Cải thiện chất lượng hệ thống thông tin di động multicode multicarrier cdma bằng phép biến đổi wavelet packets

Với phép biến đổi Wavelet packets, phổ trong một sóng mang con có side-lobe nhỏ hơn rất nhiều so với khi sử dụng phép biến đổi FFT, điều này sẽ làm cho hệ thống chống lại khá tốt nhiễu I

Trang 1

TRẦN CÔNG VINH

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG MULTICODE-MULTICARRIER-CDMA BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET PACKETS

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 2

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN CÔNG VINH

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG MULTICODE-MULTICARRIER-CDMA BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET PACKETS

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 3

Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS.TS Phạm Hồng Liên

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Trang 4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: TRẦN CÔNG VINH Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh :01/01/1983 Nơi sinh : Quảng Ngãi Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Cải thiện chất lượng hệ thống thông tin di động Multicode-Multicarrier-CDMA bằng phép biến đổi Wavelet packets 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: − Tìm hiểu tổng quan về thông tin di động, các hệ thống MTC-CDMA, MC-CDMA và MC-MC-CDMA − Tìm hiểu về phép biến đổi Wavelet và Wavelet packets − Nghiên cứu giải pháp cải thiện chất lượng hệ thống MC-MC-CDMA bằng phép biến đổi Wavelet packets − Viết chương trình mô phỏng cho các hệ thống nêu trên, đánh giá kết quả và nêu hướng phát triển của đề tài 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Hơn sáu tháng qua nhờ sự tận tình hướng dẫn và giúp đỡ của PGS.TS Phạm Hồng Liên mà tôi đã hoàn thành một cách tốt đẹp luận văn thạc sĩ của mình Xin được phép gửi đến Cô Phạm Hồng Liên lòng biến ơn chân thành và sâu sắc nhất

Nhân đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy

cô trong bộ môn Viễn thông đã cung cấp cho tôi những kiến thức rất bổ ích trong suốt hai năm học cao học Nhờ những kiến thức này mà tôi hoàn thành tốt luận văn của mình

Xin được gửi lời biết ơn chân thành nhất đến ba mẹ, người đã luôn động viên, giúp đỡ con trong suốt những năm tháng học hành

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người luôn giúp đỡ tôi khi gặp khó khăn trong quá trình học tập cũng như khi thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2008

Trần Công Vinh

Trang 6

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, thông tin di động phát triển vô cùng mạnh mẽ Không như những ngày đầu khi mới hình thành, thông tin di động chủ yếu phục vụ dịch vụ

cơ bản nghe và nói Ngày nay, thông tin di động còn đáp ứng nhiều dịch vụ khác như truyền dữ liệu, video, hội nghị truyền hình, truy cập internet… Để đáp ứng được các dịch vụ với nhiều tốc độ khác nhau này, các hệ thống thông tin di động cũng phải ngày càng được cải thiện về chất lượng và công nghệ Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang tìm các giải pháp để đưa hệ thống thông tin di động lên thế hệ thứ

tư Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba đã được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới dựa trên nền công nghệ cơ bản là CDMA Với công nghệ này, không chỉ có một hướng phát triển mà đi theo nhiều hướng khác nhau Một trong những hướng phát triển đó là kết hợp giữa công nghệ CDMA với kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Hệ thống cơ bản nhất trong sự kết hợp này là hệ thống Multicarrier-CDMA (MC-CDMA) Tuy hệ thống này có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống trước đây nhưng còn hạn chế trong việc truyền các ứng dụng đa tốc độ

và chất lượng vẫn chưa làm hài lòng các nhà nghiên cứu Nhiều biện pháp đã được đưa ra để khắc phục các nhược điểm này Để giải quyết vấn đề truyền đa tốc độ, một số biện pháp đã được đưa ra, một trong số đó là sử dụng kỹ thuật đa mã hóa Kết hợp kỹ thuật này với hệ thống MC-CDMA người ta tạo ra hệ thống Multicode-Multicarrier-CDMA (MC-MC-CDMA) Hệ thống này đã khắc phục được nhược điểm truyền đa tốc độ của hệ thống MC-CDMA và còn cải thiện đáng kể chất lượng của hệ thống

Tuy nhiên, trong hệ thống MC-MC-CDMA như trên, để thực hiện điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phép biến đổi FFT là một dạng của phép biến đổi Fourier Phép biến đổi này có nhược điểm là dựa trên dạng sóng hình sin, với dạng sóng này, phổ trong một sóng mang con có side-lobe tương đối lớn, từ đó sẽ gây nhiễu đến các sóng mang con khác làm mất tính trực giao giữa các sóng mang, đó là lý do gây

Trang 7

ra nhiễu ICI (Inter-Channel Interference) trong hệ thống làm giảm chất lượng hệ thống Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã đề nghị không sử dụng phép biến đổi FFT vào phần điều chế đa sóng mang mà sử dụng phép biến đổi Wavelet packets, đây là một dạng của phép biến đổi Wavelet Với phép biến đổi Wavelet packets, phổ trong một sóng mang con có side-lobe nhỏ hơn rất nhiều so với khi sử dụng phép biến đổi FFT, điều này sẽ làm cho hệ thống chống lại khá tốt nhiễu ICI nên cải thiện được chất lượng của hệ thống

Chính vì những lý do trên mà tôi đã chọn đề tài “Cải thiện chất lượng hệ thống thông tin di động Multicode-Multicarrier-CDMA bằng phép biến đổi Wavelet packets” để thực hiện luận văn thạc sĩ của mình Nội dung chính của luận văn bao gồm các chương như sau:

Chương 1 giới thiệu chung về lịch sử phát triển, các kiến thức cơ bản về thông tin di động tế bào, các kỹ thuật đa truy cập và các kênh truyền vô tuyến trong thông tin di động

Chương 2 nêu tổng quan một số hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA, gồm những hệ thống sau: Multicode CDMA, Multicarrier CDMA và Multicode-Multicarrier-CDMA

Chương 3 trình bày những hạn chế của phép biến đổi Fourier, tổng quan về phép biến đổi Wavelet và một số Wavelet cơ bản thường gặp, phân tích về phép biến đổi Wavelet packets sử dụng trong các chương tiếp theo

Chương 4 trình bày về hệ thống MC-MC-CDMA sử dụng phép biến đổi Wavelet packets (WP-MC-MC-CDMA) Nội dung sẽ trình bày về mô hình hệ thống và phân tích đánh giá chất lượng của hệ thống thông qua một số thông số như SNIR, BER

và xác suất nghẽn mạng

Chương 5 trình bày về hiệu suất phân tập trong hệ thống WP-MC-MC-CDMA Một

số kỹ thuật phân tập tại máy thu được thực hiện để nâng cao chất lượng của hệ thống Các kỹ thuật được sử dụng là SD, EGC và MRC

Trang 8

Lời nói đầu

Chương 6 giới thiệu về chương trình mô phỏng, trình bày kết quả mô phỏng và nêu lên một số nhận xét để đánh giá giữa sự phân tích lý thuyết và kết quả mô phỏng đạt được

Chương 7 là kết luận về những việc đã làm được trong luận văn và nêu lên hướng phát triển tiếp theo của đề tài này

Trang 9

In some nearly years, mobile communications develop very strong Not the same the first days when they were appeared, they only supply the base services such as voice Nowadays, mobile communications can supply some other services such as transmitting data, video, conferential television, access internet… To satisfy some services with more other rates, mobile communications have to improve about performance and technique Today, researchers are researching solutions to take mobile communications become fourth generation Third generation mobile communications were used in some where in the world base on CDMA technology With this technology, there are some ways to develop One of them combines between CDMA technology and OFDM technique The base system in combine is Multicarrier-CDMA (MC-CDMA) This system has more advantages than some systems in the pass However, this system has disadvantages in transmission of various data rate applications, and researchers are not satisfied about performance

of this system Many methods were proposed to overcome some these disadvantages To solve problem about transmission various data rate, some methods were proposed, one of them uses multicode technique Combine this technique with MC-CDMA system to make up Multicode-Multicarrier-CDMA (MC-MC-CDMA) This system can solve transmission various data rate, and the performance of this system is better than MC-CDMA system

However, in MC-MC-CDMA system, multicarrier modulation is made by FFT transform which is one of some Fourier transform The disadvantage of this transform is base on sinusoidal waveform In this waveform, spectrum in a subcarrier has high sidelobes energy, it interfere with other subcarriers is the cause not orthogonal between subcarriers bring to ICI (Inter-Channel Interference) problem in the system and degrading the system performance To solve this problems, using Wavelet packets reply FFT transform in multicarrier modulation In

Trang 10

Abstract

Wavelet packets transform, spectrum in a subcarrier has much lower sidelobe energy than FFT transform This work will help system resists ICI interference very well, so system performance is improved

Because of these reasons, I choose subject “Improve the quality of Multicarrier-CDMA Mobile Communication System with Wavelet packets transform” to perform my master thesis The main content of thesis includes some chapters following:

Multicode-Chapter 1 introduces about history, base knowledge, multiple access techniques, and radio channels in mobile telecommunication

Chapter 2 introduces general about some mobile telecommunication systems using CDMA technology, including Multicode-CDMA system, Multicarrier-CDMA system, and Multicode-Multicarrier-CDMA system

Chapter 3 presents some disadvantages of Fourier transform, general about Wavelet transform and some base Wavelets, and analyses Wavelet packets transform to use

in following chapters

Chapter 4 presents about MC-MC-CDMA system using Wavelet packets transform (WP-MC-MC-CDMA) including model system, and analyses performance of system base on some parameters, such as SNIR, BER and outage probability

Chapter 5 presents about diversity performance of WP-MC-MC-CDMA system Some diversity techniques in receiver system are used to improve performance of system such as SD, EGC, and MRC

Chapter 6 introduces about simulation program, presents result of simulation and comments between theory analyses and result of simulation

Chapter 7 concludes about some works realized in this thesis, and suggests some future research

Trang 11

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

LỜI NÓI ĐẦU v

ABSTRACT viii

MỤC LỤC x

DANH MỤC HÌNH VẼ xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU xviii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xix

PHẦN 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN 1

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động 2

1.2 Tổng quan hệ thống thông tin di động tế bào 3

1.3 Các kỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động 6

1.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA 6

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 7

1.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 7

1.4 Kênh truyền vô tuyến di động 8

1.4.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến 8

1.4.2 Kênh truyền fading phẳng 10

1.4.3 Kênh truyền phân tán theo thời gian 14

1.4.4 Giả định WSSUS 17

1.4.5 Các mô hình kênh truyền phân tán theo thời gian 19

1.5 Kết luận 23

Chương 2: TỔNG QUAN MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA 25

2.1 Giới thiệu 25

2.2 Hệ thống Multicode-CDMA 25

2.2.1 Hệ thống MTC-CDMA dạng song song 25

Trang 12

Mục lục

2.2.2 Hệ thống MTC-CDMA dạng M-ary 27

2.3 Hệ thống Multicarrier-CDMA 28

2.3.1 Hệ thống Multicarrier-CDMA 28

2.3.2 Hệ thống MC-DS-CDMA 31

2.4 Hệ thống Multicode-Multicarrier-CDMA 32

2.4.1 Hệ thống PMC-MC-CDMA 33

2.4.2 Hệ thống MMC-MC-CDMA 34

2.5 Kết luận 36

Chương 3: TỔNG QUAN PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET 37

3.1 Giới thiệu 37

3.2 Biến đổi Fourier và những hạn chế 37

3.2.1 Biến đổi Fourier kinh điển 37

3.2.2 Biến đổi Fourier thời gian ngắn STFT 38

3.3 Phép biến đổi Wavelet 39

3.3.1 Tổng quan 39

3.3.2 Biến đổi Wavelet liên tục CWT 41

3.3.3 Biến đổi Wavelet rời rạc DWT 44

3.3.4 Một số họ wavelet thường gặp 48

3.4 Phép biến đổi Wavelet packets 58

3.4.1 Biến đổi Wavelet packets 58

3.4.2 Điều chế wavelet packets 59

3.5 Kết luận 60

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MC-MC-CDMA 62

Chương 4: HỆ THỐNG MULTICODE-MULTICARRIER-CDMA SỬ DỤNG PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET PACKETS 63

4.2 Mô hình hệ thống và kênh truyền: 63

4.2.1 Mô hình máy phát 63

Trang 13

4.2.2 Mô hình kênh truyền 66

4.2.3 Mô hình máy thu 67

4.3 Đánh giá tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng giao thoa SNIR 79

4.3.1 Giới thiệu 79

4.3.2 Variance của điều chế QPSK 81

4.3.3 Variance của điều chế BPSK 86

4.3.4 SNIR của điều chế QPSK và BPSK 87

4.3.5 Nhận xét 89

4.4 Đánh giá tỉ lệ bit lỗi BER 91

4.4.2 Tỉ lệ bit lỗi BER 91

4.5 Đánh giá xác suất nghẽn mạng: 94

4.5.2 Xác suất nghẽn mạng 94

4.6 Kết luận 96

Chương 5: HIỆU SUẤT PHÂN TẬP TRONG HỆ THỐNG WP-MC-MC-CDMA 97

5.2 Mô hình hệ thống thu phân tập 97

5.3 Phương pháp lựa chọn phân tập SD 99

5.4 Phương pháp kết hợp độ lợi cân bằng EGC 100

5.5 Phương pháp kết hợp tỉ số cực đại MRC 101

5.6 Đánh giá tỉ lệ bit lỗi BER 103

5.6.1 Hiệu suất BER của lựa chọn phân tập 103

5.6.2 Hiệu suất BER của kết hợp độ lợi cân bằng 103

5.6.3 Hiệu suất BER của kết hợp tỉ số cực đại 103

5.7 Đánh giá xác suất nghẽn mạng 104

Trang 14

Mục lục

5.7.1 Xác suất nghẽn mạng với kỹ thuật lựa chọn phân tập 104

5.7.2 Xác suất nghẽn mạng với kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng 105

5.7.3 Xác suất nghẽn mạng với kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại 105

5.8 Kết luận 106

PHẦN 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 107

Chương 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 108

6.2 Chương trình mô phỏng 108

6.3 Kết quả mô phỏng 110

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 135

7.2 Hướng phát triển đề tài 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

PHỤ LỤC 140

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 150

Trang 15

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc mạng trên nền lõi IP 3

Hình 1.2: Mạng di động tế bào 4

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản thông tin di động tế bào số 5

Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số 7

Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian 7

Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã 8

Hình 1.7: Mô hình truyền sóng đa đường 9

Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean 12

Hình1.9: Biên độ tín hiệu thu có Fading Rayleigh 13

Hình 1.10: Elip tán xạ 15

Hình 1.11: Độ trải trễ trong các môi trường khác nhau theo COST 207 21

Hình 2.1: Sơ đồ máy phát hệ thống MTC-CDMA dạng song song 25

Hình 2.2: Sơ đồ máy thu hệ thống MTC-CDMA dạng song song 26

Hình 2.3 Sơ đồ máy phát hệ thống MTC-CDMA dạng M-ary 27

Hình 2.4 Sơ đồ máy thu hệ thống MTC-CDMA dạng M-ary 28

Hình 2.5: Sơ đồ máy phát hệ thống MC-CDMA 28

Hình 2.6: Sự tạo tín hiệu MC-CDMA 30

Hình 2.7: Sơ đồ hệ máy thu hệ thống MC-CDMA 30

Hình 2.8: Sơ đồ máy phát hệ thống MC-DS-CDMA 31

Hình 2.9: Sơ đồ tạo tín hiệu MC-DS-CDMA 31

Hình 2.10: Sơ đồ máy thu hệ thống MC-DS-CDMA 32

Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống phát PMC-MC-CDMA 33

Hình 2.12: Sơ đồ máy thu hệ thống PMC-MC-CDMA 34

Hình 2.13: Sơ đồ máy phát hệ thống MMC-MC-CDMA 34

Hình 2.14: Sơ đồ máy thu hệ thống MMC-MC-CDMA 35

Hình 3.1: Sơ đồ biến đổi Fourier 38

Hình 3.2: Sơ đồ biến đổi STFT 39

Trang 16

Danh mục hình vẽ

Hình 3.3: Hàm cơ sở trong phép biến đổi Fourier và Wavelet 40

Hình 3.4: Bộ lọc của wavelet 45

Hình 3.5: Giảm mẫu trong phân tích wavelet 46

Hình 3.6: Sơ đồ phân tích wavelet rời rạc 47

Hình 3.7: Tái tạo tín hiệu 47

Hình 3.8: Quá trình tăng mẫu (upsampling) 48

Hình 3.9: Phân tích và tái tạo tín hiệu 48

Hình 3.10: Hàm ψ(t) của biến đổi Wavelet Haar 49

Hình 3.11: Biểu đồ một số hàm ψ(t) của dbN 50

Hình 3.12: Biểu đồ một số hàm ψ(t) của symN 50

Hình 3.13: Biểu đồ một số hàm ψ(t) của coifN 51

Hình 3.14: Biểu đồ một số hàm ψ(t) của BiorNr.Nd 51

Hình 3.15: Hàm tỉ lệ Meyer và hàm Wavelet Meyer 52

Hình 3.16: Hình dạng hàm ψ(x) của hàm Mexican Hat Wavelet 53

Hình 3.17: Hình dạng hàm ψ(x) của hàm Morlet Wavelet 53

Hình 3.18: Hình dạng hàm ψ và φ của hàm rbio2.2 54

Hình 3.19: Hình dạng hàm ψ của họ wavelet gauss 54

Hình 3.20: Hình dạng hàm ψ và φ của hàm wavelet dmey 55

Hình 3.21: Hình dạng các hàm thành phần của cgau 55

Hình 3.22: Hình dạng các hàm thành phần của cmor 56

Hình 3.23: Hình dạng các hàm thành phần fbsp 57

Hình 3.24: Hình dạng các hàm thành phần shan 58

Hình 3.25: Phân tích wavelet packets bởi 2 kênh của bộ lọc 59

Hình 4.1: Mô hình máy phát hệ thống WP-MC-MC-CDMA 63

Hình 4.2: Mô hình máy thu hệ thống WP-MC-MC-CDMA 68

Hình 4.3: SNIR của điều chế QPSK và BPSK 90

Hình 4.4: Tỉ lệ bit lỗi của điều chế QPSK và BPSK 93

Hình 4.5: Pout theo γth của điều chế BPSK và QPSK 95

Trang 17

Hình 5.2: So sánh hiệu suất BER giữa các kỹ thuật phân tập 104

Hình 5.3: So sánh xác suất nghẽn mạng giữa các kỹ thuật phân tập 106

Hình 6.1: Giao diện tạo chương trình mô phỏng 108

Hình 6.2: Giao diện chính chương trình mô phỏng 109

Hình 6.3: Độ lợi kênh truyền fading Rayleigh 110

Hình 6.4: So sánh BER của các loại mã Multicode trong kênh truyền AWGN sử dụng Wavelet packets Daubechies 111

Hình 6.5: So sánh BER của các loại mã Multicode trong kênh truyền fading Rayleigh sử dụng Wavelet packets Daubechies 112

Hình 6.6: So sánh BER sử dụng mã Multicode WH, Wavelet packets Daubechies tương ứng giữa kênh truyền AWGN và kênh truyền fading Rayleigh 113

Hình 6.7: So sánh BER ứng với các số chuỗi mã Multicode WH được sử dụng trong kênh truyền AWGN ứng với Wavelet packets Daubechies 114

Hình 6.8: So sánh BER ứng với các số chuỗi mã Multicode WH được sử dụng trong kênh truyền fading Rayleigh ứng với Wavelet packets Daubechies 115

Hình 6.9: So sánh BER sử dụng mã Multicode WH, Wavelet packets Daubechies ứng với số user truyền đồng thời khác nhau trong kênh truyền AWGN 116

Hình 6.10: So sánh BER sử dụng mã Multicode WH, Wavelet packets Daubechies ứng với số user truyền đồng thời khác nhau trong kênh truyền fading Rayleigh 117

Hình 6.11: So sánh BER sử dụng chuỗi mã Multicode WH, Wavelet packets Daubechies ứng với số sóng mang phụ khác nhau trong kênh truyền AWGN 118

Hình 6.12: So sánh BER sử dụng chuỗi mã Multicode WH, Wavelet packets Daubechies ứng với số sóng mang phụ khác nhau trong kênh truyền fading Rayleigh 119

Hình 6.13: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Daubechies khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền AWGN 120

Hình 6.14: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Daubechies khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền fading Rayleigh 121

Trang 18

Danh mục hình vẽ

Hình 6.15: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Symlet khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền AWGN 122 Hình 6.16: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Symlet khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền fading Rayleigh 123 Hình 6.17: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Coiflet khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền AWGN 124 Hình 6.18: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Coiflet khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền fading Rayleigh 125 Hình 6.19: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Biorthogonal khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền AWGN 126 Hình 6.20: So sánh BER tương ứng với các bậc Wavelet packets Biorthogonal khác nhau khi sử dụng chuỗi mã Multicode WH trong kênh truyền fading Rayleigh 127 Hình 6.21: So sánh BER giữa các Wavelet packets khác nhau trong kênh truyền AWGN 128 Hình 6.22: So sánh BER giữa các Wavelet packets khác nhau trong kênh truyền fading Rayleigh 129 Hình 6.23: So sánh BER giữa các hệ thống CDMA trong kênh truyền AWGN 131 Hình 6.24: So sánh BER giữa các hệ thống CDMA trong kênh truyền Rayleigh 131 Hình 6.25: So sánh BER giữa các kỹ thuật phân tập khác nhau trong kênh truyền fading Rayleigh 133

Trang 19

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: PDP đa đường cho các loại kênh truyền 21

Bảng 6.1 Một số thông số mô phỏng chung 109

Bảng 6.2: Thông số mô phỏng hình 6.4 trong kênh truyền AWGN 110

Bảng 6.3: Thông số mô phỏng hình 6.5 trong kênh truyền fading Rayleigh 111

Trang 20

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications

DWPT Discrete Wavelet Packets Transform

FDMA Frequency Division Multiple Access

Trang 21

HIPERLAN High Performance Local Area Network

IDWPT Inverse Discrete Wavelet packets Transform IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000 IFFT Invert Fast Fourier Transform

ISDN Integrated Service Digital Network

MC-DS-CDMA Multicarrier-Direct Sequence-CDMA

MC-MC-CDMA Multicode-Multicarrier-CDMA

MIMO Multiple Input and Multiple Output

MMC-MC-CDMA M-ary Multicode-Multicarrier-CDMA

Trang 22

Danh mục từ viết tắt

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PMC-MC-CDMA Parallel Multicode-Multicarrier-CDMA

PR-QMF Perfect Reconstruction-Quadrature Mirror Filter

SNIR Signal to Noise plus Interference Ratio

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

Trang 23

W-CDMA Wideband- Code Division Multiple Access

WP-MC-MC-CDMA Wavelet Packets-Multicode-Multicarrier-CDMA

WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scatter

Trang 24

Phần 1

PHẦN 1

LÝ THUYẾT CƠ BẢN

Trang 25

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử phát triển của thông tin di động:

Thông tin di động ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940 nhưng mãi đến những năm

1980 thông tin di mới có những bước phát triển mạnh mẽ Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) ra đời trong những năm đầu thập niên 1980 Thế hệ di động này phát triển dựa trên kỹ thuật analog và áp dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) ra đời trong những năm đầu thập niên 1990 và phát triển rất mạnh mẽ trong thời gian này Thế

hệ di động này phát triển dựa trên nền kỹ thuật số và ứng dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA, một phần khác ứng dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo mã CDMA Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai phát triển theo nhiều hướng khác nhau trên thế giới, như hệ thống GSM phát triển ở châu Âu, PDC phát triển ở Nhật Bản hay IS-95 phát triển ở vùng Bắc Mỹ Đây là các hệ thống thông tin di động với tốc độ bit thông tin của người sử dụng đạt từ 8-13Kbps Trong thế hệ này, có một giai đoạn chuyển tiếp lên thế hệ thứ ba và thường được gọi là thế hệ hai cộng (2.5G) Đối với hệ thống GSM là sự xuất hiện của mạng GPRS, đối với hệ thống IS-95 là sự xuất hiện của hệ thống CDMA-2000 1X Các mạng này cung cấp thêm các dịch vụ mới về truyền dữ liệu hay tin nhắn đa phương tiện…nhưng với tốc độ và chất lượng chưa cao lắm Cùng với sự phát triển của hệ thống mạng máy tính, đầu những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

ba (3G) đã ra đời Hệ thống thông tin di động này vẫn dựa trên nền kỹ thuật số và công nghệ CDMA là lựa chọn cho sự phát triển và theo nhiều hướng khác nhau Với thế hệ này, ngoài cung cấp các dịch vụ thông thường của di động là nghe nói và nhắn tin SMS, chúng còn cung cấp các dịch vụ mới về truyền dữ liệu, truy cập internet… và các ứng dụng chủ yếu phát triển trên nền lõi IP như thể hiện trong hình 1.1 Với thế hệ này, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới 384 Kbps, nếu chỉ xét trong tầm bao phủ của một tòa nhà thì tốc độc có thể đạt tối đa lên đến 2Mbps Hai

Trang 26

Chương 1: Giới thiệu chung

hướng chính cho sự phát triển của thế hệ thứ ba này là W-CDMA nhằm nối tiếp sự phát triển của hệ thống GSM Đây là hệ thống sử dụng đa truy cập phân chia theo

mã băng rộng Một hướng nữa là CDMA-2000, đây là hệ thống nối tiếp hệ thống IS-95 Hệ thống này sử dụng đa truy cập phân chia theo mã băng hẹp và sử dụng kỹ thuật đa sóng mang Các nhà nghiên cứu đang tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) và dự kiến sẽ đưa vào sử dụng vào năm 2010 Cũng có nhiều công nghệ được đề xuất cho thế hệ thứ tư này như sử dụng công nghệ CDMA với kỹ thuật truyền đa sóng mang hay Wimax và dự kiến các hệ thống thế hệ này có khả năng đạt tốc độ lên đến hơn 100Mbps

Hình 1.1: Cấu trúc mạng trên nền lõi IP

1.2 Tổng quan hệ thống thông tin di động tế bào:

Ban đầu người ta thiết kế hệ thống thông tin di động bằng cách dùng một máy phát

có công suất lớn, anten được đặt thật cao để có thể phủ sóng cho một vùng thật rộng lớn Tuy nhiên, với hệ thống này sẽ có một số nhược điểm: hiệu suất thiết bị kém, lãng phí công suất, hiệu quả sử dụng tần số thấp, vì vậy muốn tăng dung lượng hệ thống đòi hỏi phải tăng dải tần, tuy nhiên dải tần tần số không thể tăng tùy ý mà

Trang 27

bị nhiễu với các hệ thống khác Để khắc phục các nhược điểm này, người ta đã đề nghị sử dụng các trạm thu phát có công suất nhỏ, anten thấp, vùng phủ sóng sẽ nhỏ hơn nhưng sẽ ghép các vùng phủ sóng đó lại với nhau thành một mạng tế bào Mỗi vùng phủ sóng nhỏ gọi là một tế bào (Cell) Nhiều cell kết hợp lại chính là một mạng tế bào như hình 1.2 sau đây

Hình 1.2: Mạng di động tế bào

Mỗi Cell sẽ được gán một nhóm tần số Các cell kế cận nhau có các nhóm tần số khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh Mỗi một nhóm tần số đã được sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác, đây chính là kỹ thuật sử dụng lại tần số Nhờ vậy mà dung lượng của hệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần Đây là lợi điểm mà các hệ thống thông tin di động hiện nay đa số đều sử dụng Các Cell thường có dạng lục giác để đơn giản hóa việc thiết kế, tính toán lý thuyết, qui hoạch, quản lí và phát triển mạng diện thoại di động Các anten thu phát

có thể đặt ở tâm Cell (dùng anten vô hướng) hoặc đặt ở góc 3 Cell kề nhau (dùng các anten định hướng) Tần số đã được sử dụng ở Cell này được sử dụng ở Cell khác làm tăng hiệu quả sử dụng tần số Khi thiết bị di động từ Cell này qua Cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi thì trung tâm chuyển mạch sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi từ Cell cũ sang Cell mới mà không làm gián đoạn cuộc gọi Quá

Trang 28

trình này gọi là chuyển vùng (Handoff) Trong mạng di động tế bào thì việc liên lạc giữa thiết bị di động và các anten thu phát được thực hiện thông qua các cặp tần số: một tần số hướng lên (Uplink hay Reverse link), một tần số hướng xuống (Downlink hay Forward link) Đây là phương pháp song công phân chia theo tần số FDD Cấu trúc mạng thông tin tế bào số về cơ bản được chia làm ba phần chính: Máy thuê bao di động MS, hệ thống trạm gốc BSS và hệ thống chuyển mạch SS được thể hiện như trong hình 1.3 sau đây:

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản thông tin di động tế bào số

MS bao gồm thiết bị di động ME và module nhận dạng thuê bao SIM Chức năng chính dùng để thực hiện và trả lời các cuộc gọi

Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm một nhóm trạm thu phát gốc BTS và một trạm điều khiển gốc BSC BTS bao gồm hệ thống các anten thu phát, các bộ khuếch đại công suất phát sóng, thiết bị báo hiệu kỹ thuật số, các thiết bị chuyển mạch… Chức năng chính là thu phát tín hiệu Mỗi Cell trong mạng tế bào sẽ có một BTS Một BTS có thể phát cho một hay nhiều Cell tùy theo lưu lượng phục vụ tại khu vực trạm gốc

- Truyền thông tin

Kết nối cuộc gọi và truyền thông tin

Trang 29

BSC là trạm điều khiển một nhóm BTS có trong BSS Chức năng chính là thực hiện handoff, điều khiển công suất…

Hệ thống chuyển mạch SS gồm có 5 phần chính như sau: Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC, thanh ghi định vị tạm trú VLR, thanh ghi định vị thường trú HLR, trung tâm nhận thực AUC và thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR MSC điều khiển một nhóm BSC, thực hiện điều khiển các cuộc gọi đi và đến từ mạng PSTN, ISDN, PLMN… Là nơi thực hiện việc thiết lập, định tuyến, ghi cước và giám sát các cuộc gọi đi và đến VLR là cơ sở dữ liệu chứa thông tin về tất cả các MS đang hiện diện trong vùng MSC, chứa thông tin chính xác về vị trí MS trong vùng MSC HLR là nơi lưu trữ cơ sở dữ liệu về thuê bao bao gồm thông tin cá nhân, các dịch vụ phụ trợ và các thông số nhận thực AUC cung cấp cho HLR các tham số nhận thực

và các khóa mật mã với mục đích bảo mật EIR là nơi lưu cơ sở dữ liệu về bản sao

khóa mã trong SIM card của thuê bao, phần cứng thiết bị sử dụng để kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị Khi một MS đi vào một MSC mới, VLR sẽ truy vấn đến HLR chứa MS đó để xác định các thông tin của MS đó đồng thời cũng gữi cho HLR vị trí của MS

1.3 Các kỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động:

1.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA:

FDMA là kỹ thuật đa truy cập được sử dụng trong thế hệ thông tin di động thứ nhất

và ngày nay còn được sử dụng trong một số mạng như thông tin vệ tinh, mạng cáp hay một số mạng radio mặt đất FDMA chia toàn bộ băng thông thành nhiều băng con Mỗi user sẽ sử dụng một băng con để truyền thông tin trong toàn bộ khoảng thời gian Khi user này chiếm dụng một băng con thì không có bất kỳ một user nào khác được sử dụng băng con này Thuận lợi chính của FDMA là công suất truyền thấp và thiết bị thu phát đơn giản Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng phổ tần số kém do không thể chia xẻ giữa các user với nhau Điều này sẽ làm giảm dung lượng trong thông tin di động

Trang 30

Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số

1.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Trong hệ thống TDMA, tất cả các user đều sử dụng chung một băng tần, tuy nhiên, chúng được phân biệt bởi các khe thời gian khác nhau Mỗi user có thể sử dụng một hay nhiều khe thời gian để truyền thông tin Với kỹ thuật đa truy cập này, hiệu suất

sử dụng tần số sẽ cao hơn so với kỹ thuật FDMA nên dung lượng cũng sẽ cao hơn trong hệ thống thông tin di động

Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian

1.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:

Trong hệ thống CDMA, các user đều truyền thông tin cùng lúc trên cùng một băng tần nên sử dụng băng thông rộng hơn so với hệ thống TDMA Tín hiệu của các user được phân biệt bằng việc gán các chuỗi mã trải phổ trực giao với nhau Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ là chống lại méo đa đường, kế hoạch sử dụng tần số đơn giản,

độ linh động cao, tốc độ truyền dữ liệu thay đổi và chống lại tốt nhiễu giao thoa

Trang 31

Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã

1.4 Kênh truyền vô tuyến di động:

1.4.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến:

Khi nghiên cứu về hệ thống thông tin di động, việc tạo ra một mô hình kênh truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống Không như trong các kênh truyền hữu tuyến, bản chất thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền vô tuyến gây ra những ảnh hưởng không thể lường trước được làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi vô cùng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, các giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, nhất thiết phải xây dựng được các mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý

Khi truyền qua kênh vô tuyến di động, tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều

so với tín hiệu tại bộ phát Ngoài nguyên nhân gây bởi nhiễu nhiệt (được mô hình hóa bởi AWGN), còn phải xét đến những ảnh hưởng quan trọng của các đặc tính kênh truyền vô tuyến như sau:

Hiện tượng đa đường (Multipath) :Đây là kết quả của sự phản xạ, tán xạ và khúc

xạ của sóng điện từ phát khi gặp phải các vật cản tự nhiên hoặc nhân tạo Do đó ở anten thu sẽ có sự tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau với các thời gian trễ khác nhau, suy hao khác nhau và độ lệch pha khác nhau Sự xếp chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu

Hiện tượng Doppler: Đây là hiện tượng gây ra bởi các đối tượng di chuyển trong

kênh truyền vô tuyến Sự thay đổi về pha và biên độ của các sóng tới do sự thay đổi

Trang 32

vị trí của đối tượng dẫn đến hiện tượng đa đường biến đổi theo thời gian Chỉ cần một sự di chuyển rất nhỏ (khoảng bằng độ dài bước sóng) là có thể tạo ra một tín hiệu hoàn toàn khác ở máy thu Sự biến đổi của tín hiệu do hiện tượng đa đường biến đổi theo thời gian còn gọi là hiệu ứng fading nhanh (fast fading)

Hiện tượng vật che chắn (shadowing): Đây là hiện tượng gây ra bởi vật cản trở cố

định trên đường truyền như các ngọn đồi, các toà nhà cao tầng, làm suy giảm biên độ của tín hiệu Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng này chỉ thay đổi tính chất của nó trên một khoảng cách lớn, do đó sự thay đổi biên độ tín hiệu do hiện tượng che chắn còn gọi là fading chậm (slow fading)

Suy hao trên đường truyền (path loss): Đây là hiện tượng mô tả sự suy giảm công

suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu Trong không gian

tự do, công suất trung bình giảm theo bình phương khoảng cách truyền giữa trạm gốc và trạm cuối Trong kênh truyền vô tuyến di động, thường không tồn tại đường truyền thẳng LOS, công suất tín hiệu giảm theo các luỹ thừa bậc cao hơn, tiêu biểu

là từ 3 đến 5 Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng các phương pháp điều khiển công suất

Hình 1.7: Mô hình truyền sóng đa đường

Trang 33

1.4.2 Kênh truyền fading phẳng:

Khi tín hiệu tán xạ bị phản xạ và phân tán trên một bề mặt lớn như cao ốc, đồi núi, tín hiệu thu được là sự kết hợp của nhiều tín hiệu đến với biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên Do đó băng thông của tín hiệu hữu hạn, máy thu không thể xử lý nhiều nhóm tín hiệu đa đường đến cùng lúc Do đó, tổng quát chúng ta xem xét các nhóm

đa đường không thể giải quyết trên như là một sóng đa đường đơn

Trong kênh truyền fading phẳng, nếu tín hiệu phát là x(t) thì tín hiệu nhận được có dạng như sau:

Với h(t) là hệ số suy hao thay đổi theo thời gian và n(t) là nhiễu Sự thay đổi theo thời gian của hệ số suy hao h(t) được gọi là fading Người ta đưa ra một số dạng kênh truyền fading như sau:

Fading Rayleigh: Fading Rayleigh còn được gọi là Fading nhanh Sử dụng mô

hình tương đương băng gốc, chúng ta có thể mô tả toán học độ lợi của mỗi đường là biến ngẫu nhiên Gaussian phức:

2 2

/ 2

2

1)

(

;2

1)

πσ πσ

y

y h

h

(1.3) Đặt h=r.ejθ, ta có biên độ r và pha θ như sau:

=

y

x y

x

h

h h

0)

(

2

2 / 2 2

r

r e

r r pdf

Và θ tuân theo phân bố đều trong [0,2π]

π θ π

2

1)

Trang 34

Điều kiện để r(t) có phân bố Rayleigh là tồn tại nhiều đường tán xạ độc lập thống kê

và không có tán xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ còn lại Nếu có một đường tán

xạ chiếm ưu thế (thành phần LOS) thì r(t) là biến ngẫu nhiên có phân bố Ricean

Fading Ricean: Phân bố Ricean sử dụng mô tả fading đa đường khi tồn đường tán

xạ tín hiệu trực tiếp (thành phần LOS) chiếm ưu thế so với các đường tán xạ độc lập thống kê khác Tương tự, ta có thể mô tả toán học độ lợi của mỗi đường là tổng của một hằng số với một biến phức ngẫu nhiên Gaussian phức:

y

h A

2

2 2 2

2

1

;2

πσ πσ

y

y h

0

2 0 2 2

2 2 2

r

Ar I e

r r pdf

r A

Nếu biên độ là fading Rayleigh thì sự di pha sẽ độc lập thống kê với phân bố biên

độ và có phân bố đều trong [0, 2π] Còn nếu biên độ có phân bố Ricean thì hàm mật

Trang 35

θ πσ

θ

rA A

r r

Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean

Hình 1.8 minh họa biên độ của tín hiệu thu tiêu biểu với Fading Rayleigh Thông thường độ nhòe 20dB hoặc nhỏ hơn, và phụ thuộc tốc độ di động Tỉ số tín hiệu trên nhiễu do Fading đa đường tạo ra sai số burst, sẽ trở thành nguồn sai bit chính đối với kiểu điều chế và giải điều chế số Để bù lại độ sai lỗi bit do Fading, biên độ nhòe sẽ được thêm vào phân tích liên kết budget để bảo đảm hệ thống hoạt động chính xác Tuy nhiên, giới hạn vùng tuyến tính của bộ khuếch đại công suất có thể ngăn cản độ tăng công suất ra tối đa Kỹ thuật khác là giảm kích thước cell để bảo đảm phủ sóng tốt Tuy nhiên, giảm kích thước cell dẫn đến tăng số trạm gốc, hậu quả phải chịu giá cả mắc hơn đối với nhà cung cấp dịch vụ tế bào Do đó, hai kỹ thuật trên được điều chỉnh để giải quyết vấn đề Fading đa đường Mặt khác, phân tập là một phương pháp hiệu quả chống lại Fading đa đường

Trang 36

Hình1.9: Biên độ tín hiệu thu có Fading Rayleigh

Phân bố Nakagami-m: Một phân bố biên độ khác rất phổ biến, đặc biệt được áp

dụng trong việc đánh giá các kết quả đo thử nghiệm là phân bố Nakagami-m:

m m r

m m K

Trang 37

Fading logarit chuẩn: Fading Rayleigh hoặc fading Ricean được xem như fading

cỡ nhỏ (small scale) bởi vì chúng thể hiện sự thay đổi biên độ trong một vùng khoảng vài chục bước sóng Trong vùng có bán kính lớn, người ta chứng minh bằng thực nghiệm rằng biên độ trung bình cỡ nhỏ F tuân theo phân bố log chuẩn Fading logarit chuẩn còn gọi là fading chậm, gây ra bởi hiệu ứng bóng của các cao ốc hoặc các bản chất tự nhiên và được xác định bởi trung bình riêng của tín hiệu Fading nhanh Phân bố này bị ảnh hưởng của chiều cao anten, tần số hoạt động, loại môi trường Tuy nhiên, nó được tiến hành khi các thông số cố định, công suất trung bình thu được trên vùng lân cận nhỏ gần giống như một phân bố chuẩn khi vẽ trên tỉ lệ logarit, được mô tả như sau:

σ

F

2 F F

Flnexp.2F

1F

Trong đó: μF là giá trị trung bình của ln(F) và σF là phương sai chuẩn của ln(F) Giá trị trung bình μF chủ yếu được xác định theo các suy hao đường truyền giữa trạm gốc và thuê bao di động; còn phương sai nhận các giá trị điển hình trong khoảng từ 4-8 dB

1.4.3 Kênh truyền phân tán theo thời gian:

Các thành phần tín hiệu bị phản xạ (echo) từ các vật cản khác nhau được cộng lại với góc pha ít nhiều bị dịch đi Đối với fading phẳng, giả sử rằng tất cả echo này đang tới mục tiêu tại cùng một thời điểm và có thể được tổng lại để tạo ra tín hiệu y(t) Tuy nhiên, thời gian di chuyển của các echo này là khác nhau và chỉ những echo mà bị phản xạ bởi các vật cản nằm trên quỷ đạo elip (hình 1.10) mới tới máy thu chính xác tại cùng một thời điểm

Trang 38

Trong thực tế, điều kiện ràng buộc về quỷ đạo của các vật cản có thể không cần quá cứng nhắc Bởi vì máy thu có băng thông W không thể phân biệt được các echo đến

ở thời điểm τ và τ+∆τ, trong đó: ∆τ<<1/W nên có thể cộng các echo bị phản xạ trong vùng có dạng hình bánh cam elip (doughnut-shape) tương ứng với các thời điểm giữa c0τ và c0(τ+∆τ) mà được xem như đến gần cùng một thời điểm Vì vậy, đáp ứng xung của kênh truyền có thể chia thành nhiều khâu trễ có độ rộng ∆τ và tổng các echo trong mỗi khâu trễ sẽ là tín hiệu sau kênh truyền Nếu không có tán

xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ khác trong mỗi vùng có dạng hình bánh cam vòng thì phân bố của mỗi khâu trễ là phân bố Rayleigh

Hình 1.10: Elip tán xạ

Một số khái niệm cơ bản:

Độ trễ cực tiểu là thời gian di chuyển của tín hiệu trên đường trực tiếp từ trạm gốc

đến thuê bao di động c0.dMS-BS Độ trễ cực đại là thời gian di chuyển của tín hiệu trên đường tán xạ xa nhất Đường tán xạ xa nhất là đường mà đáp ứng xung của kênh truyền phải tính đến sự hiện diện của tín hiệu trên đường này Độ trễ vọt lố

cực đại τmax là hiệu giữa độ trễ cực đại và độ trễ cực tiểu

Các định nghĩa này được sử dụng như một công cụ toán học để định nghĩa hệ thống

băng hẹp và hệ thống băng rộng từ quan điểm miền thời gian Hệ thống băng hẹp

là hệ thống nếu nghịch đảo băng thông của hệ thống 1/W lớn hơn nhiều độ trễ vọt lố cực đại τmax Trong trường hợp này, tất cả các tán xạ rơi vào một khâu trễ duy nhất

và biên độ của khâu trễ này là α(t) Ngược lại, hệ thống băng rộng là hệ thống nếu

τ+dτ

τ

Trang 39

thuật ngữ phân tán theo thời gian của kênh truyền băng rộng Trong hệ thống băng rộng, dạng sóng tín hiệu đến máy thu khác với dạng sóng của tín hiệu phát và trong

hệ thống băng hẹp dạng tín hiệu gần như không đổi (trừ nhiễu)

Nếu BS, MS và các tán xạ là dừng thì kênh truyền được xem như một bộ lọc bất biến theo thời gian có đáp ứng xung h(τ) Trong trường hợp đó, lý thuyết về hệ thống bất biến theo thời gian LTI có thể được áp dụng Tuy nhiên, các kênh truyền thực tế thường thay đổi theo thời gian nên phải vận dụng lý thuyết về hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian LTV

Quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian được viết theo hàm trải trễ h(t,τ):

( )=+∞∫ ( ) ( )−τ τ τ

∞

−

d,thtxt

trong đó h(t,τ) được hiểu như là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian, (h(t,τ) tương

tự như h(t) trong hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian)

Biến đổi Fourier đáp ứng xung (h(t,τ) theo biến trễ τ sẽ thu được hàm truyền thay đổi theo thời gian H(t,f) Tín hiệu ngõ ra y(t) có thể được viết theo cách tương tự như trong hệ thống LTI, nghĩa là lấy biến đổi Fourier đảo của tích số phổ tín hiệu vào X(f) và H(t,f):

0 thì ACF đủ để đặc trưng đầy đủ cho kênh truyền Trường hợp ngược lại, ta cần phải tìm giá trị trung bình này Đối với kênh truyền có đặc tính thống kê khác quá trình Gauss thì phải xét tới thống kê bậc cao hơn Một hạn chế của các biểu diễn này

là khi băng thông hệ thống lớn thì số đường tán xạ trong một khâu trễ càng ngày càng ít đi Khi đó, lý thuyết giới hạn trung tâm không thể tiếp tục áp dụng được

Trang 40

1.4.4 Giả định WSSUS:

Hàm tự tương quan ACF của đáp ứng xung kênh truyền quá phức tạp vì nó phụ thuộc vào 4 biến (τ,τ’,t,t’) Nếu giả sử các tán xạ là không tương quan và dừng theo nghĩa rộng WSSUS, thì việc biểu diễn kênh truyền trở nên đơn giản hơn

1.4.4.1 Quá trình dừng theo nghĩa rộng WSS:

Về mặt toán học, một kênh truyền được gọi là WSS nếu ACF không phụ thuộc vào t

và t’ mà chỉ phụ thuộc vào sự sai lệch ∆t = t –t’ Do đó, hàm tự tương quan ACF có thể được viết lại như sau:

Rh(t,t’,τ, τ’) = Rh(t,t+∆t,τ, τ’) = Rh(∆t, τ, τ’) (1.21)

Về mặt ý nghĩa thực tế, giả định WSS tương đương với việc xem thống kê bậc hai của kênh truyền được giữ không đổi theo thời gian Điều này không có nghĩa là đáp ứng xung của kênh truyền bất biến theo thời gian Trong trường hợp hệ thống băng hẹp, giả định này đồng nghĩa với trường hợp biên độ fading có phân bố fading Rayleigh với σ2 bất biến theo thời gian nhưng hiển nhiên, sự suy hao tức thời của α

vẫn thay đổi theo thời gian Về mặt toán học, “dừng” phải thể hiện qua khoảng thời gian dài vô hạn nhưng trong thực tế, người ta thường giả sử rằng nó chỉ kéo dài trong khoảng vài chục lần nghịch đảo tần số Doppler

1.4.4.2 Tán xạ không tương quan US:

Giả định US có nghĩa là các tán xạ có độ trễ khác nhau sẽ không tương quan, nghĩa là:

Định dạng
Số trang	173
Dung lượng	1,18 MB