Giải pháp kết hợp CDMA /OFDM cho hệ thống thông tin di động

LỜI CAM ĐOAN
Từ những kiến thức cũng như những ứng dụng thực tế, qua thời gian
được học trong giai đoạn đại học và cao học tại trường đại học Bách Khoa Hà
Nội, được sự đồng ý và hướng dẫn của TS. Đào Ngọc Chiến, tôi đã tìm hiểu
thêm các sách báo, tạp trí cũng như tài liệu trên mạng, từ đó tập hợp thông tin
để hoàn thành quyển luận văn này. Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là
công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ luận văn nào
khác. Do trình độ có hạn nên bản luận văn này không tránh khỏi có những sai
sót, rất mong được các thầy cô góp ý kiến.
Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu sai tôi hoàn toàn
chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2008.
Học viên
Nguyễn Tiền Phương
1
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu
cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả
năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng
khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di
động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các
biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có.
Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division
Multiple Access) ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn
so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa
đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau…
Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) với ưu điểm truyền dữ liệu tốc độ cao qua
kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp.
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ
thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA

(Multi Carrier-CDMA) đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM.
MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. Chính vì
vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động
trong tương lai.
Nội dung luận văn gồm bốn phần:
Phần 1: Lý thuyết về kênh vô tuyến
Nội dung của phần 1 trình bày khái quát các cơ sỏ lý thuyết về kênh
truyền vô tuyến, qua đó ta có thể biết được các đặc điểm của môi trường
truyền sóng vô tuyến, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền,
2
để qua đó tìm biện pháp cải thiện, nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu qua
kênh vô tuyến.
Phần 2: Điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM
Nội dung của phần 2 trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật
OFDM, qua đó ta có thể biết được sơ đồ nguyên lý, cách thức hoạt động, các
kỹ thuật sủ dụng trong điều chế OFDM, cũng như ưu, nhược điểm của
phương pháp này.
Phần 3: Kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã
(MC-CDMA)
Nội dung của phần 3 trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật
CDMA, phương thức kết hợp 2 công nghệ CDMA và OFDM, qua đó ta có
thể biết được sơ đồ nguyên lý, cách thức hoạt động, các kỹ thuật sủ dụng
trong kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã
MC-CDMA.
Phần 4: Hệ thống cải thiện hiệu suất thông tin di động sử dụng công nghệ
CDMA/OFDM
Trong phần này sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của một hệ thống thông
tin di động sử dụng kết hợp 2 công nghệ CDMA, OFDM và những kết quả
mô phỏng đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống này so với các công nghệ
hiện tại.

3
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN 1
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 2
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC HÌNH VẼ 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU 11
MỞ ĐẦU 11
1
LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 13
ĐIỀU CHẾ PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO -
OFDM 37
KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG
MANG PHÂN CHIA THEO MÃ (MC – CDMA ) 64
HỆ THỐNG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CHO THÔNG TIN
DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA/OFDM 82
KẾT LUẬN 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT
TẮT
1 ACF Autocorrelation Function Hàm tự tương quan
2 AWGN Additive White Gaussian
Noise
Tạp âm Gaussian trắng cộng
3 BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít
4 BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
5 BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc

6 CD Conventional Detection Tách song thong thường
7 CDMA Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
8 CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh truyền
9 CSI Channel State Indentify Nhận dạng trạng thái kênh
10 DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá
11 DC Direct Current Dòng 1 chiều
12 DEV Device Thiết bị
13 DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp
14 DSSS Direct Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
15 DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá
16 FCC Federal Communications
Commission, USA
Ủy ban truyền thông liên bang của
Mỹ
17 FD Frequency Domain Miền tần số
18 FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi
19 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
20 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
21 FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn
22 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
23 ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh
24 IF Intermediate Frequency Tần số trung gian
25 IFFT Inverse Fast Fourier
Transform
Biến đổi Fourier nhanh ngược
26 IR Impulse Radio Xung vô tuyến

27 IS Interference Suppression Khử nhiễu
28 ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự
29 LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp
30 LO Local Oscilator Bộ tạo dao động nội bộ
5
31 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng
32 MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền
33 MC Multi Carrier Đa sóng mang
34 MC-
CDMA
Multi Carrier Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập kênh truyền đa sóng
mang phân chia theo mã
35 MLD Maximum Likelihood
Detection
Tách sóng tối ưu
36 MLSE Maximum Likehood
Sequence Estimation
Ước lượng chuỗi giống nhất
37 MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa
38 MSE Mean-Square-Error Tỉ số lỗi trung bình bình phương
39 MUD Multi User Detection Tách sóng đa người dung
40 NBI Narrow Bandwith
Interference
Nhiễu băng hẹp
41 OCDM Orthogonal Code Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo mã trực
giao

42 OFDM Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
43 OOK On Off Keying Khóa đóng mở
44 PAM Pulse Amlitude Modulation Điều chế biên độ xung
45 PDF Power Density Function Hàm mật độ công suất
46 PG Processing Gain Độ lợi xử lý
47 PHY Physical layer Lớp vật lý
48 PN Pseudo-random Noise Tạp âm giả ngẫu nhiên
49 PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung
50 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
51 PSM Pulse Shape Modulation Điều chế dạng xung
52 QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
53 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
54 QPSK Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu phương
55 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
56 RMS Root Mean Square
57 RX Receiver Thiết bị thu
58 SNR Signal - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
59 SS Spread Spectrum Trải phổ
60 SUD Single User Detection Tách sóng đơn người dung
61 SV Saleh-Valenzuela Channel
Model
Mô hình kênh Saleh-Valenzuela
62 TD Time Domain Miền thời gian

6
63 TDMA Time Division Multiple
Access
Dđa truy nhập phân chia theo thời
gian
64 TH Time-Hopping Nhảy thời gian
65 UWB UltraWide Bandwith Băng thông siêu rộng
66 WH Walsh-Hadamard Mã trực giao WH
67 WLAN Wireless Lan Area Networks Mạng cục bộ không dây
68 WPAN Wireless Personal Area
Networks
Mạng cá nhân không dây
69 WSSUS Wide Sense Stationary
Uncorrelation System
Hệ thống phi tương quan dừng theo
nghĩa rộng
7
DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TIN
14
HÌNH 1.2A. KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC TẦN SỐ (F0
<W) 16
HÌNH 1.2B. KÊNH TRUYỀN FADING PHẲNG (F0 >W) 16
HÌNH 1.3: HIỆU ỨNG DOPPLER KHI MÁY THU DỊCH
CHUYỂN 22
HÌNH 1.4: SỰ PHỤ THUỘC THỜI GIAN CỦA BIÊN ĐỘ
FADING CHO 23
TẦN SỐ DOPPLER TỐI ĐA 50HZ 23
HÌNH 1.5: PHỤ THUỘC THỜI GIAN CỦA KÊNH 2
ĐƯỜNG 26

HÌNH 1.6: PHỔ DOPPLER RỜI RẠC (A) VÀ LIÊN TỤC
(B) 28
HÌNH 1.7: PHỔ DOPPLER JAKES THEO PHÂN BỐ
CÔNG SUẤT ĐẲNG HƯỚNG 28
HÌNH 1.8: PHỔ CÔNG SUẤT TRỄ RỜI RẠC (A) VÀ LIÊN
TỤC (B) 32
HÌNH 2.1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG VỚ NC=4 KÊNH
CON. 38
HÌNH 2.2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG
MANG. GIẢI PHÁP 1 39
8
HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG
MANG. GIẢI PHÁP 2 41
HÌNH 2.4: PHỔ ĐA SÓNG MANG 43
HÌNH 2.5: HÌNH DẠNG CHỒNG LẤN PHỔ TRỰC GIAO
CỦA OFDM. 44
HÌNH 2.6: THỰC HIỆN OFDM BẰNG FFT 46
HÌNH 2.7: OFDM CÓ THÊM KHOẢNG BẢO VỆ 47
HÌNH 2.8: OFDM VỚI KHOẢNG BẢO VỆ: (A) XUNG
TRUYỀN DẪN, (B) XUNG TÁCH SÓNG. 48
HÌNH 2.9: PHỔ MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU OFDM
CÓ KHOẢNG BẢO VỆ 54
HÌNH 2.10: MẶT NẠ PHỔ CHO HỆ THỐNG OFDM. 55
HÌNH 2.11: PHỔ CỦA TÍN HIỆU OFDM KHI SỬ DỤNG
BỘ LỌC BUTTERWORTH BẬC 5 VÀ BẬC 10. 55
HÌNH 2.12: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ PHÁT ĐA SÓNG
MANG 58
HÌNH 2.14: SƠ ĐỒ TẠO TÍN HIỆU I VÀ Q VỚI 2 BỘ GIẢI
ĐIỀU CHẾ ANALOG. 61
HÌNH 2.15: SƠ ĐỒ TẠO TÍN HIỆU I VÀ Q SỬ DỤNG BỘ

LỌC FIRVÀ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐƠN 62
HÌNH 3.1: MẠCH THANH GHI DỊCH ĐỂ TẠO CHUỖI PN
67
HÌNH 3.2. QUÁ TRÌNH TRẢI PHỔ VÀ NÉN PHỔ TRONG
KỸ THUẬT CDMA 69
9
HÌNH 3.3. SƠ ĐỒ MÁY THU RAKE 70
HÌNH 3.4. SƠ ĐỒ KHỐI MÁY PHÁT MC – CDMA 72
HÌNH 3.5. SƠ ĐỒ KHỐI MÁY THU MC – CDMA ỨNG
VỚI USER K 73
HÌNH 3.6. SƠ ĐỒ MÁY PHÁT MC – CDMA ỨNG VỚI
USER THỨ J 74
HÌNH 3.7 . PHỔ CÔNG SUẤT CỦA TÍN HIỆU MC –
CDMA 74
HÌNH 3.8. SƠ ĐỒ MÁY PHÁT MC – CDMA SỬA ĐỔI
ỨNG VỚI USER THỨ J 75
HÌNH 3.9. SƠ ĐỒ MÁY THU MC – CDMA CHO USER
THỨ J 75
HÌNH 3.10: MÔ HÌNH BỘ THU SỬ DỤNG KỸ THUẬT
SUD 76
HÌNH 3.11: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG
PHÁP LỰA CHỌN PHÙ HỢP 77
HÌNH 3.12: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG
PHÁP MRC 78
HÌNH 4.1: CẤU TRÚC TRUYỀN SÓNG DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ CDMA/OFDM 83
HÌNH 4.2: SO SÁNH 2 HỆ THỐNG OFDM VÀ
CDMA/OFDM 89
HÌNH 4.3: HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CDMA/OFDM
VỚI PHƯƠNG PHÁP 92

10
TÁCH SÓNG THÔNG THƯỜNG 92
HÌNH 4.4: SO SÁNH HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG
CDMA/OFDM VỚI 2 PHƯƠNG PHÁP 93
TÁCH SÓNG MLD, CD. 93
HÌNH 4.5: SO SÁNH 2 HỆ THỐNG CDMA/MRC VÀ
CDMA/OFDM 94
DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 1.1: TẦN SỐ DOPPLER ỨNG VỚI CÁC TỐC ĐỘ
KHÁC NHAU 22
MỞ ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu
cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả
năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng
khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di
động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các
11
biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có. Hệ
thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so
với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập
truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian
TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc
điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ
liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch
vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu
cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch
vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn
đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế

đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như
hữu tuyến. Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua
kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do
việc điều chế và giải điều chế đa song mang bằng giải thuật IFFT và FFT. Để
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-
CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế
thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền
vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật
cao và giảm độ phức tạp của hệ thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng
cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai.
Do vậy, tôi đã quyết định chọn luận văn thạc sĩ khoa học với đề tài:
“Giải pháp kết hợp CDMA/OFDM cho hệ thống thông tin di động” dưới sự
hướng dẫn của TS. Đào Ngọc Chiến. Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu, mô
12
phỏng về giải pháp cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin di động dựa trên
công nghệ CDMA kết hợp OFDM (MC-CDMA). Luận văn gồm 4 chương:
Chương I: Lý thuyết về kênh vô tuyến
Chương II: Điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Chương III: Hệ thống đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân
chia theo mã (MC–CDMA: Multi Carrier Code Division Multiplexing
Access).
Chương IV: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dụng
công nghệ CDMA /OFDM
Bên cạnh đó, luận văn cũng đưa ra chương trình mô phỏng để đánh giá
về khả năng cải thiện hiệu suất sử dụng công nghệ MC-CDMA.
Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Viện Đào tạo Sau
đại học, Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu
dắt, chỉ bảo tôi trong những năm vừa qua. Đặc biệt, tôi xin chân thành gửi lời
cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS. Đào Ngọc Chiến, người đã tận tình
hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ. Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm

ơn đến các bạn cùng lớp cao học điện tử khóa 2006-2008 đã giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
1
LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN
1.1Kênh truyền vô tuyến
Xét mô hình chức năng của hệ thống thông tin vô tuyến điển hình:
13
Nguồn tin
Mã hóa
nguồn
Mã hóa
kênh
Đa truy
nhập
Điều chế
Nhận tin
Giải mã
nguồn
Giải mã
kênh
Đa truy
nhập
Giải điều
chế
Máy phát
Máy thu
Kênh
truyền
( )x t

( )y t
Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin
Trong đó, kênh truyền là phương tiện truyền dẫn tín hiệu mang tin từ
bên phát sang bên thu. Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền sẽ là
môi trường không khí do đó sẽ gọi là kênh 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 (reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ
(diffraction)…, 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.
1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh
truyền:
1.2.1 Hiệu ứng đa đường (Multipath)
Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín
hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác
nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ
và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Tín hiệu thu được
14
tại máy thu là tổng của các thành phần này, là một tín hiệu phức tạp với biên
độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu.
1.2.2 Hiệu ứng Doppler:
Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự di
chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến. Khi sự chuyển động
tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay
đổi của kênh truyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast
fading).

1.2.3 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 được gọi là fading chậm (slow fading).
1.3 Các dạng kênh truyền:
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu
phát mà ta có
+ Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng
+ Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi
nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi
là Kênh truyền biến đổi chậm (Slow Channel)).
1.3.1 Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading
Phẳng
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó,
đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là
phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu
trên hình 1.2 là f
0
.
15
Hình 1.2a. Kênh truyền chọn lọc tần số (f
0
<W)
Trên hình 1.2a, ta nhận thấy kênh truyền có f
0
nhỏ hơn nhiều so với
băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh
truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của
tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh

truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.
Hình 1.2b. Kênh truyền Fading phẳng (f
0
>W)
Ngược lại, trên hình 1.2b, kênh truyền có f
0
lớn hơn nhiều so với băng
thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua
kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền
này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc
tần số.
16
1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không
chọn lọc thời gian
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật
chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những
vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền
trên đường truyền phản xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc
pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian.
Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là
coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của
kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so
với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời
gian.
Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration)
rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền
không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian.
1.4 Các đặc trưng của kênh fading
1.4.1 Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian

1.4.1.1 Khái niệm đáp ứng xung của kênh truyền
Đáp ứng xung của kênh truyền là một dãy xung thu được ở máy thu khi
máy phát phát đi một xung cực ngắn được gọi là xung Dirac. Trong đó, một
xung được gọi là xung Dirac nếu thỏa mãn biểu thức sau:
( ) 0 khi t 0
( ) 1
t
t dt
δ
δ
+∞
−∞
≡ ≠



=


∫
Với kênh không phụ thuộc thời gian thì đáp ứng xung của kênh sẽ là:
17
(1.1)
trong đó a
k
là hệ số suy hao,
k
τ
là
trễ truyền dẫn của tuyến thứ k và N là số tuyến truyền dẫn.

1.4.1.2 Mô hình quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương
quan (WSSUS)
Xét một hệ thống tuyến tính, đầu ra r(t) ứng với đầu vào s(t) của hệ
thống này được biểu diễn bởi biểu thức:
(1.2)
với
( , )k t t
′
được gọi là đặc trưng đầy đủ (integral kernel) của hệ thống. Điều
này có nghĩa rằng đầu ra của hệ thống ở thời điểm t là sự xếp chồng liên tục
của các tín hiệu vào tại các thời điểm t’ nhân với trọng số
( , )k t t
′
. Lưu ý,
trường hợp đặc trưng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào độ sai lệch t-t’ tức là
( , )k t t
′
=
( )k t t
′
−
%
, khi đó hệ thống là bất biến. Thay biến lấy tích phân bằng
t t
τ
′
= −
là độ trễ giữa thời điểm vào t’ và thời điểm ra t, do vậy (1.2) trở thành:
( ) ( , ) ( )r t k t t s t d
τ τ τ

∞
−∞
= − −
∫
và định nghĩa đáp ứng xung phụ thuộc thời gian:
( , ) ( , )h t k t t
τ τ
= −
do đó nhận được tín hiệu ra r(t):
( ) ( , ) ( )r t h t s t d
τ τ τ
∞
−∞
= −
∫
và hàm truyền đạt của hệ thống là biến đổi Fourier của thành phần trễ thời
gian
τ
của đáp ứng xung:
2
( , ) ( , )
j f
H f t e h t d
π τ
τ τ
∞
−
−∞
=
∫

khi đó tín hiệu nhận được r(t) có thể được viết thành:
18
1
( ) ( )
N
k k
k
h a
τ δ τ τ
=
= −
∑
( ) ( , ) ( )r t k t t s t dt
∞
−∞
′ ′ ′
=
∫
2
( ) ( , ) ( )
j f
r t e H f t S f d
π τ
τ
∞
−∞
=
∫
trong đó S(f) là biến đổi Fourier của tín hiệu vào s(t) và H(f,t) là hàm truyền
đạt phụ thuộc thời gian của kênh truyền.

Giả sử rằng H(f,t) là một quá trình ngẫu nhiên 2 chiều có trị trung bình
bằng 0. Đồng thời, cũng coi hàm tự tương quan 2 chiều của H(f,t) là bất biến
theo thời gian và tần số:
(1.3)
Khi đó quá trình này sẽ được gọi là quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ
không tương quan (WSSUS). Hàm tự tương quan của quá trình ngẫu nhiên 2
chiều được định nghĩa bởi:
(1.4)
và liên hệ với hàm tán xạ thông qua biểu thức:
2 2
( ) . ( , )
j f j vt
H
S df dt e e R f t
π τ π
τ
∞ ∞
−
−∞ −∞
=
∫ ∫
(1.5)
do H(f,t) là quá trình ở băng gốc dạng phức của quá trình WSSUS, nên ta có:
{ }
1 1 1 1
( , ) ( , ) 0E H f f t t H f t+ + =
Ta có biến đổi Fourier 2 chiều của hàm truyền đạt phụ thuộc thời gian là:
(1.6)
và biến đổi Fourier ngược:
(1.7)

Sự bất biến theo tần số được gọi là tán xạ không tương quan với lí do sau đây:
Điều kiện (1.3) sẽ tương đương với điều kiện sau:
{ }
1 1 2 2 1 2 1 2 1 2
( , ) ( , ) ( ) ( ) ( , )E G v G v v v S v
τ τ δ τ τ δ τ
∗
= − −
với
( , )S v
τ
được định nghĩa bởi (1.4) và (1.5).
19
{ } { }
1 1 1 1 2 2 2 2
( , ) ( , ) ( , ) ( , )E H f f t t H f t E H f f t t H f t
∗ ∗
+ + = + +
{ }
1 1 1 1
( , ) ( , ) ( , )R f t E H f f t t H f t
∗
= + +
2 2
( , ) . ( , )
j f j vt
G v df dt e e H f t
π τ π
τ
∞ ∞

−
−∞ −∞
=
∫ ∫
2 2
( , ) . ( , )
j f j vt
H f t d dv e e G v
π τ π
τ τ
∞ ∞
− −
−∞ −∞
=
∫ ∫
Từ đó ta rút ra một số nhận xét:
- Đây là sự tổng quát hóa một thuộc tính của hệ thống WSSUS cho
không gian 2 chiều: Biến đổi Fourier X(f) của quá trình WSSUS x(t) có
đặc điểm là các giá trị X(f
1
) và X(f
2
) ứng với các tần số khác nhau f
1
và
f
2
là không tương quan. Từ điều kiện trên ta thấy G(
,v
τ

) ứng với các
tần số Doppler khác nhau và độ trễ khác nhau là không tương quan.
- Trong hệ thống thực tế, tán xạ không tương quan sẽ không kéo dài lâu
do các bộ lọc của phía thu sẽ tạo ra sự tương quan chéo giữa các độ trễ
1
τ
và
2
τ
.
1.4.2 Kênh AWGN
Trong thực tế truyền dẫn, việc truyền dẫn luôn bị ảnh hưởng của tạp
âm. Mô hình toán học hay sử dụng trong trường hợp kênh truyền có tạp âm
đó là kênh nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN). Mô hình này được đánh giá
rất tốt cho việc triển khai vật lý với điều kiện tạp âm nhiệt tại phía thu chỉ là
những nguồn nhiễu. Dù sao, do sự đơn giản của mô hình này mà nó đã được
sử dụng thường xuyên để mô hình hóa tạp âm nhân tạo hoặc nhiễu đa người
sử dụng. Mô hình kênh AWGN được đặc trưng bởi những đặc điểm sau:
- Tạp âm
ω
(t) là nhiễu cộng ngẫu nhiên của tín hiệu hữu ích s(t), do đó
tín hiệu thu được sẽ là: r(t)=s(t)+
ω
(t).
- Tạp âm “trắng”: nó có mật độ phổ công suất (psd) không đổi. Mật độ
phổ công suất một phía thường được ký hiệu bằng N
0
, và N
0
/2 là psd 2

phía và BN
0
là nhiễu trong băng thông B. Với tạp âm điện trở nhiệt
N
0
=k.T
0
trong đó k là hằng số Boltzman và T
0
là nhiệt độ tuyệt đối. Đơn
vị của N
0
là [W/Hz], giống như đơn vị [J] của năng lượng. Thông
thường, N
0
được cho dưới dạng dBm/Hz.
- Tạp âm là một quá trình ngẫu nhiên Gaussian trung bình bằng 0, ổn
định. Điều này có nghĩa rằng đầu ra của mọi tính toán tạp âm tuyến tính
20
là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình bằng 0 và không phục thuộc
vào thời điểm thực hiện.
Mô hình AWGN chỉ là mô hình toán học bởi nó cho rằng công suất
tổng là không giới hạn. Do vậy, một mẫu thời gian của của tạp âm trắng có
công suất trung bình vô hạn, điều này không thực tế. Theo vật lý thống kê,
mật độ tạp âm nhiệt sẽ giảm theo hàm mũ ở tần số cao. Nhưng để có thể hiểu
được trạng thái vật lý trong kỹ thuật truyền thông, ta sẽ coi tất cả các máy thu
đều có giới hạn băng thông cũng như tính toán tạp âm vật lý. Như vậy sẽ có ý
nghĩa hơn khi coi quá trình tạp âm là trắng nhưng không thể lấy mẫu một
cách trực tiếp nếu không có 1 thiết bị đầu vào. Mỗi thiết bị đầu vào sẽ lọc tạp
âm và cho ta một công suất hữu hạn.

1.4.3 Truyền dẫn đa đường
Việc thu nhận tín hiệu vô tuyến di động luôn bị ảnh hưởng rất mạnh
của sự truyền dẫn đa đường, sóng điện từ bị phân tán, bị phản xạ, bị tán xạ và
tới anten thu bằng nhiều đường khác nhau như là một sự xếp chồng không ổn
định (incoherent) của nhiều tín hiệu. Điều này sẽ dẫn đến một kiểu nhiễu,
nhiễu này phụ thuộc vào tần số, vị trí (đối với máy thu di động) và thời gian.
Máy thu di động di chuyển qua một mẫu nhiễu, mẫu nhiễu này có thể thay đổi
trong khoảng miligiây và mẫu nhiễu này sẽ biến đổi trên dải thông truyền
dẫn. Khi đó ta có thể đặc tính hóa kênh vô tuyến di động bởi sự phụ thuộc
thời gian và sự phụ thuộc tần số.
Sự phụ thuộc thời gian được xác định bởi tốc độ tương đối v giữa máy
thu và máy phát và độ dài bước sóng
0
/c f
λ
=
, với f
0
là tần số phát và c là tốc
độ ánh sáng trong chân không c=3.10
8
m/s. Đại lượng vật lý liên quan là độ
dịch tần số Doppler lớn nhất được cho bởi:
(1.8)
21
0
ax 0
1
1080 /
m

f
v v
v f Hz
c MHz km h
= ≈
Bảng 1.1 sẽ đưa ra các con số của v
max
cho các tốc độ từ thấp (của người đi bộ
2.4km/h) đến tốc độ cao của tàu hỏa và ôtô (192km/h)
Bảng 1.1: Tần số Doppler ứng với các tốc độ khác nhau
Tần số
vô tuyến
Tần số Doppler cho các tốc độ
V=2.4km/h v=48km/h v=120km/h V=192km/h
f
0
=225Mhz 0.5Hz 10Hz 25Hz 40Hz
f
0
=900Mhz 2.0Hz 40Hz 100Hz 160Hz
f
0
=2025Mhz 4.5Hz 90Hz 225Hz 360Hz
Với
α
là góc giữa hướng của sóng tới và hướng dịch chuyển của máy thu, ta
sẽ có độ dịch Doppler là:
(1.9)
Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler khi máy thu dịch chuyển
Xét 1 sóng mang được truyền đi tại tần số f

0
. Trong trường hợp điển
hình, tín hiệu thu được sẽ là sự xếp chồng của nhiều tín hiệu bị tán xạ và phản
xạ từ nhiều hướng dẫn đến xuất hiện vùng nhiễu không gian. Với 1 xe tải di
chuyển qua vùng nhiễu này, biên độ tín hiệu thu được sẽ bị thăng giáng theo
thời gian, hiện tượng đó được gọi là fading. Trong miền tần số, ta sẽ thấy 1 sự
xếp chồng của các dịch chuyển Doppler tương ứng với các hướng khác nhau
và sẽ có phổ Doppler thay thế cho đường thẳng phổ sắc nét tại vị trí f
0
.
α
22
ax
cos
m
v v
α
=
Hình (1.4) mô tả sự thăng giáng biên độ tín hiệu thời gian với
v
max
=50Hz, tương ứng với tín hiệu được truyền đi tại tần số 900Hz với tốc độ
máy thu (trên xe) là 60km/h, đồng thời ở đây biên độ được giảm tới -35dB.
Nếu xe đứng yên tại vị trí tương ứng với độ giảm sâu nhất này, sẽ không thu
được tín hiệu. Nếu xe di chuyển với tốc độ tương ứng với 1/2 bước sóng, nó
sẽ thoát ra được độ giảm sâu này.
Tần số tiêu biểu của sự biến đổi tỉ lệ của v
max
tương ứng với độ lớn thời
gian của biến đổi được cho bởi biểu thức:

t
corr
= v
-1
max
(1.10)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Thoigian[ms]
Muctinhieu[dB]
Hình 1.4: Sự phụ thuộc thời gian của biên độ fading cho
tần số Doppler tối đa 50Hz
và chúng ta gọi là thời gian tương quan. Truyền dẫn số với khoảng thời gian
“ký hiệu” T
s
chỉ là có thể nếu kênh duy trì gần như không đổi trong suốt
khoảng thời gian đó, như vậy yêu cầu T
s
= t
corr
, tức là: T

s
v
max
= 1
Sự phụ thuộc tần số của kênh được xác định bởi các khoảng thời gian
trễ khác nhau của tín hiệu. Chúng được tính là tỉ số giữa khoảng cách lan
truyền và tốc độ ánh sáng. Độ sai khác thời gian trễ 1
µ
s tương ứng với sai
khác về khoảng cách là 300m. Với vô tuyến di động sự sai khác này cỡ
23
khoảng vài microgiây. Trong miền thời gian, nhiễu ISI (xuyên ký tự) làm
nhiễu sự truyền dẫn nếu thời gian trễ không nhỏ hơn nhiều khoảng thời gian
“ký hiệu” T
s
. Với tốc độ dữ liệu 200kbps sẽ cho ta T
s
=10
s
µ
ứng với điều chế
QPSK. Có nghĩa rằng truyền dẫn số với tốc độ dữ liệu này sẽ không thể thực
hiện được nếu không sử dụng các phương pháp điều chế phức tạp hơn ví dụ
như các bộ lượng tử, kỹ thuật trải phổ hoặc điều chế đa sóng mang. Ta định
nghĩa tần số tương quan:
(1.11)
trong đó
τ
là căn bậc 2 của phân bố công suất của độ vọng và chúng ta gọi là
trải trễ. f

corr
thường được gọi là độ ổn định băng thông (coherence bandwith)
bởi vì kênh có thể không phụ thuộc tần số trong khoảng độ rộng băng B với B
= f
corr
. Nếu B tỉ lệ với
1
s
T
−
, và trong trường hợp tín hiệu có thành phần cơ bản
Nyquist, ta sẽ có điều kiện tương đương:
s
T=∆
τ
Khi đó ISI có thể bị loại bỏ.
1.4.4 Trải phổ Doppler
Xét một sóng mang đã điều chế:
{ }
0
2
( ) 2 ( )
j f t
s t s t e
π
= ℜ
%
tại tần số sóng mang f
0
được điều chế bởi tín hiệu cơ bản phức s(t). Với máy

thu di chuyển với tốc độ v, sóng mang tới với góc tới
α
tương ứng với hướng
di chuyển, tần số sóng mang sẽ bị dịch bởi tần số Doppler cho bởi biểu thức:
ax
cos
m
v v
α
=
Sự dịch chuyển Doppler tương tự sẽ xảy ra cho 1 máy thu cố định và
máy phát di chuyển với tốc độ v. Bởi vì với góc tới
α
từ phía bên trái cũng
gây ra sự dịch chuyển Doppler tương tự với góc
α
từ phía bên phải. Trong cả
2 trường hợp này, với góc
α
biến đổi từ 0 đến
π
, tín hiệu thu đã dịch Doppler
là:
24
-1
orr axc m
f
τ
= ∆
(1.12)

với a là hệ số suy hao và
θ
là pha của sóng mang tại phía thu. Ở đây, có một
vài giả thiết thích hợp để đơn giản hóa cách xử lý:
- Góc
α
không đổi trong khoảng thời gian đã xét. Điều này có thể thực
hiện được nếu khoảng cách giữa phía thu và phía phát đủ lớn và giả sử
có nhiều bit được truyền trong 1 sự thay đổi nhỏ về góc. Đối ngược với
nó là trường hợp của dịch chuyển Doppler với góc chạy từ 0 đến
π

trong khoảng thời gian quan sát và người nghe nghe được những âm
thanh tăng dần về tần số từ f
0
+ v
max
đến f
0
-v
max
.
- Tín hiệu có băng thông đủ nhỏ để độ dịch chuyển Doppler có thể được
giả thiết như nhau trên toàn bộ các thành phần phổ.
Hơn nữa, ta cũng đã cho rằng trễ của tín hiệu RF gây ra trễ pha, bỏ qua
trễ nhóm của tín hiệu cơ bản phức s(t). Ở đây, ta cũng đưa ra giả thiết các loại
trễ này là nhỏ do vậy có thể được bỏ qua. Cụ thể, tín hiệu nhận là sự xếp
chồng của nhiều tín hiệu, được rải rác từ các vật cản khác nhau với hệ số suy
hao a
k

, pha sóng mang
k
θ
và độ dịch Doppler:
ax
cos
k m k
v v
α
=
, dẫn đến ta có:
(1.13)
Khi đó ta có mối liên hệ giữa tín hiệu phát và thu cơ bản phức:
r(t)=c(t).s(t)
trong đó
(1.14)
là biên độ fading dạng phức biến thiên của kênh. Trong trường hợp kênh có 2
đường, độ lợi công suất
2
( )c t
phụ thuộc thời gian sẽ là :
(1.15)
25
{ }
0
2
2
( ) 2 ( )
j f t
j j vt

r t ae e s t e
π
θ π
= ℜ
%
{ }
0
2 2
1
( ) 2 ( )
k k
N
j j v t j f t
k
k
r t a e e s t e
θ π π
=
= ℜ
∑
%
2
1
( )
k k
N
j j v t
k
k
c t a e e

θ π
=
=
∑
2
2 2
1 2 1 2 1 2 1 2
( ) 2 cos(2 ( )c t a a a a v v t
π θ θ
= + + − + −