1Hz và chu kỳ ký hiệu là 1s Từ đó, chúng tôi đưa ra các giả thiết dưới đây:

3.1.1 Kênh

Trong kênh phẳng, trung bình năng lượng của các phần tử kênh được chuẩn

bình năng lượng tất cả các nhánh của một phần tử kênh cho trước cũng được chuẩn

hóa Thêm vào đó, các phần tử pha-đinh của kênh là ZMCSCG