Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống mimo sử dụng mã alamouti

Hình 1.1: Các mô hình anten được sử dụng để truyền dữ liệu Ngày nay, công nghệ MIMO đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực viễn thông bởi những ưu điểm vốn có: tăng tốc độ dữ liệu, nâng ca

TS Hồ Văn Khương

Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 11 tháng 07 năm 2013 Thành phần đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Cảnh Hưng MSHV: 11140019

Ngày, tháng, năm sinh: 07/08/1987 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: Tối ưu lựa chọn cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã

Alamouti

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến, các tác động của môi trường lên quá trình truyền dẫn không dây, các mô hình kênh truyền phổ biến

- Khảo sát mô hình hệ thống MIMO, nghiên cứu những ưu điểm mà chúng mang lại

- Tìm hiểu quá trình áp dụng mã khối không gian - thời gian trong quá trình mã hóa kênh truyền

- Thực hiện việc tối ưu chọn lựa cặp anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti, đưa ra các biểu thức BER cho hệ thống

- Mô phỏng, đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số hệ thống, kênh truyền đến chất lượng hệ thống

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:………

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:………

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Tường Nguyên

TS Hồ Văn Khương

Tp HCM, ngày … tháng … năm…

(họ tên và chữ ký) (họ tên và chữ ký) (họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi đến TS Huỳnh Tường Nguyên và TS.Hồ Văn Khương lời cảm ơn chân thành, sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc vì đã hướng dẫn em đầy chu đáo và nhiệt tình Thầy đã dẫn dắt, tạo cho em cách tư duy và làm việc một cách khoa học, hướng đến các

đề tài khoa học mới mẽ và tiếp cận với các công nghệ hiện đại

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử - chuyên ngành

Kỹ thuật Điện tử đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu

Con xin gửi đến cha mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, một chỗ dựa tinh thần vững chắc nhất của con Đồng thời xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã cùng sát cánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề nảy sinh khi nghiên cứu, giúp tôi có thể tiếp tục hướng hướng nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Do kiến thức còn hạn chế và chưa trải nghiệm thực tế nhiều nên chắc chắn em còn những thiếu sót trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tối nghiệp này Em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để giúp em hoàn thiện hơn kiến thức cũng như vững bước trong quá trình làm việc sau này

Chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2013

Học Viên

Phạm Cảnh Hưng

ABSTRACT

In this report we investigate the error performance of the Alamouti scheme with transmit antenna selection in MIMO systems The exact bit error rate (BER) is derived for binary phase-shift keying (BPSK) or Quadrature amplitude modulation(QAM) in flat Rayleigh fading channels The analysis reveals that this scheme achieves a full diversity order at high SNRs, as if all the transmit antennas were used Simulation results are provided to substantiate the analysis It is shown that compared with conventional space-time block codes (STBCs), this scheme incurs much less SNR loss inherent to the transmit-diversity system

Therefore, the Alamouti scheme with transmit antenna selection provides a new optimal approach to the design of MIMO systems for high-data-rate downlink transmission with a high diversity order and high code rate, but only use a simple algorithm, a compact hardwar

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong báo cáo này chúng ta nghiên cứu tỷ số lỗi của mã Alamouti áp dụng cho quá trình lựa chọn anten phát trong các hệ thống MIMO Tỷ lệ lỗi bit chính xác (BER) có được khi điều chế dịch pha nhị phân (BPSK) hoặc điều chế toàn phương (QAM) trong môi trường fading Rayleigh phẳng Quá trình phân tích cho thấy rằng mô hình này đạt được độ lợi phân tập đầy đủ với SNR cao, giống như khi tất cả ăng-ten phát được sử dụng

để truyền dữ liệu Kết quả mô phỏng được cung cấp nhằm chứng minh kết quả phân tích phía trước đó Nó cho thấy rằng, so với mã khối không gian-thời gian thông thường (STBCs), mô hình này chỉ cần dùng tỷ số SNR thấp hơn trong hệ thống phân tập phát

Từ đó, áp dụng mã hóa Alamouti trong hệ thống lựa chọn ăng-ten phát cung cấp cho

ta một phương pháp tối ưu mới trong việc thiết kế các hệ thống MIMO với đường truyền xuống có tốc độ dữ liệu cao có độ lợi phân tập đầy đủ và tỷ số mã cao, nhưng chỉ sử dụng một thuật toán đơn giản cùng với một phần cứng nhỏ gọn

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là kết quả của quá trình nghiên cứu từ các bài báo khoa học trên tạp chí IEEE, từ các bài báo khoa học khác và từ các Ebook về hệ thống MIMO - mã hóa Alamouti, từ các tư liệu

đã đề cập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận văn này là thành quả lao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn TS Huỳnh Tường Nguyên

và TS Hồ Văn Khương, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép bất kì một công trình nào đã có từ trước

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

ABSTRACT ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 MỞ ĐẦU 1

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI 2

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

1.6 HƯỚNG NGHIÊN CỨU 3

1.6.1 PHÂN TÍCH 3

1.6.2 MÔ PHỎNG 4

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN 4

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 6

2.1 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ - GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ 6

2.1.1 ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ 7

2.1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ M-PSK 8

2.1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ M-QAM 10

2.1.2 GIẢI ĐIỀU CHẾ 12

2.2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 13

2.2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 14

2.2.1.1 HIỆU ỨNG ĐA ĐƯỜNG (MULTIPART) 14

2.2.1.2 HIỆU ỨNG DOPPLER 15

2.2.1.3 SUY HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN 17

2.2.1.4 HIỆU ỨNG BÓNG RÂM (SHADOWING) 18

2.2.2 CÁC MÔ HÌNH THỐNG KÊ CỦA KÊNH TRUYỀN FADING 18

2.2.2.2 RICEAN FADING 19

2.2.3 CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP 21

2.2.3.1 PHÂN TẬP THỜI GIAN 21

2.2.3.2 PHÂN TẬP TẦN SỐ 23

2.2.3.3 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN 24

2.3 HỆ THÔNG MIMO 29

2.3.1 TỔNG QUAN MIMO 29

2.3.2 DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG MIMO 31

2.3.3 ĐỘ LỢI HỆ THỐNG MIMO 38

2.4 MÃ HÓA KINH TRUYỀN 42

2.4.1 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN - THỜI GIAN (STBC) 42

2.4.1.1 CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 43

2.4.1.2 MÃ HÓA 52

2.4.1.3 GIẢI MÃ 55

2.4.2 SƠ ĐỒ MÃ HÓA ALAMOUTI 57

2.4.2.1 MÃ HÓA 58

2.4.2.2 GIẢI MÃ 60

2.4.2.3 SƠ ĐỒ ALAMOUTI MỞ RỘNG 61

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VIỆC CHỌN LỰA ANTEN TRONG HỆ THỐNG MIMO SỬ DỤNG MÃ ALAMOUTI 64

3.1 LÝ DO LỰA CHỌN ANTEN 64

3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN 64

3.3 PHÂN TÍCH TOÁN HỌC 66

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

4.1 BER CỦA ĐIỀU CHẾ M-PSK & M-QAM TRÊN KÊNH TRUYỀNREYLAIGH 76

4.2 TÁC ĐỘNG CỦA SỐ LƯỢNG ANTEN PHÁT - PHÂN TẬP PHÁT 78

4.3 BER CỦA HỆ THỐNG CHỌN LỰA ANTEN PHÁT 80

4.3.1 BER CỦA HỆ THỐNG CHỌN LỰA ANTEN PHÁT 80

4.3.2 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LỰA CHỌN ANTEN VỚI LÝ THUYẾT 81

4.4 TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH LỰA CHỌN ANTEN PHÁT LÊN ĐỘ PHÂN TẬP 83

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86

TÀI LIỀU THAM KHẢO 88 LÝLỊCH TRÍCH NGANG 91

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các mô hình anten được sử dụng để truyền dữ liệu 1

Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc 7

Hình 2.1.2: Điều chế M-PSK 9

Hình 2.1.3: Giản đồ sao điều chế M-QAM 11

Hình 2.1.4: Giản đồ tín hiệu QAM 11

Hình 2.1.5: Nhận dạng quyết định cứng 12

Hình 2.2.1: hiện tượng đa đường trong truyền tin vô tuyến 14

Hình 2.2.2: Hàm truyền đạt của kênh 16

Hình 2.2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu 17

Hình 2.2.4: Mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 19

Hình 2.2.5: Hàm phân bố xác suất của phân bố Ricean 21

Hình 2.2.6: Phân tập theo thời gian 22

Hình 2.2.7: Kỹ thuật phân tập theo tần số 23

Hình 2.2.8: Sơ đồ hệ thống xứ lý trong phân tập tần số 24

Hình 2.2.9 Các phương pháp phân tập 24

Hình 2.2.10: Phân tập cả phía phát và phía thu 25

Hình 2.2.11: Mô hình phân tập thu 26

Hình 2.2.12: Đường BER phân tập thu với kênh flat fading 27

Hình 2.2.13: BER của BPSK trên kênh truyền fading Reylaigh sử dụng phân tập phát 28

Hình 2.3.1: Sự phân tập tín hiệu truyền 29

Hình 2.3.2: So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thống MIMO & SISO 30

Hình 2.3.3: Mô hình một hệ thống MIMO 30

Hình 2.3.4: N Kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song 33

Hình 2.3.5: Hệ kênh truyền nhiễu Gauss trắng song song tương đương 35

Hình 2.3.6: Sơ đồ hệ thống MIMO khi biết CSI tại nơi phát và thu 35

Hình 2.3.7: Định lý Waterfilling 36

Hình 2.3.8: Phân phối công suất khi SNR cao 36

Hình 2.3.9: Phân phối công suất khi SNR thấp 37

Hình 2.3.10: Mô hình biểu diễn độ lợi dãy anten 39

Hình 2.3.11: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 39

Hình 2.3.12: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 40

Hình 2.4.1: Mô tả sơ đồ khối của bộ mã hóa mã khối không gian - thời gian 53

Hình 2.4.2: Cấu trúc ma trận phát 53

Hình 2.4.3: Mô hình mã hóa Alamouti STBC 58

Hình 2.4.4: Sơ đồ khối của bộ mã hóa Alamouti 58

Hình 2.4.5: Các symbols phát và thu trong mô hình Alamouti 59

Hình 2.4.6: Tỷ lệ lỗi bit khi sử dụng điều chế BPSK trong kênh truyền fading 61

Hình 2.4.7: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu 62

Hình 3.1: Mô hình hệ thống MIMO chọn lựa 2 anten phát 65

Hình 4.1: BER của hệ thống thay đổi theo loại điều chế PSK 77

Hình 4.2: BER của hệ thống thay đổi theo loại điều chế QAM 77

Hình 4.3: BER của hệ thống MISO với điều chế 16-QAM 79

Hình 4.4: BER trong hệ thống có chọn lựa 2 anten phát 80

Hình 4.5: So sánh BER của kết quả mô phỏng với nghiên cứu lý thuyết 82

Hình 4.6: Biểu diễn BER so sánh giữa hệ thống có & không có lựa chọn anten phát 84

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog - Digital converter

AM Amplitude Modulation

APK Amplitude - Phase Keying

ASK Amplitude Shift Keying

AWGN Addition White Gauss Noise

BER Bit to error rat

BPSK Binary Phase S

STBC Space - Time Block Code

CGD coding gain distance

DMT Diversity-multiplexing tradeoff

FM Frequency Modulation

FSK Frequency Shift Keying

GSM Global System Mobile

SISO Single Input Single output

SNR Signal to Noise rate

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 MỞ ĐẦU

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, sử dụng nhiều antenna ở phía phát và nhiều anten ở phía thu nhằm mục đích tối ưu hóa tốc

độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu

Hình 1.1: Các mô hình anten được sử dụng để truyền dữ liệu Ngày nay, công nghệ MIMO đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực viễn thông bởi những ưu điểm vốn có: tăng tốc độ dữ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu … Dựa trên các

kỹ tuật phân tập (phân tập không gian, phân tập thời gian, mã hóa …), các thiết bị MIMO được trang bị nhiều anten và các giải thuật tách sóng, mã hóa phức tạp hơn so với hệ thống SISO vẫn được sử dụng xưa nay Xem xét trong lĩnh vực thông tin di động, các thiết bị cầm tay theo sự phát triển của công nghệ đủ khả năng giải quyết các giải thuật phức tạp của MIMO, tuy nhiên kích thước của thiết bị di động không cho phép trang bị nhiều ăngten Ngoài ra, điều kiện địa hình cũng ảnh hưởng rất lớn trong thông tin di động Đặc biệt ở khu vực đô thị, các công trình xây dựng phát triển nhanh chống tạo ra nhiều che chắn cản trở việc truyền dữ liệu

Từ hạn chế trên, cùng với quá trình thương mại hóa công nghệ MIMO đặt ra yêu cầu giảm chi phí sản xuất, nhu cầu xây dựng một hệ thống có khả năng sử dụng những thế mạnh vốn có của hệ thống MIMO nhưng với số lượng ít anten, giải thuật đơn giản, giảm giá thành sản phẩm cho các nhà nghiên cứu công nghệ viễn thông hiện nay

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Dung lượng kênh truyền được tăng lên đáng kể khi sử dụng hệ thống MIMO, vì vậy trong thực tế hiện nay, hệ thống MIMO đã được phát triển và sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới Tuy nhiên, nhiều anten đòi hỏi nhiều bộ xứ lý cao tần ( bộ khuếch đại, bộ lọc, chuyển đổi ADC…), chúng sẽ làm cho hệ thống trở nên đắt tiền, cồng kềnh và phức tạp Một hướng nghiên cứu nhằm giảm giá thành và độ phức tạp của hệ thống mà vẫn khai thác được ưu điểm của MIMO chính là chọn lựa anten (antenna selection)

Phương pháp mã hóa không gian - thời gian được sử dụng trong các hệ thống phân tập, đưa đồng thời tương quan cả miền không gian và thời gian vào tín hiệu phát, kết hợp với kỹ thuật tách tín hiệu ở máy thu nhằm đạt được độ lợi phân tập cao Trong các sơ đồ

mã hóa không gian - thời gian, sơ đồ hệ thống của Alamouti đề xuất vào năm 1998 [1] được đánh giá là phương pháp hiệu quả nhất

Kết hợp tốt nhất sức mạnh của sơ đồ mã hóa của Alamouti đề xuất với việc lựa chọn anten trong hệ thống MIMO chính là lý do chọn đề tài này : TỐI ƯU LỰA CHỌN CẶP ANTEN TRONG HỆ THỐNG MIMO SỬ DỤNG MÃ ALAMOUTI

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Kết quả của đề tài hướng đến việc xây dựng hệ thống gồm nhiều anten phát nhưng chỉ sử dụng 2 anten trong mỗi lần phát, vậy chỉ phải sử dụng 2 bộ xứ lý cao tần ở máy phát nhằm vừa giảm độ phức tạp của các giải thuật xứ lý, giảm số lượng chuỗi thiết bị cao tần cần sử dụng nhưng vẫn đảm bảo cho hệ thống đạt được độ lợi phân tập đầy đủ -

tỷ lệ hã hóa code rate cao nhất, dẫn tới việc giảm giá thành của hệ thống

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài tập trung nghiên cứu giải thuật lựa chọn anten phát dựa trên các thông số kênh truyền nhận được từ máy thu thông qua kênh hồi tiếp Đồng thời, xác định ảnh hưởng của các kỹ thuật điều chế tín hiệu lên BER của hệ thống Vấn đề về giải thuật lựa chọn anten dựa vào mô hình mã hóa Alamouti đã từng được nghiên cứu [2] vì vậy ngoài việc từng bức xây dựng lại công thức và kết quả đạt được của điều chế BPSK, đề tài mở rộng nghiên cứu - xác định công thức tính BER cho toàn hệ thống khi áp dụng điều chế M-QAM vào quá trình phát tín hiệu Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu tác động của các thông

số khác lên chất lượng như: số lượng anten phát, mã hóa kênh, suy hao kênh truyền…

1.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đối tượng để thực hiện nghiên cứu là hệ thống MIMO ( NxM ) được truyền trên kênh truyền Rayleigh, tiêu chuẩn nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống trong đề tài nghiên cứu là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và tỉ lệ lỗi bit BER

- Mã hóa kênh truyền: mã khối không gian - thời gian (Space - Time Block Code

Quá trình nghiên cứu được chia làm hai giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng

hệ thống Kết quả của hai giai đoạn sẽ được so sánh với nhau nhằm đảm bảo tính chính xác, thực tế của đề tài Bên cạnh đó, kết quả mô phỏng cung cấp cái nhìn trực quan hơn

về ảnh hưởng của từng tham số lên chất lượng của toàn hệ thống như: số ăngten được sử dụng trên thiết bị, phương pháp điều chế, suy hao đường truyền,

1.6.1 PHÂN TÍCH

Dựa vào các biểu thức toán học, kết quả đã có từ các bài báo khoa học liên quan, thực hiện quá trình biến đổi nhằm tối ưu tối tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là lớn nhất / tỷ số lỗi bits BER là nhỏ nhất Từ đó chọn ra được cặp anten phù hợp nhất ở cả máy phát

Từ mục tiêu đề tiêu và phạm vi nghiên cứu, giai đoạn nghiên cứu lý thuyết được chia thành 5 bước:

Bước 1: Từ mô hình kênh truyền, đầu tiên ta tìm hiểu hai kiểu điều chế (PSK và

QAM) để từ đó tìm mối liên hệ giữa xác suất lỗi bit BER với từng loại điều chế Đây là bước tiền đề để tính BER của toàn hệ thống

Bước 2: Nghiên cứu các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO để từ đó chỉ ra

những ưu điểm vượt trội khi sử dụng MIMO trong quá trình truyền nhận dữ liệu

Bước 3: Tìm hiểu những ảnh hưởng của kênh truyền tác động lên hệ thống viễn

thông Từ đó tìm hiểu mô hình kênh truyền Rayleigh, những ảnh tác động của kênh Rayleigh lên tín hiệu

Bước 4: Tìm hiểu về mã hóa kênh truyền, cách xây dựng một mã khối không gian -

tự được điều chế ngẫu nhiên (PSK hoặc QAM), sau đó chuỗi tin được điều chế sẽ được

mô phỏng truyền trên kênh truyền Rayleigh Tùy từng chế độ truyền, kỹ thuặt điều chế và

số lượng anten ở thiết bị phát Tín hiệu ở bộ thu được khôi phục lại và đem so sánh với tín hiệu gốc ở bộ phát để kiểm tra số ký tự lỗi và thực hiện tính BER Bên cạnh đó, trong chương trình còn đảm bao công suất tín hiệu phát là như nhau trong khi thay đổi các thông số thông hệ thống nhằm so sánh tính hiệu quả của các thông số một cách công bằng hơn

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN

Luận văn được chia thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan Chương này nêu các vấn đề tổng quan của đề tài, cho người đọc cái nhìn đầy đủ và khái quát các vấn đề thực hiện bên trong luận văn

Chương 2: Kiến thức tổng quan Thực hiện nghiên cứu các kiến thức nền tảng cần có, liên quan trực tiếp đến mô hình hệ thống sử dụng để nghiên cứu đề tài Dựa vào mô hình

hệ thống sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài, chương 2 nghiên cứu 4 vấn đề riêng biệt:

1 Các kỹ thuật điều chế tín hiệu

2 Kênh truyền vô tuyến

3 Hệ thống MIMO

4 Mã hóa kênh truyền

Chương 3: Tối ưu hóa việc lựa chọn anten trong hệ thống MIMO sử dụng mã Alamouti Là quá trình xây dựng công thức lý thuyết xác định tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống

Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả đạt được từ việc mô phỏng hệ thống bằng chương trình matlab, đồng thời đưa ra các nhận xét – giải thích cho kết quả vừa nhận được

Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu Đánh giá kết quả nhận được so với mục tiêu đề ra ban đầu, đồng thời gợi mở lên các hướng nghiên cứu từ kết quả của luận văn này

CHƯƠNG 2: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 2.1 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ - GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ

Điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền

Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một vài thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha ) Tùy theo thông số được thay đổi mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số(FM), điều chế pha (ΦM), điều chế xung (PM), điều chế biên độ - pha (QAM) Khác với công nghệ tương tự, phương pháp điều chế tín hiệu số cho phép M tín hiệu

S1(t), S2(t), …, SM(t) được gửi vào cùng một khoảng thời gian của chu kỳ ký tự (symbol)

Ts, với M = 2n, n là số nguyên, Ts = n.Tb, Tb là chu kỳ của bit Các tín hiệu được điều chế bằng cách thay đổi biên độ, pha hay tần số của sóng mang trong M bước rời rạc Do vậy, các phương pháp điều chế số thường được ký hiệu M-aray ASK (Amplitude Shift Keying), M-aray PSK (Phase Shift Keying), M-aray FSK (Frequency Shift Keying ) hay còn gọi là M-ASK, M-PSK, M-FSK

Tín hiệu M-aray còn có thể đạt được bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế khác nhau thành một dạng điều chế lai Ví dụ: kết hợp việc thay đổi rời rạc cả về pha và biên độ của sóng mang để tạo ra tín hiệu khóa dịch pha biên độ M-aray APK Dạng đặc biệt của loại điều chế lai này được gọi là M-QAM

Các kiểu điều chế M-aray nêu trên được sử dụng để điều chế tín hiệu nhị phân với mục đích truyền dẫn tín hiệu số trong các kênh thông tin Trên thực tế, các kênh thông tin

ít khi có độ rộng băng tần bằng đúng như bề rộng dải phổ của nguồn tín hiệu nhị phân

Do vậy, khi độ rộng băng tần của kênh nhỏ hơn so với yêu cầu, cần điều chế tín hiệu số theo phương pháp M-aray để thu hẹp dải thông

Tùy thuộc giá trị M, các phương thức điều chế khác nhau đòi hỏi bề rộng băng tần khác nhau để truyền cùng một chuỗi bit thông tin Ví dụ: nếu truyền bằng phương pháp

điều chế BPSK (n = 1, M = 2 ), độ rộng băng tần cần thiết sẽ tỷ lệ nghịch với giá trị Tb Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp điều chế với n = 2, 3, 4,… chu kỳ của một symbol

Ts = n.Tb Độ rộng băng tần cần thiết tương ứng với

b

nT

1

Điều này có nghĩa: nếu sử dụng

tín hiệu M-PSK để truyền cùng một chuỗi bit thông tin nêu trên, băng tần có thể giảm đi

n = log2M lần so với trường hợp sử dụng phương pháp điều chế BPSK

2.1.1 ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ

2.1.1.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PAM

Điều chế PAM là làm thay đổi biên độ của dãy xung sóng mang sao cho biên độ của mỗi xung bằng hoặc tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu tại những thời điểm xuất hiện xung Điều biên PAM thực chất là rời rạc tín hiệu

Hình 2.1.1: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc

max

( )

2

T H

Dirac sẽ bằng các mẫu x(nT) của tín hiệu x(t) tại các điểm nT Phổ của tín hiệu rời rạc là phổ lặp tuần hồn của X(Ω) và bằng:

  2  1 với i = 1, 2, …, M Trong chu kỳ symbol Ts, luôn tồn

tại một trong số M tín hiệu Gọi E là năng lƣợng symbol,

2 2 2( ) cos ( 1) cos 2 sin ( 1) sin 2

b e

Trong đó, Eb/η là tỷ số năng lượng bit so với mật độ nhiễu (tính bằng dB) Theo công thức (2.1.8) khi Eb/η tăng thì xác suất thu sai Pe giảm nhanh

Xác xuất thu sai của điều chế QPSK: Giả sử sóng mang QPSK dùng một năng lượng

ES = PSTS = 2CiTb để truyền một ký hiệu Do đó, năng lượng để truyền mỗi bit là Eb =

PSTb = CiTb=ES/2

Vì dãy phổ tần QPSK hẹp gấp đôi so với dãy phổ tần BPSK nên dãy tần thiết bị thu là

B = fb/2, do đó xác suất thu sai của điều chế QPSK là:

b e

vị u1(t) v u2(t) đều có thể gây ra thu sai

2.1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ M-QAM

Khác với M-PSK, trong phương pháp điều chế M-QAM tín hiệu được điều chế cả pha và biên độ

Dạng tổng quát của tín hiệu điều chế M-QAM được biểu thị bằng:

Trong đó, E0 là năng lượng của tín hiệu với biên độ nhỏ nhất, a i và b i là cặp các số

nguyên độc lập được chọn sao cho phù hợp với vị trí của điểm thông tin

Vị trí điểm thông tin thứ i trên đồ thị pha biên độ, có 2 trục là I và Q được xác định bởi gi trị a i E0 v b i E0 , trong đó (ai, bi) được xác định theo dạng ma trận vuông L-L:

Hình 2.1.3: Giản đồ sao điều chế M-QAM

Gán nhãn các điểm thuộc chùm sao: Gán nhãn một mẫu bit cho tất cả các điểm Lược

đồ gán nhãn có ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thống do đó cần phải gán nhãn tối ưu

Hình 2.1.4: Giản đồ tín hiệu QAM Hình 2.1.4 chỉ ra hai cách phổ biến để gán nhãn mẫu bit cho các điểm chùm sao: hình 2.1.4(a) là cách gán nhãn theo trật tự tự nhiên và hình 2.1.4(b) là gán nhãn Gray Gán nhãn tự nhiên tức là ta gán nhãn cho các label sử dụng con số thập phân từ 0 - 15 từ phải qua trái, từ trên xuống dưới Bất lợi của gán nhãn này là sự tương quan giữa các bit trong một symbol Ví dụ, giả sử một lỗi khi điểm số 1được truyền, nhưng ta nhận được 2 Kiểu

lỗi xảy ra giữa các điểm cạnh nhau thường rất phổ biến khi giải điều chế Bây giờ ta xem cách biểu diễn điểm 1 (0001) và 2 (0010), do đó khi hai bit cuối bị thay đổi thì giải điều chế dẫn tới sai M hố Gray hạn chế tất cả những lỗi sai 2 bit kiểu này giữa hai điểm cạnh nhau bất kỳ, chính vì vậy giảm tỷ lệ lỗi sai Ta nhận thấy rằng, giữa hai điểm lân cận nhau bất kỳ thì chỉ sai khác nhau có 1 bit Do đó khoảng cách Hamming bé nhất sẽ là 1 khi đó giảm tỷ lệ giải điều chế sai Tất cả các chùm sao trong chuẩn IEEE 802.11a và Hiperlan/2 đều sử dụng mã Gray

2.1.2 GIẢI ĐIỀU CHẾ

2.1.2.1 NHẬN DẠNG QUYẾT ĐỊNH CỨNG

Giải điều chế quyết định cứng chỉ xác định xem liệu bit 1 hay bit 0 được truyền, do

đó đầu ra của bộ giải điều chế là dãy 0 và 1 Giải điều chế quyết định cứng dựa trên số bit đầu vào của bộ điều chế, nếu số bit đầu vào của bộ điều chế bằng số bit đầu ra của bộ giải điều chế thì ta nói giải điều chế là cứng

Hình 2.1.5: Nhận dạng quyết định cứng Hình 2.1.5 chỉ ra các biên quyết định cho chùm sao QPSK Các biên quyết định xác định xem các symbol thu được ánh xạ lại bit như thế nào Ví dụ quyết định Maximum Likelihood là điểm chùm sao nào mà nó gần nhất với symbol thu được, các bit đầu ra tương ứng với các bit chòm sao đó Ví dụ trong hình 2.1.5 trên, x đánh dấu vị trí của symbol thu được, nó gần nhất với chòm sao trên trục I dương Do đó bit thu được l 00

2.1.2.2 NHẬN DẠNG QUYẾT ĐỊNH MỀM

Giải điều chế quyết định mềm cho ra các bit “soft”, đó là do ngoài thông tin quyết định bit 0 hay 1, nó còn kèm theo thông tin dư thừa về độ tin cậy của quyết định đó Thông tin thêm có thể cải thiện chất lượng của lược đồ mã hóa kênh truyền Để thực hiện quyết định mềm, bộ giải điều chế phải xem xét từng bit riêng biệt Vẫn giả sử như trên, điểm x rất gần với biên của 00 và 01 Rõ ràng bit bên trái là tương đối tin cậy vì nó nằm rất xa biên với các điểm mà có bit bên trái bằng 1 Mặt khác, bit bên phải thay đổi từ 0 sang 1, cho nên bit bên phải có độ tin cậy thấp Việc thực hiện quyết định từng bit sẽ sử dụng LLRs (Log-Likehood Ratios)

2.2 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài máy phát và máy thu thì kinh truyền là một khâu quan trọng, và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Chính vì vậy mà kinh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệ thống thông tin Không giống như kinh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kinh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kinh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của

hệ thống thông tin vô tuyến Vì vậy, để hạn chế ảnh hưởng xấu của kinh truyền vô tuyến, thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu được các đặc tính của kinh truyền

vô và mô hình hóa kinh truyền hợp lý

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: + Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

+ Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ là hiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì

trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

+ Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trong môi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá…

2.2.1 CÁC HIỆN TƯỢNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 2.2.1.1 HIỆU ỨNG ĐA ĐƯỜNG (MULTIPART)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không được truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thế cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là

sự chồng chập của các thành phần sóng phán xạ , khúc xạ, tán xạ từ các vật chắn như các tòa nhà, cây cối… Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) hay còn gọi là hiện tượng fading

Hình 2.2.1: Hiện tượng đa đường trong truyền tin vô tuyến Kết quả tín hiệu tại anten thu là tổng hợp của các tín hiệu này, nếu các tín hiệu này đồng pha thì cường độ tín hiệu được tăng cường, ngược lại chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau làm cường độ tín hiệu tại anten thu giảm nghiêm trọng (ngang mức nhiễu)

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi

sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu

Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều này xảy ra

là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát

và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía pht và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Các yếu tố gây ra Fading đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất như:

 Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn

 Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù sự hấp thụ này phụ thuôc vào dải tần số, đặc biệt là dải tần cao (>10Ghz)

 Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí

 Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển Đây cũng là một yếu tố dẫn đến

sự truyền lan đa đường

 Sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ từ các chướng ngại trên đường truyền lan sóng điện

từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu nhận được

là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng này đăc biệt quan trọng trong thông tin di động

2.2.1.2 HIỆU ỨNG DOPPLER

Do sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu, mỗi sóng mang bị dịch đi một lượng tần số Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển tương ứng đó được gọi là hiệu ứng Doppler (đặt tên theo Christian Andreas Doppler) Tần số sẽ tăng lên khi máy phát

và máy thu tiến lại gần nhau và sẽ giảm nếu ngược lại Hiệu ứng này tỉ lệ với tốc độ tương đối của thiết bị Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được tính như sau:

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là α n, khi đó tần

số Doppler của tuyến này là :

Trong đó f0 , v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động

tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ :

) (

2 t



) (

Hình 2.2.3: Mật độ phổ của tín hiệu thu Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974

Và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là fD,max như hình ở 2.2.3 Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống

2.2.1.3 SUY HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN

Suy hao là một tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm theo khoảng cách Tín hiệu suy giảm sẽ tác động đến các yếu tố sau :

 Tín hiệu tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu

 Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục không bị sai lỗi

 Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số

 Để phát tín hiệu đi xa thì người ta sẽ sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp, với tần số càng cao thì suy hao càng lớn do đó các bộ khuếch đại càng phải gần lại nhau

2.2.1.4 HIỆU ỨNG BÓNG RÂM (SHADOWING)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy, hiệu ứng này còn

)0

(2

exp)

2 2

r

r r

r r

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ2

là công suất trung bình theo thời gian

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:



R dr

r p R r P R P

) ( ]

  2 2 2

0

2 2

2 2

4292.02

22

)(]

0

177.1)

(2

Hình 2.2.4: Mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Vì vậy gi trị mean và median chỉ khác nhau một lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay

vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 2.2.4 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

2.2.2.2 RICEAN FADING

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu light-of-sight tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng

sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội)

đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:

)0,0()

) ( 2

2 2 2

r

r A

Ar I e

r r p

A r



(2.2.9) A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2





k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Khi A →0, k 0 (dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 2.2.5 mô tả hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean



Hình 2.2.5: Hàm phân bố xác suất của phân bố Ricean

số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian

2.2.3.1 PHÂN TẬP THỜI GIAN

Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách phát nhiều bản tin giống nhau tại các khe thời gian khác nhau, do đó bộ thu được các tín hiệu không tương quan về fading Khoảng thời gian phân cách giữa lần phát là phải lớn hơn thời gian kết hợp của kênh truyền để đảm bảo các fading xảy ra với tín hiệu trong khoảng thời gian này sẽ không

tương quan với nhau Với các kênh truyền có fading chậm, việc sử dụng các bộ cài xen (Interleaver) có kích thước lớn sẽ gây ra hiện tượng trễ rất đáng kể, không chấp nhận được đối với các ứng dụng nhạy với trễ như kênh thoại

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ

Hình 2.2.6: Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x 2 bị triệt tiêu bởi fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự

ít bị ảnh hưởng bởi fading

Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng nghịch đảo của tốc độ fading

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi

mã (coding gain) Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để

đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ

Khoâng xen keânh

thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể

Một nhược điểm của phân tập thời gian là sử dụng băng thông không hiệu quả do sự

dư thừa nhiều dữ liệu trong miền thời gian

2.2.3.2 PHÂN TẬP TẦN SỐ

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần

số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

Hình 2.2.7: Kỹ thuật phân tập theo tần số

Trong thực tế thì không phải tất cả tần số đều bị fading, tín hiệu đầu vào được phát đi

đồng thời như 2 máy phát làm việc trên 2 tấn số khác nhau f 1 và f 2, bộ lọc ở đầu ra của

máy phát sẽ ghép 2 tín hiệu để phát chung trên 1 anten Các tần số f 1 và f 2 cần phải có

khoảng cách đủ lớn để thỏa mãn tính không tương quan, tức là f 1 và f 2 bị fading độc lập với nhau Tại đầu thu, bộ lọc đầu vào sẽ chia hai tần số khác nhau vào 2 máy thu tương ứng Tín hiệu đầu ra từ 2 máy thu đi qua mạch tổng hợp sẽ cho phép nhận được tín hiệu không chịu ảnh hưởng của fading

Hình 2.2.8: Sơ đồ hệ thống xứ lý trong phân tập tần số Tương tự như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng sử dụng băng thơng khơng hiệu quả do sự dư thừa nhiều dữ liệu trong miền tần số

2.2.3.3 PHÂN TẬP KHƠNG GIAN

Hình 2.1.9 Các phương pháp phân tập Phân tập khơng gian là một kỹ thuật phổ biến trong thơng tin vơ tuyến sĩng ngắn Phân tập khơng gian cịn được gọi là phân tập anten, việc thực hiện phân tập anten điển hình là việc sử dụng nhiều anten hoặc sử dụng mảng anten sắp xếp sắp xếp một cách hợp

lý đối với việc phát và nhận Nhiều antenna được phân bố về mặt vật lý ở các khoảng cách thích hợp và do vậy các tín hiệu riêng rẽ sẽ khơng cĩ tương quan với nhau Yêu cầu

về sắp xếp anten sẽ khác nhau đối với độ cao của antenna, mơi trường lan truyền và tần

số Điển hình là sự phân chia theo một số lần bước sĩng là đủ để đạt được các tín hiệu khơng tương quan Trong phân tập khơng gian, các bản sao của các tín hiệu phát được sử dụng để đưa tới các bộ thu ở dạng dự trữ trong miền khơng gian, khơng giống như trong phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập khơng gian khơng gây ra bất kỳ sự suy

Phân tập anten thu

Phân tập anten phát Phân tập anten phát và thu

giảm hiệu quả băng thông Đặc điểm này rất hấp dẫn đối với các thông tin vô tuyến tốc

độ dữ liệu cao trong tương lai

Hình 2.2.10: Phân tập cả phía phát và phía thu Dựa trên số lượng các anten được dùng cho phát hay thu, ta phân loại phân tập không gian thành phân tập phát và phân tập thu Trong phân tập phát, nhiều anten được triển khai ở máy phát, tin được xử lý ở máy phát và sau đó được truyền chéo qua các anten Còn trong phân tập thu thì nhiều anten được sử dụng ở máy thu để thu các bản sao độc lập của tín hiệu phát Các bản sao này được kết hợp để tăng tỉ số SNR và giảm fading đa đường Hiện nay, phân tập phát và thu được kết hợp để nâng cao hơn nữa hiệu năng của

hệ thống

Trong các hệ thống thông tin di động tổ ong, nhiều anten thu được sử dụng cho các trạm thu phát cơ sở với mục đích là khử nhiễu đồng kênh và giảm thiểu ảnh hưởng của fading, ví dụ, trong GSM, nhiều anten được sử dụng tại trạm thu phát cơ sở để tạo ra phân tập thu đường lên (từ các trạm di động lên BTS) để bù đắp cho công suất truyền tương đối thấp từ các trạm di động Điều này cải thiện chất lượng và độ rộng của đường lên Nhưng đối với đường xuống (từ trạm thu phát cơ sở đến các trạm di động) thì rất khó khăn để thực hiện việc phân tập thu tại các trạm đầu cuối di động Thứ nhất là rất khó khăn để thiết kế lớn hơn hai anten trên một máy di động cầm tay có kích thước nhỏ, thứ hai là nhiều anten thu có nghĩa là sẽ có nhiều bộ biến đổi tần số - RF và như vậy có nghĩa

là sẽ có nhiều nguồn xử lý, những nguồn này hạn chế trong các đầu cuối di động

Hình 2.2.11: Mô hình phân tập thu Đối với đường xuống, sẽ là thực tế nếu như xem xét cân nhắc tới phân tập phát Sẽ dễ dàng lắp đặt nhiều antenna phát trên trạm thu phát và cũng dễ dàng sử dụng các nguồn ngoài cho nhiều antenna phát Phân tập phát làm giảm yêu cầu nguồn xử lý của các bộ thu và kết quả là các cấu trúc hệ thống đơn giản hơn, tiêu thụ nguồn thấp hơn và chi phí thấp hơn Hơn thế nữa, phân tập phát có thể kết hợp với phân tập thu để tăng chất lượng của hệ thống

Ngược lại với phân tập thu mà chúng ta đang sử dụng rộng rãi trong các hệ thống di động tổ ong, phân tập phát vẫn còn nhận được rất ít sự chú ý do việc thực hiện phân tập anten phát là khác rất nhiều so với phân tập anten thu và việc khai thác phân tập phát cũng có những khó khăn:

 Thứ nhất, vì các tín hiệu phát từ nhiều anten sẽ được trộn với nhau về mặt không gian trước khi tới được các bộ thu, hệ thống yêu cầu bổ sung thêm một số bộ xử lý tín hiệu ở cả phía thu và phía phát để tách được các tín hiệu thu và lợi dụng được phân tập

 Thứ hai, phía thu thường ước lượng được các kênh fading còn phía phát thì không giống như ở phía thu, không có được các thông tin tức thời về kênh nếu như không có thông tin phản hồi từ phía thu tới phía phát [28]

Hình 2.2.12: Đường BER phân tập thu với kênh flat fading Hình 2.2.10: biểu diễn tỷ lệ lỗi bit BER của phân tập thu dựa vào Eb/N0 với số anten

thu n R khác nhau Đường trên cùng biểu diễn tỷ lệ lỗi bit trong trường hợp chỉ sử dụng 1 anten thu, còn đường ở dưới cùng cho ta biết tỷ lệ lỗi khi dùng đồng thời 4 anten để thu tín hiệu Càng tăng số lượng anten ở phía thu thì tỷ số lỗi bit BER càng giảm, hay chất lượng kênh truyền càng được cải thiện