Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật beamforming sử dụng antenna mảng trong mạng tế bào của hệ thống thông tin di động

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi : Hội đồng bảo vệ, khoa Điện Tử-Viễn Thông, hệ Sau đại học, trường
Đại Học Hàng Hải
Tôi tên là : Vũ Đức Huân
Lớp

: KTĐT 2013

Tên đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật beamforming sử dụng antenna mảng trong
mạng tế bào của hệ thống thông tin di động”.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015
Người thực hiện
Vũ Đức Huân

i


LỜI CẢM ƠN
Sau 2 năm học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành khóa học và luận văn tốt
nghiệp của mình. Tập luận văn này là kết quả học tập tại Viện Sau đại học – Đài
học Hàng Hải – Ngành Điện Tử Viễn Thông và là thay lời cảm ơn chân thành
nhất của em đến tất cả các thầy cô giáo, những người đã tận tâm, nhiệt tình giảng
dạy tất cả các môn học để em có kiến thức thực hiện tốt đề tài.
Qua đây em gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Lê Quốc Vượng, người Thầy đã tận
tình hướng dẫn em trong suốt thời gian qua.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đỡ em cố

gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp.
Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, các anh chị đã giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập tại trường.
Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015
Sinh viên
Vũ Đức Huân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU............................................iv
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
CHƯƠNG 1..............................................................................................................3
TỔNG QUAN..........................................................................................................3
Giới thiệu chung.....................................................................................................3
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1............................................................................3
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2............................................................................4
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:...........................................................................5
1.4 Tổng quan về mạng WCDMA....................................................................................7
1.5 Phân tập không gian và thời gian..............................................................................14
1.6 Các bộ thu cơ bản......................................................................................................23
Kết luận chương:...................................................................................................25
CHƯƠNG 2............................................................................................................ 26
CÁC KỸ THUẬT VÀ THUẬT TOÁN BEAMFORMING................................26
2.1 Các kỹ thuật beamforming........................................................................................26
2.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming ................................................................................26
2.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming................................................................................31

2.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming.................................................................................35
2.5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản............36
2.6 Các thuật toán beamforming....................................................................................38
2.7 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR................................................................................38
2.8 Thuật toán cho kỹ thuật MSINR...............................................................................49
2.9 Thuật toán cho kỹ thuật MMSE................................................................................59
Kết luận chương:...................................................................................................64
CHƯƠNG 3............................................................................................................65
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.........................................................................65
3.1 Giới thiệu chương trình.............................................................................................65
3.2 Các lưu đồ thuật toán. ..............................................................................................66
3.3 Kết quả mô phỏng.....................................................................................................71
Kết luận chương:...................................................................................................82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................84
PHỤ LỤC...............................................................................................................85

iii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Viết tắt

Giải thích

AOA
AWGN
BER
BPSK
CDMA

Angle of Arrival
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Code Division Multiplex Access

CG
dB
DMI
DPCCH
DPDCH
EGC
ISI
GE
ML
MLSE

Coding Gain
Decibel
Diercted Matric Invesion
Dedicated Physical Control Channel
Dedicated Physical Data Channel
Equal Gain Combine
Inter Symbol Interfere
Generalized Eigenvalue
Maximum Likelihood
Maximum Likelihood Sequence Estimation

MMSE

Minimum Mean Square Error

MRC
OFDM
PAM
PSK
QAM
QPSK
RF
SC
SE
SER
SINR

Maximum Ratio Combine
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Pulse Amplitude Modulation
Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Frequence
Selected Combine
Simple Eigen
Symbol Error Rate
Signal to Interference plus-Noise Ratio

SISO
SNR
TCM

TDMA

Single Input Single Output
Signal to Noise Ratio
Trellis Code Modulation
Time Division Multiple Access

WLAN
WCDMA

Wireless Local Area Network
Wideband Code Division Multiplex Access

iv

Ý nghĩa
Góc đến tín hiệu
Cộng nhiễu trắng
Tỷ lệ lỗi bít
Điều chế pha PSK 2 mức
Đa truy cập phân chia theo
mã
Mã hoá cổng
Ma trận đảo trực tiếp
Kênh điều khiển vật lý
Kênh điều khiển dữ liệu
Tổ hợp cùng độ lợi
Nhiễu xuyên ký tự
Nhóm các giá trị riêng
Cực đại tối ưu

Đánh giá chuổi cực đại tối
ưu
Tối thiểu bình phương sai
lệnh
Bộ tổ hợp tỷ số tối đa
Điều chế tần số trực giao
Điều chế biên độ xung
Điều chế pha
Điều chế QAM
Điều chế
Sóng radio
Bộ tổ hợp chọn lọc
Giá trị riêng đơn giản
Tỷ lệ lỗi ký tự
Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao
thoa và nhiễu nhiệt
Vào đơn ra đơn
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Mã hoá lưới TCM
Đa truy cập phân chia theo
thời gian
Mạng không dây
Đa truy cập phân chia theo
mã băng rộng


DANH MỤC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1

1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10

Tên hình
Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G
Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDM
Phân bố tần số FDD và TDD
Các tín hiệu đa đường
Các tín hiệu nhiễu giao thoa
Mảng antenULA
Mô hình Beamformer
Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 00 và
nhiễu giao thoa là 450
Mô hình bộ thu Rake
Bô thu Beamformer-Rake

Trang
6
7
8
11
12
15

19
21
23
25

v


MỞ ĐẦU
Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra
máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay
đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ
mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang
tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong
việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng
này đang tiếp tục tăng trong những năm tới.
Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch
vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được cung cấp cho
thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và
multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu
này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động
thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu
chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di động
số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú
trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện.
Cùng với nhu cầu tăng lên nhanh chóng của kênh truyền tốc độ cao thì bài
toán xử lý nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng của
hệ thống cũng được đặt ra. Vì thế trong mạng di động phải có nhiều kỹ thuật xử lý
tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân
tập tín hiệu. Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật Beamforming, điều khiển

hướng búp sóng của anten mảng về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null về
hướng đến của tín hiệu với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao
thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu
ở đầu ra của mảng anten mảng.
Nội dung đồ án gồm 3 chương :
- Chương 1:Trình bày tổng quan về mạng di động tế bào và hệ thống anten
trong mạng di động. Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân
tập anten bằng bộ thu Beamformer-Rake.

1


- Chương 2: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu
Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE. Trình bày các
thuật toán tính toán cho từng kỹ thuật Beamformer.
- Chương 3: Chương trình mô phỏng thực hiện bằng ngôn ngữ Matlap gồm
các phần sau:

Mô phỏng các giải pháp điều khiển búp sóng anten dãy.

Mô phỏng giản đồ BER của hệ thống trải phổ có sử dụng kỹ thuật
Beamforming.

Mô phỏng chất lượng các bộ tổ hợp (SC, EGC, MRC) trong bộ thu
Rake (phân tập thời gian). Đánh giá bằng đồ thị BER.

Mô phỏng hệ thống WCDMA có sử dụng kỹ thuật phân tập Không
gian - Thời gian.

Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình
thay đổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự, sử dụng công nghệ
đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa
phương tiện gói.
1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng
được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ
đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì
nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận
được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người
dùng. Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một
số người bị chặn lại, không được truy cập.
Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp
và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ. Mỗi dải tần số được gán cho một

kênh liên lạc, N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân
cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.
3


Đặc điểm :
- Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông
tuyến.
- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced
Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập
đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người
dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải
thiện về cả dung lượng và tốc độ.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ
2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công
nghệ số.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và
sử dụng 2 phương pháp đa truy cập :
- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải
tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời
gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài
xen khe thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc
khung.
Đặc điểm:

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số.
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động
và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc.
4


Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động
cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.
- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiễu giao thoa.
Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ
thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS
tương tự có khả năng xử lý không quá 10 6 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số
TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người
sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà
không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với
nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người
sử dụng.
Đặc điểm
-

Dải tần tín hiệu rộng.

- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
-

Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường

rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
-

Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị

truyền dẫn đơn giản và việc thay đổi, chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực
hiện rất linh hoạt.
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong (mạng
tế bào) thế hệ thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa
ra các muc tiêu chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.
5


-

Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại

vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệ
thống thông tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di động.
3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384
Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto.
Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như
của CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu

chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó
2 hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp
dụng trong những năm gần đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA,
điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô
tuyến.
- Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 lên WCDMA

Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G

Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình
ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ được
chuyển đổi sang thế hệ 3. Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1.
Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:

6


GSM

HSCSD

GPRS

WCDM
AA

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di

động toàn cầu.
 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc độ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
1.4 Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia
theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử
dụng công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access: Đa
truy cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải
phổ để phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dải tần số rộng. Trong công nghệ
CDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (mã giả ngẫu
nhiên) với sự tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người
sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định.
Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc
trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được. Cũng giống như TDMA, WCDMA
là một trong nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động. Nó
cũng được biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất.
WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin
di động. WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc
được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp
phát ở các vùng khác nhau.
7


• FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó
truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD đường
lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống được phân bố một
cặp băng tần riêng biệt.

• TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó
đường lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng
những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý
được chia thành hai phần: phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và
đường lên được truyền dẫn luân phiên.
1900 1920
TDD
RX/T

1980 2020

FDD
Uplink

X

2025

2110

2170 (MHz)

TDD

FDD

RX/T

Downlink

X

t

t
5MHz

5MHz

Đường
lên

Đường
xuống

FDD

Đường
xuống

Khoảng Bảo vệ
Đường
lên

f

TDD

f

Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD

Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ
tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:
 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển
mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến.
 Mạng lõi có hai vai trò chính :

8


 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu
gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thông
tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.
 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy
nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và
phân loại thông tin tính cước và bảo mật.
 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ
bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.
1.4.1 Các thông số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên
một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là
chip) nhận được trải phổ trong WCDMA.
 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ
tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ
liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà
quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz.
Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng

4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác
chính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp. Mỗi user được cung cấp một
khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi.
Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.
 WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD. Trong
FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên
và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng
cho cả hướng lên và hướng xuống.

9


 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó không
giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn
cầu GPS.
 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các
ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ
sóng.
 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể
chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.
Phương thức đa truy xuất
Phương pháp ghép song công
Đồng bộ trạm gốc
Tốc độ chip
Độ dài khung
Ghép dịch vụ
Đa tốc độ
Tách sóng

DS-CDMA
FDD/TDD
Hoạt động bất đồng bộ
3.84Mcps
10ms
Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ
khác nhau được ghép trên một kết nối
Hệ số trải phổ khả biến và đa mã
Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa
tiêu.

1.4.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA
Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có
những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những đặc điểm chủ yếu trong
hệ thống WCDMA là :
 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2
sang thế hệ thứ 3.
 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại
trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.
 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ
giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một cách
có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng kỷ thuật
10


tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD được thiết kế để
hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp.
 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu

suất vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu
vô tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tính
năng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào. Điều khiển
công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở môi
trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp.
Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là một
trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA.
1.4.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA
Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp. Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị
thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thành
phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…
WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó. Sau đây là
mô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa.

Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường

11


Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều
kỹ thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong luận văn
này ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.
1.4.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự, sử dụng trong hệ
thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêm
trọng. Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMA
băng rộng, vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc
lập. Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do

fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading
xảy ra một cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách
độc lập được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập
là theo tần số, theo thời gian và theo khoảng cách. Phân tập theo thời gian đạt được
nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng
cho tất cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ
thống CDMA băng rộng ứng dụng việc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả
năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh
hưởng đến băng tần báo hiệu (200-300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì

12


fading ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn. Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền
thường đạt được theo 3 phương pháp sau:
-Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động
với 2 hoặc nhiều trạm gốc BTS.
-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét
thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng).
Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống
TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ
thống số có tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần
số có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.
Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan, BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có
bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theo
mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất
hiện ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tín
hiệu thu. Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading

đồng thời giữa cá đường tín hiệu thu được.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống
thông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di
động.
Các kỹ thuật phân tập:
 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những
khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,
như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều
thời điểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời gian
trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.
 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và
sóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân
13


cận. Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền
cùng một tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần
số khác nhau.
 Phân tập không gian (hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng
ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để
truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng
băng thông của hệ thống.
1.5 Phân tập không gian và thời gian
1.5.1 Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống mạng tế bào bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính đó là
nhiễu fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference: MAI). Một bộ
thu 2 chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu
được trên cả hai miền không gian và thời gian. Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền
không gian là tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu
trên miền thời gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian.

Việc kết hợp 2 kỹ thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu
tại bộ thu. Tuy bộ thu 2-D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền
không gian và thời gian song điều này đòi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp.
Trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín
hiệu trong miền không gian và thời gian.
Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ
bằng cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin
từ những địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy
nhất liên quan tới thuê bao đó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính
không gian của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này được thực hiện bởi
bộ Beamformer. Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ
thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung
lượng của hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao
thoa co-channel.
14


1.5.2 Anten Mảng
Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí
khác nhau trong không gian mảng. Các anten thành phần này có thể được sắp xếp
theo các cấu trúc hình học bất kỳ. Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là
mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng. Mảng đường và mảng tròn là trường hợp
đặc biệt của mảng phẳng. Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc
phát xạ của các anten thành phần, vào sự định hướng, vào vị trí của các anten, vào
biên độ và pha của tín hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc
phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu
đến mảng [3]. Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số
mảng. Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc
phát xạ của mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần.
- Mảng anten dãy

Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì
mảng được gọi là mảng anten dãy (ULA). Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm
N phần tử. Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d . Góc tín hiệu truyền đến
mảng là θ (còn gọi là góc AOA).

Hình 1.6 Mảng anten ULA
Tín hiệu thu được tại anten đầu tiên của mảng được biểu diễn như sau :
15


x1 (t ) = A1 (t ) cos{2πf c t + γ (t ) + β }

(1.1)

Với A1(t) : Biên độ tín hiệu đến anten.
fc : Tần số sóng mang của tín hiệu.
γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.
β : Góc pha tín hiệu.
Ngoài ra tín hiệu thu được tại phần tử đầu tiên có thể viết như sau :
x1 (t ) = A1 (t )e j{γ ( t ) + β }

(1.2)

Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một
khoảng cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất. Lúc này tín hiệu đến các
phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian. Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong
mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một khoảng thời gian là τ , tương tự phần tử
thứ N sẽ trễ một khoảng là N τ . Như thế ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại
các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất.
Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :

τ=

d sin θ
c

(1.3)

Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng.
Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ 2 là :
x 2 (t ) = x 1 (t − τ ) = A1 (t − τ ) cos{2πf c (t − τ ) + γ (t − τ ) + β }

(1.4)

Thông thường fc là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu, vì vậy biểu thức (1.4)
có thể được viết như sau :
x 2 (t ) = A(t ) cos{2πf c t − 2πf cτ + γ (t ) + β }

(1.5)

Hay
x 2 (t ) = A(t )e j{−2πf cτ +γ ( t ) + β }
= x1 (t )e j{−2πf cτ }
x 2 (t ) = x1 (t )e

(1.6)
j {−2πf c

d sin θ
}
c

= x1 (t )e

− j { 2π

d
sin θ }
λ

Do đó tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N)
16

(1.7)


xi (t ) = x1 (t ).e

d
− j{ 2π ( i −1) sin θ }
λ

(1.8)

Ta định nghĩa một trường vector dùng để biểu diễn tất cả các tín hiệu thu được
trên các phần tử của mảng. Trường vector tín hiệu đó được biểu diễn như sau :
x(t) =[x1(t) x2(t) ….. xn(t)]T

(1.9)

Ta cũng định nghĩa trường vector đáp ứng a ( θ ) của mảng như sau :

a (θ ) = [1 e − j{2π λ sin θ } …… e − j{2π λ ( N −1) sin θ } ]T
d

d

(1.10)

Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu
truyền đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong
mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng. Chúng ta giả thiết rằng trong
phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp ứng của mảng không thay
đổi. Khi cấu trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của
mảng là đẳng hướng, thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín
hiệu đến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể được viết như
sau :
x(t ) = a (θ ) x(t )

(1.11)

Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ
hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng. Giả thiết cho hiện tượng này
được gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ
có sự sai pha lẩn nhau, song sự sai pha này có thể là nhỏ. Vì thế mô hình
narrowband vẫn chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là
ở những tín hiệu có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng.
Cũng vì lí do đó mà khi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa
thì phải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn bộ
luận văn này chúng ta giả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband.
Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối
cùng của mảng được tính như sau :

17


τ max =

( N − 1) d sin θ
c

(1.12)

Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là

τ max =

( N − 1)

λ
2

(1.13)

c
( N − 1)

τ max =

λ
2

c

c
2 fc

=

( N − 1)
2 fc

Nếu mảng có 4 phần tử và fc =2GHz
Ta có : τ max =

3
2.2000.10 6

Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz. Tỉ số giữa τ

max

và

băng thông tín hiệu được tính như sau :
χ max =

3 × 5.10 6
=0.0037
2 × 2000.10 6

Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA.

1.5.3 Kỹ thuật Beamforming
Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện
trong những anten mảng. Trong hệ thống mạng di động tế bào, tín hiệu hữu ích của
một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu
giao thoa tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao
thoa sóng để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó. Trong bộ Beamformer, tín
hiệu thu được từ các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có
chất lượng tốt nhất. Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.

18


Hình 1.7a Mô hình Beamformer

Hình 1.7b Búp sóng anten dãy

Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định
riêng biệt. Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :
K

x(t ) = ∑ si (t )a (θ i ) + n(t )

(1.14)

i =1

Với si (t ) là tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i trong mảng, góc tới là θ i .
a (θ i ) là vector đáp ứng của mảng ứng với góc tới θ i .
n(t ) là vector tín hiệu nhiễu.

Đầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :
H

y (t ) = w (t ) x(t )

(1.15)

Với w=[ w1 w2 … wN]T là vector trọng số của mảng.
Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuật
beamforming khác nhau. Các kỹ thuật beamforming thường có là MMSE, MSINR,
MSNR, CMA, ML…sẽ được đề cập ở các chương sau.
- Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA
Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật đơn giản để diển tả nguyên lí của
Beamforming. Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với góc
AOA là 0o, và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở góc AOA
là 45o. Vector đáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này là :
1
a desired = a (0) =  
1

(1.16)

Tương tự, vector đáp ứng của mảng đối với tín hiệu nhiễu giao thoa là :
19


1

  1  
1


π
a int = a( ) =  − j 2π × 1 sin( π )  =  − j π  = 

2
4
2
4
 − 0.6057 − j 0.7957 
e
 e

(1.17)

Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch đại đối với tín hiệu mong
muốn đồng thời giảm thiểu tối đa hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhiễu giao thoa.
Vì thế vector đáp ứng của mảng phải thoả mãn các điều kiện sau :
H

w a desired = 1

(1.18)

H

w a int = 0

Từ trên ta tính được
0.5 − j 0.2478
w=


0.5 + j 0.2478

Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc θ được cho như sau :
g (θ ) = w a (θ )
H

(1.19)

Đồ thị bức xạ (Beam pattern) được xác định bởi độ lớn của g (θ ) :
G (θ ) = g (θ )

(1.20)

Đồ thị bức xạ được dùng để mô tả mảng các hệ số khuếch đại tín hiệu ứng với
các góc đến khác nhau, hay được gọi là bộ khuếch đại có chọn lọc. Đồ thị bức xạ
cho trường hợp trên được minh hoạ ở hình 1.8 dưới đây. Quan sát ta thấy, hệ số
khuếch đại của tín hiệu là 1 còn của tín hiệu nhiễu giao thoa là 0. Như vậy,
beamformer có thể hướng búp sóng null về phía tín hiệu nhiễu giao thoa, phương
pháp này được gọi là phương pháp null steering beamformer. Chú ý rằng, trong
phương pháp này các bộ phận của bộ Beamformer chỉ làm việc được khi tổng số
các tín hiệu đến phải ít hơn hay bằng số lượng các phần tử trong mảng. Khi mà số
phần tử anten là N, thì có thể null steering N-1 hướng tín hiệu nhiễu khác nhau,
song điều này thì không thể phù hợp được trong môi trường hệ thống mạng
WCDMA ( với rất nhiều nhiễu giao thoa). Trường hợp số lượng tín hiệu đến mảng
vượt quá số phần tử của mảng gọi là overloaded. Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch
đại tín hiệu trong bộ thu của hệ thống CDMA có sự liên kết lớn để chống lại sự
quá tải trong mảng, đồng thời việc bố trí không gian các phần tử của mảng cũng
góp phần nâng cao khả năng xử lý của hệ thống.
20