Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống thông tin băng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Quốc Toản
Đề tài luận văn: Xây dựng mô hình kênh lựa chọn tần số cho hệ thống
thông tin băng rộng MIMO-OFDM
Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
Mã số SV: CB120749
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội
đồng ngày 17/4/2015 với các nội dung sau:
Sửa lại tên chương 5, thay bằng kết luận chung
…………………………………………………………………………………………………..…………

Ngày
Giáo viên hƣớng dẫn

TS. PHẠM VĂN TIẾN
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. VŨ VĂN YÊM

tháng

năm

Tác giả luận văn

TRẦN QUỐC TOẢN

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN................................ 4
1.1 Khái niệm về mô hình kênh truyền vô tuyến ...................................................... 4
1.1.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường........................................................... 4
1.1.2 Một số khái niệm ........................................................................................ 6
1.1.3 Hiệu ứng Doppler ....................................................................................... 9
1.1.4 Độ ổn định về thời gian của kênh ............................................................. 10
1.1.5 Kênh không phụ thuộc thời gian .............................................................. 10
1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian ......................................................................... 11
1.1.7 Kênh không phụ thuộc tần số ................................................................... 12
1.1.8 Kênh phụ thuộc tần số .............................................................................. 12
1.2 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh. ............................... 14
1.3 Kết luận chương ................................................................................................. 15
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO –OFDM.......................................................... 16
2.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 16
2.2 Kỹ thuật MIMO ................................................................................................. 16
2.2.1 Hệ thống SISO .......................................................................................... 16
2.2.2 Hệ thống SIMO ......................................................................................... 18
i


2.2.3 Hệ thống MISO ......................................................................................... 20
2.2.4 Hệ thống MIMO ....................................................................................... 21

2.3 Kỹ thuật OFDM ................................................................................................. 24
2.3.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang..................................................... 25
2.3.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang ....................................................... 26
2.3.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ........................... 27
2.3.4 Hệ thống MIMO-OFDM .......................................................................... 31
2.4 Kết luận chương ................................................................................................. 39
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH KÊNH BĂNG RỘNG VÀ CHỌN LỌC TẦN SỐ
CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM ......................................................................... 40
3.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 40
3.2 Mô hình kênh OneRing...................................................................................... 40
3.2.1 Mô hình kênh OneRing không chọn lọc tần số ........................................ 41
3.2.2 Mô hình kênh OneRing chọn lọc tần số ................................................... 42
3.2.3 Hàm tương quan ....................................................................................... 45
3.3 Mô hình kênh SCM............................................................................................ 48
3.3.1 Phân bố hình học....................................................................................... 48
3.3.2 Tính toán các tham số ............................................................................... 50
3.3.3 Góc phát AOD .......................................................................................... 50
3.3.4 Góc tới AOA ............................................................................................. 50
3.3.5 Hàm tương quan ....................................................................................... 50
3.4 So sánh giữa hai mô hình kênh OneRing , SCM và phạm vi áp dụng ............. 53
3.4.1 Ý nghĩa của hàm tương quan chéo không gian SCCF trong việc lựa chọn
đặt hệ thống anten MIMO ................................................................................... 53
ii


3.4.2 Kịch bản mô phỏng ................................................................................... 53
3.4.3 Ưu nhược điểm của các mô hình kênh và phạm vi áp dụng mô phỏng .. 59
3.5 Kết luận chương ................................................................................................. 60
CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG VÀ CÂN BẰNG KÊNH ............ 61
4.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 61

4.2 Khôi phục kênh truyền ....................................................................................... 61
4.2.1 Sắp xếp chuỗi dữ liệu tham khảo trên miền thời gian và tần số .............. 61
4.2.2 Bộ tạo dữ liệu tham khảo .......................................................................... 64
4.2.3 Khôi phục kênh dùng thuật toán Linear ................................................... 66
4.2.4 Khôi phục kênh dùng hàm SI ................................................................... 66
4.2.5 Khôi phục kênh dùng thuật toán Wiener.................................................. 68
4.2.6 Quy tắc sắp xếp dữ liệu tham khảo cho hệ thống MIMO ........................ 70
4.3 Mô phỏng hệ số kênh truyền ước lượng bằng phương pháp Wiener, SI và Linear 72
4.4 Kết luận chương ................................................................................................. 82
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 84

iii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu của tác giả khác. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng
một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các
tài liệu tham khảo

TRẦN QUỐC TOẢN

iv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A

ACF

:

Temporal autocorrelation function

ADC

:

Analog Digital Converter

AOA

:

Angle of Arrival

AOD

:

Angle of Departure
B

BER

:

Bit Error Rate

BS

:

Base Station
C

CCF

:

Cross Correlation Function

CRC

:

Cyclic Redundancy Check
D

DFT

:

Discrete Fourier Transform

DSP

:

Digital Signal Processing

DVB-T2

:

Digital Video Broadcasting
F

FDM

:

Frequency Division Multiplexing

FFT

:

Fast Fourier Transform
I

IDFT

:

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

:

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

:

Inter-Symbol Interference
L

LTE

:

Long Term Evolution

M
v


MAC

:

Media Access Control

MIMO

:

Multi Input Multi Output

MISO

:

Multi Input Single Output

MMSE

:

Minimum mean square error

MRC

:

Maximal Ratio Combining

MS

:

Mobile Station
O

OFDM

:

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P

PDSCH

:

Physical Downlink Shared Channel
Q

QAM

:

Quadrature amplitude modulation

QPSK

:

Quadrature Phase Shift Keying
R

RS

:

Reference signal
S

SCCF

:

Space CCF

SCM

:

Spatial Channel Model

SER

:

Symbol Error Ratio

SFBC

:

Space Frequency Block Coding

SIMO

:

Single Input Multi Output

SISO

:

Single Input Single Input

SNR

:

Signal Noise Ratio

STBC

:

Space Time Block Coding
W

Wifi

:

Wireless Fidelity

Wimax

:

Worldwide Interporability For Microware Access

WSSUS

:

Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering
Z

ZF

:

Zero Forcing

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Phân chia hệ thống thu phát căn cứ vào số lượng anten thu và phát .......16
Bảng 2-2: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM4 ..............................................................33
Bảng 2-3: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM16 ............................................................34
Bảng 2-4: Bảng ánh xạ dữ liệu mức QAM64 ............................................................35
Bảng 3-1: Lựa chọn môi trường mô phỏng LTE Extended Vehicular A case C,
băng tần 5 MHz, model C .........................................................................54
Bảng 3-2: Giá trị công suất trễ của các tuyến dựa theo môi trường mô phỏng
LTE Extended Vehicular case C, băng tần 5 MHz, model C ..................54

Bảng 3-3: Các tham số cho mô hình kênh SCM áp dụng cho môi trường mô
phỏng sub-urban macro cell .....................................................................55
Bảng 3-4: Bảng góc lệch AoA và AoD offset tương ứng với từng path, kênh
SCM model ...............................................................................................55
Bảng 4-1: Bảng tham số giá trị chuẩn LTE dành cho kênh PDSCH .......................63
Bảng 4-2: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi các
mô hình kênh khác nhau ...........................................................................75
Bảng 4-3: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi thay
đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot .............................................................78
Bảng 4-4: Bảng giá trị đầu vào mô phỏng cho hệ thống MIMO-OFDM khi sử
dụng các phương pháp cân bằng kênh khác nhau ....................................81

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Tổng hợp tín hiệu đa đường tại anten thu .................................................. 4
Hình 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tần số sóng mang khác nhau ............... 5
Hình 1-3: Tín hiệu đa đường bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ do các vật chắn ........ 6
Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh .............................................................................. 7
Hình 1-5: Hàm truyền đạt của kênh ............................................................................ 8
Hình 1-6: Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian ........................................... 11
Hình 1-7: Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số ................................... 12
Hình 1-8: Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số .............................................. 13
Hình 1-9: Phân bố dữ liệu Data và Pilot trên khe thời gian và tần số ...................... 13
Hình 1-10: Quan hệ giữa tín hiệu phát, kênh truyền và tín hiệu nhận ..................... 14
Hình 2-1: Hệ thống SISO .......................................................................................... 17
Hình 2-2: Hệ thống SIMO ......................................................................................... 18
Hình 2-3: Hệ thống MISO ......................................................................................... 20

Hình 2-4: Hệ thống MIMO ....................................................................................... 21
Hình 2-5: Hệ thống MIMO 2x2 ................................................................................ 22
Hình 2-6: Mã hóa STBC [6]...................................................................................... 22
Hình 2-7: Hệ thống điều chế đơn sóng mang phía phát .......................................... 25
Hình 2-8: Hệ thống điều chế đa sóng mang FDM phía phát ................................... 26
Hình 2-9: Sóng mang con trực giao trong miền thời gian ........................................ 28
Hình 2-10: Phổ tín hiệu sóng mang trực giao trong miền tần số.............................. 29
Hình 2-11: Chèn khoảng bảo vệ ở cuối ký hiệu OFDM........................................... 30
Hình 2-12: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM............................................................... 31
Hình 2-13: Sơ đồ điều chế QAM .............................................................................. 32
Hình 2-14: Chòm sao điều chế QAM4 ..................................................................... 33
Hình 2-15: Chòm sao điều chế QAM16 ................................................................... 34
Hình 2-16: Chòm sao điều chế QAM64 ................................................................... 35
Hình 2-17: Sắp xếp các ký hiệu QAM trên lưới thời gian và tần số ........................ 37
viii


Hình 3-1: Mô hình hình học phân bố điểm tán xạ cho kênh OneRing .................... 41
Hình 3-2: Vòng tròn tán xạ cho mô hình kênh OneRing lựa chọn tần số ................ 43
Hình 3-3: Phân bố các điểm tán xạ trong một cụm tán xạ ....................................... 44
Hình 3-4: Hàm CCF ở phía phát BS ......................................................................... 46
Hình 3-5: Hàm CCF phía thu MS ............................................................................. 47
Hình 3-6: Hàm CCF 3D phía BS và MS................................................................... 47
Hình 3-7: Mô hình hình học phân bố các điểm tán xạ của kênh SCM ................... 48
Hình 3-8: Hàm CCF phía phát với du  0 .............................................................. 52
Hình 3-9: Hàm CCF phía thu với d s  0 ................................................................ 52
Hình 3-10: Hàm CCF 3D phía phát và thu ............................................................... 53
Hình 3-11: Hàm CCF ở hai phía thu và phát với mô hình kênh OneRing............... 56
Hình 3-12: Tỷ số SER phía thu khi thay đổi khoảng cách cặp anten phát  s ......... 57
Hình 3-13: Hàm CCF ở hai phía thu và phát với mô hình kênh SCM ..................... 58

Hình 3-14: Tỷ số SER phía thu khi thay đổi khoảng cách cặp anten phát d s ........ 59
Hình 4-1: Hàm truyền đạt kênh tại vị trí đặt dữ liệu tham khảo .............................. 62
Hình 4-2: Sắp xếp dữ liệu có ích và dữ liệu tham khảo trong miền thời gian và
tần số...................................................................................................... 62
Hình 4-3: Khối ước lượng và cân bằng kênh MIMO-OFDM ở phía thu ................. 64
Hình 4-4: Bộ tạo chuỗi dữ liệu tham khảo cho kênh PDSCH chuẩn LTE............... 65
Hình 4-5: Nội suy hệ số kênh tại vị trí dữ liệu bằng phương pháp Linear............... 66
Hình 4-6: Khôi phục kênh dựa trên hàm SI .............................................................. 67
Hình 4-7: Bộ lọc Wiener ........................................................................................... 68
Hình 4-8: Hệ thống MIMO 2x2 ................................................................................ 71
Hình 4-9: Quy tắc sắp xếp dữ liệu tham khảo trên các anten của hệ thống
MIMO 2x2............................................................................................. 72
Hình 4-10: So sánh giá trị SER khi sử dụng hệ số kênh chính xác và hệ số kênh
ước lượng sử dụng QAM64 .................................................................. 74

ix


Hình 4-11: Chất lượng hình ảnh nhận được khi sử dụng các phương pháp ước
lượng kênh khác nhau, SNR = 16 dB. .................................................. 74
Hình 4-12: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh
OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Wiener............................. 76
Hình 4-13: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh
OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh SI ..................................... 76
Hình 4-14: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh
OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Linear .............................. 77
Hình 4-15: Tỷ số SER phía thu khi truyền tín hiệu trong hai mô hình kênh
OneRing và SCM sử dụng ước lượng kênh Wiener, SI, Linear .......... 77
Hình 4-16: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử
dụng ước lượng kênh Linear ................................................................. 79

Hình 4-17: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử
dụng ước lượng kênh SI ........................................................................ 79
Hình 4-18: Tỷ số SER thu được khi thay đổi khoảng cách đặt dữ liệu pilot sử
dụng ước lượng kênh Wiener-Hop ....................................................... 80
Hình 4-19: Tỷ số SER thu được khi kết hợp các phương pháp ước lượng và cân
bằng kênh MMSE và ZF ....................................................................... 81

x


LỜI NÓI ĐẦU

Kênh truyền vô tuyến là một khâu quan trọng và phức tạp nhất trong một hệ
thống truyền dẫn số liệu vô tuyến nói chung. Nó quyết định chất lượng và khả năng
khôi phục tín hiệu tại phía thu. Có hai đặc trưng của kênh truyền vô tuyến là: suy
hao và nhiễu. Chính bởi hai yếu tố này làm cho tín hiệu nhận được tại anten thu bị
sai lệch so với dữ liệu phát đi, gây nên những khó khăn hoặc không thể khôi phục
tín hiệu. Do vậy, trước khi thiết kế một hệ thống thu phát vô tuyến nói chung, điều
đầu tiên là phải nghiên cứu các đặc tính kênh truyền, từ đó lựa chọn các phương
pháp mã hóa kênh, mức điều chế ở băng cơ sở và các phương pháp cân bằng kênh,
lọc nhiễu bổ xung nhằm tăng khả năng khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhất.
Tổng quát hóa thành công thức toán học một mô hình kênh và tiến hành mô
phỏng nó trong một số điều kiện giả lập sẽ được tiến hành trước khi triển khai và
kiểm tra thử nghiệm hệ thống ngoài thực địa. Việc mô phỏng như vậy sẽ tiết kiệm
thời gian và có thể đạt đến mức chính xác cao nếu việc xây dựng mô hình kênh đó
càng sát với các điều kiện thực tế. Lưu ý rằng, với một công thức toán học cho một
mô hình kênh, chúng ta chỉ có thể áp dụng nó trong một số điều kiện đầu vào ràng
buộc nhất định với một hệ thống cụ thể đi kèm. Nội dung của đồ án sẽ nghiên cứu sâu
về mô hình kênh vô tuyến trong hệ thống phân tập MIMO, sử dụng kỹ thuật điều chế
mới nhất hiện nay là OFDM.

Lý do đề tài chọn việc nghiên cứu mô hình kênh cho hệ thống MIMO-OFDM
vì: Thứ nhất, đây là hai kỹ thuật mới nhất hiện nay cộng thêm sự đáp ứng kịp thời
của phần cứng trong việc xử lý những phép toán phức tạp, được thực hiện bởi các
chip xử lí tín hiệu số chuyên dụng DSP. Thứ hai, xu hướng hội tụ công nghệ điều
chế số OFDM là sự lựa chọn của nhiều các hệ thống truyền dẫn vô tuyến như LTE,
Wimax, HiperLAN/2, hệ thống phát thanh số DRM... Kỹ thuật MIMO cho phép
tăng lượng thông tin truyền tải trên kênh truyền vô tuyến, sử dụng cùng một dải
băng truyền dẫn trên các anten. Trong mô hình kênh MIMO, chúng ta sẽ nghiên cứu
1


các yếu tố như: khoảng cách các anten phát, các anten thu, góc lệch đi đặt anten sao
cho tín hiệu nhận được tại đầu thu có cường độ là tốt nhất.
Nội dung đồ án được chia thành 5 chương:
 Chƣơng 1. Mô hình kênh vô tuyến
Trong chương này ta tổng quát lại lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, với một
số khái niệm như fading đa đường, kênh chọn lọc và không chọn lọc tần số, thời
gian, … cũng như cách đánh giá một mô hình kênh tuyến. Lý thuyết về mô hình
kênh vô tuyến tham khảo Tài liệu [1].
 Chƣơng 2: Hệ thống MIMO-OFDM
Trong chương này ta nghiên cứu rõ kỹ thuật MIMO và OFDM, tiếp đó, ta đưa
ra một hệ thống MIMO-OFDM tổng quát bao gồm phần điều chế QAM, điều chế
băng cơ sở OFDM kết hợp với mã hóa STBC. Dữ liệu truyền qua kênh truyền (
SCM hoặc OneRing). Ở phía thu, thực hiện quá trình giải điều chế OFDM, ước
lượng kênh truyền, giải mã các bit tín hiệu sau quá trình giải điều chế QAM. Sơ đồ
này sẽ sử dụng cho việc mô phỏng ở Chƣơng 3 và Chƣơng 4.
 Chƣơng 3: Mô hình kênh băng rộng và chọn lọc tần số cho hệ thống
MIMO-OFDM
Trong chương này ta sẽ nghiên cứu công thức toán học của hai mô hình kênh
MIMO băng rộng là OneRing và SCM. Đây là hai mô hình kênh đều được 3GPP và

3GPP+ đề xuất cho việc mô phỏng mô hình kênh cho hệ thống LTE MIMO-OFDM.
Nội dung của luận văn sẽ đánh giá các hàm SCCF của từng mô hình kênh với dữ
liệu đầu vào mô phỏng dựa trên chuẩn LTE Extended Vehicular A case C,
B=5MHz, sub-urban macro cell. Hai mô hình kênh được sử dụng cho việc mô
phỏng ở Chƣơng 4.

2


 Chƣơng 4: Thuật toán ƣớc lƣợng kênh và cân bằng kênh
Trong chương này ta nghiên cứu lý thuyết về quá trình khôi phục kênh ở phía
thu căn cứ và dữ liệu tham khảo đã biết trước. Cụ thể có ba phương pháp khôi phục
kênh là Linear , SI và Wiener-Hop. Các phương pháp nội suy này cho kết quả chính
xác khác nhau tùy theo tính phức tạp cũng như các dữ liệu đầu vào ở từng phương
pháp khác nhau. Chúng ta cũng sẽ tiến hành mô phỏng các phương pháp ước lượng
kênh kết hợp với cân bằng kênh là ZF và MMSE để thấy rõ được sự khác nhau giữa
các phương pháp này.
Đóng góp của bản thân trong nội dung đồ án:
- Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu hai mô hình kênh SCM và OneRing
trong Tài liệu [6] [7], tác giả đã đóng góp thêm phần so sánh các hàm tương quan
chéo của hai mô hình kênh này cũng như chỉ ra các ưu nhược điểm của từng mô
hình và phạm vi áp dụng mô phỏng (Mục 3.4 Chƣơng 3)
- Căn cứ vào các thuật toán ước lượng kênh và cân bằng kênh tham khảo
trong Tài liệu [1], tác giả đã tiến hành mô phỏng sự khác nhau giữa chất lượng tín
hiệu thu được khi sử dụng hệ số kênh ước lượng và hệ số kênh chính xác, cũng như
sự khác nhau giữa các phương pháp ước lượng kênh ( Linear, SI và Wiener) và cân
bằng kênh ( ZF và MMSE) .
Trong quá trình thực hiện đồ án này, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn
không thể tránh được những thiếu xót do nhận thức chưa đúng về một nội dung nào
đó, nên em rất mong muốn được sự chỉ dẫn của các thày cô.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS. Phạm Văn Tiến, là
người đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý sửa chữa, tiếp đó là PGS. TS Nguyễn Văn
Đức cũng đã có những giúp đỡ lớn để em có thể hoàn thành luận văn. Em xin chân
thành cảm ơn các thầy.

3


CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH KÊNH VÔ TUYẾN
1.1

Khái niệm về mô hình kênh truyền vô tuyến

1.1.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng
Sóng vô tuyến truyền trong không gian có thể ở môi trường đô thị, đồng
bằng, đồi núi (macro cell, micro cell) hoặc trong một phạm vi hẹp là các tòa nhà
(pico cell, femto cell).
Thực tế là: các tia sóng vô tuyến khi lan truyền trong không gian do tác động
của các vật cản nên bị tán xạ, phản xạ hoặc nhiễu xạ … theo các hướng khác nhau,
dẫn đến tín hiệu nhận được tại anten thu là tổng hợp của tín hiệu đa đường. Hình
1-1 giả sử có luồng tín hiệu theo hai đường khác nhau đến anten thu với trễ truyền
dẫn tương ứng là  1 và  2 với  2 >  1 , tín hiệu nhận được tại anten thu:

Hình 1-1: Tổng hợp tín hiệu đa đường tại anten thu. [1]

Tín hiệu nhận được tại anten thu bị suy giảm so với tín hiệu phát trong miền
thời gian do hiệu ứng fading.
4

Vậy fading là gì ?
Fading được hiểu chung là sự suy hao của tín hiệu phát nhận được tại máy
thu do kênh truyền dẫn gây ra [1].
Nghiên cứu sự thăng giáng của tín hiệu thu được do hiệu ứng fading tại máy
thu ở các tần số khác nhau: f1 và f 2 ( với f 2  f1 ) nhận thấy mức độ suy hao cũng
khác nhau với cùng một công suất phát đi. Hiện tượng này được gọi là fading miền
tần số (Hình 1-2) .
Kênh truyền dẫn phân tập đa đường gây nên hiệu ứng fading ở miền tần số
gọi là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Thực chất của hiện
tượng kênh phụ thuộc tần số là hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số của tín
hiệu phát, sẽ được trình bày kỹ hơn ở mục 1.1.8.

Hình 1-2: Tổng hợp tín hiệu đa đường ở các tần số sóng mang khác nhau [1]

5


Trên thực tế, số lượng các đường tín hiệu từ máy phát đến máy thu không
phải là hai đường, nhưng là vô số, trong đó chỉ có một đường trong tầm nhìn thẳng
sẽ có cường độ thu lớn nhất và trễ truyền dẫn là nhỏ nhất.
Hình 1-3 mô tả mô hình tổng quát của truyền dẫn phân tập đa đường.

Hình 1-3: Tín hiệu đa đường bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ do các vật chắn [1]
1.1.2 Một số khái niệm
1.1.2.1 Xung Dirac
Trước khi đi sâu nghiên cứu đến các loại mô hình kênh vô tuyến, ta đề cập
đến khái niệm về xung Dirac  (t ) hay xung đơn vị.
Xung  (t ) được gọi là xung Dirac nếu nó thỏa mãn hai điều kiện sau [1]:
 (t )  0
 


   (t )  1
 

(t  0)
(t = 0)

Về mặt vật lý, xung Dirac là một xung điện rất hẹp, biên độ là 1

6

(1.1)


1.1.2.2 Đáp ứng xung của kênh
Đáp ứng xung của kênh là một chuỗi xung thu được ở máy thu khi máy phát
phát đi một xung Dirac  (t ) (Hình 1-4). Trong kênh không phụ thuộc vào thời gian,
đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn dưới dạng toán học như sau [1]:
Np

h( )   ak (   k )

(1.2)

k 1

Trong đó:
h(t ) : Đáp ứng xung của kênh

ak : hệ số suy hao tuyến thứ k

Np:

k

số tuyến từ máy phát đến máy thu

: trễ truyền dẫn tuyến k

 : Biến trễ truyền dẫn
Mô hình mô tả đáp ứng xung của kênh như sau:

Hình 1-4: Đáp ứng xung của kênh [1]
1.1.2.3 Hàm truyền đạt của kênh
Biến đổi Fourier trong miền thời gian sang miền tần số, ta được hàm truyền
đạt của kênh (Hình 1-5)
Đáp ứng xung của kênh [1]:

7


Np

h( )   ak (   k )

(1.2)

k 1

Hàm truyền đạt của kênh [1]:

H ( j ) 



 h( )e



j

Np

d   ak e  j k

(1.3)

k 1

Hình 1-5: Hàm truyền đạt của kênh [1]
1.1.2.4 Độ rộng ổn định về tần số của kênh
Lợi ích của việc phân tích hàm truyền đạt của kênh là ta có thể biết được
vùng tần số nào tín hiệu bị suy hao mạnh nhất (fading sâu – deep fading), vùng tần
số nào tín hiệu bị suy hao ít hơn. Đối với các hệ thống truyền dẫn băng rộng trong
môi trường truyền dẫn phân tập đa đường, fading trong miền tần số là điều không
tránh khỏi. Căn cứ vào trễ truyền dẫn lớn nhất  max , tác giả Proakis đưa ra khái
niệm về độ ổn định tần số của kênh f c như sau [1]:

f c 

8

1

 max

(1.4)


Về ý nghĩa, độ ổn định tần số f c cho biết vùng tần số trong đó fading trong
miền tần số được xem là phẳng, tức là suy hao trong miền tần số là như nhau trong
vùng f c đó.
1.1.3 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối giữa máy phát
và máy thu, làm cho phổ của tín hiệu truyền đi bị dịch đi một lượng f D so với tần
số sóng mangtrung tâm.
Tần số Doppler phụ thuộc mạnh vào góc giữa hướng truyền sóng và hướng
chuyển động của máy thu hoặc mát phát, bên cạnh đó là vận tốc chuyển động tương
đối giữa máy thu và máy phát cũng như tần số sóng mang trung tâm, cụ thể công
thức như sau [1]:

v
f D  cos( )
c

(1.5)

Trong đó, f D , v , c và  lần lượt là tần số Doppler, vận tốc chuyển động
tương đối giữa máy phát và thu, vận tốc ánh sáng và góc lệch giữa hướng truyền
sóng và hướng chuyển động của máy thu.
Tuy nhiên, do hiệu ứng fading đa đường, có nhiều đường sóng từ máy phát

đến máy thu, do đó góc lệch  cũng sẽ khác nhau. Ta có tần số Doppler ở từng
đường là:

v
f Dk  cos(k )
c

(1.6)

Với k = 1 .. N p tương ứng với số đường sóng từ máy phát đến máy thu do
hiệu ứng fading đa đường.

9


1.1.4 Độ ổn định về thời gian của kênh
Dựa vào dịch chuyển tần số Doppler, tác giả Proakis đưa ra đại lượng đặc
trưng cho độ ổn định về thời gian của kênh, là căn cứ để xác định xem kênh có phụ
thuộc thời gian hay không. Cụ thể [1]:

( t ) c 

1
2 f D ,max

(1.7)

Trong đó:

(t )c là độ ổn định thời gian của kênh

f D ,max là tần số dịch Doppler lớn nhất.
Gọi Ts là độ rộng thời gian của một mẫu tín hiệu.
1.1.5 Kênh không phụ thuộc thời gian
Kênh không phụ thuộc thời gian là kênh trong đó bề rộng ổn định về thời
gian của kênh lớn hơn nhiều so với độ dài một mẫu tín hiệu. Ngược lại là kênh phụ
thuộc thời gian. Cụ thể [1]:

(t )c  Ts

(1.8)

Về bản chất, kênh không phụ thuộc thời gian là kênh trong đó đáp ứng xung
và hàm truyền đạt của kênh khôngphụ thuộc vào thời gian.
Đáp ứng xung của kênh không phụ thuộc thời gian như sau [1]:
Np

h( )   ak (   k )
k 1

Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc thời gian [1]:

10

(1.9)


H ( j ) 



 h( )e



j

Np

d   ak e  j k
k 1

(1.10)

Với kênh không phụ thuộc thời gian, hàm truyền đạt của kênh luôn không
đổi ở mọi thời điểm phát tín hiệu.
1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian
Ngược lại nếu độ ổn định thời gian của kênh nhỏ hơn rất nhiều độ dài một
mẫu tín hiệu, ta có kênh phụ thuộc thời gian [1]:
(1.11)

(t )c  Ts

Hình 1-6: Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian [1]
Đáp ứng xung của kênh phụ thuộc thời gian như sau [1]:
Np

h( , t )   ak e
k 1

j (2 f Dk t  k )

 (   k (t ))

Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc thời gian như sau [1]:
11

(1.12)


H ( j, t ) 



 h( , t )e

j



d  ak e

j (2 f Dk t  k )  j k ( t )

e

(1.13)

1.1.7 Kênh không phụ thuộc tần số
Gọi B là độ rộng băng tần tín hiệu phát đi, nếu:

B

f c  Kênh phụ thuộc tần số hay kênh chọn lọc tần số (frequency

selective channel).

B

f c  Kênh không phụ thuộc tần số hay kênh không chọn lọc tần số

(non-frequency selective channel).

Hình 1-7: Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc tần số [1]
Về bản chất, kênh không phụ thuộc tần số là kênh trong đó suy hao fading
trong băng tần tín hiệu phát đi là như nhau (fading phẳng).
1.1.8 Kênh phụ thuộc tần số
Đối với các kênh truyền dẫn băng rộng (B lớn), khoảng cách giữa máy phát và
máy thu xa nhau (  max lớn), khi đó B

f c ta có kênh chọn lọc tần số (Hình 1-8).

12


Hình 1-8: Hàm truyền đạt của kênh phụ thuộc tần số [1]
Kênh chọn lọc tần số gây suy hao khác nhau ở miền tần số trong dải băng tần
của tín hiệu, làm cho việc khôi phục tín hiệu phát ở phía thu rất khó khăn. Để giải
quyết vấn đề đó, trong các hệ thống thu vô tuyến, người ta thường sử dụng kỹ thuật
ước lượng kênh trong miền tần số và miền thời gian (Channel Estimation) để ước
lượng sự thay đổi của kênh trong băng tần tín hiệu. Trong chuỗi tín hiệu phát đi,

người ta chèn một chuỗi tín hiệu dẫn đường (pilot) trong cả miền thời gian và miền
tần số tại những vị trí xác định. Phía thu sẽ tạo lại chuỗi tín hiệu dẫn đường này và
so sánh với tín hiệu pilot nhận được, từ đó xác định được hệ số kênh (đáp ứng xung)
tại vị trí pilot Hình 1-9

Hình 1-9: Phân bố dữ liệu Data và Pilot trên khe thời gian và tần số
13


Sau khi xác định được hệ số kênh tại vị trí pilot, cần nội suy hệ số kênh tại
những vị trí đặt dữ liệu (Data). Có một số phương pháp nội suy như: Nội suy tuyến
tính (Linear), nội suy Winner. Các phương pháp nội suy khác nhau cho kết quả
chính xác ở mức độ khác nhau. Thuật toán của phương pháp nội suy tuyến tính
tương đối đơn giản nhưng chỉ phù hợp nếu kênh thăng giáng không nhiều và ít có
đột biến suy hao ở một vùng tần số nào đó, ngược lại phương pháp nội suy Winner
tương đối phức tạp nhưng cho kết quả nội suy tốt hơn.
Hệ số kênh và tín hiệu nhận được tiếp tục cho qua bộ cân bằng kênh (
Equalizer) để tìm ra được tín hiệu phát đi gần đúng nhất. Có một số phương pháp cân
bằng kênh như: ZF và MMSE. Các bộ cân bằng kênh này được gọi là các bộ lọc.
Các kênh truyền vô tuyến hầu hết là kênh phụ thuộc tần số, do đó nội dung
của đồ án chủ yếu nghiên cứu và mô phỏng các mô hình kênh băng rộng và chọn
lọc tần số.
1.2

Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh.
Hình 1-10 là sơ đồ tổng quát về mối quan hệ giữa máy phát, máy thu và

kênh vô tuyến.

Hình 1-10: Quan hệ giữa tín hiệu phát, kênh truyền và tín hiệu nhận [1]

Quan hệ toán học giữa máy phát, máy thu và đáp ứng xung của kênh:

y(t )  x(t )* h( ) 



 x(t  )h( )d



14

(1.14)