Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG Học viên: Cao Hoàng Thăng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Mã số: CH687 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt

TRẦN HỮU LỘC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO HOÀNG THĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

CAO HOÀNG THĂNG

Đà Nẵng – Năm 2019

Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 8520203

Người hướng dẫn khoa hoc:

TS NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

DUT.LRCC

LỜ I C A M ĐO AN

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT OFDM 18

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 18

1.2 TÌNH HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY 18

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 19

1.3.1 Tổng quan về kênh truyền vô tuyến 19

1.3.2 Mô hình kênh truyền vô tuyến 20

1.3.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 22

a) Suy hao đường truyền 22

b) Nhiễu AWGN 22

c) Hiệu ứng Doppler 22

d) Hiệu ứng đa đường (Multipath) 23

1.3.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm 24

1.4 KỸ THUẬT OFDM 25

1.4.1 Khái niệm 25

1.4.2 Sự phát triển của OFDM 27

DUT.LRCC

1.4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM 27

1.4.2.2 Truyền dẫn đa sóng mang 27

1.4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 28

1.4.3 Mô hình hệ thống OFDM 29

1.4.4 Hệ thống MIMO – OFDM 30

1.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM 32

1.4.5.1 Ưu điểm 32

1.4.5.2 Nhược điểm 33

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 33

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 35

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 35

2.2 ĐƠN CÔNG VÀ BÁN SONG CÔNG 35

2.2.1 Đơn công (simplex) 35

2.2.2 Bán song công (Half-duplex) 35

2.3 TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 36

2.4 CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 36

2.4.1 Mô hình hệ thống song công thu phát hai chiều 36

a) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng chung anten 37

b) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng riêng anten 37

c) Hệ thống song công thu phát hai chiều trong mạng Ad-hoc 38

2.4.2 Mô hình hệ thống song công dùng node chuyển tiếp 38

a) Hệ thống song công dùng một node chuyển tiếp 39

b) Hệ thống song công dùng nhiều node chuyển tiếp 39

2.4.3 Mô hình hệ thống song công trạm gốc tế bào 40

a) Mô hình tế bào với 2 node 41

DUT.LRCC

b) Mô hình tế bào với nhiều node 41

c) Mô hình tế bào với nhiều node kết hợp mô hình node chuyển tiếp 42

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SONG CÔNG 42

2.5.1 Ưu điểm 42

2.5.2 Nhược điểm 43

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 43

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 45

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 45

3.2 KÊNH TRUYỀN BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN 45

3.3 NHIỄU PHA VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG SONG CÔNG 45 3.3.1 Giới thiệu về nhiễu pha 45

3.3.2 Các mô hình nhiễu pha 46

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiễu pha đến hệ thống song công 48

3.4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 51

3.4.1 Giới thiệu 51

3.4.2 Ước lượng bằng pilot 51

3.4.3 Cách sắp xếp các pilot 52

3.4.3.1 Sắp xếp Pilot dạng khối 53

3.4.3.2 Sắp xếp Pilot dạng lược 54

3.4.3.3 Nguyên tắc truyền Pilot ở miền tần số và miền thời gian 55

3.5 CÁC KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG 56

3.5.1 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối 56

3.5.2 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng lược 57

3.5.3 Phương pháp ước lượng kênh dùng bộ lọc LS (Least Square) 57

DUT.LRCC

3.5.4 Ước lượng bằng tiêu chuẩn MMSE 60

3.5.5 Ước lượng hệ số BEM bằng kỹ thuật MAP (Maximun a Posteriori) 60

3.6 KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN VÀ ƯỚC LƯỢNG NHIỄU PHA 61

3.6.1 Sự cần thiết của kết hợp ước lượng 61

3.6.2 Mô hình hệ thống 62

3.6.3 Đề xuất giải thuật ước lượng kết hợp 68

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 69

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 71

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 71

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG 71

4.2.1 Lưu đồ thuật toán ước lượng kết hợp 73

4.2.2 Lưu đồ thuật toán tính MSE 74

4.2.3 Lưu đồ thuật toán tính BER 75

4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 76

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 78

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 84

DUT.LRCC

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN

SONG CÔNG

Học viên: Cao Hoàng Thăng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử

Mã số: CH687 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Tần số là tài nguyên có hạn nên vấn đề sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và

tiết kiệm đang trở thành một mục tiêu quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các hệ thống thông tin di động Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để phát triển thế hệ mạng không dây tiếp theo với tốc độ truyền dữ liệu cao, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, hiệu quả năng lượng cũng như độ trễ truyền dẫn thấp Bên cạnh những giải pháp hiệu quả để tái sử dụng lại phổ tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến, trong những năm gần đây truyền dẫn vô tuyến song công (Full-Duplex) nổi lên như một giải pháp mới cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời trong cùng một băng tần Mục đích chính của đồ án là nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công như: ước lượng nhiễu pha, ước lượng kênh truyền, ước lượng độ lệch tần số sóng mang, kết hợp ước lượng nhiễu pha và ước lượng kênh truyền v.v từ đó đề xuất phương pháp ước lượng tốt nhất cho hệ thống thông tin

di dộng

Từ khóa – Truyền dẫn song công; Full-Duplex; ước lượng kênh truyền; các kỹ thuật ước

lượng; kênh truyền vô tuyến

RESEARCH THE ESTIMATION TECHNIQUES IN FULL-DUPPLEX

SYSTEM

Abstract - Frequency is a limited resource, so the effective and economical use of

spectrum is becoming an important goal in the design and construction of mobile communication systems This promotes the research and application of advanced technologies and techniques to develop the next generation of wireless networks with high data transfer rates, improved spectrum efficiency, energy efficiency and Low transmission delay In addition to effective solutions for reusing spectrum or sharing bandwidth between wireless networks, in recent years duplex radio transmission (Full-Duplex) emerged as a new solution that allows transmit and receive data simultaneously in the same band The main purpose of the project is to reseachs the estimation techniques in a Full -Duplex transmission system as: estimate phase noise, estimate transmission channel, estimate carrier frequency deviation, combining phase noise estimation and transmission channel estimation v.v Since then propose the best estimation method for mobile communication system

DUT.LRCC

Key words – Duplex; full-duplex; estimate transmission channel; the estimation technique;

radio transmission channel.

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Dịch nghĩa Tiếng Việt

ACK/NACK Acknowledge/Negative

Acknowledge

Tin báo nhận/ Tin báo chưa nhận

A/D Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

sang số AGC Automatic Gain Control Tự động điều khiển độ lợi

AMD Adaptive Modulation

Technique

Bộ điều chế tín hiệu thích nghi

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BCA Block Coordinate Descent Tọa độ khối bậc thang

CFO Carrier Frequency Offset Lệch tần số sóng mang

COFDM Code Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao mã hóa

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

D/A Digital Audio Broadcast Công nghệ phát thanh số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Phát sóng truyền hình kỹ thuật số FDM Frequency Division Multiple Phân chia theo tần số

FFT Fast Fourier Tranform Biến đổi fourier nhanh

DUT.LRCC

FD Full-Duplex Truyền dẫn vô tuyến song công

FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia

theo thời tần số HPA High-power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn

ICI Inter Carrier interface Nhiễu liên sóng mang

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

IoT Internet of Things Mạng lưới kết nối các vật

ISI Inter Self- interference Nhiễu tự giao thoa

LTE Long Term Evolution Sự phát triển dài hạn

MAP Maximum a posteriori Kỹ thuật tối đa hậu nghiệm

MC Multicarrier Communication Truyền dẫn đa sóng mang

MIMO Multiple Input Multiple Output Đa ngõ vào đa ngõ ra

MMSE Minimum Mean Squared Error Sai số trung bình bình phương

nhỏ nhất MSE Mean square error Sai số trung bình bình phương

OFDM Orthogonal Frequency Division

P/S Parallel to Serial Converter Bộ chuyển đổi song song sang nối

DUT.LRCC

tiếp QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

S/P Serial to Parallel Converter Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song

song SDMA Space Division Access Ghép kênh phân chia theo không

gian SIS Intersymbol interference Nhiễu liên ký tự

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

STBC Space Time Block Coding Mã hóa không gian thời gian Mã STTC Space Time Trellis Code Hóa Trellis không gian thời gian SVD Singular value decomposition Phương pháp phân tích ma trận

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia

theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện

áp

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng toàn cầu đối với truy cập sóng ngắn

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Ngưỡng CPE đối với các kiểu điều chế khác nhau 35

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin 21

Hình 1 2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến 21

Hình 1 3 Hiệu ứng Doppler 23

Hình 1 4 Hiện tượng truyền sóng đa đường 23

Hình 1 5 Kênh truyền thay đổi theo thời gian 25

Hình 1 6 Phổ của OFDM và FDM 26

Hình 1 7 FDM truyền thống 27

Hình 1 8 Hệ thống thông tin đa sóng mang 28

Hình 1 9 So sánh hai kỹ thuật sóng mang 29

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống OFDM 30

Hình 1 11 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM 31

Hình 2 1 Truyền dẫn đơn công 35

Hình 2 2 Truyền dẫn bán song công 35

Hình 2 3 Mô hình truyền dẫn song công 36

Hình 2 4 Mô hình hệ thống song công thu phát hai chiều 37

Hình 2 5 Mô hình hệ thống song công dùng node chuyển tiếp 39

Hình 2 6 Mô hình hệ thống song công trạm gốc -tế bào 40

Hình 3 1 Nhiễu pha với các giá trị β𝑻𝒔 khác nhau 47

Hình 3 2 Mô hình bộ dao động PLL 48

Hình 3 3 Mô hình hệ thống bị ảnh hưởng bởi nhiễu pha 49

Hình 3 4 Ảnh hưởng của nhiễu pha đến tín hiệu điều chế 16-QAM 50

Hình 3 5 Ví dụ về việc truyền pilot liên tục và phân tán 52

Hình 3 6 Kiểu chèn pilot dạng khối 53

Hình 3 7 Kiểu chèn pilot dạng lược 54

DUT.LRCC

Hình 3 8 Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và thời gian 55

Hình 3 9 Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền 55

Hình 3 10 Mô hình hệ thống truyền thông vô tuyến song công đa anten đơn giản 63

Hình 4 1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng 72

Hình 4 2 Lưu đồ thuật toán mô phỏng ước lượng kết hợp 73

Hình 4 3 Lưu đồ thuật toán mô phỏng MSE 74

Hình 4 4 Lưu đồ thuật toán mô phỏng BER 75

Hình 4 5 MSE các giá trị ước lượng của kênh truyền biến đổi theo thời gian theo SNR với các giá trị nhiễu pha khác nhau 76

Hình 4 6 MSE của các giá trị ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian và nhiễu pha theo tốc độ di chuyển tương đối giữa hai node 77

Hình 4 7 BER của thuật toán ước lượng kế hợp nhiễu pha và kênh truyền biến đổi theo thời gian theo SNR 78

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, xã hội cùng sự tiến bộ của kỹ thuật thông tin và truyền thông, nhu cầu trao đổi và sử dụng các dịch vụ dữ liệu thông qua các thiết bị di động ngày càng phát triển nhanh chóng Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để phát triển thế hệ mạng không dây tiếp theo với tốc độ truyền dữ liệu cao, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, hiệu quả năng lượng cũng như độ trễ truyền dẫn thấp

Tần số là tài nguyên có hạn nên vấn đề sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và tiết kiệm đang trở thành một mục tiêu quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các

hệ thống thông tin di động Bên cạnh những giải pháp hiệu quả để tái sử dụng lại phổ tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến, trong những năm gần đây truyền dẫn vô tuyến song công (Full-duplex) nổi lên như một giải pháp mới cho phép truyền

và nhận dữ liệu đồng thời trong cùng một băng tần

Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo; hệ thống truyền dẫn song công không chỉ có khả năng tăng gấp đôi hiệu suất phổ,

mà còn giải quyết hiệu quả một số vấn đề quan trọng trong các hệ thống vô tuyến hiện

có, chẳng hạn như mất lưu lượng do nghẽn, độ trễ các thiết bị đầu cuối lớn Trở ngại lớn nhất đối với việc triển khai hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công là ảnh hưởng của nhiễu tự giao thoa (SI) và các yếu tố gây mất đồng bộ như: nhiễu pha PHN (Phase Noise), độ lệch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset) …

Một số nghiên cứu gần đây trong hệ thống truyền dẫn song công về kỹ thuật ước lượng kênh truyền kết hợp với giảm nhiễu tự giao thoa sử dụng ước lượng ML (Maximum-Likelihood) đã đạt được những kết quả khả quan, giúp cải thiện chất lượng

hệ thống Tuy nhiên, các kết quả trên được xét trong điều kiện lý tưởng về đồng bộ giữa các sóng mang con, không chịu ảnh hưởng bởi nhiễu pha và một số yếu tố gây mất đồng bộ khác Do đó, các nghiên cứu trên không thể áp dụng trong hệ thống truyền dẫn song công khi xét trong điều kiện thực tế

DUT.LRCC

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu kênh truyền biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng của nhiễu pha trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công

- Nghiên cứu các thuật toán ước lượng nhiễu pha

- Phân tích, đánh giá các kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

- Kết hợp ước lượng nhiễu pha và ước lượng kênh truyền

- Đánh giá kết quả các thuật toán xây dựng; từ đó đề nghị phương pháp ước lượng hoạt động hiệu quả trong hệ thống truyền dẫn song công

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a Đối tượng nghiên cứu

- Kỹ thuật OFDM

- Hệ thống truyền dẫn vô tuyến, song công

- Kênh truyền biến đổi theo thời gian

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể gồm các bước sau:

- Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

- Tìm hiểu và phân tích hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu pha đến hệ thống truyền dẫn

- Xem xét các công trình liên quan, so sánh và đánh giá các ưu điểm và khuyết điểm của các phương pháp, kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn

DUT.LRCC

song công, từ đó đề xuất ý tưởng thay đổi và cải thiện các hệ thống đang tồn tại

- Kiểm tra tính hiệu quả của các phương pháp đề xuất dựa trên việc phân tích

và đánh giá các dữ liệu kết quả so với các phương pháp trước

- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên mô phỏng

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, song song với sự phát triển của xã hội, kinh tế và khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng phương tiện di động – vô tuyến ở nhiều hình thức khác nhau gia tăng một cách “bùng nổ” Tài nguyên tần số trở nên cực kỳ khan hiếm Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất liên tục như phân chia theo thời gian, theo không gian, theo mã hay nâng tần số truyền cao hẳn lên … nhưng đều không thể đáp ứng được so với nhu cầu sử dụng tài nguyên này Trong bối cảnh này, truyền dẫn song công FD (Full-duplex) được xem là một trong các giải pháp hữu hiệu, đem lại hiệu quả cao về mặt sử dụng phổ Do vậy, truyền dẫn song công được xem là một trong các kỹ thuật then chốt trong mạng thông tin di động tiên tiến, đặc biệt là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) Tuy nhiên, kỹ thuật này còn rất nhiều thách thức ở phía trước

Cụ thể là việc ước lượng kênh truyền và các kỹ thuật xử lý tín hiệu trước đây gặp khó khăn khi xuất hiện tín hiệu tự giao thoa SI (self-interference) trong tín hiệu thu từ chính tín hiệu phát của cùng thiết bị

Ý nghĩa thực tiển của đề tài là thể hiện được các giải pháp ước lượng kênh trong

hệ thống truyền dẫn song công, là một trong những hướng nghiên cứu mới trong thông

tin vô tuyến hiện nay

BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung đề tài được chia làm 4 chương

Chương 1 : Tổng quan về kênh truyền vô tuyến và kỹ thuật OFDM

Chương này sẽ trình bày tổng quan về kênh truyền vô tuyến, các mô hình và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến Ngoài ra chương còn trình bày một số khái niệm cơ bản về kỹ thuật OFDM; các đặc tính và ưu nhược điểm của hệ

thống OFDM

DUT.LRCC

Chương 2 : Hệ thống truyền dẫn song công

Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về hệ thống truyền dẫn song công, cấu tạo anten và các mô hình truyền dẫn song công điển hình, giới thiệu về nhiễu tự giao thoa

và các kỹ thuật giảm nhiễu này trong hệ thống truyền dẫn song công

Chương 3 : Kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

Chương này sẽ giới thiệu về ước lượng kênh truyền, các thuật toán ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công bao gồm cả ước lượng nhiễu pha, kết hợp ước lượng kênh truyền và nhiễu pha để nâng cao chất lượng hệ thống

Chương 4 : Mô phỏng và thảo luận

Chương sẽ giới thiệu về các lưu đồ thuật toán mô phỏng dùng kỹ thuật MAP, dùng phương pháp MSE và BER Phần trọng tâm của chương trình bày các kết quả mô phỏng thuật toán ước lượng nhiễu pha kết hợp với ước lượng kênh truyền trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ

THUẬT OFDM

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

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, với kênh truyền vô tuyến thì bị ảnh hưởng rất nhiều yếu tố và khó dự đoán được kết quả

Gần đây, với sự hội tụ của các công nghệ trên thế giới, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được hướng đến như một công nghệ mới cho truyền thông tốc độ cao Đặc biệt, OFDM là một kỹ thuật khá khác biệt so với kỹ thuật điều chế sử dụng các phương pháp truyền dẫn truyền thống và có nhiều chuẩn mạng không dây hiện nay như Wifi, DVB, Wi-Max, LTE… đã ứng dụng kỹ thuật này

Chương này sẽ trình bày tổng quan về kênh truyền vô tuyến, các mô hình và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến Ngoài ra chương còn trình bày một số khái niệm cơ bản về kỹ thuật OFDM; các đặc tính và ưu nhược điểm của hệ

thống OFDM

1.2 TÌNH HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY.

Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì nhu cầu trao đổi thông tin và yêu cầu về chất lượng thông tin ngày càng cao Để nâng cao chất lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của thông tin …) trong viễn thông có nhiều giải pháp như : nâng cấp chất lượng đường truyền, nghiên cứu các phương thức mới

để điều chế, tăng công suất thu phát của hệ thống…

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-Generation) được bắt đầu phát triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001 Từ đó đến nay 3G đã phát triển nhanh chóng và đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại hình dịch vụ

đa phương tiện Những dịch vụ đang được phát triển phổ biến hiện nay như: truy cập Internet, thương mại điện tử, Email, Video call… Đối tượng sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến sự ra đời của hệ thống thông tin thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Genneration) 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông lại không được mở rộng Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen

DUT.LRCC

nhiễu, hiệu ứng doppler gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu tại đầu thu Hiện trạng này thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào – đa đầu ra MIMO (Multi Input –Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể

Trong những năm gần đây, song song với sự phát triển của xã hội, kinh tế và khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng phương tiện di động – vô tuyến ở nhiều hình thức khác nhau gia tăng một cách “bùng nổ” Tài nguyên tần số trở nên cực kỳ khan hiếm Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất liên tục như phân chia theo thời gian, theo không gian, theo mã hay nâng tần số truyền cao hẳn lên … nhưng đều không thể đáp ứng được so với nhu cầu sử dụng tài nguyên này Trong bối cảnh này, truyền dẫn song công FD (Full-duplex) được xem là một trong các giải pháp hữu hiệu, đem lại hiệu quả cao về mặt sử dụng phổ Do vậy, truyền dẫn song công được xem là một trong các kỹ thuật then chốt trong mạng thông tin di động tiên tiến, đặc biệt là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) Tuy nhiên, kỹ thuật này còn rất nhiều thách thức ở phía trước

Cụ thể là việc ước lượng kênh truyền và các kỹ thuật xử lý tín hiệu trước đây gặp khó khăn khi xuất hiện tín hiệu tự giao thoa SI (Self-Interference) trong tín hiệu thu từ chính tín hiệu phát của cùng thiết bị

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.3.1 Tổng quan về 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 Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên

và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà 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 kết quả khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắ m vững những đă ̣c tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể cho ̣n lựa mô ̣t cách thích hợp các cấu trúc của hê ̣ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hê ̣ thống

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)

DUT.LRCC

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 được 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 trễ 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 phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

- Phản xạ xảy ra khí 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 xảy 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 như : cột đèn, cột báo hiệu, tán lá…

1.3.2 Mô hình kênh truyền vô tuyến

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin

cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại

DUT.LRCC

Hình 1 1 Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu

Hình 1 2 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vô tuyến nói chung

1.3.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

a) Suy hao đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiê ̣u khi truyền từ máy phát đến

máy thu Sự giảm công suất do hiê ̣n tượng che chắ n và suy hao có thể khác phục bằng

các phương pháp điều khiển công suất

c) Hiệu ứng Doppler

Do sự di chuyển giữa máy phát và máy thu, mỗi sóng mang bị dịch đi một lượng tần số Tần số sẽ tăng lên khi máy phát tiến về phía máy thu và sẽ giảm đi khi máy phát đi ra xa máy thu Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển tương ứng đó gọi là hiệu ứng Doppler Hiệu ứng này tỉ lệ với tốc độ của thiết bị di dộng Tại một

trạm với một tín hiệu đơn âm tần số fc được phát đi và một tín hiệu thu được với duy

nhất một sóng tới có góc tới θ so với hướng di chuyển của xe như trong Hình 1.3 Khi

đó ta có sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là:

Trong đó fc, λ, c lần lượt là tần số sóng mang, bước sóng sóng mang và vận tốc

ánh sáng và dịch Doppler cực đại được tính như sau:

f m = 𝑣

𝜆 = v 𝑓𝑐

Hình 1 3 Hiệu ứng Doppler

d) Hiệu ứng đa đường (Multipath)

Hình 1 4 Hiện tượng truyền sóng đa đường

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi

Trạm gốc

DUT.LRCC

thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền

đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng

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

Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất, xe cộ luôn luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, sông hồ có thể thay đổi…

Hình 1.5 dưới đây cho ta thấy công suất tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi công suất không đổi tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian

DUT.LRCC

Hình 1 5 Kênh truyền thay đổi theo thời gian

Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chon lọc thời gian chỉ mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền

một kí tự T symbol, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay kênh truyền biến đổi chậm ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời

gian T symbol thì kênh truyền đó gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian hay là kênh

truyền biến đổi nhanh

Trong các cell di động, khi thuê bao MS di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS trạm gốc BS theo thời gian, tức là địa hình thay đổi liên tục Chính vì vậy sẽ làm cho kênh truyền liên tục bị thay đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch tần số sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số:

DUT.LRCC

nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất

sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế FDM thông thường như Hình 1.6

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập

kỷ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT

Hình 1 6 Phổ của OFDM và FDM

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, được gọi là COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này, tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã hóa kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi khi truyền trên đường truyền

Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi AMD (Adaptive Modulation Technique) hiện đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin theo chuẩn IEEE.802.11a

DUT.LRCC

1.4.2 Sự phát triển của OFDM

1.4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua một đường dây điện thoại Mỗi kênh được xác định bằng một tần số trung tâm và các kênh được phân cách bởi các dãi bảo vệ nhằm đảm bảo phổ của mỗi kênh không chồng lấn lên nhau Dãi bảo vệ này là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông FDM

Hình 1 7 FDM truyền thống

1.4.2.2 Truyền dẫn đa sóng mang

Truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) là một dạng FDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng MC không được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM,

mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song Dạng MC

đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền con trực giao Sau đó N luồng này điều chế tại N tần số sóng mang

khác nhau rồi được ghép kênh và đưa lên kênh truyền

Ở phía thu thì làm ngược lại: phân kênh, giải điều chế và ghép các luồng

dữ liệu song song thành một luồng dữ liệu duy nhất như ban đầu N được chọn đủ

DUT.LRCC

lớn sao cho độ rộng một symbol lớn hơn nhiều trải trễ của kênh truyền hoặc băng thông từng luồng nhỏ hơn dãi thông phù hợp của kênh truyền, nhằm đảm bảo các nguồn con không bị giao thoa liên ký tự (SIS) nghiêm trọng

Hình 1 8 Hệ thống thông tin đa sóng mang

1.4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt là OFDM sử dụng các tập sóng mang trực giao nhau Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế hoàn toàn độc lập với nhau Tính trực giao đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí null của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống

DUT.LRCC

Hình 1 9 So sánh hai kỹ thuật sóng mang

1.4.3 Mô hình hệ thống OFDM

Đầu tiên dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song (S/P: Serial/Parallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa và được sắp xếp theo trình tự hỗn hợp Khối sắp xếp và mã hóa (Coding và Mapping) có thể đặt

ở trước đầu vào bộ S/P Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần

số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm giao thoa xuyên ký tự ISI Cuối cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao

để truyền đi trên các kênh

DUT.LRCC

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống OFDM

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gauss trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) và đáp ứng của kênh truyền di động Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn thêm các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền và nhiễu tại máy thu

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT (khối FFT) Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng

dữ liệu tại đầu ra máy thu

Tùy vào mục đích sử dụng hoặc phục vụ các nhu cầu khác nhau, cấu trúc hệ thống OFDM có thể sai khác nhau vài điểm bằng cách mở rộng thêm vào hoặc giảm đi các khối chức năng so với hệ thống tổng quát

1.4.4 Hệ thống MIMO – OFDM

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là tuyến thông tin điểm - điểm với nhiều anten được trang bị tại phía phát và phía thu Từ những năm đầu

DUT.LRCC

nghiên cứu cho đến gần đây cho thấy hệ thống MIMO giúp cải thiện tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống bằng cách kết hợp với các kỹ thuật phân tập

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền và sử dụng băng thông rất hiệu quả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào kỹ thuật phân tập phía phát (STBC), phía thu (STTC) mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông của hệ thống Bên cạnh đó, OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn tốc độ cao với khả năng chống fading chọn lọc tần số và loại bỏ được nhiễu liên ký tự ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn, và nhiễu liên sóng mang ICI

Từ những ưu điểm nổi bật của thống MIMO và kỹ thuật OFDM nên việc kết hợp đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong trong các hệ thống thông tin

Hình 1 11 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM

Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM tổng quát được trình bày ở Hình 1.11;

trong đó hệ thống sử dụng N T anten phát và N R anten thu kết hợp cùng kỹ thuật OFDM được sử dụng tại máy phát và máy thu như đã được trình bày trong phần trên

Kỹ thuật OFDM chia kênh truyền chọn lọc tần số thành N kênh truyền con fading phẳng Hệ thống MIMO-OFDM tương đương với hệ thống MIMO Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau :

DUT.LRCC

      là tạp âm Gauss trắng phức của NR máy thu

(.)Tlà ký hiệu phép toán chuyển vị

Lúc đó, quan hệ giữa tín hiệu đầu vào x với tín hiệu đầu ra y được xác định bởi

nhiều kênh con fading phẳng Do vậy, OFDM phù hợp với hệ thống truyền dẫn băng rộng

OFDM loại trừ giao thoa liên ký tự (SIS) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nhờ việc chèn vào khoảng bảo vệ có tính chất CP (cycle prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường

Cũng nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất CP mà hệ thống OFDM sử dụng

bộ cân bằng kênh khá đơn giản

IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế

và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế lại đơn giản và hiệu quả

OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM được tổng hợp từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High-power Amplifier)

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến hệ thống thông tin di động và tổng quan về kỹ thuật OFDM Nhìn một cách khái quát, hệ thống OFDM có rất nhiều ưu điểm, hứa hẹn sẽ là một giải pháp kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông tốc độ cao trong tương lai Tuy

DUT.LRCC

nhiên, để đạt được các ưu điểm trên cần giải quyết tốt vấn đề đồng bộ trong hệ thống

để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công, các mô hình và các loại can nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống cũng như các phương pháp làm giảm sự ảnh hưởng của các loại can nhiễu này Bên cạnh đó, phần cuối của chương sẽ trình bày các ưu điểm, nhược điểm của hệ thống song công

2.2 ĐƠN CÔNG VÀ BÁN SONG CÔNG

2.2.1 Đơn công (simplex)

Trong chế độ truyền đơn công, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp

Simplex

Hình 2 1 Truyền dẫn đơn công

2.2.2 Bán song công (Half-duplex)

Giữa hai đường truyền dữ liệu và luồng tin, chỉ truyền theo một hướng tại một thời điểm khi một thiết bị hoàn thành việc truyền dẫn, nó phải chuyển môi trường truyền đến thiết bị khác Một thiết bị có thể đóng vai trò thu và phát tín hiệu nhưng tại một thời điểm nó chỉ có thể thực hiện một vai trò duy nhất

Ví dụ hoạt động của bộ tọa đàm điện thoại

Haft-duplex

Hình 2 2 Truyền dẫn bán song công

DUT.LRCC

2.3 TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

Hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công (Full-duplex) sử dụng cùng một băng tần cho chiều phát và chiều thu Do đó, trong trường hợp lý tưởng nó có khả năng tăng gấp đôi hiệu quả sử dụng phổ so với hệ thống vô tuyến bán song công truyền thống (Half-duplex) Trong hệ thống thông thường sử dụng chế độ bán song công, bộ chia song công thời gian TDD và tần số FDD thường được sử dụng để truyền trực giao Tuy nhiên, quá trình truyền trực giao này với các kỹ thuật TDD hoặc FDD có thể dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng phổ

Full-duplex

Hình 2 3 Mô hình truyền dẫn song công

2.4 CÁC MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

2.4.1 Mô hình hệ thống song công thu phát hai chiều

Mô hình thu phát hai chiều được mô tả trong Hình 2.4, trong đó bao gồm hai luồng dữ liệu: bên A gửi dữ liệu cho bên B và ngược lại bên B sẽ gửi dữ liệu đến A Nếu trong hệ thống bán song công, chiều dữ liệu từ A đến B sẽ không xảy ra đồng thời với chiều từ B đến A và để hoạt động được thì hai luồng dữ liệu này được phát trên hai khe thời gian hoặc tần số khác nhau Tuy nhiên, trong hệ thống song công thì hai quá trình truyền dữ liệu này sẽ xảy ra đồng thời, giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ gấp đôi Trong mô hình này, yêu cầu bắt buộc là node A và node B phải hoạt động được trong chế độ truyền dẫn song công

DUT.LRCC

Hình 2 4 Mô hình hệ thống song công thu phát hai chiều

a) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng chung anten

Trong một hệ thống bán song công thu phát hai chiều dùng chung N anten, tổng

dung lượng của hệ thống là:

C HD =1

2X ∑Ni=1log2 (1+𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻 ) + 1

2 X ∑Ni=1log2 (1+𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻 ) (2.1)

Với 𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻 và 𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻 là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu theo link ab và

link ba trong hệ thống bán song công Dung lượng hệ thống C HD phải nhân thêm

𝐶𝐹𝐷𝑆ℎ𝑎𝑟𝑒=1 X ∑Ni=1log2 (1+𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻,𝑆ℎ𝑎𝑟𝑒) + 1 X ∑Ni=1log2 (1+𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻,𝑆ℎ𝑎𝑟𝑒) (2.2)

Với 𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻,𝑆ℎ𝑎𝑟𝑒 và 𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻,𝑆ℎ𝑎𝑟𝑒 là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu theo link ab

và link ba trong hệ thống bán song công sử dụng chung anten Trong mô hình này, với việc sử dụng các kỹ thuật phân tập khác nhau, dung lượng hệ thống có thể tăng một cách đáng kể

b) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng riêng anten

Hệ thống song công sử dụng chung anten mặc dù cải thiện được dung lượng hệ thống, tuy nhiên việc dùng chung anten cho việc phát và thu tín hiệu sẽ gặp khó khăn trong việc áp dụng trực tiếp các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO Do đó, với

DUT.LRCC

mô hình dùng riêng anten, các kỹ thuật đa truy cập ghép kênh phân chia theo không gian (SDMA) sẽ được áp dụng để tăng dung lượng hệ thống Nếu mỗi anten được sử dụng cho cả anten phát và anten thu thì dung lượng hệ thống trong mô hình dùng riêng anten sẽ là:

𝐶𝐹𝐷𝑆𝑒𝑝=1 X ∑N/2i=1 log2 (1+𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻,𝑆𝑒𝑝) + 1 X ∑N/2i=1 log2 (1+𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻,𝑆𝑒𝑝) (2.3)

Trong đố 𝜌𝑎𝑏,𝑖 𝐻,𝑆𝑒𝑝 và 𝜌𝑏𝑎,𝑖 𝐻,𝑆𝑒𝑝 là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu theo

link ab và link ba trong hệ thống bán song công sử dụng riêng anten

c) Hệ thống song công thu phát hai chiều trong mạng Ad-hoc

Hệ thống song công thu phát hai chiều trong mạng tùy biến không có bộ điều khiển tập trung, các cặp node ai và bi trao đổi dữ liệu với nhau trong cùng một khe tần

số Do đó, nhiễu tự giao thoa giữa cặp a i và b i này ảnh hưởng đến cặp a i và b i khác và ngược lại

2.4.2 Mô hình hệ thống song công dùng node chuyển tiếp

Trong mô hình song công dùng node chuyển tiếp như Hình 2.5, một node R sẽ đóng vai trò là node trung gian chuyển tiếp các dòng dữ liệu từ nguồn S đến đích D Nếu node R hoạt động trong hệ thống bán song công, thì R sẽ phải thực hiện luân phiên tuần tự việc nhận dữ liệu từ nguồn S và chuyển tiếp dữ liệu này đến đích D Khi node R hoạt động trong hệ thống song công thì quá trình nhận dữ liệu từ nguồn S và chuyển tiếp đến đích D sẽ được thực hiện đồng thời trên cùng một khe tần số, do vậy

nó cũng làm tăng hiệu suất sử dụng phổ lên gấp đôi

Tùy vào cấu hình của node chuyển tiếp R là khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplify and Forward) hay giải mã và chuyển tiếp DF (Decoded and Forward) mà mô hình song công dùng node chuyển tiếp có thể được mở rộng để node R có thể tiếp nhận

và chuyển tiếp luồng dữ liệu đến nhiều node khác nhau trong mạng Trong mô hình node chuyển tiếp, yêu cầu cơ bản là node trung gian R phải hỗ trợ kiểu truyền tải dữ liệu song công, các node nguồn và đích thì chỉ cần kiểu bán song công

DUT.LRCC