ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
————***————

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
ĐA CHẶNG

NGƯỜI THỰC HIỆN

: TRẦN THỊ KIM PHƯỢNG

LỚP

: 09DT3

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN LÊ HÙNG

Đà Nẵng - 2014


Phân công nhiệm vụ

PHẦN LÝ THUYẾT
Chế Công Hoàng Nam

Trần Thị Kim Phượng

1. Tìm hiểu tổng quan Hệ thống thông 1. Tìm hiểu tổng quan hệ thống thông
tin di động (Chương 1): mô hình kênh tin di động (Chương 1): lịch sử phát
pha đinh đa đường.

triển, một số vấn đề cơ bản trong
thông tin di động như Suy hao đường
truyền, Pha đinh, CSI...

2. Tìm hiểu Các phương pháp Ước 2. Tìm hiểu Hệ thống thông tin
lượng kênh truyền (Chương 2): các đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp
khái niệm và thuật toán ước lượng.

(Chương 2): các khái niệm và phân
loại relay.

PHẦN MÔ PHỎNG
Chế Công Hoàng Nam

Trần Thị Kim Phượng

1. Thực hiện mô phỏng độ chính xác 1. Thực hiện thay đổi các thông số
của ước lượng LS trong hệ thống two của kênh truyền SISO và MIMO: số
- way relay. Mô phỏng hệ thống SISO lượng bit pilot, các loại kênh truyền
khi thay đổi số trạm chuyển tiếp, hệ khác nhau: AWGN, Rayleigh fading và
thống SISO và MIMO khi thay đổi Rician fading.
kiểu điều chế.
2. Khảo sát MSE kênh Massive 2. Khảo sát BER kênh Massive
MIMO.

MIMO.


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.
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2014.

Trần Thị Kim Phượng


Mục lục
Bảng các từ viết tắt

6

Danh sách hình vẽ

8

Lời nói đầu

9

1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

11

1.1

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

11

1.2

Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động . . . . . . . . .

11

1.3

Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.1

Suy hao đường truyền (Path Loss) . . . . . . . . . . . . .

14

1.3.2

Pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số . . . . . . .

17

1.3.3

Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.3.4

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

19

1.3.5

Thông tin trạng thái kênh truyền . . . . . . . . . . . . . .

20

1.3.6

Một số mô hình kênh truyền thường gặp . . . . . . . . . .

20

1.4

Mô hình kênh pha đinh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

1.5

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

23

2 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO WAY RELAY

24

2.1

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

24

2.2

Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp . . . . . .

24

2.2.1

Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng . . . . . . . . .

24

2.2.2

Khái quát về trạm chuyển tiếp (relay). . . . . . . . . . . .

26

Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing . . . . . . . . . . . . . . . .

29

2.3

4


MỤC LỤC

2.4

2.5

2.6

Các kỹ thuật ước lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

2.4.1

Ước lượng 1D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

2.4.2

Ước lượng 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng sử dụng
AF two-way Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

2.5.1

Mô tả hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

2.5.2

Ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật ước lượng LS . .

37

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

38

3 MÔ PHỎNG

40

3.1

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

3.2

Mức độ chính xác của ước lượng LS trong hệ thống two-way relay 40

3.3

Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi số lượng
pilot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4

42

Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi kiểu
điều chế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5

40

43

Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi kênh
truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.6

Khảo sát chất lượng hệ thống two-way relay khi thay đổi số relay

45

3.7

Ước lượng kênh truyền trong hệ thống Massive MIMO . . . . . .

46

3.7.1

Khảo sát MSE khi thay đổi số anten . . . . . . . . . . . .

46

3.7.2

Khảo sát BER khi thay đổi số anten . . . . . . . . . . . .

47

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

47

3.8

Kết luận và hướng phát triển đề tài

49

Tài liệu tham khảo

50

5


Bảng các từ viết tắt

1G

First Generation

Thế hệ thứ nhất

2G

Second Generation

Thế hệ thứ hai

3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

4G

Fouth Generation

Thế hệ thứ tư

5G

Fifth Generation

Thế hệ thứ năm

TDMA

Time- Division Multiple Ac- Đa truy cập phân chia theo
cess

FDMA

Frequency- Division Multi- Đa truy cập phân chia theo
ple Access

CDMA

thời gian
tần số

Code- Division Multiple Ac- Đa truy cập phân chia theo
cess

mã

W-CDMA

Wideband CDMA

CDMA băng rộng

TD-CDMA

Time Division CDMA

CDMA phân chia theo thời
gian

TD-SCDMA

Time Division Synchronous Đa truy cập đồng bộ mã
Code Division Multiple Ac- phân chia theo thời gian
cess

SDMA

Space- Division Multiple Đa truy cập phân chia theo
Access

OFDM

không gian

Orthonal Frequency- Divi- Ghép kênh phân chia theo
sion Multiplexing

tần số trực giao


FSPL

Free- Space Path Loss

Suy hao tín hiệu trong
không gian tự do

AWGN

Addictive White Gaussion Nhiễu Gaussian trắng cộng
Noise

SNR

Signal- to- Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

ISI

Inter- Symbol Interference

Nhiễu liên kí tự

ICI

Inter- Carrier Interference

Nhiễu liên kênh

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

IDM

Inter-Modulation

Distor- Nhiễu xuyên điều chế

tion
MAI

Multiple Access Interfer- Nhiễu đa truy cập
ence

BS

Base Station

Trạm gốc

MS

Mobile Station

Trạm di động

RS

Relay Station

Trạm chuyển tiếp

AF

Amplifier-Forward

Khuếch đại- Chuyển tiếp

DCF

Decode - Foward

Giải mã – Chuyển tiếp

DMF

Demodulation - Forward

Giải điều chế - Chuyển tiếp

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh
truyền

MMSE

Minimum Mean Squared Tối thiểu bình phương lỗi
Error

LS

Least Square

Bình phương tối thiểu

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

QAM

Quadrature

Modulation

QPSK

Quadrature

Amplitude Điều

chế

biên

độ

cầu

phương
Phase-Shift Khóa dịch pha cầu phương

Keying

7


Danh sách hình vẽ
1.1

Các công nghệ được sử dụng trong thông tin di động . . . . . . .

13

1.2

Pha đinh đa đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.3

Suy hao theo khoảng cách đường truyền. . . . . . . . . . . . . . .

16

1.4

Biểu đồ suy hao của pha đinh phẳng do hấp thụ . . . . . . . . .

17

1.5

Mô hình kênh pha đinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.1

Mô hình một hệ thống thông tin đơn chặng . . . . . . . . . . . .

25

2.2

Mô hình một hệ thống thông tin đa chặng . . . . . . . . . . . . .

25

2.3

Mô hình hệ thống sử dụng relay. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

2.4

Phân loại relay theo kĩ thuật chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . .

28

2.5

Hệ thống SDMA sử dụng tiền mã hóa. . . . . . . . . . . . . . . .

30

2.6

Biểu đồ chòm sao của tín hiệu điều chế 16QAM . . . . . . . . . .

32

2.7

Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.1

Ước lượng LS cho kênh truyền MIMO dùng two-way relay . . . .

41

3.2

Thay đổi số bit pilot - SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.3

Thay đổi số bit pilot - MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.4

Thay đổi kiểu điều chế - SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.5

Thay đổi kiểu điều chế - MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.6

Thay đổi kênh truyền - SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.7

Thay đổi kênh truyền - MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.8

BER của hệ thống khi thay đổi số trạm relay . . . . . . . . . . .

45

3.9

MSE của hệ thống khi số anten tăng từ 2 đến 70 . . . . . . . . .

46

3.10 BER tại SNR = -10:30dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

3.11 BER tại SNR = 25dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47


Lời nói đầu

Trong thời đại ngày nay, nhu cầu trao đổi cũng như cập nhật thông tin
ngày càng tăng đòi hỏi hệ thống thông tin di động phải liên tục cải thiện và
nâng cao cả về chất lượng và số lượng. Trong bối cảnh đó, các kỹ thuật truyền
tin mới với nhiều ưu điểm nổi trội xuất hiện thay thế cho những kỹ thuật ra đời
trước đây, vốn còn một số hạn chế về tốc độ và khả năng bảo mật.
Một trong số những kỹ thuật truyền tải dữ liệu đem lại nhiều ưu điểm là sử
dụng trạm chuyển tiếp để nâng cao chất lượng tín hiệu trên kênh truyền, vốn bị
suy hao công suất vì các yếu tố như nhiễu hay pha đinh đa đường. Tùy thuộc
vào yêu cầu dịch vụ và bản chất kênh truyền mà sử dụng loại trạm chuyển tiếp
thích hợp. Việc tín hiệu từ máy phát đi qua một hoặc nhiều trạm như vậy trước
khi đến máy thu gọi là thông tin đa chặng, và hệ thống sử dụng kỹ thuật này
gọi là hệ thống thông tin đa chặng.
Khi muốn đưa vào sử dụng một kỹ thuật nào đó trong thực tế, việc đánh giá
chất lượng là việc tất yếu cần phải thực hiện để đảm bảo hệ thống vận hành
tốt và đáp ứng được chất lượng mà nhà cung cấp cũng như người sử dụng mong
muốn, cũng như kiểm soát được các khuyết điểm còn tồn tại để tìm cách khắc
phục hoặc hạn chế, tránh xảy ra sự cố không mong muốn trong quá trình đưa
vào sử dụng. Việc đánh giá chất lượng có thể được thực hiện với nhiều thông số

đường truyền khác nhau, bằng nhiều thuật toán và kỹ thuật khác nhau, đòi hỏi
sự chính xác và khả năng vận dụng kiến thức linh hoạt. Đó cũng là lý do em
chọn nội dung Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng làm đề
tài cho Đồ án Tốt nghiệp của mình, với mục tiêu hiểu rõ hơn về hệ thống thông
tin hiện nay và thực hiện mô phỏng được một kênh truyền gần với thực tế nhất,
9


LỜI NÓI ĐẦU

từ đó đưa ra những nhận xét từ kết quả thu được để hiểu sâu hơn những kiến
thức được học trong lý thuyết.
Đồ án gồm có 03 chương:
X Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động
X Chương 2: Ước lượng kênh truyền trong hệ thống two - way relay
X Chương 3: Mô phỏng

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Lê Hùng đã nhiệt
tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành Đồ án này. Vì kiến thức còn nhiều
hạn chế nên nội dung bài báo cáo có thể còn tồn tại những sai sót, nhất là khi
em mới được học cách sử dụng phần mềm LATEX, một phần mềm hỗ trợ rất tốt
cho việc soạn thảo văn bản nhưng khá phức tạp trong cách thao tác so với các
phần mềm khác. Do đó em rất mong nhận được những nhận xét, góp ý từ phía
các Thầy Cô để Đồ án này được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện:
Trần Thị Kim Phượng

10

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
1.1

Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày các vấn đề:
X Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
X Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động
X Mô hình kênh pha đinh đa đường

1.2

Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di
động

Sự gia tăng của các thiết bị di động thông minh thúc đẩy sự tăng trưởng của
các dịch vụ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin giữa người với người, đòi hỏi
hệ thống thông tin di động phải có những bước phát triển tương ứng. Tính đến
nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua hai thế hệ, đang sử dụng khá phổ
biến thế hệ thứ ba (3G), và từng bước thử nghiệm thế hệ thứ tư (4G).
Thế hệ thứ nhất (1G) được xây dựng theo quy mô mạng lưới quốc gia và làm
việc dựa trên nền tảng công nghệ tương tự. Những hệ thống 1G được xem như
nền móng, định hướng cho việc xây dựng các thế hệ thông tin di động sau này.
11


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Thế hệ thứ hai (2G) là thế hệ đầu tiên sử dụng công nghệ kĩ thuật số. Hệ
thống 2G đã đưa người sử dụng trao đổi thông tin vượt qua ranh giới một quốc
gia nhờ các thông số được tiêu chuẩn hóa toàn cầu theo các Công ước quốc tế.
Ngoài việc truyền tiếng nói, 2G còn mở rộng dịch vụ ra các loại hình truyền
số liệu tốc độ thấp và đánh dấu sự ra đời của hệ thống vô tuyến điện, radio di
động, WLAN. Sự xuất hiện của những dịch vụ đa phương tiện di động là bước
tiến giúp con người tiếp cận gần hơn đến thế hệ thứ ba (3G).
Công nghệ truyền thông 3G là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại
di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email,
hình ảnh...). Điểm mạnh của công nghệ 3G so với công nghệ 2G là cho phép
truyền nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố
định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau.
Yêu cầu của hệ thống 3G là:
X Tăng dung lượng hệ thống.
X Tương thích với các hệ thống thông tin di động trước đây (2G).
X Hỗ trợ đa phương tiện.
X Dịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao, với các tiêu chuẩn về tốc độ truyền dữ liệu

được xác định:
> 2Mbps khi đứng yên hay ở trong khu vực nội thị.
> 384Kbps ở khu vực ngoại vi.
> 144Kbps ở khu vực nông thôn.
X Với thông tin vệ tinh (khả năng phủ sóng rộng) tốc độ truyền số liệu có

khả năng thay đổi.
Công nghệ 3G là một chuẩn của Tổ chức Viễn thông Thế giới. Tuy nhiên,
trên thực tế các nhà sản xuất thiết bị viễn thông lớn trên thế giới đã xây dựng
thành 04 chuẩn 3G thương mại chính:
X W-CDMA : Dựa trên kỹ thuật CDMA trải phổ, là giải pháp thích hợp với

các nhà khai thác dịch vụ di động sử dụng GSM, tập trung chủ yếu ở châu Âu
và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam).
X CDMA 2000 : Là thế hệ kế tiếp của 2G CDMA. CDMA 2000 cung cấp tốc

độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s.
X TD-CDMA : Là một chuẩn dựa trên kỹ thuật song công phân chia theo

12


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

thời gian (Time-division duplex). Đây là một chuẩn thương mại áp dụng hỗn
hợp của TDMA và CDMA nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho truyền
thông đa phương tiện.
X TD-SCDMA : Được xem như là một giải pháp thay thế cho W-CDMA.

TD-SCDMA phát triển dựa trên giao thức của S-CDMA.
Do hạn chế của 3G về tốc độ đường truyền và khả năng truy cập khi người
dùng di chuyển với vận tốc lớn, những nghiên cứu gần đây đang tập trung vào
việc ứng dụng công nghệ 4G tại một số nơi trên thế giới như Nhật Bản, Hàn
Quốc, Lào,... Với công nghệ này, tốc độ dữ liệu đạt trên 2Mbps và có thể lên tới
155Mbps trong một số điều kiện môi trường nhất định, mở rộng các loại hình
dịch vụ, ứng dụng, nâng cao chất lượng hệ thống và hiệu quả sử dụng băng
thông. Mạng 4G đạt được những đặc điểm vượt trội so với 3G như:
- Khả năng truy cập mọi lúc, mọi nơi, bất kể người dùng sử dụng thiết bị di
động nào. Mạng 4G sẽ là sự hội tụ ưu điểm của các công nghệ hiện có.
- Lấy người dùng làm tâm điểm. Mạng 4G cung cấp kết nối băng rộng và
bảo đảm chất lượng hệ thống trong điều kiện môi trường thay đổi cho các dịch
vụ đa phương tiện thời gian thực.

Hình 1.1: Các công nghệ được sử dụng trong thông tin di động

Thế hệ thứ năm (5G) hiện đang được nghiên cứu trong thời gian gần đây,
với ý tưởng dời toàn bộ dải tần 4G lên cao hơn (khoảng vài trăm GHz), hứa hẹn
đem lại bước đột phá trong kỹ thuật truyền tin tốc độ cực lớn. Việc sử dụng
tần số quá cao như vậy sẽ dẫn đến nhiều yếu tố ảnh hưởng chất lượng truyền
13


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

dẫn và cần nhiều kỹ thuật đi kèm để khắc phục.
Một số nghiên cứu gần đây hướng đến Massive MIMO, một phương pháp
tăng số lượng anten cũng như số user lên gấp hàng trăm lần so với các hệ thống
trước đây. Đây cũng là nét đặc trưng của công nghệ 5G. Tất nhiên, việc gia tăng
số phần tử trong anten array cần nhiều kỹ thuật hỗ trợ để đảm bảo chất lượng
hệ thống, nhưng trong khuôn khổ Đồ án này chỉ xét đến việc ước lượng kênh
truyền và tạm thời chưa đề cập đến các kỹ thuật đó.

1.3

Các vấn đề cơ bản trong thông tin di động

1.3.1

Suy hao đường truyền (Path Loss)

Đây là một trong những tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín
hiệu. Suy hao đường truyền là sự mất mát năng lượng của sóng điện từ khi

lan truyền trong không gian. Suy hao bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm
khoảng cách giữa bên phát và bên nhận, môi trường truyền, chiều cao và vị trí
của anten, độ rộng băng thông được sử dụng. . .
Suy hao tín hiệu trong không gian tự do được tính bằng công thức:
((
)2 )
(
)
4π
4π
df
= 20log 10
df
F SP L (dB ) = 10log 10
c
c

(1.1)

Trong đó: d là khoảng cách truyền dẫn (m)
f là tần số tín hiệu (Hz)
Pha đinh đa đường (Multipath Fading)

Pha đinh được định nghĩa là sự thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần
tại anten thu do sự thay đổi không đồng đều về chỉ số bức xạ của khí quyển,
phản xạ mặt đất, nước trên đường truyền sóng.
Các yếu tố gây ra hiện tượng pha đinh bao gồm:
X Sự hấp thụ của môi trường (các phân tử khí, hơi nước, sương mù,. . . ). Mức

độ suy hao phụ thuộc vào dải tần số ta chọn để truyền sóng điện từ.

X Sự thay đổi chiết suất của tầng điện ly ảnh hưởng đến hệ thống truyền tin

14


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Hình 1.2: Pha đinh đa đường

sử dụng bước sóng ngắn.
X Phản xạ nhiều đường từ mặt đất, nước và vật cản trên bề mặt Trái đất gây

ra sự truyền lan đa đường.
X Các hiện tượng khúc xạ, tán xạ, nhiễu xạ, sóng điện từ khi gặp vật cản gây

nên giao thoa và trễ đường truyền của các tín hiệu.
- Phản xạ: khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.
- Tán xạ: khi sóng đập vào các bề mặt không bằng phẳng và các vật này có
chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.
- Nhiễu xạ: khi sóng va chạm vào các vật có chiều dài lớn hơn nhiều so với
chiều dài bước sóng.
Trải trễ

Do sự phản xạ trên đường đi từ nơi phát đến nơi thu mà tín hiệu đến máy
thu với nhiều đường khác nhau. Tín hiệu phản xạ sẽ đến máy thu chậm hơn do
phải đi với quãng đường dài hơn so với tín hiệu tầm nhìn thẳng. Trải trễ được
định nghĩa là hiệu thời gian của tín hiệu phản xạ cuối cùng đến máy thu và tín
hiệu tầm nhìn thẳng.
Do các nguyên nhân trên mà tín hiệu phát ban đầu đi đến anten thu không
đồng thời bằng nhiều đường khác nhau. Tín hiệu cuối cùng nhận được ở anten

15


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

thu do đó sẽ là tổng hợp của nhiều tín hiệu thành phần có biên độ và trễ pha
khác nhau, khiến cho quá trình phân tách, khôi phục tín hiệu gốc trở nên khó
khăn và xác suất lỗi rất lớn.

Hình 1.3: Suy hao theo khoảng cách đường truyền.

Các loại nhiễu thường gặp
X Nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN)

Đây là loại nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn và làm giảm
tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Nguyên nhân
gây ra nhiễu chủ yếu là do nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên
máy thu.
X Nhiễu liên kí tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI)

Là hai loại nhiễu thường gặp do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu
Gaussian trắng cộng. Nhiễu liên kí tự là do sự trải trễ gây ra, các kí tự khi
truyền đi có độ trải trễ khác nhau bị chồng lấn lên nhau và gây ra nhiễu. Nhiễu
liên sóng mang (nhiễu xuyên kênh) xảy ra khi các sóng mang phụ bị lỗi dịch tần
số do sự không đồng bộ về mặt tần số giữa máy phát và máy thu.
X Nhiễu đồng kênh (CCI)

Xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh.
Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ

thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát.
16


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.3.2

Pha đinh phẳng và pha đinh lựa chọn tần số

Pha đinh phẳng (Flat fading)

Là pha đinh mà suy hao phụ thuộc vào tần số là không đáng kể và hầu như
là hằng số với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu.
X Pha đinh phẳng do truyền dẫn đa đường:

Hình thành do phản xạ tại vật cản, sự thay đổi của độ khúc xạ khí quyển và
sự di chuyển trong quá trình truyền dẫn làm cho cường đô trường thu được ở
đầu thu bị suy giảm.
Trong các hệ thống chuyển tiếp số, sự biến thiên của độ khúc xạ là nguyên
nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng truyền dẫn đa đường mà kết quả của nó là
tổn hao pha đinh thay đổi theo tần số. Tuy nhiên, hệ thống có băng tín hiệu
nhỏ nên tín hiệu suy hao pha đinh đa đường nhỏ, do đó có thể bỏ qua và pha
đinh đa đường được xem là pha đinh phẳng.
X Pha đinh phẳng do hấp thụ:

Là hiện tượng sóng điện từ bị hấp thụ và bị tán xạ do mưa, tuyết, sương mù,
hay các phần tử khác tồn tại trong môi trường truyền dẫn nên các tín hiệu vào
đầu thu bị suy giảm. Hiện tượng pha đinh này thay đổi phụ thuộc vào thời gian.

Hình 1.4: Biểu đồ suy hao của pha đinh phẳng do hấp thụ
17


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Ảnh hưởng của pha đinh phẳng tác động lên toàn bộ dải tần tín hiệu truyền
trên kênh là như nhau, do đó việc tính toán độ dự trữ pha đinh (fading margin)
dễ dàng hơn (các tần số trong băng tần đều bị tác động như nhau nên chỉ việc
tăng thêm công suất phát cho tất cả băng tần.)
Pha đinh lựa chọn tần số (Frequency- selecting fading)

Là pha đinh mà độ suy hao thay đổi phụ thuộc vào tần số, xảy ra khi băng
tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ
vừa và lớn có độ rộng băng tín hiệu lớn (lớn hơn độ rộng kênh) sẽ chịu nhiều
tác động của loại pha đinh này.
Tác hại lớn nhất của loại pha đinh này là gây nhiễu liên kí tự ISI. Pha đinh
chọn lọc tần số tác động lên các tần số khác nhau là khác nhau, do đó việc dự
trữ như pha đinh phẳng là không thể. Do đó để khắc phục nó, người ta sử dụng
một số biện pháp:
X Phân tập (diversity): Là một phương pháp để nâng cao độ tin cậy của việc

truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền
khác nhau để máy thu có thể chọn hoặc kết hợp những tín hiệu thu được thành
một tín hiệu tốt nhất. Lợi dụng việc truyền trên nhiều kênh mà ta có được độ
lợi phân tập, thường được đo bằng dB.
Có những loại phân tập chính sau đây:
- Phân tập không gian: Tín hiệu được truyền trên nhiều đường khác nhau.
Trong truyền dẫn hữu tuyến, người ta truyền trên nhiều sợi cáp. Trong truyền
dẫn vô tuyến, người ta sử dụng phân tập ăng ten.

- Phân tập tần số: Tín hiệu băng hẹp giống nhau sẽ được truyền trên nhiều
tần số sóng mang khác nhau hoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi
fading lựa chọn tần số.
- Phân tập thời gian: Một bản tin sẽ được truyền ở nhiều thời điểm khác
nhau.
- Phân tập phân cực: Tín hiệu được truyền đi bằng cách dùng những sóng
phân cực khác nhau.
X Sử dụng mã sửa lỗi để giảm BER.

- Mã khối tuyến tính (mã Hamming, mã chẵn lẻ, BCH, RS ...)
18


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

- Mã chập (Convolution code)
X Trải phổ tín hiệu: Kỹ thuật trải phổ về cơ bản là sử dụng một mã đặc biệt

để trải phổ của tín hiệu trong một băng thông hẹp (thậm trí rất hẹp) ra một
băng thông cực rộng làm cho tín hiệu truyền đi rất giống với nhiễu trắng có
trong tự nhiên.
Ưu điểm:
- Có khả năng kháng nhiễu.
- Hạn chế và làm giảm hiệu ứng đa đường.
- Chia sẻ dải tần số với nhiều người sử dụng.
- Bảo mật do chuỗi mã giả ngẫu nhiên (Phân chia theo mã).
Hạn chế:
- Không hiệu quả về băng thông.
- Hoạt động phức tạp hơn.
1.3.3

Shadowing

Những vật cản có kích thước lớn như đồi núi, nhà cửa tại vị trí xa so với máy
phát tạo ra đường truyền tạm thời và gây ra sự suy giảm tạm thời tín hiệu thu,
làm cho công suất thu bất thường. Đây cũng được gọi là hiện tượng pha đinh
chậm (Slow fading).
1.3.4

Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas
Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các
sóng nói chung bị thay đổi khi nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người
quan sát. Đây là một yếu tố ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vì khi người
dùng di chuyển (gần hoặc xa) trạm BTS thì tần số sóng tới máy thu sẽ thay
đổi, dẫn đến tần số kênh truyền đến thiết bị thay đổi làm ảnh hưởng đến chất
lượng thông tin tại nơi thu do ảnh hưởng của ISI làm méo tín hiệu và tổn hao
công suất. Đây cũng được gọi là hiện tượng pha đinh nhanh (Fast fading).

19


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.3.5

Thông tin trạng thái kênh truyền

Trong truyền thông không dây, thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) đề

cập đến các thuộc tính kênh đã biết của một đường truyền viễn thông. Thông
tin này mô tả cách một tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu và đại diện
cho hiệu ứng kết hợp, ví dụ như tán xạ, pha đinh... CSI giúp đường truyền có
thể thích ứng với các điều kiện kênh truyền hiện tại, điều này rất quan trọng
để đạt được thông tin liên lạc đáng tin cậy với tốc độ dữ liệu cao trong các hệ
thống multiantenna.
CSI cần được ước lượng ở máy thu, thường được lượng tử hóa và đưa trở lại
máy phát. Vì vậy, máy phát và máy thu có thể có CSI khác nhau, đôi khi được
gọi là CSIT và CSIR, một cách tương ứng.
Về cơ bản có hai mức CSI là CSI tức thời (instantaneous CSI) và CSI thống
kê (statistical CSI).
X CSI tức thời (hoặc CSI ngắn hạn): các điều kiện kênh truyền hiện tại đã

biết, có thể xem như biết đáp ứng xung của bộ lọc kỹ thuật số. Điều này tạo
điều kiện thích ứng các tín hiệu truyền với đáp ứng xung và do đó tối ưu hóa
các tín hiệu nhận được cho việc ghép kênh không gian hoặc để đạt được tỷ lệ
lỗi bit thấp.
X CSI thống kê (hoặc CSI dài hạn): một đặc tính thống kê của kênh được

biết đến. Có thể bao gồm loại phân bố pha đinh, độ lợi kênh trung bình, thành
phần line-of -sight và tương quan không gian. Như với CSI tức thời, thông tin
này có thể được sử dụng để tối ưu hóa đường truyền.
1.3.6

Một số mô hình kênh truyền thường gặp

Kênh AWGN

Kênh AWGN là kênh truyền gần như lý tưởng do chỉ xét đến ảnh hưởng của
nhiễu trắng cộng. Kênh truyền này tương tự với việc truyền tín hiệu qua đường

dây cáp đồng trong thông tin hữu tuyến, không có tác động của pha đinh và do
đó có chất lượng tín hiệu đạt được ở đầu thu khá tốt. Tuy nhiên mô hình này
không thực tế khi sử dụng trong thông tin vô tuyến.

20


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Mô hình kênh Rayleigh fading

Mô hình Rayleigh fading là kênh truyền xét đến ảnh hưởng của hiện tượng
đa đường trong trường hợp xấu nhất là không có đường truyền thẳng từ nơi
phát đến nơi thu (hay nói cách khác là không có tín hiệu LoS). Do đó BER của
tín hiệu thu được khá cao so với kênh AWGN.
Mô hình kênh Rician fading

Khác với kênh Rayleigh fading, kênh Rician fading là kết hợp giữa ảnh hưởng
của fading đa đường và đường trực tiếp LOS. Tín hiệu LOS tạo thêm một thành
phần biết trước trong tín hiệu đa đường, do vậy khiến cho việc ước lượng trở
nên chính xác hơn và chất lượng tín hiệu thu trong một số trường hợp cũng tốt
hơn so với kênh Reyleigh fading.
Kênh Rician fading được đặc trưng bởi tham số K, được định nghĩa bằng tỉ
số công suất của tín hiệu LoS với công suất các đường tán xạ.

1.4

Mô hình kênh pha đinh đa đường

Hình 1.5: Mô hình kênh pha đinh

Tín hiệu s(t) từ anten phát được biểu diễn như sau [1]:
[
]
s (t) = Re x (t) ej2πfc t

(1.2)

Qua kênh truyền pha đinh đa đường (giả sử có L đường vật lý), tín hiệu nhận
21


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

được ở anten thu là:
L−1
∑

yRF (t) =

αl (t) s (t − τl (t)) + ω (t)

(1.3)

l=0

Trong đó αl là độ suy hao và τl là độ trễ của tín hiệu so với tín hiệu s(t).
Thay (1.3) vào (1.2), ta có:
yRF (t) = Re

[L−1
∑

]
αl (t) x (t − τl (t)) ej2πfc (t−τl (t)) + ω (t)

l=0

= Re

[(L−1
∑

)

]

αl (t) x (t − τl (t)) ej2πfc (t) + ω (t)

l=0

[
]
= Re y (t) ej2πfc (t) + ω (t)
⇒ Tín hiệu y(t) nhận được từ băng tần cơ sở:
yRF (t) =

∑

αi (t) s (t − τl (t)) + ωb (t)

(1.4)

i

Tiếp theo ta chuyển kênh truyền liên tục theo thời gian thành kênh truyền
rời rạc theo thời gian. Giả sử tín hiệu x(t) có băng tần giới hạn là W:
xRF (t) =

∑

xn sin c (W t − n)

(1.5)

n

sin (πt)
πt

Với xn = x (n/W ) và sinc
Thay (1.5) vào (1.4)
yRF (t) =

∑

αi (t)

i

=

∑
n

xn

∑

∑

xn sin c (W (t − τi (t)) − n) + ωb (t)

n

αi (t) sin c (W (t − τi (t)) − n) + ωb (t)

i

⇒ Các mẫu ym thu được là:
ym =

∑
n

xn

∑

αi (m/W ) sin c (m − n − τi (m/W ) W ) + ωb (t)

(1.6)

i

22


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Giả sử l

m−n
ym =

∑
l

xm−l

∑

αi (m/W ) sin c (−τi (m/W ) W ) + ωb (t)

(1.7)

i

Vậy mô hình thời gian rời rạc của kênh truyền vô tuyến được biểu diễn:
ym =

∑

xm−l hl,m + ωb (t)

(1.8)

l

1.5

Kết luận chương

Qua chương này chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển và
các vấn đề trong thông tin di động như các yếu tố gây suy hao tín hiệu, một
số loại nhiễu thường gặp và mô hình của một kênh pha đinh đa đường,... Để có
được một hệ thống thông tin di động như hiện nay, ngành Viễn thông đã trải
qua nhiều bước biến chuyển đáng kể, từ thế hệ đầu 1G sơ khai dựa trên nền
tảng công nghệ tương tự, đến thế hệ 2G được số hóa đạt tốc độ 50Kbps và hiện
nay công nghệ 4G đã tăng tốc độ bit lên tới 1Gbps (với thuê bao đứng yên), tức
là tăng gấp 20.000 lần. Với nhiều ưu điểm vượt trội, mở rộng loại hình dịch vụ
và tối ưu hóa chất lượng, hệ thống thông tin di động đang phục vụ tốt nhu cầu
trao đổi thông tin của con người thời kỳ hiện đại.
Chất lượng tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến bị tác động bởi nhiều yếu tố,
nhưng ảnh hưởng lớn nhất là pha đinh, đặc biệt là pha đinh lựa chọn tần số do
sự khó khăn trong việc tính toán và ước lượng chất lượng kênh cũng như giảm
tỉ lệ lỗi bit ở bên thu. Đối với các mạng di động thế hệ sau (3G, 4G), do yêu cầu
tốc độ bit lớn ngay cả khi thuê bao di chuyển với tần số tương đối so với trạm
gốc nên càng cần phải tích hợp nhiều kỹ thuật vào quá trình truyền (mã hóa,
phân tập,...) nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ. Tất cả những khái niệm trong

chương này là nền tảng để xây dựng các mô hình mô phỏng trong chương sau.

23


Chương 2
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY
RELAY
2.1

Giới thiệu chương

Trong chương này sẽ trình bày các vấn đề:
X Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển tiếp.
X Kỹ thuật tiền mã hóa Zero - Forcing.
X Các kỹ thuật ước lượng.
X Ước lượng hệ thống thông tin đa chặng sử dụng two- way AF Relay dựa

vào kỹ thuật ước lượng LS.

2.2

Hệ thống thông tin đa chặng sử dụng trạm chuyển
tiếp

2.2.1

Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng

Hệ thống thông tin đơn chặng

Mạng vô tuyến di động như GSM, CDMA hoạt động theo cấu trúc điểm đa điểm, trong đó bao gồm trạm gốc (BS) và trạm di động (MS).
24


ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG TWO - WAY RELAY

Hình 2.1: Mô hình một hệ thống thông tin đơn chặng

Hệ thống thông tin đa chặng

Mạng chuyển tiếp đa chặng là sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể
phủ sóng một khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung
gian giữa trạm gốc và máy thu. Thiết bị chuyển tiếp có thể được đặt trong trạm
chuyển tiếp (relay) hoặc cũng có thể đặt trong chính thiết bị di động.

Hình 2.2: Mô hình một hệ thống thông tin đa chặng

Trong hệ thống trên, tín hiệu từ trạm gốc BS thay vì đi trực tiếp đến nơi
25