Ước lượng kênh trong hệ thống mimo

Hinh 1.3.Kênh truyền chọn lọc tần số Hình trên mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời

NGÔ QUANG PHÁT

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG MIMO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn thông

LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách khoa

Hà Nội và các thầy cô Khoa Vô tuyến Điện

tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.Trần Xuân Nam đã tận tình chỉ bảo để cho em hoàn thành tốt luận văn này

Sau cùng là lời cảm ơn đến gia đình người thân và bạn bè đã luôn động viên giúp

đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, 10/2011 Ngô Quang Phát

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Trần xuân Nam, cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2011 Tác giả

Ngô Quang Phát

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I  

LỜI CAM ĐOAN II  

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT V  

DANH MỤC HÌNH VẼ X  

LỜI MỞ ĐẦU 1  

CHƯƠNG 1   CƠ SỞ VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2 

1.1   Những hạn chế của kênh truyền vô tuyến 2 

1.2   Ảnh hưởng của kênh truyền fading 4 

1.2.1 Hiện tượng multipath-fading 4 

1.2.2 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng 6 

2.2.3 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm 10 

1.2.4 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rice 10 

1.3   Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng fading 12 

1.3.1 Phân tập 12 

1.3.2 Sử dụng mã hóa kênh 13 

1.4  Ước lượng tín hiệu kênh 15 

1.5 Kết luận 15 

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN 16 

2.1 Các phương pháp phân tập 16 

2.1.1 Phân tập thời gian 16 

2.1.2 Phân tập tần số 17 

2.1.3 Phân tập phân cực 18 

2.1.4 Phân tập không gian 18 

2.2 Kỹ thuật kết hợp phân tập không gian thu 19 

2.2.1 Mô hình tín hiệu 19 

2.2.2 Kết hợp chọn lọc (Selection Combinning) 19 

2.2.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combinning) 22 

2.2.5 Kết hợp phân tập thu và tách sóng MLD 27 

2.3 Kết luận 27 

Chương 3: HỆ THỐNG MIMO 28 

3.1.Giới thiệu tổng quan về hệ thống MIMO 28 

3.1.1.Tổng Quan 28 

3.1.2.Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO 28 

3.2.Ưu điểm về dung lượng kênh 30 

3.2.1.Công suất của hệ thống SISO 30 

3.2.2.Công suất của hệ thống MISO 31 

3.2.3.Công suất của hệ thống MIMO 31 

3.3.Các độ lợi trong hệ thống MIMO 31 

3.3.1.Độ lợi beamforming 31 

3.3.2.Độ lợi ghép kênh không gian (spatial mutiplexing) 32 

3.3.3.Độ lợi phân tập (Spatial diversity) 32 

3.4.Các phương pháp truyền dẫn trên MIMO 33 

3.4.1.Giới thiệu Phương pháp mã không gian thời gian 33 

3.4.2.Mô hình hệ thống 34 

3.4.3.Mã hóa không gian thời gian khối (STBC) 35 

3.4.4.Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC 38 

3.4.5.Mã hóa không gian thời gian lớp BLAST 41 

3.5.Kết luận 41 

CHƯƠNG 4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH CHO HỆ THỐNG MIMO 42 

4.1   Ước lượng kênh đơn giản 42 

4.2   Ước lượng kênh có lặp 44 

4.2.1.Mô hình tín hiệu 44 

4.2.2.Ước lượng kênh cho mã Alamouti 45 

4.2.3.Kết hợp ước lượng lặp và tách dữ liệu 46 

4.3 Chương trình mô phỏng 48 

4.3.1.Giới thiệu 48 

4.3.2 Kết quả mô phỏng và bàn luận 49 

4.3.2.2 Ước lượng lặp 50 

4.4.Kết luận 52 

KẾT LUẬN 53 

BPSK Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

C

C/I Carrier to Interference Ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu

CP Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

D

(I)DFT (Inverse) Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc (ngược)

DSP Digital Signal Processing

Ghép kênh song công phân chia theo tần số

FDM Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số FIR Finite Impulse Response

ICI Inter Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

(I)FFT (Inverse) Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh thuận (đảo)

ISI Intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

L

LS Least Square

Bình phương nhỏ nhất

LMMSE Linear Minimum Mean Squared Error

Lỗi quân phương tối thiểu

LOS Line of Sight

Tuyến truyền dẫn thẳng

M

MUX Multiplex

Đa hợp

MMSE Minimum Mean Squared Error

Lỗi quân phương tối thiểu

N

NLOS Non Line Of Sight

Không có tuyến truyền dẫn thẳng

O

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

P

PAPR Peak to Average Power Ratio (PAR)

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PN Pseudo Noise

Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSK Phase Shift Keying

Điều chế số dịch pha

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation

Điều biên cầu phương

QOS Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

(Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha (vuông góc)

R

S

SER Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi Symbol (kí hiệu) SNR Signal to Noise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

T

TDD Time Division Duplexing

Ghép song công phân chia thời gian

TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

U

UL Uplink

Tuyến lên

UMTS Universal Mobile Telecommunnication System

Hệ thống thông tin di động đa năng

V

W

WLAN Wireless Local Area Network

Mạng không dây nội bộ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình Multipath-Fadind 4

Hình 1.2 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng 4

Hinh 1.3.Kênh truyền chọn lọc tần số 6

Hình 1.4 Đáp ứng tần số của kênh truyền 7

Hình 1.5 Hàm tự tương quan trong miền tần số 9

Hình 1.6 Hàm tự tương quan trong miền thời gian 10

Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean 12

Hình 1.8 Sơ đồ khối mã hóa kênh với điều chế riêng biệt 14

Hình 1.9 Sơ đồ khối mã hóa kênh và điều chế kết hợp 14

Hình 2.1 Phương pháp kết hợp chọn lọc 20

Hình 2.2 Phân phối xác suất (CDF) của SNR cho phương pháp kết hợp phân tập lựa chọn 22

Hình 2.3 Độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp phân tập 23

Hình 2.4 Phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa 23

Hình 2.5 Phân phối xác suất (CDF) của SNR cho phương pháp kết hợp tỷ lệ tối đa 26

Hình 2.6 Sơ đồ máy thu với 2 nhánh phân tập MRC và một bộ tách tín hiệu tối ưu 27

Hình 3.1 Hệ thống MIMO 29

Hình 3.2 Kỹ thuật Beamforming 32

Hình3.3.Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 32

Hình 3.4 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 32

Hình 3.5.Sơ đồ hệ thống MIMO và mã không gian thời gian 35

Hình.3.6.Sơ đồ Alamouti 2anten phát và 1 anten thu 35

Hình 3.7.Các Symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti 36

Hình 3.8 Sơ đồ mã lưới 39

Hình 3.9 Bộ mã lưới k=1, K=3 và n=2 40

Hình 3.10 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k=1, K=3 và n=2 40

Hình 4.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát 1 anten thu 42

Hình 4.2 Khung truyền dữ liệu chèn ký tự Pilot sử dụng mã Alamouti 42

Hình 4.3 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát 1 anten thu sử dụng mã sửa sai 44

Hình 4.4 Cấu trúc khung dữ liệu 46

Hình 4.5 Vòng lặp bên nhận cho ước lượng kênh và tách dữ liệu 46

Hình 4.6 Giao diện chương trình mô phỏng ước lượng kênh 48

Hình 4.7 Lỗi BER ước lượng đơn giản 49

Hình 4.8 BER của hệ thống Alamouti 2x1 đạt được với độ dài ký tự pilot khác nhau 50

Hình 4.9 Lỗi BER ước lượng lặp 51

Hình 4.10 Lỗi BER ước lượng lặp 51

Luận văn tìm hiểu về kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO Trong đó, luận văn tập trung nghiên cứu về phân tập không gian và mã Alamouti để ước lượng cho mã Alamouti

Luận văn chia làm 4 chương :

Chương 1 : Chương này lần lượt trình bày cơ sở về thông tin vô tuyến như: ảnh

hưởng của kênh truyền fading, các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của fading và ước lượng tín hiệu

Chương 2 : Chương này lần lượt trình bày về các phương pháp phân tập

Chương 3 : Chương này trình bày lý thuyết về MIMO

Chương 4:Chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền cho mã

Alamouti cho 2 trường hợp ước lượng kênh không lặp và ước lượng kênh lặp, sau

đó đưa ra kết quả so sánh

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.1 Những hạn chế của kênh truyền vô tuyến

Việc truyền tín hiệu RF giữa hai anten sẽ chịu sự tổn thất năng lượng trong không gian Điều này làm giảm đáng kể đến sự hoạt động của đường truyền Sự tổn thất năng lượng giữa máy phát và máy thu là kết quả của ba hiện tượng khác nhau:

9 Sự suy giảm phụ thuộc vào khoảng cách gọi là tổn hao đường truyền hay tổn hao không gian tự do

9 Sự hấp thụ của các phân tử khí quyển trái đất

9 Sự suy giảm do hiện tượng fading gây ra

Sự hấp thụ của khí quyển là do các electron, phân tử hơi nước không ngưng

và phân tử của các loại khí

Tổn hao đường truyền là sự suy giảm về mặt lý thuyết Sự tổn hao này xảy ra dưới điều kiện LOS tự do và tổn hao này tăng theo cự ly giữa máy phát và máy thu

Fading là sự suy giảm biến thiên giữa cường độ thu max và min một cách không đều đặn Khi thiết bị đầu cuối di chuyển qua một khu vực nào có nhiều chướng ngại vật, có kích thước khác nhau Ví dụ: đồi, núi, toà nhà, hầm … Những chướng ngại vật này sẽ che phủ hay cắt hoàn toàn tín hiệu Do vậy, cường độ của tín hiệu thu được biến thiên một cách tất yếu Loại fading này gọi là shadow fading Cách khắc phục là đặt các trạm BS cao và gần nhau thì ta có thể tránh được các vật cản trong khi truyền dẫn

Ngoài ra còn có các loại fading khác như: rayleigh fading, multipath fading, shortterm fading Đây cũng là các loại khác của hiện tượng fading gây ra sự suy giảm của cường độ tín hiệu thu được

Rayleigh fading là kết quả của việc thu vài tín hiệu của máy thu Các tín hiệu này được phản xạ từ nhiều vật và nhiều hướng khác nhau trong một khu vực Do khoảng cách khác nhau nên các tín hiệu thu được khác nhau về pha nên chúng có thể làm tăng thêm hay làm triệt tiêu tín hiệu tổng hợp Sự di chuyển của các thiết bị đầu cuối cũng gây ra sự biến thiên không thể dự đoán được của pha, tín hiệu theo

thời gian làm cho sự suy giảm biến thiên mạnh Rayleigh fading thường có trong khu vực đô thị Hiện tượng fading sâu thường xảy ra ở các vùng tần số cao và khi các thiết bị di chuyển nhanh Để tránh hiện tượng fading sâu thì giá trị trung bình của các tín hiệu thu được phải cao hơn vài dB so với độ nhạy máy thu

Nhiễu xuyên symbol (ISI): vì dải thông của kênh nói chung bị hạn chế và khi một xung được truyền qua kênh đó thì nó sẽ gây ra sự méo dạng tín hiệu đang truyền trong miền tần số Tương tự, đó là sự tán sắc của xung theo thời gian và xung của mỗi symbol sẽ tràn sang khoảng thời gian của mỗi symol kế tiếp Loại nhiễu này được biết đến là nhiễu xuyên symbol (ISI) Điều này làm gia tăng xác suất lỗi ở máy thu trong việc tách symbol Rõ ràng rằng xung ở dải thông hạn chế được chọn

để truyền dẫn nhằm tránh sự méo dạng miền tần số do kênh truyền có giải thông hạn chế Tuy nhiên, sự cắt xén dải thông của tín hiệu được truyền lại làm giảm xung trong miền thời gian Điều nay sẽ gây ra sự chồng chéo của các symbol

Nhiễu đồng kênh (CCI): ngoài nhiễu gây ra bởi kênh truyền, một loại nhiễu khác cũng làm hạn chế hiệu quả hoạt động của hệ thống và công suất của hệ thống

là nhiễu đồng kênh (CCI) CCI tồn tại trong bất kỳ một hệ thống đa truy nhập nào Trong TDMA, SDMA, FDMA tần số được tái sử dụng nghĩa là có nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một băng tần ở cùng một thời điểm và do vậy những người sử dụng cùng kênh sẽ tạo ra CCI lẫn nhau Do vậy cần có sự cân bằng giữa hiệu suất phổ và hiệu quả hoạt động của hệ thống

Tạp âm: ví dụ như tạp âm nhiệt làm giới hạn tỷ số SNR

1.2 Ảnh hưởng của kênh truyền fading

1.2.1 Hiện tượng multipath-fading

Hình 1.1 Mô hình Multipath-Fading

Tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian và va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công viên, sông…gây ra các hiện tượng sau đây

Hình 1.2 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng

• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng

• Tán xạ (scattering): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng

• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới máy thu Do các bản sao phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên

• Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này khác nhau

• Các bản sao này suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này

là khác nhau

Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tuỳ thuộc vào biên độ và pha của các bản sao

• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực khi các bản sao đồng pha

• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực khi các bản sao ngược pha

Tuỳ theo đáp ứng tấn số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần

số (frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng( frequency nonselective fading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổi chậm (slow fading channel) Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice

Hinh 1.3.Kênh truyền chọn lọc tần số

Hình trên mô tả đáp ứng của kênh truyền chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, khi ta lần lượt phát các xung vuông ra kênh truyền tại những thời điểm khác nhau, tín hiệu thu được có hình dạng khác xung ban đầu và khác nhau khi thời điểm xung kích khác nhau

1.2.2 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không bằng phẳng trong một dải tấn số, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau Một kênh truyền bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tuỳ thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không bằng phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó

a) Kênh lựa chọn tần số b) Kênh phẳng

Hình 1.4 Đáp ứng tần số của kênh truyền

Hình trên cho thấy kênh truyền sẽ là chọn lọc tần số với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 32MHz đến 96MHz, tuy nhiên nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 2MHz thì kênh truyền sẽ là kênh truyền fading phẳng

Trên đây chúng ta đã mô tả định tính kênh truyền, bây giờ ta sẽ xác định lượng thông số của kênh truyền

Tín hiệu tại máy thu là tổng các thành phần tín hiệu đến từ L đường như hình 1.1 (chưa tính đến nhiễu) có dạng

Với hệ số suy hao biên độ

thời gian trễ có giá trị thực

Tổng quát tín hiệu tới máy thu có dạng sau

WSS: quá trình dừng theo nghĩa rộng tức là ACF chỉ phị thuộc vào ∆ US: các thành phần phản xạ độc lập nhau

Khi quá trình là WSSUS ta có hàm tự tương quan ACF:

Với ∆ , là mật độ phổ công suất chéo trễ (Delay Cross PDF)

Khi ∆ 0 , ∆ , được là profile trễ công suất( Power Delay Profile hay Multipath Delay Profile hay Multipath Intensity Profile), mô tả công suất trung bình của tín hiệu sau khi qua kênh truyền Do đó công suất ra của tín hiệu được tính theo công thức:

Nếu ∆t = 0 ta có hàm tự tương quan ACF phân tán theo tần số, mô tả tương quan giữa các khoảng tần số ∆ f của kênh truyền

∆ 0, ∆ ∆ (1.10) Mọi kênh truyền đều có một khoảng tần số ∆ tại đó tỷ số ∆ xấp xỉ 1

Hình 1.5 Hàm tự tương quan trong miền tần số

Tức là đáp ứng của kênh truyền xem là bằng phẳng trong khoảng ∆ , ∆

Khoảng tần số này gọi là băng thông đồng bộ của kênh (Conherence Bandwith)

• Trong khoảng ∆ , ∆ : Kênh fading phẳng( flat fading)

• Ngoài khoảng ∆ , ∆ : Kênh fading chọn lọc tần số

Tính Bc :

. (Hệ số tương quan =0.9)

. (Hệ số tương quan =0.5) : Độ trải trễ hiệu dụng

• BC >> BS Æ Kênh fading phẳng

• BC << BS Æ Kênh fading chọn lọc tần số

2.2.3 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm

Hình 1.6 Hàm tự tương quan trong miền thời gian

TC là độ rộng ổn định về thời gian đồng bộ (Coherent time) Còn gọi là khoảng thời gian coi kênh tĩnh

.

Trong đó fDmax tần số Doppler

Để xét kênh fading là nhanh hay chậm ta so sánh 2 TC và TS (độ rộng của tín hiệu)

Nếu:

• TC >> TS Æ Kênh fading chậm (slow fading)

• TC << TS Æ Kênh fading nhang (fast fading)

1.2.4 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rice

Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hoặc không tồn tại đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight, đường LOS là đường

mà tín hiệu có thể truyền trực tiếp từ máy thu mà không bị cản trở) Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, bằng thực nghiệm và lý thuyết người ta chứng minh được

đường bao tín hiệu truyền qua truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền chịu ảnh hưởng của fading Rayleigh Khi này tín hiệu nhận được tại máy thu chỉ là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS, thì đây là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không truyền thẳng NLOS (NonLight Of Sight) không đóng vai trò quan trọng, tức là không có ảnh hưởng xấu đến tín hiệu thu, khi này đường bao tín hiệu qua kênh truyền có phân bố Rice nên kênh truyền chịu ảnh hưởng của pha định Rice

Ta biết tín hiệu tại máy thu có dạng:

Các hệ số suy hao αi là các hệ số phức nên có thể viết dưới dạng:

(1.17) Biên độ

(1.18) Góc pha

Nếu có nhiều bản sao tín hiệu từ rất nhiều đường khác nhau tại máy thu, thì ta có thể áp dụng thuyết giới hạn trung tâm (central limit theorem), khi này có thể xem các hệ số và là các quá trình ngẫu nhiên Gauss

Nếu αr (t) và là các quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình bằng 0 thì

• α(t) sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh

0 ∞ (1.20) Phương sai của quá trình Gauss

có phân bố trong khoảng [0,2π] (1.22)

Ta có kênh truyền Rayleigh fading

Nếu αr (t) và là các quá trình ngẫu nhiên Gauss có giá trị trung bình khác 0 thì

• α(t) sẽ có đặc tính thống kê theo hàm phân bố xác suất PDF Rice

0 ∞ (1.23)

I0(x) là hàm Bessel loại 1 bậc 0: (1.24)

A2 là công suất của đường LOS của kênh truyền

Đặt , K gọi là hệ số Ricean K=0 tương ứng A=0 hàm phân bố Ricean trở thành hàm phân bố Rayleigh Hình 12 biểu diễn hàm phân bố xác suất PDF Rayleigh (K=0 hay K=-∞[dB] và Rice với hệ số K=3[dB] và K=9[dB]

Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất Rayleigh và Ricean

1.3 Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng fading

Các phương pháp phân tập thường gặp là

Phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (phân tập anten)

Kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ :

+ Khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất

lượng và dung lượng hệ thống

+ Giảm ảnh hưởng của fading

+ Tránh được hao phí băng thông tần số –yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền

Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan về fading

Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng phiên bản riêng lẻ

Các phương pháp kết hợp thường gặp:

Bộ kết hợp theo kiểu quét và lựa chọn (Scanning and Selection Combiners: SC) quét và lựa chọn nhánh có tỷ số SNR tốt nhất

Bộ kết hợp cùng độ lợi (Equal-Gain Combiners: EGC)

Bộ kết hợp tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners:MRC): tổ hợp tất cả các nhánh, với hệ số tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ

9 Sửa lỗi: Hiệu chỉnh lại bit lỗi về giá trị thực tế đã phát để đưa vào độ lợi mã hóa với BER cho trước

Thực hiện kiểm soát lỗi:

9 Hiệu chỉnh lỗi trước (FEC – Forward Error Corection): Bộ mã hóa kênh bổ xung các bit dư giúp bộ giải mã phía thu có thể quyết định bít thực sự đã phát

9 Yêu cầu phát lại tự động (ARQ – Automatic Retransmission Request): Phía thu dựa trên các bit dư bộ mã hóa kênh đưa vào để phát hiện lỗi từ đó yêu cầu phát lại bản tin bị lỗi

Sơ đồ khối mã hóa kênh với điều chế riêng biệt

Hình 1.8 Sơ đồ khối mã hóa kênh với điều chế riêng biệt

Sơ đồ khối mã hóa kênh và điều chế kết hợp

Hình 1.9 Sơ đồ khối mã hóa kênh và điều chế kết hợp

Mục đích của mã hóa kênh kiểm soát lỗi

9 Xác định đoạn số liệu thu mắc lỗi

9 Giảm thiểu xác suất không phát hiện được lỗi

9 Giảm được BER tại một giá trị Eb/N0 tiền định

9 Tại BER cho trước giảm được Eb/N0, lượng giảm này được gọi là độ lợi của

mã tại xác suất lỗi

Các loại mã kênh

9 Mã khối tuyến tính

9 Mã chập ( hay mã xoắn)

1.4 Ước lượng tín hiệu kênh

Ước lượng kênh nhằm mục đích giảm sự sai khác giữa hàm truyền đạt của kênh phát so với kênh thu do nhiều nguyên nhân trong quá trình truyền dẫn

Có 2 phương pháp phổ biến để ước lượng kênh là ước lượng kênh trực tiếp (decision directed channel estimation) và ước lượng kênh có hỗ trợ của ký tự pilot (pilot symbol assisted (PSA) channel estimation) Với phương pháp ước lượng kênh trực tiếp, mật mã ký tự là được sử dụng để ước lượng tham số trong chu kỳ dữ liệu truyền, trong khi ước lượng kênh PSA, ký tự pilot, được biết ở cả kênh bên thu và phát, được chèn vào trong khung ký tự truyền Tại bên thu, ký tự pilot được ghép để cung cấp 1 tham số ước lượng thời gian của các tham số kênh trong chu kỳ pilot Ước lượng thời gian là sau hoặc lọc hoặc nội suy để cung cấp các tham số ước lượng của kênh Với kênh fading giả tĩnh, nó thường phổ biến như là kênh không thay đổi trong một chu kỳ khung dữ liệu Bởi vì, ước lượng tham số kênh trong chu

kỳ pilot có thể được sử dụng để ước lượng ký tự dữ liệu trong chu kỳ truyền dữ liệu

Theo lý thuyết, lợi thế của ước lượng kênh trực tiếp hơn ước lượng kênh

PSA là nó không yêu cầu mở rộng băng tần như ký tự pilot là không cần thiết

1.5 Kết luận

Chương này trình bày cơ sở về thông tin vô tuyến, Các kênh truyền , ảnh hưởng và các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của fading Cuối chương trình bày khái niệm ước lượng tín hiệu

Chương 2 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN

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-đing và nâng cao chất lượng truyền của 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 [6] Phương pháp phân tập đòi hỏi sự tồn tại của một số đường truyền có 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-đing 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, nếu 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-đing ít hơn Kết quả này đồng nghĩa với tín hiệu được truyền đi với độ tin cậy cao hơn

Tùy theo miền (domain) 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 cực và phân tập không gian [6],[8]

2.1.1 Phân tập thời gian

Do tính chất ngẫu nhiên của pha-đing, biên độ của một tín hiệu chịu ảnh hưởng pha-đing 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 tải 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 gian cần thiết để đảm bảo thu được các tín hiệu pha-đing không tương quan tại máy thu là thời gian đồng bộ1

(corehence time) của kênh truyền [6] Đối với thông tin di động khoảng thời gian

đồng bộ này là T c = c/(2vf c ), trong đó c = 3x108 m/s là tốc độ ánh sáng, v là tốc độ

di chuyển của máy di động , và fc là tần số sóng mang [6] Với các máy di động làm

việc ở tần số 800Mhz di chuyển với tốc độ 50km/h, thời gian đồng bộ Tc = 13,5 ms

Để tạo ra Md nhánh phân tập, tín hiệu cần được truyển đi tại Md khe thời gian Vì vậy, khoảng thời gian giữ chậm cần thiết để truyền tín hiệu trên Md nhánh phân tập

là Md c/(2vf c ) Đối với truyền dẫn tín hiệu thoại, tốc độ lấy mẫu cần thiết ít nhất là

8M Khz [6] Đồng thời để đảm bảo độ rộng xung truyền nằm trong băng tần truyền dẫn, chúng ta chỉ có thể sử dụng tối đa Md = 50 nhánh phân tập [6] Do thời gian cách biệt tỷ lệ nghịch với tốc độ di chuyển nên, khác với 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 xe 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 giữ chậm giải

mã lớn, nên phương pháp này chỉ phù hợp với các kênh pha-đinh biến động nhanh Nhược điểm chính của phương pháp phân tập thời là làm suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời gian

2.1.2 Phân tập tần số

Tương tư 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 theo tần số Khoảng cách giữa các tần số phải đủ lớn, vào khoảng vài lần băng tần đồng bộ (coherence bandwidth)2, 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 500 Khz,

vì vậy khoảng cách cần thiết giữa các nhánh phân tập tần số ít nhất là 1 – 2 MHz [6]

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 (multicarrier modulation) hay sử dụng phương pháp nhảy tần (frequency hopping)

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 [6] 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 ra được chỉ là 2 Ngoài ra do sự hạn chế của công suất máy phát nên công suất tín hiệu phát cần phải chia đều cho 2 nhánh, và 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 là phương pháp đã sử dụng rộng rãi trong thông tin

vô tuyến Phương pháp này sử dụng nhiều máy anten ở máy thu, máy phát hoặc cả máy thu và máy phát để tạo nên các nhánh phân tập không gian khác nhau Khoảng cách tối thiểu cần thiết giữa các anten là ½ bước sóng (λ/2) Khi sử dụng nhiều anten ở máy phát, chúng ta có hệ thống phân tập không gian phát, tương tự chúng ta

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 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: Multiple Input - Multiple Output)

Cũng giống như phương pháp phân tập phân cực, do 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/ Md so với phân tập không gian thu cùng bậc Tuy nhiên, sử dụng phân tập phát rất có ý nghĩa do 2 lý do sau: (i) tiết kiệm, do chỉ cần thực hiện ở trạm gốc chứ không phải ở tất cả các máy di dộng, (ii) dễ thực hiện, do yêu cầu về sự nhỏ gọn của máy di động nên rất khó có thể đặt được 2 hay nhiều anten thu cách xa nhau hơn nửa bước sóng (khoảng 19cm ở tần 800MHz) Vì vậy sử dụng phân tập phát ở 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 các ưu điểm nói trên, phương pháp phân tập không gian đã được nghiên cứu rộng rãi từ năm 1927 đến nay Các nghiên cứu về phân tập không gian tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật kết hợp tín hiệu phân tập Trong phần tiếp theo sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các biện pháp kết hợp kỹ thuật 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 Є {1,2,….M}, được biểu diễn

như sau:

(2.1) 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, là tạp âm ở nhánh phân tập m

Từ M nhánh tín hiệu trên, chúng ta mong muốn sử dụng một phương pháp 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 sử dụng ba phương pháp kết hợp phân tập không gian được sử dụng phổ biến ở máy thu Cụ thể là các phương pháp chọn lọc (selection combinning) và kết hợp đồng độ lợi (equal-gain combinning)

2.2.2 Kết hợp chọn lọc (Selection Combinning)

Cấu hình của kết hợp chọn lọc được minh họa như trong hình 2.1 Tại một

thời điểm t, mạch chọn lọc logic thực hiện việc đo lường và 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 cho 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 và tạp âm lớn nhất sẽ được chọn

Hình 2.1 Phương pháp kết hợp chọn lọc

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 bố Rayleigh với công suất trung bình

| | , trong đó ký hiệu biểu thị phép toán lấy giá trị trung bình thống kê (ensemble average) Hàm mật độ của đường bao tín hiệu trên nhánh

m là:

2.2

Trong đó là đường bao tín hiệu trên nhánh m Giả sử công suất trung bình

của tạp âm trên các nhánh là như nhau và bằng:

(2.9) Xét trường hợp đặc biệt trong đó tất cả các nhánh phân tập đều có một giá trị SNR trung bình, tức là Khi đó ta có [5]