ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG SCFDMA

Lời cam đoan
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép
của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu
mọi hình thức kỷ luật của Khoa.

Sinh viên thực hiện đồ án

1


Mục lục
Các từ viết tắt

6

Lời nói đầu

9

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE

12

1.1

Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2

Tổng quan về công nghệ LTE . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.1

Giới thiệu về LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2

Kiến trúc phân lớp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2.1

Lớp vật lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2.2

Lớp MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.2.3

Lớp RLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.2.4

Lớp PDCP

1.2.2.5

Lớp RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.3
1.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Hệ thống kênh truyền trong LTE . . . . . . . . . . . . . 15
Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh
truyền sóng vô tuyến

17

2.1

Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2

Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến . . . . . . . . . . . 17

2.2.1

Vấn đề suy hao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2.2

Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) . . . . . . . . . . . . . . 18

2

2.2.3

Hiệu ứng Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.4

Hiện tượng multipath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.5

Fading phẳng và fading lựa chọn tần số . . . . . . . . . . 19

2.3
2.3.1

Các dạng kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn
lọc tần số

2.3.2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi do
trải Doppler gây ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3.3
2.4

Kênh truyền phân bố Rayleigh và Ricean . . . . . . . . . 22

Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Chương 3: Tổng quan về SC-FDMA

25

3.1

Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2

Xử lý tín hiệu trong SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3

Sắp xếp sóng mang con . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4

Biểu diễn các ký hiệu trong miền thời gian . . . . . . . . . 32

3.4.1

Các ký hiệu miền thời gian của LFDMA . . . . . . . . . 32

3.4.2

Các ký hiệu miền thời gian của DFDMA . . . . . . . . . 33

3.4.3

Các ký hiệu miền thời gian của IFDMA . . . . . . . . . . 34

3.5

Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Chương 4: Các kỹ thuật ước lượng kênh trong LTE uplink

37

4.1

Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2

Phân loại ước lượng kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2.1

Ước lượng kênh dùng tín hiệu pilot (Pilot-Aided Channel
Estimation - PACE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2.2

Ước lượng kênh đệ quy (Decision-Directed Channel Estimation - DDCE)

4.2.3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Ước lượng kênh bằng phương pháp mù (Blind/Semi-Blind
Channel Estimation -BCE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38


4.3

Ước lượng kênh truyền bằng pilot . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3.1

Điều chế ký tự pilot thêm vào . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3.2

Sắp xếp các pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3.2.1

Sắp xếp pilot dạng khối (Block Type) . . . . . . . . . . 40

4.3.2.2

Sắp xếp pilot dạng lược (Comb Type) . . . . . . . . . . 41

4.3.2.3

Sắp xếp pilot dạng lưới (Lattice Type) . . . . . . . . . . 42

4.3.2.4

Tín hiệu pilot trong SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . 42

4.4

Ước lượng kênh truyền trong SC-FDMA . . . . . . . . . . 44

4.4.1

Ước lượng kênh bằng phương pháp LS (The least-square)

4.4.2

Ước lượng kênh bằng phương pháp MMSE (minimum-

44

mean-square-error ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.3

Các kỹ thuật nội suy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.3.1

Nội suy theo khối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.3.2

Nội suy tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.3.3

Nội suy bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5

Cân bằng kênh cho hệ thống SC-FDMA . . . . . . . . . . . 48

4.5.1

Bộ cân bằng ZF (Zero-Forcing) . . . . . . . . . . . . . . 49

4.5.2

Bộ cân bằng MMSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.6

Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá các kỹ thuật ước lượng kênh
truyền

53

5.1

Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2

Quá trình mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.1

Các thông số và sơ đồ mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.2

Lưu đồ thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.3

Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.4

Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

61


Tài liệu tham khảo
Phụ lục

63

64


Các từ viết tắt
B
BCE

Blind/Semi-Blind Channel Estimation

BER

Bit error rate

C
CCI

Co-Channel Interference

CP

Cyclic Prefix

CDS

Channel-Dependent Scheduling

D
DDCE

Decision-Directed Channel Estimation

DFDMA

Distributed FDMA

DL

Downlink

E
eNodeB

E-UTRAN Node B

F
FDD

Frequency Division Duplex

FDMA

Frequency Division Multi Access

G
GSM/UMTS

6


GSM/GPRS

H
HARQ

hynrid Automatic Repeat Request

HSPA

High Speed Packet Access

I
IBI

Inter-Block Interference

ICI

Inter-Carrier Interference

IFDMA

Interleaved FDMA

ISI

Inter-Symbol Interference

L
LFDMA

Localized FDMA

LTE

Long Term Evolution

LS

The Least-Square

LOS

Light of Sight

M
MAC

Medium Access Control

MSE

Mean Square Error

MMSE

Minimum Mean Square Error

MME

Mobility Management Entity

P
PAPR

Peak to Avegare Power Ratio

PACE

Pilot-Aided Channel Estimation

PUSCH

Physical Uplink Shared Channel


PDCP

Packet Data Convergence Protocol

Q
QoS

Quality of Service

QPSK

Quatrature Phase Shift Key

S
SAE

System Architecture Evolution

SC/FDE

Single Carrier/Frequency Domain Equalizer

SC-FDMA

Single Carrier-Frequency Division Multiple Access

SNR

Signal Noise Ratio

T
TDD

Time Division Duplex

TD-CDMA
TTI

Transmission Time Interval

R
RLC

Radio Link Control

RRC

Radio Resource Control

U
UE

User Equipment

UL

Uplink

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN

UMTS Terrestrial Radio Access Network

W
WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access


Lời mở đầu
Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các thiết bị
trong thông tin di động ngày càng hiện đại, và ngày càng nhiều chức năng
hơn. Điều đó đòi hỏi thông tin di động cũng phải luôn đổi mới để đáp ứng

nhu cầu người dùng, với sự phát triển mạnh mẽ của của công nghệ thông
tin di động cũng đã đáp ứng phần nào nhu cầu thông tin hiện tại.
Ngày nay, công nghệ 3G đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới và và
trong nước, kỹ thuật LTE (Long Term Evolution) được lựa chọn sẽ là bước
tiếp theo của thế hệ di động 3G, với các ưu điểm vượt trội về tốc độ truyền
tải dữ liệu, LTE hứa hẹn sẽ đem lại cho người sử dụng các dịch vụ truy
cập số liệu tốc độ và chất lượng cao.
Kỹ thuật LTE được triển khai cho một số nhà khai thác mạng trên thế
giới và đã được đưa vào thử nghiệm tại một số khu vực của Việt Nam.
Trong khi WINMAX, được chuẩn hóa bởi tổ chức IEEE, sử dụng công
nghệ OFDMA cho cả đường lên (uplink) và đường xuống (downlink) thì
LTE lại chỉ sử dụng OFDMA cho đường xuống và sử dụng kỹ thuật đa
phân chia tần số sóng mang đơn SC-FDMA (Single Carrier Frequency
Division Multiple Access) cho đường lên. Một trong những lý do chính để
chọn SC-FDMA cho LTE uplink chính là công nghệ SC-FDMA có tỷ lệ
công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp hơn OFDMA.
Trong hệ thống vô tuyến, ước lượng kênh truyền đóng vai trò rất quan
trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu thu qua đó đảm bảo dung
lượng cho hệ thống. Để tìm hiểu sâu hơn vấn đề trên, em chọn đề tài:
“NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
9


Lời mở đầu

TRONG LTE UPLINK”.
Đồ án này được trình bày 5 chương gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE. Chương
này sẽ tập trung giới thiệu tổng quan về kiến trúc phân lớp giao diện vô
tuyến và hệ thống kênh truyền trong công nghệ LTE.

Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh
truyền sóng vô tuyến. Nội dung chương này sẽ tập trung trình bày các
mô hình kênh truyền, so sánh ưu nhược điểm của từng mô hình. Tìm hiểu
các đặc tính của kênh truyền và các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô
tuyến.
Chương 3: Tổng quan về SC-FDMA. Trong chương này, em sẽ trình
bày chi tiết về công nghệ SC-FDMA, xử lý tín hiệu trong SC-FDMA, rút
ra được sự khác biệt của công nghệ này với OFDMA, từ đó giải thích lý
do SC-FDMA được lựa chọn cho đường lên của LTE.
Chương 4: Các kỹ thuật ước lượng kênh trong LTE uplink. Trong
chương này, một số kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong SC-FDMA sẽ
được đề cập đến. Trong đồ án này, hai kỹ thuật ước lượng được sử dụng là
LSE và MMSE. Ngoài ra, các kỹ thuật cân bằng ZF và MMSE cũng được
đề cập tới trong chương.
Chương 5: Mô phỏng và đánh giá các phương pháp ước lượng
kênh truyền trong SC-FDMA.Trong chương này, em sẽ mô phỏng hệ
thống SC-FDMA bằng chương trình Matlab, chương trình sẽ đánh giá các
thông số MSE và BER của tín hiệu thu khi có ước lượng và không có ước
lượng. Chương trình cũng so sánh chất lượng của các loại ước lượng, các
loại cân bằng khác nhau.
Nhờ được sự quan tâm hướng dẫn nhiệt tình và cung cấp các tài liệu
cần thiết của thầy giáo TS. Nguyễn Lê Hùng và những thầy cô giáo trong
bộ môn, cũng như sự nổ lực của bản thân, đồ án đã được em hoàn thành
đúng thời gian quy định. Tuy nhiên, do thời gian gấp rút cộng thêm trình
10


Lời mở đầu

độ bản thân em còn nhiều yếu kém mà đồ án còn nhiều hạn chế, chương

trình mô phỏng còn đơn giản, phần lý thuyết của đồ án không tránh khỏi
những sai sót. Kính mong quý thầy cô giáo thông cảm và có những ý kiến
đóng góp chỉnh sữa để em hoàn thiện đồ án, cũng như cải thiện kiến thức
của bản thân.
Em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Lê Hùng,
cũng như sự giúp đỡ của những thầy cô giáo trong bộ môn, các bạn đã
giúp em rất nhiều để em hoàn thiện đồ án này.

11


Chương 1: Tổng quan về hệ thống
thông tin di động LTE
1.1 Giới thiệu chương
3GPP là tổ chức chuẩn hóa được thành lập vào năm 1998, bởi Châu
Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Mỹ và Hàn Quốc nhằm mục đích phát triển
công nghệ di động thế hệ thứ 3, WCDMA dựa vào FDD và TD-CDMA
dựa vào TDD. Nhằm mục đích tích hợp hệ thống di động trong tương lai,
một kế hoạch phát triển và cải tiến mạng di động 3G được thực hiện năm
2004, kết quả là sự ra đời của hệ thống thông tin di động LTE.
LTE (Long Term Evolution) là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ
thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là
một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. 3GPP
LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công
nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP
LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ
dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các
mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dựa trên WCDMA.
Chương này sẽ tập trung vào giới thiệu tổng quan về hệ thống LTE,
kiến trúc phân lớp và quá trình xử lý tín hiệu trong đường uplink.

12


Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE

1.2 Tổng quan về công nghệ LTE
1.2.1 Giới thiệu về LTE
LTE có một hệ thống kiến trúc mềm dẻo với mạng lõi cải tiến hơn rất
nhiều so với mạng 3G, với giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDMA
có đáp ứng băng thông lớn và linh hoạt, băng thông hoạt động từ 1,25Mhz
đến 20Mhz cho cả TDD và FDD, kết hợp công nghệ MIMO đem lại thông
lượng lớn gấp hàng chục lần 3G.

1.2.2 Kiến trúc phân lớp
Kiến trúc giao diện vô tuyến của LTE được chia ra làm hai phần, phần
người dùng và phần điều khiển. Phần điều khiển thực hiện công việc thiết
lập kết nối và báo hiệu. Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử
lý dữ liệu.
Trong phần điều khiển được chia thành các lớp chính: lớp vật lý, MAC,
RLC và lớp RRC.
Phần người dùng bao gồm các lớp chính: lớp vật lý, MAC, RLC và lớp
PDCP.

1.2.2.1 Lớp vật lý
LTE sử dụng công nghệ OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA cho
đường lên. Lớp vật lý thực hiện chuyển dữ liệu lên lớp trên thông qua kênh
vận chuyển, tất cả tài nguyên được cấp phát linh hoạt và được điều khiển
bởi bộ lập lịch. Việc sắp xếp logic vào kênh vận chuyển được thực hiện bởi
lớp MAC.

Chức năng chính của lớp vật lý là mã hóa và giải mã, điều chế và giải
điều chế, ánh xa đa anten trước khi truyền ra giao diện vô tuyến.

13


Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE

Hình 1: Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần điều khiển

1.2.2.2 Lớp MAC
Nhiệm vụ chính của lớp MAC là điều khiển vận chuyển, phần quan
trọng nhất của lớp MAC là quản lý ưu tiên, lập lịch, cấp phát tài nguyên
cho kênh vật lý. Ngoài ra, lớp này còn có nhiệm vụ xử lý xung đột, nhận
dạng UE, chức năng điều khiển lại HARQ.

1.2.2.3 Lớp RLC
Bằng cách sử dụng HARQ, RLC có thể nâng cao kênh vô tuyến, khi đó
khung dữ liệu được đánh số thứ tự và nhận báo cáo trạng thái từ UE để
kích hoạt việc truyền lại. Lớp RLC còn có chức năng phân đoạn và tái tạo
dữ liệu của lớp trên thành các chuỗi dữ liệu phù hợp với kênh truyền dẫn
theo kích thước khối vận chuyển nhất định và theo sự điều khiển của bộ
lập lịch.

14


Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE

Hình 2: Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần người dùng

1.2.2.4 Lớp PDCP
ENodeB nhận dữ liệu từ mạng lõi ở dạng gói IP. Để giảm số bit truyền
trên giao diện vô tuyến, eNodeB sử dụng giao thức PDCP để nén IP theo
chuẩn ROHC (Obust Header Compression; RFC 3095) và mã hóa dữ liệ
đi. Tại đầu thu, PDCP thực hiện giải nén và giải mã để có dữ liệu ban
đầu.

1.2.2.5 Lớp RRC
RRC có chức năng quản lý tín hiệu điều khiển truy nhập cho EUTRAN
bao gồm: quản lý bảo mật và QoS, thiết lập, quản lý, giải phóng kết nối
RRC và quản lý di động, cung cấp thông điệp cần thiết cho quản lý kênh,
điều khiển đo lường và báo cáo.

1.2.3 Hệ thống kênh truyền trong LTE
Hệ thống kênh truyền trong LTE được phân làm ba loại:
- Kênh logic: là kênh truyền giữa lớp RLC và lớp MAC, có nhiều loại
kênh logic khác nhau, được phân chia theo kiểu dữ liệu truyền đi trong
15


Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE

Hình 3: Hệ thống kênh truyền trong LTE

kênh đó. Những kiểu dữ liệu này có thể là tín hiệu điều khiển hoặc là
tín hiệu dữ liệu người dùng.
- Kênh vận chuyển: là kênh truyền giữa lớp MAC và lớp vật lý,
- Kênh vật lý: là kênh cuối cùng để truyền dữ liệu qua giao diện vật lý,
nó xác định chính xác các đặc tính vật lý của kênh truyền (tần số, số

sóng mang con,. . . ).

1.3 Kết luận chương
Với những cải tiến so với hệ thống 3G, LTE hứa hẹn sẽ là hệ thống 4G
với chất lượng và tốc độ vượt bậc so với 3G. Việc nghiên cứu về LTE sẽ là
vấn đề cần thiết để hiểu sâu hơn về công nghệ này, góp phần bắt kịp với
sự phát triển công nghệ của thế giới.

16


Chương 2: Mô hình kênh truyền và
một số đặc tính của kênh truyền
sóng vô tuyến
2.1 Giới thiệu chương
Trong thông tin di động, vấn đề kênh truyền luôn là điều cần được quan
tâm nhất. Khác với kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể đoán
trước được, kênh truyền vô tuyến hoàn toàn ngẫu nhiên, bản chất của
kênh truyền vô tuyến biến đổi phức tạp, tín hiệu truyền đi bị ảnh hưởng
liên tục làm khó khăn trong việc thu phát tín hiệu. Có nhiều yếu tố ảnh
hưởng đến tín hiệu được truyền đi trong kênh truyền vô tuyến: vấn đề suy
hao, nhiễu trên kênh truyền, các vật cản, các vấn đề về Fading, hiệu ứng
Doppler. . .
Để có thể đạt được hiệu suất cao nhất trong việc thu phát tín hiệu vô
tuyến, cần có những hiểu biết về kênh truyền, nắm vững được những đặc
tính của nó nhằm tạo ra những thuật toán, giải thuật hạn chế ảnh hưởng
không mong muốn.

2.2 Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
2.2.1 Vấn đề suy hao

Trong suốt quá trình truyền đi của tín hiệu trong môi trường vô tuyến,
tín hiệu sẽ bị suy giảm liên tục theo khoảng cách đường truyền. Sóng của
tín hiệu sẽ bi lan tỏa ra môi trường nên mật độ công suất cũng giảm đi
17


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

nhanh chóng. Trong không gian tự do, cường độ điện trường sẽ bị suy giảm
tỷ lệ với bình phương khoảng cách, nguyên nhân là do sóng vô tuyến lan
tỏa ra môi trường dưới dạng hình cầu nên công suất cũng suy giảm tỷ lệ
với diện tích bề mặt hình cầu (4πR).
Công suất tín hiệu thu được theo công suất phát được biểu diễn bởi
biểu thức:

λ 2
)
4πR
PR , Pt : công suất tín hiệu thu được và phát đi.
PR = PT GT GR (

GR , GT : độ lợi của anten thu và phát.
λ : bước sóng của sóng mang.
R : khoảng cách truyền.
2.2.2 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Nếu chỉ có sự anh hưởng của suy hao trên đường truyền, công suất tín
hiệu nhận được sẽ bằng nhau tại các điểm cách máy phát cùng một khoảng
cách. Trên thực tế điều này không xảy ra, vì ngoài ảnh hưởng của suy hao
đường truyền còn các yếu tố ảnh hưởng khác. Các vật chắn trên đường
truyền như các tòa nhà, cây cối làm sóng điện từ bị phản xạ nhiều đường

khác nhau, nhiễu trên những đường đến cũng khác nhau làm công suất
đến cũng khác nhau. Việc công suất nhận được khác nhau trong cùng một
khoảng cách đó còn gọi là Shadowing. Vấn đề Shadowing sẽ gây ảnh hưởng
chậm khi người dùng đi từ vị trí này sang vị trí khác. Vì do ảnh hưởng
chậm nên Shadowing còn được gọi là Slow fading.

2.2.3 Hiệu ứng Doppler
Khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, tần số thu
được sẽ thay đổi tăng lên hay giảm đi tùy thuộc vào sự di chuyển hướng
vào nhau hay ra xa nhau giữa máy phát và máy thu. Hiện tượng này được
18


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

gọi là hiệu ứng Doppler (Đặt tên theo nhà khoa học Christian Andreas
Doppler).
Hiệu ứng Doppler làm cho phổ tần số bên thu bị lệch so với tần số trung
tâm một khoảng, gọi là "tần số Doppler".
Tần số Doppler:

v
fD = f0 (φl )
c
Trong đó:

f0 : tần số sóng mang của hệ thống.
v : vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát.
c: Vận tốc ánh sáng.
φl : góc tới của tuyến l so với hướng chuyển động.

Khi đó tần số nhận được sẽ là: fr = f0 ± fD .

2.2.4 Hiện tượng multipath
Trong môi trường không gian tự do có rất nhiều vật cản như cây cối,
các tòa nhà và nhiều vật thể khác. Khi sóng vô tuyến gặp các vật cản này
sẽ bi phản xạ, tán xạ hoặc khúc xa ra nhiều đường khác nhau. Vì thế trên
thực tế, sóng vô tuyến không thể đi trực tiếp từ máy phát tới máy thu,
mà đó là chồng chập của các tín hiệu từ nhiều đường khác nhau. Các tín
hiệu này các biên độ và pha khác nhau, độ trễ (delay) cũng khác nhau và
bị ảnh hưởng của nhiễu cũng khác nhau. Hiện tượng trên thường được gọi
là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). . Tuỳ thuộc vào pha
của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại
hoặc bị hư hỏng hoàn toàn.

2.2.5 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số
Trong môi trường vô tuyến, tín hiệu truyền đi luôn bi tác động của các
vật cản trên đường đi, do sóng tín hiệu mang những tính chất vật lý như
19


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

Hình 4: Hiện tượng multipath

phản xạ, nhiễu xạ. . . nên tín hiệu sẽ được truyền đi trên nhiều đường khác
nhau, những tín hiệu này sẽ bị tác động nhiễu khác nhau, có biên độ và
pha khác nhau và đến máy thu tại các thời điểm khác nhau, nên khi tổng
hợp lại gây ra sự thay đổi liên tục, hiện tượng này gọi là Fading.
- Fading phẳng(Flat fading): hiện tượng này xảy ra khi băng thông
của kênh truyền lớn hơn bằng tần của tín hiệu. Trên một dải băng

tần nhất định, ảnh hưởng của fading lên các tần số khác nhau là như
nhau. Do đó, việc tính toán độ dự trữ fading đơn giản hơn, ta chỉ cần
bù thêm công suất phát cho cả băng tần.
Đối với các hệ thống tốc độ thấp có độ rộng băng tần hẹp thường bị
ảnh hưởng của fading phẳng.
- Fading lựa chọn tần số(selective fading): hiện tượng này thường
xảy ra khi băng thông của kênh truyền nhỏ hơn băng tần của tín hiệu.
Do đó, các hệ thống vừa và nhỏ thường bị ảnh hưởng bởi loại fading
này. Fading lựa chọn tần số tác động gây ra nhiễu xuyên ký tự (ISI).
Người ta dùng nhiều biện pháp để làm hạn chế sự ảnh hưởng của fading:
- Phân tập(diversity): theo không gian và thời gian.
- Sử dụng các mạch san bằng thích nghi.
20


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

- Sử dụng mã sữa lỗi để giảm BER.
- Trải phổ tín hiệu.
- Sử dụng điều chế đa sóng mang.

2.3 Các dạng kênh truyền
2.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn
lọc tần số
Trong kênh truyền vô tuyến, đáp ứng tần số luôn bị thay đổi và không
bằng nhau ở mỗi tần số khác nhau. Tuy nhiên, tồn tại một khoảng tần số
mà có đáp ứng xung gần bằng nhau ứng với các tần số khác nhau, khoảng
tần số đó thường được gọi là Coherence bandwidth. Gọi dải tần số mà có
đáp ứng kênh được xem là bằng phẳng là ∆f c .
Nếu ∆f c nhỏ hơn nhiều so với bằng thông của tín hiệu được truyền

Hình 5: Kênh truyền chọn lọc tần số

đi, thì một khoảng tần số tín hiệu sẽ có một đáp ứng kênh truyền khác
nhau, gây ra sự suy hao và méo tín hiệu trầm trọng ở đầu thu, dạng kênh
truyền này được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số.
Nếu ∆f c lớn hơn so với băng thông của tín hiệu, có nghĩa là toàn bộ
băng thông của tín hiệu nằm trong khoảng tần số ∆f c này, thì tín hiệu
truyền đi sẽ có đáp ứng kênh gần bằng nhau, điều này rất thuận lợi cho
việc khôi phục tín hiệu gốc. Dạng kênh truyền này được gọi là kênh tuyền
không chọn lọc tần số.
21


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

Hình 6: Kênh truyền không chọn lọc tần số

2.3.2 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi do
trải Doppler gây ra
Trên đường truyền của sóng vô tuyến luôn có sự hiện diện của các vật
cản, những vật cản này gây ra sự phản xạ, tán xạ . . . làm tín hiệu thay đổi
về biên độ và pha. Ngoài ra, những tính chất của kênh truyền và vị trí vận
tốc của vật cản cũng bị thay đổi liên tục theo thời gian, vì vậy mọi kênh
truyền đều có đáp ứng thay đổi theo thời gian.
Tuy nhiên, tồn tại một khoảng thời gian (τc ) mà đáp ứng thời gian thay
đổi rất ít, có thể cho là đáp ứng kênh bằng nhau, khoảng (τc ) đó thường
được gọi là Coherent time.
Nếu τc nhỏ hơn nhiều so với thời gian truyền một ký tự (τsymbol ), dạng
kênh truyền đó được gọi là kênh truyền biến đổi nhanh theo thời gian

(kênh truyền chọn lọc thời gian). Nếu τc lớn hơn nhiều so với τsymbol , dạng
kênh truyền đó được gọi là kênh truyền biến đổi chậm (kênh truyền không
chọn lọc thời gian).

2.3.3 Kênh truyền phân bố Rayleigh và Ricean
Tín hiệu truyền đi trong môi trường vô tuyến luôn bị phản xạ nhiều
đường khác nhau, tuy nhiên, trong thực tế tín hiệu vẫn được truyền theo
một đường thẳng từ máy phát đến máy thu. Đường truyền thẳng đó còn

22


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

được gọi là LOS (Light of Sight). Tùy vào địa hình truyền tin mà sẽ có tồn
tại đường LOS hoặc không có LOS.
Trường hợp không có đường LOS giữa máy phát mà máy thu, máy thu
chỉ tổng hợp được tín hiệu từ các đường phản xạ, nhiễu xạ, khúc xạ khác
nhau đến nó. Bằng thực nghiệm và lý thuyết, người ta đã chứng minh
được đường bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh,
kênh truyền như vậy gọi là kênh Rayleigh fading. Ngược lại, trường hợp
có đường LOS, thông tin chính mà máy thu nhận được nằm trên đường
LOS này, các thành phần khác không quan trọng và không gậy ảnh hưởng
nhiều, khi này đường bao của tín hiệu có phân bố Rice, nên kênh truyền
được gọi là Ricean fading.
Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh là:

f (x; σ) =

x −x2 /(2σ2 )

e
,
σ2

x≥0

(1)

Hình 7: Phân bố Rayleigh

23


Chương 2: Mô hình kênh truyền và một số đặc tính của kênh truyền sóng vô tuyến

Hàm phân bố xác suất của phân bố Rice là:

x
−(x2 + ν 2 )
xν
f (x | ν, σ) = 2 exp
I
0
σ
2σ 2
σ2

(2)

Hình 8: Phân bố Rice

2.4 Kết luận chương
Việc tìm hiểu về kênh truyền là rất quan trọng, khi biết những đặc tính
của kênh truyền sẽ thuận lợi cho việc truyền tín hiệu và khôi phục tín hiệu.
Tìm hiểu về các mô hình kênh truyền cũng là cơ sở để thực hiện việc mô
phỏng trong chương sau.

24


Chương 3: Tổng quan về SC-FDMA
3.1 Giới thiệu chương
Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa truy cập
phân chia theo tần số đơn sóng mang ( SC-FDMA) là các bản chỉnh sửa
của các kỹ thuật OFDM và SC/FDE. Tất cả các kỹ thuật phân chia theo
tần số trực giao sử dụng một bộ rời rạc các sóng mang con trực giao được
cấp phát trên một băng thông hệ thống. Chúng bao gồm các biến đổi rời
rạc để chuyển các tín hiệu giữa miền thời gian và tần số.
Với ưu điểm là có tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) nhỏ hơn
nhiều so với OFDMA, kỹ thuật SC-FDMA được sử dụng trong đường UL
của hệ thống LTE để các bộ khuếch đại ở các thiết bị đầu cuối đơn giản
và đạt hiệu suất cao hơn, giảm chi phí các thiết bị đầu cuối.

Hình 9: PAPR của OFDM và SC-FDMA

Tuy nhiên, với những ưu điểm về PAPR thì kỹ thuật SC-FDMA cũng
có những nhược điểm, với tốc độ dữ liệu cao bộ cân bằng trong miền tần
số của SC-FDMA có độ phức tạp lớn hơn nhiều đối với OFDMA.
25