Kỹ thuật phân tập phát đơn giản cho truyền không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂUHình 1: Hai nhánh MRRC Hình 2: Sơ đồ hai kênh truyền khác nhau tới một đầu thu Hình 3: Sơ đồ hai kênh truyền tới hai đầu thu Hình 4: So sánh tỷ lệ lỗi bit củ

Đề tài :

A simple transmit diversity technique

for wireless communications (Kỹ thuật phân tập phát đơn giản cho truyền không

dây)

MỤC LỤC

Tiêu đề bài báo 2

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 3

Tóm tắt 4

Chỉ dẫn thuật ngữ 4

I Giới thiệu 4

II Hệ thống MRRC 8

III Phương pháp mới về đường truyền đa đường 11

A Hai kênh truyền khác nhau tới một phía thu 11

1 Trình tự mã hóa và truyền tải tín hiệu ở phía phát 12

2 Quá trình tổng hợp tín hiệu 13

3 Đưa ra dự đoán về xác suất tối đa có thể xảy ra của tín hiệu thu được 14 B Hai kênh truyền với M đầu thu 14

IV Mô phỏng lỗi hệ thống 18

V Vấn đề thực hiện 20

A Yêu cầu nguồn điện 20

B Độ nhạy với lỗi ước lượng kênh 21

C Các hiệu ứng trễ 21

D Cấu hình Antenna 21

E Hỏng phần mềm 22

F Tác động trên nhiễu 23

VI Kết luận và thảo luận 24

Tiêu đề bài báo:

KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT ĐƠN GIẢN

CHO TRUYỀN KHÔNG DÂY

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1: Hai nhánh MRRC

Hình 2: Sơ đồ hai kênh truyền khác nhau tới một đầu thu

Hình 3: Sơ đồ hai kênh truyền tới hai đầu thu

Hình 4: So sánh tỷ lệ lỗi bit của điều chế BPSK dùng MRRC và hai kênh truyềntrong Rayleigh fading

Bảng I: Tín hiệu trên hai antenna sau một chu kỳ T

Bảng II: Định nghĩa của các kênh giữa ăng-ten phát và thu

Bảng III: Ký hiệu cho các tín hiệu nhận được hai ăng-ten thu

KỸ THUẬT PHÂN TẬP PHÁT CHO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu hệ thống phân tập phát hai nhánh đơn giản Sử dụng

hai ăng-ten phát và một ăng-ten thu, hệ thống này cung cấp loại phân tập giống như

kỹ thuật kết hợp thu tỉ lệ tối đa (MRRC) với một ăng-ten phát và hai ăng-ten thu.Cấu trúc này có thể dễ dàng được mở rộng thành hai ăng-ten phát và M ăng-ten thu

bất kỳ sự phản hồi từ máy thu đến máy phát và sự phức tạp về tính toán là tương tựvới MRRC.

Chỉ dẫn thuật ngữ: Xử lý dàn ăng-ten, xử lý băng cơ sở, phân tập, ước lượng và

đánh giá, kết hợp tỉ lệ tối đa, fading Rayleigh, ăng-ten thông minh, mã hóa khốikhông gian, mã hóa không gian-thời gian, phân tập phát, truyền thông không dây

I Giới thiệu

Hệ thống không dây của thế hệ kế tiếp yêu cầu với chất lượng thoại cao khi

so sánh với tiêu chuẩn vô tuyến của tế bào di động hiện hành và cung cấp tốc độ bit

dữ liệu dịch vụ cao (trên 2Mbits/s) Cũng trong thời gian này, các thiết bị được coi làcác thiết bị truyền thông bỏ túi gọn nhẹ Hơn nữa, các thiết bị này hoạt động mộtcách tin cậy ở các loại môi trường khác nhau: Vĩ mô, vi mô; thành thị, ngoại ô vànông thôn; trong nhà và ngoài trời Nói cách khác, các hệ thống thế hệ kế tiếp đã chochất lượng và vùng phủ sóng tốt hơn, hiệu quả băng thông và công suất lớn hơn vàđược triển khai trong các môi trường khác nhau Tuy nhiên các dịch vụ vẫn cần phải

có một mức hợp lý để thị trường có thể chấp nhận Chắc chắn rằng, thiết bị truyềnthông bỏ túi này vẫn phải tương đối đơn giản Tuy nhiên, quy mô kinh tế có thể chophép nhiều trạm gốc phức tạp hơn

Trong thực tế, thiết bị này xuất hiện mà trạm cơ sở phức tạp có thể chỉ thừa nhậnkhông gian thương mại cho các yêu cầu đạt được của các hệ thống không dây thế hệ

kế tiếp

Hiện tượng fading đa đường làm cho việc truyền dẫn không dây khó khănhơn Đây là hiện tượng mà nó gây cản trở cho truyền không dây khi so sánh với cápquang, cáp đồng, sóng vô tuyến có tầm nhìn thẳng hay thậm chí là thông tin vệ tinh

Việc tăng chất lượng hoặc làm giảm tỷ lệ lỗi hiệu dụng trong kênh fading đađường là cực kỳ khó khăn Trong hệ thống nhiễu cộng trắng AWGN sử dụng điềuchế điển hình và mã hóa, giảm tỷ lệ lỗi bit hiệu dụng (BER) từ 10-2 – 10-3 có thể chỉcần tỷ số nhiễu trên tạp âm SNR cao hơn 1 hoặc 2dB Tuy nhiên để đạt được nhữngyêu cầu tương tự trong môi trường fading đa đường thì cần cải thiện SNR lên đến10dB Việc cải thiện SNR có thể không đạt được cho dù công suất truyền lớn hơn

thế hệ kế tiếp Bởi vậy người ta chỉ chủ yếu tập trung làm giảm ảnh hưởng củafading tại cả thiết bị và các trạm gốc mà không cần phải tăng thêm công suất hay bất

kỳ sự tổn hao về băng thông

Về mặt lý thuyết, kỹ thuật sử có hiệu quả nhất để làm giảm sự ảnh hưởng củafading đa đường trong kênh truyền vô tuyến là kiểm soát được công suất phát Nếucác điều kiện của kênh thỏa mãn yêu cầu ở một phía bởi bên thu của đường truyềnthì cũng được biết ở bên phát ở bên còn lại, phía phát có thể vượt qua hiệu suất củakênh ở phía thu Có hai vấn đề với chủ yếu với cách tiếp cận này Vấn đề chính làyêu cầu về dải động của bên phát Để bên phát có thể vượt qua một mức fadinh cụthể thì bên phát phải nâng công suất của nó lên cùng một mức, trong hầu hết cáctrường hợp thì mức này không thực tế bởi vì các giới hạn về công suất bức xạ, kíchthước và giá thành của bộ khuếch đại Vấn đề thứ hai đó là bên phát không có bất kỳthông tin của kênh truyền của bên thu ngoại trừ trong hệ thống mà ở đó là đườngtruyền tuyến lên (từ thiết bị ra trạm) và tuyến xuống (từ trạm về thiết bị) mang cùngmột tần số Do đó, thông tin kênh phải được phản hồi trở lại từ phía thu sang phíaphát, điều này dẫn đến làm giảm thông lượng cho cả bên phát và bên thu Hơn nữa,trong một vài ứng dụng không thể có đường phản hồi thông tin của kênh

Các kỹ thuật có hiệu quả khác như là phân tập thời gian và tần số Sự xen kẽthời gian cùng với mã sửa sai có thể làm cải thiện phân tập Điều này cũng ảnhhưởng đến trải phổ Tuy nhiên, các kết quả về xen kẽ thời gian cho độ trễ lớn trongkhi kênh thay đổi chậm Tương tự, kỹ thuật trải phổ không hiệu quả khi mà băngthông tương quan của kênh lớn hơn băng thông trải phổ hay ở đó có độ trải trễ củakênh tương đối nhỏ

Trong các môi trường dễ bị tán xạ, phân tập ăng-ten là kỹ thuật thực tế, hiệuquả và do đó được áp dụng rộng rãi cho việc làm giảm ảnh hưởng của fading đađường Cách tiếp cận cổ điển là sử dụng nhiều ăng-ten ở phía thu và thực hiện tổnghợp hay lựa chọn và chuyển đổi để có thể nâng cao chất lượng của tín hiệu thu được.Vấn đề chính khi sử dụng phân tập thu là giá thành, kích thước và công suất củathiết bị sử dụng Việc sử dụng nhiều ăng-ten và chuỗi tần số vô tuyến RF làm cho

thiết bị sử dụng cồng kềnh và giá thành đắt hơn Bởi vậy kỹ thuật phân tập hầu nhưđược áp dụng cho trạm gốc để nâng cao chất lượng bên thu Một trạm thường phục

vụ cho 100 đến 1000 thiết bị Vì vậy việc thêm thiết bị vào trạm thu sẽ kinh tế hơn làthêm vào thiết bị sử dụng Vì lý do đó mà hệ thống phân tập phát rất được quan tâm.Chẳng hạn như mỗi một chuỗi ăng-ten thu và phát có thể được thêm vào tram gốc đểcải thiện chất lượng thu cho tất cả các thiết bị trong vùng phủ của trạm gốc Giảipháp đầu tiên rõ ràng là kinh tế hơn

Gần đây, một số cách tiếp cận thú vị về việc phân tập phát được gợi mở Một

hệ thống phân tập trễ được đề xuất bởi Wittneben cho trạm gốc, một hệ thống tương

tự cũng được đề xuất bởi Seshadri và Winters cho một trạm gốc đơn khi sao chépcùng một ký hiệu được truyền thông qua hệ thống đa ăng-ten tại các thời điểm khácnhau, do đó tạo ra méo đa đường Bộ ước tính tuần tự khả năng tối đa (MLSE) hoặc

bộ điều chỉnh sai số bình phương nhỏ nhất (MMSE) được sử dụng để giải quyết hiệntượng méo đa đường và đạt được độ lợi phân tập Một cách tiếp cận thú vị khác là

mã hóa lưới trellis không gian-thời gian được giới thiệu ở [6], ở đó các ký hiệu được

mã hóa dựa them các ăng-ten mà thông qua nó các ăng-ten này được phát và giải mã

sử dụng bộ giải mã hợp lệ tối đa Hệ thống này rất hiệu quả bởi vì nó kết hợp các ưuđiểm của mã sửa sai sớm (FEC) và truyền phân tập để nâng cao đáng kể hiệu năng.Chi phí cho hệ thống này tăng theo hàm mũ như là một hàm hiệu suất băng thông(bits/s/Hz) và loại phân tập được yêu cầu Do đó, với một số ứng dụng nó khôngthực tế hoặc là có giá hiệu quả

Kỹ thuật được đề xuất trong bài báo là một hệ thống phân tập phát đơn giảngiúp nâng cấp chất lượng tín hiệu ở phía thu về một phía của đường truyền bằng xử

lý tín hiệu đơn giản qua 2 ăng-ten phát theo hướng ngược lại Loại phân tập có đượcbằng cách áp dụng phương pháp kết hợp thu tỉ lệ tối đa (MRRC) với hai ăng-ten tạiphía thu Cấu trúc này dễ dàng được khái quát thành 2 ăng-ten phát và M ăng-tenthu nhằm cung cấp loại phân tập 2M Điều này thực hiện được mà không cần tới bất

kỳ sự phản hồi nào từ phía thu đến phía phát và sự phức tạp về tính toán là tương đối

nhỏ Cấu trúc này không cần phải mở rộng băng thông, do có sự dư được áp dụngvào không gian ở các dàn ăng-ten chứ không phải miền thời gian hay tần số.

Cấu trúc phân tập phát mới này có thể cải thiện hiệu suất lỗi, tốc độ dữ liệuhoặc là dung năng của hệ thống truyền thông không dây Làm giảm độ nhạy từfading có thể cho phép sử dụng hệ thống điều biên mức cao để làm tăng hiệu quả vềtốc độ dữ liệu hoặc là hệ số sử dụng lại nhỏ hơn trong môi trường đa tế bào để nângcao dung lượng hệ thống Cấu trúc này cũng có thể được sử dụng để tăng khoảngcách hoặc vùng phủ của hệ thống không dây Hay nói cách khác, hệ thống mới nàyrất hiệu quả trong tất cả các ứng dụng mà ở đó dung lượng của hệ thống bị giới hạnbởi fading đa đường và vì thế hệ thống này là hệ thống đơn giản và hiệu quả về giá

để đáp ứng được nhu cầu về chất lượng cũng như hiệu năng mà không phải thiết kếlại hoàn toàn hệ thống trước đó Hơn nữa, hệ thống này dường như là một ứng cửviên nặng ký cho truyền không dây thế hệ kế tiếp, bởi vì nó làm giảm ảnh hưởngfading ở thiết bị sử dụng một cách hiệu quả bằng cách sử dụng đa ăng-ten phát ởtrạm gốc

Ở phần II, kết hợp phân tập thu tỉ lệ tối đa được thảo luận và sẽ đưa ra mô tảtoán học đơn giản Ở phần III, hệ thống phân tập phát hai nhánh mới một và hai ăng-ten thu sẽ được thảo luận Ở phần IV, hiệu suất lỗi bit của hệ thống mới này với bộđiều chế BPSK sẽ được giới thiệu và so sánh với MRRC Có sự khác nhau về giáthành và hiệu suất giữa hệ thống này trong thực tế và hệ thống MRRC cổ điển Sựkhác nhau này sẽ được thảo luận chi tiết ở phần V

II Hệ thống MRRC

Hình 1 mô tả băng gốc của hệ thống MRRC cổ điển hai nhánh

Tại một thời điểm cho trước, một tín hiệu s0 được gửi từ máy phát Kênh nàybao gồm các ảnh hưởng của chuỗi truyền, đường truyền không khí và chuỗi thu cóthể bị biến đổi bởi các tác nhân phức tạp gồm có đáp ứng biên độ và đáp ứng pha.Kênh truyền giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu 0 được biểu diễn bởi h0 và giưa ăng-ten phát và ăng-ten thu 1 được biểu diễn bởi h1

(1)Nhiễu và giao thoa được thêm vào ở hai máy thu Kết quả tín hiệu băng gốc nhậnđược là:

(2)Trong đó: n0 và n1 đó là nhiễu và giao thoa giữa các ký hiệu

Giả sử n0 và n1 tuân theo phân bố Gauss, thước đo quyết định khả năng tối đa ở phíathu cho các tín hiệu thu được là si tín hiệu được chọn nếu và chỉ nếu:

(3)Trong đó: d2(x,y) là bình phương khoảng cách giữa tín hiệu x và y được tính toánbởi công thức sau:

Việc kết hợp tối đa tỷ lệ sau đó có thể xây dựng các tín hiệu SO ,như thể hiệntrong hình 1,để các máy dò sóng có khả năng tối đa phát hiện ra So ,đó là một ướclượng tối đa của So

III Phương pháp mới về đường truyền đa đường

A Hai kênh truyền khác nhau tới một phía thu

Hình 2: Sơ đồ hai kênh truyền khác nhau tới một đầu thu

Hình 2 biểu diễn các khối chức năng mô tả phương pháp đường truyền đađường,phương pháp này sử dụng hai ăng-ten phát và một ăng-ten nhận,phương pháptrên thực hiên ba chức năng sau:

- Trình tự mã hóa và truyền tải tín hiệu ở phía phát

- Mô tả quá trình tổng hợp tín hiệu ở đầu thu.

- Đưa ra dự đoán về xác suất tối đa có thể xảy ra của tín hiệu thu được

1 Trình tự mã hóa và truyền tải tín hiệu ở phía phát

Tại một đơn vị thời gian xác định ,hai tín hiệu được phát đồng thời từ haiăng-ten.Tín hiệu được truyền trên ăng-ten không(tx antenna 0) được ký hiệu là S0 và

từ ăng-ten 1(tx antenna 1) được ký hiệu là S1 Dữ liệu tiếp theo trong một chu ký tínhiệu(ký hiệu -S*)được truyền đi từ ăng-ten không(tx antena 0) và tín hiệu S*

0 đượctruyền từ ăng-ten(tx antenna 1).Trên mỗi anten phát diễn ra hoạt động phức liên hợpcủa các tín hiệu phía phát.Chuỗi tín hiệu này được biểu diễn trong bảng I

Bảng I: Tín hiệu trên hai antenna sau một chu kỳ T

Trong bảng 1,các mã hóa được thực hiện trong không gian và thời gian(mãhóa không gian-thời gian).Việc mã hóa tuy nhiên cũng có thể thực hiện trong khônggian và tần số.Thay vì sử dụng hai ký hiệu liền kề thời gian ,hai sóng mang lân cận

có thể được sử dụng(mã hóa không gian-tần số)

Các kênh truyền tại thời gian t bất kỳ được biểu diễn bằng phép tính hàm sốphức, hàm h0(t) biểu diễn cho tín hiệu truyền dẫn trên antenna không,h1(t) biểu diễncho tín hiệu truyền dẫn trên antenna một.Giả sử rằng fa-ding liên tục qua hai ký tựliên tiếp thì chúng ta có thể viết:

Trong đó T là ký hiệu thời gian.Các tín hiệu nhận được có thể được biểu diễn nhưsau:

Điều quan trọng cần chú ý ở đây đó là sự kết hợp này khác với sự kết hợp củaMRRC mà chúng ta đã mô tả ở phương trình(5).Thay (10) và (11) vào (12) chúng tađược:

3 Đưa ra dự đoán về xác suất tối đa có thể xảy ra của tín hiệu thu được

Các tín hiệu được tổng hợp sau đó được gửi đến khối đưa ra dự đoán về xácsuất tối đa có thể xảy ra của tín hiệu thu được,trong đó mỗi tín hiệu tuân theo quytắc (7) đã trình bày như trên,riêng đối với tín hiệu PSK sử dụng nguyên tắc trình bàytrong công thức (9)

Các tín hiệu thu được từ sự tổng hợp theo phương trình (13) là tương đươngvới kết quả thu được từ hai nhánh MMRC theo phương trình(5).Sự khác biệt duynhất là phép quay pha trên các thành phần tiếng ồn mà không làm suy giảm tỷ lệ tạp

âm trên tín hiệu.Do đó ,kết quả cuối cùng của việc thực hiện truyền hai kênh truyềnkhác nhau tới một đầu thu là tương đương với việc truyền hai nhánh MRRC.

B Hai kênh truyền với M đầu thu

Trong thực tế có thể có những ứng dụng cần sử dụng đến những mô hình cấutrúc mạng đa dạng hơn là cân thiết và nhiều antena thu tại các điểm nhận tín hiệu ở

xa đạt được chất lượng cao,trong trường hợp như vậy hệ thống có thể cung cấp 2Mvới hai đường truyền và M antena nhận tin hiệu phía đầu thu.Với minh họa chúng tanghiên cứu về trường hợp đặc biệt hai đường truyền và hai antenna thu chitiết.Trong trường hợp tổng quát xét với M antenna ở phía thu là việc dễ dàng thựchiện

Hình 3: Sơ đồ hai kênh truyền tới hai đầu thu

Hình 3 biểu diễn sơ đồ phương pháp sử dụng hai kênh truyền tới hai đầu thukhác nhau

Trình tự mã hóa và truyền tải thông tin cho cấu hình này giống với trườnghợp hai kênh truyền và một antenna nhận đã trình bày ở phần trên được thể hiệntrong bảng I Bảng II định nghĩa giữa các kênh giữa kênh truyền và phía thu và bảngIII định nghĩa cho các tín hiệu nhận được phía hai antenna nhận

Bảng II: Định nghĩa của các kênh giữa ăng-ten phát và thu

Bảng III: Ký hiệu cho các tín hiệu nhận được hai ăng-ten thu

Ta có:

Trong công thức này n0,n1,n2,n3 là các biến phức tạp ngẫu nhiên đó chính làtiếng ồn và nhiễu trong quá trình truyền thông tin.Khối tổng hợp trong hình 03 tổnghợp hai tín hiệu sau đó gửi đến khối đưa ra dự đoán về xác suất tối đa có thể xảy racủa tín hiệu thu được tín hiệu như sau:

Thay thế vào các phương trình thích hợp chúng ta có:

Các tín hiệu tổng hợp thu được sau đó gửi đến khối đưa ra dự đoán về xácsuất tối đa có thể xảy ra của tín hiệu ,đối với các tín hiệu S0 tuân theo quy tắc trongcông thức(17) hoặc công thức (18) đối với tín hiệu PSK

Chọn Si nếu:

Chọn Si nếu:

Tương tự như vậy,đối với S1 tuân theo các nguyên tắc lựa chọn tín hiệu Si nếu:

Và đối với tín hiệu PSK chọn Si nếu: