chuyên đề vô tuyến truyền thông

Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
ĐỀ TÀI
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông




Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Viết Đảm
Sinh viên thực hiện :
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm i
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
LỜI NÓI ĐẦU
Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra
máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay
đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ
mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang
tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng
trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu
hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới.
Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch
vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được cung cấp cho
thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và
multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu
này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di
động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các
tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di
động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G
chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện. Hệ thống 3G điển hình hiện
nay là cdma2000 và WCDMA. WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia
theo mã băng rộng.
Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao

tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến
dung lượng của hệ thống. Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử
lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật
phân tập tín hiệu. Trong chuyên đề này, nhóm tôi sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập
Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm
giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc
làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten dãy bằng cách điều
khiển hướng búp sóng của anten dãy về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null
về hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa.
Nội dung chuyên đề gồm 4 chương :
- Chương 1: Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải
quyết cho những nhược điểm.
- Chương 2: Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân tập
anten bằng bộ thu Beamformer-Rake.
- Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu
Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE.
- Chương 4 : Trình bày các thuật toán tính toán cho từng kỹ thuật
Beamformer.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm ii
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii
CHƯƠNG 1: 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA 1
Giới thiệu chung 1
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 1
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 2

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: 3
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA 4
Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 4
1.5 Tổng quan về mạng WCDMA 4
Uplink 5
Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD 5
1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA 6
1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA 7
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA 8
Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường 8
Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa 8
1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA 9
Các kỹ thuật phân tập: 10
Kết luận chương 10
CHƯƠNG 2: 11
PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 11
2.1 Giới thiệu 11
2.2 Anten Mảng 11
2.2.1 Mảng anten dãy 12
Hình 2.1 Mảng anten ULA 12
2.3 Kỹ thuật Beamformer 14
Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy 15
2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA 15
Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0o 17
và nhiễu giao thoa là 45o 17
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian 17
2.5 Lợi ích của phân tập không gian 18
2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA 18
Hình 2.4 Mô hình bộ thu Rake 19

2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm iii
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake 20
Kết luận chương: 20
CHƯƠNG 3: 21
CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING 21
3.1 Giới Thiệu 21
3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming 21
3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR) 21
3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming 23
3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming 24
3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 25
3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) 26
3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) 27
3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 28
3.5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản 30
Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện đồ thị bức xạ của anten ULA 30
theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 30
Hình 3.2 Giản đồ BER theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 31
Kết luận chương 31
CHƯƠNG 4: 32
CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING 32
Giới thiệu chương 32
4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính toán 32
4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR 32
4.2.1 Phương pháp power 33
4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange 34
Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange 35
Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã được đơn

giản 37
4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 37
Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp gradient 40
Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp Gradient đã đơn giản
41
4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp 42
4.2.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 42
Hình 4.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 42
Kết luận chương: 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm iv
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
DANH MỤC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii
CHƯƠNG 1: 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA 1
Giới thiệu chung 1
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 1
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 2
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: 3
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA 4
Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 4
1.5 Tổng quan về mạng WCDMA 4
Uplink 5
Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD 5
1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA 6

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA 7
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA 8
Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường 8
Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa 8
1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA 9
Các kỹ thuật phân tập: 10
Kết luận chương 10
CHƯƠNG 2: 11
PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 11
2.1 Giới thiệu 11
2.2 Anten Mảng 11
2.2.1 Mảng anten dãy 12
Hình 2.1 Mảng anten ULA 12
2.3 Kỹ thuật Beamformer 14
Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy 15
2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA 15
Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0o 17
và nhiễu giao thoa là 45o 17
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian 17
2.5 Lợi ích của phân tập không gian 18
2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA 18
Hình 2.4 Mô hình bộ thu Rake 19
2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20
Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake 20
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm v
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Kết luận chương: 20
CHƯƠNG 3: 21
CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING 21
3.1 Giới Thiệu 21

3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming 21
3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR) 21
3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming 23
3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming 24
3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 25
3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) 26
3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) 27
3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 28
3.5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản 30
Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện đồ thị bức xạ của anten ULA 30
theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 30
Hình 3.2 Giản đồ BER theo các kỹ thuật MSINR và MMSE 31
Kết luận chương 31
CHƯƠNG 4: 32
CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING 32
Giới thiệu chương 32
4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính toán 32
4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR 32
4.2.1 Phương pháp power 33
4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange 34
Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange 35
Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã được đơn
giản 37
4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 37
Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp gradient 40
Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp Gradient đã đơn giản
41
4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp 42
4.2.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 42
Hình 4.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA 42

Kết luận chương: 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm vi
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AOA Angle of Arrival Góc đến tín hiệu
AWGN Additive White Gaussian Noise Cộng nhiễu trắng
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít
BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha PSK 2 mức
CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy cập phân chia theo
mã
CG Coding Gain Mã hoá cổng
dB
Decibel
DMI Diercted Matric Invesion Ma trận đảo trực tiếp
DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý
DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh điều khiển dữ liệu
EGC Equal Gain Combine Tổ hợp cùng độ lợi
ISI Inter Symbol Interfere Nhiễu xuyên ký tự
GE Generalized Eigenvalue Nhóm các giá trị riêng
ML Maximum Likelihood
Cực đại tối ưu
MLSE Maximum Likelihood Sequence
Estimation
Đánh giá chuổi cực đại tối
ưu
MMSE Minimum Mean Square Error Tối thiểu bình phương sai
lệnh
MRC Maximum Ratio Combine Bộ tổ hợp tỷ số tối đa
OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing
Điều chế tần số trực giao
PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung
PSK Phase Shift Keying Điều chế pha
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QAM
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế
RF Radio Frequence Sóng radio
SC Selected Combine Bộ tổ hợp chọn lọc
SE Simple Eigen Giá trị riêng đơn giản
SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự
SINR Signal to Interference plus-Noise
Ratio
Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao
thoa và nhiễu nhiệt
SISO Single Input Single Output Vào đơn ra đơn
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
TCM Trellis Code Modulation Mã hoá lưới TCM
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo
thời gian
WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây
WCDMA Wideband Code Division Multiplex
Access
Đa truy cập phân chia theo
mã băng rộng
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm vii
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
CHƯƠNG 1:
HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA

Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình
thay đổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ
đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa
phơng tiện gói.
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng
được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ
đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì
nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận
được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng
người dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể,
thì một số người bị chặn lại không được truy cập.
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp,
và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số được gán cho một
kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần
phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.
Đặc điểm :
- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông
tuyến.

- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced
Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 1
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người
dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải
thiện về cả dung lượng và tốc độ.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2
được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công
nghệ số.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử
dụng 2 phương pháp đa truy cập :
- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần
liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian
trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen
khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc
khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động
và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc.
Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt
động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.

- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiểu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động
kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong
MS tương tự có khả năng xử lý không quá 10
6
lệnh trong 1 giây, còn trong MS số
TDMA phải có khả năng xử lý 50.10
6
lệnh trong 1 giây.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người
sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà
không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với
nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người
sử dụng.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 2
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Đặc điểm
- Dải tần tín hiệu rộng .
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường
rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
- Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị
truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell
thực hiện rất linh hoạt .
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ
thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc

tiêu chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện
thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của
các hệ thống thông tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự
phát triển liên tục của thông tin di động.
3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps
cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công
nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của
CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu
chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong
đó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp
dụng trong những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA,
điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô
tuyến.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 3
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA
Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G
Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và
hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ
được chuyển đổi sang thế hệ 3. Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1.
Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:
Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin
di động toàn cầu.

 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch
kênh tốc độ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
1.5 Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia
theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử
dụng công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa
truy cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải
phổ để phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ
CDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu
nhiên) với sự tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người
sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 4
GSM
WCDM
A
HSCSD
GPRS
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ
việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. Cũng giống như TDMA,
WCDMA là một trong nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt
động. Nó cũng được biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy
xuất. WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực
thông tin di động. WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng
làm việc được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần
được cấp phát ở các vùng khác nhau.
• FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó

truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD
đường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống được phân
bố một cặp băng tần riêng biệt
• TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó
đường lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử
dụng những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật
lý được chia thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và
đường lên được truyền dẫn luân phiên.
1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz)
TDD
RX/TX
FDD
Uplink
TDD
RX/TX
FDD
Downlink

Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD
Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả
phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:
 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển
mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 5
f
5MHz
Đường
lên
Đường

xuống
Đường
lên
Đường
xuống
Khoảng Bảo vệ
5MHz
t
t
f
FDD
TDD
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
 Mạng lõi có hai vai trò chính :
 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số
liệu gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến
thông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.
 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng
truy nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với
Internet và phân loại thông tin tính cước và bảo mật.
 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ
bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.
1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên
một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là
chip) nhận được trải phổ trong WCDMA.
 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ
tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ
dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các

nhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz.
Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng
4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách
khác chính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp. Mỗi user được cung
cấp một khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên
không đổi. Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung
khác.
 WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD. Trong
FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng
lên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được
dùng cho cả hướng lên và hướng xuống.
 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó
không giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn
trên toàn cầu GPS.
 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các
ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ
sóng .
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 6
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có
thể chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.
Phương thức đa truy xuất . DS-CDMA.
Phương pháp ghép song công. FDD/TDD.
Đồng bộ trạm gốc. Hoạt động bất đồng bộ.
Tốc độ chip. 3.84Mcps.
Độ dài khung . 10ms.
Ghép dịch vụ.
Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ
khác nhau được ghép trên một kết nối.

Đa tốc độ. Hệ số trải phổ khả biến và đa mã.
Tách sóng.
Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa
tiêu.
1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA
Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có
những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những đặc điểm chủ yếu trong
hệ thống WCDMA là :
 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2
sang thế hệ thứ 3.
 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại
trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.
 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ
giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một
cách có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng kỷ
thuật tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD được
thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp.
 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu
suất vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu
vô tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là
tính năng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào. Điều
khiển công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở
môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp.
Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là
một trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 7
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một
tín hiệu đến trực tiếp. Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ
bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các
thành phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu
khác…WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó.
Sau đây là mô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu
giao thoa.
Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường
Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều
kỹ thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong chuyên đề
này ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 8
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong
hệ thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading
nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều
chế CDMA băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận
một cách độc lập .Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ
thống này do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện
tượng fading xảy ra một cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu
thu một cách độc lập được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3
loại phân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời
gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể
được áp dụng cho tất cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa
sai yêu cầu. Hệ thống CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ
việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với
tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu(200-300kHz). Nhưng với một
băng tần rộng thì fading ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách

hay đường truyền thường đạt được theo 3 phương pháp sau:
-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động
với 2 hoặc nhiều trạm gốc BTS.
-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét
thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng).
Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống
TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ
thống số có tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo
tần số có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song
song. Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy
thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu
thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có
thể xuất hiện ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các
đường tín hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có
fading đồng thời giữa cá đường tín hiệu thu được.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống
thông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di
động.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 9
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Các kỹ thuật phân tập:
 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những
khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,
như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều
thời điểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời
gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.
 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và
sóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân

cận. Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền
cùng một tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần
số khác nhau.
 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng
ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để
truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng
băng thông của hệ thống.
Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là
hệ thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống di động. Cuối
chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ
thống vô tuyến. Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập
không gian và thời gian.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 10
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
CHƯƠNG 2:
PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN
2.1 Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính đó là
nhiễu fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ
thu 2 chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu
được trên cả hai miền không gian và thời gian. Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền
không gian là tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu
trên miền thời gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian.
Việc kết hợp 2 kỹ thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu
tại bộ thu. Tuy bộ thu 2-D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền
không gian và thời gian song điều này đòi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp .
Trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín
hiệu trong miền không gian và thời gian.
Mảng anten thích nghi có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng

cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ
những địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất
liên quan tới thuê bao đó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không
gian của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này được thực hiện bởi bộ
Beamformer .Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ
thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung
lượng của hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao
thoa co-channel.
2.2 Anten Mảng
Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí
khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể được sắp xếp
theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là
mảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng . Mảng đường và mảng tròn là trường
hợp đặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào
góc phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các
anten , vào biên độ và pha của tín hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng
hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của
mảng và tín hiệu đến mảng. Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi
là hệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng
thì góc phát xạ của mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành
phần .
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 11
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
2.2.1 Mảng anten dãy
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì
mảng được gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm
N phần tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền
đến mảng là θ (còn gọi là góc AOA) .
Tín hiệu thu được tại anten đầu tiên của mảng được biểu diễn như sau :

})(2cos{)()(
11
βγπ
++= ttftAtx
c
(2.1)
Với A
1
(t) : Biên độ tín hiệu đến anten .
f
c
: Tần số sóng mang của tín hiệu .
γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.
β : Góc pha tín hiệu .
Ngoài ra tín hiệu thu được tại phần tử đầu tiên có thể viết như sau :

})({
11
)()(
βγ
+
=
tj
etAtx
(2.2)
Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một
khoảng cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất .Lúc này tín hiệu đến
các phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian .Tín hiệu đến phần tử thứ 2
trong mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một
Hình 2.1 Mảng anten ULA

khoảng thời gian là
τ
,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N
τ
.Như thế ta
có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức
tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất .Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 12
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03

c
d
θ
τ
sin
=
(2.3)
Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng .
Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ 2 là :

})()(2cos{)()()(
1
12
βτγτπττ
+−+−−=−= ttftAtxtx
c
(2.4)
Thông thường f
c
là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu ,vì vậy biểu thức (2.4) có

thể được viết như sau :

})(22cos{)()(
2
βγτππ
++−= tftftAtx
cc
(2.5)
Hay

})(2{
2
)()(
βγτπ
++−
=
tfj
c
etAtx

}2{
1
)(
τπ
c
fj
etx
−
=
(2.6)

}sin2{
1
}
sin
2{
12
)()()(
θ
λ
π
θ
π
d
j
c
d
fj
etxetxtx
c
−−
==
(2.7)
Do đó tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N)

}sin)1(2{
1
).()(
θ
λ

π
−−
=
i
d
j
i
etxtx
(2.8)
Ta định nghĩa một trường vector dùng để biểu diễn tất cả các tín hiệu thu được
trên các phần tử của mảng .Trường vector tín hiệu đó được biểu diễn như sau :
x(t) =[x
1
(t) x
2
(t) … x
n
(t)]
T
(2.9)
Ta cũng định nghĩa trường vector đáp ứng
a
(
θ
) của mảng như sau :

( )
θ
a
= [1

}sin2{
θ
λ
π
d
j
e
−
……
}sin)1(2{
θ
λ
π
−− N
d
j
e
]
T
(2.10)
Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu
truyền đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong
mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng .Chúng ta giả thiết rằng
trong phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp ứng của mảng không
thay đổi .Khi cấu trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử
của mảng là đẳng hướng ,thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA
(góc tín hiệu đến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể được
viết như sau :

)()()( txatx

θ
=
(2.11)
Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ
hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng .Giả thiết cho hiện tượng này
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 13
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
được gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng
sẽ có sự sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ. Vì thế mô hình
narrowband vẫn chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là
ở những tín hiệu có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng.
Cũng vì lí do đó mà khi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao
thoa thì phải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn
bộ luận văn này chúng ta giả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband .
Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối
cùng của mảng được tính như sau :

c
dN
θ
τ
sin)1(
max
−
=
(2.12)
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là
2
λ

c
N
2
)1(
max
λ
τ
−
=
(2.13)

c
c
f
N
c
f
c
N
2
)1(
2
)1(
max
−
=
−
=
τ

Nếu mảng có 4 phần tử và f
c
=2GHz
Ta có :
6
max
10.2000.2
3
=
τ
Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz. Tỉ số giữa
τ
max
và băng
thông tín hiệu được tính như sau :

6
6
max
10.20002
10.53
×
×
=
χ
=0.0037
Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA.
2.3 Kỹ thuật Beamformer
Beamforming là một kỹ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện
trong những anten mảng. Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu hữu ích

của một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng
nhiễu giao thoa tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng
giao thoa sóng để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó. Trong bộ Beamformer,
tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu
có chất lượng tốt nhất. Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 14
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten
dãy
Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định
riêng biệt. Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

)()()()(
1
tnatstx
K
i
ii
+=
∑
=
θ
(2.14)
Với
)(ts
i
là tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i trong mảng ,góc tới là
i
θ
.

)(
i
a
θ
là vector đáp ứng của mảng ứng với góc tới
i
θ
.

)(tn
là vector tín hiệu nhiễu .
Đầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :

)()()( txtwty
H
=
(2.15)
Với w=[ w
1
w
2
… w
N
]
T
là vector trọng số của mảng .
Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuật
Beamformer khác nhau. Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR,
MSNR, CMA, ML…sẽ được đề cập ở các chương sau .

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA
Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật đơn giản để diển tả nguyên lí của
Beamforming. Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với góc
AOA là 0
o
, và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở góc
AOA là 45
o
.Vector đáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này
là :







==
1
1
)0(aa
desired
(2.16)
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 15
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Tương tự ,vector đáp ứng của mảng đối với tín hiệu nhiễu giao thoa là :








−−
=








=








==
−
×−
7957.06057.0
1
1
1
)

4
(
2
)
4
sin(
2
1
2
int
j
e
e
aa
j
j
π
π
π
π
(2.17)
Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch đại đối với tín hiệu mong muốn
đồng thời giảm thiểu tối đa hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhiễu giao thoa. Vì
thế vector đáp ứng của mảng phải thoả mãn các điều kiện sau :

0
1
int
=
=

aw
aw
H
desired
H
(2.18)
Từ trên ta tính được







+
−
=
2478.05.0
2478.05.0
j
j
w
Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc
θ
được cho như sau :

)()(
θθ
awg
H

=
(2.19)
Đồ thị bức xạ (Beam pattern) được xác định bởi độ lớn của
)(
θ
g
:

)()(
θθ
gG =
(2.20)
Đồ thị bức xạ được dùng để mô tả mảng các hệ số khuếch đại tín hiệu ứng với
các góc đến khác nhau, hay được gọi là bộ khuếch đại có chọn lọc. Đồ thị bức xạ
cho trường hợp trên được minh hoạ ở hình 2.3 dưới đây. Quan sát ta thấy, hệ số
khuếch đại của tín hiệu là 1 còn của tín hiệu nhiễu giao thoa là 0. Như vậy,
beamformer có thể hướng búp sóng null về phía tín hiệu nhiễu giao thoa, phương
pháp này được gọi là phương pháp null steering beamformer. Chú ý rằng, trong
phương pháp này các bộ phận của bộ Beamformer chỉ làm việc được khi tổng số
các tín hiệu đến phải ít hơn hay bằng số lượng các phần tử trong mảng. Khi mà số
phần tử anten là N, thì có thể null steering N-1 hướng tín hiệu nhiễu khác nhau,
song điều này thì không thể phù hợp được trong môi trường hệ thống mạng
WCDMA ( với rất nhiều nhiễu giao thoa). Trường hợp số lượng tín hiệu đến
mảng vượt quá số phần tử của mảng gọi là overloaded .Tuy nhiên quá trình xử lý
khuếch đại tín hiệu trong bộ thu của hệ thống CDMA có sự liên kết lớn để chống
lại sự quá tải trong mảng, đồng thời việc bố trí không gian các phần tử của mảng
cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của hệ thống.
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 16
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03
Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0

o
và nhiễu giao thoa là 45
o
.
Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:
 Mặc dầu có thể đặt null trực tiếp đến hướng đến của tín hiệu nhiễu giao
thoa, song từ đồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy độ lợi của anten không cực đại tại
hướng đến của tín hiệu hữu ích. Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải
pháp kỹ thuật của beamformer. Trong chương sau sẽ đề cập đến các giải pháp kỹ
thuật beamformer khác nhau đó.
 Nếu chúng ta ngầm giả thiết là đã nhận biết được mảng vector đáp ứng cho
nhiều users khác nhau. Thì trong vùng một cell đô thị, mỗi tín hiệu đa đường sẽ
đến mảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyết
cho mỗi đường tính hiệu này. Trong trườnghợp này, rất khó để xác định chính xác
góc tín hiệu đến mảng và như vậy sự đánh giá vector đáp ứng của mảng là rất
không xác thực. Điều đó cho thấy sự cần thiết phải đánh giá góc đến AOA để tìm
ra vector đáp ứng của mảng. Ngoài ra kỹ thuật trên cần yêu cầu số lượng tín hiệu
đến mảng (bao gồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần
tử trong mảng. Điều này không thể có được trong mạng WCDMA. Kỹ thuật
Eigen-Beamforming, được xét đến ở phần sau, là giải pháp thích hợp, không cần
phải biết được vector đáp ứng của mảng cũng như không cần phải đánh giá rõ
ràng góc tới AOA.
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian
Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể được áp dụng trong hệ
thống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau.
Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấy
mẫu Nyquist. Tức là, tín hiệu được lấy mẫu với tần số (tốc độ lấy mẫu) lớn hơn 2
lần tần số lớn nhất của tín hiệu. Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f được gọi
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 17
Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03

là aliasing .Tương tự trong miền không gian, để tránh hiện tượng aliasing thì khối
beamformer phải thoã mãn điều kiện sau :

2
λ
≤d
(2.21)
Điều này được gọi là nguyên lý lấy mẫu trong miền không gian . Điều kiện đó
giúp cho khối beamforming tránh được hiện tượng aliasing, khoảng cách giữa các
phần tử trong mảng phải nhỏ hơn hay bằng nửa bước sóng sóng mang của tín
hiệu. Tuy nhiên khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không được nhỏ
quá để tránh sự tác động lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng. Vì vậy, trong thực
tế khoảng cách giữa các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốt
nhất. Trong chuyên đề này ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảng
ULA bằng nữa bước sóng sóng mang .
2.5 Lợi ích của phân tập không gian
Một mãng anten thích nghi có thể có được nhiều cấu trúc không gian khác
nhau và làm giảm được nhiễu fading nhiều tia. Mảng này có khả năng lái búp
sóng của mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng đến của tín hiệu nhiễu
.Tín hiệu thu được tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫn nhau. Vì
thế nếu tín hiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ
khác nhiều tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian đó .Vì thế
luôn có một tín hiệu tốt nhất thu được một trong các phần tử của mảng .Nên việc
tổ hợp các tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và
tăng độ trung thực của tín hiệu thu .
2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA
Trong một kênh có chọn lọc tần số ,có nhiều bản sao tín hiệu được truyền
đến máy thu, chúng đi qua nhiều đường khác nhau. Những bản tin sao chép này
được tổng hợp lại tại đầu thu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Khi các
tín hiệu này được truyền theo nhiều đường khác nhau, sẽ có một đường truyền

không (hoặc ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading. Điều này có nghĩa là nếu mỗi
đường truyền đều bị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu đi theo các đường khác
nhau sẽ có sự khác biệt rõ rệt. Tại đầu thu sẽ luôn thu được một kênh tín hiệu có
độ trung thực chấp nhận được. Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa
nhiều thiết bị tương quan nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau
và làm giảm nhiễu fading .Bộ thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng
nhiều trong hệ thống mạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 .Quá trình xử lý thời
gian trong bột hu Rake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu
fading. Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tổ hợp tín hiệu tương quan
.Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ và có
hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận nhiều đường tương ứng ,quá
trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ tối đa (MRC). MRC gọi là một kết cấu tổ hợp . Đối
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 18