Phân tập đa người dùng trong hệ thông tin băng rộng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.12 MB, 62 trang )



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






NGUYỄN TRUNG DŨNG





PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG
TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG









LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




HÀ NỘI – 2012

I



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






NGUYỄN TRUNG DŨNG





PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG
TRONG HỆ THÔNG TIN BĂNG RỘNG


Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70







LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THÀNH HIẾU









Nguyễn Thành Hiếu

HÀ NỘI – 2012
III


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA………………………………………………… …………….I
LỜI CAM ĐOAN…………………………… II
MỤC LỤC III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII
MỞ ĐẦU IX
CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP 1
I.
PHÂN TẬP 1
1. Phân tập thời gian 1
2. Phân tập tần số 2
3. Phân tập không gian 2
4. Các phương pháp kết hợp phân tập 3

4.1. Kết hợp lựa chọn 3
4.2. Kết hợp chuyển mạch 4
4.3. Kết hợp tối đa tỉ lệ 5
4.4. Kết hợp cùng hệ số 6
II.
VẤN ĐỀ ĐA NGƯỜI DÙNG 6
1. Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) 7
2. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) 8
3. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 9
4. Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) 10
CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN 12
I.
KÊNH VÔ TUYẾN CHUNG 12
1. Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến 12
IV


1.1. Kênh vô tuyến là một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian 12
1.2. Mô hình băng cơ sở tương đương 13
1.3. Mô hình băng cơ sở rời rạc 16
1.4. Ồn trắng cộng tính 17
2. Mô hình thống kê của kênh vô tuyến 18
II.
KÊNH MIMO 19
1. Mô hình tán xạ vật lý 19
2. Mô hình tương quan không gian 21
3. Mô hình rời rạc 22
3.1. Chuẩn hóa 22
3.1.1. Kênh 22
3.1.2. Năng lượng tín hiệu 23

3.1.3. Ồn 23
3.2. Mô hình tín hiệu kênh MIMO rời rạc 23
3.2.1. Kênh phẳng 23
3.2.2. Kênh lựa chọn tần số 23
4. Kênh đa người dùng và can nhiễu 24
4.1. Kênh đa người dùng 24
4.2. Can nhiễu 25
4.2.1. Can nhiễu SIMO 25
4.2.2. Can nhiễu MISO 25
CHƯƠNG 3: DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 27
I.
DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG BĂNG THÔNG HẸP 27
1. Mô hình 27
1.1. Các anten độc lập với nhau 29
1.2. Các anten tương quan với nhau 29
1.3. Dung năng ngưng kênh 30
V


2. Mô phỏng 30
2.1. Trường hợp 1: Không phân tập. 30
2.2. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan. 31
2.3. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan. 33
2.4. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin 34
II.
DUNG NĂNG KÊNH MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG BĂNG THÔNG RỘNG . 36
1. Mô hình 36
1.1. Các anten độc lập với nhau 38
1.2. Các anten tương quan với nhau 38
2. Mô phỏng 39

2.1. Trường hợp 1: Không phân tập. 39
2.2. Trường hợp 2: Phân tập, không tương quan. 39
2.3. Trường hợp 3: Phân tập, tương quan 40
2.4. Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin 41
KẾT LUẬN 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
PHỤ LỤC A 46
PHỤ LỤC B 47
PHỤ LỤC C 49
PHỤ LỤC D 50
PH
Ụ LỤC E 51
PHỤ LỤC F 53

VI


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
SNR: Tỉ số công suất tín hiệu trên công suất ồn.
TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian.
FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số.
CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã.
SDMA: Đa truy cập phân chia theo không gian.
AWGN: Ồn Gauss trắng cộng tính.
OFDM: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
OFDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao.
MUD: Tách đa người dùng.
MIMO: Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra.

SIMO: Một đầu vào, nhiều đầu ra.
MISO: Nhiều
đầu vào, một đầu ra.
ZMCSCG: Biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng vòng có trung bình bằng 0.
SISO: Một đầu vào, một đầu ra.
N

N

: Ma trận (N

 hàng) x (N

cột).



: Vết của ma trận 

.
E( ): Kỳ vọng.


: Chuyển vị của ma trận H.


: Chuyển vị liên hợp phức của ma trận H.
VII



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn. 3
Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch. 4
Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ. 5
Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số. 7
Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian. 9
Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã. 10
Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian. 11
Hình 2.1: Minh họa nâng tần từ 

 lên , sau đó hạ tần  trở lại 

. 14
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống từ tín hiệu phát băng cơ sở 

 đến tín hiệu thu băng cơ
sở 

. 15
Hình 2.3: Một sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh. 18
Hình 2.4: Sơ đồ sóng phát trên một anten mảng. 19
Hình 2.5: Minh họa bộ tán xạ gây trễ  và góc tới  trong kênh: a) SIMO; b) MISO
20
Hình 3.1: Mô hình đường xuống của hệ thống MIMO đa người dùng giao tiếp với
một điểm truy cập. 27
Hình 3.2: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng hẹp. 31
Hình 3.3a: Dung năng kênh MIMO N2 băng hẹp. 32
Hình 3.3b: Dung năng kênh MIMO N4 băng hẹ
p. 33
Hình 3.4: Dung năng kênh MIMO N4 băng hẹp trong 2 trường hợp các anten

độc lập và tương quan với hệ số 0.8. 34
Hình 3.5a: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO
4 ứng với SNR = -10dB. 35
Hình 3.5b: Đồ thị phân bố tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO
4 ứng với SNR = 10dB. 36
Hình 3.6: Dung năng kênh SISO (ứng với mỗi người dùng) băng rộng. 39
VIII


Hình 3.7: Dung năng kênh MIMO 4 băng rộng. 40
Hình 3.8: Dung năng kênh MIMO 4 băng rộng 8 người dùng với các hệ số
tương quan khác nhau. 41
Hình 3.9: Đồ thị phân phối tích lũy của tốc độ thông tin của hệ thống MIMO
4 băng rộng. 43

IX


MỞ ĐẦU
Kỹ thuật phân tập đã có nhiều ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động
dùng TDMA, CDMA giúp nâng cao độ tin cậy truyền tin, nhưng xét chủ yếu trên
hệ đơn người dùng từ điểm đến điểm. Vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Phân tập đa
người dùng trong hệ thông tin băng rộng” làm luận văn tốt nghiệp. Trong luận văn
này, chúng tôi muốn đề cập đến ư
u điểm của phân tập trong hệ thống đa người
dùng giúp nâng cao tổng dung lượng hệ thống.
Nội dung luận văn gồm 3 chương:
- Chương I: Phân tập và đa truy cập.
- Chương II: Kênh vô tuyến.

- Chương III: Dung năng kênh MIMO đa người dùng.
Tôi xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Thành Hiếu đã giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này. Tôi cũng muốn cám ơn gia đình tôi đã tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn.

1


CHƯƠNG I: PHÂN TẬP VÀ ĐA TRUY CẬP
I. Phân tập
Trong truyền thông không dây, kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để
giảm thiểu hậu quả của pha-đinh đa đường và làm tăng độ tin cậy của việc truyền
tin mà không cần tăng công suất truyền hoặc hy sinh băng thông. Kỹ thuật này yêu
cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát ở bên thu, chúng đều mang cùng thông tin
nhưng với tương quan nhỏ trong th
ống kê pha-đinh. Ý tưởng cơ sở của phân tập là:
nếu hai hay nhiều bản sao của một tín hiệu được phát, chúng sẽ suy giảm theo các
cách không tương quan với nhau, một số bị suy giảm rất lớn, trong khi số khác suy
giảm nhỏ. Điều này nghĩa là xác suất tất cả các bản sao đồng thời nhỏ hơn một mức
nào đó thấp hơn bất kỳ xác suất bản sao nào nhỏ hơ
n mức đó. Do đó, một sự kết
hợp phù hợp nhiều bản sao sẽ giảm thiểu đáng kể pha-đinh sâu, và từ đó, tăng độ
tin cậy truyền tin.
Trong các hệ thống truyền thông không dây, một số kỹ thuật phân tập được sử
dụng để đạt được hiệu năng mong muốn. Tùy theo miền phân tập được đưa vào,
người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tầ
n số và phân tập không gian.
1. Phân tập thời gian
Phân tập thời gian được thực hiện bằng cách truyền các bản tin giống hệt nhau

trên các khe thời gian khác nhau, đưa đến các tín hiệu pha-đinh không tương quan
ở bên thu. Khoảng cách giữa các khe thời gian được yêu cầu không nhỏ hơn thời
gian kết hợp của kênh. Thời gian kết hợp là một đại lượng thống kê cho biết
khoảng thời gian mà quá trình pha-đinh còn tương quan. Mã điều khiển lỗ
i thường
dùng trong kỹ thuật truyền thông số cũng được sử dụng để cung cấp độ lợi mã hóa.
Trong truyền thông di động, nó được kết hợp với kỹ thuật ghép xen để đạt được
phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các bản sao của tín hiệu phát được gửi
tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian giữa các bản
sao được tạo ra do ghép xen để đạ
t được pha-đinh độc lập tại đầu vào của bộ giải
mã. Vì ghép xen gây ra trễ giải mã nên kỹ thuật này thường hiệu quả đối với môi
trường pha-đinh nhanh, trong đó thời gian kết hợp của kênh nhỏ. Trong pha-đinh
chậm, ghép xen có thể gây nên trễ vượt mức cho phép đối với các ứng dụng nhạy
trễ như thoại. Điều này khiến phân tập thời gian bị loại bỏ trong m
ột số hệ thống di
2


động. Một trong các hạn chế của kỹ thuật này là mất mát băng thông do có sự dư
thừa trong miền thời gian.
2. Phân tập tần số
Trong phân tập tần số, nhiều tần số khác nhau được sử dụng để truyền cùng
một bản tin. Các tần số này phải tách biệt nhau để đảm bảo pha-đinh ứng với mỗi
tần số độc lập với các tần số khác.
Để đạt được điều này, khoảng cách tần số phải
lớn gấp vài lần băng thông kết hợp của kênh. Băng thông kết hợp với các môi
trường lan truyền khác nhau là khác nhau. Trong truyền thông di động, các bản sao
của tín hiệu phát được gửi tới bộ thu theo dạng dư thừa trong miền tần số được thực
hiện bởi trải phổ như trải phổ chuỗi trực tiế

p, điều chế đa sóng mang và nhảy tần.
Các kỹ thuật trải phổ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh nhỏ. Nhưng khi
băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông trải thì trễ đa đường sẽ liên quan
tới chu kỳ ký hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu quả để cung cấp
phân tập tần số. Cũng giống như phân tập th
ời gian, phân tập tần số làm mất mát
băng thông do gây ra sự dư thừa trong miền tần số.
3. Phân tập không gian
Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong truyền thông vi ba. Nó còn
được gọi là phân tập anten. Phân tập không gian thường được thực hiện sử dụng
nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp cạnh nhau trong không gian để phát
hoặc thu. Các anten được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu riêng
rẽ không tươ
ng quan với nhau. Khoảng cách yêu cầu thay đổi theo độ cao của
anten, môi trường lan truyền và tần số. Thông thường, giá trị này chỉ cần cỡ một
vài bước sóng là đủ để đạt được các tín hiệu không tương quan. Trong phân tập
không gian, các bản sao của tín hiệu phát được gửi đến bộ thu theo dạng dư thừa
trong miền không gian. Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập
không gian không làm mất mát băng thông. Đặc tính này rất hấp dẫ
n đối với truyền
thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Phân tập phân cực và phân tập góc là hai ví dụ của phân tập không gian.
Trong phân tập phân cực, các tín hiệu phân cực ngang và dọc được phát đi bởi hai
anten phân cực khác nhau và được nhận cũng bởi hai anten phân cực khác nhau.
Việc phân cực khác nhau đảm bảo hai tín hiệu không tương quan mà không cần đặt
hai anten cách xa nhau. Phân tập góc thường áp dụng trong việc phát với tần số
sóng mang lớn hơn 10GHz. Trong trường hợp này, khi các tín hiệu phát tán xạ

3



mạnh trong không gian thì các tín hiệu thu từ các hướng khác nhau sẽ độc lập với
nhau. Do đó, hai hoặc nhiều anten định hướng có thể được đặt theo các hướng khác
nhau ở bên thu để thu được các bản sao không tương quan của tín hiệu phát.
Tùy theo nhiều anten được sử dụng cho việc thu hay phát, chúng ta có thể chia
phân tập không gian thành hai loại: phân tập thu và phân tập phát. Trong phân tập
thu, nhiều anten được sử dụng ở bên thu để lấy các bản sao độc lập của tín hiệu
phát. Các b
ản sao này được kết hợp thích hợp để làm tăng SNR và làm giảm pha-
đinh đa đường. Trong phân tập phát, nhiều anten được khai thác ở bên phát. Bản tin
được xử lý ở bên phát sau đó trải trên nhiều anten.
4. Các phương pháp kết hợp phân tập
Đặc trưng then chốt của tất cả các kỹ thuật phân tập là xác suất suy giảm sâu
đồng thời của các kênh con thấp. Nói chung, hiệu năng của các hệ thống truyền
thông sử dụng phân t
ập phụ thuộc vào việc các bản sao tín hiệu được kết hợp ở bên
thu như thế nào để làm tăng SNR (Signal-to-noise ratio). Do đó, các kỹ thuật phân
tập còn có thể được phân loại theo phương pháp kết hợp được khai thác ở bên thu.
Dựa vào độ phức tạp và mức thông tin trạng thái kênh cần biết ở bên thu, có bốn
phương pháp kết hợp chính: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch, kết hợ
p cùng
hệ số và kết hợp tối đa tỉ lệ.
4.1. Kết hợp lựa chọn

Hình 1.1: Phương pháp kết hợp lựa chọn[3].

4


Kết hợp lựa chọn là phương pháp kết hợp đơn giản nhất. Xét một hệ thống

phân tập thu với 

anten thu. Trong hệ thống này, các tín hiệu có SNR tức thời lớn
nhất ở mỗi khoảng ký hiệu được lựa chọn làm đầu ra, để SNR đầu ra bằng SNR của
tín hiệu vào tốt nhất. Trong thực tế, tín hiệu có tổng công suất phát cộng công suất
ồn cao nhất thường được sử dụng, vì rất khó để đo được SNR.
4.2. Kết hợp chuyển mạch
Trong hệ thống phân tập kết hợp chuy
ển mạch, bên thu quét tất cả các nhánh
phân tập và chọn một nhánh với SNR cao hơn một ngưỡng đặt trước. Tín hiệu này
được chọn làm đầu ra cho đến khi SNR của nó rơi xuống dưới ngưỡng. Khi điều
này xảy ra, bên thu quét lại và chuyển tới nhánh khác. Kỹ thuật này còn được gọi là
phân tập quét.

Hình 1.2: Phương pháp kết hợp chuyển mạch[3].
So sánh với phân tập lựa chọn, phân tập chuyển mạch kém hơn vì nó không
l
ấy liên tục tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên, nó dễ thực hiện hơn khi không yêu
cầu theo dõi liên tục tất cả các nhánh phân tập.
Với cả hai kỹ thuật trên, tín hiệu đầu ra chỉ bằng một trong số tất cả các nhánh
phân tập. Hơn nữa, chúng không yêu cầu thông tin trạng thái kênh. Chính vì vậy,
hai kỹ thuật này có thể được sử dụng kèm với điều chế kết hợp hoặc không kết hợ
p.
5


4.3. Kết hợp tối đa tỉ lệ
Kết hợp tối đa tỉ lệ là phương pháp kết hợp tuyến tính. Trong một quá trình
kết hợp tuyến tính nói chung, các đầu vào được nhân trọng số rồi cộng lại để có
được tín hiệu ra. Các trọng số được lựa chọn theo nhiều cách.

Hình 1.3: Phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ[3].
Hình 1.3 chỉ ra sơ đồ khối củ
a phương pháp kết hợp tối đa tỉ lệ. Tín hiệu đầu
ra là kết hợp tuyến tính của các bản sao với trọng số, được cho bởi:

∑







(1.1)
Với 

là tín hiệu thu được ở anten thu thứ , và 

là nhân tử trọng số cho anten thu
. Trong kết hợp tối đa tỉ lệ, nhân tử trọng số của mỗi anten thu được chọn tỉ lệ với
tỉ số điện áp tín hiệu trên công suất ồn của chính nó. Gọi 

và ∅

lần lượt là biên
độ và pha của tín hiệu thu 

. Giả sử rằng các anten thu có cùng công suất ồn trung
bình, nhân tử trọng số 


được biểu diễn như sau:





∅

(1.2)
6


Phương pháp này được gọi là kết hợp tối ưu vì nó làm tối đa SNR đầu ra. Nó
chỉ ra rằng SNR đầu ra tối đa bằng tổng các SNR tức thời của các tín hiệu riêng lẻ.
Trong kỹ thuật này, các tín hiệu riêng lẻ phải đồng pha, được nhân với biên độ
tương ứng với nó rồi lấy tổng. Kỹ thuật này không yêu cầu pha của tín hiệu và biên
độ pha-đinh của kênh. Bởi vậy, nó có thể đượ
c sử dụng kèm với tách sóng kết hợp,
nhưng không thích hợp với tách sóng không kết hợp.
4.4. Kết hợp cùng hệ số
Kết hợp cùng hệ số là phương pháp kết hợp tuyến tính gần tối ưu nhưng đơn
giản. Nó không yêu cầu ước lượng biên độ pha-đinh của mỗi nhánh. Thay vào đó,
bên thu đặt biên độ của các nhân tử trọng số là đồng nhất.



∅

(1.3)

Theo cách này, tất cả các tín hiệu thu là đồng pha và được cộng với nhau với
cùng hệ số. Hiệu năng của kết hợp cùng hệ số chỉ kém hơn một chút so với kết hợp
tối đa tỉ lệ, nhưng độ phức tạp của nó giảm đi đáng kể.
II. Vấn đề đa người dùng
Trong hệ thống đa người dùng, tài nguyên được chia cho nhiều người sử
dụng.
Chúng ta đã biết tín hiệu có băng thông B và thời gian T chiếm không gian 2BT.
Để hỗ trợ nhiều người dùng, không gian tín hiệu của hệ thống phải được cấp phát
cho nhiều người dùng khác nhau. Việc cấp phát không gian tín hiệu tới những
người dùng cụ thể được gọi là đa truy cập.
Các kỹ thuật truy cập chia tổng không gian tín hiệu thành các kênh rồi cấp
những kênh này tới những người dùng khác nhau. Các phương pháp phổ biến nhấ
t
thường dùng là chia không gian tín hiệu theo các trục thời gian, tần số hoặc mã.
Sau đó, các kênh người dùng khác nhau được tạo nên từ việc phân chia trực giao
hoặc không trực giao trên các trục này: đa truy cập phân chia theo thời gian (Time
division multiple access: TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency
division multiple access: FDMA) là các phương pháp kênh hóa trực giao, trong khi
đa truy cập phân chia theo mã (Code division multiple access: CDMA) có thể trực
giao hoặc không trực giao phụ thuộc vào thiết kế mã. Anten định hướng, thường
đạt được thông qua việc xử lý anten mảng, thêm vào một không gian góc mà cũng
có th
ể được sử dụng để kênh hóa không gian tín hiệu. Kỹ thuật này được gọi là đa
7


truy cập phân chia theo không gian (Space divison multiple access: SDMA). Hiệu
năng của các phương pháp đa truy cập khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của
chúng và việc chúng được sử dụng ở đường lên hay đường xuống. TDMA, FDMA
và CDMA trực giao là tương đương theo nghĩa chúng chia trực giao không gian tín

hiệu, do đó chúng tạo ra số lượng kênh trực giao bằng nhau. Đặc biệt, với một
không gian tín hiệu 2BT cho trước, chúng ta có thể tạo ra N kênh trực giao 2BT/N,
không phụ thuộc vào việc phương pháp kênh hóa nào đượ
c sử dụng. Kết quả là, tất
cả các kỹ thuật đa truy cập mà chia trực giao không gian tín hiệu có dung năng
bằng nhau trên kênh AWGN (Additive white Gaussian noise). Tuy nhiên, sự làm
suy yếu kênh như pha-đinh phẳng và pha-đinh lựa chọn tần số ảnh hưởng tới các kỹ
thuật này theo các cách khác nhau, dẫn tới các dung năng kênh và hiệu năng khác
nhau trong thực tế.
1. Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)
Trong FDMA, không gian tín hiệu được chia trên trục tần số thành các kênh
không trùng lặ
p, mỗi người dùng được cấp một kênh tần số khác nhau. Giữa các
kênh thường có khoảng bảo vệ để bù cho các bộ lọc không hoàn hảo, nhiễu kênh
lân cận và trải phổ do Doppler. Nếu các kênh này đủ hẹp thì ngay cả khi tổng băng
thông hệ thống là lớn, chúng cũng không phải chịu pha-đinh lựa chọn tần số.

Hình 1.4: Đa truy cập phân chia theo tần số[1].
Việc truyền liên tục theo thời gian có thể làm phức t
ạp chức năng phần mào
đầu như ước lượng kênh vì các hàm này phải được thực hiện đồng thời và trong
8


cùng băng thông với dữ liệu truyền. FDMA cũng yêu cầu máy thu nhạy tần có thể
điều chỉnh tới các sóng mang khác nhau ứng với các kênh khác nhau. Rất khó để
gán nhiều kênh tới cùng một người dùng trong FDMA vì điều này yêu cầu máy thu
tách đồng thời các tín hiệu trên nhiều kênh tần số. FDMA là tùy chọn đa truy cập
phổ biến nhất trong các hệ thống truyền thông tương tự. Đa truy cập trong các hệ
thống OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing),

còn được gọi là
OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access), thực hiện FDMA bằng
cách cấp các sóng mang con khác nhau cho các người dùng khác nhau.
2. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
Trong TDMA, không gian hệ thống được chia dọc theo trục thời gian thành
các kênh không trùng lặp, và mỗi người dùng được cấp một khe thời gian khác
nhau, mỗi khe này lặp lại đều đặn theo chu kỳ. Các kênh TDMA này chiếm toàn bộ
băng thông hệ thống, thường là băng rộng, đặt ra yêu cầu cần làm giảm ISI
(Intersymbol interference). Vì các khe thời gian tuần hoàn nên việc truyền không
di
ễn ra liên tục cho mỗi người dùng. Do đó, phương pháp này yêu cầu kỹ thuật
truyền số cho phép sử dụng bộ đệm. Việc truyền không liên tục giúp đơn giản chức
năng phần mào đầu, như ước lượng kênh, vì các chức năng này có thể hoàn thành
trong các khe thời gian đang được sử dụng bởi những người dùng khác. TDMA còn
có thuận lợi nữa là dễ dàng khi cấp nhiều kênh tới một người dùng, đơn giả
n chỉ
cần cấp cho người đó nhiều khe thời gian.
Khó khăn lớn nhất của TDMA, ít nhất với đường lên, là yêu cầu về việc đồng
bộ giữa các người dùng khác nhau. Cụ thể, trong đường xuống, tất cả các tín hiệu
bắt nguồn từ cùng một bộ phát và truyền trên cũng một kênh tới bất kỳ bộ thu nào.
Do đó, trong kênh pha-đinh phẳng, nếu các người dùng truyền trên các khe thời
gian tr
ực giao thì tín hiệu thu được vẫn duy trì tính trực giao này. Tuy nhiên, với
đường lên, các người dùng truyền trên các kênh khác nhau với trễ tương ứng khác
nhau. Để duy trì các khe thời gian trực giao trong các tín hiệu thu được, các bộ phát
đường lên khác nhau phải đồng bộ hóa để sau khi truyền qua các kênh tương ứng,
tín hiệu thu được vẫn trực giao với nhau.Việc đồng bộ hóa này thường được sắp đặt
bởi trạm cơ sở hoặc điểm truy cập và có thể đòi h
ỏi mào đầu đáng kể. Đa đường
cũng có thể phá hủy tính trực giao ở cả đường lên và đường xuống nếu trễ đa

đường chiếm tỉ lệ đáng kể so với khe thời gian. Do đó, các kênh TDMA thường có
khoảng bảo vệ giữa chúng để bù cho lỗi đồng bộ và đa đường. Khó khăn nữa của
9


TDMA là với tính tuần hoàn của khe thời gian, đặc tính kênh thay đổi trên mỗi chu
kỳ. Do đó, các chức năng thu yêu cầu ước lượng kênh, như cân bằng, cần ước
lượng lại kênh trên mỗi chu kỳ. Khi việc truyền diễn ra liên tục, kênh được bám,
nên hiệu quả hơn.

Hình 1.5: Đa truy cập phân chia theo thời gian[1].
3. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
Trong CDMA, tín hiệu của các người dùng khác nhau được điều chế bởi mã
trải trực giao hoặc không tr
ực giao. Các tín hiệu trải chiếm cùng thời gian và băng
thông. Bộ thu dùng cấu trúc mã trải để tách riêng các người dùng khác nhau. Dạng
phổ biến nhất của CDMA là trải phổ đa người dùng với trải phổ chuỗi trực tiếp
hoặc trải phổ nhảy tần.
Đường xuống thường sử dụng các mã trải trực giao như Walsh-Hadamard, dù
trực giao có thể bị mất bởi đa đường. Đường lên thường s
ử dụng các mã không trực
giao do khó khăn trong việc đồng bộ và phức tạp trong việc duy trì trực giao mã khi
đa đường. Một trong các ưu điểm lớn nhất của CDMA không trực giao trong đường
lên là yêu cầu sự kết hợp ít động giữa các người dùng theo thời gian và tần số vì
các người dùng có thể được tách bởi đặc tính mã riêng. Thêm vào đó, vì TDMA và
FDMA chia không gian tín hiệu một cách trực giao nên có một giới hạn cứng bao
nhiêu kênh trực giao có thể được t
ạo ra. Điều này cũng đúng đối với CDMA sử
dụng mã trực giao. Nhưng nếu mã không trực giao được sử dụng thì không có giới
hạn cứng về số kênh có thể được tạo. Tuy nhiên, mã không trực giao gây nhiễu

giữa các người dùng, đồng nghĩa với việc càng nhiều người dùng đồng thời chia sẻ
băng thông hệ thống sử dụng mã không trực giao, mức can nhiễu càng lớn, điều
10


này làm giảm hiệu năng của tất cả người dùng. Kỹ thuật CDMA trực giao còn yêu
cầu điều khiển công suất trên đường lên để bù hiệu ứng gần-xa. Hiệu ứng này xuất
hiện trong đường lên bởi vì hệ số kênh giữa bộ phát và bộ thu của mỗi người dùng
khác so với các người dùng khác. Cụ thể, giả sử có một người dùng rất gần trạm cơ
sở hoặc
điểm truy cập, và một người khác đứng rất xa. Nếu cả hai phát cùng công
suất thì nhiễu từ người dùng ở gần sẽ tràn ngập tín hiệu người dùng ở xa. Do đó,
điều khiển công suất được sử dụng để công suất tín hiệu thu được của tất cả người
dùng xấp xỉ bằng nhau. Các hệ thống CDMA sử dụng mã không trực giao cũng có
thể sử dụng tách đa ng
ười dùng (Multiuser detection: MUD) để giảm nhiễu giữa
các người dùng. MUD giúp cải thiện hiệu năng đáng kể ngay cả với điều khiển
công suất hoàn hảo, và tốt hơn khi điều khiển công suất được tối ưu đồng thời với
kỹ thuật MUD. Cuối cùng, rất đơn giản để cấp nhiều kênh tới một người dùng với
CDMA bằng cách cấp cho người dùng đó nhiề
u mã.

Hình 1.6: Đa truy cập phân chia theo mã[1].
4. Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA)
SDMA sử dụng hướng (hay góc) như một chiều khác trong không gian tín
hiệu mà có thể được kênh hóa và cấp cho các người dùng khác nhau. Kỹ thuật này
thường được thực hiện với các anten hướng tính. Các kênh trực giao chỉ được cấp
khi khoảng cách góc giữa các người dùng lớn hơn độ phân giải góc của anten
hướng tính. Nếu sử dụng một anten mảng thì để đạt được độ phân giải góc chính
xác cần một mảng rất lớn, điều này có thể phi thực tế với trạm cơ sở hoặc điểm truy

cập và tất nhiên là không thể với thiết bị đầu cuối của người dùng.
11



Hình 1.7: Đa truy cập phân chia theo không gian[1].
Trong thực tế, SDMA thường được thực hiện nhờ sử dụng các anten mảng
phân vùng. Trong các mảng này, góc 360 độ được chia thành N vùng, mỗi vùng có
hệ số hướng tính cao và ít chịu nhiễu từ các vùng khác. TDMA hoặc FDMA cũng
có thể được sử dụng để kênh hóa trong mỗi vùng.
Tổng kết chương 1
Phân tập là kỹ thuật gửi nhiều bản sao của cùng một tín hiệu trên các đường
truyền độc l
ập. Bằng cách này, sẽ có một xác suất cao một bản sao bị suy giảm nhỏ,
giúp bên thu dễ dàng tách được tín hiệu, tức là tăng độ tin cậy truyền tin.
Dựa vào miền phân tập, người ta chia thành: phân tập thời gian, phân tập tần
số và phân tập không gian.
Có 4 phương pháp kết hợp phân tập: kết hợp lựa chọn, kết hợp chuyển mạch,
kết hợp tối đa tỉ lệ và kết hợp cùng h
ệ số.
Đa truy cập là việc cấp phát không gian tín hiệu cho các người dùng trong hệ
thống đa người dùng. FDMA, TDMA, CDMA và SDMA là các phương pháp đa
truy cập phổ biến.
12


CHƯƠNG 2: KÊNH VÔ TUYẾN
Hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến bị chi phối chủ yếu bởi kênh vô
tuyến. Trái với đặc tính “tĩnh” và dễ dự đoán của kênh có dây, kênh vô tuyến
“động” và không thể dự đoán được, do đó việc phân tích chính xác hệ thống thông

tin vô tuyến thường rất khó. Vì vậy, hiểu biết về kênh vô tuyến đóng vai trò nền
móng trong việc phát triển các kỹ thuật truyền vô tuyến hiệ
u suất cao và sử dụng
tối ưu băng thông.
I. Kênh vô tuyến chung
1. Mô hình vào-ra của kênh vô tuyến
Đầu tiên, chúng tôi sẽ chỉ ra rằng kênh vô tuyến có thể được mô phỏng như
một hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian, sau đó đưa ra biểu diễn băng cơ sở
của mô hình này. Tiếp theo, kênh liên tục được lấy mẫu để đạt được mô hình rời
rạc; cuối cùng, cộng thêm ồn.
1.1. Kênh vô tuyến là m
ột hệ thống tuyến tính thay đổi theo thời gian
Chúng ta tập trung vào đáp ứng của đầu vào hình sin 



2. Tín
hiệu nhận được có thể được viết dưới dạng
∑



,




,




, trong đó



,

và 

, lần lượt là suy giảm và trễ lan truyền tại thời điểm t trên đường
truyền  từ bộ phát tới bộ thu. Giả sử chúng không phụ thuộc vào tần số , chúng ta
có mối liên hệ vào ra như sau:





∑













(2.1)
Vì kênh là tuyến tính nên nó có thể được mô tả bởi đáp ứng , tại thời
điểm  với một xung được truyền ở thời điểm . Liên hệ vào ra theo , là:








,








(2.2)
So sánh (2.1) và (2.2), chúng ta thấy rằng đáp ứng xung của kênh pha-đinh đa
đường là:


,


∑













(2.3)
13


Có thể nói rằng, tất cả sự phức tạp của kênh vô tuyến giữa bộ phát và bộ thu
đã được rút gọn và biểu diễn một cách đơn giản là đáp ứng xung của bộ lọc tuyến
tính thay đổi theo thời gian.
Đặc biệt, khi tất cả bộ phát, bộ thu và môi trường là dừng thì suy giảm 


và trễ lan truyền 

 không phụ thuộc vào thời gian , chúng ta có kênh tuyến tính
bất biến thông dụng với đáp ứng xung:






∑








(2.4)
Với đáp ứng xung biến đổi theo thời gian ,, chúng ta xác định được đáp
ứng tần số cũng thay đổi theo thời gian:


,



,




∑









(2.5)
Khi kênh là tuyến tính bất biến, công thức này được rút gọn thành đáp ứng tần
số thông dụng.
1.2. Mô hình băng cơ sở tương đương
Trong các ứng dụng vô tuyến thông thường, truyền thông xảy ra trong băng
thông dải



2
⁄
,

2
⁄
của băng thông  xung quanh tần số trung tâm


. Tuy nhiên, hầu hết các quá trình xử lý như mã hóa/giải mã, điều chế/giải điều
chế, đồng bộ đều được thực hiện ở băng cơ sở. Ở bộ phát, khâu cuối cùng là “nâng
tần” tín hiệu lên tần số sóng mang và truyền nó đi thông qua anten. Tương tự, bước
đầu tiên ở bộ nhận là “hạ tần” tín hiệu xuống băng cơ sở trước khi xử lý. Do đó,
việ
c có biễu diễn băng cơ sở tương đương của hệ thống là rất hữu ích.
Đầu tiên, chúng tôi bắt đầu với biểu diễn băng cơ sở tương đương của tín hiệu.
Xét tín hiệu thực  với biến đổi Fourier , có băng tần giới hạn trong đoạn




2
⁄
,

2
⁄
với 2

. Định nghĩa giá trị phức băng cơ sở tương
đương của nó 

 là tín hiệu có biến đổi Fourier:






√
2







0
0


0
(2.6)
Vì  là thực nên biến đổi Fourier của nó thỏa mãn 
∗
, nghĩa
là 

 chứa cùng thông tin như . Nhân tử
√
2 có vẻ khá tùy ý nhưng thực ra
14


nó được chọn để chuẩn hóa năng lượng của 

 và  giống nhau. Chú ý rằng


 có băng thông giới hạn trong đoạn



2
⁄
,

2
⁄
.

Để tái tạo lại  từ 

, chúng ta nhớ rằng:

√
2












∗


 (2.7)

Hình 2.1: Minh họa nâng tần từ 

 lên , sau đó hạ tần  trở lại 

[4].
Lấy biến đổi Fourier ngược, ta được:







√












∗





√
2









 (2.8)
Mối liên hệ giữa và được chỉ ra trên hình 2.1. Tín hiệu băng thông dải s
đạt được bằng cách điều chế tín hiệu thực băng cơ sở 






bởi
√
2
cos2

 và
tín hiệu phức băng cơ sở 






bởi 
√
2
sin2


, sau đó cộng lại để được
√
2






 (nâng tần). Tín hiệu băng cơ sở 






(hoặc 






) đạt
được bằng cách điều chế s(t) bởi
√
2
cos2


 (hoặc 
√
2sin2

), sau đó dùng
bộ lọc thông thấp lý tưởng ở băng cơ sở

2
⁄
,2
⁄
(hạ tần).
Quay trở lại kênh pha-đinh đa đường (2.1) có đáp ứng xung cho bởi (2.3). Gọi


 và 

 lần lượt là tín hiệu băng cơ sở tương đương của tín hiệu phát 
và tín hiệu thu . Hình 2.2 chỉ ra sơ đồ hệ thống từ 

 tới 

. Kỹ thuật này
được gọi là điều chế biên độ vuông pha. Tín hiệu 





được gọi là thành phần

đồng pha và 





là thành phần vuông pha.
15



Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống từ tín hiệu phát băng cơ sở 

 đến tín hiệu thu băng cơ
sở 

[4].
Bây giờ, chúng ta sẽ tính kênh băng cơ sở tương đương. Thay 
√
2






 và 





√
2





 vào (2.1) ta được:














































(2.9)
Tương tự, ta có:








∑




















 (2.10)
Do đó, kênh băng cơ sở tương đương là:







∑












(2.11)
Trong đó:











(2.12)
Liên hệ vào ra trong (2.11) cũng là liên hệ vào ra của hệ thống tuyến tính thay

đổi theo thời gian, đáp ứng xung băng cơ sở tương đương là:
16





,


∑










(2.13)
Biến đổi Fourier 

, của 


,

với t cố định đơn giản là đáp ứng tần số

của hệ thống băng thông dải (ở thời điểm t) dịch đi một khoảng bằng tần số sóng
mang 

,.
1.3. Mô hình băng cơ sở rời rạc
Bước tiếp theo trong việc tạo một mô hình kênh hữu dụng là chuyển đổi kênh
liên tục thành kênh rời rạc bằng cách lấy mẫu. Giả sử dạng sóng đầu vào có băng
thông  hữu hạn, thì tín hiệu băng cơ sở tương đương có băng thông giới hạn
2
⁄
và có thể được biểu diễn dưới dạng:






∑






(2.14)
Trong đó, 



được cho bởi 




⁄
và  được định nghĩa là:







(2.15)
Sử dụng (2.11), đầu ra băng cơ sở được tính là:






∑



∑




