NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.42 MB, 107 trang )
Luận Văn Cao Học
1
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
_______________________
HVTH: Phạm Minh Triết
Đề Tài:
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO-OFDM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN KHÔNG DÂY
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số : 60.52.70
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Cán Bộ Hướng Dẫn: TS.Trần Hoài Trung
HCM, Ngày 28 Tháng 11 năm 2011
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
2
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC
Họ và tên học viên:
Cơ quan công tác:
Phạm Minh Triết
Năm sinh: 17/06/1984
Trường CĐ Công Nghệ Thông Tin TPHCM
Khoá: 16
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Hoài Trung
Bộ môn: Điện tử viễn thông
1. Tên luận văn: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO-OFDM ứng dụng trong hệ thống
thông tin không dây.
2. Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu về kỹ thuật OFDM và hệ thống MIMO để
kết hợp giữa công nghệ MIMO và kỹ thuật OFDM nhầm để tăng dung lượng
và chất lượng cho hệ thống thông tin không dây.
3. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết nhằm có một cái nhìn tổng
quan về kỹ thuật OFDM cũng như hệ công nghệ MIMO từ đó kết hợp lại để
tạo ra những mô hình ứng dụng cho hệ thống thông tin không dây. Chủ yếu
là hai mô hình Alamouti và mô hình V_BLAST để cải thiện chất lượng của
hệ thống.
Điểm bình quân môn hoc:
Điểm bảo vệ luận văn:
Ngày
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn:
Xác nhận của bộ môn:
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
tháng
năm
Học viên
Phạm Minh Triết
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
3
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây càng ngày càng tăng. Các hệ
thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng
băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền
thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn có khả năng đáp ứng được các
yêu cầu của hệ thống thông tin tương lai.
OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý
cơ bản của phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn
ký tự tại cùng một thời điểm. Tuy nhiên kỹ thuật OFDM lại tồi tại một số nhược
điểm như đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra
méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở máy phát và máy thu. Sử dụng
chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu
suất sử dụng đường truyền.
Công nghệ MIMO có ưu điểm là gia tăng tốc độ truyền dữ liệu và mở rộng
tầm phủ sóng trên cùng một băng thông, đồng thời giảm chi phí truyền tải. Công
nghệ MIMO cho phép đầu nhận phân loại tín hiệu và chỉ nhận tín hiệu mạnh nhất từ
một anten tại một vị trí nào đó.
Trong công nghệ MIMO, đầu phát sóng sử dụng nhiều anten để truyền sóng
theo nhiều đường khác nhau nhằm tăng lưu lượng thông tin. Dữ liệu truyền sau đó
sẽ được tập hợp lại ở đầu nhận theo những định dạng đã được ấn định. Tuy nhiên bị
giới hạn ở hệ thống băng hẹp. Vì thế một trong những giải pháp được đưa ra là sự
kết hợp giữa công nghệ MIMO và kỹ thuật OFDM nhằm để tăng dung lượng và
chất lượng cho hệ thống thông tin không dây.
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
4
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
MỤC LỤC
Tờ bìa.......................................................................................................................1
Trích yếu luận văn cao học......................................................................................2
Lời mở đầu...............................................................................................................3
Mục lục....................................................................................................................4
Danh mục các chữ viết tắt.......................................................................................7
Danh mục các hình vẽ...........................................................................................10
Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin không dây......................................13
1.1 Hệ thống thông tin di động hiện nay...............................................................13
1.2 Kênh truyền vô tuyến .....................................................................................15
1.2.1 Suy hao đường truyền..................................................................................15
1.2.2 Hiệu ứng Multipath-Fading..........................................................................16
1.2.3 Hiệu ứng Dopper..........................................................................................17
1.2.4 Kênh truyền Fading phẳng và chọn lọc tần số.............................................19
1.2.5 Kênh truyền biến đổi nhanh và biến đổi chậm............................................21
1.2.6 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean.............................................23
1.3 Phương thức ghép kênh...................................................................................24
1.3.1 Ghép kênh phân chia theo tần số.................................................................24
1.3.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian.............................................................25
1.3.3 Ghép kênh phân chia theo mã......................................................................25
1.3.4 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao..................................................25
1.4. Các mô hình hệ thống thông tin không dây...................................................26
1.4.1 Hệ thống SISO..............................................................................................26
1.4.2 Hệ thống MISO............................................................................................27
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
5
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
1.4.3 Hệ thống SIMO............................................................................................27
1.4.4 Hệ thống MIMO...........................................................................................28
Chương II : Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao.....................................30
2.1 Lịch sử phát triển.............................................................................................30
2.2 Các ưu điểm và nhược điểm............................................................................31
2.3 Tính trực giao trong OFDM............................................................................32
2.4 Mô hình hệ thống.............................................................................................33
2.4.1 Mã hóa kênh.................................................................................................34
2.4.2 Kỹ thuật phân tán dữ liệu.............................................................................34
2.4.3 Chuyển đổi song song/ nối tiếp, nối tiếp/song song....................................35
2.4.4 Điều chế sóng mang con..............................................................................36
2.4.5 Kỹ thuật IFT/FFT.........................................................................................37
2.4.6 Khoảng bảo vệ..............................................................................................39
2.4.7 Biến đổi D/A và A/D....................................................................................43
2.4.8 Up converter và Down converter.................................................................44
2.4.9 Bộ Equalizer.................................................................................................45
2.5 Mô phỏng hệ thống OFDM.............................................................................47
Chương III : Hệ thống MIMO...............................................................................50
3.1 Tổng quan về hệ thống MIMO........................................................................50
3.1.1 Khái niệm về hệ thống MIMO.....................................................................50
3.1.2 Các kỹ thuật phân tập...................................................................................51
3.1.3 Độ lợi trong hệ thống MIMO.......................................................................54
3.2 Kỹ thuật mã hóa không gian thời gian trong MIMO......................................56
3.2.1 Mã khối không gian thời gian STBC...........................................................56
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
6
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
3.2.2 Mã lưới không gian thời gian STTC............................................................59
3.3 Mô hình hệ thống MIMO................................................................................61
3.3.1 Sơ đồ Alamouti.............................................................................................66
3.3.2 Mô hình V_BLAST......................................................................................73
3.4 Kết quả mô phỏng hệ thống MIMO................................................................87
3.4.1 Sơ đồ Alamouti.............................................................................................87
3.4.2 Sơ đồ V-BLAST...........................................................................................90
Chương IV : Kết hợp kỹ thuật OFDM với hệ thống MIMO ứng dụng trong hệ thống
thông tin không dây...............................................................................................93
4.1 Giới thiệu.........................................................................................................93
4.2 Hệ thống MIMO-OFDM.................................................................................94
4.2.1 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM................................................................94
4.2.2 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Alamouti................................................97
4.2.3 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST...........................................101
4.3 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM Alamouti..............................................105
4.4 Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM V_BLAST...........................................107
4.5 So sánh các hệ thống MIMO-OFDM............................................................108
Kết luận và hướng nghiên cứu mở......................................................................110
Lời cảm ơn...........................................................................................................112
Tài liệu tham khảo...............................................................................................113
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
7
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A/D
Analog to Digital
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
AWGN Additive White Gaussian Noise
BER
Bit Error Rate
BLAST Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
BPF
Band Pass Filter
BPSK
Binary Phase Shift Keying
BS
Base Station
CDM
Code Division Multiplexing
CSI
Channel State Information
D/A
Digital to Analog
DAB
Digital Analog Broadcasting
D-BLAST
Diagonal- Bell-Laboratories Layered Space-Time Code
DFT
Discrete Fourier Transform
DPSK
Differential Phase Shift Keying
DVB -H
Digital Video Broadcasting - Handheld
DVB -T Digital Video Broadcasting – Terrestrial
FDM
Frequency Division Multiplexing
FEC
Forward Error Correction
FFT
Fast Fourier Transform
FIR
Finite Impluse Response
HDSL
Hight-bir-rate Digital Subscriber Line
HiperLAN2
High Performance Radio Local Area Network Type 2
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
8
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
ICI
InterCarrier Interference
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
I.I.D
Independent and Identically Distributed
ISI
InterSymbol Interference
LAN
Local Area Network
LOS
Light Of Sight
LPF
Low Pass Filter
MIMO
Multiple Input Muliple Output
MISO
Multiple Input single Output
ML
Maximum Likelihood
MMSE
Minimum Mean Sqare Error
MMSE-IC
MMSE-Interference Cancellation
MS
Mobile Station
NLOS
Non Light Of Sight
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P/S
Parallel to Serial
PAPR
Peak to Average Power Ratio
Probability Density Function
QAM
Quadrature Amplitute Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RF
Radio Frequency
SIMO
Single Input Multiple Output
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
9
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
SISO
Single Input Single Output
S/P
Serial to Parallel
SINR
Signal to Interference plus Noise Ratio
SC
SingleCarrier Communication
STBC
Space-Time Block Code
STMLD
Space-Time Maximum Likelihood Decoder
TGn
Task Group N
V-BLAST
Vertical-Bell-Laboratories Layered Space-Time
ZF
Zero-Forcing
ZF-OIC
Zero-Forcing – Ordered Interference Cancellation
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
10
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá trình phát triển thông tin di dộng tế bào
Hình 1.2: Mô hình kênh truyền Fading đa đường
Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler
Hình 1.4: Đáp ứng kênh truyền Fading phẳng
Hình 1.5: Đáp ứng kênh truyền Fading chọn lọc tần số
Hình 1.6: Kênh truyền thay đổi theo thời gian
Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean
Hình 1.8: Hệ thống SISO
Hình 1.9: Hệ thống MISO
Hình 1.10: Hệ thống SIMO
Hình 1.11: Hệ thống MIMO
Hình 2.1: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Hình 2.3: Bộ chuyển đổi S/P
Hình 2.4: Bộ chuyển đổi P/S
Hình 2.5: Mô tả ứng dụng chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI
Hình 2.6: Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI
Hình 2.7: Thành phần của ký tự OFDM thu được khi truyền qua kênh Multipath
Hình 2.8: Những ký tự OFDM thu được sau khi truyền qua kênh truyền Multipath
Hình 2.9: Bộ chuyển đổi D/A và A/D
Hình 2.10: Bộ up-converter và down-converter
Hình 2.11: Bộ Equalizer miền tần số
Hình 2.12: Kết quả mô phỏng BER OFDM
Hình 3.1: Tổng quan hệ thống MIMO
Hình 3.2: Phân tập theo thời gian
Hình 3.3: Kỹ thuật Beamforming
Hình 3.4: Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
11
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Hình 3.5: Phân tập không gian giúp cải thiện SNR
Hình 3.6: Mô hình hệ thống băng gốc
Hình 3.7: Ma trận mã STBC
Hình 3.8: Sơ đồ mã lưới
Hình 3.9: Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.10: Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2
Hình 3.11 : Chuyển đổi kênh truyền MIMO thành các kênh truyền song song
Hình 3.12 : Mô hình phân tập khi Nt>Nr
Hình 3.13: Mô hình phân tập khi NT
Hình 3.15: Các symbol phát và thu trong sơ đồ Alamouti
Hình 3.16: Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và M anten thu
Hình 3.17: Hệ thống V-BLAST
Hình 3.18: Máy thu V-BLAST Zero-forcing
Hình 3.19 Máy thu V-BLAST Zero-forcing theo thứ tự tối ưu
Hình 3.20: Máy thu V-BLAST MMSE
Hình 3.21: Kết quả mô phỏng BER của Alamouti 2x1
Hình 3.22: Kết quả mô phỏng BER Alamouti 2x2
Hình 3.23: Kết quả mô phỏngMIMO 2x2 ZF
Hình 3.24: Mô phỏng MIMO MMSE 2x2
Hình 4.1: Các chuẩn thông tin không dây của IEEE
Hình 4.2: Mô hình hệ thống MIMO-OFDM
Hình 4.3: Ma trận kênh truyền
Hình 4.4: Máy phát MIMO–OFDM Alamouti
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
12
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Hình 4.5: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti
Hình 4.6: Máy phát MIMO-OFDM VBLAST
Hình 4.7 : Máy thu MIMO-OFDM VBLAST
Hình 4.8: ZF/MMSE Decoder
Hình 4.9 : Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Hình 4.10: Mô phỏng MIMO-OFDM V_BLAST
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
13
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN KHÔNG DÂY
1.1.
Hệ thống thông tin di dộng hiện nay
Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của
mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G. Mạng 2G có thể phân ra hai loại: mạng
2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu điểm mốc bắt
đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136) dùng TDMA phổ
biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng CDMA phổ biến ở châu
Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu
Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới. Sự thành công của mạng 2G là do
dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và
khả năng di động.
Hình 1.1: Quá trình phát triển của mạng thông tin di động tế bào.
Tiếp nối thế hệ thứ hai 2G, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và
đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so
với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các
dịch vụ truyền thông đa phương tiện. Mạng 3G bao gồm mạng UMTS sử dụng kỹ
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
14
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
thuật WCDMA, mạng CDMA2000 sử dụng kỹ thuật CDMA. Tuy nhiên đối tượng
sử dụng thông tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến yêu cầu
bức thiết cho sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4G
(Fourth-Generation).
4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng
thông cho phép lại không được mở rộng. Yêu cầu đó đã thúc đẩy những nghiên cứu
về hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multi Input Multi Output) và đạt được
nhiều thành công đáng kể. Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức
tạp do suy hao, xen nhiễu fading, hiệu ứng Doppler … đã gây ra nhiều khó khăn
cho việc nhận dạng tín hiệu tại đầu thu. Các kỹ thuật phân tập góp phần đáng kể
trong trong việc giảm fading đa đường. MIMO là một hệ thống đa anten ở đầu phát,
đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân tập, mã hoá nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải
thiện hiệu quả phổ mà không phải tăng công suất phát hay băng thông. Nhiều cấu
trúc MIMO đã được đề xuất và đạt được nhiều hiệu quả to lớn như cấu trúc không
gian-thời gian lớp dọc của phòng thí nghiệm Bell V-BLAST (Vertical-Bell
Laboratories Layered Space-Time), mã hoá khối không gian-thời gian STBC
(Space-Time Block Coding), mã hoá Trellis không gian-thời gian STTC (SpaceTime Trellis Coding)…
Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặt biệt là
các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference) xuất
hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một
cách đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang mang
tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống truyền dẫn.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng
dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao.
Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp
hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu
liên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
15
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol
OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Nhận thấy những tiềm năng to lớn của MIMO và OFDM, các nhà thiết kế đã
kết hợp cả hai vào một hệ thống truyền dẫn để tận dụng ưu điểm của chúng. Thành
công rực rỡ đã đặt MIMO-OFDM làm nền tảng cho sự phát triển 4G. Trong tương
lai, nhiều nghiên cứu sẽ đựơc phát triển để cải tiến chất lượng, dung lượng của hệ
1.2.
thống MIMO-OFDM.
Kênh truyền vô tuyến
Trong hệ thống thông tin di động, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố được
quan tâm nhiều. Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của
kênh truyền gây ra những ảnh hưởng lớn đến hoạt động hệ thống. Để hạn chế ảnh
hưởng của kênh truyền và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu
được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và mô hình hóa kênh truyền hợp lý.
1.2.1. Suy hao đường truyền
Trong suốt quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến bị yếu dần theo khoảng cách,
bởi vì sóng của tín hiệu vô tuyến lan truyền sẽ bị lan tỏa ra và do đó mật độ công
suất sẽ bị suy giảm. Trong không gian tự do, sóng truyền sẽ bị lan tỏa ra có dạng
hình cầu và dẫn đến mật độ công suất sẽ giảm tỷ lệ với diện tích bề mặt của hình
cầu này.
Công suất tại phía thu trong không gian tự do là.
λ
PR = PT G T G R
4πR
2
Trong đó PT là công suất phía phát (W).
PR là công suất thu được (W).
GT là độ lợi anten phát.
GR là độ lợi anten thu.
R là khoảng cách truyền (m).
λ là bước sóng của sóng mang.
1.2.2. Hiệu ứng Multipath-Fading
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
16
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Đa đường trong kênh truyền di động tạo ra kết quả Fading diện hẹp. Tín hiệu
đến phía thu từ nhiều đường khác nhau, mỗi đường là một bản sao của tín hiệu
gốc.Tín hiệu trên mỗi đường này có độ trải trễ khác nhau và độ lợi khác nhau. Sự
trải trễ này làm cho tín hiệu từ mỗi đường bị dich pha so với tín hiệu gốc. Ở phía
thu sẽ tổng hợp các tín hiệu từ các đường này, kết quả là phía thu sẽ có biên độ và
pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu phát. Fading có thể là ưu điểm khi các tín hiệu
đa đường cùng pha với nhau làm tăng cường độ tín hiệu ở bên thu, cũng có thể gây
ra triệt tiêu các tín hiệu đa đường khi ngược pha nhau tạo thành hiện tường Fading
sâu.
Hình 1.2: Mô hình kênh truyền Fading đa đường
là độ lợi đường thứ L.
độ trễ đường thứ L.
Để so sánh tính chất của kênh truyền, người ta sử dụng thông số tán xạ thời
gian như: trễ vượt mức (excess delay spread), trễ trung bình vượt mức (mean
excess delay) và trễ hiệu dụng (rms delay spread). Và các thông số này có thể được
tính từ đặc tính từ bộ thu của các thành phần đa đường (power delay profile). Power
delay profile được đo bằng thực nghiệm.
1.2.3. Hiệu ứng Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín
hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về
nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
17
chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống người ta gọi là hiệu
ứng Doppler.
θ
θ
d
B
A
v
Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler
Vật di chuyển với vận tốc v.
Khi đó sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là:
∆∅ =
2π∆l 2π v∆t
=
cosθ
λ
λ
Độ lệch dịch tần số là:
fd =
1 ∆∅ v
= cosθ = f m cosθ
2π ∆t λ
Dịch Doppler cực đại fm (BD): f m =
f
v
=v c
λ
c
fc , , c là lần lượt là tần số sóng mang, bước sóng sóng mang và vận tốc ánh sáng.
Thời gian kết hợp TC là đối ngẫu trong miền thời gian của trải Doppler, dùng
để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền và thời
gian kết hợp tỷ lệ nghịch với trải Doppler cực đại fm.
Tc =
1
fm
Thời gian kết hợp là khoảng thời gian mà đáp ứng xung kênh truyền không
thay đổi và đó là khoảng thời gian mà 2 tín hiệu có sự tương quan về biên độ.
Với hàm tương quan lớn hơn 50%.
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
18
Tc =
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
9
16π f m
Người ta phân loại các kênh truyền Fading diện hẹp như sau:
Phân loại
Trải trễ đa đường
Dịch Doppler
Điều kiện
BW<<Bc ; Ts>> σ τ
BW >Bc ; Ts<< σ τ
BW<BD ; Ts>Tc
BW >>BD ; Ts<
Fading
Fading phẳng
Fading chọn lọc tần số
Fading nhanh
Fading chậm
1.2.4. Kênh truyền fading phẳng và kênh truyền fading chọn lọc tần số
Kênh truyền fading phẳng:
Hình 1.4: Đáp ứng của kênh truyền Fading phẳng
Phổ tín hiệu có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu
kỳ symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi
được bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và
dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do
ảnh hưởng hiện tượng đa đường.Tín hiệu sẽ thay đổi theo thời gian nhưng phổ tín
hiệu không đổi. Kênh truyền fading phẳng được xem như kênh truyền thay đổi biên
độ và còn được gọi là kênh truyền băng hẹp.
Kênh truyền fading chọn lọc tần số:
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
19
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Hình 1.5: Đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số
Phổ tín hiệu có băng thông lớn hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu
kỳ symbol nhỏ hơn trải trễ của kênh truyền. Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh
truyền có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức đáp ứng tần số không
bằng phẳng trong toàn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua
kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là
chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi. Nếu
trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói
kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel), hay
kênh truyền phẳng (flat fading channel).
Ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền không phẳng, không giống
nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số
(frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có
đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là
phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó. Hình 1.5 cho ta thấy kênh truyền sẽ là
chọn lọc tần số đối với tín hiệu truyền có băng thông lớn nằm từ 30 MHz đến
95MHz. Nhưng nếu tín hiệu có băng thông nhỏ khoảng 20 MHz thì kênh truyền sẽ
là kênh truyền fading phẳng.
Kênh truyền chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng.
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
20
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
1.2.5. Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm
Kênh truyền vô tuyến sẽ có đáp ứng tần số không đổi theo thời gian nếu cấu
trúc của kênh truyền không đổi theo thời gian. Tuy nhiên mọi kênh truyền đều biến
đổi theo thời gian, do các vật thể tạo nên kênh truyền luôn luôn biến đổi, luôn có vật
thể mới xuất hiện và vật thể cũ mất đi, xe cộ luôn thay đổi vận tốc, nhà cửa, công
viên, có thể được xây dựng thêm hay bị phá hủy đi… Hình 1.5 cho thấy công suất
tín hiệu thu được thay đổi theo thời gian dù tín hiệu phát đi có công suất không đổi
tức là kênh truyền đã thay đổi theo thời gian.
Hình 1.6: Kênh truyền thay đổi theo thời gian
Khái niệm kênh truyền chọn lọc thời gian hay không chọn lọc thời gian chỉ
mang tính tương đối, nếu kênh truyền không thay đổi trong khoảng thời gian truyền
một kí tự Tsymbol , thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời
gian (time nonselective Fading channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow
Fading channel), ngược lại nếu kênh truyền biến đổi trong khoảng thời gian T symbol,
thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian (time selective Fading
channel), hay kênh truyền biến đổi nhanh (fast Fading channel). Môi trường trong
nhà ít thay đổi nên có thể xem là slow fading, môi trường ngoài trời thường xuyên
thay đổi nên được xem là fast Fading. Trong các cell di động, khi thuê bao MS
(Mobile Station) di chuyển sẽ liên tục làm thay đổi vị trí giữa MS và trạm gốc BS
(Base Station) theo thời gian, tức là địa hình thay đổi liên tục. Điều này có nghĩa là
kênh truyền của ta liên tục thay đổi theo thời gian gây ra hiệu ứng Doppler làm dịch
tần sóng mang của máy phát tại máy thu một lượng tần số.
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
21
∆f = ± f 0
v
c
Với : f0 là tần số tại máy phát.
v là vận tốc của thuê bao MS.
c là vận tốc ánh sáng.
MS di chuyển càng nhanh thì ∆f càng lớn và ngược lại.
Sau đây ta sẽ xét kỹ hơn các thông số xác định kênh truyền là slow Fading hay fast
Fading:
Từ công thức trên nếu
∆f =0 ta có hàm tương quan ACF phân tán theo thời gian,
mô tả tương quan giữa các khoảng thời gian ∆t của kênh truyền :
RH (∆t ) =
+∞
∫ R (∆t,τ )dτ
h
−∞
Phổ công suất Doppler được định nghĩa là biến đổi Fourier của RH (∆t ) :
DH ( f ) =
+∞
− j 2πf∆t
∫ RH (∆t )e d∆t
⇔
R H ( ∆t ) =
−∞
+∞
∫D
H
( f )e + j 2πf∆t df
−∞
Mọi kênh truyền đều có một khoảng thời gian (∆t) C tại đó
RH (∆t )
xấp xỉ 1. Tức
RH (0)
là đáp ứng của kênh truyền được xem là biến đổi không đáng kể trong khoảng
(∆t) C . Khoảng thời gian đó được gọi là Coherence time.
-
Nếu kênh truyền có (∆t) C nhỏ hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự T symbol của
tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian
(time selective channel) hay kênh truyền nhanh (fast channel).
-
Nếu kênh truyền có (∆t) C lớn hơn nhiều so với chiều dài của một kí tự T symbol của
tín hiệu được truyền, thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc
thời gian (time nonselective channel) hay kênh truyền chậm (slow channel).
1.2.6. Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
22
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Hình 1.7 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean.
Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ.
Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh và
phân bố Ricean. Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, người ta đã chứng minh được
đường bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh
truyền được gọi là kênh truyền Fading Rayleigh. Khi đó tín hiệu nhận được ở máy
thu là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ. Nếu kênh truyền
tồn tại LOS thì đây chính là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành
phần không phải truyền thẳng LOS không đóng vai trò quan trọng, không ảnh
hưởng quá xấu đến tín hiệu thu. Khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền
có phân bố Ricean nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Fading Ricean.
1.3.
Phương thức ghép kênh
1.3.1. Ghép kênh phân chia theo tần số
Kỹ thuật FDM (Frequency Division Multiplexing) ra đời đầu tiên, với ý
tưởng là một băng thông lớn sẽ được chia nhỏ thành nhiều băng thông nhỏ hơn
không chồng lấn, giữa các khoảng tần này cần có một khoảng bảo vệ để có thể sử
dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần mong muốn.
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
23
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Khái niệm: ghép kênh theo tần số là tần số (hoặc băng tần) của các kênh
khác nhau, nhưng được truyền đồng thời qua môi trường truyền dẫn. Muốn vậy
phải sử dụng bộ điều chế, giải điều chế và bộ lọc băng, các bộ lọc băng tại nhánh
phát và nhánh thu của mỗi kênh có băng tần như nhau.
Đầu vào nhánh thu có N bộ lọc băng nối song song và đóng vai trò tách
kênh. Bộ điều chế tại nhánh phát sử dụng sóng mang nào thì bộ giải điều chế của
kênh ấy cũng sử dụng sóng mang như vậy. Tín hiệu kênh được giải điều chế với
sóng mang và đầu ra bộ giải điều chế ngoài băng âm tần còn có các thành phần tần
số cao. Bộ lọc thấp loại bỏ các thành phần tần số cao, chỉ giữ lại băng âm tần.
Ghép kênh theo tần số có ưu điểm là các bộ điều chế và giải điều chế có cấu
tạo đơn giản (sử dụng các diode bán dẫn), băng tần mỗi kênh chỉ bằng 4 kHz nên có
thể ghép được nhiều kênh.Chẳng hạn, máy ghép kênh cáp đồng trục có thể ghép tới
1920 kênh. Tuy nhiên do sử dụng điều biên nên khả năng chống nhiễu kém.
1.3.2. Ghép kênh phân chia theo thời gian
Kỹ thuật TDM (Time Division Multiplexing) ra đời với hiệu suất sử dụng
kênh truyền cao hơn. Với TDM trục tần số được chia thành nhiều khe thời gian
(time slot). Mỗi một kênh dữ liệu sẽ chiếm giữ toàn bộ trục tần số ở những khoảng
thời gian nhất định. Luồng bit tốc độ thấp của mỗi kênh sẽ được ghép lại thành một
luồng bit tốc độ cao duy nhất, và đưa lên kênh truyền. Do đó TDM cần sự đồng bộ
chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở nơi phát và thu. TDM được sử dụng
khá phổ biến trong các hệ thống thông tin số.
Trong hệ thống GSM, băng thông 25MHz được chia thành 125 kênh với
băng thông mỗi kênh là 200KHz sử dụng kỹ thuật FDM. Mỗi kênh 200KHz này
được chia thành 8 khe thời gian sử dụng kỹ thuật TDM. Mỗi user sẽ chiếm giữ một
khe thời gian, do sử dụng kết hợp FDM và TDM nên hiệu suất sử dụng kênh truyền
tăng lên đáng kể.
1.3.3. Ghép kênh phân chia theo mã
Trong kỹ thuật CDM (Code Division Mutiplexing) tất cả các kênh sẽ sử
dụng đồng thời một băng thông và khoảng thời gian, bằng cách sử dụng tập mã trực
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
24
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
giao. Mỗi kênh sẽ được gán một mã nhất định. Dữ liệu của các kênh trước khi phát
đi sẽ được nhân với một mã trải phổ để giãn phổ tín hiệu ra toàn băng thông, ở phía
thu dữ liệu sẽ được khôi phục bằng cách nhân lai với mã trải phổ tương ứng. CDM
là một kỹ thuật ghép kênh khá phức tạp đòi hỏi sự đồng bộ mã trải phổ và kỹ thuật
điều khiển công suất chính xác.
1.3.4. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Ghép phân chia theo tần số trực giao là một công nghệ trong lĩnh vực truyền
dẫn áp dụng cho môi trường không dây, thí dụ truyền thanh radio. Khi áp dụng vào
môi trường có dây như đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL), thường sử
dụng thuật ngữ đa âm rời rạc (DMT).
Tuy thuật ngữ có khác nhau nhưng bản chất của hai kỹ thuật này đều phát
sinh từ cùng một ý tưởng. Vì vậy trong phần này xét trường hợp sử dụng cho môi
trường không dây.
Như đã trình bày trong phần FDM, băng tần tổng của đường truyền được
chia thành N kênh tần số không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế
với một sóng mang phụ riêng và N kênh được ghép phân chia theo tần số. Để tránh
giao thoa giữa các kênh, một băng tần bảo vệ được hình thành giữa hai kênh kề
nhau. Điều này gây lãng phí băng tần tổng. Để khắc phục nhược điểm này của
FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn, nhưng trực giao với nhau.
Điều kiện trực giao của các sóng mạng phụ là tần số của mỗi một sóng mang
phụ này bằng số nguyên lần của chu kỳ (T) ký hiệu. Đây là vấn đề quan trọng của
kỹ thuật OFDM. Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể hơn ở chương II.
1.4.
Các mô hình hệ thống thông tin không dây.
1.4.1. Hệ thống SISO
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
Luận Văn Cao Học
25
GVHD: TS. Trần Hoài Trung
Hình 1.8: Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng
một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một
bộ điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát
hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung
lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức
Shanon:
C = log2 (1+SNR)
bit/s/Hz
1.4.2. Hệ thống MISO
Hình 1.9: Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống
MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ
đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và
vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống
tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công
thức:
C = log2 (1+N.SNR) bit/s/Hz
1.4.3. Hệ thống SIMO
Chuyên Ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
HVTH: Phạm Minh Triết
