Ứng dụng kỹ thuật phân lập không - thời gian trong hệ Mimo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.38 MB, 69 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HÀ THANH SƠN
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG -
THỜI GIAN TRONG HỆ MIMO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
HÀ THANH SƠN
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG -
THỜI GIAN TRONG HỆ MIMO
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kĩ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS Nguyễn Viết Kính
Hà Nội - 2011
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………… i
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………… ii
MỤC LỤC…………………………………………………………………… iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT……………………………………………… v
CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC………………………………………………… vii
DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………… viii
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… 1
Chương 1- KĨ THUẬT PHÂN TẬP…………………………………………….2
1.1 Mô hình kênh fading………………………………………………….2
1.1.1 Ảnh hưởng vật lí…………………………………………… 2
1.1.2 Ảnh hưởng của chuyển động……………………………… 3
1.1.3 Phân loại kênh fading……………………………………… 4
1.1.4 Mô hình thống kê cho kênh fading………………………… 5
1.2 Phân tập…………………………………………………………… 10
1.2.1 Lí do dùng phân tập………………………………… 10
1.2.2 Những kỹ thuật phân tập 10
1.2.3 Những phương pháp tổ hợp phân tập 12
Chương 2 – MÔ HÌNH KÊNH MIMO, CÁC BÀI TOÁN CỦA HỆ
MIMO 18
2.1 Khái niệm hệ thống MIMO 18
2.2 Các độ lợi trong hệ thống MIMO 18
2.3 Mô hình hệ thống MIMO 20
2.4 Những bài toán với kênh MIMO 23
2.5 Dung năng của kênh MIMO 26
2.5.1 Dung năng của kênh MIMO với những hệ số kênh cố
định 26
2.5.2 Dung năng của hệ thống MIMO với những hệ số kênh ngẫu
nhiên 28
2.6 Giảm lỗi khi dùng MIMO 32
Chương 3 – GIẢI BÀI TOÁN THEO KỸ THUẬT PHÂN TẬP KHÔNG GIAN
VÀ THỜI GIAN 36
3.1 Giới thiệu 36
3.2 Hệ thống mã khối không – thời gian 36
3.3 Mã khối không thời gian Alamouti 39
iv
3.3.1 Giới thiệu mã Alamouti 39
3.3.1.1 Mã hóa không thời gian Alamouti 39
3.3.1.2 Phép tổ hợp và giải mã hợp lí nhất ML 41
3.3.2 Hệ thống Alamouti với nhiều anten thu 43
3.4 Mã khối không – thời gian( STBC) 43
3.4.1 Mã hóa khối không - thời gian 44
3.4.2 STBC cho chòm sao tín hiệu thực 45
3.4.3 STBC cho chòm sao tín hiệu phức 48
3.5 Giải mã của mã khối không – thời gian 49
Chương 4 – MÔ PHỎNG DÙNG MATLAB 53
4.1 Mục đích mô phỏng 53
4.2 Sơ đồ mô phỏng 53
4.3 Thông số mô phỏng 54
4.4 Kết quả mô phỏng 54
4.4.1 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế BPSK với mã
Alamouti 54
4.4.2 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế 64 QAM với mã
Alamouti 55
4.4.3 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế 64,16,4 QAM với mã
Alamouti 56
4.4.4 So sánh chất lượng các phương pháp tổ hợp 57
4.4.5 So sánh phương pháp SC với số lượng anten khác nhau 58
4.4.6 So sánh phương pháp EGC với số lượng anten khác nhau 59
KẾT LUẬN…………………………………………………………… 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 61
v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AGWN
Additive Gaussian White Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng tính
ASK
Amplitude Shift Keying
Khóa dịch biên độ
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bít
BPSK
Binary phase shift keying
Khóa dịch pha cơ số 2
CCI
Channel Covariance Information
Thông tin hiệp phương sai kênh
CMI
Channel Mean Information
Thông tin trung bình kênh
CNR
Carrier to Noise Ratio
Tỷ số công suất sóng mang trên
tạp
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
CSIT
Transmitter Channel State
Information
Thông tin trạng thái kênh
phía phát
i.i.d
Identical Independent distribution
Phân bố độc lập đồng nhất
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu giữa các ký hiệu
LOS
Line of sight
Đường truyền thẳng
LST
Layered Space-Time
Không thời gian lớp
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Đa đầu vào đa đầu ra
MMSE
Minimum mean square error
Lỗi bình phương trung bình nhỏ
nhất
ML
Maximum likelihood
Hợp lí nhất
MPC
Multipath Component
Thành phần đa đường
MRC
Maximum Rate Combiner
Bộ tổ hợp tỉ số cực đại
NIPC
Non-Uniform Input Power Channel
Kênh công suất lối vào kênh chia
không đều
NLOS
Non Line of Sight
Không có đường truyền thẳng
Probability density function
Hàm mật độ xác suất
QAM
Quadrature amplitude modulation
Điều chế biên độ cầu phương
Rx
Receiver
Bộ thu
vi
SER
Symbol Error Ratio
Tỷ lệ lỗi kí hiệu
SIC
Successive interference cancellation
Loại bỏ nhiễu liên tiếp
SIMO
Single Input Multiple Output
Một đầu vào đa đầu ra
SINR
Signal-to-Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SISO
Single Input Single Output
Một đầu vào một đầu ra
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ lệ tín trên ồn
STBC
Space-time block code
Mã khối không thời gian
STTC
Space-Time Trellis Codes
Mã lưới không thời gian
Tx
Transmitter
Bộ phát
UIPC
Uniform Input Power Channel
Kênh công suất lối vào kênh chia
đều
vii
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Liên hợp phức
T
Ma trận chuyển vị
H
Chuyển vị liên hợp phức từng phần (toán tử Hermitian)
2/1
Căn bậc hai ma trận
Chuẩn véc tơ
x
Giá trị trung bình của x
ã
Giá trị ước lượng của a
E
Giá trị kỳ vọng
n
I
Ma trận đơn vị kích thước n x n
tr[K]
Vết của ma trận vuông K
Tỷ số tín trên ồn
C
Dung năng của kênh truyền
U, V
Ma trận đơn nhất
H
Ma trận kênh truyền
R
Ma trận tín hiệu thu
X
Ma trận tín hiệu đầu vào
N
Ma trận nhiễu kênh tại bên thu
x
Véc tơ đầu vào
r
Véc tơ tín hiệu thu
K
x
Là ma trận hiệp biến của véc tơ ngẫu nhiên Gauss phức
η
Hiệu suất phổ của hệ thống
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng.
Hình 1.2 Ví dụ về những đường khác nhau trong một kênh không dây.
Hình 1.3 Hàm pdf của phân bố Rayleigh.
Hình 1.4 Phân bố Jacke
Hình 1.5 pdf của phân bố Rice với những giá trị K khác nhau.
Hình 1.6 Các kỹ thuật phân tập.
Hình 1.7 Phương pháp tổ hợp chọn lọc.
Hình 1.8 Phương pháp tổ hợp chuyển mạch.
Hình 1.9 Phương pháp tổ hợp tỉ số cực đại.
Hình 1.10 So sánh độ lợi của những phương pháp tổ hợp khác nhau.
Hình 2.1 Hình trực quan của một hệ thống MIMO.
Hình 2.2 Kỹ thuật Beamforming.
Hình 2.3 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền.
Hình 2.4 Phân tập không gian.
Hình 2.5 Mô hình MIMO với N anten phát và M anten thu.
Hình 2.6 Biểu đồ dung năng cho kênh phân tập thu trên kênh fading khối và
nhanh với bộ tổ hợp phân tập tỉ số cực đại.
Hình 2.7 Biểu đồ dung năng kênh cho phân tập thu trên kênh fading khối và
nhanh với bộ tổ hợp phân tập chọn lọc.
Hình 2.8 Biểu đồ dung năng kênh cho phân tập phát không kết hợp trên một
kênh fading Rayleigh khối và nhanh.
Hình 2.9 So sánh hiệu quả BER của điều chế BPSK kết hợp với kênh AWGN
và kênh fading Rayleigh.
Hình 2.10 Hiệu quả BER của BPSK kết hợp trên kênh fading Rayleigh dùng
phân tập MRC; đường cong trên tương ứng với hiệu quả không phân tập; những
đường cong dưới tương ứng với những hệ thống dùng 2,3,4,5,6 anten thu, tương
ứng từ trên xuống dưới.
Hình 2.11 Hiệu quả BER của điều chế BPSK trên kênh fading Rayleigh với
phân tập phát; đường trên cùng tương ứng với không phân tập; đường dưới cùng
ứng với kênh nhiễu AWGN; những đường ở giữa tương ứng với phân tập phát
dùng 2,3,4,5,6,7,8,9,10,15,20 và 40 anten tương ứng từ trên xuống dưới.
Hình 3.1 Mô hình hệ thống mã khối không - thời gian.
Hình 3.2 Sơ đồ khối của bộ mã hóa không - thời gian Alamouti.
ix
Hình 3.3 Bộ thu của hệ thống Alamouti.
Hình 3.4 Bộ mã hóa cho mã khối không - thời gian.
Hình 4.1 Phần phát.
Hình 4.2 Kênh truyền.
Hình 4.3 Phần thu.
Hình 4.4 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế BPSK với mã Alamouti.
Hình 4.5 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế 64 QAM với mã Alamouti
Hình 4.6 Đồ thị tỉ lệ lỗi bít cho điều chế 64,16,4 QAM với mã Alamouti
Hình 4.7 So sánh chất lượng của các phương pháp tổ hợp
Hình 4.8 Phương pháp SC với số lượng anten khác nhau.
Hình 4.9 Phương pháp EGC với số lượng anten khác nhau.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
2
Chương 1
KỸ THUẬT PHÂN TẬP
Quá trình truyền tín hiệu vô tuyến từ nơi phát tới nơi thu, do ảnh hưởng của
môi trường, nhìn chung tín hiệu sẽ bị méo và ảnh hưởng tới chất lượng truyền.
Ảnh hưởng đó như thế nào và cách khắc phục ảnh hưởng đó được xét trong
chương này.
1.1 Mô hình kênh fading.[6]
1.1.1 Ảnh hưởng vật lí.
Về mặt định tính, trong môi trường vô tuyến di động tế bào, những vật
xung quanh như, nhà, cây cối,… phản xạ sóng vô tuyến. Những chướng ngại vật
này gây ra sóng bị phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ có biên độ và pha giảm dần.
a) Hiện tượng phản xạ b) Hiện tượng tán xạ c) Hiện tượng nhiễu xạ
Hình 1.1 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình truyền sóng
•Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng ( hình 1.1a).
•Tán xạ: khi sóng đập vào các bề mặt không bằng phẳng và các vật này có
kích thước so sánh được với chiều dài bước sóng ( hình 1.1b).
•Nhiễu xạ: khi sóng va chạm với các vật thể có kích thước lớn hơn nhiều
chiều dài bước sóng ( hình 1.1c).
Khi sóng va chạm vào các vật thể sẽ tạo ra vô số các bản sao tín hiệu, một
số bản sao này sẽ tới máy thu.
Nếu một tín hiệu điều chế được truyền đi, những sóng phản xạ do đa
đường của tín hiệu truyền sẽ đến anten thu từ những hướng khác nhau với những
trễ truyền lan khác nhau. Những sóng phản xạ này được gọi là sóng đa đường.
Do thời gian và những góc đến khác nhau, sóng đa đường ở bên thu có pha và
biên độ khác nhau. Khi chúng được thu gom bởi anten thu tại bất kì điểm nào
trong không gian, chúng có thể tổ hợp hoặc tăng cường hoặc suy giảm, phụ
thuộc vào pha ngẫu nhiên của các sóng tới.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
3
Hình 1.2. Ví dụ về những đường khác nhau trong một kênh không dây.
Về mặt toán học ,thì tín hiệu tại máy thu là tổng của các thành phần tín
hiệu đến từ L đường như hình 1.2 ( chưa kể nhiễu) có dạng sau
y(t) =
1
()
L
ii
i
xt
(1.1)
với
( ) ( )
i i i
tt
hệ số suy hao biên độ và xoay pha.
()
ii
t
là thời gian trễ có giá trị thực.
Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu tới máy thu có dạng sau:
( ) ( ). ( , ) ( ) ( , )y t x t h t d x t h t
(1.2)
với
( , )ht
là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian của kênh truyền.
1
( , ) ( ). [ - (t)]
L
ii
i
h t t
(1.3)
Từ (1.3) bằng cách thực hiện biến đổi Fourier ta có đáp ứng hàm truyền
thay đổi theo thời gian
2
( , ) ( , )
jf
H t f h t e d
(1.4)
1.1.2 Ảnh hưởng của chuyển động.
Do sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu, mỗi sóng đa
đường chịu một dịch chuyển tần số. Dịch chuyển tần số của tín hiệu nhận là do
sự chuyển động được gọi là dịch chuyển Doppler. Nó tỉ lệ với tốc độ tương đối
Máy phát
Máy thu
Tán xạ
Phản xạ
Nhiễu xạ
Đường truyền
thẳng
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
4
của mỗi di động. Xem xét một tình huống khi chỉ có một tín hiệu tần số f
c
được truyền và tín hiệu thu bao gồm chỉ một sóng tới, góc của tia tới và hướng
chuyển động là θ. Dịch chuyển Doppler của tín hiệu thu, kí hiệu f
d
được cho bởi
f
d
=
os
c
v
c
c
f
(1.5)
trong đó, v là tốc độ dịch chuyển của máy thu, c là tốc độ ánh sáng. Dịch chuyển
Doppler trong môi trường truyền lan đa đường làm mở rộng băng tần của sóng
đa đường trong dải f
c
± f
d max
, trong đó f
d max
là dịch chuyển Doppler cực đại ,
cho bởi
f
dmax
=
c
v
c
f
(1.6)
1.1.3 Phân loại kênh fading.[1]
Để phân loại kênh fading ta xét một số khái niệm và định nghĩa sau.
Để định nghĩa trải trễ, ta giả sử kênh đa đường bao gồm I đường, công
suất và trễ của đường thứ i là p
i
và τ
i
, trễ trung bình là:
1
1
I
I
ii
i
i
i
p
p
(1.7)
Trải trễ được định nghĩa là:
2
2
(1.8)
trong đó:
2
2
1
1
I
I
ii
i
i
i
p
p
(1.9)
Về tần số:
• Độ rộng băng( hay băng thông) kết hợp kênh tính xấp xỉ gần đúng bằng:
1
5
c
B
(1.10a)
• Độ rộng băng tín hiệu B
s
.
1
s
s
B
T
(1.10b)
Về thời gian:
• Chu kì kí hiệu T
s
: là nghịch đảo của tốc độ kí hiệu R
s
.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
5
• Thời gian kết hợp
1
coh
Doppler spread
.
Về không gian:
• Khoảng cách giữa những phần tử d.
• Chiều dài khối L là chiều dài của khối dữ liệu truyền.
• Khoảng cách kết hợp d
coh
.
Kênh fading được chia làm: kênh fading quy mô nhỏ và kênh fading quy
mô lớn.
a. Kênh fading quy mô nhỏ.
Miền
Loại fading tín hiệu
Thời gian
Fading chậm.
s
coh
T
Fading dừng
s
coh
LT
Fading nhanh
s
coh
T
Tần số
Fading phẳng ( fading không chọn lọc
tần số )
cs
BB
Fading chọn lọc tần
số.
cs
BB
Không gian
Fading tương quan không gian.
coh
dd
fading độc lập không
gian.
coh
dd
b. Fading quy mô lớn.
Xét sự suy giảm công suất phát của tín hiệu ở những khoảng cách lớn
theo những mô hình khác nhau ( mô hình không gian tự do, mô hình Okumura,
mô hình Hata,…)[7].
1.1.4 Mô hình thống kê cho kênh fading.
Vì có nhiều quá trình vật lí tham gia trong việc truyền lan tín hiệu trong
môi trường di động tế bào, các quá trình này xảy ra có tính chất ngẫu nhiên nên
thích hợp là áp dụng phương pháp thống kê, tức là miêu tả sự thay đổi này theo
phương pháp thống kê. Tùy theo đường bao của tín hiệu sau khi đi qua kênh
truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà có thể phân
kênh thành fading Rayleigh và fading Rice. Ta xét chi tiết hai loại này.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
6
a) Fading Rayleigh
Xét sự truyền một tín hiệu với biên độ không đổi. Trong loại kênh vô
tuyến di động, chúng ta giả sử rằng sóng trực tiếp của tín hiệu bị chắn và mỗi di
động chỉ nhận những sóng phản xạ. Khi số những sóng phản xạ lớn, theo định lí
giới hạn trung tâm, hai thành phần vuông pha của tín hiệu thu là biến ngẫu nhiên
Gauss không tương quan nhau, với trung bình không và phương sai σ
2
s
.
Đường bao của tín hiệu thu tại thời điểm bất kì tuân theo phân bố Rayleigh và
pha của nó tuân theo một phân bố đều giữa – π và π [2]
Hàm mật độ xác suất (pdf) của phân bố Rayleigh được cho bởi
2
22
/2
.
()
0
s
a
s
a
e
pa
(1.11)
Giá trị trung bình kí hiệu m
a
và phương sai kí hiệu σ
2
a
của biến ngẫu
nhiên phân bố Rayleigh như sau:
2 2 2
. 1,2533
2
2 0,4292
2
a s s
s s s
m
(1.12)
Nếu hàm mật độ xác suất (1.11) được chuẩn hóa thì công suất tín hiệu
trung bình (E [ a
2
]) là đơn vị, phân bố Rayleigh chuẩn hóa thành
2
20
()
00
a
ae a
pa
a
(1.13)
Giá trị trung bình và phương sai khi đó là:
2
0.8862
0.2146
a
a
m
(1.14)
Hàm mật độ xác suất cho phân bố Rayleigh chuẩn được chỉ ra trên hình
1.3
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
7
Hình 1.3 hàm pdf của phân bố Rayleigh.
b)Trong kênh fading tán xạ đẳng hướng với dịch chuyển Doppler cực đại
f
d max
, hàm pdf của tần số dịch chuyển Doppler có phân bố Jakes [9]. Thật vậy
từ (1.5) và (1.6), ta có f(θ) = f
max
. cosθ, thì:
1
p
m
pf
f
d
f
d
(1.15)
Trường hợp m = 2,
.sin
ax
d
ff
m
d
, thì:
ax
2
ax
ax
1
1
fm
m
m
p f f f
f
f
f
(1.16)
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
8
Biểu diễn của phân bố Jacke có dạng hình ( 1.4)
Hình 1.4 phân bố Jacke
c) Fading Rice
Trong một số mô hình lan truyền, như kênh vệ tinh hoặc kênh vô tuyến di
động vi tế bào, không có vật cản trở trên đường truyền thẳng. Tín hiệu thu bao
gồm một sóng trực tiếp và một số sóng phản xạ. Giả thiết sóng trực tiếp là tín
hiệu ổn định không fading biên độ là hằng số. Những sóng phản xạ là những tín
hiệu ngẫu nhiên độc lập,tổng của chúng gọi là thành phần phân tán của tín hiệu
nhận.
Như đã nói ở trên khi số sóng phản xạ lớn, những thành phần pha vuông
góc của tín hiệu phân tán có thể biểu thị bằng đặc điểm như một quá trình ngẫu
nhiên Gauss có trung bình không và phương sai σ
2
s
. Đường bao của thành phần
phân tán có phân phối xác suất Rayleigh ( công thức 1.11).
Tổng của một tín hiệu trực tiếp biên độ không đổi này và tổng những tín
hiệu phân tán phân bố Rayleigh thu được một tín hiệu có phân bố đường bao
Rice. [6].
Hàm pdf của phân bố Rice có dạng:
0
22
22
()
2
2
( ) 0
()
00
aD
s
ss
a aD
e I a
pa
a
(1.17)
Trong đó D
2
là công suất tín hiệu trực tiếp và I
0
(.) là hàm Bessel loại
một và bậc không.
Khi công suất tín hiệu tổng cộng được chuẩn hóa bằng 1, hàm pdf trong
(1.17) trở thành
-f
max
+f
max
f
P
f
(f)
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
9
0
22
(1 )
2 (1 ) (2 ( 1)) 0
()
00
K K a
a K e I a K K a
pa
a
(1.18)
Trong đó K là hệ số Rice, là tỉ số công suất của tín hiệu theo đường trực
tiếp và những thành phần tín hiệu phân tán. Hệ số Rice được cho bởi
2
2
2
D
K
s
(1.19)
Giá trị trung bình và phương sai của biến ngẫu nhiên phân bố Rice được
cho bởi:
22
(1 ) ( ) ( )
01
2 2 2
1
21
1
K K K
K I KI
a
aa
me
K
m
(1.20)
Trong đó I
1
(.) là hàm Bessel bậc 1. K= 0 không có thành phần tín hiệu
trực tiếp và hàm pdf Rice trở thành hàm pdf Rayleigh. Phân bố Rice với những
giá trị K khác nhau được chỉ ra trong hình 1.5
Hình 1.5 pdf của phân bố Rice với những giá trị K khác nhau.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
10
1.2. Phân tập
1.2.1. Lí do dùng phân tập
Do hiện tượng fading đa đường làm tăng nhiễu dẫn tới làm giảm chất
lượng tryền thông không dây. Để khắc phục điều này trong thông tin liên lạc di
động không dây, những kĩ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh
hưởng của fading đa đường và tăng sự tin cây của truyền dẫn mà không tăng
công suất truyền hoặc tăng băng thông. Vậy phân tập là gì?
Kĩ thuật phân tập thực chất là lợi dụng tính đa đường của truyền thông
không dây bằng cách tạo ra nhiều bản sao của tín hiệu truyền tại nơi thu, tất cả
mang thông tin giống nhau, có tương quan nhỏ hoặc không tương quan với
nhau.
Ý tưởng cơ bản của phân tập đó là, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của
một tín hiệu được dùng, những mẫu này sẽ suy giảm không như nhau, một vài
mẫu suy giảm nhanh trong khi những mẫu khác lại giảm ít hơn. Điều này có
nghĩa rằng xác suất tất cả các mẫu cùng lúc dưới một mức đã cho, là thấp hơn
xác suất một mẫu riêng lẻ bất kì dưới mức đó. Do đó, bộ tổ hợp chính xác của
những mẫu khác nhau làm giảm fading và tăng sự tin cậy của truyền tin.
1.2.2. Những kĩ thuật phân tập
Trong hầu hết những hệ thông tin không dây một số phương pháp phân
tập được sử dụng để đạt được hiệu quả yêu cầu. Theo miền trong đó phân tập
được trình bày, những kĩ thuật phân tập được phân thành phân tập thời gian,
phân tập không gian, phân tập tần số.
a.Phân tập thời gian.
Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền những thông tin
giống nhau trong những khe thời gian khác, tại nơi thu các tín hiệu fading không
tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian kết
hợp của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ fading do Doppler
1
.
c
d
c
vf
f
.
Mã sửa lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để có thêm độ lợi
mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động,
mã sửa lỗi kết hợp với phân kênh theo thời gian để đạt được sự phân tập thời
gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát tới nơi thu dưới
dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của
tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được fading độc lập ở
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
11
lối vào của bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trễ khi giải mã,
nên kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường fading nhanh, ở đó thời gian
kết hợp của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền fading chậm nếu xen kênh
quá nhiều thì có thể dẫn đến trễ đáng kể.
b.Phân tập tần số.
Trong phân tập tần số, một số tần số khác nhau được sử dụng để truyền
những thông tin giống nhau. Những tần số cần đủ xa nhau để đảm bảo fading
độc lập với mỗi tần số. Khoảng cách giữa những tần số phải lớn hơn vài lần
băng thông kết hợp để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không
tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu
phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn
được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy
tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh truyền nhỏ.
Tuy nhiên khi băng thông kết hợp của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ,
trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kì của tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ
là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao
hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.
c.Phân tập không gian.
Phân tập không gian là một kĩ thuật thông dụng trong thông tin liên lạc
không dây. Phân tập không gian cũng được gọi là phân tập anten. Sử dụng nhiều
anten hoặc mảng anten được lắp đặt cùng nhau trong không gian cho truyền dẫn
và/ hoặc thu nhận. Nhiều anten được tách biệt theo quy luật tự nhiên bởi khoảng
cách riêng do đó những tín hiệu riêng lẻ là không tương quan. Yêu cầu khác
nhau với chiều cao anten, môi trường truyền lan và tần số và các anten chỉ cần
cách nhau vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau.
Trong phân tập không gian, những phiên bản của tín hiệu phát thường cung cấp
cho bên thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian. Không giống phân tập
thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu quả băng
tần. Đặc tính này rất hấp dẫn cho thông tin liên lạc không dây tốc độ cao trong
tương lai.
Phân tập không gian còn có các phân tập phân cực và phân tập góc. Trong
phân tập phân cực, những tín hiệu phân cực ngang và phân cực dọc được phát
bởi hai anten phân cực khác nhau và được thu bởi hai anten phân cực khác nhau.
Những phân cực khác nhau đảm bảo rằng hai tín hiệu không tương quan mà
không cần phải đặt hai anten cách nhau xa. Phân tập góc thường áp dụng cho
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
12
truyền dẫn có tần số sóng mang lớn hơn 10Ghz. Trong trường hợp này, do tín
hiệu phát phân tán rộng trong không gian, tín hiệu thu từ những hướng khác
nhau là độc lập lẫn nhau. Do đó, hai hoặc nhiều anten định hướng có thể được
làm thích hợp thu những hướng khác nhau ở bên thu để có những phiên bản
không tương quan của những tín hiệu phát.
Phụ thuộc vào có hay không nhiều anten được sử dụng để phát hoặc thu,
chúng ta có thể chia phân tập không gian thành hai loại : phân tập phát và phân
tập thu. Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng tại bên thu để chọn ra
những phiên bản độc lập của tín hiệu phát. Những phiên bản của tín hiệu phát
được tổ hợp tăng SNR thu và giảm fading đa đường. Trong phân tập phát, nhiều
anten được triển khai ở phía phát. Tin tức được xử lí ở phía phát sau đó được
đưa đến các anten.
Tùy theo các hệ truyền dẫn cụ thể về kênh truyền người ta có thể áp dụng
kỹ thuật lai ghép : không gian/ thời gian, không gian/ tần số, và không gian/ thời
gian/ tần số như hình( 1.6)
Hình 1.6 Các kỹ thuật phân tập
a)Không gian/ thời gian.
b) Không gian/ tần số
c) Không gian/ thời gian/tần số
1.2.3 Những phương pháp tổ hợp phân tập.[6]
Trong phần trước, phân tập được giới thiệu theo miền trong đó phân tập
được giới thiệu. Cơ sở của kĩ thuật phân tập đó là xác suất đồng thời các suy
giảm sâu trong những kênh con khác nhau là thấp. Trong trường hợp tổng quát,
hiệu quả của những hệ thống thông tin liên lạc với những kĩ thuật phân tập phụ
Tần số
Thời gian
Không gian
a)
Không gian
Thời gian
Tần số
b)
c)
Thời gian
Tần số
Không gian
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
13
thuộc những phiên bản của tín hiệu được tổ hợp như thế nào tại bên thu để tăng
tỉ số SNR thu được. Do đó hệ thống phân tập cũng có thể được phân loại theo
loại phương pháp tổ hợp được sử dụng ở bên thu. Có 4 loại kĩ thuật tổ hợp chính
bao gồm tổ hợp chọn lọc( Selection Combining – SC), tổ hợp chuyển mạch(
Switched Combining – SWC), tổ hợp độ lợi bằng nhau( Equal Gain Combining
- EGC), và tổ hợp tỉ số cực đại( Maximum Ratio Combining - MRC).
a. Tổ hợp chọn lọc
Tổ hợp chọn lọc là phương pháp tổ hợp phân tập đơn giản. Xem xét một
hệ thống phân tập thu có n
R
anten thu. Giản đồ khối của hệ thống tổ hợp chọn
lọc được chỉ ra trên hình (1.7). Trong hệ thống này, tín hiệu có tỉ số SNR tức
thời lớn nhất tại mỗi khoảng kí hiệu được lựa chọn như là đầu ra, do đó SNR tại
đầu ra là bằng với tín hiệu đến tốt nhất. Trong thực tế tín hiệu có tổng công suất
tín hiệu và nhiễu ( S + N) lớn nhất thường được sử dụng, do khó đo SNR.
b. Tổ hợp chuyển mạch
Hệ thống phân tập tổ hợp chuyển mạch được chỉ ra trên hình vẽ (1.8), bên
thu quét tất cả những nhánh phân tập và chọn một nhánh có SNR trên một
ngưỡng được xác định trước. Tín hiệu này được lựa chọn như đầu ra cho tới khi
SNR của nó hạ xuống dưới ngưỡng. Khi điều này xảy ra, bên thu bắt đầu quét
lại và chuyển tới một nhánh khác. Hệ thống này cũng được gọi là phân tập quét.
So sánh với phân tập chọn lọc, phân tập chuyển mạch kém hơn do nó không liên
tục cập nhật tín hiệu tức thời tốt nhất. Tuy nhiên, nó đơn giản hơn như không
đòi hỏi cùng lúc và liên tục giám sát tất cả các nhánh phân tập.
Cả hệ thống phân tập chọn lọc và hệ thống phân tập chuyển mạch, tín hiệu đầu
ra chỉ bằng một của tất cả những nhánh phân tập. Ngoài ra, nó không đòi hỏi bất
kì kiến thức thông tin trạng thái của kênh. Do đó hai hệ thống này có thể được
sử dụng trong tổ hợp điều chế kết hợp cũng như không kết hợp.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
14
Hình 1.7 Phương pháp tổ hợp chọn lọc.
Hình 1.8 Phương pháp tổ hợp chuyển mạch.
Tiền xử lí và
đệm
Tiền xử lí và
đệm
Tiền xử lí và
đệm
Chọn SNR tối đa
Tiền xử lí và
đệm
Tiền xử lí và
đệm
Tiền xử lí và
đệm
Quét và chọn SNR vượt ngưỡng
Ra
Ra
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
15
c. Tổ hợp tỉ số cực đại
Tổ hợp tỉ số cực đại là phương pháp tổ hợp tuyến tính. Trong xử lí tuyến
tính tổng quát, những đầu vào tín hiệu khác nhau có trọng số riêng và được cộng
cùng nhau tạo thành một tín hiệu đầu ra. Những hệ số trọng số kênh có thể chọn
theo nhiều cách.
Hình 1.9 phương pháp tổ hợp tỉ số cực đại.
Hình 1.9 chỉ ra sơ đồ khối của phân tập tổ hợp tỉ số cực đại. Đầu ra của
tín hiệu là tổ hợp tuyến tính của tất cả những tín hiệu thu như sau :
1
.
nR
ii
i
rr
(1.21)
Trong đó r
i
là tín hiệu thu tại anten thứ i và α
i
là hệ số trọng số cho anten
thu i. Trong bộ tổ hợp tỉ số cực đại, hệ số trọng số của mỗi anten thu được chọn
tỉ lệ với tỉ số công suất nhiễu và điện áp tín hiệu của riêng nó. Gọi A
i
và Φ
i
là
biên độ và pha của tín hiệu thu r
i
. Giả sử rằng mỗi anten thu có công suất nhiễu
trung bình giống nhau, hệ số trọng số α
i
có thể trình bày như sau:
Tổng cộng
Ra
Tiền xử lí và
đệm
Tiền xử lí
và đệm
Tiền xử lí
và đệm
Bộ tách
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
16
j
i
ii
Ae
(1.22)
Phương pháp này được gọi là tổ hợp tối ưu do nó có thể cực đại SNR nối
ra. Nó chỉ ra rằng SNR đầu ra cực đại bằng tổng của những SNR tức thời của
những tín hiệu độc lập.
Trong hệ thống này, mỗi tín hiệu độc lập phải cùng pha, trọng số với biên
độ tương ứng của nó và sau đó cộng lại. Hệ thống này đòi hỏi hiểu biết về
fading kênh, biên độ và pha tín hiệu.
d. Tổ hợp độ lợi bằng nhau.
Tổ hợp độ lợi bằng nhau là một phương pháp tổ hợp tuyến tính đơn giản.
Nó không đòi hỏi ước lượng biên độ fading cho mỗi nhánh riêng lẻ. Thay vào
đó, bên thu đặt biên độ của mỗi hệ số trọng số kênh là đơn vị
j
i
i
e
(1.23)
Theo cách này tất cả những tín hiệu thu là đồng pha và sau đó được cộng
cùng nhau với độ lợi bằng nhau. Hiệu năng của bộ tổ hợp độ lợi bằng nhau chỉ
dưới biên bộ tổ hợp tỉ số cực đại.
Hình 1.10 so sánh độ lợi SNR của những phương pháp tổ hợp khác nhau
sử dụng từ 1 tới 10 anten thu.[5]
Hình 1.10 So sánh độ lợi của những phương pháp tổ hợp khác nhau.
MRC cung cấp độ lợi cao nhất trong khi đòi hỏi độ phức tạp nhất. Số
anten thu càng cao độ chênh lệch giữa MRC và bộ tổ hợp chọn lọc tăng.
Hình 1.9 cũng chỉ ra độ lợi SNR cho hệ thống kết hợp giữa bộ tổ hợp
chọn lọc và bộ tổ hợp tỉ số cực đại.
Chương 1 Kĩ Thuật Phân Tập
17
Tóm lại, chương I đã nêu:
- Mô hình kênh vô tuyến do ảnh hưởng của quá trình vật lí xảy ra khi
truyền sóng khi vật cố định và di động và các hàm mật độ xác xuất của chúng
với kênh fading Rayleigh, Rice, Doppler
- Khái niệm về phân tập, các loại phân tập, và các phương pháp tổ hợp ở
phía thu.
Đó là những khái niệm cơ bản, sẽ được dùng khi xét hệ MIMO trong
chương II.
