Nghiên cứu kỹ thuật đa anten trong lte

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.

Học viên

Đặng Thị Hải Yến


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT..........................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ...............................................................viii
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Chương 1 - TRUYỀN DẪN TỐC ĐỘ SỐ LIỆU CAO TRONG THÔNG TIN
KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG.................................................................................2
1.1. Các hạn chế cơ bản đối với truyền dẫn tốc độ số liệu cao..............................2
1.1.1 Truyền dẫn tốc độ số liệu cao mức độ cao trong các kịch bản giới hạn
bởi tạp âm..........................................................................................................4
1.1.2 Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong các kịch bản bị giới hạn bởi nhiễu. .5
1.2. Truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong băng thông hạn chế và điều chế bậc cao 6
1.2.1 Điều chế bậc cao kết hợp với mã hóa kênh...............................................6
1.2.2 Thay đổi của công suất phát tức thời........................................................7
1.3. Ảnh hưởng của mơi trường truyền sóng lên truyền dẫn khơng dây băng rộng....7
1.4. Cân bằng chống pha đinh chọn lọc tần số.....................................................11
1.4.1 Cân bằng tuyến tính miền thời gian........................................................12

1.4.2 Cân bằng miền tần số.............................................................................13
1.5. Truyền dẫn đa sống mang cho không dây băng rộng....................................15
1.6. Kết luận .......................................................................................................18
Chương 2 - KỸ THUẬT ĐA ANTEN..................................................................19
2.1. Mở đầu.........................................................................................................19
2.1.1 Các cấu hình đa anten............................................................................19
2.1.2 Lợi ích của kỹ thuật đa anten..................................................................20
2.2. Mơ hình MIMO............................................................................................20
2.2.1 Mơ hình MIMO tổng qt.......................................................................20
2.2.2 Mơ hình MIMO tối ưu.............................................................................22
2.3. Simo (Single input multi output)..................................................................25
2.3.1 Mơ hình kênh phân tập anten thu............................................................25
2.3.2 Sơ đồ kết hợp chọn lọc SC......................................................................26


iii

2.3.3. Sơ đồ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC............................................................27
2.3.4. Kết hợp loại bỏ nhiễu IRC.....................................................................28
2.4. Mimo (Multi input multi output)..................................................................30
2.4.1. Phân tập phát.........................................................................................31
2.4.2. Tạo búp sóng phía phát.........................................................................36

2.5. (Multi Intput Multi Output)..................................................................37
2.5.1. Nguyên lý cơ sở......................................................................................38
2.5.2. Ghép kênh dựa trên tiền mã hóa...........................................................41
2.5.3. Xử lý thu khơng tuyến tính....................................................................42
2.6. Kết luận........................................................................................................44
Chương 3: LTE MIMO........................................................................................45
3.1. Tổng quan LTE và phân tập phát trong LTE................................................45

3.1.1. Tổng quan.............................................................................................45
3.1.2. Phân tập phát trong LTE.......................................................................46
3.2. SU-MIMO đường xuống..............................................................................49
3.2.1. Mơ hình truyền dẫn SU-MIMO đường xuống........................................49
3.2.2. Xử lý tín hiệu số trong SU-MIMO đường xuống....................................50
3.2.3. Ghép kênh khơng gian SU-MIMO vịng kín trong LTE.........................53
3.2.4. Ghép kênh khơng gian SU-MIMO vịng hở trong LTE..........................60
3.3. MU-MIMO trong ITE..................................................................................64
3.3.1. MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO) đường xuống............................63
3.3.2. MIMO đa người sử dụng (MU-MIMO) đường lên................................67
3.4. Đánh giá hiệu năng của các sơ đồ MIMO....................................................72
3.4.1. Các cấu hình anten chuẩn để đánh giá hiệu năng đường xuống...........70
3.4.2. Các kết quả đánh giá hiệu suất phổ cho các sơ đồ MIMO....................71
3.5. Kết luận........................................................................................................76
KẾT LUẬN............................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................76


iv

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
3GPP
ACK
AMPS
ARIB
ARQ

ATIS
AWGN
BPSK

CCSA
CDD
CDMA

CEPT
CPC
CPICH
CQI

DPCCH
DRX
DTX
D-TxAA
E-AGCH
E-DCH

EDGE

Third Generation Partnership
Project
A
Acknowledgement

Nhóm cộng tác 3GPP
Xác nhận
Hệ thống điện thoại di động tiên
tiến
Hiệp hội các doanh nghiệp và công
nghiệp vô tuyến

Yêu cầu phát lại tự động

Advanced Mobile Phone System
Association of Radio Industries
and Businesses
Automatic Repeat Request
Alliiance for
Telecommunications Industry
Liên minh cho các giải pháp công
Solutions
nghiệp viễn thông
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
B
Binary Phase-Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
C
China Communications Standards Hiệp hội chuẩn truyền thơng Trung
Association
Quốc
Cyclic Delay Diversity
Phân tập trễ vịng
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
European Conference of Postal
and Telecommunications
Hội nghị Châu Âu về quản lý Bưu
Administations
chính Viễn thơng
Continuous Packet Connectivity

Kết nối gói liên túc
Common Pilot Channel
Kênh hoa tiêu chung
Channel Quality Indicator
Chỉ thị chất lượng kênh
D
Dedicated Physical Control
Channel
Kênh điều khiển vật lý riêng
Discontinuous Reception
Thu không liên tục
Discontinuous Transmission
Phát không liên tục
Dual Transmit -Diversity Adaptive Array
E
E-DCH Absolute Grant Channel
Kênh cấp phát tuyệt đối E-DCH
Enhanced Dedicated Channel
Kênh riêng nâng cao
Enhanced Data rates for GSM
Evolution and Enhanced Data
Tốc độ số liệu tăng cường để phát
rates for Global Channel
triển GPRS


v

E-RGCH

FDD
FDM
FDMA

GERAN
GPRS
GSM
HARQ
HOM
HSDPA
HSDPCCH
HSPA
HSDSCH
HSPDSCH
HSSCCH
HSUPA
IRC
IMS

J-TACS
LTE
MAC

E-DCH Relative Grant Channel
F
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiplex
Frequency Division Multiple
Access
G

GSM EDGE RAN
General Packet Radio Services
Global System for Mobile
communications
H
Hybrid ARQ
High Order Modulation
High Speed Downlink Packet
Access
High Speed Dedicated Physical
Control Channel
High Speed Packet Access
High Speed Downlink Shared
Channel
High Speed Physical Downlink
Shared Channel
High Speed Shared Control
Channel
High Speed Uplink Packet
Access
I
Interference Rejection Combining
Internet Multimedia Subsystem
J
Japanese Total Access
Communication System
L
Long Term Evolution
M
Medium Access Control

Kênh cấp phát tương đối E-DCH
Ghép song công phân chia theo tần
số
Ghép kênh phân chia theo tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Mạng truy nhập vơ tuyến GSM/
EDGE
Dịch vụ vơ tuyến gói chuntg
Hệ thống thơng tin di dộng tồn cầu
ARQ lai ghép
Điều chế bậc cao
Truy nhập gói tốc độ cao đường
xuống
Kênh vật lý điều khiển riêng tốc độ
cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Kênh chia sẻ đường xuống tốc độ
cao
Kênh vật lý chia sẻ đường xuống
tốc độ cao
Kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao đường lên
Kết hợp triệt nhiễu
Phân hệ đa phương tiện Internet
Hệ thống truyền thơng truy nhập
hồn tồn Nhật bản
Phát triển dài hạn
Điều khiển truy nhập mơi trường

vi

MBMS
MIMO
ML
MMSE
MRC
MUMIMO

Multimedia Broadcast/Multicast
Service
Multi Input Multi Output
Maximum Likelihood
Minimum Mean Square Error
Maximum Ratio Combining

Dịch vụ quảng bá /đa phương
Đa đầu vào đa đầu ra
Khả năng giống cực đại
Sai lỗi trung bình bình phương cực
tiểu
Kết hợp tỷ lệ lớn nhất

Multi User MIMO

MIMO đa người dùng
N

NACK

OFDM
PARC
PCI
P-CPICH
PDC
RAN
RLC
SAE
SC
S-CPICH
SDMA
SIC
SMS
SNR
STBC
STTD
SUMIMO
SVD

TACS

Negative Acknowledgement
O
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
P
Per-Antenna Rate Control
Precoding Control Indicator
Primary CPICH

Personal Digital Cellular
R
Radio Access Network
Radio Link Control
S
System Architecture Evolution
Selective Combining
Secondary CPICH
Spatial Division Multiple Access
Successive Interference
Combining
Short Message Service
Signal to Noise Ratio
Space-Time Block Coding
Space-Time Transmit Diversity
Single User MIMO
Sigular Value Decomposition
T
Total Access Communication
System

Không xác nhận
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao

Chỉ thị điều khiển tiền mã hóa
Kênh CPICH sơ cấp

Mạng truy nhập vơ tuyến
Điều khiển liên kết vô tuyến

Phát triển kiến trúc hệ thống
Kết hợp lựa chọn
Kênh CPICH thứ cấp
Đa truy nhập phân chia không gian
Kết hợp nhiễu thành công
Dịch vụ nhắn tin
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Mã hóa khối khơng gian thời gian
Phân tập phát không gian thời gian
MIMO đơn người dùng
Phân chia giá trị đơn
Hệ thống truyền thơng truy nhập
hồn tồn


vii

TDD
TDM
TDMA

Time Division Duplex
Time Division Multiplex

Time Division Multiple Access
Telecommunication Technology
TTA
Association
Telecommunication Technology
TTC

Committee
TTI
Transmission Time Interval
U
UE
User Eqipment
Universal Mobile
UMTS
Telecommunications System
Universal Terrestrial Radio
UTRAN Access Network
V
VoIP
Voice over IP
W
Wideband Code Division
WCDMA Multiple Access
WLAN
Wireless Local Area Network
Z
ZF
Zero Forcing

Ghéo song công phân chia theo thời
gian
Ghép kênh phân chia theo thời gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Liên hiệp công nghệ viễn thông
Ủy ban công nghệ viễn thông

Khoảng thời gian truyền dẫn
Thiết bị người dùng
Hệ thống viễn thơng di dộng tồn
cầu
Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất
tồn cầu
Thoại qua IP
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
Mạng cục bộ không dây
Cưỡng bức không


viii

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Danh mục bảng
Bảng 3.1. Bảng mã cho truyền dẫn trên các cổng anten p = 0,3.............................55
Bảng 3.2. Bảng ma trận tiền mã hóa cho truyền dẫn bốn cửa anten.....................57
Bảng 3.3. Sắp xếp từ mã vào lớp cho ghép kênh không gian...................................59
Bảng 3.4. Ma trận tiền mã hóa DFT ULxL................................................................61
Bảng 3.5. Ma trận CDD trễ lớn DLxL(i)....................................................................61
Bảng 3.6. Hiệu suất phổ đường xuống trong nhà (InH),FDD.................................71
Bảng 3.7.Hiệu suất phổ đường lên trong nhà (InH), FDD......................................71
Bảng 3.8. Hiệu suất phổ đường xuống ô vi mô thành phố (Umi), FDD..................72
Bảng 3.9. Hiệu suất phổ đường lên ô vi mô thành phố (Umi), FDD.......................72
Bảng 3.10 Hiệu suất phổ đường xuống ô vĩ mô thành phố (Uma),FDD.................73
Bảng 3.11. Hiệu suất phổ đường lên cho ô macro thành phố (Uma), FDD...........73
Bảng 3.12. Hiệu suất phổ đường xuống cho ô vĩ mô nông thôn (Rma),FDD...........73
Bảng 3.17. Hiệu suất đường lên cho ô vĩ mơ nơng thơn (Rma), FDD...................74

Danh mục hình
Hình 1.1 Eb/N0 u cầu tối thiểu tại máy thu phụ thuộc vào mức độ sử dụng băng
thơng.......................................................................................................................... 3
Hình 1.2. Truyền sóng đa đường (a) gây ra tán thời (b) và chọn lọc tần số (c)............8
Hình 1.3. Cân bằng cơ bản trong miền thời gian.......................................................12
Hình 1.4. Cân bằng tuyến tính được thực hiện theo bộ lọc FIR rời rạc thời gian.......13
Hình 1.5. Cân bằng tuyến tính miền tần số...............................................................14
Hình 1.6. Xử lý chồng lấn và loại bỏ........................................................................15
Hình 1.7. Chèn CP trong trường hợp truyền dẫn đa sóng mang................................15
Hình 1.8. Mở rộng đến truyền dẫn băng thơng rộng hơn bằng đa sóng mang...........16
Hình 1.9. Ngun lý OFDM áp dụng cho đường xuống của LTE.............................17
Hình 1.10. Nguyên lý DFTS OFDM hay SC-FDMA...............................................18


ix
Hình 2.1. Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu............................21
Hình 2.2. Mơ hình SVD MIMO tối ưu.....................................................................24
Hình 2.3. Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng......24
song song tương đương dựa trên SVD......................................................................24
Hình 2.4. Sơ đồ kết hợp chọn lọc.............................................................................26
Hình 2.5. Kết hợp anten thu tuyến tính.....................................................................28
Hình 2.6. Kịch bản đường xuống với một nguồn nhiễu trội......................................29
Hình 2.7. Kịch bản máy thu bị một máy đầu cuối di động gây nhiễu mạnh..............30
Hình 2.8. Phân tập trễ hai anten................................................................................32
Hình 2.9. Phân tập trễ vịng bốn anten phát..............................................................33
Hình 2.10. Phân tập phát khơng gian thời gian trên cơ sở mã Alamouti....................34
Hình 2.11. Phân tập phát khơng gian thời gian (STTD)............................................34
Hình 2.12. Phân tập phát mã khối không gian – tần số với hai anten phát theo mã
Alamouti..................................................................................................................35
Hình 2.13. Phân tập phát mã khối khơng gian-tần số với hai anten phát theo

STTD......................................................................................................................35
Hình 2.14. Tạo búp kinh điển với tương quan anten tương hỗ cao....................36
Hình 2.15. Tạo búp dựa trên bộ tiền mã hóa trong trường hợp tương quan anten
tương hỗ thấp........................................................................................................... 37
Hình 2.16. Tiền mã hóa cho từng sóng mang con trong trường hợp OFDM (hai
anten phát)............................................................................................................... 37
Hình 2.17. Cấu hình anten 2x2.................................................................................39
Hình 2.18. Thu tuyến tính/giải điều chế các tín hiệu ghép kênh khơng gian..............40
Hình 2.19. Ghép kênh khơng gian dựa trên bộ tiền mã hóa.....................................41
Hình 2.20. Trực giao hóa các tín hiệu ghép khơng gian bằng cách tiền mã hóa......42
Hình 2.21. Truyền dẫn một từ mã (a) và truyền dẫn nhiều từ mã (b)......................43
Hình 2.22. Giải điều chế/giải mã các tín hiệu ghép khơng gian dựa trên khử nhiễu
lần lượt....................................................................................................................44
Hình 3.1. Sơ đồ phân tập phát dựa trên SFBC với hai anten.....................................47
Hình 3.2. Sơ đồ phân tập phát dựa trên SFBC và FSTD...........................................47


x
Hình 3.3. Sơ đồ SFBC + FSTD cải tiến với bốn cửa anten cho PHICH..................48
Hình 3.4. Mơ hình truyền dẫn SU-MIMO tổng qt...............................................49
Hình 3.5. Xử lý tín hiệu SU-MIMO vịng kín phía phát..........................................51
Hình 3.6. Máy thu MMSE-SIC...............................................................................52
Hình 3.7. Mơ hình truyền dẫn SU-MIMO bốn cửa anten, hai từ mã, bốn lớp với máy
thu SIC..................................................................................................................... 53
Hình 3.8. Sắp xếp từ mã vào lớp cho truyền dẫn SU-MIMO đường xuống 4 cửa
anten........................................................................................................................56
Hình 3.9. Sắp xếp các từ mã vào lớp cho ghép kênh khơng gian............................58
Hình 3.10. Ghép kênh khơng gian vịng hở với P anten và L lớp............................60
Hình 3.11. Tiền mã hóa CDD trễ lớn cho truyền dẫn hai cửa anten.............................63
Hình 3.12. MU-MIMO với tạo búp dựa trên bảng mã cho nhiều UE sử dụng cùng tài

nguyên thời gian tần số............................................................................................66
Hình 3.13. MU-MIMO đường lên...........................................................................67
Hình 3.14. Ghép kênh số liệu và tín hiệu tham chuẩn trên đường lên......................68
Hình 3.15. Máy thu MMSE cho UL MIMO.............................................................69


1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong tiến trình phát triển của xã hội lồi người, sự ra đời của thơng tin di
động là một bước ngoặt lớn và thông tin di động đã nhanh chóng trở thành một
ngành cơng nghiệp viễn thơng 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 tồn cầu. Hệ thống MIMO rất có triển vọng
trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau bởi lẽ nó khơng chỉ cho phép đạt
được hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn nữa mà cịn có tính khả thi về phần cứng
cũng như phần mềm do sự tiến bộ của các cơng 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


2

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 khơng dây băng rộng, cân bằng chống phađinh chọn lọc tần số và
truyền dẫn đa sóng mang cho khơng 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 thơng 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:
Tc 

1
fD

(1.1)

Trong đó:
+ Bw là băng thơng khả dụng cho truyền tin
+ S là ký kiệu cho cơng suất tín hiệu thu
+ N là kí hiệu cho cơng 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
Bw. 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. Cơng suất tín hiệu
thu khi này sẽ là: S = Eb.R (Eb: năng lượng tín hiệu thu trên bit). Ngồi ra cơng suất
tập âm có thể được biểu diễn: N = N0.Bw (N0: 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:


3

E .R 
S

R C Bw .log 2  1   Bw  1  b 
N
N 0 .Bw 



(1.2)

Hay, nếu định nghĩa mức độ sử dụng băng thông γ = R/Bw, ta được:


E 
 log 2  1  . b 
N0 


(1.3)

Ta có thể viết lại bất đẳng thức trên để nhận được biên dưới cho năng lượng
thu của một bit thơng tin được chuẩn hóa theo mật độ phổ công suất tạp âm khi mức
độ sử dụng băng thông γ cho trước như sau:
 E  2  1
Eb
min  b  
N0

 N0 

(1.4)

Biểu thức ngoài cùng bên phải, tỷ số E b/N0 yêu cầu tại máy thu, là một hàm
phụ thuộc vào mức độ sử dụng băng thơng (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) Eb/N0 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 u cầu cực tiểu.

Hình 1.1 Eb/N0 u cầu tối thiểu tại máy thu phụ thuộc vào
mức độ sử dụng băng thông

4

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 vơ 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 thơng cho trước đều địi hỏi ít nhất là
tăng cùng một lượng tương đối công suất tín hiệu thu. Đồng thời nếu có thể đảm
bảo đủ cơng 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 cịn thấp hơn băng thơng 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 thơng), 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 cơng suất thu (tỷ số tín hiệu trên tạp âm khả
dụng), băng thơng truyền dẫn ít nhất phải có cùng giá trị như tốc độ số liệu cần đảm
bảo.
Cách khác, để tăng tổng cơng 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 tồn bộ cơng suất phát về phía anten thu. Giải pháp này
cũng tăng cơng suất tín hiệu thu và cho phép đạt được các tốc độ số liệu cao.


5
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 mơi 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. Ngồi nhiễu giữa các ơ, cịn
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 vơ 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 ơ 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.


6
- Sử dụng tạo búp bằng nhiều anten phát sẽ tập trung cơng 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 tồn 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 địi 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 vơ 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/N0 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 địi hỏi E b/N0 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 thơng tin được truyền với


7
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 cơng 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 địi hỏi phải tăng một cách khơng
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
vơ tuyến cũng có thiết kế phức tạp hơn và đắt tiền hơn khi truyền dẫn băng rộng.

1.3. Ảnh hưởng của mơi trường truyền sóng lên truyền
dẫn khơng dây băng rộng
Ngoài hai vấn đề trên, một vấn đề rất quan trọng ảnh hưởng lên truyền dẫn
không dây băng rộng là mơi trường truyền sóng hay kênh vơ 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).


8

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):   , (2) trễ trội trung bình  và (3) trễ trội max  max .
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 cơng 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

 P( )

 P( )
k

(1.5)
k

k

(1.6)

k

k

2

 P( )

 P( )
k

2
k

k

(1.7)

k

k

Trong đó P( k ) là cơng suất trung bình đa đường tại thời điểm  k .
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


9
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
thơng truyền dẫn càng lớn. Ngồi ra mức độ chọn lọc tần số cũng phụ thuộc vào
mơi trường, chẳng hạn chọn lọc tần số ít hơn trong mơi trường ơ nhỏ (ít tán thời
hơn) và các mơi trường có ít vật tán xạ và phản xạ sóng hơn như mơi trường nơng
thơn. Tương tự như các thơng 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 thơng
nhất qn là Bc và trải trễ trung bình quân phương là   . Khi hàm tương quan tần số
lớn hơn 0,9 băng thơng nhất qn có quan hệ sau đây với trải trễ trung bình quân
phương:
Bc 

1
50 

(1.8)

Một đánh giá gần đúng Bc cũng thường được sử dụng là độ rộng băng với
tương quan ít nhất bằng 0,5 là:
Bc 

1
5 

(1.9)

Ngoài ra, hiệu ứng Doopler cũng ảnh hưởng xấu lên các đặc tính truyền dẫn
của kênh vơ 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
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:
fc = fD.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: fD = fc.v/c,
trong đó fc là tần số sóng mang, v là vận tốc chuyển động của đầu cuối và c là tốc độ
ánh sáng.

10
Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doopler, nó là thơng
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:
Tc 

1
fD

(1.11)

Phụ thuộc vào quan hệ giữa các thông số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ
kí hiệu…) và các thơng số kênh (trải trễ trung bình qn 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 thơng số trong miền thời gian,
trong khi đó phađinh phẳng hay chọn lọc tần số lại tương ứng với miền tần số. Vì
thế thơng 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. Ngồi
ra việc lập mơ hình các kênh phađinh chọn lọc tần số phức tạp hơn nhiều so với lập

mô hình kênh phađinh phẳng, vì để lập mơ 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 thơng nhất qn, 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