nghiên cứu kỹ thuật đa anten trong lte

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Học viên
Đặng Thị Hải Yến
i
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ viii
LỜI MỞ ĐẦU 1
KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
3GPP
Third Generation Partnership
Project Nhóm cộng tác 3GPP
A
ACK Acknowledgement Xác nhận
AMPS Advanced Mobile Phone System
Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến
ARIB
Association of Radio Industries
and Businesses
Hiệp hội các doanh nghiệp và công
nghiệp vô tuyến
ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động
ATIS
Alliiance for

Telecommunications Industry
Solutions
Liên minh cho các giải pháp công
nghiệp viễn thông
AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng
B
BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
C
CCSA
China Communications Standards
Association
Hiệp hội chuẩn truyền thông Trung
Quốc
CDD Cyclic Delay Diversity Phân tập trễ vòng
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CEPT
European Conference of Postal
and Telecommunications
Administations
Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu
chính Viễn thông
CPC Continuous Packet Connectivity Kết nối gói liên túc
CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung
CQI Channel Quality Indicator Chỉ thị chất lượng kênh
D
DPCCH
Dedicated Physical Control
Channel Kênh điều khiển vật lý riêng
DRX Discontinuous Reception Thu không liên tục
DTX Discontinuous Transmission Phát không liên tục

D-TxAA Dual Transmit -Diversity Adaptive Array
E
E-AGCH E-DCH Absolute Grant Channel Kênh cấp phát tuyệt đối E-DCH
E-DCH Enhanced Dedicated Channel Kênh riêng nâng cao
EDGE
Enhanced Data rates for GSM
Evolution and Enhanced Data
rates for Global Channel
Tốc độ số liệu tăng cường để phát
triển GPRS
iv
E-RGCH E-DCH Relative Grant Channel Kênh cấp phát tương đối E-DCH
F
FDD Frequency Division Duplex
Ghép song công phân chia theo tần
số
FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo tần số
FDMA
Frequency Division Multiple
Access Đa truy nhập phân chia theo tần số
G
GERAN GSM EDGE RAN
Mạng truy nhập vô tuyến GSM/
EDGE
GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chuntg
GSM
Global System for Mobile
communications Hệ thống thông tin di dộng toàn cầu
H
HARQ Hybrid ARQ ARQ lai ghép

HOM High Order Modulation Điều chế bậc cao
HSDPA
High Speed Downlink Packet
Access
Truy nhập gói tốc độ cao đường
xuống
HS-
DPCCH
High Speed Dedicated Physical
Control Channel
Kênh vật lý điều khiển riêng tốc độ
cao
HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao
HS-
DSCH
High Speed Downlink Shared
Channel
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ
cao
HS-
PDSCH
High Speed Physical Downlink
Shared Channel
Kênh vật lý chia sẻ đường xuống
tốc độ cao
HS-
SCCH
High Speed Shared Control
Channel Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao
HSUPA

High Speed Uplink Packet
Access Truy nhập gói tốc độ cao đường lên
I
IRC Interference Rejection Combining Kết hợp triệt nhiễu
IMS Internet Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện Internet
J
J-TACS
Japanese Total Access
Communication System
Hệ thống truyền thông truy nhập
hoàn toàn Nhật bản
L
LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn
M
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
v
MBMS
Multimedia Broadcast/Multicast
Service Dịch vụ quảng bá /đa phương
MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu ra
ML Maximum Likelihood Khả năng giống cực đại
MMSE Minimum Mean Square Error
Sai lỗi trung bình bình phương cực
tiểu
MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ lớn nhất
MU-
MIMO Multi User MIMO MIMO đa người dùng
N
NACK Negative Acknowledgement Không xác nhận
O

OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
P
PARC Per-Antenna Rate Control
PCI Precoding Control Indicator Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa
P-CPICH Primary CPICH Kênh CPICH sơ cấp
PDC Personal Digital Cellular
R
RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến
RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến
S
SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống
SC Selective Combining Kết hợp lựa chọn
S-CPICH Secondary CPICH Kênh CPICH thứ cấp
SDMA Spatial Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia không gian
SIC
Successive Interference
Combining Kết hợp nhiễu thành công
SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
STBC Space-Time Block Coding Mã hóa khối không gian thời gian
STTD Space-Time Transmit Diversity Phân tập phát không gian thời gian
SU-
MIMO Single User MIMO MIMO đơn người dùng
SVD Sigular Value Decomposition Phân chia giá trị đơn
T
TACS

Total Access Communication
System
Hệ thống truyền thông truy nhập
hoàn toàn
vi
TDD Time Division Duplex
Ghéo song công phân chia theo thời
gian
TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian
TDMA Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
TTA
Telecommunication Technology
Association Liên hiệp công nghệ viễn thông
TTC
Telecommunication Technology
Committee Ủy ban công nghệ viễn thông
TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền dẫn
U
UE User Eqipment Thiết bị người dùng
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống viễn thông di dộng toàn
cầu
UTRAN
Universal Terrestrial Radio
Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

toàn cầu
V
VoIP Voice over IP Thoại qua IP
W
WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
Z
ZF Zero Forcing Cưỡng bức không
vii
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Danh mục bảng
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ viii
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ viii
LỜI MỞ ĐẦU 1
LỜI MỞ ĐẦU 1
KẾT LUẬN 76
KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
Danh mục hình
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT iv
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ viii
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ viii

LỜI MỞ ĐẦU 1
LỜI MỞ ĐẦU 1
KẾT LUẬN 76
KẾT LUẬN 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
viii
LỜI MỞ ĐẦU
Trong tiến trình phát triển của xã hội loài người, sự ra đời của thông tin di
động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một
ngành công nghiệp viễn thông phát triển, là lĩnh vực tiên phong, điều kiện kiên
quyết cũng như cơ hội để mỗi quốc gia, mỗi dân tộc thu hẹp khoảng cách phát triển,
tránh nguy cơ lạc hậu, tăng cường năng lực cạnh tranh.
Ngày nay, công nghệ thông tin di động 3G đã được đưa vào thương mại hóa,
nhưng nhu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như tốc độ dữ liệu vẫn ngày càng tăng.
Do đó, sự phát triển sau 3G đang được các tổ chức đặc biệt là 3GPP nghiên cứu
triển khai. Tiểu biểu cho công nghệ thông tin di động sau 3G là HSPA và LTE. Để
đáp ứng nhu cầu về chất lượng dịch vụ và tốc độ dữ liệu, các công nghệ này đã
được bổ sung thêm nhiều đặc tính mới và tiến bộ, một trong số đó là kỹ thuật đa
anten MIMO.
Những năm gần đây các hệ thống đa anten MIMO đã trở thành các chủ đề
thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu trên toàn cầu. Hệ thống MIMO rất có triển vọng
trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó không chỉ cho phép đạt
được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà còn có tính khả thi về phần cứng
cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các công nghệ xử lý tín hiệu số DSP và biến
đổi tương tự số tốc độ cao ADC.
Hiểu được tầm quan trọng của hệ thống đa anten, em quyết định chọn đề
tài:“Nghiên cứu kỹ thuật đa anten trong LTE’’.
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong thông tin không dây băng

rộng.
Chương 2: Kỹ thuật đa anten.
Chương 3: LTE MIMO
1
Chương 1 - TRUYỀN DẪN TỐC ĐỘ SỐ LIỆU CAO TRONG
THÔNG TIN KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG
Chương 1 giới thiệu về các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn tốc độ số liệu
cao, truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong băng thông hạn chế và điều chế bậc cao.
Trong chương này cũng đề cập đến ảnh hưởng của môi trường truyền sóng lên
truyền dẫn không dây băng rộng, cân bằng chống phađinh chọn lọc tần số và
truyền dẫn đa sóng mang cho không dây băng rộng.
1.1. Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn tốc độ số liệu cao
Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại mà thông tin
có thể được truyền trên một kênh thông tin cho trước. Trong trường hợp tổng quát
công cụ này khá phức tạp, tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt khi thông tin được
truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm
Gauss trắng cộng, dung lượng kênh C được xác định bởi một biểu thức khá đơn
giản sau:
1
c
D
T
f
≈
(1.1)
Trong đó:
+ B
w
là băng thông khả dụng cho truyền tin
+ S là ký kiệu cho công suất tín hiệu thu

+ N là kí hiệu cho công suất tạp âm trắng ảnh hưởng xấu lên tín hiệu thu
Từ (1.1) ta thấy các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả dụng là công
suất thu khả dụng (hay tỷ số tín hiệu trên tạp âm khả dụng) và băng thông khả dụng
B
w
. Để làm rõ hơn cách thức mà các nhân tố trên hạn chế tốc độ số liệu khả dụng,
giả thiết rằng thông tin sử dụng một tốc độ truyền tin R nào đó. Công suất tín hiệu
thu khi này sẽ là: S = E
b
.R (E
b
: năng lượng tín hiệu thu trên bit). Ngoài ra công suất
tập âm có thể được biểu diễn: N = N
0
.B
w
(N
0
: mật độ phổ công suất tạp âm đo bằng
W/Hz).
Rõ ràng tốc độ thông tin không bao giờ vượt quá dung lượng kênh. Dựa trên
điều này kết hợp với (1.1) ta được bất đẳng thức sau:
2
w 2 w
0 w
.
.log 1 1
.
b
E R

S
R C B B
N N B
 
 
≤ = + = +
 ÷
 ÷
 
 
(1.2)
Hay, nếu định nghĩa mức độ sử dụng băng thông γ = R/B
w
, ta được:
2
0
log 1 .
b
E
N
γ γ
 
≤ +
 ÷
 
(1.3)
Ta có thể viết lại bất đẳng thức trên để nhận được biên dưới cho năng lượng
thu của một bit thông tin được chuẩn hóa theo mật độ phổ công suất tạp âm khi mức
độ sử dụng băng thông γ cho trước như sau:
0 0

2 1
min
b b
E E
N N
γ
γ
 
−
≥ =
 
 
(1.4)
Biểu thức ngoài cùng bên phải, tỷ số E
b
/N
0
yêu cầu tại máy thu, là một hàm
phụ thuộc vào mức độ sử dụng băng thông (hình 1.1). Từ hình 1.1 ta thấy, với mức
độ sử dụng băng thông nhỏ hơn 1 (tốc độ thông tin nhỏ hơn nhiều so với băng thông
được sử dụng) E
b
/N
0
yêu cầu tăng nhanh theo γ. Vì thế trong trường hợp các tốc độ
số liệu có cùng giá trị hoặc lớn hơn băng thông, mọi sự tăng tốc độ thông tin không
kèm theo tăng băng thông khả dụng sẽ dẫn đến tăng tương đối khá lơn công suất tín
hiệu thu yêu cầu cực tiểu.
Hình 1.1 E
b

/N
0
yêu cầu tối thiểu tại máy thu phụ thuộc vào
mức độ sử dụng băng thông
3
1.1.1 Truyền dẫn tốc độ số liệu cao mức độ cao trong các kịch bản giới hạn
bởi tạp âm
Từ phân tích trên, có thể rút ra các kết luận liên quan đến việc đảm bảo tốc
độ số liệu cao trong các hệ thống thông tin di động khi tạp âm là nguồn giảm chất
lượng đường truyền vô tuyến chính:
- Trong các kịch bản này, tốc độ số liệu được cung cấp sẽ luôn luôn bị giới
hạn bởi công suất thu khả dụng (hay tỷ số tín hiệu thu trên tạp âm). Ngoài ra mọi sự
tăng tốc độ số liệu khả dụng trong một băng thông cho trước đều đòi hỏi ít nhất là
tăng cùng một lượng tương đối công suất tín hiệu thu. Đồng thời nếu có thể đảm
bảo đủ công suất thu khả dụng, thì (ít nhất là theo lý thuyết) có thể đảm bảo mọi tốc
độ số liệu trong một băng thông hạn chế khả dụng.
- Trong trường hợp mức độ sử dụng băng thông thấp, nghĩa là chừng nào tốc
độ số liệu của đường truyền vô tuyến còn thấp hơn băng thông khả dụng, mọi sự
tăng tốc độ số liệu đòi hỏi tăng tương đối gần như cùng một lượng công suất thu.
Trường hợp này được gọi là hoạt động bị giới hạn bởi công suất (ngược với hoạt
động giới hạn bởi băng thông), vì trong trường hợp này, tăng băng thông khả dụng
không ảnh hưởng đáng kể lên việc công suất thu cần thiết đối với một tốc độ số liệu
cho trước.
Vì thế để sử dụng hiệu quả công suất thu (tỷ số tín hiệu trên tạp âm khả
dụng), băng thông truyền dẫn ít nhất phải có cùng giá trị như tốc độ số liệu cần đảm
bảo.
Cách khác, để tăng tổng công suất tín hiệu thu cho một công suất phát cho
trước là sử dụng nhiều anten tại phía thu (phân tập anten thu). Có thể sử dụng nhiều
anten thu tại tram gốc (cho đường lên) hay nhiều anten thu tại đầu cuối di động (cho
đường xuống). Bằng cách kết hợp tín hiệu thu một cách hợp lý, tỷ số tín hiệu trên

tạp âm có thể được tăng tỷ lệ với số anten thu vì thế cho phép đạt được các tốc độ
số liệu cao hơn đối với một khoảng cách phát thu cho trước.
Đa anten cũng có thể được áp dụng tại đầu phát , thường tại trạm gốc và
được sử dụng để tập trung toàn bộ công suất phát về phía anten thu. Giải pháp này
cũng tăng công suất tín hiệu thu và cho phép đạt được các tốc độ số liệu cao.
4
Tuy nhiên việc cung cấp các tốc độ số liệu cao bằng cách sử dụng nhiều
anten phát và thu chỉ hiệu quả đến một mức độ nhất định, nghĩa là chừng nào các
tốc độ số liệu còn bị giới hạn bởi công suất chứ không phải băng thông. Các tốc độ
số liệu bắt đầu bị bão hòa và mọi sự tăng tiếp số lượng anten phát hay thu mặc dù
có cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhưng không đảm bảo tăng các tốc độ số liệu.
Tuy nhiên tình trạng này có thể tránh được bằng cách sử dụng đồng thời nhiều
anten tại phía phát và phía thu bằng sơ đồ ghép kênh không gian (MIMO).
1.1.2 Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong các kịch bản bị giới hạn bởi
nhiễu
Các phân tích trên chỉ xét cho môi trường thông tin vô tuyến bị ảnh hưởng của
tạp âm. Tuy nhiên trong các kịch bản thông tin di động thực tế, nhiễu từ các ô lân
cận (nhiễu giữa các ô) thường gây giảm cấp đường truyền vô tuyến lớn hơn tạp âm,
nhất là trong trường hợp ô nhỏ và tải lưu lượng cao. Ngoài nhiễu giữa các ô, còn
xảy ra nhiễu từ các truyền dẫn khác trong ô được xét (nhiễu nội ô).
Xét về nhiều mặt, ảnh hưởng nhiễu lên đường truyền vô tuyến cũng tương tự
ảnh hưởng của tạp âm. Các nguyên tắc được xét trong các phần trên cũng áp dụng
được cho kịch bản trong đó nhiễu là nguồn gây giảm cấp đường truyền vô tuyến
chính:
- Khi cho trước băng thông, tốc độ số liệu cực đại có thể đạt được bị giới hạn
bởi tỷ số tín hiệu trên nhiễu.
- Việc cung cấp các tốc độ số liệu lớn hơn băng thông khả dụng sẽ tốn kém từ
quan điểm cần đảm bảo tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao một cách không tương xứng.
Tương tự như các kịch bản đối với tạp âm, giảm kích thước ô cũng như các kỹ
thuật đa anten là các biện pháp then chốt để tăng các tốc độ số liệu trong các kịch

bản bị giới hạn bởi nhiễu:
- Giảm kích thước ô sẽ giảm số người sử dụng vì thế sẽ giảm lưu lượng trên ô.
Nhờ vậy, giảm mức nhiễu tương đối và vì thế cho phép đạt được tốc độ số liệu cao
hơn.
- Kết hợp hợp lý các tín hiệu thu tại nhiều anten sẽ tăng tỷ số tín hiệu trên
nhiễu sau kết hợp anten.
5
- Sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát sẽ tập trung công suất phát về phía
máy thu đích và dẫn đến giảm nhiễu lên các đường truyền vô tuyến khác và vì thế
cải thiện tổng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong hệ thống.
Một điểm khác biệt quan trọng giữa nhiễu và tạp âm là khác với tạp âm,
nhiễu thường có cấu trúc nhất định vì thế ở một mức độ nhất định có thể dự báo
được nhiễu và có thể loại bỏ một phần hay toàn bộ nó.
1.2. Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong băng thông hạn chế và điều chế
bậc cao
Như phân tích trong phần trước, cung cấp các tốc độ số liệu cao hơn băng
thông khả dụng là không kinh tế, từ quan điểm là nó đòi hỏi tỷ số tín hiệu trên tạp
âm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao một cách tương xứng tại máy thu. Tuy vậy băng
thông thường là một tài nguyên khan hiếm và đắt tiền, và trong một số trường hợp
có thể đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm hay tín hiệu trên nhiễu cao, chẳng hạn
trong các môi trường ô nhỏ với lưu lượng thấp. Các hệ thống di động trong tương
lai (phát triển của 3G và 4G) phải được thiết kế để tận dụng được các kịch bản này,
nghĩa là phải có khả năng cung cấp số liệu cao trong một băng thông có hạn khi các
điều kiện vô tuyến cho phép.
Giải pháp đơn giản nhất để cung cấp các tốc độ số liệu cao trong băng thông
truyền dẫn cho trước là sử dụng điều chế bậc cao. Việc sử dụng sơ đồ điều chế bậc
cao cung cấp khả năng đạt được mức độ sử dụng băng thông cao hơn, nghĩa là cung
cấp các tốc độ số liệu cao hơn trong một băng thông cho trước. Tuy nhiên mức độ
sử dụng băng thông cao hơn phải trả giá bằng khả năng chịu tạp âm và nhiễu kém
hơn.

1.2.1 Điều chế bậc cao kết hợp với mã hóa kênh
Các sơ đồ điều chế bậc cao thường đòi hỏi tỷ lệ E
b
/N
0
cao với một tỷ số lỗi
cho trước. Tuy nhiên khi kết hợp với mã hóa kênh, việc sử dụng sơ đồ điều chế bậc
cao sẽ trở nên hiệu quả hơn trong một số trường hợp, nghĩa là nó đòi hỏi E
b
/N
0
thu
thấp hơn với một tỷ số lỗi cho trước.
Đối với một tỷ số tín hiệu trên tạp âm/nhiễu cho trước, tồn tại một sự kết hợp
tối ưu giữa sơ đồ điều chế và tỷ lệ mã hóa kênh theo đó thông tin được truyền với
6
mức độ sử dụng băng thông cao nhất (tốc độ số liệu cao nhất đối với băng thông
cho trước).
1.2.2 Thay đổi của công suất phát tức thời
Như phân tích trong mục 1.1 cho thấy truyền dẫn với mức độ sử dụng băng
tần cao là không hiệu quả về mặt công suất vì nó đòi hỏi phải tăng một cách không
tương xứng tỷ số tín hiệu trên tạp âm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu đối với một tốc độ
số liệu cho trước. Chỉ có thể sử dụng các sơ đồ điều chế bậc cao để cung cấp các tốc
độ số liệu cao trong một băng thông hạn chế khi các tỷ số tín hiệu trên tạp âm và tín
hiệu trên nhiễu khá cao, chẳng hạn trong các môi trường ô nhỏ với tải lưu lượng
thấp hay đối với các đầu cuối gần trạm gốc.
Ngoài ra để cung cấp các tốc độ số liệu cao một cách hiệu quả nhất xét từ quan
điểm tỷ số tín hiệu trên tạp âm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (hay vùng phủ tốt nhất),
ta cần đảm bảo băng thông tối thiểu phải bằng tốc độ số liệu.
Tuy nhiên tồn tại nhiều vấn đề quan trọng liên quan đến việc sử dụng băng

thông rộng hơn trong các hệ thống thông tin di động:
- Phổ tần thường là tài nguyên khan hiếm và đắt tiền, thường rất khó tìm được
các cấp phát phổ đủ lớn để đảm bảo truyền dẫn băng thông, đặc biệt là tại các băng
tần thấp.
- Sử dụng các băng thông phát và thu rộng hơn gây ảnh hưởng lên độ phức tạp
của thiết bị vô tuyến kể cả ở trạm gốc lẫn ở đầu cuối di động. Ngoài ra các phần tử
vô tuyến cũng có thiết kế phức tạp hơn và đắt tiền hơn khi truyền dẫn băng rộng.
1.3. Ảnh hưởng của môi trường truyền sóng lên truyền dẫn không dây băng
rộng
Ngoài hai vấn đề trên, một vấn đề rất quan trọng ảnh hưởng lên truyền dẫn
không dây băng rộng là môi trường truyền sóng hay kênh vô tuyến. Phađinh đa
đường trên kênh vô tuyến dẫn đến tán thời và chọn lọc tần số làm hỏng tín hiệu thu.
Tán thời và chọn lọc tần số xảy ra khi tín hiệu phát truyền đến máy thu qua nhiều
đường truyền với trễ khác nhau (hình 1.2a).
7
Hình 1.2. Truyền sóng đa đường (a) gây ra tán thời (b) và chọn lọc tần số (c)
Trong miền thời gian khi trạm gốc (đầu vào kênh vô tuyến tán thời) phát đi
một xung kim thì đầu ra là một dãy xung có trễ và biên độ khác nhau (hình 1.2b)
được đặc trưng bằng ba thông số: (1) trải trễ trung bình quân phương (RDS: Root
Mean Squared Delay Spread):
τ
σ
, (2) trễ trội trung bình
τ
và (3) trễ trội max
axm
τ
.
Trễ trội là một khái niệm được sử dụng để biểu thị trễ của một đường truyền
so với đường truyền đến sớm nhất (thường là đường truyền trực tiếp). Một thông số

thời gian quan trọng của tán thời là trải trễ trung bình quân phương (RDS): căn bậc
hai mômen trung tâm của lý lịch trễ công suất. RDS là một số đo thích hợp cho trải
đa đường của kênh. Ta có thể sử dụng nó để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu giao
thoa giữa các kí hiệu.
2
2
τ
σ τ τ
= −
(1.5)
( )
( )
k k
k
k
k
P
P
τ τ
τ
τ
=
∑
∑
(1.6)
2
2
( )
( )
k k

k
k
k
P
P
τ τ
τ
τ
=
∑
∑
(1.7)
Trong đó
( )
k
P
τ
là công suất trung bình đa đường tại thời điểm
k
τ
.
Trong miền tần số kênh vô tuyến tán thời tương ứng với đáp ứng kênh tần số
thay đổi theo tần số (1.2c). Tán thời trong miền thời gian và tính chọn lọc trong
8
miền tần số của kênh sẽ làm hỏng cấu trúc tín hiệu phát trong miền thời gian và
miền tần số dẫn đến tỷ số lỗi cao hơn. Tất cả các kênh vô tuyến đều bị chọn lọc tần
số ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng này càng lớn khi băng
thông truyền dẫn càng lớn. Ngoài ra mức độ chọn lọc tần số cũng phụ thuộc vào
môi trường, chẳng hạn chọn lọc tần số ít hơn trong môi trường ô nhỏ (ít tán thời
hơn) và các môi trường có ít vật tán xạ và phản xạ sóng hơn như môi trường nông

thôn. Tương tự như các thông số trải trễ trong miền thời gian, ta có thể sử dụng
băng thông nhất quán để đặc trưng kênh trong miền tần số. Trải trễ trung bình quân
phương tỷ lệ nghịch với băng thông nhấy quán và ngược lại, mặc dù quan hệ chính
xác của chúng là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc đa đường. Ta kí hiệu băng thông
nhất quán là B
c
và trải trễ trung bình quân phương là
τ
σ
. Khi hàm tương quan tần
số lớn hơn 0,9 băng thông nhất quán có quan hệ sau đây với trải trễ trung bình quân
phương:
1
50
c
B
τ
σ
≈
(1.8)
Một đánh giá gần đúng B
c
cũng thường được sử dụng là độ rộng băng với
tương quan ít nhất bằng 0,5 là:
1
5
c
B
τ
σ

=
(1.9)
Ngoài ra, hiệu ứng Doopler cũng ảnh hưởng xấu lên các đặc tính truyền dẫn
của kênh vô tuyến di động. Do chuyển động của máy di động, hiệu ứng Doopler
gây ra dịch tần số đối với từng sóng mang thành phần. Nếu ta định nghĩa góc tới
n
α

là góc hợp bởi phương tới của sóng tới thứ n và phương chuyển động của máy di
động (hình 1.3), thì góc này sẽ xác định tần số Doopler của sóng tới theo biểu thức
sau:
f
c
= f
D
.cosα (1.10)
Tốc độ thay đổi của các đáp ứng kênh phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của
đầu cuối di động và liên quan đến trải Doopler f
D
được định nghĩa là: f
D
= f
c
.v/c,
trong đó f
c
là tần số sóng mang, v là vận tốc chuyển động của đầu cuối và c là tốc
độ ánh sáng.
9
Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doopler, nó là thông

số kênh trong miền thời gian đối ngẫu với trải Doopler. Trải Doopler và thời gian
nhất quán là hai thông số tỷ lệ nghịch với nhau. Nghĩa là:
1
c
D
T
f
≈
(1.11)
Phụ thuộc vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ
kí hiệu…) và các thông số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doopler…) ta
có thể phân loại phađinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính: trải trễ đa đường và
phađinh chọn lọc tần số. Trải trễ đa đường là một thông số trong miền thời gian,
trong khi đó phađinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số. Vì
thế thông số miền thời gian, trải trễ đa đường, ảnh hưởng lên đặc tính kênh trong
miền tần số. Trải Doopler dẫn đến tán tần và phađinh chọn lọc thời gian, vì thế liên
quan đến trải Doopler ta có thể phân loại phađinh phạm vi hẹp thành phađinh nhanh
và phađinh chậm. Trải Doopler là một thông số trong miền tần số trong khi đó hiện
tượng kênh thay đổi nhanh hay chậm lại phụ thuộc miền thời gian. Vậy trong
trường hợp này, trải Doopler, thông số trong miền tần số, ảnh hưởng lên đặc tính
kênh trong miền thời gian.
Nếu băng thông nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín
hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị phađinh phẳng. Khi này chu kỳ kí hiệu lớn hơn nhiều so
với trải trễ đa đường của kênh. Ngược lại, nếu băng thông nhất quán kênh nhỏ hơn
độ rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị phađinh chọn lọc tần số. Trong
trường hợp này chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa dường kênh. Khi xảy ra trường
hợp này, tín hiệu thu bị méo dạng dẫn đến nhiễu giao thoa giữa các kí hiệu. Ngoài
ra việc lập mô hình các kênh phađinh chọn lọc tần số phức tạp hơn nhiều so với lập
mô hình kênh phađinh phẳng, vì để lập mô hình cho kênh phađinh chọn lọc tần số ta
phải sử dụng bộ lọc tuyến tính. Do đó ta cần cố gắng chuyển vào kênh phađinh

phẳng chi tín hiệu truyền dẫn. Tuy nhiên do không thể thay đổi trải trễ đa đường và
băng thông nhất quán, nên ta chỉ có thể thiết kế chu kỳ kí hiệu và độ rộng băng tần
tín hiệu để đạt được kênh phađinh phẳng. Vì thế nếu cho trước trải trễ, để cải thiện
10
hiệu năng tuyền dẫn, ta chọn giá trị chu kỳ kí hiệu trong giải thuật điều chế thích
ứng để đạt được kênh phađinh phẳng thay vì kênh phađinh chọn lọc.
Dựa trên trải Doopler, ta có thể phân loại kênh thành phađinh nhanh và
phađinh chậm. Nếu đáp ứng xung kim kênh (trong miền thời gian) thay đổi nhanh
trong chu kỳ kí hiệu, nghĩa là nếu thời gian nhất quán kênh nhỏ hơn chu kỳ kí hiệu
của tín hiệu phát, kênh sẽ gây phađinh nhanh đối với tín hiệu thu. Điều này sẽ dẫn
đến méo dạng tín hiệu. Nếu đáp ứng xung kim kênh thay đổi với tốc độ chậm hơn
nhiều so với kí hiệu băng gốc phát, kênh sẽ gây ra phađinh chậm đối với tín hiệu
thu. Trong trường hợp này kênh tỏ ra tĩnh đối với một số chu kỳ kí hiệu. Tất nhiên
ta muốn có phađinh chậm vì nó hỗ trợ chất lượng truyền dẫn ổn định hơn. Ta không
thể xác định Doopler khi thiết kế hệ thống. Vì thế, khi cho trước trải Doopler, ta cần
chọn độ rộng băng tần tín hiệu (băng thông sóng mang con) trong giải thuật điều
chế thích ứng để nhận được kênh phađinh chậm thay vì kênh phađinh nhanh. Như
vậy ta sẽ đạt được chất lượng truyền dẫn tốt hơn.
Cách tiếp cận khác là nghiên cứu các sơ đồ truyền dẫn và thiết kế tín hiệu để
đạt được hiệu năng truyền dẫn tốt ngay cả khi độ chọn lọc tần số kênh vô tuyến cao
mà vẫn đảm bảo độ phức tạp của máy thu ở mức độ cho phép. Dưới đây là hai giải
pháp cho truyền dẫn băng rộng đạt tiêu chí nói trên:
- Sử dụng các kiểu truyền dẫn đa sóng mang khác nhau để phát tín hiệu băng
rộng tổng bằng nhiều tín hiệu băng hẹp ghép kênh theo tần số.
- Sử dụng các sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang được thiết kế đặc biệt để có
thể cân bằng hiệu quả nhưng với độ phức tạp hợp lý.
1.4. Cân bằng chống pha đinh chọn lọc tần số
Trước đây phương pháp chủ yếu để xử lý sự giảm cấp tín hiệu do phađinh
chọn lọc tần số của kênh vô tuyến là áp dụng cac dạng cân bằng khác nhau tại phía
thu cho truyền dẫn đơn sóng mang. Mục đích của cân bằng sửa méo đặc tuyến tần

số (cân bằng miền tần số) hoặc dạng xung tín hiệu (cân bằng miền thời gian) do
phađinh chọn lọc tần số gây ra và ở mức độ nhất định khôi phục lại dạng tín hiệu
ban đầu. Truyền dẫn đơn sóng mang sẽ được sử dụng cho đường lên của LTE vì thế
11
trong phần này ta sẽ xét các giải pháp cân bằng chống phađinh cho truyền dẫn đơn
sóng mang.
1.4.1 Cân bằng tuyến tính miền thời gian
Phương pháp cân bằng căn bản nhất là bộ cân bằng tuyến tính miền thời gian
cấu tạo từ một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim
w( )
τ
(hình 1.3). Bằng cách
chọn các đáp ứng xung kim khác nhau, ta có thể thực hiện các chiến lược cân bằng
(máy thu) khác nhau.
Hình 1.3. Cân bằng cơ bản trong miền thời gian
Một giải pháp khác là chọn lựa bộ lọc máy thu bù trừ toàn bộ đối với chọn
lọc tần số kênh vô tuyến. Điều này có thể đạt được bằng cách chọn đáp ứng xung
kim bộ lọc máy thu theo quan hệ sau:
( ) w( )=1h
τ τ
⊗
(1.12)
trong đó ‘
⊗
’ kí hiệu cho tích chập tuyến tính. Cách chọn bộ lọc này còn
được gọi là cân bằng ép buộc về không (ZF: Zero Forcing). Cân bằng ZF cho phép
bù trừ toàn bộ chọn lọc tần số kênh vô tuyến (cân bằng hoàn toàn) và vì thế hoàn
toàn triệt được mọi giảm cấp tín hiệu liên quan. Tuy nhiên cân bằng ZF có thể dẫn
đến tỷ số tín hiệu trên tạp âm sau cân bằng rất lớn và vì thế giảm hiệu năng đường
truyền tổng thể, đặc biệt khi kênh có đáp ứng tần số biến động nhanh.

Giải pháp thứ ba và là giải pháp cho phép chọn được bộ lọc cân xứng giữa
giảm cấp tín hiệu do chọn lọc tần số và tạp âm/nhiễu được gọi là cân bằng MMSE
(Minimum Mean Square Error: sai lỗi trung bình nhỏ nhất). Bộ lọc trong trường
hợp này được lựa chọn phải đảm bảo giảm thiểu sai lỗi trung bình bình phương giữa
tín hiệu đầu ra bộ cân bằng và tín hiệu được phát:
2
( ) ( )E s t s t
ε
∧
 
 
= −
 
 
 
(1.13)
12
Trong thực tế bộ lọc cân bằng tuyến tính thường được thực hiện ở dạng bộ
lọc FIR rời rạc theo thời gian với L nhánh trễ nhận các mẫu tín hiệu thu như minh
họa trên hình 1.4.
Hình 1.4. Cân bằng tuyến tính được thực hiện theo bộ lọc FIR rời rạc thời gian
1.4.2 Cân bằng miền tần số
Một cách khác để giảm độ phức tạp của cân bằng tuyến tính là thực hiện cân
bằng trong miền tần số như minh họa trên hình 1.5. Trong cân bằng tuyến tính miền
tần số, cân bằng được thực hiện theo từng khối kích thước N. Trước tiên tín hiệu thu
sau lấy mẫu được chuyển đổi vào miền tần số bởi DFT kích thước N (Discrete
Fourier Transform: biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó cân bằng được thực hiện bằng
lọc trong miền tần số với các nhánh lọc trong miền tần số là W
0
, W

1
,…, W
n-1
chẳng
hạn bằng DFT cho các nhánh lọc miền thời gian w
0
, w
1
,…, w
L-1
của hình 1.4. Sau
cùng tín hiệu miền tần số nhận được sau cân bằng được chuyển đổi ngược vào miền
thời gian bằng IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform: biến đổi Fourier ngược
rời rạc) kích thước N. Nên chọn kích thước N của khối là hai lũy thừa của một số
nguyên: N = 2
n
với n là một số nguyên để có thể thực hiện tính toán FFT/IFFT theo
cơ số hai cho xử lý DFT/IDFT.
Đối với mỗi lần xử lý khối kích thước N, cân bằng miền tần số cơ bản
bao gồm:
- Một DFT/FFT kích thước N.
- N lần nhân phức (bộ lọc miền tần số).
- Một biến đổi ngược IDFT/IFFT kích thước N.
13
Hình 1.5. Cân bằng tuyến tính miền tần số
Tuy nhiên có hai vấn đề gặp phải đối với cân bằng miền tần số:
- Lọc miền thời gian trên hình 1.4 thực hiện tích chập tuyến tính rời rạc thời
gian. Trái lại lọc miền tần số theo hình 1.5 tương ứng với tích chập vòng trong miền
thời gian. Nếu giả thiết bộ cân bằng miền thời gian có độ dài L, thì L-1 mẫu đầu
tiên tại đầu ra của bộ cân bằng miền tần số sẽ không giống như đầu ra tương ứng

của bộ cân bằng miền thời gian.
- Các nhánh của bộ lọc miền tần số W
0
, W
1
,…, W
N-1
có thể được xác định
như sau: trước hết xác định đáp ứng xung của bộ lọc miền thời gian tương ứng sau
đó chuyển đổi bộ lọc này vào miền tần số bằng DFT. Tuy nhiên việc xác định bộ
lọc miền thời gian có thể khá phức tạp trong trường hợp độ dài L của bộ cân bằng
lớn.
Một cách để giải quyết vấn đề thứ nhất là thực hiện chồng lấn quá trình xử lý
từng khối của bộ lọc cân bằng miền tần số như minh họa trên hình 1.6, trong đó
chồng lấn được thực hiện ít nhất là L-1 mẫu. Với chồng lấn này, L-1 mẫu (không
chính xác) đầu tiên tại đầu ra của bộ cân bằng miền tần số có thể được loại vì các
mẫu tương ứng này (các mẫu đúng) cũng đã được cung cấp tại phần cuối của khối
thu được cân bằng trước đó. Nhược điểm của kiểu “chồng lấn và loại bỏ” này là chi
phí tính toán và vì thế máy thu sẽ phần nào phức tạp hơn.
14
Hình 1.6. Xử lý chồng lấn và loại bỏ
Một cách để giải quyết cả hai vấn đề nói trên là chèn tiền tố chu trình (CP:
Cyclic-prefix) tại phía phát (hình 1.7), tương tự như OFDM trong trường hợp truyền
dẫn đơn sóng mang có nghĩa là chèn V mẫu của CP vào từng khối tại phía phát.
Kích thước khối phát phải bằng kích thước khối N sử dụng cho cân bằng miền tần
số phía thu.
Hình 1.7. Chèn CP trong trường hợp truyền dẫn đa sóng mang
Nhược điểm của chèn CP là mất thêm chi phí cho cả công suất và băng
thông. Một phương pháp để giảm chi phí CP là tăng kích thước N của bộ cân bằng
miền tần số. Tuy nhiên để cân bằng theo khối được chính xác, kênh phải hầu như

không thay đổi trong đoạn thời gian tương ứng với kích thước khối xử lý. Hạn chế
này đảm bảo giới hạn trên đối với kích thước khối N, trong đó kích thước này phụ
thuộc vào tốc độ thay đổi kênh.
1.5. Truyền dẫn đa sóng mang cho không dây băng rộng
Một cách để tăng tổng băng thông truyền dẫn mà không làm hại tín hiệu do
chọn lọc tần số kênh vô tuyến là sử dụng truyền dẫn đa sóng mang. Như được mô tả
trên hình 1.8, trong truyền dẫn đa sóng mang, thay vì truyền một tín hiệu băng rộng,
nhiều tín hiệu băng hẹp (thường được gọi là các sóng mang con) được ghép kênh
theo tần số và được truyền đồng thời trên cùng một đường truyền vô tuyến đến cùng
một máy thu. Bằng cách phát N tín hiệu song song trên cùng một đường truyền vô
15
tuyến , có thể tăng tốc độ số liệu tổng lên N lần. Khi này ảnh hưởng gây hại đối với
tín hiệu do chọn lọc tần số kênh vô tuyến phụ thuộc vào băng thông khá hẹp của
từng sóng mang con. Ảnh hưởng này không khác gì ảnh hưởng đối với sơ đồ truyền
dẫn băng hẹp có băng thông tương đương với băng thông của từng sóng mang con.
Hình 1.8. Mở rộng đến truyền dẫn băng thông rộng hơn bằng đa sóng mang
Nhược điểm của kiểu phát triển truyền dẫn đa sóng mang trên hình 1.8 là khi
mở rộng một công nghệ truy nhập vô tuyến băng hẹp hiện có vào một băng thông
truyền dẫn rộng hơn bằng cách truyền dẫn song song N sóng mang băng hẹp là phải
ghép các băng thông sóng mang con này phân cách nhau để chúng không gây nhiễu
cho nhau. Điều này ảnh hưởng tiêu cực lên hiệu suất sử dụng băng thông.
Nhược điểm thứ hai của truyền dẫn đa sóng mang là tương tự như điều chế
bậc cao, truyền dẫn song song nhiều sóng mang con sẽ dẫn đến các thay đổi công
suất tức thời lớn hơn. Vì thế truyền dẫn đa sóng mang cũng sẽ dẫn đến ảnh hưởng
tiêu cực lên hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. Một giải pháp cho vấn đề này là
giảm công suất trung bình, nghĩa là giảm dải động tín hiệu đối với một tốc độ số
liệu cho trước. Vì thế như việc sử dụng điều chế bậc cao, truyền dẫn đa sóng mang
thích hợp hơn đối với đường xuống (truyền dẫn đầu cuối di động) do tầm quan
16
trọng của việc đảm bảo hiệu suất bộ khuếch đại công suất tại đầu cuối di động cao

hơn.
Ưu điểm chính của kiểu phát triển đa sóng mang như hình 1.8 là đảm bảo sự
phát triển rất từ từ cả về thiết bị lẫn phổ tần của các công nghệ truy nhập vô tuyến
đến băng thông truyền dẫn rộng hơn nhất là đối với đường xuống. Điều quan trọng
là có thể thiết kế đa sóng mang theo hướng phát triển lên truyền dẫn băng rộng nói
trên mà vẫn cho phép sử dụng các thiết bị hiện có không có khả năng thu đa sóng
mang với điều kiện mỗi sóng mang con đường xuống thể hiện như một sóng mang
băng hẹp, trong khi đó đối với các đầu cuối di động đa sóng mang, mạng có thể
cung cấp cho nó toàn bộ băng thông đa sóng mang để truyền tốc độ số liệu cao hơn.
Một giải pháp sử dụng truyền đa sóng mang cho phép tiết kiệm băng thông là
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex: ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao). LTE sử dụng giải pháp này cho đường xuống. Nguyên lý tổng quát
OFDM trong trường hợp này được minh họa trên hình 1.9.
Hình 1.9. Nguyên lý OFDM áp dụng cho đường xuống của LTE
Đối với đường lên để giảm ảnh hưởng của tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình (PAPR: Peak to Average Power) lớn ở OFDM, đường lên sử dụng một
phương án cải tiến của OFDM cho phép truyền tín hiệu giống như đơn sóng mang
17
với tên gọi DFTS OFDM (OFDM Sread DFT: OFDM trải phổ bằng DFT) hay còn
được gọi là SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiplex Access: đa
truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang) được minh họa trên hình 1.10.
Hình 1.10. Nguyên lý DFTS OFDM hay SC-FDMA
1.6. Kết luận
Chương này đã xét các nguyên nhân hạn chế truyền dẫn băng rộng trong các
hệ thống thông tin vô tuyến và các giải pháp khắc phục. Truyền dẫn tốc độ cao
(băng rộng) có thể bị hạn chế bởi các yếu tố sau: băng thông hạn chế, tạp âm, nhiễu,
méo dạng tín hiệu do ảnh hưởng phađinh chọn lọc tần số của đường truyền.
Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật MIMO,
một trong những phát minh lớn trong lĩnh vực vô tuyến, được ứng dụng trong hệ
thống 3G và các hệ thống thông tin di động tương lai. Với MIMO, hiệu năng cả

mức hệ thống và mức liên kết được nâng cao lên đáng kể.
Chương 2 - KỸ THUẬT ĐA ANTEN
18