TÌM HIỂU HIỆN TƯỢNG FADING và mô PHỎNG HIỆN TƯỢNG FADING TRONG hệ THỐNG VIỄN THÔNG

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..........................................................................................3
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................3
1.1.1. Nội dung đề tài...............................................................................................3
1.1.2. Đặt vấn đề......................................................................................................3
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ........................................................................3
1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI.......................................................................................4
1.4 PHƯƠNG HƯỚNG THỰC HIỆN........................................................................4
CHƯƠNG 2: NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING..........................5
2.1 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN..............................................................................5
2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến...........................................................5
2.1.2 Kênh truyền vô tuyến......................................................................................7
2.2 ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING......................................................7
2.2.1 Kênh fading...................................................................................................7
2.2.2 Đường bao và pha dao động..........................................................................8
2.2.3 Hiện tượng đa đường.....................................................................................9
2.2.4 Đặc tính phân tán thời gian của kênh truyền................................................10
2.2.5 Đặc tính phân tán tần số của kênh truyền.....................................................15
2.2.6 Quan hệ giữa phân tán tần số và phân tán thời gian.....................................20
CHƯƠNG 3: NHỮNG MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN FADING CƠ BẢN...................21
3.1 MÔ HÌNH THỂ HIỆN TÍNH SUY HAO............................................................22
3.1.1 Suy hao........................................................................................................22
3.1.2 Mô hình Hata...............................................................................................27
3.1.3 Mô hình Lee.................................................................................................32
3.1.4 Mô hình truyền sóng trong nhà....................................................................34
3.2 MÔ HÌNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING PHẲNG.......................................37
3.2.1 Fading đa đường..........................................................................................38
1

3.2.2 Log-Normal Shadowing...............................................................................49
3.2.3 Kết hợp hiện tượng đa đường và Shadowing...............................................51
3.2.4 Kết hợp (phân chia thời gian) fading Shadowing/Unshadowing..................52
3.3 MÔ HÌNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING CHỌN LỌC TẦN SỐ..................54
CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG....................................................................56
4.1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRUYỀN
THÔNG.................................................................................................................... 56
4.1.1 Các vấn đề trong thiết kế và đánh giá hệ thống............................................56
4.1.2 Áp dụng mô phỏng trong thiết kế và đánh giá hệ thống...............................58
4.1.3 Giới thiệu phần mềm mô phỏng MATLAB®...............................................59
4.2 QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG.................................................................................60
4.2.1 Vấn đề mô phỏng.........................................................................................60
4.2.2 Thiết lập mô phỏng......................................................................................62
4.2.3 Kết quả mô phỏng........................................................................................72
4.3 KẾT LUẬN.........................................................................................................83
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ..........................................................................................85
PHỤ LỤC..................................................................................................................... 85

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1. Nội dung đề tài
Tìm hiểu hiện tượng fading và mô phỏng sự fading trong hệ thống viễn thông.
1.1.2. Đặt vấn đề

Cơ chế của kênh truyền fading được mô hình hóa vào những năm 50 và 60,
được áp dụng cho hệ thống truyền thông không dây với các dãy băng tần: băng tần số
cao HF (3-30 MHz) sử dụng đối với hệ thống truyền thông không dây tầng điện ly,
băng tần cực cao UHF (300 MHz – 3 GHz) và băng tần siêu cao SHF (3-30 GHz) sử
dụng đặc tính phản xạ của tầng đối lưu. Các ảnh hưởng của kênh fading trong hệ
thống thông tin di động có điểm khác biệt so với các ảnh hưởng của kênh fading ở
tầng điện ly và tầng đối lưu, các mô hình hiện đại được sử dụng khá hữu ích cho các
đặc tính của ảnh hưởng của kênh fading trong hệ thống thông tin số di động.
Ở đây tôi chủ yếu đi tìm hiểu về ảnh hưởng của kênh truyền fading trong hệ
thống thông tin số di động, những ảnh hưởng đó phụ thuộc vào những điều kiện nào?
Tín hiệu nhận được ở máy thu như thế nào?... Bên cạnh đó để hiểu rõ hơn về vấn đề
được đề cập đến, tôi sẽ đi vào thiết lặp mô hình mô phỏng dựa trên phần mềm mô
phỏng. Việc mô phỏng sẽ được thực hiện như thế nào? Các thông số được thiết lặp ra
sao? Kết quả mô phỏng so với lý thuyết như thế nào?... đó là những gì mà tôi cần tìm
hiểu.
1.2

LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Như đã đề cập ở trên, cơ chế của kênh truyền fading được mô hình hóa vào
những năm 50 và 60 khi hệ thống truyền thông không dây được xây dựng. Đã có rất
nhiều nghiên cứu tìm hiểu về sự ảnh hưởng của fading đến chất lượng của tín hiệu tại
máy thu và kết quả là những mô hình kênh truyền fading cơ bản được xây dựng dựa
trên những tính chất của kênh truyền vô tuyến để tìm hiểu về ảnh hưởng của sự
fading. Ý tưởng ban đầu, tín hiệu nhận được tại máy thu được biểu diễn khá đầy đủ
như là sự chồng chất sóng có số lượng giới hạn đã tồn tại qua bao thập kỷ. R. S. Hoyt
1947, S. O. Rice 1948, M. Nakagami 1960, Gilbert 1965, Clarke 1968 là những người
đầu tiên đề cập mô hình kênh fading đa đường và đó là những nền tảng đầu tiên cho
3

sự phát triển nghiên cứu sau này. Cho đến nay, qua nhiều thập kỷ đã có rất nhiều
nghiên cứu mới đầy đủ hơn, chính xác hơn và hoàn thiện hơn về việc ảnh hưởng của
sự fading lên tín hiệu truyền trong không gian tự do mà đặc biệt là trong hệ thống
thông tin di động.
1.3

PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

Với đề tài trên tôi chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu cơ bản sự fading với những đặc
tính chính . Với nội dung tìm hiểu chủ yếu về các đặc tính của kênh truyền fading
như: hiện tượng đa đường, hiệu ứng Doppler, shadowing,… cũng như những đặc tính
về phân tán tần số, phân tán thời gian. Và tìm hiểu những mô hình kênh truyền cơ bản
thể hiện sự fading trong kênh truyền vô tuyến như: phân bố Rayleigh, phân bố Rice,
phân bố nakagami-m,….
Bên cạnh đó, để giúp cho người đọc làm quen với chủ đề một cách đơn giản,
trực quan hơn cách sử dụng các công thức toán học dựa trên lý thuyết, tôi sẽ đi vào
thiết kế mô phỏng một mô hình kênh truyền fading đơn giản. Với mô hình thiết kế mô
phỏng, kết quả cho ra sẽ được tham chiếu so sánh với kết quả lý thuyết để đưa ra một
kết luận cụ thể.
PHƯƠNG HƯỚNG THỰC HIỆN

1.4
-

Tiếp thu ý kiến từ giáo viên hướng dẫn.

-

Tham khảo các giáo trình và tài liệu liên quan.

-

Hỏi ý kiến của các bạn trong lớp và mọi người xung quanh.

-

Định hướng những nội dung cần tìm hiểu và mô phỏng.

-

Lập đề cương những nội dung cần tìm hiểu và mô phỏng.

-

Tìm hiểu vấn đề.

Ở đây, đầu tiên tôi sẽ đi tìm hiểu vấn đề về mặt lý thuyết, sau đó tôi sẽ xây
dựng và thiết kế mô phỏng một mô hình kênh truyền fading đơn giản. Với mô hình
thiết kế mô phỏng, kết quả cho ra sẽ được tham chiếu so sánh với kết quả lý thuyết để
đưa ra một kết luận cụ thể.

4


CHƯƠNG 2: NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING
Theo các phương tiện truyền dẫn, các phương tiện thông tin nói chung được
chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin
hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một trong những phương
tiện thông tin chủ yếu, quan trọng trong cuộc sống hiện đại.

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin.
Xem Hình 2.1, trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì
kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất và có cấu trúc tương đối phức tạp.
Nó là môi trường để truyền thông tin từ nguồn phát đến nguồn thu. Truyền sóng vô
tuyến qua kênh truyền không dây là một hiện tượng phức tạp, đặc trưng bởi những
hiện tượng khác nhau như là đa đường và shadowing. Diễn tả toán học chính xác của
hiện tượng thì rất phức tạp, dễ ảnh hưởng đến sự phân tích hệ thống truyền thông.
Tuy nhiên, những nổ lực tìm hiểu đáng kể đã được tiến hành dành dựa trên mô hình
thống kê và đặc tính của những ảnh hưởng khác nhau đó. Kết quả là đã đưa ra một
phạm vi mô hình thống kê tương đối đơn giản và chính xác cho kênh truyền fading,
tùy thuộc vào môi trường lan truyền và hệ thống truyền thông cơ bản.
Mục đích đầu tiên của chương này là xem lại tóm tắt chủ yếu đặc tính và mô
hình của kênh truyền fading. Tìm hiểu chủ đề hoàn toàn dựa vào những tiêu chuẩn
trong tài liệu tham khảo. Chương này giới thiệu những thuật ngữ và ký hiệu được
dùng trong toàn bộ cuốn luận văn. Diễn tả định nghĩa những đặc tính chính của kênh
truyền fading trong hệ thống truyền thông không dây được trình bày khá rõ.
2.1

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
2.1.1 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến
Các thành phần chủ yếu của hệ thống thông tin bao gồm:

+ Nguồn tín hiệu bao gồm tín hiệu hữu ích, tạp âm và can nhiễu. Mặc dù tạp
âm và can nhiễu cũng là các tín hiệu điện nhưng ở đây khi nói đến “tín hiệu” ta chỉ nói
đến tín hiệu hữu ích.
5


+ Các thiết bị truyền dẫn tin tức bao gồm các bộ điều chế, giải điều chế, các bộ

lọc, các bộ khuếch đại, các mạch duy trì đồng bộ, ....
+ Môi trường truyền dẫn (kênh truyền).
+ Các thiết bị sử lý tin tức hay tín hiệu.
...
Mô hình kênh

Hình 2.2: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến.
Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được
mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã hóa
kênh được điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều
kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, qua kênh truyền, tín
hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín
hiệu được giải mã và thu lại được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào
chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau, nó được

6


đánh giá thông qua rất nhiều tham số như tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), mật độ phổ
công suất nhiễu, xác xuất lỗi bit (BER), độ nhạy máy thu,….
2.1.2 Kênh truyền vô tuyến
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi
mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. 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 được phát đi, lan truyền
trong không gian tự do (free space (FS)) và bị cản trở bởi các toà nhà, địa hình đồi núi,
cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ và khúc xạ,… các hiện tượng này được gọi
chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau
của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô

tuyến. Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ
bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của
các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống.
2.2

ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN FADING
2.2.1 Kênh fading

Đặc tuyến truyền dẫn không chỉ xác định bởi suy hao. Sự mất mát hay suy hao
quan sát được cũng có thể dao động phụ thuộc vào không gian và thời gian. Khi một
tín hiệu từ anten phát nó bị phản xạ, tán xạ, khúc xạ và nhiễu xạ bởi những cấu trúc
khác nhau trên kênh truyền (Arre 1973, Jake 1974, Gupt 1985, Fleu 1996, Hamm 1998,
Stee 1999). Chúng ta cũng có thể quan sát rằng sự suy hao do truyền dẫn dao động
xung quanh giá trị trung bình. Khía cạnh này của tín hiệu suy hao do truyền dẫn, ở đó
tín hiệu thu được mất đi những đặc điểm biết trước của mình và trở thành tín hiệu
ngẫu nhiên theo không gian và thời gian, được mô tả là fading. Nói cách khác fading là
quá trình mô tả sự dao động của tín hiệu thu khi tín hiệu đến được anten thu. Fading
có thể được miêu tả do những nguyên nhân cơ bản (đa đường hay là Dopler), sự phân
bố của đường bao tín hiệu thu được (Rayleigh, Rician hoặc Lognormal), khoảng thời
gian fading (long term hoặc short term) cũng như fast fading so với low fading (Turi
1972, Stei 1987). Chúng ta sẽ nhìn nhận sự khác biệt này của fading để hiểu được
nguồn gốc của chúng và những kết quả của chúng. Chúng ta cũng sẽ nhìn vào những
hình thức khác nhau của fading để thiết lập mối quan hệ giữa chúng với nhau.

7


Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành:
Fading tầm rộng (long-term/large-scale fading) và fading tầm hẹp (short-term/smallscale fading).
+ Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ

suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh
hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát
và máy thu. Phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng
fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng
cách.
+ Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều
này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng)
giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý: sự trải thời gian
(timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của
kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự
di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Các cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:
+ Phản xạ xãy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF. Chú ý rằng nó phụ thuộc vào góc và trở
kháng của vật cản. Phản xạ có thể có hoặc không có kèm theo giao thoa.
+ Nhiễu xạ xãy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện
tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía
thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn
(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản
không thể truyền xuyên qua.
+ Tán xạ xãy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi
trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
2.2.2 Đường bao và pha dao động
Khi tín hiệu nhận trải qua khoảng đường truyền fading, đường bao và pha dao
động của tín hiệu được nhận trong suốt thời gian truyền. Với bộ điều chế ổn định, ảnh

8

hưởng của sự fading trong pha có thể làm cho hiệu suất suy giảm nghiêm trọng,
nhưng mức độ suy giảm giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu sẽ được cân bằng tại máy
thu. Hầu hết sự phân tích hệ thống sử dụng như vậy các bộ điều chế được giả thiết
rằng ảnh hưởng của pha phù hợp với sự fading, nó hoàn toàn ổn định tại máy thu, kết
quả của nó được tham chiếu với bộ giải điều chế ổn định lý tưởng. Ở bộ điều chế
không ổn định, thông tin về pha không cần biết tại máy thu, vì thế sự thay đổi của pha
phù hợp với sự fading, nó không ảnh hưởng đến hiệu suất. Do đó hiệu suất phân tích
cho cả hai bộ điều chế lý tưởng ổn định và không ổn định qua kênh truyền fading yêu
cầu chỉ nhận biết các số liệu thống kê đường bao fading và hầu hết trường hợp được
xem xét trong luận văn. Hơn nữa, fading chậm (slow fading) thì khoảng thời gian
fading được duy trì thấp nhất trong khoảng thời gian một symbol, hình bao fading
ngẫu nhiên có thể tượng trưng bởi sự thay đổi ngẫu nhiên (RV) trong khoảng thời
gian một symbol.
2.2.3 Hiện tượng đa đường

Tán xạ

Phản xạ

Truyền thẳng
Khúc xạ
Che khuất

BS

MS
Tán xạ

Hình 2.3: Hiện tượng truyền sóng đa đường.
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xãy 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

9


được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau bởi sự trễ
ngẫu nhiên do phản xạ, khúc xạ hay tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác
(xem Hình 2.3). Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (multipath
propagation). Nhũng ảnh hưởng này của fading thì tương đối nhanh và là nguyên nhân
làm tín hiệu short-term thay đổi. 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 tượng 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.
2.2.4 Đặc tính phân tán thời gian của kênh truyền
Sự tăng giảm công suất nhận không chỉ bị ảnh hưởng bởi fading. Fading cũng ảnh
hưởng đến xung tín hiệu khi nó được truyền trên kênh truyền (Cox 1972, 1975; Hash
1979, 1989). Khi truyền đi một xung đơn, tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến, tại máy
thu ta sẽ nhận được nhiều xung tại các thời điểm khác nhau (xem Hình 2.4), nguyên
nhân là do nhiễu đa đường tạo ra tại các thời điểm khác nhau và có công suất khác
nhau. Nếu những xung này không nhận dạng được thì là do nhiễu đa đường đã tạo ra
một xung rộng hơn và đường bao của các xung đã chồng lấp lên nhau ở tại máy thu.
Mỗi xung có thời gian trễ khác nhau, lựa chọn ngẫu nhiên và do đó máy thu sẽ thu
được các công suất ngẫu nhiên. Trong những trường hợp khác thì nhiễu đa đường có

thể ảnh hưởng đến xung phát mở rộng, tạo nhiễu xuyên các ký tự (ISI).

Hình 2.4: Xung phát và đa xung nhận, [1].
Để xử lý kênh truyền phân tán này có thể mô tả một cách định tính trong
phương pháp sau. Xét sự truyền dẫn của một xung rất hẹp (hàm đenta). Những xung
này thì tương tự như nhiễu đa đường đến máy thu tại những thời điểm khác nhau với
lượng công suất khác nhau tùy thuộc vào sự tán xạ, phản xạ, khúc xạ hay nhiễu xạ,
những điều này chính là nguyên nhân tạo ra những thành phần đặc biệt. Những xung

10


của tín hiệu đến với những công suất khác nhau có thể được dùng để xác định đáp
ứng xung của kênh truyền như Hình 2.5. Ví dụ ở nông thôn thì những xung này hầu
như chắc chắn sẽ đến cùng một lúc, và cũng là thời gian ngắn nhất để đến được máy
thu. Nguyên nhân thực sự là do ở đây có rất ít những kiến trúc cao lớn và thành ra
những đường này sẽ rất gần nhau (Hình 2.5a). Điều này có nghĩa là giữa những thời
điểm đến khác nhau của thông tin khi nhận được ở máy thu sẽ trở nên quá nhỏ để có
thể quan sát hay đo lường. Ở những vùng khác như là khu vực thành thị (Hình 2.5b),
các xung sẽ trở nên đa dạng hơn và xung nhận được sẽ bị rải ra nhiều hơn (Bult 1983,
Hash 1993, Akai 1994, Hanz 1994). Dưới những điều kiện này thì thông tin được
mang đến dưới dạng xung có kích thước hữu hạn sẽ chồng lấp lên nhau và kết quả là
tạo ra một xung rộng hơn.

Hình 2.5: Đáp ứng xung của hai kênh truyền. (a) khu vực nông thôn,
(b) khu vực thành thị, [1].
Bây giờ chúng ta có thể tính biểu thức trung bình thời gian một xung đến máy
thu. Đáp ứng xung được cho ở Hình 2.6. Thời gian trễ trung bình là τ, ta có công thức
như sau
N

p 

i i
i1
N

 

(2.1)

p

i

11


i 1

Công
suất

1 2 3

4

Thời gian
Hình 2.6: Đáp ứng xung của kênh truyền không dây.
đại lượng pi là công suất tới của đường thứ i và i là khoảng thời gian xung thứ i đến.

Trị hiệu dụng (root-mean-square(rms)) chênh lệch độ trễ (độ lệch chuẩn) giữa hai
xung
d là

     
d

2

2


(2.2)

trong đó, 2 là trung bình bình phương thời gian trễ
N

p

i i2
i1



2



(2.3)
N

p

i

i1

12


Trong trường hợp lý tưởng chúng ta sẽ có pi = 0 nếu i ≠ 1, chỉ sự tồn tại của một xung
đơn. Trong vài trường hợp khác, nếu Bc bằng không sẽ không có độ lệch giữa các
xung. Tương tự nếu d rất lớn, chúng ta sẽ xem xét xung rộng. Thành ra ta có thể
lượng tử hóa sự mở rộng xung bằng cách hạn chế kênh truyền có dải băng hẹp bởi nó
tỉ lệ với d . Nói chung, kênh truyền có băng thông là Bc xấp xỉ được cho bởi (Stei
1987,
Rum 1986, Rapp 1996b)
1

(2.4)

Bc 
d

Mối quan hệ trong Phương trình (2.4) có thể thay đổi với sự xác định của băng
thông kênh truyền. Ví dụ, trong trường hợp băng thông kênh truyền được định nghĩa
như là băng thông với sự tương quan thấp nhất bằng 0.9, thì băng thông kênh truyền
được xác định là
1

(2.5)

Bc 
50d

Trong trường hợp băng thông kênh truyền được định nghĩa như là băng thông với sự
tương quan thấp nhất bằng 0.5, thì băng thông kênh truyền được xác định là
1

(2.6)

Bc 
5d

Băng thông của kênh truyền có thể được định nghĩa như là dải thông phù hợp
của kênh truyền sử dụng khái niệm đường bao của hàm tự tương quan. Phương pháp
để đánh giá băng thông của kênh truyền là dựa vào tính chất của kênh truyền bằng
cách xử lý tần số của nó. Và nó không biểu diễn chính xác được băng thông.
Nếu kênh truyền có băng thông lớn hơn băng thông của tin tức thì tất cả các thành
phần tần số của tin tức khi đến máy thu sẽ không méo hoặc là méo không đáng
kể, và nhiễu giữa các ký hiệu sẽ được bỏ qua và kênh truyền xem như là kênh truyền

13


fading phẳng (flat fading). Đây là đặc
điểm ở những khu vực nông thôn (gần như là
truyền phẳng), khi đó giá trị của thời gian trễ sẽ rất nhỏ như ở Hình 2.7a.

kênh

Ngược lại nếu băng thông của tin tức lớn hơn băng thông của kênh truyền, thì những
thành phần tần số khác nhau của tin tức sẽ bị phân tán ra. Kết quả là sự mở rộng xung,
và do đó những thành phần này sẽ gây ra nhiễu ISI. Đáp ứng xung ở Hình 2.7b có thể
được xem như là một ví dụ về kênh truyền chọn lọc tần số (Bell 1963, Jake 1974). Tuy
nhiên điểm khác biệt giữa kênh truyền phẳng và chọn lọc tần số (flat và frequencyselective) là dựa trên băng thông của thông tin và σd, và không phụ thuộc vào giá trị
tuyệt đối của σd. Thành ra kênh truyền phẳng sẽ trở thành kênh truyền chọn lọc tần số
nếu thông tin được truyền đi với tốc độ cao. Bây giờ chúng ta có thể hiểu tại sao lại
cho rằng kênh truyền chọn lọc tần số là một kênh truyền phân tán.
Chúng ta nhận thấy rằng có hai ảnh hưởng đến sự ngẫu nhiên của đường bao
của tín hiệu nhận và chọn lọc tần số của kênh truyền là sự xuất hiện riêng biệt của
truyền sóng đa đường phản xạ và một đường tín hiệu trực tiếp hoặc kết hợp cả hai.
Tuy nhiên hầu hết các trường hợp thực tế pha của tín hiệu thu được là ngẫu nhiên và
phân bố của đường bao theo Reyleigh được biểu diễn không phụ thuộc vào sự lựa
chọn tần
số của kênh truyền.
Cách tốt nhất để mô tả sự độc lập của kênh truyền đối vói tần số là sử dụng mô
hình hai tia để đại diện cho fading. Theo mô hình này đáp ứng xung h tc ( ) (Walk 1966,
Clar 1968, Hash 1979, Ball 1982, Casa 1990) được viết bằng tổng của hai trường
Reyleigh có pha ngẫu nhiên và trễ so với nhau một thời gian 
hc t a1 expj1ta2 expj2 t 

(2.7)

Với a1 và a2 là độc lập có cùng phân bố Reyleigh và 1 , 2 là phân bố đều trong
khoảng [0,2]. Nếu a2 bằng không chúng ta có kênh truyền flat fading. Bằng cách thay
đổi  chúng ta có thể tạo kênh truyền với băng thông khác nhau. Giả sử một trường
hợp đơn giản với a1 và a2 là đại lượng vô hướng biết trước với b = a2/a1. Giả sử 1, 2 là
biết trước và bằng nhau, (2.7) cho đáp ứng xung có thể viết lại như sau
14

h tc ( )   ( )t  (t  )

(2.8)

Và hàm truyền Hc ( f ) có đáp ứng tần số được cho bởi
Hc ( )f  1 bexp( j2f )

(2.9)

Đặc trưng của kênh truyền có thể được quan sát bằng cách vẽ giá trị tuyệt đối
của hàm truyền
| Hc( f ) | 1b2  2bcos(2f )

(2.10)

Hàm truyền có đỉnh tại các khoảng f=1. Đối với các giá trị khác nhau của τ, băng
thông của kênh truyền đo được thông qua sự khác nhau của các điểm zero, làm cho
kênh truyền chuyển từ đặc tuyến phẳng sang đặc tuyến lựa chọn tần số. Chú ý rằng
những mô tả đơn giản mà chúng ta giả sử các thành phần là biết trước, trong thực tế
các thành phần là ngẫu nhiên.
2.2.5 Đặc tính phân tán tần số của kênh truyền
Cho đến giờ chúng ta chỉ giả sử một trường hợp duy nhất là đơn vị di động (MU hay
MS) đứng yên. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét trường hợp đơn vị di động di chuyển với
vận tốc v như ở Hình 2.7. Sự di chuyển của đơn vị di động gây ra hiệu ứng Doppler
làm dịch tần số của tín hiệu thu được. Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động
tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở Hình 2.7. Bản chất của hiện
tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một
khoảng gọi là tần số Doppler.

Trạm phát
Tuyến 1
Vật
phản

2 (t)
Tuyến 2 1 (t )
i

v

xạ

15


Hình 2.7: MS di chuyển với tốc độ v.
Giả thiết góc tới của tuyến i so với hướng chuyển động của máy thu là i , khi
đó tần số Doppler của tuyến này là
v
fd 

f0 cosi 
(2.11) c

Trong đó f0: tần số sóng mang của hệ thống v: vận tốc chuyển
động tương đối của máy thu so với máy phát c: vận tốc sóng
điện từ trong không gian
i : góc giữa hướng di chuyển của thiết bị di động và đường truyền thẳng đến

trạm phát
0 < i < 
Nếu i = 0 thì độ dịch tần Doppler lớn nhất
v

f d  f 0
c

(2.12)

Tính toán tất cả các hướng có thể tần số tức thời fin được cho bởi
(2.13)

fin  f0  fd cos(i )

Tín hiệu thu được một lần nữa có thể được biểu diễn như sau:
N

st cosct

N





a cos cos t  sin t a sin cos t  
i

i1

d

i

i

c

i

d

i

i

(2.14)

i1

Với N là số đường tín hiệu nhận và i là các pha của tín hiệu. Nếu chúng ta giả
sử rằng N là đủ lớn đường bao sẽ có phân bố Reyleigh như trong trường hợp đơn vị di
động đứng yên. Đồ thị điển hình của tín hiệu Doppler-faded được trình bày ở Hình
2.8.
Chúng ta có thể tín toán phổ công suất của tín hiệu thu được (Gans 1972, Huan
1992, Pars 1992, Fleu 1996, Stee 1999). Từ (2.13) cho thấy rằng tín hiệu thu được sẽ

16

có sóng mang bị dịch tần một lượng là  f cd os(i ) , sự dịch tần số này ảnh hưởng đến
sự
đồng bộ của nhiều hệ thống. Đối với MU hay MS di chuyển trong phổ giá trị i có thể
bằng
không hoặc là bằng π, giá trị cực đại của độ dịch tần Doppler sẽ là  fd . Chúng ta giả
sử rằng các pha i và i là phân bố đều trong khoảng (0,2), phổ công suất Sd ( )f của tín
hiệu thu được có thể biểu diễn (Gans 1972, Jake 1974)

| f |

 fd
sd( )f 


f 2
1 ( )
fd

 fd



(2.15)


0

Hình 2.8: Tín hiệu Doppler-fade, [1].
Đồ thị phổ công suất được trình bày ở Hình 2.9. Nó cho thấy rằng hầu hết năng

lượng tập trung xung quanh độ dịch tần Doppler cực đại fd . Phổ trở nên vô hạn tại độ
dịch Doppler cực đại (± ƒd). Chú ý rằng phổ công suất phụ thuộc vào loại anten bức xạ
và cách phân cực được sử dụng.

17


Bây giờ giả sử rằng truyền một xung ngắn RF tín hiệu nhận tại một chiếc xe
đang di chuyển. Sự di chuyển của MU sẽ gây ra sự thay đổi của kênh truyền tại tốc độ
của fd Hz. Nếu độ rộng xung ngắn thì sự thay đổi gây ra bởi sự di chuyển sẽ chậm và
sẽ ít gây ra hoặc không gây ra sự tác động nào lên sự truyền dẫn của xung. Nói cách
khác nếu băng thông của tín hiệu được đo trong giới hạn nghịch đảo của độ rộng xung
lớn hơn nhiều độ dịch tần Doppler cực đại, kênh truyền sẽ thay đổi rất chậm hay
được gọi là kênh truyền fading chậm (slow fading). Mặt khác nếu độ rộng xung lớn
hơn sự thay đổi gây ra ở kênh truyền do sự di chuyển của MU nhanh và sẽ ảnh hưởng
xấu đến việc truyền dẫn. Nói cách khác khi truyền dẫn ở tốc độ thấp sự di chuyển sẽ
gây ra fading nhanh (fast fading) nếu băng thông của tín hiệu không lớn hơn nhiều so
với độ dịch tần Doppler cực đại.

Hình 2.9: Phổ của tín hiệu dịch tần Doppler, [1].
Sự quan hệ giữa slow fading và fast fading có thể biểu diễn theo thời gian
tương quan Tc của kênh truyền (Stei 1987) được đo theo nghịch đảo của độ dịch tần
cực đại Doppler (Doppler-shift) cho bởi
1

(2.16)

Tc 
fd

vì vậy, Ts > Tc hay Bs < Bd. Hiện tượng fading được xem như là fast fading theo điều
kiện sau đây
Ts > Tc và Bs < Bd

18


Mặt khác, các trường hợp xét đến mà đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi chậm
so với thay đổi trong tín hiệu truyền dãy nền. Trong trường hợp này, chúng ta có thể
giả thiết rằng kênh truyền không thay đổi theo thời gian của một hay nhiều symbol và
do đó, nó được xem như kênh truyền tĩnh. Có nghĩa là độ dịch Doppler nhỏ hơn nhiều
so với băng thông của tín hiệu truyền dãy nền. Hiện tượng fading được xem như là
fast fading theo điều kiện sau đây
Ts << Tc và Bs >> Bc
trong trường hợp ở đây, thời gian truyền được định nghĩa như là thời gian kéo dài của
đáp ứng xung với sự tương quan thấp nhất bằng 0.5 (Sklar 2002)
9

(2.17)

Tc 
16fd

Lưu ý rằng, (2.16) có được theo giả thiết rằng tín hiệu thay đổi rất chậm, trong
khi (2.17) có được theo giả thiết rằng tín hiệu thay đổi rất nhanh. Các kết luận chung
nhất là xác định Tc theo trung bình hình học của (2.16) và (2.17) như sau
(2.18)

Tc 
9

0.423
2 
fd
16f d

Nếu độ rộng xung nhỏ hơn thời gian Tc, xung sẽ ít có khả năng bị méo dạng
(slow fading), nếu độ rộng xung lớn hơn Tc xung sẽ bị hiện tượng fast fading và sẽ
méo dạng. Fast fading là đặc tính phân bố rải theo tần số của kênh truyền gây ra bởi sự
di chuyển của MU hay MS. Sự khác biệt giữa slow fading và fast fading là một trong
các yếu tố quan trọng trong thiết kế mô hình toán học của kênh truyền fading cũng
như trong đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền thông.

19


2.2.6 Quan hệ giữa phân tán tần số và phân tán thời gian

Hình 2.10: Phạm vi chịu ảnh hưởng của các dạng fading.
Chúng ta nhận thấy rằng fading có thể diễn ra trong miền thời gian cũng như
tần số. Chúng ta có khả năng xử lý fading trong hệ thống không dây bởi vì chúng có
những hiệu ứng độc lập. Kênh truyền có đáp ứng phân tán thời gian khi hiện tượng
đa đường xuất hiện. Cùng lúc đó kênh truyền cho thấy sự phân tán theo tần số nếu MU
đang di chuyển. Mặc dù đây là những hiệu ứng độc lập nhưng có một mối quan hệ
giữa hai thông số phân tán của kênh truyền do mối quan hệ không có quy tắc phụ
thuộc vào thời gian và tần số. Hiệu ứng này được minh họa ở Hình 2.10.
Với tốc độ dữ liệu thấp độ rộng xung sẽ lớn và kênh truyền cơ bản sẽ chậm và
phẳng. Nếu tốc độ dữ liệu cao và MU di chuyển chậm, kênh truyền sẽ chậm nhưng có
chọn lọc tần số. Nếu tốc độ bit cao và MU di chuyển tốc độ cao thì kênh truyền nhanh
và chọn lọc tần số,…. Kênh truyền rơi vào loại phân tán theo thời gian và phân tán
theo tần số phải yêu cầu những cách thức hiệu chỉnh để vượt qua sự méo dạng.

20


CHƯƠNG 3: NHỮNG MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN FADING CƠ BẢN
Giới hạn chính của chất lượng thông tin di động là sự suy giảm của tín hiệu khi
nó đi từ máy phát đến máy thu (Gilb 1965, IEEE 1988, Deli 1985, Cheu 1998). Đường
tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu có thể là đường truyền thẳng (line-of-sight
(LOS)) như ở Hình 3.1, trong trường hợp này thì sự mất mát của tín hiệu không quá
nghiêm trọng.
Tuy nhiên trong một khu vực đô thị thì đường truyền giữa máy phát và máy thu
không phải là trực tiếp và tín hiệu đến máy thu thông qua các quá trình phản xạ, tán xạ
hay nhiễu xạ từ các cao ốc, các cấu trúc tự nhiên và những chướng ngại vật khác trên
đường đi (Jake 1974). Những cách truyền dẫn này của tín hiệu là ví dụ của việc truyền
tín hiệu non-line-of-sight (N-LOS) (Clar 1968).

Hình 3.1: Đường đi thẳng giữa hai anten, [1].
Ở những điều kiện N-LOS (phản xạ, tán xạ hay là khúc xạ) sẽ chỉ ra hầu hết đặc điểm
của truyền dẫn thông tin di động. Do đó mẫu lan truyền trong không gian tự do (free
space (FS)) không thích hợp cho việc tính toán suy giảm của tín hiệu thu. Công suất
thu được bởi máy thu (MU hay MS) được trình bày ở Hình 3.2.
Quan sát năng lượng ở khoảng cách vài km chúng ta thấy được sự giảm ổn
định trong năng lượng. Đây là sự suy giảm đơn giản của năng lượng. Tuy nhiên điều
này chưa cho biết toàn bộ vấn đề. Nếu chúng ta giới hạn ở khoảng cách vài km chúng
ta sẽ thấy được năng lượng dao động xung quanh giá trị trung bình và sự dao động
này diễn ra trong thời gian dài, hiện tượng này được xem là long-term fading hay là
large-scale fading như chúng ta thấy sau này, điều này được mô tả như là phân bố
lognormal (Brau 1991). Nếu chúng ta giới hạn hơn nữa và kiểm tra công suất ở
khoảng cách vài trăm mét chúng ta thấy rằng năng lượng nó còn dao động nhanh hơn.
Hiện tượng gia tăng dao động này được gọi là short-term fading hay small-scale

21


fading mà chúng ta sẽ thấy sau này được gọi là phân bố Rayleigh. Do đó chúng ta thấy
rằng tín hiệu thu được một cách tự nhiên thì phức tạp hơn một cách diễn tả đơn giản
chỉ dựa trên suy giảm tín hiệu (Auli 1979, Akki 1994, Samp 1997). Bây giờ chúng ta
sẽ xem xét ba hiện tượng này cùng với sự lan truyền của tín hiệu không dây một cách
chi tiết hơn.

Hình 3.2: Mất mát năng lượng dưới ba hiệu ứng chính: suy hao, long-term và
shortterm fading, [1].
3.1

MÔ HÌNH THỂ HIỆN TÍNH SUY HAO
3.1.1 Suy hao

Giả sử một trường hợp đơn giản khi có một đường truyền trực tiếp giữa máy
phát và máy thu như Hình 3.1. Khi không có những chướng ngại vật đáng kể trên

22


đường đi của tín hiệu thì năng lượng thu được Pr sẽ tuân theo quy luật ngược bình
phương (Gilb 1965, Jake 1974)
(3.1)

Pr  d2

với d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, năng lượng thu được thường được
biểu diễn như sau

PG Gt



t 2

P dr  

2

2

d>0

(3.2)

4 d L
Các thông số Gt và Gr là độ lợi máy phát và máy thu. Bước sóng là λ và L (1)
đại diện cho sự suy hao cộng vào trong hệ thống mà không liên quan đến sự mất mát
do lan truyền, như mất mát do bộ lọc, anten,….
Công suất phát Pt theo mW, thành phần PtGt được xem là thành phần công suất
phát đẳng hướng (equivalent isotropic radiated power (EIRP)). Các thông số khác là
độ mất mát trong không gian tự do L free được cho bởi

)dB

Lfree  20log10(

(3.3)

4d

Biểu thức cho EIRP có thể được dùng để ước lượng công suất nhận tại bất cứ
vị trí nào của máy phát sử dụng (3.2)
dref 2
P d P dr( )  r( ref )  (3.4)  d 

với d ref là khoảng cách tham khảo. Khoảng cách tham khảo phải nhỏ hơn khoảng cách
điển hình gặp phải trong hệ thống truyền thông không dây và phải rơi vào miền xa
(farfiefd) của anten, để cho mất mát ngoài điểm đó chỉ phụ thuộc khoảng cách (Pahl
1995, Rapp 1996). Giá trị này thì thông thường nằm trong khoảng từ 100-1000m.
Công suất tại khoảng cách dref là P dr ( ref ) cũng được tính bằng mW. Sử dụng phương
pháp này, (3.4) có thể viết lại là

23


dref 
 (3.5)  d 

P d dBmr ( ) 10log10(P dr ( ref )) 20log10 

Độ suy hao thật sự của tín hiệu tại tần só f0 tại khoảng cách d (Km) dưới điều kiện của
địa hình không có chướng ngại vật, hay là L free , có thể đạt được bằng cách viết lại sự
suy hao trong truyền sóng tự do theo (3.3)
c/f
dB

Lfree 20log10 

(3.6)

 4d 

với c là vận tốc lan truyền của trường điện từ trong không gian tự do, bằng 3x108m/s,
và f là tần số (MHz). (3.6) có thể biểu diễn lại
(3.7)

Lfree  32.44  20log10 f  20log10 d

với d phải lớn hơn 1km, f tính theo MHz.
Trong trường hợp sóng truyền trong không gian tự do ở trên dĩ nhiên chỉ là điều kiện
lý tưởng và công suất thường suy hao với tốc độ nhanh hơn nhiều so với dự đoán
bằng luật bình phương nghịch. Do đó suy hao ở trong hầu hết các trường hợp sẽ được
xem xét là cao hơn (Rapp 1995, Deli 1985). Có thể khảo sát công suất tiêu hao theo
hàm mũ với bậc cao hơn v và do đó công suất nhận được Pr có thể biểu diễn là
(3.8)

Pr  dv

với thông số suy hao v có giá trị tối thiểu là 2 trong không gian tự do (FS) và lớn hơn 2
khi truyền trong điều kiện không phải là tự do. Công suất nhận được dưới điều kiện
NLOS có thể được viết kết hợp giữa (3.4) và (3.8) như sau
dref 
P d dBmr ( )10log10(P dr ( ref ))10vlog10 



(2.9)

d

với d ref là khoảng cách tham khảo bằng 100m. Đồ thị của công suất thu được với một
vài giá trị của v được biểu diễn ở Hình 3.3 cho thấy rằng suy hao có xu hướng tăng khi

24


gặp phải điều kiện N-LOS. Những giá trị cao hơn của v đáp ứng trong khu vực thành
phố và đô thị, giá trị thấp hơn của v đáp ứng với những nơi khu vực cận thành thị và
nông thôn.
Một vài mô hình đã được đưa ra để tiên đoán sự suy hao của tín hiệu khi nó đi
đến máy thu. Những mô hình suy hao này kết hợp với kinh nghiệm đo đạc ở nhiều
thành phố và một số mô hình vật lý để tính toán cho nhiều hình thức khác nhau mà tín
hiệu RF truyền đi. Như đã đề cập trước đây tín hiệu bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, khúc
xạ và bị hấp thụ bởi môi trường địa lý như là nhà cao tầng, thực vật và những hiệu
ứng khác, trước khi chúng đến được máy thu. Những hiện tượng vật lý khác nhau kết
hợp lại gây ra sự suy hao đáng kể đối với tín hiệu. Sự suy hao của năng lượng thường
đi kèm với sự dao động xung quanh giá trị trung bình của năng lượng thu được khiến
cho sự dự đoán năng lượng thu được trở nên khó khăn hơn.

Hình 3.3: Năng lượng thu được với hệ số suy hao v, [1].
Một mô hình do Okumura và đồng nghiệp của mình đã đề suất để dự đoán mức suy
hao trung bình dựa trên đo đạc thực hiện ở trong và xung quanh Tokyo (Okum 1968).
Mô hình này dựa trên giả thuyết có khả năng để tính toán sự suy hao trong không gian
tự do giữa trạm gốc (BS) cao 200m và đơn vị di động (MU hay MS) cao 3m, kèm theo
những thông số hiệu chỉnh để tính toán theo địa hình. Những thông số hiệu chỉnh
25