Nghiên cứu các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống mimo

Việc sử dụng nhiều anten ở các máy thu phát mở ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu mới là phương pháp truyền dẫn không gian-thời gian, tín hiệu truyền qua các anten được mã hoá trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Nghiên cứu các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO

Tác giả luận văn: ĐẶNG ĐÌNH ĐIỆP Khóa: 2009-2011

Người hướng dẫn: TS HÀ DUYÊN TRUNG

Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

d) Phương pháp nghiên cứu

e) Kết luận

Ngày nay, nhu cầu về thông tin di động, nhu cầu về dung lượng mạng không dây ngày càng tăng nhanh Các công trình nghiên cứu của Foschini và Gan năm 1998 hay Telatar năm 1999 đã chứng minh được dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính theo số anten tối thiểu sử dụng ở phía thu hay phát Việc sử dụng nhiều anten ở các máy thu phát

mở ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu mới là phương pháp truyền dẫn không

gian-thời gian, tín hiệu truyền qua các anten được mã hoá trên cả hai miền gian-thời gian và không gian Nhờ các phương pháp xử lý thích hợp ở máy thu cho phép thu được độ lợi phân tập không gian tỉ lệ với số lượng anten sử dụng, và vì vậy, giảm thiểu sai số truyền dẫn Một

ví dụ điển hình về truyền dẫn không gian-thời gian là các hệ thống thông tin đa đầu

vào-đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) và các hệ thống mã không gian-thời gian (STC: Space-Time Codes) Trong việc tìm ra cách truyền dẫn hiệu quả trên kênh MIMO thì phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) là một phương pháp được nói đến Đây là phương pháp tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách truyền một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các anten và sử dụng máy

thu có độ phức tạp nào đó để duy trì tỷ số lỗi bit cho phép nhằm thu được độ lợi ghép kênh Trong hệ thống MIMO-SDM, điều quan trọng nhất là thiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu Các bộ tách tín hiệu này được chia thành hai loại bao gồm bộ tách tín hiệu tuyến tính và bộ tách tín hiệu phi tuyến Các bộ tách tín hiệu tuyến tính như ZF, MMSE còn các bộ tách tín hiệu phi tuyến như QR, ML, V-BLAST… Trong đó, các bộ tách tín hiệu phi tuyến nhìn chung có độ phẩm chất tốt hơn so với các bộ tách tuyến tính Nhưng xét về

độ phức tạp của thuật toán thì các bộ tách phi tuyến có độ phức tạp lớn hơn các bộ tách tuyến tính Mặc dù vậy, để kết hợp tốt nhất giữa hai yếu tố đó thì trong thực tế và trong một số hệ thống người ta sử dụng các bộ tách phi tuyến trong các máy thu

Luận văn sẽ thực hiện so sánh và đánh giá các bộ tách tín hiệu ở máy thu trong hệ thống MIMO trên kênh truyền có phân bố Rayleigh, với các điều kiện nhiễu là AWGN, năng lượng truyền từ bất kì antenna phát tới bất kì antenna thu nào cũng giống nhau, thông tin kênh truyền được biết rõ tại đầu thu

Việc mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab Dữ liệu đầu vào là các chuỗi thông tin, qua kênh truyền tới máy thu, bị tác động bởi nhiễu AWGN Fading ở đây được mô phỏng là flat-fading có phân bố Rayleigh

Với kết quả mô phỏng , biểu diễn BER (bit error ratio) theo đường SNR (signal to noise ratio), ta sẽ thấy sự cải thiện đáng kể của hệ thống MIMO so với hệ thống truyền thống

Hà Nội, Ngày tháng năm 2011

Người nhận xét Người hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu về thông tin di động, nhu cầu về dung lượng mạng không dây ngày càng tăng nhanh Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thế giới đang được chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin vô tuyến Một trong số rất nhiều các kết quả nghiên cứu nổi bật là việc sử dụng hệ thống kênh truyền vô tuyến nhiều anten trong máy thu và máy phát nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền và cải tiến chất lượng truyền dẫn tín hiệu Các công trình nghiên cứu của Foschini và Gan năm 1998 hay Telatar năm 1999 đã chứng minh được dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính theo số anten tối thiểu sử dụng ở phía thu hay phát Việc sử dụng nhiều anten ở các máy thu phát mở ra một phương pháp truyền dẫn tín hiệu mới là phương

pháp truyền dẫn không gian-thời gian, tín hiệu truyền qua các anten được mã hoá trên

cả hai miền thời gian và không gian Nhờ các phương pháp xử lý thích hợp ở máy thu cho phép thu được độ lợi phân tập không gian tỉ lệ với số lượng anten sử dụng, và vì vậy, giảm thiểu sai số truyền dẫn Một ví dụ điển hình về truyền dẫn không gian-thời gian là các hệ thống thông tin đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) và các hệ thống mã không gian-thời gian (STC: Space-Time Codes).Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu thực tế của Foschini cho thấy để đạt được dung lượng kênh truyền MIMO ta phải kết hợp với các phương pháp mã hoá và thuật toán phức tạp hay giữ chậm không có giới hạn Trong việc tìm ra cách truyền dẫn hiệu quả trên kênh MIMO thì phân kênh theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) là một phương pháp được nói đến Đây là phương pháp tập trung vào việc gia tăng tốc độ truyền dẫn bằng cách truyền một loạt các luồng tín hiệu độc lập qua các anten và sử dụng máy thu có độ phức tạp nào đó để duy trì tỷ số lỗi bit cho phép nhằm thu được độ lợi ghép kênh Trong hệ thống MIMO-SDM, điêù quan trọng nhất là thiết kế bộ tách tín hiệu ở máy thu Các bộ tách tín hiệu này được chia thành hai loại bao gồm bộ tách

LỜI NÓI ĐẦU

tín hiệu tuyến tính và bộ tách tín hiệu phi tuyến Các bộ tách tín hiệu tuyến tính như

ZF, MMSE còn các bộ tách tín hiệu phi tuyến như QR, ML, V-BLAST Trong đó, các bộ tách tín hiệu phi tuyến nhìn chung có độ phẩm chất tốt hơn so với các bộ tách tuyến tính Nhưng xét về độ phức tạp của thuật toán thì các bộ tách phi tuyến có độ phức tạp lớn hơn các bộ tách tuyến tính

Với yêu cầu như vậy, đồ án của tôi “Nghiên cứu các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MIMO ” với nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan về hệ thống MIMO

và các phương pháp tách tín hiệu tuyến tính và phi tuyến , mô phỏng đánh giá phẩm

chất các bộ tách tin hiệu

Đồ án đã hoàn thành theo đúng tiến độ và cơ bản đạt được những mục tiêu đặt

ra Mặc dù đã có sự cố gắng nhưng do hiểu biết và thời gian có hạn, chắc chắn đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự quan tâm và những ý kiến quý báu từ phía các thầy

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Hà Duyên Trung đã tận

tình giúp đỡ em trong thời gian làm đồ án!

MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED DANH SÁCH HÌNH VẼ 8

PHẦN MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN 13

1.1 TỔN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN 13

1.1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do 14

1.1.2 Mô hình truyền sóng trên vùng đất phẳng 16

1.2 FADING ĐA ĐƯỜNG VÀ HẬU QUẢ TRUYỀN SÓNG FADING ĐA ĐƯỜNG 17

1.2.1 Doppler spread 18

1.2.2 Trải trễ (Delay spread) 19

1.3 HIỆU ỨNG DOPPLER 20

1.4 TẠP ÂM AWGN (TẠP ÂM GAUSS CỘNG TRẮNG) 21

1.5 CÁC MÔ HÌNH KÊNH CƠ BẢN 25

1.5.1 Kênh fading Rice 26

1.5.2 Kênh fadinh Rayleigh 27

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN 31 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TẬP CƠ BẢN 31

2.1.1 Phân tập thời gian 31

2.1.2 Phân tập tần số 32

2.1.3 Phân tập phân cực 32

2.1.4 Phân tập không gian 32

2.2 Kỹ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THU 33

2.2.1 Mô hình tín hiệu 33

2.2.2 Kết hợp chọn lọc (Selection Combining) 34

2.2.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combining) 38

2.2.4 Kết hợp đồng độ lợi (Equal Gain Combining) 47

2.2.5 So sánh 3 phương pháp phân tập 51

MỤC LỤC

2.3 Kỹ THUẬT KẾT HỢP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN PHÁT 52

2.3.1 Phân tập phát tỷ lệ tối đa (MRT) 52

2.3.2 Phân tập phát giữ chậm 54

2.3.3 Phân tập phát không gian thời gian 56

2.4 KẾT LUẬN 64

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG MIMO VÀ CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU MIMO-SDM 66 3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO 66

3.2 MÔ HÌNH KÊNH MIMO 67

3.2.1 Tín hiệu phát 67

3.2.2 Kênh truyền 68

3.2.3 Tạp âm máy thu 69

3.2.4 Tín hiệu thu 69

3.3 DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO 71

3.3.1 Dung lượng kênh truyền cố định 71

3.3.2 Hệ thống MIMO - SVD ( Singular Value Decomposition ) 76

3.3.3 Dung lượng kênh truyền rayleigh fading 91

3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN TRÊN KÊNH TRUYỀN MIMO 93

3.5 PHAN KENH THEO KHONG GIAN 94

3.6 CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU TUYẾN TÍNH 96

3.6.1 Bộ tách tín hiệu ZF 98

3.6.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 101

3.6.3 Bộ tách tín hiệu ZF-SIC 105

3.6.4 Bộ tách tín hiệu ZF-SIC with Optimal Ordering 106

3.6.5 Các tham số phẩm chất bộ tách tín hiệu tuyến tính 108

3.6.6 Đánh giá phẩm chất các bộ tách tín hiệu tuyến tinh trong hệ thống MIMO-SDM 110 3.7 CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU PHI TUYẾN 115

3.7.1 Bộ tách tín hiệu QRD 115

3.7.2 Bộ tách tín hiệu MLD 119

3.7.3 Bộ tách tín hiệu V-BLAST 121

KẾT LUẬN 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mãEGC Equal Gain Combining Phân tập đồng độ lợi

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần

số FIR Finite Impulse Response Bộ lọc có đáp ứng xung hữu

hạn FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

GSM Global System For Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

cầu

IP Internet Protocol Giao thức internet

MAP Maximum a Posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm tối đa

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MIMO Multiple-Input Multiple-Output Đa đầu vào đa đầu ra

MISO Multiple-Input Single-Output Đa đầo vào đơn đầu ra

MLD Maximum Likehood Detection Tách sóng hợp lệ tối đa

MLSE Maximum Likelihood Sequence

Estimato

Bộ san bằng ước lượng chuỗi tối ưu

MMSE Minimum Mean Square Error Bộ san bằng sai số bình

phương trung bình tối thiểu

MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

MRT Maximal Ratio Transmit Phân tập phát tỷ lệ tối đa PDF Probability Density Function Hàm phân bố xác suất

PIC Parallel Interference Cancellation Triệt nhiễu song song

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

SDM Spatial Division Multiplexing Phân kênh theo không gian SIC Successive Interference Cancellation Triệt nhiễu nối tiếp

SISO Single-Input Single-Output Đơn đầu vào đơn đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín trên tạp

STBC Space-Time Block Coding Space-Time Block Coding STE Space – Time Encoding Mã không gian-thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do 14

Hình 1.2 Mô hình truyền sóng trên vùng đất phẳng 16

Hình 1.3 Mô hình truyền sóng đa đường .18

Hình 1.4 Đáp ứng xung của một bộ lọc FIR 19

Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất Gauss với σ =2 1.[3] 22

Hình 1.6 Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng 23

Hình 1.7 Mô hình truyền dẫn tín hiệu BPSK trên kênh AWGN 24

Hình 1.8 Kết quả mô phỏng phẩm chất BPSK trên kênh AWGN 25

Hình 1.9 Hàm phân bố biên độ Rayleigh với s =2 1 28

Hình 2.1 Phương pháp kết hợp chọn lọc 34

Hình 2.2 SNR của phương pháp kết hợp chọn lọc 37

Hình 2.3 Tỷ lệ lỗi bít theo phương pháp kết hợp chọn lọc 38

Hình 2.4 Phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa 39

Hình 2.5 SNR của phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa .43

Hình 2.6 Hệ thống vô tuyến sử dụng 2 nhánh phân tập MRC 44

Hình 2.7 BER của phương pháp tỷ lệ kết hợp tối đa .47

Hình 2.8 SNR của phương pháp kết hợp đồng độ lợi 50

Hình 2.9 Tỷ lệ lỗi bít BER của phương pháp kết hợp đồng độ lợi 51

Hình 2.10 Độ lợi phân tập phụ thuộc số nhánh phân tập 52

Hình 2.11 Sơ đồ phân tập phát tỷ lệ tối (MRT) có N nhánh phân tập với các đường phản hồi 54

Hình 2.12 Sơ đồ phân tập phát giữ chậm với N nhánh phân tập 55

Hình 2.13 Sơ đồ máy phát mã khối STBC Alamouti với 2 anten phát và 1 anten thu 56

Hình 2.14 Sơ đồ Alamouti STBC với 2 anten phát và 2 anten thu 61

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.15 Phẩm chất BER của các hệ thống Alamouti STBC so với các hệ thống

MRC[5] 64

Hình 3.1 Mô hình kênh MIMO 67

Hình 3.2 Mô hình tương đương của kênh truyền SISO 71

Hình 3.3 Mô hình tương đương của kênh truyền MISO 72

Hình 3.4 Mô hình tương đương của kênh truyền SIMO 73

Hình 3.5 Mô hình kênh truyền MIMO - SVD 76

Hình 3.6 Mô hình kênh MIMO tương đương (M > N) 79

Hình 3.7 Mô hình kênh MIMO tương đương (N > M) 80

Hình 3.8 Phân bố xác suất của các giá trị eigen 83

Hình 3.9 Phân bố xác suất của các giá trị eigen trường hợp (4,4) 84

Hình 3.10 Định lý Water-Filling 88

Hình 3.11 Dung lượng kênh MIMO khi sử dụng phương pháp Water-Filling 90

Hình 3.12 Phân bố xác suất của λ trong kênh MIMO 91

Hình 3.13 Dung lượng kênh truyền MIMO fading Rayleigh[5] 93

Hình 3.14 Phương pháp phân kênh theo không gian 95

Hình 3.15 Phân loại các bộ tách tín hiệu MIMO-SDM .95

Hình 3.16 Sơ đồ bộ tách tín hiệu tuyến tính cho MIMO-SDM 97

Hình 3.17 Đánh giá bộ tách tín hiệu MMSE, MMSE-SIC, MMSE-SIC with Optimal Ordering[10] 105

Hình 3.18 Sơ đồ bộ thu ZF-SIC 106

Hình 3.19 Sơ đồ bộ thu ZF-SIC with Optimal Ordering 107

Hình 3.20 Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ tách tín hiệu ZF, ZF-SIC, ZF-SIC with Optimal Ordering[10] 108

Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống MIMO 2x2 dùng bộ tách tín hiệu tuyến tính 111

Hình 3.22 Sơ đồ hệ thống MIMO 4x4 dùng bộ tách tín hiệu tuyến tính 112

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 3.23 BER của 2 hệ thống MIMO-SDM 2x2 sử dụng 2 bộ tách tín hiệu tuyến tính

ZF và MMSE 113 Hình 3.24 BER của 2 hệ thống MIMO-SDM 4x4 sử dụng 2 bộ tách tín hiệu tuyến tính

ZF và MMSE 114 Hình 3.25 Phẩm chất của các bộ tách tín hiệu cho hệ thống 4´ 4 MIMO-SDM [5] 118 Hình 3.26 Kết quả mô phỏng cho hệ thống MIMO 2X2 sử dụng 127 Hình 3.27 Kết quả mô phỏng cho hệ thống V-BLAST 2x2 và 4x4 128 Hình 3.28 Kết quả mô phỏng đánh giá phẩm cho hệ thống của MIMO 4x4 sử dụng bộ tách tín hiệu ZF, MMSE, V-BLAST-MMSE và V-BLAST-ZF 130

PHẦN MỞ ĐẦU

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, công nghệ viễn thông đang có những bước phát triển vô cùng to lớn Cùng với các ngành khoa học khác, công nghệ viễn thông đem đến cho con người những ứng dụng quan trọng trong tất cả các ngành, các lĩnh vực của đời sống như : kinh tế, giáo dục, y học, quảng bá, xã hội thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người đặc biệt là nhu cầu về thông tin di động Thông tin di động là một một dịch vụ thông tin đặc biệt, nó cho phép người ta trao đổi thông tin ngay cả khi đang di chuyển Ngoài ra nó còn mang lại nhiều dịch vụ tiện ích khác mà hệ thống thông tin khác không có, vì thế nhu cầu thông tin di động hiện nay đã trở nên vô cùng cấp thiết Trong tương lai, sự phát triển công nghệ sẽ hướng vào các hệ thống vô tuyến tích hợp Hệ thống thông tin di động sau 3G là 4G sẽ phải đảm đương các nhiệm vụ như : gửi / nhận E-mail, truy cập Internet, thương mại điện tử, các dịch vụ thông tin định vị, truy cập cơ

sở dữ liệu công ty, chuyển file dữ liệu kích cỡ lớn, mà các dịch vụ đó còn phải đáp ứng được với nhu cầu truy cập thông tin lớn và tốc độ bít cao Hiện nay có rất nhiều công nghệ vô tuyến mới và tiềm năng đang được nghiên cứu để đưa vào ứng dụng trong các mạng 4G tương lai như: OFDM, công nghệ băng cực rộng UWB (Ultra-Wide-Band), công nghệ vô tuyến bước sóng milimet và công nghệ MIMO, WIMAX Như vậy, cùng với sự phát triển toàn diện của xã hội, nhu cầu về thông tin nhất

là thông tin vô tuyến dung lượng lớn luôn là vấn đề cấp thiết Xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống thông tin sẽ hướng vào các hệ thống 4G Hệ thống vô tuyến băng rộng 4G trong tương lai sẽ mở ra một phương thức truyền thông mới hoàn toàn dựa trên IP, đem lại nhiều tiện ích cho người sử dụng Các hãng viễn thông hàng đầu trên thế giới đang cùng nhau nghiên cứu để đưa một tiêu chuẩn toàn cầu cho hệ thống 4G Tuy nhiên, để có thể trở thành những hệ thống thương mại, còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu và thử nghiệm Việc kế thừa, nghiên cứu, phát triển và cải thiện cơ sở hạ

Hệ thống thông tin di động 4G với các công nghệ vô tuyến mới đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong tương lai như OFDM, UWB, WIMAX, MIMO v.v Trong đó, đặc biệt kể đến công nghệ MIMO là một hệ thống thông tin sử dung kênh đa đầu vào đa đầu ra với nhiều anten phát và nhiều anten thu tách dòng số liệu ban đầu thành N dòng số liệu riêng biệt tốc độ thấp Nhờ vậy, hệ thống MIMO có hiệu suất sử dụng phổ tần cao đáp ứng được nhu cầu về dung lượng

Đề tài được chia thành năm chương :

Chương 1 : Tìm hiểu các đặc tính của kênh truyền thông tin vô tuyến

Chương 2 : Tìm hiểu các kĩ thuật phân tập không gian

Chương 3 : Tìm hiểu hệ thống MIMO, so sánh và đánh giá các bộ tách tín hiệu

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Chương 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Kênh truyền vô tuyến luôn tồn tại những đặc trưng cố hữu của nó Khi truyền sóng trong thông tin vô tuyến, tín hiệu thu được ở máy thu bao giờ cũng bị thay đổi so với tín hiệu phát đi cả về tần số, biên độ cũng như pha của tín hiệu Những thay đổi đó

có tính chất rất phức tạp mang nặng tính ngẫu nhiên và phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác nhau như địa hình, khoảng cách liên lạc, dải tần công tác, khí quyển, mật

độ thuê bao, anten… Tuy vậy, chúng ta có thể phân chia vắn tắt và phân tích những ảnh hưởng đặc trưng nhất của kênh thông tin vô tuyến bao gồm: tổn hao đường truyền, hiệu ứng Doppler, fading và tạp âm nhiệt (AWGN)

1.1 Tổn hao đường truyền

Tổn hao đường truyền là sự suy giảm mức điện thu so với mức điện phát Trong không gian tự do, mức điện trung bình của tín hiệu giảm theo bình phương khoảng cách từ điểm phát tới điểm thu Trong thông tin di động tổn hao đường truyền có thể lớn hơn rất nhiều do môi trường truyền sóng nằm trong khu vực bề mặt trái đất, chịu hấp thụ của môi trường truyền và che khuất của các vật chắn Tuy vậy có thể lợi dụng tổn hao đường truyền để thiết kế các tế bào và quy hoạch việc tái sử dụng tần số trong thông tin di động tế bào

Tổn hao đường truyền được tính theo công thức tổng quát:

( )( ) ( )( ) 10 log( / ) (

L d dB = L d dB + n d d + X dBs (1.1) trong đó:

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

0

d : là khoảng cách mà tại đó công suất thu được lấy làm tham chiếu (1km với tế bào rộng, 100m cho tế bào hẹp và 1m cho kênh trong nhà)

d : là khoảng cách giữa máy thu và máy phát

Giá trị của phụ thuộc vào tần số, chiều cao của các anten và môi trường truyền dẫn Trong không gian tự do, n được chọn bằng , có lớn hơn khi có mặt những vật chắn

n

2 n

1.1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do

Không gian tự do là không gian truyền sóng không có chướng ngại vật, không

có phản xạ, khúc xạ hay tán xạ Trong không gian tự do thì công suất phát dưới dạng cầu, công suất phát trải đều trên diện tích mặt cầu.Tổn hao công suất trong không gian

tự do tỷ lệ với bình phương khoảng cách giữa anten phát và anten thu và cũng tỷ lệ với bình phương tần số tín hiệu vô tuyến

Hình 1.1 Mô hình truyền sóng trong không gian tự do

Bề mặt diện tích mặt cầu là có bán kính d là: 4 d p 2, do vậy công suất trên một vùng cách anten phát một khoảng cách là d với anten phát có công suất phát và độ lợi anten là là:

t

P G

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2

4

t t

P G w

d p

Độ lợi của anten phát được định nghĩa như là mật độ của sóng vô tuyến được bức xạ theo một vài hướng riêng biệt mà có thể thu được nếu như công suất được phát

ra bởi anten bức xạ đẳng hướng

Với : là công suất thu được, : độ lợi của anten thu ta có công suất thu được là:

PG

d d

l p p

l = fc :là tần số sóng mang, vận tốc ánh sáng

c p

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1.2 Mô hình truyền sóng trên vùng đất phẳng

Môi trường truyền sóng trên “vùng đất phẳng” được mô hình như sau:

Hình 1.2 Mô hình truyền sóng trên vùng đất phẳng

Xét ảnh hưởng của bề mặt trái đất, tín hiệu nhận được là tổng hợp của tia LOS

và tia phản xạ từ bề mặt trái đất (coi là đất phẳng)

Ta xét trong dải siêu cao tần(UHF- Ultra high frequency) khi đó ta có công suất thu được là:

2 sin 4

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Môi trường truyền lan thực chất phụ thuộc vào điểm quay vòng chẳng hạn

1.2 Fading đa đường và hậu quả truyền sóng fading đa đường

Hình 1.3 mô tả đường liên lạc giữa anten trạm gốc (BS) và anten trạm di động (MS) Xung quanh có rất nhiều vật gây phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ như nhà , cây cối Liên lạc giữa BS và MS thông qua nhiều đường (path), mỗi đường chịu một hay nhiều phản xạ và tín hiệu đến máy thu là tín hiệu tổng hợp từ tất cả các đường này Do các đường có biên độ, pha và độ trễ khác nhau nên tín hiệu truyền qua các đường có thể kết hợp với nhau một cách có lợi hoặc không có lợi Hiện tượng này được gọi là truyền sóng fading đa đường Kênh truyền sóng kiểu này được gọi là kênh fading đa đường

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hình 1.3 Mô hình truyền sóng đa đường

i i

Với độ lợi kênh phức g t( ) thay đổi theo thời gian do đó góc pha 2p f D cos( )q i t

thay đổi theo thời gian Do vậy, ta thấy rằng MS chuyển động làm cho độ lợi kênh truyền biến đổi khi đó tín hiệu thu bị trải trên thang tần số Hiện tượng này được còn gọi là Doppler spread

( )

g t

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.2.2 Trải trễ (Delay spread)

Xét trường hợp tần số Doppler rất nhỏ ứng với MS đứng yên, chúng ta có thể coi pha của các vật thể tán xạ là không đổi khi đó ta có:

g t - t = a e- f , fi: là pha ngẫu nhiên liên hợp với góc tới

Kênh truyền là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung hữu hạn(FIR: Finite Impulse Response filter) được biểu diễn như sau:

0

t

D

t

Hình 1.4 Đáp ứng xung của một bộ lọc FIR

Thực hiện biến đổi Fourier ta có đáp ứng tần số G f( )

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2( ) j f i

i i

Từ đây ta thấy rằng trải trễ làm biến đổi đáp ứng tần số , tức là tại các tần số khác nhau thì biên độ có giá trị khác nhau Kênh truyền trong trường hợp này gọi là kênh chọn lọc theo tần số

và một góc ( với là góc tới của tia sóng thứ so với hướng chuyển động của

máy thu MS ) nào đó Khi đó tại máy thu, tần số tín hiệu nhận được là

.cos

c m i

f = f + f a (1.14) trong đó

: Là góc tới của tia sóng i

Tổng hợp tác động của mọi tia sóng tới máy thu theo mọi góc khác nhau trong trường hợp tín hiệu phát là một sóng mang đơn không điều chế thì tín hiệu nhận được tại máy thu là một tín hiệu trải rộng trên miền tần số với độ rộng băng W D lên

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

tới2f m (Tín hiệu thu được trong trường hợp này có tần số từ f c − f m đến

c m

f + f ) Đối với trường hợp tín hiệu phát là một tín hiệu có điều chế với độ rộng

băng tín hiệu W Sthì tín hiệu sẽ được trải ra trên một dải tần số có độ rộng tới W S +W D

và tần số trung tâm có thể khác f c Như vậy hiệu ứng Doppler có thể gây nên suy giảm chất lượng liên lạc một cách trầm trọng Chỉ trong trường hợp máy thu đứng yên so với máy phát ( ), hoặc máy thu đang chuyển động vuông góc với góc tới của tín hiệu thì tần số tin hiệu thu mới không bị thay đổi so với tín hiệu phát Tuy nhiên đối với thông tin di động thì việc máy thu đứng yên so với máy phát không có ý nghĩa là không sảy ra hiện tượng Doppler Các tia sóng phản xạ từ các vật di động vẫn có thể gây nên hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu thu tại máy thu Hiệu ứng Doppler xảy ra mạnh nhất khi máy thu chuyển động theo phương của tia sóng tới (

0

v =

cosa i = ±1)

1.4 Tạp âm AWGN (tạp âm Gauss cộng trắng)

Thuật ngữ tạp âm dùng để mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống Sự xuất hiện của tạp âm làm giảm khả năng tách chính xác các tín hiệu phát và vì vậy làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể phân loại thành hai nguồn chính là nhân tạo và tự nhiên.Việc thiết kế tốt các mạch điện có thể loại bỏ hoặc giảm nhỏ đáng kể ảnh hưởng của các tạp âm từ các nguồn trên Tuy nhiên, có một nguồn tạp âm tự 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 các 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 0 và phương sai σ2

Hàm mật độ xác suất (PDF) của một quá trình ngẫu nhiên Gauss được biểu diễn như sau:

( )

n t

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2 2

Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất Gauss với σ =2 1.[3]

Một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt là mật độ phổ tần số của nó như nhau tại mọi tần số Tức là, nó là nguồn tạp âm phát ra một lượng công suất như nhau trên một đơn vị băng tần tại tất cả các tần số bằng:

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Theo Hình 1.6 (a), trong đó: Hệ số 2 trong công thức chỉ rằng là một hàm mật độ phổ công suất phía còn thì được gọi là mật độ phổ công suất tạp âm Tạp

âm với công suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng

được nhân trọng số với N0/ 2 Ta thấy R n( )τ = 0 với mọi nên bất kỳ hai mẫu khác nhau nào của tạp âm trắng đều không tương quan với nhau bất kể chúng gần nhau đến mức nào Do tạp âm nhiệt được cộng với tín hiệu nên nó còn được gọi là tạp

âm cộng Tổng hợp các đặc tính của tạp âm nhiệt ở trên chúng ta có thể tóm tắt lại rằng tạp âm nhiệt trong các hệ thống thông tin là tạp âm Gauss trắng cộng

τ ≠ 0

Hình 1.6 Mật độ phổ công suất và hàm tự tương quan của tạp âm trắng

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hình 1.7 biểu diễn một mô hình truyền dẫn tín hiệu BPSK trên kênh AWGN Chuỗi tín hiệu phát được tạo ra và phát trên kênh AWGN Do ảnh hưởng của tạp

âm, tín hiệu thu được ở đầu thu là tổng của tín hiệu phát với tạp âm

Hình 1.7 Mô hình truyền dẫn tín hiệu BPSK trên kênh AWGN

Mô phỏng quá trình truyền dẫn ở trên ta được kết quả như Hình 1.8

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hình 1.8 Kết quả mô phỏng phẩm chất BPSK trên kênh AWGN

Như vậy sự can thiệp của tạp âm trắng đến kênh truyền, cụ thể là tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ số lỗi bít (BER) của kênh truyền và chất lượng tín hiệu thu Nó làm tỷ số BER tăng lên, dẫn đến chất lượng tín hiệu thu giảm Tuy nhiên, không chỉ có tạp âm nhiệt tác động đến quá trình truyền Việc truyền tin vô tuyến còn gặp một vấn đề khó khăn hơn đó là các ảnh hưởng của pha đinh Ta tiếp tục nghiên cứu các tác động của nó trong phần tiếp sau đây

1.5 Các mô hình kênh cơ bản

Khi khoảng cách MS-BS tăng mức điện thu trung bình giảm Qua những khoảng cách tương đối ngắn, mức điện thu trung bình có thể xem là không đổi song mức tín hiệu thu tức thời có thể thay đổi nhanh với những lượng tiêu biểu tới Những thay đổi nhanh này là fading nhanh

40dB

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.5.1 Kênh fading Rice

Trong các hệ thống vệ tinh di động hoặc vô tuyến di động mặt đất ở các vùng ngoại ô và các vùng nông thôn, tín hiệu nhận được chỉ có một thành phần LOS gây ra fading Rice

Mô hình fading Rician giống fading Rayleigh ngoài ra trong fading Rician còn

có thêm các thành phần trội Các thành phần trội này có thể như tia sóng trực tiếp Tổng độ lợi:

( ) s( ) d( )

Là tổng độ lợi của một tia trực tiếp không đổi (hoặc LOS) và độ lợi một tia tán xạ Gaussian có giá trị trung bình bằng không Do vậy là đại lượng ngẫu nhiên Gaussian có giá trị trung bình khác không Công suất của tổng các tia trực tiếp bằng

P

=

(1.20) Nếu K = 0 : ta có pha-đinh Rayleigh

Nếu K ® ¥ : ta có kênh lý tưởng Gaussian

Gọi s2: phương sai của tia tán xạ, từ tỷ lệ công suất ta có độ lớn của tia trực

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1 2 2

1( ( ))

2

g g

g g

g

m s

ps

-

-=

(1.25) Đổi sang hệ tọa độ cực ta được:

Với:

2

2

1( )

¥ -

(1.27)

1.5.2 Kênh fadinh Rayleigh

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Hình 1.9 Hàm phân bố biên độ Rayleigh với s =2 1Pha-đinh Rayleigh là một kiểu thống kê ảnh hưởng của môi trường truyền lan đối với tín hiệu vô tuyến Giả định rằng độ lớn của tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến sẽ biến đổi ngẫu nhiên và suy giảm theo phân bố Rayleigh Pha-đinh Rayleigh hầu hết được áp dụng khi không có một tia trực tiếp nào tới máy thu

Ta giả định rằng độ lợi kênh phức có phân bố Gausian, cho trường hợp pha-đinh phẳng và không có tia LOS nào, khi đó ta có:

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

2 cos(

( ) j f t D i)

i i

(1.29) Phần thực và phần ảo là các thành phần độc lập có phân bố Gaussian với phương sai s g2 Hàm phân bố xác suất như sau:

2 2

1( ) 2 2

1( )

g g

2 2

( , )

2

g r r

2 2

1 ( , ) ( ) ( )

2 2

CHƯƠNG 1 KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN VÔ TUYẾN

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN

THỜI GIAN

2.1 Các phương pháp phân tập cơ bản

Trong thông tin vô tuyến, các phương pháp phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của pha-đinh đồng thời nâng cao chất lượng truyền thông tin Tuỳ theo 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

Vì pha-đinh có tính chất ngẫu nhiên, biên độ của một 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 Do đó việc truyền một tín hiệu tại các thời điểm cách biệt

đủ lớn sẽ tương đương với việc truyền một tín hiệu trên nhiều đường truyền độc lập, tạo nên sự phân tập về thời gian Khoảng thời gian 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 của kênh truyền Đối với thông tin di động khoảng thời gian đồng bộ này là , trong đó là tốc độ ánh sáng, v là tốc độ di chuyển của máy di động,

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

2.1.2 Phân tập tần số

Tương tự như phương pháp phân tập thời gian, chúng ta có thể sử dụng nhiều 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 đồng bộ, để đảm bảo pha-đinh ứng với các tần số sử dụng không tương quan với nhau Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ đo được vào khoảng 500kHz, vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1-2MHz

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 Nhược điểm của phương pháp phân tập tần số là sự tiêu tốn phổ tần số 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

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 dẫn đến 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 bược sóng (λ/2) Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát, chúng ta có hệ thống phân tập không gian phát, và tương tự chúng ta

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

có phân tập không gian thu nếu sử dụng nhiều anten thu Trường hợp sử dụng nhiều anten tại cả máy 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) Cũng giống như phương pháp phân tập phân cực, phương pháp này bị hạn chế về công suất phát, nếu Md nhánh phân tập phát được sử dụng thì chất lượng tín hiệu bị suy giảm đi 1/ M d lần so với phân tập thu không gian cùng bậc Tuy nhiên, sử dụng phân tập phát rất có ý nghĩa bởi: tiết kiệm, do chỉ cần thực hiện ở trạm gốc chứ không phải ở tất cả các máy di động, dễ thực hiện do yêu cầu về sự nhỏ gọn của máy di động nên rất khó có thể đặt được hai hay nhiều anten thu cách xa nhau hơn nửa bước sóng Vì vậy, sử dụng phân tập phát tại trạm gốc sẽ thay thế cho phân tập tại máy thu

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 kĩ thuật kết hợp tín hiệu phân tập Trong phần tiếp theo đây chúng ta chủ yếu nghiên cứu kĩ hơn về các biện pháp kết hợp phân tập thu và phát không gian

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 M nhánh phân tập Sau khi tách sóng cao tần, tín

hiệu thu được tại nhánh phân tập (anten) thứ m m , Î {1, 2, , M }, được biểu diễn như sau:

r t = h t s t + z t (2.1)

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

trong đó 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 m;

Từ M tín hiệu nhánh trên, chúng ta mong muốn sử dụng một phương pháp kết

hợp thích hợp sao cho tín hiệu ở đầu ra bộ kết hợp có chất lượng tốt hơn Có ba phương pháp kết hợp phân tập không gian được sử dụng phổ biến ở máy thu Đó là phương pháp kết hợp chọn 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)

Cấu hình của bộ kết hợp chọn lọc được mô tả ở hình dưới đây

Hình 2.1 Phương pháp kết hợp chọn lọc 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 Nhưng trong thực tế, việc đo lường tỷ số

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT THU PHÁT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

SNR rất khó thực hiện và vì vậy cho nên tín hiệu trên nhánh phân tập có tổng công suất tín hiệu trên 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 bình:

E r } biểu thị giá trị trung bình thống kê (ensemble average)

Hàm mật độ của đường bao trên nhánh M là

m ÷ ç

= ç ÷ ÷

çè ø (2.3) trong đó là đường bao tín hiệu trên nhánh m.Giả sử công suất trung bình của

12

m

m r g