Nghiên cứu các phương pháp tách tín hiệu kết hợp với lựa chọn anten trong hệ thống MIMO

Giải thích nguyên lý của một số loại máy thu, một số tiêu chuẩn lựa chọn anten đã được đề xuất trong các tài liệu. Đồng thời đề xuất phương pháp lựa chọn anten mới phù hợp với máy thu tuyến và cải thiện tăng ích mảng và tăng ích phân tập. Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án, em đã đề xuất được một phương pháp lựa chọn anten theo tiêu chuẩn MSE, có phẩm chất lỗi tốt hơn so với các phương pháp đề xuất trước. Kết quả của đồ án đã được tóm tắt và gửi đăng tại Hội nghị Quốc tế “The 2009 Advanced Technology for Communications” Nội dung đồ án gồm ba chương: Chương I: Khái quát về hệ thống đa anten MIMO và kênh vô tuyến Chương II: Lựa chọn anten trong kỹ thuật phân tập Chương III: Lựa chọn anten trong kỹ thuật ghép kênh không gian

Mục lục

Chương I 9

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐA ANTEN MIMO 9

VÀ KÊNH VÔ TUYẾN 9

1.1Xu hướng phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến 9

1.2Hệ thống đa anten MIMO 12

1.3Đặc tính kênh vô tuyến 13

1.3.1Kênh tạp âm AWGN 13

1.3.2Mô hình toán học kênh pha đinh 16

1.3.2.1Sự ảnh hưởng của chuyển động của MS 19

1.3.2.2Kênh pha đinh Rayleigh 22

1.3.2.3Kênh pha đinh Rice 24

1.4Kết luận 28

2.1Các phương pháp phân tập 29

2.1.1Phân tập thời gian 29

2.1.2Phân tập tần số 30

2.1.3Phân tập phân cực 31

2.1.4Phân tập không gian 31

2.2Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu 32

2.2.1Mô hình tín hiệu 32

2.2.2Kết hợp chọn lọc (Selection Combining) 33

2.2.3Kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combining) 34

2.2.4Kết hợp đồng độ tăng ích (Equal Gain Combining) 37

2.3Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát 39

2.3.1Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT) 39

2.3.2Phân tập phát giữ chậm 41

2.3.3Phân tập phát không gian – thời gian 42

2.4Lựa chọn anten thu/phát trong kỹ thuật phân tập 45

2.4.1Lựa chọn anten thu 46

2.4.2Lựa chọn anten phát 48

2.4.3Các kết quả mô phỏng 48

2.5Kết luận 50

3.1Mô hình hệ thống 51

3.2Dung lượng kênh MIMO 53

3.3Ghép kênh không gian 58

3.4Các bộ tách tín hiệu tuyến tính 60

3.4.1Bộ tách tín hiệu ZF 61

3.4.2Bộ tách tín hiệu MMSE 62

3.5Các bộ tách tín hiệu phi tuyến 64

3.5.1Bộ tách tính hiệu QRD 64

3.5.2Bộ tách tín hiệu V - BLAST 65

3.6Lựa chọn anten thu/ phát trong hệ thống ghép kênh không gian 69 3.6.1Các tiêu chuẩn lựa chọn anten 69

3.6.1.1Lựa chọn dựa trên chuẩn (NORM) hay tăng ích kênh 69

3.6.1.2Lựa chọn dựa trên SNR 70

3.6.1.3Lựa chọn dựa trên giá trị riêng của kênh (EIGEN) 72

3.6.1.4Lựa chọn dựa trên sai số bình phương trung bình (MSE) 73

3.6.2Phân tích độ phức tạp tính toán 76

3.6.2.1Với máy thu ZF 76

3.6.2.2Với máy thu MMSE 77

3.6.3Các kết quả mô phỏng 79

3.7Kết luận 85

KẾT LUẬN 86

Tài liệu tham khảo 87

Danh sách các ký hiệu viết tắt

AMPS Advanced Mobile Phone System

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

BS Base Station

CDMA Code Division Multiple Access

EGC Equal Gain Combining

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

GPRS General Packet Radio Service

GSD Generalized Selection Diversity

GSM Global System for Mobile communication

HSPA High Speed Paket Access

MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Singular Output

MLSE Maximum Likehood Sequence Error

MRC Maximum Ratio Combining

MRT Maximum Ratio Transmit

MS Mobile Station

MTS Mobile Telephone System

NMT Nordic Mobile Telephone

PDF Probability Density Function

QRD QR Detection

SD Selection Diversity

SDM Spatial Division Multiplexing

SIC Successive Interference Cancellation

SIMO Singular Input Multiple Output

SISO Singular Input Singular Output

SNR Signal to Noise Ratio

STBC Space Time Block Code

STTC Space Time Trellis Code

TACS Total Access Communication System

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

V-BLAST Vertical Bell – Labs Layered Space - Time

WCDMA Wide Code Division Multiple Access

Danh sách hình vẽ

Hình 1.3 Tạp âm Gauss với giá trị trung bình bằng 0 16

Hình 1.5 Sự lan truyền của đường l tới một trạm MS 19Hình 1.6 Hàm PDF của pha đinh Rayleigh với s = 2 1 21Hình 1.7 Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của K với

Hình 2.6 Sơ đồ phân tập phát không gian – thời gian 41Hình 2.7 Phẩm chất BER của MRC, STBC với 2 nhánh phân tập và

của hệ thống SISO

43

Hình 2.10 Hệ thống phân tập lựa chọn thu GSD 46Hình 2.11 Hệ thống lựa chọn anten phát GSD 46Hình 2.12 Phẩm chất BER trung bình của hệ thống lựa chọn anten 1x2

và 1x4 bằng phương pháp SD

47

Hình 2.13 Phẩm chất BER trung bình của hệ thống lựa chọn anten 1x4

bằng phương pháp SD theo hai tiêu chuẩn NORM và SC

48

0Hình 3.2 Phương pháp phân kênh theo không gian 57

Hình 3.4 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO – SDM 5

8Hình 3.5 Phẩm chất của các bộ tách tín hiệu cho hệ thống 4x4 MIMO

- SDM

66Hình 3.6 Hệ thống lựa chọn anten thu 2x3 sử dụng máy thu ZF 77Hình 3.7 Hệ thống lựa chọn anten thu 2x3 sử dụng máy thu MMSE 7

8Hình 3.8 Hệ thống lựa chọn anten thu 2x4 sử dụng máy thu ZF 7

8Hình 3.9 Hệ thống lựa chọn anten thu 2x4 sử dụng máy thu MMSE 79Hình 3.10 Hệ thống lựa chọn anten phát 3x2 sử dụng máy thu ZF 8

0Hình 3.11 Hệ thống lựa chọn anten phát 3x2 sử dụng máy thu MMSE 8

0

Hình 3.12 Hệ thống lựa chọn anten phát 4x2 sử dụng máy thu ZF 8

1Hình 3.13 Hệ thống lựa chọn anten phát 4x2 sử dụng máy thu MMSE 8

1

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến Thế hệ 3 (3G)

và Thế hệ 4 (4G) có kết hợp Internet và các ứng dụng đa phương tiện, là sự đòi hỏi ngày càng tăng của của các dịch vụ viễn thông tốc độ cao băng rộng Phổ tần vô tuyến có giới hạn, vì thế để đạt được các yêu cầu của thông tin hiện đại cần phải nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn mang lại hiệu quả sử dung phổ tần cao hơn Các nghiên cứu gần đây trong lý thuyết thông tin cho thấy các hệ thống đa anten MIMO (Multiple Input – Multiple Out) có khả năng mang lại tăng ích phân tập và cải thiện về phẩm chất lỗi rất lớn cho các kênh vô tuyến Năm 1998, G J Foschini và M J Gans đã nghiên cứu và chứng minh dung lượng kênh MIMO có thể tăng tuyến tính theo số anten sử dụng

Một trong những khó khăn trong hệ thống MIMO - SDM đó là việc giải điều chế tín hiệu ở phía thu vì các dòng dữ liệu được phát song song trên cùng một băng tần gây ra xuyên nhiễu giữa các anten Để giải quyết vấn đề này, có hai giải pháp được đề xuất, đó là ở phía thu sử dụng một số bộ tách tín hiệu phi tuyến như là ML (Maximum Likehood), VBLAST (Vertical Bell Lab Layered Space Time), QRD (QR Detection), … có phẩm chất tốt nhưng có độ phức tạp tính toán cao hoặc sử dụng các máy thu như là ZF và MMSE với độ phức tạp tính toán thấp hơn kết hợp sử dụng nhiều anten thu/phát tạo ra nhiều nhánh phân tập không gian Tuy nhiên giải pháp trên làm độ phức tạp của hệ

thống tăng lên đáng kể về phầm mềm xử lý cũng như về phần cứng, tăng chi phí lắp đặt do phải tăng số lượng các tuyến cao tần bằng với số anten sử dụng

Để khắc phục nhược điểm này, các nghiên cứu gần đấy có xu hướng đi tìm kiếm các giải pháp để giảm bớt độ phức tạp cũng như chi phí của hệ thống bằng cách chọn ra các anten cho đường truyền tín hiệu ít bị ảnh hưởng xấu của môi trường truyền dẫn, lắp đặt nhiều anten nhưng số tuyến cao tần không tăng, đồng thời phía thu có thể chỉ cần sử dụng các máy thu có độ phức tạp thấp vẫn mang lại hiệu quả sử dụng và phẩm chất cao cho hệ thống Đây là một hướng nghiên cứu mới và có rất nhiều triển vọng, vì thế em đã trọn đề tài:

“ Nghiên cứu các phương pháp tách tín hiệu kết hợp với lựa chọn anten

trong hệ thống MIMO” làm đồ án tốt nghiệp.

Mục tiêu chính của đồ án là giới thiệu và giải thích nguyên lý của một số loại máy thu, một số tiêu chuẩn lựa chọn anten đã được đề xuất trong các tài liệu Đồng thời đề xuất phương pháp lựa chọn anten mới phù hợp với máy thu tuyến và cải thiện tăng ích mảng và tăng ích phân tập Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án, em đã đề xuất được một phương pháp lựa chọn anten theo tiêu chuẩn MSE, có phẩm chất lỗi tốt hơn so với các phương pháp đề xuất trước Kết quả của đồ án đã được tóm tắt và gửi đăng tại Hội nghị Quốc tế “The

2009 Advanced Technology for Communications”

Nội dung đồ án gồm ba chương:

Chương I: Khái quát về hệ thống đa anten MIMO và kênh vô tuyến

Chương II: Lựa chọn anten trong kỹ thuật phân tập

Chương III: Lựa chọn anten trong kỹ thuật ghép kênh không gian

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Trần Xuân Nam, các thầy giáo, cô giáo đã hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án

Chương I

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐA ANTEN MIMO

VÀ KÊNH VÔ TUYẾN

1.1 Xu hướng phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.1: Các hệ thống thông tin di động

Hệ thống di động đầu tiên trên thế giới là MTS (Mobile Telephone System) lần đầu tiên được khánh thành vào năm 1946 tại Chicago và 15 thành phố của Mỹ Hệ thống này sử dụng phương pháp điều chế tương tự, chuyển mạch bằng nhân công, số cuộc gọi đồng thời thấp (3 cuộc gọi đồng thời trong bán kính 7 Km) Năm 1960 tại Mỹ một hệ thống cải tiến hơn được triển khai (Improved MTS), chế độ làm việc song công, chuyển mạch tự động, có thể thực hiện đồng thời 23 cuộc gọi.

• Các hệ thống thế hệ 1 (1G)

Ý tưởng về khái niệm tế bào của D H Ring trở thành hiện thực tạo ra một bước đột phá cho thông tin di động với sự ra đời của các hệ thống di động thế hệ 1 (1G) Năm 1978, hệ thống di động tế bào được thử nghiệm lần đầu tiên ở Chicago Năm 1979, hãng DoCoMo thuộc công ty NT&T của Nhật đưa vào khai thác hệ thống di động đầu tiên trên thế giới Năm 1981, tại bán đảo Scandinavo đưa hệ thống NMT (Nordic Mobile Telephone) vào hoạt động Năm 1985, Anh, Ý, Tây Ban Nha đưa vào hệ thống TACS (Total Access Communication System) Năm 1983, Mỹ đưa vào hệ thống AMPS (Advanced Mobile Phone System) Đặc điểm chung của các hệ thống 1G là

đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), truyền tín hiệu thoại tương tự với chất lượng tín hiệu, an ninh bảo mật không cao, dung lượng thấp

• Các hệ thống thế hệ 2 và cao hơn (2G and beyond)

So với các hệ thống 1G, các hệ thống 2G sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

Hệ thống GSM (Global System for Mobile communication) sử dụng kỹ thuật đa truy cập FDMA/TDMA, phương pháp song công FDD (

MHz

45

f =

V ) kết hợp TDD, với tốc độ dữ liệu 9.6kbps.

Hệ thống CDMA (IS - 95) sử dụng phương pháp đa truy cập FDMA/ CDMA, phương pháp song công FDD (Vf =45MHz), mã trải phổ Wall, có điều khiển công suất vòng kín và vòng hở Tốc độ truyền dữ liệu đạt:

 CDMA one (IS- 95A): 9.6 kbps và 14.4 kbps

 CDMA two (IS- 95B): 115 kbps

GPRS sử dụng chuyển mạch gói, tốc độ truyền dữ liệu 115 kbps, đường truyền không đối xứng, thời gian thiết lập cuộc gọi ngắn GPRS thích hợp với công nghệ Internet Hệ thống GSM khi được nâng cấp lên GPRS, trạm gốc phải cài lại phần mềm, máy di động được cải biên và chia ra làm ba loại:

CDMA 2000 1x là hệ thống 2.5G, có chất lượng và dung lượng cải thiện : dung lượng tăng 2 lần so với IS95, dải tốc độ dữ liệu rộng (đến 2Mbps) và hoàn toàn tương thích với IS95

WCDMA chuẩn hóa băng thông 5 MHz, tốc độ đỉnh có thể đạt được là 2Mbps WCDMA khác so với CDMA2000 về tốc độ chip, cấu trúc kênh hướng xuống, đồng bộ mạng có thể bảo đảm các dịch vụ nhiều tốc độ

• Các hệ thống thế thệ 3 và cao hơn (3G ạnd beyond)

CDMA 1xEV tương thích với CDMA 2000 1x và IS 95 CDMA 1x EV có hai loại : 1xEV- DO và 1xEV – DV

 1xEV – DO có tốc độ đỉnh đến 2.4 Mbps (3.08 Mbps cho đường lên trong tương lai) trong kênh 1.25 MHz (chỉ dùng cho dữ liệu), thông lượng trung bình trên 700 Kbps

 1x EV – DV hỗ trợ cả thoại và dữ liệu.: Rel C có tốc độ 3.08 Mbps cho đường xuống và 153 Kbps cho đường lên; Rel D có tốc độ 3.08 Mbps cho đường xuống và 1Mbps cho đường lên.

Hệ thống HSPA (High Speed Paket Access) truy cập gói tốc độ cao với tốc

độ đường xuống là 14 Mbps, và đường lên là 3Mbps Tiến xa hơn nữa là hệ thống LTE (Long Term Evolution) sự tiên hóa dài hạn với tốc độ đường xuống là 100 Mbps, đường lên 50 Mbps

1.2 Hệ thống đa anten MIMO

Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến hiện đại đó là tích hợp internet

và các dịch vụ đa phương tiện yêu cầu độ tin cậy và tốc độ ngày càng cao Dải tần làm việc hạn chế cùng với sự truyền dẫn đa đường gây ra hiện tượng pha đinh là những trở ngại lớn là giảm chất lượng và dung lượng của các hệ thống

vô tuyến

Gần đây, kỹ thuật MIMO rất được chú ý bởi khả năng làm dung lượng của hệ thống có thể tăng tuyến tính theo số anten sử dụng và hạn chế ảnh hưởng của pha đinh

Kênh truyền giữa đa anten phát và đa anten thu được gọi là kênh MIMO,

hệ thống truyền dẫn trên kênh MIMO được là hệ thông MIMO MIMO có thể cải tiến truyền thông không dây bằng 2 phương pháp: phương pháp phân tập (diversity) hoặc ghép kênh không gian (spatial multiplexing) Các phương pháp phân tập cải thiện về khả năng chống BER bằng cách lợi dụng các đường truyền độc lập giữa nhiều anten thu và phát Phân tập ở phía thu tượng

tự như sử dụng máy thu RAKE Cũng có thể thực hiện phân tập ở bên phát nhưng khi đó phải chú ý xuyên nhiễu giữa các anten phát, do đó phải sử dụng

mã không gian- thời gian

Trong môi trường giàu tán xạ, dòng dữ liệu đầu vào tốc độ cao được phân tách thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn truyền song song độc lập và nhận

được dung lượng của toàn hệ thống có thể tăng tuyến tính tỉ lệ với

(SDM)

1.3 Đặc tính kênh vô tuyến

Lựa chọn anten trong kỹ thuật ghép kênh không gian và kỹ thuật phân tập lựa chọn yêu cầu cần phải biết thông tin về kênh truyền ở cả thu và phía phát Trạng thái kênh phải được ước lượng ở phía thu và được đưa về phía phát thông qua đường phản hồi, trạng thái kênh phải không đổi trong một khung dữ liệu Mô hình kênh được nghiên cứu đó là kênh Gauss và kênh pha đinh Rayleigh

Nếu trạng thái kênh thay đổi nhanh hoặc ước lượng không chính xác thì việc thực hiện lựa chọn anten sẽ kém chất lượng vì thế phải ước lượng tạp âm

và trạng thái kênh biến đổi theo thời gian

Alouini và Simon đã phân tích kỹ thuật phân tập tổng quát GSC qua kênh pha đinh Rayleigh Mallik và Win phân tích GSC trên kênh pha đinh Nakagami tương quan

1.3.1 Kênh tạp âm AWGN

Tạp âm là các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống, làm giảm khả năng tách chính xác tín hiệu, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm được tạo ra từ nhiều nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai nguồn chính là tạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay các phát

xạ điện từ Tạp âm tự nhiên gồm tạp âm xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử, xáo động khí quyển hay các nguồn thiên hà

Thiết kế tốt các mạch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép loại bỏ hoặc giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm bằng cách nối đất, chọn vị trí đặt

nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt Tạp âm nhiệt xuất hiện do chuyển động nhiệt của các điện tử ở trong tất cả các linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn hay các phần tử dẫn điện khác Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử tạo nên đặc tính thống kê Gauss theo định lý giới hạn trung tâm Vì vậy, tạp âm nhiệt có thể mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng không Hàm mật độ xác suất (PDF) của một quá trình ngẫu nhiên Gauss n t( ) được biểu diễn như sau

âm Gauss trắng cộng (AWGN).

Hình 1.2 Hàm mật độ xác suất Gauss với s =1

* Mô phỏng tạp âm AWGN

Trong Matlab, chúng ta có thể sử dụng hàm có sẵn randn để mô phỏng tạp

âm AWGN Hàm randn cho phép tạo ra các biến ngẫu nhiên theo phân bố chuẩn chuẩn chính tắc với giá trị trung bình bằng 0, phương sai và độ lệch

chuẩn bằng 1 Do phân bố chuẩn chính tắc là một trường hợp đặc biệt của phân bố Gauss, nên để mô phỏng tạp âm AWGN với phương sai bằng N 0

chúng ta chỉ việc nhân hàm randn với N , tức là độ lệch chuẩn mong muốn 0

Do tạp âm mô phỏng là một biến số phức gồm hai thành phần thực và ảo nên công suất tạp âm là tổng công suất của từng thành phần Để tạo được tạp âm phức với công suất N chúng ta cần chuẩn hóa công suất của mỗi thành phần 0

bằng 1/2 Ví dụ, để tạo được 1000 dấu tạp âm phức có công suất N ta làm 0

như sau:

n =sqrt N0 2 * randn 1,1000 + j*randn 1,1000

Hình 1.3 Tạp âm Gauss với giá trị trung bình bằng 0

1.3.2 Mô hình toán học kênh pha đinh

Pha đinh là hiện tượng cường độ tín hiệu tại điểm thu thăng giáng một cách ngẫu nhiên Pha đinh trong thông tin vô tuyến chủ yếu là do hiện tượng

truyền sóng đa tia Hình 1.4 biểu diễn mô hình truyền sóng đa tia trong thông tin vô tuyến.

Tín hiệu truyền từ điểm phát đến điểm thu có thể được truyền thẳng, bị phản xạ, bị tán xạ hoặc nhiễu xạ Tín hiệu tại điểm thu là tổng điều hòa của nhiều tia tới với biên độ và pha khác nhau Căn cứ vào tính chất thống kê của

đường bao tín hiệu thu hoặc căn cứ vào hệ số LOS

 Pha đinh Gauss: là pha đinh xảy ra khi chỉ tồn tại tia trực tiếp,

Hình 1.4 Mô hình truyền sóng đa đường

Tín hiệu vô tuyến luôn là tín hiệu băng thông (bandpass), tín hiệu băng thông phát đi tại tần số sóng mang f với đường bao phức c s t( ) được biểu diễn như

Trong đó R éùêúg biểu diễn phép toán lấy phần thực.

Đặt độ dài của đường l là x và ký hiệu c là tốc độ ánh sang (cũng chính là l

tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong không khí), thì thời gian truyền sóng

từ BS tới MS là x c Giả sử độ suy hao của đường l là l a , thì tín hiệu thu l

được tại MS không tính đến tạp âm là

l l

( ) R 2

l c

x

j f t c l

l l

x

j f t c l

l l

t = là thời gian trễ của đường truyền thứ l

Truyền sóng đa đường gây ra hiện tượng pha đinh và trải trễ

1.3.2.1 Sự ảnh hưởng của chuyển động của MS

Hình 1.5 Sự lan truyền của đường l tới một trạm MS

Hình vẽ 1.5 minh họa sự chuyển động của một trạm MS theo trục x trong

( )

Ở đây, chúng ta đã giả thiết rằng anten phát được phân cực một cách phù

hợp sao cho vector điện trường song song với trục z Khi MS chuyển động với vận tốc v , độ dài đường truyền sóng thứ l thay đổi một khoảng là

l l c

j f t

l l

l l

l l

c D

trong đó a và l f tương ứng là hệ số suy hao và tần số Doppler của tia D l, l

dưới tác động của sự chuyển động của MS Từ công thức chúng ta có thể

thấy rằng vật tán xạ thứ l đã dịch tín hiệu phát đi t về thời gian và l f về tần D l,

số

Ta hoàn toàn có thể viết r t%( ) dưới dạng tín hiêu băng thông như trong biểu

thức trong đó đường bao phức của tín hiệu thu được có dạng

Hình 1.6 Hàm PDF của pha đinh Rayleigh với s =2 1.

Khi MS chuyển động qua các vùng ngẫu nhiên, tín hiệu thu được tại MS thay đổi về cường độ và pha tùy thuộc vào vận tốc chuyển động của MS Xét trường hợp sự sai khác giữa các thời gian trễ của các đường tín hiệu t m - t n

đủ nhỏ so với độ rộng của một symbol Khi đó các t trong công thức là xấp l

xỉ bằng nhau và bằng ˆt Trong trường hợp này, đáp ứng xung g t( ),t có dạng

=å

Trong trường hợp không tồn tại tia trực tiếp giữa BS và MS, tín hiệu thu được

là tổng hợp của một số lượng lớn các đường tín hiệu, theo luật số lớn ta có

thể coi g t( ) =g t I ( ) + jg t Q( ), trong đó g t I ( ) và g t Q( ) là các số thực với mọi

t , là một quá trình ngẫu nhiên Gauss phức dừng Trong một số môi trường

tán xạ, g t và I ( ) g t là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập, có giá trị trung Q( )

bình bằng không và cùng phương sai s tại bất kỳ thời điểm t nào, tức là g2

( )

{ } { ( ) }

E g t I = E g t Q = 0và

I I

g g

22

Q Q

g g

Trong trường hợp môi trường tán xạ tồn tại tia truyền thẳng, g t I ( ) và g t Q( )

là các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập với nhau, có giá trị trung bình bằng

( )

I t

m và m Q( )t khác 0 Nếu ta vẫn giả thiết g t và I ( ) g t có cùng phương Q( )

sai s tại bất kỳ thời điểm t nào, thì biên độ của g2 g t , tức là ( ) a( )t , tại một

thời điểm t bất kỳ sẽ có phân bố Rice được cho bởi

được gọi là tham số lệch tâm (non – centrality parameter), và I x0( ) là hàm số

Bessel sửa đổi bậc 0 loại 1

Một số mô hình kênh Rice đã được đề xuất trong thực tế giả thiết rằng

( )

I t

m và m Q( )t là các hằng số khác không Một phương pháp có nhiều ưu

điểm hơn đã được đề xuất bởi Aulin Trong phương pháp này các giá trị trung bình m I ( )t và m Q( )t tương ứng với các thành phần đồng pha và trực giao của

tia LOS được mô hình là các tham số xác định biến đổi theo thời gian như sau

trong đó f D cos( )f và 0 q là tần số Doppler và góc lệch pha ngẫu nhiên ứng 0

với tia LOS

Một thông số quan trọng của kênh pha đinh Rice là hệ số Rice K , được

định nghĩa là tỷ số giữa công suất tia LOS c và công suất của các thành 2

= Ta thấy rằng, khi K = 0 thì kênh truyền

thuần túy là kênh Rayleigh, và khi K = ¥ kênh truyền sẽ không còn hiện tượng pha đinh

trong đó A p = e a{ }2 =c2 + 2s g2 là công suất trung bình của g t( ) Khi đó,

hàm phân bố Rice trong được viết lại như sau

Hình 1.7 Hàm phân bố Rice cho các giá trị khác nhau của K với A = p 1

Hình vẽ 1.7 minh họa phân bố Rice cho một số giá trị khác nhau của K

Trường hợp K = 0 chính là hàm phân bố Rayleigh Từ hình vẽ ta thấy rằng

khi K càng lớn thì bề rộng của p( )a càng có xu hướng co hẹp lại quanh giá

a càng giảm.

Các chương trình mô phỏng kênh thông tin vô tuyến được sử dụng rất nhiều trong các phòng nghiên cứu vì chúng cho phép ta khảo sát và đánh giá

hệ thống một cách thuận tiện với chi phí thấp so với việc đo thử trong các môi trường thực tế Sử dụng phương pháp tổng của các tín hiệu sin để mô phỏng pha đinh Rayleigh và pha đinh Rice, được minh họa trong Hình 1.8 và Hình 1.9.

Hình 1.8 Đường bao tín hiệu bị pha đinh Rayleigh, số lượng tia L=35,

tần số Doppler cực đại f = D 100 Hz.

Hình 1.8 minh họa một đường bao bị pha đinh Rayleigh điển hình được tạo

ra bởi chương trình mô phỏng, với số lượng tia đến được chọn là L = 35 vàtần số Doppler cực đại là f = D 100 Hz Hình 1.9 minh họa các đường bao bị pha đinh Rice được tạo ra bởi chương trình mô phỏng với số lượng tia đến được chọn để mô phỏng thành phần tán xạ là L = 35, tần số Doppler cực đại

Hz

100

=

D

f , hệ số Rice K = và 5 K =10; rõ ràng khi hệ số Rice tăng lên,

tín hiệu càng ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng pha đinh

Hình 1.9 Đường bao tín hiệu bị pha đinh Rice, số lượng tia L=35, f = D 100 Hz

1.4 Kết luận

Như vậy, kỹ thuật MIMO với các ưu điểm kể trên hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu của các hệ thống thông tin hiện đại, việc tìm hiểu và áp dụng kỹ thuật vào thực tiễn là hết sức cần thiết Thêm vào đó, trước khi triển khai đưa

hệ thống vào sử dụng cần khảo sát chất lượng của hệ thống trong phòng thí nghiệm hoặc thông qua mô phỏng bằng máy tính Đồ án em thực hiện mô phỏng hệ thống thông qua Matlab vì thế trong chương này em đã tìm hiểu và trình bày đặc tính một số các kênh vô tuyến điển hình: kênh Gauss, kênh pha đinh Rayleigh, kênh pha đinh Rice sử dụng trong các chương trình mô phỏng

để đánh giá chất lượng hệ thống sát hơn với điều kiện thực tế

Chương 2

2.1 Các phương pháp phân tập

Trong thông tin vô tuyến, các phương pháp phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của pha đinh và nâng cao chất lượng truyền thông tin Kỹ thuật kết hợp phân tập (diversity combining) được thử nghiệm trong thông tin

vô tuyến lần đầu tiên vào năm 1927 và nghiên cứu rộng rãi vào những năm cuối thập niên 60, đầu 70 Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của một

số đường truyền có các tham số thống kê độc lập, nhưng truyền tải cùng một thông tin giống nhau Bản chất của phương pháp phân tập là tín hiệu được truyền trên các đường truyền độc lập sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng pha đinh khác nhau Tức là, trong số các tín hiệu thu được sẽ có tín hiệu thu được với chất lượng tốt và có tín hiệu thu được với chất lượng xấu Do đó, nều kết hợp các tín hiệu này một cách thích hợp, chúng ta có thể thu được một tín hiệu tổng hợp chịu ảnh hưởng của pha đinh ít hơn Kết quả này đồng nghĩa với việc tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao hơn

Tùy theo miền ứng dụng, các phương pháp phân tập sử dụng trong thông tin vô tuyến có thể được phân loại thành: phân tập thời gian, phân tập tần số phân tập phân cực và phân tập không gian

2.1.1 Phân tập thời gian.

Do tính chất ngẫu nhiên của pha đinh, biên độ của tín hiệu chịu ảnh hưởng pha đinh ngẫu nhiên tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau đủ lớn về thời gian sẽ không tương quan với nhau Vì vậy, truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt đủ lớn tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian Khoảng thời cần thiết

để đảm bảo thu được các tín hiệu pha đinh không tương quan tại máy thu tối thiểu là thời gian đồng bộ (coherence time) của kênh truyền Đối với thông tin

di động khoảng thời gian đồng bộ này là T c =c/ 2( vf c) trong đó

di chuyển với tốc độ 50 km/h, thời gian đồng bộ T = c 13, 5 ms Để tạo ra M d

nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyền đi tại M khe thời gian Vì vậy, d

khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền tín hiệu trên M nhánh phân d

tập là M c d / 2vf Đối với truyền dẫn tín hiệu thoại, tốc độ lấy mẫu cần thiết c

ít nhất là 8 kHz Đồng thời, để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băng tần truyền dẫn, chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa M = d 50 nhánh phân tập

Do thời gian cách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên khác với các phương pháp phân tập khác, phương pháp phân tập thời gian không có ý nghĩa trong trường hợp máy di động đứng yên

Gần đây, trong các hệ thống thông tin di động hiện đại, mã sửa lỗi được sử dụng kết hợp với phương pháp xen kẽ tín hiệu (interleaving) để tạo nên một phương pháp phân tập thời gian mới Do thời gian xen kẽ dài sẽ gây nên độ trễ giải mã lớn, nên phương pháp này chỉ thích hợp đối với các kênh pha đinh biến động nhanh

Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời gian là làm suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa bit trong miền thời gian Nói cách khác, hiệu suất băng tần giảm khi sử dụng phân tập thời gian là do ta cần nhiều thời gian hơn để truyền đi một số lượng bit thông tin nhất định

2.1.2 Phân tập tần số.

Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, chúng ta có thể sử dụng một tập hợp các tần số để truyền đi cùng một tín hiệu, tạo nên sự phân tập tần số Khoảng cách giữa các tần số cần phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần

dụng không tương quan với nhau Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ

đo được vào khoảng 500 kHz, vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1 – 2 MHz Trong thông tin di động hiện đại, phân tập tần số còn có thể nhận được thông qua việc sử dụng các kỹ thuật điều chế

đa sóng mang hay sử dụng phương pháp nhảy tần (frequency hopping)

Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, phương pháp phân tập tần

số cũng làm suy giảm hiệu suất băng tần do chúng ta cần một băng tần lớn hơn để truyền đi một lượng bit thông tin nhất định Ngoài ra, do các nhánh phân tập có tần số khác nhau nên mỗi nhánh cần sử dụng một máy thu phát cao tần riêng, dẫn đến sự phức tạp của phần cứng hệ thống

2.1.3 Phân tập phân cực.

Nghiên cứu cho thấy tín hiệu truyền đi trên 2 phân cực trực giao trong môi trường thông tin di động có các tham số thống kê độc lập Vì vậy, hai phân cực này có thể được coi là cơ sở của hai nhánh phân tập phân cực Do chỉ tồn tại hai phân cực sóng trực giao nên số lượng tối đa các nhánh phân tập có thể tạo được chỉ là hai Ngoài ra, do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tín hiệu phát cần phải chia đều cho hai nhánh, vì vậy chất lượng tín hiệu thu cũng bị suy giảm đi 2 lần hay 3dB

2.1.4 Phân tập không gian.

Phân tập không gian là phương pháp đã được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến Phương pháp này sử dụng nhiều anten ở máy thu, máy phát hoặc cả ở phía máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau Khoảng cách cần thiết giữa các anten tối thiểu là một nửa bước sóng (l / 2) Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát, chúng ta có hệ

thống phân tập không gian phát, và tương tự chúng ta có phân tập không gian

phát và máy thu chúng ta có một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Các hệ thống phân tập thu phát không gian kiểu này thường được gọi là các hệ thống đa đầu vào – đa đầu ra (MIMO).

Ưu điểm của phương pháp phân tập không gian là không làm suy giảm hiệu suất băng tần, không tiêu tốn phổ tần số, dễ sử dụng, và trên lý thuyết không có sự hạn chế về số lượng các nhánh phân tập Do có các ưu điểm nói trên, phương pháp phân tập không gian đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm

1927 đến tận ngày nay Các nghiên cứu về phân tập không gian tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật kết hợp tín hiệu phân tập

2.2 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu

2.2.1 Mô hình tín hiệu

Giả sử tín hiệu s( )t được truyền qua môi trường pha đinh Rayleigh tới

máy thu sử dụng phân tập không gian với N nhánh phân tập Sau khi tách r

sóng cao tần, tín hiệu thu được tại nhánh phân tập (anten ) thứ

trong đó h n ( )t , là một số phức Gausses có giá trị trung bình bằng không,

biểu diễn đường truyền pha đinh từ anten phát tới anten thu thứ n ; z n( )t là

tạp âm ở nhánh phân tập n

kết hợp sao cho tín hiệu ở đầu ra bộ kết hợp có chất lượng tốt hơn Trong các phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu ba phương pháp kết hợp phân tập không gian được sử dụng phổ biến ở máy thu Cụ thể là các phương pháp kết hợp

lọc (selection combining), kết hợp tỷ lệ tối đa (maximal – ratio combining) và kết hợp đồng độ lợi (equal – gain combining).

2.2.2 Kết hợp chọn lọc (Selection Combining)

Hình 2.1 Bộ kết hợp chọn lọc

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được minh họa ở Hình 2.1 Tại một thời

điểm t , mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và tính toán tỷ số tín

hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio) của từng nhánh phân tập và chọn ra tín hiệu ở nhánh có tỷ số SNR lớn nhất Trong thực tế, việc đo lường

tỷ số SNR rất khó thực hiện và vì vậy tín hiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất tín hiệu và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR): Giả sử tín hiệu thu được tại các nhánh

phân tập là không tương quan và có phân phối Rayleigh với công suất trung

trong đó y là đường bao tín hiệu trên nhánh thứ n Giả sử công suất trung n

bình của tạp âm trên các nhánh z n( )t là như nhau và bằng

n n

Phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa được Kahn đề xuất năm 1954 Sử dụng phương pháp này, tín hiệu của N nhánh phân tập được nhân trọng số cân r

xứng theo tỷ lệ SNR của các nhánh, sau đó được điều chỉnh đồng pha rồi kết hợp với nhau Sơ đồ cấu hình một bộ kết hợp tỷ lệ tối đa được trình bày ở Hình 2.2

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) trung bình: Tín hiệu thu được tại một

nhánh phân tập, sau khi được chuyển về băng gốc được biểu diễn như sau:

( ) ( ) ( ) ( ),

n t = n t t + n t

trong đó h n ( )t , là một số phức Gauss có giá trị trung bình bằng không, biểu

diễn đường truyền pha đinh từ anten phát tới anten thu thứ n ; z n( )t là tạp âm

ở nhánh phân tập n Sau khi được đồng pha và nhân trọng số, đường bao của

r

N

n n n

r

r

N

n n n

w h w

Để tìm giá trị lớn nhất của SNR đầu ra, sử dụng bất đẳng thức sau của Schwarz :

2

2 2

2 2 2

12

r

N n

n

C s

tập Do đó, ta có thể loại bỏ 2

n

C

s ra khỏi w mà không ảnh hưởng đến SNR n

đầu ra Như vậy, w có thể được biểu diễn rút gọn thành n

2.2.4 Kết hợp đồng độ tăng ích (Equal Gain Combining)

MRC là phương pháp kết hợp tối ưu cho độ tăng ích phân tập lớn nhất trong tất cả các phương pháp kết hợp phân tập thu Tuy nhiên, phương pháp MRC yêu cầu phải biết chính xác được các trọng số kết hợp, do đó tương đối phức tạp Hơn nữa, độ tăng ích do phương pháp MRC mang lại không lớn hơn nhiều so với phương pháp kết hợp chọn lọc Điều này có nghĩa là phần lớn độ tăng ích phân tập thu được từ nhánh phân tập có công suất lớn nhất và

nếu một phương pháp kết hợp có thể thu được độ tăng ích từ nhánh phân tập

đó thì tổng độ tăng ích thu được hầu như không thay đổi Quan sát này dẫn đến một phương pháp phân tập mới, đơn giản hơn phương pháp MRC, đó là

kỹ thuật kết hợp phân tập đồng độ tăng ích (EGC:Equal Gain Combining) Sử dụng phương pháp kết hợp EGC, tín hiệu tại các nhánh được đồng pha giống như trường hợp MRC, nhưng sau đó được nhân với các trọng số có cùng biên

độ, rồi kết hợp với nhau Trường hợp đơn giản nhất là đặt biên độ của các trọng số bằng hằng số đơn vị Như vậy phương pháp kết hợp EGC chỉ là một trường hợp đặc biệt của phương pháp MRC với biên độ của các trọng số đều bằng 1 Sử dụng công thức ta có tỷ số SNR ở đầu ra bộ kết hợp EGC là

r

r

N

i i N

i i

h g

Hình 2.3 Phẩm chất BER của máy thu MRC với N r nhánh phân tập và của

các hệ thống SISO khi tín hiệu được điều chế BPSK

2.3 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian phát

Theo truyền thống các anten cùng với các kỹ thuật kết hợp phù hợp được triển khai ở các trạm gốc để tạo thành phân tập không gian thu cho đường lên (uplink) Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật phân tập không gian thu cho các thiết bị di động là không khả thi do kích thước của thiết bị di động bị hạn chế Hơn nữa, việc triển khai nhiều anten trên thiết bị di động có công suất tiêu thụ lớn và giá thành cao Vì vậy, kỹ thuật phân tập không gian phát sẽ là một kỹ thuật có tính thực tiễn cũng như tính kinh tế cao hơn so với kỹ thuật phân tập không gian thu trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu ở các thiết bị di động Nhờ có kỹ thuật phân tập không gian phát, ta có thể chế tạo được các thiết bị

di động có cấu trúc đơn giản, công suất tiêu thụ thấp, giá thành hạ, và đặc biệt

là chất lượng thông tin được cải thiện rất nhiều

Phân tập phát được tạo nên bởi việc sử dụng nhiều anten phát kết hợp với một phương pháp xử lý tín hiệu thích hợp Một số phương pháp phân tập phát điển hình được đề xuât gần đây là:

 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT:Maximal Ratio Transmit)

 Phân tập phát giữ chậm

 Phân tập phát không gian – thời gian

2.3.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT)

Tương tự như phương pháp kết hợp phân tập thu tỷ lệ tối đa (MRC) trình bày ở phần trước, phương pháp phân tập phát tỷ lệ tối đa MRT nhân các tín hiệu trên các nhánh phân tập s , với các hệ số trọng số phát tương ứng, k

w =C h n Î K N , sau đó truyền các tín hiệu được nhân trọng số

này thông qua N anten phát Hệ số chuẩn hóa công suất C được chọn sao t

cho tổng công suất phát đi từ N anten phát bằng một giá trị cho trước thông t

thường để cho đơn giản ta đặt C =1 N t

Hình 2.4 Sơ đồ phân tập phát MRT

Chú ý rằng để tìm được các hệ số trọng số w , ta cần phải biết các kênh n

truyền h Việc này có thể thực hiện được bằng các cách sau: n

 Máy thu ước lượng h và gửi thông tin về n h về cho máy phát Phương n

pháp này đòi hỏi phải có kênh phản hồi từ máy thu về máy phát

 Sử dụng tính chất nghịch đảo của các kênh truyền đường lên (uplink)

và kênh truyền đường xuống (downlink) Thực tế là ở các hệ thống song công phân chia theo tần số FDD có khoảng cách tần số thu và phát nhỏ (nhỏ hơn độ rộng băng tần đồng bộ của kênh truyền), thì các hệ số kênh truyền lên và kênh truyền xuống rất tương quan nhau Do đó, chúng ta có thể sử dụng các kênh truyền h ước lượng được ở kênh n

truyền lên như là các hệ số trọng số phát w n