Nghiên cứu kỹ thuật Mimo và khảo sát dung lượng kênh Mimo (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO VÀ KHẢO SÁT
DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI TRUNG HIẾU

HÀ NỘI – 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI TRUNG HIẾU

Phản biện 1: …………………...………………………………………………

Phản biện 2: ……………...……………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: …..giờ ….. ngày ….. tháng ……. năm ……..

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................v
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................... vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG .........................1
1.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 1
1.2 Giới thiệu về kênh vô tuyến ........................................................................ 1
1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến ................................................. 3
1.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến................................................. 5
1.5 Hiệu ứng đa đường của kênh vô tuyến ...................................................... 7
1.5.1 Hiện tượng fading ..................................................................................7
1.5.2 Trải trễ ....................................................................................................8
1.6 Hiệu ứng Doppler ........................................................................................ 9
1.7 Các phân bố Rayleigh và Rice .................................................................. 11
1.8 Dung lượng kênh vô tuyến ........................................................................ 14
1.9 Tổng kết chương ........................................................................................ 15
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN MIMO .......................16
2.1 Giới thiệu chương ...................................................................................... 16
2.2 Tổng quan về kỹ thuật MIMO ................................................................. 16
2.3 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát ........................................................ 19
2.4 Kỹ thuật phân tập phát ............................................................................. 20
2.5 Kỹ thuật phân tập thu ............................................................................... 25

2.6 Các kỹ thuật quan trọng được sử dụng trong MIMO ........................... 31
2.6.1 Ghép kênh không gian.........................................................................31
2.6.2 Mã hóa không gian thời gian ..............................................................37
2.6.3 Tạo dạng búp sóng ...............................................................................42


ii

2.7
2.8
2.9
2.10

Dung lượng kênh MIMO ........................................................................... 44
Hiệu năng của hệ thống MIMO ............................................................... 45
Ứng dụng MIMO trong các hệ thống thông tin di động ........................ 50
Tổng kết chương ........................................................................................ 50

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO BẰNG MÔ
PHỎNG ....................................................................................................................52
3.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 52
3.2 Sơ đồ hệ thống ............................................................................................ 52
3.3 Xây dựng chương trình ............................................................................. 54
3.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ .............................................................................54
3.3.2 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với số lượng anten thay
đổi
55
3.3.3 Lưu đồ tính toán dung lượng kênh MIMO với tỷ số SNR thay đổi...55
3.4 Kết quả khảo sát mô phỏng và thảo luận ................................................ 56
3.5 Tổng kết chương ........................................................................................ 58

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .........................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61
PHỤ LỤC .....................................................................................................................


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo
sát dung lượng kênh MIMO” là kết quả của quá trình nghiên cứu và tìm hiểu của học
viên. Mọi nội dung tham khảo của luận văn đều được tham khảo từ các nguồn tài liệu
được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Trung Kiên


iv

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thày giáo PGS.TS Bùi Trung
Hiếu. Thày là người đã luôn theo sát tôi, tận tình chỉ bảo, góp ý, đinh hướng cho tôi
trong suốt quá trình tôi làm luận văn.
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày, cô và các bạn lớp
M15CQTE01 – B của khoa Điện tử Viễn thông Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
Thông, những người đã cho tôi những kiến thức bổ ích, hỗ trợ kịp thời và tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi ngay từ những ngày đầu học tập tại trường.
Cuối cùng, tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình tôi, những
người luôn ủng hộ, động viên để tôi vượt qua khó khăn hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn!


v

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sự bùng nổ của các thiết bị di động, nhu cầu về dịch vụ ngày càng
đa dạng của con người là những động lực phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực thông tin
di động. Các nhu cầu của con người ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất
lượng, độ ổn định để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng. Trong thông tin di động
tài nguyên vô tuyến là hữu hạn và đắt đỏ, trong khi đó nhu cầu của con người không
ngừng tăng lên, do đó đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ cũng
như các nhà nghiên cứu.
Khi mà các hệ thống thông tin di động 3G và 4G đã được chuẩn hóa và hiện
nay đã và đang được đưa vào khai thác thương mại hóa với các yêu cầu về tốc độ dữ
liệu và dung lượng lớn đặt ra cho các hệ thống này thì một trong những giải pháp kỹ
thuật được sử dụng để giúp cho các hệ thống thông tin di động này đạt được các yêu
cầu thiết kế đặt ra là công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten
ở máy phát và nhiều anten ở máy thu (Multiple Input Multiple Output hay MIMO).
Kênh vô tuyến di động vốn chịu tác động khá lớn bởi môi trường truyền đặc biệt hiện
tượng fading, kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện được các nhược điểm của kênh vô
tuyến di động và giải quyết được các vấn đề hết sức quan trọng của các hệ thống
thông tin di động hiện nay đó là các vấn đề về dung lượng, tốc độ dữ liệu, hiệu quả
sử dụng phổ và vùng phủ. Nhận thấy được tầm quan trọng của kỹ thuật MIMO trong
thông tin vô tuyến nên em đã chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và khảo sát
dung lượng kênh MIMO” cho luận văn tốt nghiệp cao học của mình.
Về nội dung, luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về kênh vô tuyến di động
Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn đa anten MIMO
Chương 3: Khảo sát dung lượng kênh MIMO bằng mô phỏng

Trong quá trình làm luận văn, do hạn chế về mặt kiến thức nên không thế tránh
khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đống góp báu từ thày cô và các bạn. Em


vi

xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thày giáo PGS.TS Bùi Trung Hiếu
- người đã giúp em hoàn thành luận văn này.


vii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AGC

Automatic Gain Control

Điều khiển tăng ích tự động

AWGN

Addtive White Gaussian noise

Nhiễu trắng cộng Gaussian

ATDE

Adaptive Time Domain Equalizer Bộ san bằng thích nghi

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp cân bằng độ lợi

HSPA

Hight Speed Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao

ISI

Inter Ký hiệu Interference

Nhiễu xuyên ký tự

LTE

Long Term Evolution

Giải pháp dài hạn

LOS

Line-of-Sight

Tia truyền thẳng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa đầu vào đa đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỷ lệ cực đại

SC

Select Combining

Kết hợp lựa chọn

SM

Spactial Multiplexing

Ghép kênh không gian

SIMO

Single Input Multiple Output

Đơn đầu vào đa đầu ra

SISO

Single Input Single Output

Đơn đầu vào đơn đầu ra

SNR

Signal Nosie Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

STBC

Spcae-Time Block Code

Mã khối không gian thời gian

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã lưới không gian thời gian

TC

Threshold Combining

Kết hợp ngưỡng


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.2.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến .......................................................1
Hình 1.3.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến .................................................3
Hình 1.3.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến .......................................................3
Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến ...............................................4
Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến ...........................................7
Hình 1.5.2 Trải trễ trong truyền sóng vô tuyến ...........................................................9
Hình 1.6.1 Tác động của hiệu ứng Doppler ..............................................................10
Hình 1.6.2 Phổ tín hiệu tại đầu thu ...........................................................................10
Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ...........................................12

Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice ..................................................14
Hình 2.3.1 Mô hình hệ thống MIMO với Nt anten phát và Nr anten thu. .................19
Hình 2.4.1 Hệ thống SIMO, MISO, MIMO..............................................................21
Hình 2.4.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và một anten thu. ...................................22
Hình 2.5.1 Bộ kết hợp tuyến tính gồm M anten thu .................................................26
Hình 2.5.2 Kỹ thuật phân tập thu SC ........................................................................27
Hình 2.5.3 Kỹ thuật phân tập thu TC ........................................................................29
Hình 2.5.4 Kỹ thuật phân tập thu MRC ....................................................................29
Hình 2.5.5 Kỹ thuật phân tập thu EGC .....................................................................30
Hình 2.6.1 Cấu hình anten 2x2..................................................................................32
Hình 2.6.2 Thu tuyến tính/giải ghép kênh các tín hiệu được ghép không gian ........33
Hình 2.6.3 Ghép kênh không gian dựa trên tiền mã hóa ..........................................34
Hình 2.6.4 Trực giao tín hiệu ghép không gian thông qua tiền mã hóa....................35


ix

Hình 2.6.5 Truyền dẫn một từ mã (a) và đa từ mã (b) .............................................37
Hình 2.6.6 Mô hình hệ thống băng gốc.....................................................................38
Hình 2.6.7 Sơ đồ mã lưới ..........................................................................................41
Hình 2.6.8 Mô tả sơ đồ mã hóa với k = 1, K = 3 và n = 2 ........................................41
Hình 2.6.9 Lưới mã và sơ đồ trạng thái với k = 1, K = 3 và n = 2............................41
Hình 2.6.10 Kỹ thuật tạo búp sóng ...........................................................................42
Hình 2.6.11 Tạo búp điển hình với tương quan anten tương hỗ cao ........................43
Hình 2.6.12 Khái niệm tạo búp .................................................................................44
Hình 2.8.1 Sơ đồ hệ thống SIMO .............................................................................46
Hình 2.8.2 Hệ thống MISO 2×1. ...............................................................................47
Hình 2.8.3 Hệ thống MIMO 2×2. .............................................................................48
Hình 3.2.1 Hệ thống đơn anten phát và thu ..............................................................52
Hình 3.2.2 Hệ thống SIMO .......................................................................................53

Hình 3.2.3 Hệ thống MISO .......................................................................................53
Hình 3.2.4 Hệ thống MIMO ......................................................................................54
Hình 3.3.1 Lưu đồ thuật toán trường hợp số anten thay đổi .....................................55
Hình 3.3.2 Lưu đồ thuật toán trường hợp tỷ số SNR thay đổi ..................................56
Hình 3.4.1 Dung lượng của các hệ thống với số anten thay đổi ...............................56
Hình 3.4.2 Dung lượng hệ thống thay đổi theo SNR ................................................57


1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN DI ĐỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Trong thông tin vô tuyến di động tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu
thông qua kênh vô tuyến. Chất lượng kênh vô tuyến di động đóng vai trò hết sức quan
trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp tới việc khôi phục lại tín hiệu ở đầu thu. Môi trường
truyền kênh vô tuyến vốn chịu tác động của các yếu tố đặc trưng của kênh vô tuyến,
do đó trong chương này của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề của kênh vô
tuyến như: mô hình kênh cơ bản, tổn hao đường truyền, các hiện tượng các hiệu ứng
tác động tới truyền sóng vô tuyến như Fading, trải trễ, hiệu ứng Doppler, các phân bố
Rayleigh và Rice và dung lượng kênh vô tuyến.

1.2 Giới thiệu về kênh vô tuyến
Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được,
kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân
tích. Tín hiệu phát được truyền trên kênh truyền vô tuyến đến máy thu sẽ bị tác động
bởi nhiều yếu tố của kênh truyền như: bị suy hao tín hiệu do khoảng cách truyền, bị
cản trở bởi các toà nhà cao tầng, núi non, cây cối, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ bởi các
chướng ngại vật trên đường truyền làm cho tín hiệu từ máy phát tới máy thu đi theo
các đường khác nhau, kết quả là ở máy thu ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau
của tín hiệu phát. Bên cạnh những yếu tố tác động trên, kênh vô tuyến còn bị tác động

bởi các loại tạp nhiễu đưa vào từ chính nội tại hệ thống cũng như các tác động từ các
kênh truyền lân cận và các hệ thống thông tin khác hoạt động song song. Tất cả các
yếu tố tác động trên đều làm cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm ở tại máy thu giảm, điều
này ảnh hưởng đến chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.

Hình 1.2.1 Truyền sóng trong thông tin vô tuyến


2

Do kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên nên người ta chỉ có thể dựa
trên cơ sở toán học các mô hình kênh và các phân bố của từng loại kênh với các phân
bố Rice, Rayleigh và Gauss, thông qua các mô hình này người ta có thể mô phỏng
đánh giá chất lượng kênh truyền với từng loại kênh [10].
Trong thông tin vô tuyến kênh truyền được phân loại theo một số tiêu chí khác
nhau.
a, Phân loại theo độ rộng băng tín hiệu
+ Các kênh băng hẹp: các kênh băng hẹp là các kênh có tốc độ đủ nhỏ, trong
đó tác động làm giãn ký tự thu của sự truyền lan nhiều tia không gây nên ISI.
+ Các kênh băng rộng: trong các kênh băng rộng, tốc độ ký tự là đủ lớn đến
nỗi một ký hiệu bị giãn lấn sang vài ký tự lân cận gây nên ISI.
b, Phân loại kênh theo môi trường truyền sóng
+ Kênh vô tuyến di động trong nhà: với loại kênh này do kích thước tế bào
nhỏ, trải trễ là khá nhỏ, tốc độ truyền có thể lớn mà không cần san bằng kênh.
+ Kênh vô tuyến di động ngoài trời: kích thước tế bào lớn, số vật gây phân tán
kênh lớn nên trải trễ có thể rất lớn làm hạn chế tốc độ truyền và cần san bằng kênh.
c, Phân loại kênh theo đặc tính fading nhanh
+Kênh fading Rice: là kênh trong trường hợp trong số các tia tới máy thu có
một số tia trội, thường là tia LOS. Khi đó fading nhanh có phân bố Rice.
Tham số 𝐾𝐾 =

𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡ộ𝑖𝑖

𝑡𝑡ổ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑐𝑐ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑐𝑐á𝑐𝑐 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑡𝑡á𝑛𝑛 𝑥𝑥ạ

+ Kênh Gausse: trong trường hợp này có thể xem như chỉ có các tia LOS, khi
đó tác động lên hệ thống chủ yếu là tạp âm nhiệt có phân bố Gausse.
+Kênh Rayleigh: trong trường hợp này không có tia LOS nào, các kênh này
thường gặp trong thực tế, trong các tế bào lớn, địa hình phức tạp.


3

1.3 Đặc điểm truyền sóng trên kênh vô tuyến
Trong thông tin vô tuyến do đặc điểm khoảng cách từ máy phát tới máy thu là
xa nhau và môi trường truyền là vô tuyến nên tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu
có thể bị các tác động từ môi trường truyền bên ngoài gây ra các hiện tượng như:
phản xạ sóng, tán xạ sóng, nhiễu xạ sóng.
a, Phản xạ sóng

Hình 1.3.1 Phản xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến
Phản xạ sóng xảy ra khi sóng tới va đập vào biên của 2 môi trường và một
phần hoặc toàn bộ công suất tới không đi vào môi trường 2 mà phản xạ lại.
b, Tán xạ sóng

Hình 1.3.2 Tán xạ sóng trong thông tin vô tuyến

Tán xạ xảy ra khi môi trường truyền sóng có những vật cản nhỏ so với
bước sóng, và số những vật cản này trên đơn vị thể tích là lớn. Khi bị tán xạ,
tia tới sẽ bị phân tán thành nhiều tia có cường độ khác nhau và theo các hướng

khác nhau.


4

c, Nhiễu xạ sóng

Hình 1.3.3 Nhiễu xạ sóng trong truyền sóng vô tuyến
Nhiễu xạ sóng là sự phân bố lại năng lượng trong mặt sóng khi nó đi qua gần
mép cuả vật thể không trong suốt với kích thước so sánh được với bước sóng, nhiễu
xạ cho phép sóng vô tuyến đi vòng qua vật chắn.
Các băng tần sử dụng trong thông tin vô tuyến gồm nhiều băng tần, với mỗi
băng tần thì phương thức truyền sóng riêng để phù hợp với băng tần đó. Với sóng tần
số thấp có thể lan truyền sóng không gian và cự ly truyền sóng có thể đi rất xa hàng
nghìn kilomet là do cường độ trường của sóng này giảm theo khoảng cách khá chậm,
nói cách khác là năng lượng của chúng bị mặt đất hoặc mặt nước hấp thụ ít. Nhưng
với đặc điểm của dải sóng này là dung lượng tần số nhỏ nên khả năng truyền tải thông
tin tốc độ cao là không đáp ứng được. Ngày nay khi mà yêu cầu về thông tin tốc độ
cao ngày càng cần thiết và các băng tần đa số đã được sử dụng cho các mạng di động
tồn tại trước đó thì người ta bắt đầu nghĩ tới các dải sóng tần số lớn lên tới hàng GHz
phục vụ cho mục đích truyền tải thông tin tốc độ cao, nhưng nhược điểm của các dải
sóng tần số lớn là bị suy hao lớn do khoảng cách truyền sóng nên cự ly truyền sóng
giảm, các dải sóng tần số cao đang được nghiên cứu thử nghiệm cho các mạng 5G
với công nghệ sóng milimet.


5

Với đặc tính môi trường truyền dẫn là môi trường truyền vô tuyến nên truyền
sóng trên kênh vô tuyến luôn chịu các tác động đặc thù của kênh vô tuyến, đó là:

• Truyền sóng đa đường: Đây hiện tượng cố hữu trên kênh vô tuyến. Hệ quả của
truyền sóng đa đường gây nên ISI, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu khi khôi
phục tại đầu thu.
• Fading trong thông tin vô tuyến cũng là hiện tượng hết sức nghiêm trọng.
Fading được chia làm hai loại: fading do mưa, sương mù, không khí và fading
đa đường (do truyền sóng đa đường). Ở các băng tần tín hiệu lớn còn có fading
lựa chọn theo tần số, là loại fading gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu.
• Suy hao: Mô tả sự suy giảm công suấ t trung bıǹ h của tín hiê ̣u khi truyề n từ
máy phát đế n máy thu. Sự giảm công suấ t do hiê ̣n tươ ̣ng che chắn và suy hao
do tần số có thể khắc phục bằng các phương pháp điề u khiể n công suấ t.
• Hiệu ứng bóng râm (Shadowing): Do ảnh hưởng của các vật cản trên đường
truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ
tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng
cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading
chậm.
• Hiệu ứng Doppler: Gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị xê lệch đi so với
tần số trung tâm một khoảng gọi là dịch tần số Doppler.

1.4 Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến
Tổn hao đường truyền của kênh vô tuyến được đánh giá trong phạm vi rộng
thông qua các mô hình tổn hao đường truyền. Mô hình tổn hao đường truyền mô tả
suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten thu như là một hàm phụ thuộc vào khoảng
cách và các thông số khác. Một số mô hình bao gồm cả chi tiết về địa hình để dánh
giá suy hao tín hiệu, trong khi đó một số mô hình chỉ xem xét đến tần số và khoảng
cách. Chiều cao anten là một thông số quan trọng. Tổn hao phụ thuộc vào khoảng
cách:


6

PL ~ dn

(1.1)

Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n < 2 cho các môi trường
trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy phát
đến máy thu.
Từ lý thuyết và các kết quả đo lường ta biết công suất thu trung bình giảm so
với khoảng cách theo hàm log cho môi trường ngoài trời và trong nhà. Ngoài ra tại
mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là quá trình
ngẫu nhiên và có phân bố log chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc
vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, ta có thể biểu diễn tổn hao đường
truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau [10].
PL(d )[dB=
] PL(d ) + X σ= PL(d 0 ) + 10n lg(

d
) + X σ (1.2)
d0

Trong đó PL(d ) là tổn hao đường truyền trung bình phạm vi rộng đối với d0
là khoảng cách tham chuẩn thu phát, X σ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình,
d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền.
Mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata thường được áp dụng tính toán
cự ly phủ sóng của một ô. Tồn tại 4 mô hình tổn hao đường truyền Okumura-Hata:
Hở, ngoại ô, thành phố nhỏ và thành phố lớn. Mô hình này được sử dụng trong dải
tần từ 500 MHz đến 2000 MHz với công thức cơ sở như sau.
PLHata = 69,55 + 26,16 lg f − 13,82 lg hb − a (hm ) + (44,9 − 6,55lg hb ) lg d − K [dB] (1.3)

Trong đó PLHata là tổn hao đường truyền tính theo dB, f là tần số tính theo Hz,
hb là độ cao anten trạm gốc tính theo m, d là khoảng cách từ trạm gốc tính theo km,
hm độ cao anten di động đo bằng m, a (hm ) và K là các hệ số hiệu chỉnh theo môi

trường tính theo dB.


7

1.5 Hiệu ứng đa đường của kênh vô tuyến
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không
được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu
luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính
là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán
xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền
sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được
là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có
ảnh hưởng lẫn nhau. 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. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số,
đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các
đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung
(impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính
và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng.

Hình 1.5.1 Truyền đa đường trong truyền sóng vô tuyến
1.5.1 Hiện tượng fading
Fading trong thông tin vô tuyến là sự thăng giáng một cách ngẫu nhiên cường
độ trường của tín hiệu tại đầu thu. Các yếu tố gây ra fading đối với hệ thống thông
tin vô tuyến bao gồm một số yếu tố sau.

8

• Sự thăng giáng của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn.
• Sự hấp thụ gây bởi các phân tử khí, hơi nước, mưa, tuyết, sương mù…Sự hấp
thụ này phụ thuộc vào dải tần số công tác, đặc biệt là dải tần số cao trên 10
GHz.
• Sự khúc xạ gây bởi sự không đồng đều của mật độ không khí.
• Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trong trường hợp có bề mặt nước
và sự phản xạ sóng từ các bất đồng nhất trong khí quyển.
• Sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ từ các chướng ngại vật trên đường truyền lan sóng
điện từ, gây nên hiện tượng trải trễ và giao thoa sóng tại điểm thu do tín hiệu
nhận được là tổng của rất nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường.
Fading trong thông tin vô tuyến có thể phân ra thành một số loại sau:
• Fading phẳng: Fading này thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có
dung lượng nhỏ và vừa, do đó độ rộng băng tần là tương đối nhỏ ảnh hưởng
của fading lên các thành phần tần số có thể xem là như nhau. Với loại fading
này có thể khắc khục nhờ AGC.
• Fading lựa chọn theo tần số: Xảy ra khi băng tần tín hiệu lớn hơn băng thông
của kênh truyền. Do đó hệ thống tốc độ vừa và lớn có độ rộng băng tần tín
hiệu lớn sẽ chịu tác động của fading lựa chọn theo tần số. Khác với fading
phẳng fading lựa chọn theo tần số tác động nên các thành phần tần số là khác
nhau, tác hại của fading lựa chọn theo tần số là gây ISI, do đó gây méo tín
hiệu. Để khắc phục fading lựa chọn theo tần số có thể sử dụng các biện pháp
như: sử dụng mạch san bằng thích nghi ATDE, sử dụng mã sửa lỗi để giảm
BER, sử dụng trải phổ, sử dụng điều chế đa sóng mang tiêu biểu là OFDM để
khác phục fading lựa chọn theo tần số.
1.5.2 Trải trễ
Đối với hệ thống thông tin di động số, việc truyền dẫn tín hiệu theo nhiều tia
sóng trong môi trường di động dẫn đến sự trả trễ.

9

Hình 1.5.2 Trải trễ trong truyền sóng vô tuyến
Trong hình 1.4.2 Δ là lượng trải trễ, lượng trải trễ có thể xem như độ dài của
tín hiệu thu được khi một xung cực hẹp được truyền đi. Nếu tín hiệu được truyền đi
với tốc độ thấp thì trải trễ có thể giải quyết được dễ dàng tại đầu thu. Tuy nhiên nếu
ta truyền với tốc độ lớn mãi thì tới một lúc mỗi ký hiệu số liệu sẽ trải hẳn sang các ký
hiệu số liệu lân cận, tạo ra xuyên nhiễu ISI thì tỷ lệ lỗi BER có thể sẽ lớn tới mức
không chấp nhận được. Để không xảy ra ISI thì T ≥Δ (T là chu kỳ tín hiệu phát) tức
là R=

1 1
< . Công thức này cho thấy Δ càng lớn thì tốc độ truyền tin càng nhỏ.
T ∆

Với thông tin di động trong nhà (picrocell và microcell): Δ thường nhỏ hơn
hoặc bằng 500 ns, do đó tốc truyền tối đa có thể đạt được là 2Mb/s và không cần san
bằng kênh.
Với thông tin di động tế bào lớn: Δ có thể lên tới ≥ 10 µs để, truyền tin với tốc
độ cao (≥ 64 kb/s) nhất thiết cần san bằng kênh.

1.6 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu như trình bày ở hình dưới. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu bị
xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler.
Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi
đó tần số Doppler của tuyến này là:

10

v
f D n = f 0 cos(αn )
c

(1.4)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động
tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần số
Doppler sẽ lớn nhất là:

v
f D,max = f 0
c

(1.5)

Hình 1.6.1 Tác động của hiệu ứng Doppler
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau:
𝐴𝐴

2
�1−�|𝑓𝑓|−𝑓𝑓0 �
𝑓𝑓𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝑆𝑆(𝑓𝑓) = �

0

𝑛𝑛ế𝑢𝑢 𝑓𝑓0 − 𝑓𝑓𝐷𝐷,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≤ 𝑓𝑓 ≤ 𝑓𝑓0 + 𝑓𝑓𝐷𝐷,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑐𝑐á𝑐𝑐 𝑡𝑡𝑡𝑡ườ𝑛𝑛𝑛𝑛 ℎợ𝑝𝑝 𝑐𝑐ò𝑛𝑛 𝑙𝑙ạ𝑖𝑖

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5.2.

Hình 1.6.2 Phổ tín hiệu tại đầu thu

(1.6)


11

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm
1974, và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau.
Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không
nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ
dịch là fD,max như hình ở 1.5.2 sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều
hệ thống.

1.7 Các phân bố Rayleigh và Rice
Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để
mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được
hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao
của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố
Rayleigh có hàm mật độ xác suất.
 r
 r2

 2 exp −
2
p ( r ) = σ
 2σ

0



 (0 ≤ r ≤ ∞)

(r < 0)

(1.7)

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách
đường bao (evelope detection). σ2 là công suất trung bình theo thời gian.
Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R
cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:
R

P( R) = Pr (r ≤ R) =

∫
0

 R2
p(r )dr = 1 − exp −
2
 2σ





(1.8)

Giá trị trung bình rmean của phân bố Rayleigh được cho bởi:
∞

rmean = E[r ] = ∫ rp (r )dr = σ
0

π
2

= 1.2533σ

(1.9)

Và phương sai σ r 2 (công suất thành phần ac của đường bao tín hiệu):
∞

σ r = E [r ] − E [r ] = ∫ r 2 p(r )dr − σ 2
2

2

2

0

π
 π
= σ 2  2 −  = 0.4292σ 2
2
2


(1.10)


12

Giá trị hiệu dụng của đường bao là

2σ (căn bậc hai của giá trị trung bình bình

phương). Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

1
=
2

rmedian

∫ p(r )dr ⇒ r

median

= 1.177σ

(1.11)

0

Hình 1.7.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường
hợp tín hiệu Rayleigh fading. Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong
thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng
ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào. Bằng cách sử dụng
giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading
khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau). Hình 1.7.1 minh họa hàm mật độ xác
suất Rayleigh.
Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp
máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với công suất
vượt trội. Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean. Trong trường hợp này, các
thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng
lên tín hiệu light-of-sight. Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng
như là cộng thêm thành phần dc vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Giống như
trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu light-


13

of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công
suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn. Khi thành phần light-of-sight bị
suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố
Rayleigh. Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần
light-of-sight mất đi.

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean:
 r − ( r + A2 )  Ar 
2σ

I 0  2  ( A ≥ 0, r ≥ 0)
p ( r ) = σ 2 e
σ 

r<0
0

2

2

(1.12)

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight.
Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ
số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành
phần đa đường:
A2
k=
2σ 2

Hay viết dưới dạng dB: k (dB) = 10 log

(1.13)
A2

dB
2σ 2

(1.14)

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.
Khi A → 0, k → 0 ( − ∞ dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên độ,
phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh. Hình 1.7.2 mô tả hàm mật độ xác suất
của phân bố Ricean.


14

Hình 1.7.2 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice

1.8 Dung lượng kênh vô tuyến
Shannon đã đưa ra công cụ lý thuyết để xác định tốc độ cực đại được gọi là lý
thuyết dung lượng cực đại mà thông tin có thể đạt được truyền trên một kênh thông
tin cho trước. Khi thông tin được truyền trên một kênh (hay một đường truyền vô
tuyến) chỉ bị ảnh hưởng của tạp âm Gauss trắng cộng tính, dung lượng kênh C được
xác định bởi một biểu thức đơn giản như sau:
=
C Bw .log 2 (1 +

S
)
N

(1.15)

Trong đó Bw là băng thông khả dụng cho truyền tin, S kí hiệu cho công suất
tín hiệu thu và N là công suất tạp âm trắng ảnh hưởng xấu lên tín hiệu thu.
Từ công thức (1.15) ta thấy được các yếu tố căn bản hạn chế tốc độ số liệu khả
dụng là công suất thu khả dụng, hay tổng quát hơn là tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N
khả dụng và băng thông khả dụng Bw . Để thấy ro hơn cách thức mà các nhân tố trên
hạn chế tốc độ số liệu khả dụng, ta giả thiết rằng thông tin sử dụng một tốc độ truyền
tin R nào đó. Công suất tín hiệu thu khi này có thể được biểu diễn là S= Eb.R, trong
đó Eb là năng lượng tín hiệu thu trên bit. Ngoài ra công suất tạp âm có thể được biểu
diễn là N = N0.Bw, trong N0 là mật độ phổ công suất tạp âm đo bằng W/Hz.
Ta thấy rằng tốc độ thông tin không bao giờ vượt quá dung lượng kênh. Dựa
trên điều này và kết hợp với biểu thức (1.15) ta được bất đẳng thức: